Dokładny pomiar wydłużenia cięgna pod wpływem temperatury - metody?

Witajcie.

Potrzebuję dokonać dokładnego pomiaru.
Nie mam doświadczenia w tej kwestii i dlatego zwracam się o pomoc w rozwiązaniu problemu.

Najpierw zobrazuję:


Teraz opiszę:
Masa jest podwieszona na cięgnie zmieniającym swoją długość pod wpływem temperatury.
Cięgno wydłuża/skraca się w niewielkim zakresie (do 2 cm).
Chcę dokonać pomiaru wydłużenia/skrócenia się cięgna poprzez zmierzenie położenia a następnie przemieszczenia masy.
Wymagana dokładność jest rzędu 0,1mm. Pomiar z częstotliwością minimum kilku Hz.

W jaki sposób to rozwiązać?

Myślałem nad użyciem punktowego źródła światła padającego na masę i rzucającego cień na ścianę (dlatego temat znajduje się w tym dziale - jeśli powinien być w innym, proszę o przeniesienie) na której można zamontować jakieś elementy fotoelektryczne (fotorezystory?) i wyznaczenie położenia z triangulacji (podobieństwo trójkątów).

Drugim pomysłem jest doczepienie do masy magnesu i mierzenie natężenia pola magnetycznego, następnie przeliczanie go na odległość od czujnika.

Generalnie rozwiązanie powinno być w miarę proste i tanie.
Doradzicie, jak ( w jaki sposób, jakimi konkretnymi elementami) to wykonać w praktyce?

Gdzie to ma być stosowane? Czy to ma być jeden egzemplarz? Jak odporne ma to być na zaburzenia? Co jeśli ten ciężarek zacznie się bujać? Co ma być wyjściem tego rodzaju detekcji? Ma to być wyświetlacz czytany przez człowieka, czy może sygnał 0-10V, a może sygnał cyfrowy? Jest bardzo wiele metod którymi można to zmierzyć. Precyzja tego pomiaru to rzecz bardzo względna. Jeśli zakres ruchu jest 2cm to wbrew pozorom jest to BARDZO dużo w kontekście pomiaru elektronicznego. Metody pomiaru mogą być takie:
- optyczna tak jak opisałeś, oświetlenie ciężarka i obserwacja jego cienia za pomocą linijki jakichś detektorów.
- optyczna za pomocą kamery - można kamerą, nawet "internetową" z odpowiednim obiektywem, obserwować ten ciężarek i napisać prosty program komputerowy który będzie oceniał na podstawie obrazu ile ciężarek się przesunął.
- metoda dalmierza ultradźwiękowego umieszczonego pod ciężarkiem
- metoda dalmierza optycznego (triangulacja) również pod ciężarkiem
- metoda z magnesem i czujnikiem halla też by się sprawdziła ale będzie nieliniowa
- metoda pojemnościowa - ale 2cm to w tym przypadku bardzo duża odległość dla oddalających się od siebie płytek, chyba żeby zrobić np. 10 płytek ustawionych pionowo w które będą wsuwać się w kolejne 10 płytek pionowych zamocowanych do ciężarka
- jeśli ciężarek ma znaczną masę to można nawet przymocować do niego suwak potencjometru liniowego...

I tak kluczowe pytanie to jak stabilny będzie ten ciężarek w przestrzeni. Bo jeśli tak sobie po prostu wisi to mam wrażenie że nie będzie za bardzo stabilny, będzie się obracać, bujać, itp.

Będzie to zastosowane laboratoryjnie, nie przemysłowo. Pojedynczy egzemplarz.
Chodzi właśnie o badanie właściwości tego cięgna (drut metalowy o średnicy 0.2-0.4mm).
Masa zmienna, zakres około 0,2-2kg.

Rzeczywiście jest prawdopodobne obracanie/wahanie się ciężarka - tego jak dotąd kompletnie nie wziąłem pod uwagę.

Rozmawiałem dzisiaj z elektronikiem i powiedział, że problemem będzie właśnie dokładność.
Gotowe przyrządy o cenie kilkaset-kilka tysięcy złotych niestety nie wchodzą w grę. Zdecydowanie potrzeba rozwiązania niskobudżetowego.

Zajrzyj do: Allegro/Firma i usługi/Przemysł/Materiały i akcesoria/Przyrządy pomiarowe/Czujniki zegarowe i uchylne
Nie wiem jednak czy w takim elektronicznym mierniku uzyskasz odpowiednio dużą częstotliwość pomiarów. Jeśli będzie zbyt mała to rozważ pomiar indukcyjności cewki z wsuwanym rdzeniem. W praktyce może to być generator pracujący w zakresie akustycznym i rejestracja dźwięku np. w PC.
Jeśli chodzi o rozwiązania niskobudżetowe to zapewne sprawdzi się klasyczny rysik i obracający się papierowy walec.

Znalazłem też coś takiego jak Stretch Sensor (Flexible Stretch Sensor lub Stretch Sensing Rubber) w postaci gumy, która zmienia swoją rezystancję gdy jest rozciągnięta. Tutaj link: Link Trzeba by ją jakoś zamocować na cięgnie. Ciekawe tylko jak z powtarzalnością i dokładnością.

Jeśli możesz dać dwa cięgna obok siebie, jedno mogło by pracować bez obciążenia i być połączone z czujnikiem przemieszczenia np potencjometrem.

Potencjometr byłby najprostszy. Cewka z rdzeniem i pomiar indukcyjności to też bardzo dobry pomysł. Cewka jednocześnie spełniałaby rolę prowadnicy, wtedy jak by ciężarek zechciał się bujać to byłoby to skutecznie uniemożliwione. Zamiast pomiaru indukcyjności można tą samą metodą nawinąć trzy uzwojenia koło siebie, wzbudzać środkowe i mierzyć różnicowo sprzężenie transformatora do uzwojeń bocznych. Pomiar mostkowy, odporny na zmiany parametrów rdzenia, uzwojeń i otoczenia. Moim zdaniem takie rozwiązanie sprawdziłoby się bardzo dobrze. Potencjometr byłby dużo prostszy ale mniej dokładny i sprowadzałby tarcie (czyli wpływałby na działanie tego ciężarka oraz wprowadzał jakąś histerezę w pomiarze).

A może dałoby się wykorzystać suwmiarkę elektroniczną? Wynik byłby od razu. Czujniki magnetyczne czy to cewka zaproponowana przez kolege Pawel2420 czy LVDT zaproponowany przez kolegę c4r0 czy to potencjometr i tak trzeba jakoś zamontować więc zamiast nich można użyć suwmiarkę elektroniczną. Wyobrażam to sobie jakoś podobnie jak to zaproponował kolega jarek_lnx czyli jakaś linka czy metalowy pręt równolegle do cięgna.

Suwmiarka też OK, kwestia ograniczenia tarcia. Ale jeśli ten pomiar ma być gdzieś wysyłany to trzeba by jakoś dorobić interfejs elektroniczny do takiej suwmiarki a to już chyba przesada. Chyba, że są jakieś z USB lub RS232

AVE...

W EdW z kwietnia tego roku jest o interfejsach w suwmiarkach elektronicznych. Zresztą koleś od EEVBlog też o tym opowiadał w którymś epizodzie. IMHO najlepszym pomysłem byłby ten transformator bo najmniej wpływa na sam ciężar. Można też użyć optycznego enkodera liniowego z drukarki. Zasadniczo to wstęga plastikowa, którą trza by zawiesić do ciężarka i obciążyć odrobinkę jej drugi koniec, lub dodać jakąś rozpórkę by była naciągnięta. Jeśli ciężarek poruszałby się w ułożyskowanej prowadnicy to by nie było problemów ze skręcaniem. Jeszcze inaczej można by dać poprzeczną, elastyczną belkę pod ciężarkiem, która by się uginała gdy drut się rozciąga. Na belce tensometr, ale też zostaje kwestia dokładności...

Cytat:

Można też użyć optycznego enkodera liniowego z drukarki. Zasadniczo to wstęga plastikowa, którą trza by zawiesić do ciężarka i obciążyć odrobinkę jej drugi koniec, lub dodać jakąś rozpórkę by była naciągnięta.

Urgon - przeczytałem, poszukałem troszkę informacji w sieci o takim enkoderze i wydaje mi się on świetnym pomysłem.

Kawałek folii / pleksi z naniesionymi czarnymi paskami (naświetlonymi w jakimś zakładzie poligraficznym - rozdzielczość 0,1mm do osiągnięcia spokojnie).

Do tego transoptor szczelinowy (poruszający się razem z ciężarkiem wzdłuż liniału / ewentualnie ruchomy liniał, nieruchomy transoptor) wysyłający sygnały do jakiejś Atmegi, która by je zliczała i potem wynik wyrzucała na wyświetlacz / przesyłała do pc.

Takie rozwiązanie wydaje mi się proste. Za proste.
Gdzie może tkwić kruczek, na który się nadzieję i utknę?
Może wykrywanie kierunku ruchu (dodawanie impulsów w ruchu w dół, odejmowanie impulsów przy ruchu w górę) ?

AVE...

Możesz użyć dwóch transoptorów tak przesuniętych, jak w enkoderach obrotowych, by uzyskać częściowe przesunięcie fazy dwóch sygnałów. W ten sposób sekwencja impulsów będzie różna dla obu kierunków ruchu. Ewentualnie dwa transoptory i dwa zestawy linii, przesunięte względem siebie odpowiednie...

Kruczki są takie:
- Pomiar masz względny - wiesz o ile się ciężarek przesunął odkąd zacząłeś mierzyć, ale nie wiesz jaka jest jego bezwzględna pozycja. Nawet dwa paski przesunięte w fazie i detekcja kierunku ruchu tego nie rozwiązuje.
- Rozdzielczość masz na sztywno ustawioną na poziomie konstrukcyjnym (gęstość pasków). W pomiarze analogowym możesz zwiększać rozdzielczość do woli bez ingerencji w sprzęt na tyle na ile pozwoli poziom szumów.
- Trzeba użyć atmegi - niektórzy nie umieją lub nie lubią programować. Z kolei są też tacy co nie lubią układów analogowych.

krzysssztof napisał:

rozdzielczość 0,1mm do osiągnięcia spokojnie)[...]
Do tego transoptor szczelinowy [...]
Gdzie może tkwić kruczek, na który się nadzieję i utknę?

Nie będzie łatwo zasłonić fototranzystor paskiem o szerokości 50um. Wymaga to odpowiedniego toru optycznego i bardzo precyzyjnego prowadzenia taśmy. Co więcej potrzebne będą dwa fototranzystory co w znacznym stopniu komplikuje sprawę. Zwróć uwagę, że długość fali światła jaką chcesz oświetlić linijkę jest zalewie 50 razy mniejsza od szerokości paska.

Przed chwilką właśnie się zastanawiałem - przejrzałem katalogi transoptorów szczelinowych i najlepsza znaleziona dokładność to 0,2mm.
Ponadto ciężko będzie tak zamontować taśmy czy innych elementy na tyle precyzyjnie i pewnie, żeby uzyskać stałe przesuniecie fazowe.

Dokładnie to, co napisałeś Pawle.

Zastosuj czujnik zegarowy. Są one robione dokładnie do takiego celu jak potrzebujesz. Niestety jest w nich delikatna sprężyna, która w tym wypadku będzie trochę przeszkadzała. W najprostszym rozwiązaniu możesz użyć czujnika mechanicznego za kilkadziesiąt złotych i kamery do rejestracji jego wskazań. Po pomiarze obejrzysz film klatka po klatce i spiszesz wyniki. Droższa wersja to czujnik elektroniczny z interfejsem USB.
Jeśli mimo wszytko chcesz kombinować to rozbierz czujnik mechaniczny i zamontuj w jego wnętrzu transoptor.

Pawel2420 napisał:

Nie będzie łatwo zasłonić fototranzystor paskiem o szerokości 50um. Wymaga to odpowiedniego toru optycznego i bardzo precyzyjnego prowadzenia taśmy. Co więcej potrzebne będą dwa fototranzystory co w znacznym stopniu komplikuje sprawę. Zwróć uwagę, że długość fali światła jaką chcesz oświetlić linijkę jest zalewie 50 razy mniejsza od szerokości paska.

50x to akurat bardzo dużo w tym kontekście. Jak by to było 5 długości fali to byłby problem. Urgon i tak miał na myśli enkoder z drukarki, który jest gotowym elementem z całą optyką zintegrowaną. Nie jest to transoptor szczelinowy tylko coś innego:
http://www-personal.umich.edu/~btrease/chaockey/Agilent_Optical_Encoders.pdf
Ale i tak, takie enkodery mają przeważnie rozdzielczość 150 linii na cal więc około 6 linii na milimetr - a tutaj chodzi o 10.

AVE...

A jakby użyć czujnik skanera albo czujnik optyczny myszki? Te mają dużo większą dokładność. Problemem może być oprogramowanie do obsługi takiego czujnika...

Jeżeli 'zawieszoną masę' da się wypolerować na lustro od spodu, lub przymocować do niej od spodu lustro, to mozna zastosować laser który pod kątem od spodu oświetla lustro, oraz linijkę ccd jako detektor. (troche zawile opisałem ale chyba da się zrozumieć)

Zrozumieć się da ale pamiętaj że to jest dwukilogramowy kloc wiszący na druciku. Wyobraź sobie jak stabilna będzie ta odbita wiązka lasera Jak na razie ze wszystkich pomysłów obstawiam transformator.

AVE...

To linijka CCD i plastikowa wstęga w paski szerokie na 0,1mm oraz oświetlacz z diod LED. Z tego, co pisał jeden człek z forum o robotyce, da się bez problemów czytać 30 obrazów na sekundę z linijki o szerokości 128 punktów. Możliwe, że trzeba będzie dodać jeszcze jakąś soczewkę by więcej niż jeden piksel (3-5 tak na oko by było OK) wypadał na 0,1mm obrazu. Takie soczewki można pozyskać z napędu CD/DVD...

Jest nawet gotowy moduł z soczewką: TSL1401-DB za 49$. Można podejrzeć jak działa bo to obszerny pdf jest.

c4r0 napisał:

Zrozumieć się da ale pamiętaj że to jest dwukilogramowy kloc wiszący na druciku. Wyobraź sobie jak stabilna będzie ta odbita wiązka lasera.

Nie tylko wiszący ...
Pytający napisał, że drut się wydłuża i skraca. Pomiary mają być wykonywane z częstotliwością minimum kilku Hz. Można więc wywnioskować, że ciężarek będzie się szybko się poruszał. Nawet jeśli ten drucik będzie utrasztywny to i tak cały układ wpadnie w różnego rodzaju drgania.

Trzeba popatrzeć na suwmiarkę -i zastosować -z boku - skalę noniusza -aby te zmiany zaobserwować .Pomierzyć trochę suwmiarka zwykłą -o dokładności 0,1mm-może są jeszcze dokładniejsze suwmiarki.

Na tym drucie można umocować włókno światłowodowe -wielomodowe-zasilane światełkiem.Swiatłowód może być szklany lub plastykowy .

Może to być też popularny wskaźnik laserowy -z magnesem- mocowany na ciężarku.

Do pomiaru wystarczy porządna kamera USB. Przy 30 klatkach na sekundę i rozdzielczości Full HD, przy niewielkiej odległości kamery od przedmiotu, można osiągnąć wymaganą dokładność. Zostanie napisanie programu na PC.

Wystarczy mniejsza rozdzielczość, ale na przedmiocie trzeba nakleić podziałkę, i to precyzyjnie wykonaną (można wydrukować na drukarce laserowej, przy rozdzielczości 600 DPI błąd będzie do 0.021mm). Dobrze byłoby zrobić podziałkę tak, by łatwo było dekodować odczyt. Nie za drobne kreski, żeby niedokładne nastawienie ostrości nie przeszkadzało w identyfikacji miejsca na podziałce. Kamerka musi mieć regulację ostrości, żeby móc obserwować z bliska - przy odległości 3cm powinna wystarczyć rozdzielczość 320x240, a można w miarę tanio (~20zł) kupić kamerkę o rozdzielczości 640x480. Żeby przesunięcie w poziomie (bliżej/dalej od kamerki) nie zmieniało odczytanej wartości, kamerka musi "patrzeć" poziomo i program musi ustalać, jaki punkt podziałki jest na wysokości kamerki.

Ten pomysł padł już w drugim poście ale autor najwyraźniej nie podchodzi do kamerki z entuzjazmem.

Można do ciężarka przyczepić taśmę magnetofonową i poprowadzić ją tak, żeby się przesuwała przed głowicą czytającą. Magnetofon kasetowy przenosi pasmo rzędu 10kHz przy prędkości przesuwu taśmy 4.75cm/s, czyli najkrótsze fale na taśmie mają 5 mikronów. Ale po pierwsze głowica musi działać niezależnie od prędkości przesuwania (czyli jakaś hallotronowa, a nie indukcyjna), po drugie taśmę trzeba odpowiednio poprowadzić i nie wiem, czy ruchy poziome nie przeszkodzą w tym. Taki sposób był stosowany w drukarce igłowej do wyznaczania położenia głowicy i to działało, ale tam ruch był po prowadnicach, bez ruchów bocznych.