Tani czujnik siły 150kG - układ do pomiaru naciągu liny

Potrzebuje zbudować układ do pomiaru naciągu liny. Mam kilka pomysłów na jego konstrukcję, jedna zakłada wykorzystanie elementu mierzącego siłę nacisku (jak w wadze), druga opcja to pomiar siły rozciągania.
Mój największy problem to cena. Przemysłowe czujniki kosztują po kilkaset złotych co jest mało zachęcające.
Czujnik jaki potrzebuje ma mierzyć siły w okolicach 150kG z dokładnością powiedzmy 1-5kG.
Chciałbym się zmieścić w okolicach 100zł za kompletny układ pomiarowy, który da mi na wyjściu proporcjonalną do siły wartość napięcia. Ważna jest też prostota wykonania. Najlepiej jak by elektronikę dało się wykonać na płytce uniwersalnej.

Obecnie zastanawiam się nad belką tensometryczną i układem AD7730. Tylko że belka na taką siłę też swoje kosztuje. Może da się wykonać ją taniej samemu? Problem w tym, że ciężko znaleźć coś na necie co by było ukierunkowane na taniość a nie dokładność.

Muszę Cię zmartwić , ponieważ za takie pieniądze to nie dostaniesz nawet odpowiedniego tensometru , najtańszą belkę tensometryczną do 500kg widziałem za około 250 zł.
Popytaj w serwisach wag .

Rozebrałem wagę łazienkową, tam siedzą fajne czujniki. Waga ma max obciążenie 150kg. Takie obciążenie powinna wytrzymywać przy stanięciu w dowolnej konfiguracji a więc teoretycznie każdy z 4 tensometrów powinien wytrzymywać takie obciążenie.
Teraz próbuje dojść jak to działa. Każdy z czujników ma 3 wyprowadzenia. Z tego co wygooglałem domyślam się, że czujnik ma w sobie 2 tensometry z jednym wspólnym wyprowadzeniem. Jeden tensometr zwiększa swoją rezystancję z obciążeniem a drugi zmniejsza.
Każdy tensometr ma 1kR. Potrzebuję jeszcze 2 rezystory 1kR aby stworzyć mostek. Wyprowadzenie mostka powinienem dać na wzmacniacz. Dobrze kombinuję?

Pytanie teraz jaki w miarę najprostszy wzmacniacz zastosować. Ten o którym wspominałem kosztuje 25zł, ale chyba udałoby się zastosować do mojego celu jakiś tani, łatwiej dosępny wzmacniacz operacyjny, co o tym myślicie? Może ktoś zasugerować jakiś konkretny? Znam się trochę na elektronice, ale nie na tyle, żeby ocenić stopień pływania, szumy itp. w takich układach.

Czy belki tensometryczne mają określony kierunek pracy czy mogą pracować w obie strony (zamiast naciskać ciągnąć)?

Hm... pytanie, czego te czujniki wymagają - czy zasilania o określonej polaryzacji, bo w środku mają elektronikę, czy też tylko działają jak układ dwóch oporników połączonych szeregowo i stosunek ich oporności się zmienia? Dobrze byłoby to sprawdzić, podłączyć odpowiednie zasilanie i ustalić, jakie zmiany napięcia można uzyskać - jeśli małe, to może będzie potrzebny precyzyjny wzmacniacz operacyjny (np. ICL7650), albo (jeśli to są tylko oporniki i zmiany są małe) zasilać napięciem zmiennym, wtedy powinien wystarczyć jakiś tańszy wzmacniacz.

Ruszyłem troszkę do przodu. Tak jak pisałem te czujniki mają w sobie po 2 tensometry 1kR. Zmiana ich rezystancji jest mniejsza jak 1R, na mierniku uniwersalnym praktycznie niezauważalna. Całość połączyłem w klasyczny mostek tensometryczny wykorzystując dodatkowo 2 rezystory 1kR.
Wzmacniacz wykonałem na TLV2322 w najprostszym układzie wzmacniacza różnicowego o wzmocnieniu 1000. Daje to zmianę napięcia ok 25mV/kG. W dalszej kolejności puszcze to na microkontroler, który przeliczy to na kilogramy. Zobaczymy jak się to to sprawdzać będzie.
Jak już wszystko ogarnę to postaram się zamieścić jakieś dokładniejsze opisy, bo na prawdę ciężko coś konkretnego w tym temacie znaleźć.

Natomiast zaczynam powątpiewać, czy jeden czujnik wytrzyma 150kG. Płaskowniczek na który naklejony jest tensometr jest takiego samego przekroju co w wadze hakowej 40kg. Albo dam 2 czujniki, albo zbuduje mechanizm dźwigniowy, który zmniejszy mi obciążenie jednostkowe.

Belka tensometryczna jest droga, ale co dostajemy za tą cenę? kawałek metalu który odkształca się proporcjonalnie do naprężenia, z przyklejonymi tensometrami, więc w czym trudność:
1. wymiary belki dobrano tak aby odkształcenie było możliwie duże, ale nie było znaczących nieliniowości.
2. przyklejono tensometry, tak aby całość nie płyneła pod stałym obciażeniem (ci którzy robili mówią że nie jest to łatwe)
3. wykonano pomiary - klient dostaje przyrząd o określonych parametrach.

W wagach łazienkowych producent najczęściej podaje tylko rozdzielczość, nie gwarantując żadnego parametru związanego z dokładnością, czujnik wagi łazienkowej nie musi być stabilny pod obciążeniem, bo obciążenie jest chwilowe,
a zerowanie następuje automatycznie po uruchomieniu, waga osobowa dla której producent cokolwiek gwarantuje kosztuje 10x tyle co "zwykła".

Cytat:

pytanie, czego te czujniki wymagają - czy zasilania o określonej polaryzacji, bo w środku mają elektronikę, czy też tylko działają jak układ dwóch oporników

Czujniki wagi łazienkowej raczej nie maja elektroniki w środku, gotowa waga kosztuje 50-100zł, wyprodukowanie w chinach musi kosztować kilka-kilkanaście razy taniej, tu nie ma miejsca na zaawansowaną elektronikę, tylko czujników musi ich być dużo żeby uśredniać elektrycznie nierównomierne obciążenia.

Wykonanie taniego czujnika siły jest możliwe, nawet z użyciem jakiegokolwiek czujnika przemieszczenia i sprężyny.

Cytat:

Pytanie teraz jaki w miarę najprostszy wzmacniacz zastosować. Ten o którym wspominałem kosztuje 25zł, ale chyba udałoby się zastosować do mojego celu jakiś tani, łatwiej dosępny wzmacniacz operacyjny, co o tym myślicie?

Do tensometrów stosuje sie wzmacniacze pomiarowe, celem jest wzmacnianie małych sygnałów różnicowych na tle 1000x większego sygnału wspólnego, można w sieci znaleźć schemat takiego wzmacniacza ale użycie odpowiednio precyzyjnych rezystorów zniweczy zysk ekonomiczny, typowy wzmacniacz pomiarowy kosztuje ok dychy, osiem precyzyjnych rezystorów znacząco więcej.

Egzi napisał:

Potrzebuje zbudować układ do pomiaru naciągu liny.

W systemach elektrycznego hamulca są takie czujniki, mierzą siłę zaciągnięcia linek. Mam taki niesprawny, mogę rzucić okiem jak to tam działa.

Oprysk Stonki napisał:

W systemach elektrycznego hamulca są takie czujniki, mierzą siłę zaciągnięcia linek. Mam taki niesprawny, mogę rzucić okiem jak to tam działa.

Takie coś byłoby super, gdyby to faktycznie był bezpośredni pomiar naciągu linki. Obawiam się jednak, że tam jest mierzone obciążenie silnika elektrycznego, ale kto wie.
Jak byś mógł też podać jakieś oznaczenia tego czujnika, model samochodu, coś po czym mógłbym go znaleźć w sieci byłbym wdzięczny.

Nie, z tego co zauważyłem do belki współpracującej ze śrubą rzymską idzie tasiemka, i pewnie ona wiedzie do czujnika siły.
Ale uczciwie powiem-nie przyglądałem sie temu zbyt dokładnie, w poniedziałek rzucę na to okiem, jeżeli wyrażasz życzenie to zrobię zdjęcia tego układu.
Prąd silnika jest mierzony, owszem, ale w innym celu.

Oprysk Stonki napisał:

...jeżeli wyrażasz życzenie to zrobię zdjęcia tego układu.

Jeżeli to nie będzie problem, to poproszę.

Waga łazienkowa taka całkiem kiepska być nie może - w szczególności nie może być znaczących różnic czułości poszczególnych tensometrów, bo inaczej klient szybko by zauważył, że jego ciężar zależy od tego, jak stanie na wadze. Można wykombinować układ mechaniczny, który siłę rozłoży w miarę równo na dwa tensometry i zrobić z nich mostek. Również nie jest tak źle, jeśli chodzi o stabilność - waga łazienkowa sprawdza tarowanie po ważeniu i sygnalizuje błąd, jeśli była źle wytarowana - na ogół błąd pojawia się tylko wtedy, gdy od poprzedniego użycia była przestawiana.

Jeśli przy wzmocnieniu 1000X masz zmianę napięcia 25mV/kG, to znaczy, że sam tensometr daje 25uV/kG - a to jest dużo za mało dla zdecydowanej większości wzmacniaczy, jeśli chcesz wzmacniać napięcie stałe - do tego nadają się tylko wzmacniacze "chopper stabilized", inne będą "pływać" (błąd typowego wzmacniacza operacyjnego jest rzędu mV, a więc kilkadziesiąt kG). Natomiast można zasilać mostek napięciem zmiennym i mierzyć tylko składową zmienną napięcia na mostku (np. odczytywać napięcie ze wzmacniacza przy włączonym i wyłączonym zasilaniu, brać różnicę odczytanych napięć), wtedy nie potrzeba używać wyspecjalizowanego wzmacniacza i mieć rozdzielczość nawet rzędu 0.01kG.

Nic tam wiele nie widać, śruba z jednej strony ciągnie jedną linkę ku sobie, druga linka jest zaczepiana o ten grzybek z drugiej strony i całe to ustrojstwo mierzy siłę z jaką jest rozrywane, sygnał idzie tą tasiemką. Nie wiem czy tam jest tensometr, bo równie dobrze mogli zrobić tak, że w środku jest magnes i hallotron liniowy, im bardziej przesunie się magnes tym większe oddziaływanie na hallotron.
Daj mi na PW swój adres, spakuję to do paczki i Ci wyslę (gratis) sam będziesz sobie dochodził jak to działa i czy tego nie wykorzystasz.

Połączyłem czujnik do mikroprocka. Okazuje się, że bardzo fajnie to chodzi i w cale nie jest takie skomplikowane. Rozdzielczość jaką uzyskałem na 10bit ADC z atmegi to 0,18kG. Pływanie krótkotrwałe jest max 2 podziałek (0,36kG). Pływanie długotrwałe doszło do 4 kG (2-3 dni). To aż nadto co mi trzeba. Niestety te czujniki są do 50kG a więc trochę mało, chociaż mierzyłem z powodzeniem własną wagę (73kg).
Na załączonym obrazku jest rozrysowane co i jak podłączyłem. Dorysowałem również schemat równoległego połączenia 2 i 4 czujników w mostek.

Te czujniki są ekstremalnie proste. Kawałek stalowego płaskowniczka z naklejonym tensometrem. Na drugim zdjęciu jest jeszcze prostszy. Teoretycznie nic nie stoi na przeszkodzie aby wykonać taką belkę samodzielnie na nieco grubszym płaskowniku.
Niestety są 2 problemy. Tensometry foliowe są ciężko dostępne i stosunkowo drogie. Jest ich wiele typów wykonania i nie udało mi się znaleźć łopatologicznego opisu jak wykonać taką beleczkę (jaki klej, jakie tensometry).

FILMIK

Użyłeś tego wzmacniacza, co na rysunku? On w wadze łazienkowej jest o tyle dobry, że niewiele potrzebuje do zasilania (np. 3V, 12uA typowo), ale jego wadą jest spore napięcie niezrównoważenia (typowe 1.1mV), co może być źródłem pływania długotrwałego. Co do ograniczenia siły, to można użyć jakiejś przekładni (dźwigni) - kiedyś dość często używano wag dziesiętnych, kładło się na szalkę odważniki 10 razy mniejsze od tego, co się ważyło. Tu przekładnia 1:4 powinna być w sam raz, tylko to pogarsza dokładność, dlatego dobrze byłoby wyeliminować źródło pływania, jeśli jest nim elektronika, a nie sam tensometr.

Inna możliwość, to przykręcić belkę tensometru śrubami do nieco grubszej belki, żeby zmniejszyć czułość. Ale trzeba by było potem sprawdzić, jaka jest czułość takiego tensometru, żeby wiedzieć, jak przeliczać napięcie na siłę.

Egzi napisał:

Na załączonym obrazku jest rozrysowane co i jak podłączyłem. Dorysowałem również schemat równoległego połączenia 2 i 4 czujników w mostek.

Dla dwóch wszystko działa pięknie... ale dla czterech zadziałało trochę inne połączenie. Czarny do czarnego i biały do białego.
Pewną sugestię znalazłem tutaj chociaż tam nie do końca jest to dobrze narysowane, bo praktycznie na rysunku nie ma zasilania... jednak połączyłem kolory razem i działa.
Przy podłączeniu jak na rysunku niezależnie od nacisku na wagę mam taki sam odczyt, notabene bardzo mały 0,0137V (przy zasilaniu 10V i z LM358, wszystkie rezystory 0,1%)

Zamieszczam więc moją wersję.
Dodam, że jak już zdejmę to z płytki prototypowej, to wstawiam to pod nogę od zasobnika na ekogroszek, zobaczymy jak się spisze. Wagę kupiłem w markecie za 24zł i jest do 180kg a zasobnik mam na 150kg, więc powinno grać

Cytat:

Przy podłączeniu jak na rysunku niezależnie od nacisku na wagę mam taki sam odczyt, notabene bardzo mały 0,0137V (przy zasilaniu 10V i z LM358, wszystkie rezystory 0,1%)

Pewnie offset wyszedł na minus i wzmacniacz jest na stałe w nasyceniu.

Zmierz napięcie na przekatnej mostka, albo od razu dodaj potencjometr do korygowania offsetu.

Wystarczy zrobić prosta przekładnie na dźwigni i wystarczy 50 kg.

Jestem amatorem ale ambitnie się dokształcam...

jarek_lnx napisał:

Pewnie offset wyszedł na minus i wzmacniacz jest na stałe w nasyceniu.

Czy mogę prosić o wyjaśnienie, czy dobrze rozumiem "ofset"?
1) Czy jest to różnica napięcia między przeciwległymi do zasilania końcami mostka?
Tak jak pokazano na rysunku z wikipedii - $$U_{wy}$$?

W pokazanym przykładzie Rys. 4 oraz na wikipedii mostek Wheatstone'a ma zawsze 2 oporniki znane (nazwijmy je te na dole), oraz jeden nieznany i jeden regulowany, żeby zrównoważyć mostek.
2) Czy dobrze rozumiem, że jak mamy zrównoważony mostek to każde naciśnięcie tensometru zmienia jego rezystancję a co za tym idzie wybija mostek ze stanu równowagi i pojawia się napięcie wyjściowe Uwy. Różnica jest przekazywana do wzmacniacza operacyjnego a ten już dalej w zależności od mocy wzmocnienia przenosi to dalej pokazując "duże" zmiany w napięciu?

3) Jeśli w wadze są 4 tensometry (każdy z 3 przewodami) to rozumiem, że nie ma tych "dolnych" oporników o znanej wartości. Jeśli tak, to skąd bierze się różnica napięcia na niezasilanych końcach mostka i skąd wiadomo jak mocno został naciśnięty układ 4 tensometrów skoro każdy z nich jest inny (zakładam, że różnią się niewiele ale zawsze)?

4) Jak są połączone te 3 przewody w środku tensometru?


Z góry dziękuję za wyjaśnienia.