Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAOIGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

grala1 12 Sty 2020 17:10 1827 3
  • Chciałbym dzisiaj przybliżyć Wam trochę tensometr, który czasem jest również nazywamy: czujnikiem tensometrycznym, belką tensometryczną czy też czujnikiem naprężeń. Będzie tutaj trochę teorii i praktyki. Zostanie tutaj opisany chyba najbardziej popularny tensometr czyli tensometr oporowy.
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Nazwa pochodzi o słów: „tensus” oraz „metreo” czyli napięty z łaciny oraz mierzę z greki. Czujnikiem tym mierzy się odkształcenia. Może w tej chwili zaczyna Wam świtać o co chodzi. Myślę że raczej każdy z Was „używał” kiedyś tensometru a może nawet robił to nieświadomie. W dzisiejszych czasach raczej w każdej wadze elektronicznej znajdziemy ten element pomiarowy.
    Jak już napisałem wcześniej element ten służy do pomiaru odkształceń. Można by powiedzieć że jest to przetwornik odkształcenia na rezystancję, w działaniu którego wykorzystuje się jeszcze przetwornik siły na odkształcenie. Takim przetwornikiem siły na odkształcenie praktycznie jest każdy element sprężysty, m.in. stalowa belka. Twierdzenie Hook’a mówi nam o tym że dla elementów sprężystych odkształcenie jest proporcjonalne do naprężenia a te zależy od geometrii odkształconego elementu. Wykorzystując jeszcze właściwość drutu metalowego polegającą na zmianie jego rezystancji elektrycznej względem zmiany jego długości i łącząc te zależności otrzymujemy tensometr oporowy. Mówiąc prościej można na metalową belkę nakleić drut oporowy lub folię oporową dzięki czemu materiał oporowy ulega identycznym odkształceniom co element do którego go przykleiliśmy. Oczywiście do przyklejenia materiału oporowego należy użyć odpowiedniego kleju który przeniesie odkształcenia z belki na drut oporowy.
    Zmiana rezystancji użytego drutu lub folii następującą w wyniku jej odkształcenia zgodnie ze wzorem:
    ΔR/R = k ⋅ ε

    gdzie:
    ε – odkształcenie względne, ε =ΔL/L;
    k – tzw. stała tensometru, współczynnik czułości na odkształcenie;
    ΔR – przyrost rezystancji;
    R – rezystancja drutu oporowego;
    ΔL – zmiana długości drutu oporowego:
    L – długość drutu oporowego.

    Wynika z tego, że odkształcenie względne jest wprost proporcjonalne do względnego przyrostu oporu ΔR/R a wartość stałej k zależy przede wszystkim od materiału z jakiego wykonany jest drut oporowy. Wartość stałej zależy także od sposobu ułożenia drutu oporowego, rodzaj zastosowanego kleju, rodzaj materiału belki, itd. Wartość tę określa się zazwyczaj doświadczalnie. Stała k jest jednym z dwóch najistotniejszych parametrów opisujących czujnik tensometryczny. Drugi dość ważnym parametrem jest maksymalna siła z jaką możemy działać na dany czujnik.
    Na podstawie odkształceń, korzystając z prawa Hook’a można wyznaczyć naprężenia. Gdy mamy już wyliczone naprężenie i znamy geometrię użytej belki możemy wyliczyć działające na nią obciążenie.
    Tensometry w układach pomiarowych najczęściej pracują w układzie mostka Wheastone’a.

    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Badana tutaj belka tensometryczna może być obciążona maksymalnie masą 1kg (ok. 10N). W przypadku użycia większej masy może dojść do trwałego odkształcenia belki lub uszkodzenia elementu oporowego.
    Element ten posiada 4 przewody. Jako że zmiana rezystancji na wyjściu jest dość mała (mniej niż 1Ω) użyjemy tutaj przetwornika analogowo-cyfrowego HX711 który to posiada komunikację I2C. Przetwornik nasz do swojej pracy wymaga zasilania 2,6-5,5VDC. Belka tensometryczna będzie zasilana z przetwornika, napięcie na wyjściu belki będzie mierzone przez przetwornik i zamieniane na wartość cyfrową.
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Połączenie belki – przetwornik
    Czerwony przewód – E+
    Czarny – E-
    Biały – A-
    Zielony – A+
    Przetwornik ten posiada jeszcze dodatkowe wyprowadzenia B+ oraz B-, jest to drugi kanał przetwornika. W tym przypadku niewykorzystany.

    Wymiary belki to: 12x12mm, długość: 80mm, długość przewodów: 180mm. Belka wykonana jest z aluminium.
    Wymiary przetwornika: 34x21x12mm. Mamy tutaj do czynienia z jednostronnym PCB. Schemat płytki jest niemal identyczny ze schematem z dokumentacji dla układu HX711 – brakuje po jednym rezystorze dla każdego kanału przy zacisku ujemnym na wyjściu z tensometru oraz wartości tych rezystorów są inne niż w dokumentacji.

    Do odczytania i wyświetlania wartości cyfrowej użyję tutaj płytki uruchomieniowej ZL2AVR.
    Poniżej program napisany w BASCOM - program znaleziony w sieci, gdzie dopisałem co nieco.
    Kod: vbnet
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Na początku trzeba będzie przeliczyć odczytaną wartość na masę zawieszaną na belkę. Trzeba będzie dokonać kilku pomiarów z rożnymi masami.
    Pomiarów dokonuję po zamontowaniu belki w ten sposób do stołu i zawieszaniu na niej kilku "odważników.
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Wynik pomiarów:





    Waga [g]Odczyt
    08261063
    538306440
    1088353360
    1678402730
    3198532100


    Rysujemy wykres z otrzymanych wyników.
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Widzimy że jest to wykres liniowy.
    Możemy teraz wyliczyć jaka wartość zmiennej przypada na 1 gram.
    (8306440-8261063):53=656,1
    1 gram ≈ 656

    Pomiar dokonywany w ten sposób jest trochę uporczywy. Wynik na wyświetlaczu „pływa” i zawieszony obiekt również się porusza, trzeba czekać aż wszystko się ustabilizuje. Z tego też powodu postanowiłem zrobić bardziej profesjonalną wagę ale tutaj należy wziąć pod uwagę że dołożony element swoje waży przez co zmniejsza nam możliwości pomiaru ważonego przedmiotu oraz należy wziąć masę tego elementu przy wyliczeniach wyświetlania wagi w programie.
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Przy montażu należy pamiętać żeby zastosować elementy dystansowe pomiędzy belką przykręconymi plastikowymi elementami. Przy braku użycia dystansów belka nie będzie się wyginały przy przykładaniu do niej siły. Ja użyłem jako dystansów zwykłych podkładek - tutaj nie są potrzebne zbyt wysokie elementy dystansowe. Uginanie belki jest bardzo małe w tym przypadku.

    Zmieniając program można przeliczyć zmienną odczytująca zawartość ADC na masę kładziona na wadze.
    Kod: vbnet
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod

    Pewnie program dało by się napisać lepiej ale do testów to wystarczy. Można pokusić się o zrobienie w programie przycisku do tarowania. Ja poszedłem na skróty i przypisałem do zmiennej wartość odczytaną z nieobciążonej belki.
    We wcześniejszych wyliczenia wyszło nam że 1 gram to ok. 656 odczytanej wartości. W powyższym programie do obliczeń przyjąłem że 1g=863. Należy tutaj pamiętać że w tym wypadku na stałe do belki mamy zamontowany kawałek materiału który wraz ze śrubkami i podkładkami daje stałą wagę którą należy uwzględnić w pomiarach oraz zmniejsza ona możliwości pomiarowe wagi.
    Wcześniej wspomniałem że pomiar "pływa". Przy takiej konstrukcji wagi również "pływa" ale nie tak mocno. Można powiedzieć że ostanie 2 cyfry "dryfują" czyli można przyjąć że odczytana wartość może się zmieniać o 100 gdzie 1g=863 czyli wynik pływa w okolicy 1/8 grama - raczej nie wpływa to na wynik pomiaru.

    Kilka porównań naszej prowizorycznej wagi do elektronicznej wagi kuchennej.
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Wniosek – widać że waga waży w miarę poprawnie.

    Na początku w części teoretycznej napisałem że tensometr wykorzystuje zmianę rezystancji drutu względem zmiany jego długości. Nie oznacza to wcale że rezystancja ta tylko się zwiększa. W zależności od tego w którą stronę będziemy wyginać belkę – z której strony przyłożymy siłę rezystancja będzie wzrastała lub malała czyli na wyjściu otrzymamy różne wartości napięcia. Oczywiście jeżeli zdejmujemy obciążenie z wagi lub jego część to długość drutu wraca do wartości początkowej lub się zmniejsza w porównaniu do tej która była przy większym obciążeniu.
    Postanowiłem zrobić kilka prób przy odwrotnym zamontowaniu belki.
    Wynik pomiarów:




    Waga [g]Odczyt
    08234312
    538188320
    1088139917
    1678090340


    Wykres do powyższej tabeli:
    Tensometry - wprowadzenie na podstawie belki tensometrycznej i układu XH711

    Jak widać odwrotny montaż powoduje zmniejszanie odczytu wartości wraz ze wzrostem wagi. Można by pomyśleć że nie ma znaczenia w którą stronę przykładamy siłę. Jednak ma to znaczenie i jest to dość ważne. Na belce mamy narysowaną strzałkę która to informuje nas w którą stronę powinna być skierowana siła działająca na belkę, trzeba zwrócić uwagę na nią podczas montażu. Przy układach wagowych wykorzystujących większą ilość czujników lub przy wymianie czujnika może okazać się że nasza waga źle działa
    .
    Kilkanaście lat temu gdy po raz pierwszy miałem tensometr w ręce powiedziano mi że odwrotny montaż może go uszkodzić - nie wiem czy to prawda, nie znalazłem nigdzie takiej informacji a jak widać w testowanym układzie tutaj nie ma to znaczenia jeżeli wiemy w którą stronę mamy przeliczać - czy zwiększanie wagi będzie zwiększało wartość odczytaną czy będzie ją zmniejszało.

    Koszt belki tensometrycznej wraz z wysyłką na Allegro zaczyna się od ok. 23zł, na Aliexpress możemy dostać taki zestaw z przesyłką w cenie ok. 8zł. Zazwyczaj obciążalność belki nie ma tutaj znaczenia dla ceny.
    Przy przeszukiwaniu Aliexpress natknąłem się również na zestawy w skład których wchodzą dwa krążki z pleksi dzięki którym w prosty sposób można zbudować wagę. Koszt to niespełna 20zł. Szukając dalej można natknąć się na gotowe sterowniki w cenie ok. 35zł gdzie po podpięciu belki tensometrycznej będziemy mogli wyświetlać wynik na wbudowanym wyświetlaczu lub wysyłać go poprzez UART do innego urządzenia.
    W załączniku dokumentacja dla układu HX711.

    Mam nadzieję że w części teoretycznej niczego nie przekręciłem. Jeżeli tak to liczę na wyrozumiałość i wskazanie błędów.

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    grala1
    Specjalista grupy V.A.G.
    Offline 
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #3
    Baskhaal
    Poziom 12  
    Co ciekawe pomiary tensometryczne w rozumieniu naprężeń wykonuje się w procesie walidacji procesów produkcyjnych elektroniki. Mówię o pomiarach podczas sitodruku, procesu Pick & Place, reflow, ICT (testy i pomiary bez i pod napięciem w fiksturze), rozcinanie itd itp. Bierze się pod uwagę mnóstwo ograniczeń narzuconych przez projekt PCB, komponenty, ich połączenia lutowane, prawidłowość rozpływu lutowia i tak dalej.
    Odpowiednio zwalidowany proces daje gwarancję powtarzalności jakości. Takie hasło.
  • #4
    Miray
    Poziom 3  
    Warto wspomnieć, że rezystancja tensometru zależy też od temperatury, a nawet wilgotności stąd w rozwiązaniach z wymaganą dużą precyzją stosuje się mostki tensometryczne, gdzie wpływ temperatury jest wyeliminowany ze względu na użycie 4 tensometrów w mostku.