Jak podłączyć 3-żyłowy czujnik tensometryczny / tensometr i wzmacniacz?


11

Mam 3-przewodowy czujnik obciążenia, który wygląda następująco:

Trzyprzewodowy czujnik obciążenia

Próbuję podłączyć go do mojego Arduino, aby wykryć zmiany masy. Z tego, co rozumiem, zmiany napięcia są tak małe, że Arduino nie może wykryć zmian bez wzmocnienia napięcia. Więc kupiłem 8-pinowy wzmacniacz operacyjny LM741CN w Radio Shack, który wygląda tak:

8 pinowy wzmacniacz operacyjny

Znalazłem ten film, który pokazuje, jak wszystko załatwić. Nie mogę jednak zrozumieć schematu i dlaczego używają dwóch czujników obciążenia zamiast jednego. Wspominają również o opornikach, ale nie jestem pewien, dlaczego ich używają (i dlaczego wybrali rozmiary), ani gdzie w obwodzie je umieścić.

Czy ktoś może mi pomóc dowiedzieć się, jak to połączyć, aby wykryć zmiany napięcia? Czy można to zrobić za pomocą tylko jednego z tych czujników? Oto co zrobiłem do tej pory:

Schemat czujnika obciążenia Arduino

Wzmacniacz ma również kilka pinów, których nie rozumiem: Offset null, NC. Do czego służą te szpilki? Czy powinienem ich używać?

Aktualizacja: Teraz pracuję ze wzmacniaczem instrumentacyjnym ( AD623 ). Teraz mam też 4-żyłowy czujnik obciążenia, którym się bawię. Nadal nie mogę go uruchomić, ale pomyślałem, że spróbuję to zrozumieć, zanim przejdę do 3-przewodowego czujnika obciążenia.


2
Twój czujnik jest prawie na pewno „pół mostkiem” dwóch czujników tensometrycznych - tworzą one pierwszy opornik na pierwszym schemacie Stevena - tj. „R2” i „tensometr”, jak je oznaczył. Jeden przewód będzie górą połączenia mostka, jeden dół połączenia mostka, a jeden będzie wspólnym połączeniem między nimi. Pomiar pomiędzy dwoma drutami w tym samym czasie na górze i na dole będzie taki sam. np. druty nazw TBC (wspólne górne dolne) T do C = R, B do C = R, T do B = 2R. Połącz wspólny z prawą środkową częścią mostu, połącz T & B do góry i dołu.
Russell McMahon

Zgadzam się, wygląda jak mostek, a okablowanie na schemacie wygląda dobrze. Brakuje tylko rezystorów (i być może czapek obejściowych / kompensacyjnych - w pytaniu o wzmacniacz instrumentacyjny stwierdziliśmy, że oscyluje ...). Przydałoby się ponad wszelką wątpliwość numer części (tj. Pojedynczy / podwójny).
Oli Glaser

1
Zamień czerwony i zielony na jeden z czujników obciążenia - chcesz, aby dwa mostki połówkowe przesuwały wejścia w przeciwnych kierunkach wraz ze wzrostem obciążenia. Brak 20 kg na jednym minus 20 kg na drugim czujniku daje zerową różnicę.
Dave X

Odpowiedzi:


11

Tensometr jest rezystorem zmiennym, więc twoim pierwszym pomysłem może być zbudowanie dzielnika rezystora z drugim, stałym rezystorem w celu wykrycia zmian jako zmiany napięcia.
Niestety tensometry są bardzo niewrażliwymi rezystorami zmiennymi, których rezystancja zmienia się bardzo niewiele po przyłożeniu do nich ciężaru. Dzielnik rezystora nie jest wystarczająco czuły, aby wykryć zmiany. Potrzebujemy więc innego podejścia.
Rozwiązaniem jest most Wheatstone .

Most osełkowy

Tensometr wraz z R2 nadal tworzą dzielnik rezystora, więc czym to się różni? Załóżmy, że wszystkie oporniki mają tę samą wartość, równą oporności tensometru w spoczynku. Wtedy napięcie na mierniku napięcia wyniesie zero zamiast połowy zasilacza. Ponieważ nasz odczyt jest zerowany, możemy go łatwo wzmocnić, aby uzyskać wyższą czułość dla całego obwodu.
Oli wspomniał o wzmacniaczu różnicowym , ale to nie wystarczy. Nie chcemy wpływać na odczyt, obciążając go, tak jak zrobiłby to wzmacniacz różnicowy. Potrzebujemy wzmacniacza instrumentalnego , który jest wzmacniaczem różnicowym o bardzo wysokiej impedancji wejściowej. To najczęściej używana konfiguracja wzmacniacza instrumentalnego,

wprowadź opis zdjęcia tutaj

który wykorzystuje pojedynczy rezystor ( ) do ustawienia wzmocnienia. Musisz ustawić wysoką wartość wzmocnienia, być może gdzieś pomiędzy 100 a 1000 (niezbyt jasne; tak zwany arkusz danych tensometru po prostu śmierdzi). × ×RG××

W jaki sposób podłączamy tensometr, ponieważ ma on trzy przewody, a nie dwa jak na powyższym schemacie? Ponownie arkusz danych nie jest tutaj przydatny, ale prawdopodobnie podłączasz go w następujący sposób:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Ten sposób łączenia kompensuje rezystancję drutu , która w przeciwnym razie wpływałaby na odczyt. RWIRE1

Inną możliwością jest to, że druty reprezentują górny, prawy i dolny punkt mostka Wheatstone'a, odpowiednio. Który z nich można łatwo ustalić, mierząc rezystancję między drutami. W pierwszym przypadku nie będziesz mieć oporu między a . W drugim przypadku zmierzysz opór między czerwono-białym i biało-czarnym (być może będziesz musiał zamienić przewody. Ponownie, arkusz danych nie pomoże).W I R E 3WIRE1WIRE3

Połączenia miernika napięcia mostka Wheatstone'a podłącza się do wejść wzmacniacza oprzyrządowania.


obrazy z tej strony


Dziękuję za odpowiedź. Nadal jestem jednak całkowicie zdezorientowany. Nie rozumiem, jak czytać te schematy. Co oznacza V z okręgiem wokół niego? Czy linie zygzakowate oznaczają rezystory? Jakie to powinny być rozmiary? Gdzie jest wzmacniacz na twoim ostatnim schemacie? Jak podłączyć ten obwód do wzmacniacza?
Andrew,

@Andrew - V w kole jest symbolem woltomierza, tutaj wskazuje między którymi dwoma punktami zmierzysz, więc te punkty są wejściami dla wzmacniacza instrumentacyjnego. Zygzakowate linie to rezystory. R1 = R3, dokładna wartość nie jest tak naprawdę ważna, na przykład 10k. Twój R2 jest prawdopodobnie częścią czujnika, a następnie podłącz 3 przewody do górnej, prawej i dolnej części mostu.
stevenvh

Chyba brakowało mi części o „wzmacniaczu instrumentacyjnym”. Nie zdawałem sobie sprawy, że to nie to samo, co wzmacniacz operacyjny. Prawdopodobnie powinienem zacząć od tego, zanim zacznę marnować czas na podłączanie czegoś, co nie zadziała. Gdzie mogę kupić kilka z nich? A które z nich najlepiej pasowałyby do mojej aplikacji?
Andrew

@Andrew - Możesz kupić zintegrowane wzmacniacze, takie jak INA128 , ale są one drogie. Możesz też zbudować je sam z 3 wzmacniaczy operacyjnych, ale nie użyłbym do tego 741. Quad-amp, taki jak LF347, jest znacznie lepszym wyborem. Na sprzedaż w każdym przyzwoitym sklepie elektronicznym. Na przykład online w Digikey lub Mouser.
stevenvh

Mam teraz wzmacniacz instrumentalny (AD623) do pracy. Teraz mam też 4-żyłowy czujnik obciążenia, którym się bawię. Nadal nie mogę wymyślić, jak to podłączyć (w szczególności, jak ustawić wzmocnienie we wzmacniaczu), ale pomyślałem, że spróbuję zrozumieć 4-żyłowy, zanim przejdę do 3-żyłowego czujnika obciążenia. Czy możesz mi pomóc zrozumieć, jak podłączyć czujnik obciążenia do wzmacniacza i ustawić wzmocnienie?
Andrew

8

Nie będę komentować projektu obwodu, ponieważ wydaje się, że zyskuje to dużą uwagę, ale zbudowałem projekt, w którym zhakowałem wagę łazienkową, aby była włączona do sieci i ma serwer sieciowy, który mógłby utrzymać obecną wagę, i ja zastanowić się nad złożeniem całości.

Przed zbudowaniem wzmacniacza, aby zorientować się, jak ustawić wzmocnienie, najpierw zbuduj obwód tensometru, włącz go i użyj miernika uniwersalnego (który jest znacznie bardziej czuły niż przetworniki ADC Arduino) do pomiaru mocy wyjściowej napięcie z obwodu tensometru przy maksymalnym oczekiwanym obciążeniu. Następnie, kiedy zbudujesz obwód wzmacniacza, możesz wybrać rezystory wzmocnienia, które zwiększają maksymalną moc wzmacniacza do 5 V (próbki ADC Arduino 0–5 V), a uzyskasz największy zasięg z ADC.

Powodem tego jest to, że zasięg i rozdzielczość ADC jest ograniczona i dyskretna, więc jeśli chcesz mierzyć 0-1000 funtów, z 10-bitową rozdzielczością ADC AVR, w najlepszym wypadku byłbyś dokładny z dokładnością do funt, jeśli sygnał wyjściowy wzmacniacza wynosi od 0 do 5 V, gdy waga wzrasta od 0 do 1000 funtów. Jeśli po prostu go zrzucisz na pół lub zgadniesz z rezystorami wzmocnienia lub zaczniesz od czystej próby i błędu, a nudzisz się i nie wykorzystasz pełnego zakresu, stracisz dokładność. Załóżmy, że łączysz wzmacniacz, który wytwarza tylko 0-2,5 V, a następnie wyrzucisz połowę zakresu i będziesz miał dokładność do 2 funtów. dla tego samego zakresu 1000 funtów.

To zależy od projektu i tego, jak bardzo ci zależy. Kiedy zbudowałem swoją zhakowaną wagę, potrzebowałem zakresu 0-200 funtów., Ale nie byłem bardzo zainteresowany dokładnością. Zasadniczo moim celem było ustalenie, czy pojemnik na skali jest pusty, czy pełny, z być może bardzo niską rozdzielczością przekraczającą 1/8 pełnego, 3/4 pełnego tego rodzaju rzeczy. Właśnie zbudowałem najprostszy obwód wzmacniacza różnicowego pojedynczego opampa, jaki udało mi się znaleźć, z pierwszym opampem niskonapięciowym, który miałem w torbie z częściami, z ustawieniem wzmocnienia tak, że nasyca ADC przy około 200 funtach. Nawet z tą super prostą konstrukcją jest zaskakująco dokładny i liniowy, z pewnością dobry dla funta (jest znacznie lepszy niż to, ale nawet nie potrzebowałem funtowej dokładności, więc kiedy ją skalibrowałem, dodałem wagę w krokach 5 funtów, aby zbudować moja tabela danych kalibracyjnych).

Schemat dodany na żądanie: wprowadź opis zdjęcia tutaj

Jest to mniej więcej schemat obwodu, który zbudowałem, ale położyłem go na bez lutownej płycie tartej, więc mam nadzieję, że nie było zbyt wiele inżynierii terenowej w tym, co faktycznie pracuję. Usunięta część była dodatkowym rezystorem i potencjometrem, który miał być w stanie dostroić obwód tensometru, więc wyjście było równe 0 V bez obciążenia, ale skończyło się na bardzo niewielkim dodatnim napięciu bez względu na to, co zrobiłem, i to nie było są znaczące, więc nie zadałem sobie trudu, aby to debugować. Sig + / Sig- to miejsca, w których tensometry są podłączone do obwodu wzmacniacza. Nie zbudowałem obwodu tensometru, użyłem skali, więc nie czuję się tak dobrze poinformowany o szczegółach pracy z tensometrami, po prostu wymyśliłem, jak korzystać z tego, co tam było. Mój miał dwie pary mierników, a każda para miała przewód V +, V- i przewód sygnałowy.

Wartości rezystorów w moim obwodzie niekoniecznie mają dla ciebie znaczenie, ponieważ zostały wybrane w celu uzyskania wzmocnienia, którego potrzebuję. Wybierz swój według swoich potrzeb.


Opisany projekt jest dokładnie taki sam, jak ten, który próbuję zbudować! Jedyna różnica polega na tym, że mierzę zmiany w dzbanku do kawy o pojemności 5 funtów . Mam wagę łazienkową (z czterema 3-przewodowymi czujnikami obciążenia), a teraz wagę kuchenną z jednym, 4-przewodowym czujnikiem. Po prostu nie mogę wymyślić, jak podłączyć ten wzmacniacz. Czy możesz podać (łatwy do naśladowania) schemat połączeń?
Andrew

Wspomniałeś, że potrafisz sobie poradzić dzięki pojedynczemu wzmacniaczowi operacyjnemu. Jestem bardzo zainteresowany, aby dowiedzieć się, jak to podłączyłeś. „In-Amps” wydają mi się dla tego projektu zbyt kosztowne.
Andrew

Ok, chyba rozumiem. Masz cztery oporniki i wzmacniacz operacyjny? Wspomniałeś, że wybrałeś rezystory w oparciu o potrzebne wzmocnienie. Jak dostosowałbym wartości (które chciałbym zmienić), jeśli chciałbym, aby wzmocnienie było wyższe / niższe?
Andrew

Artykuł Wikipedii na temat wzmacniaczy różnicowych zawiera równania do obliczania wzmocnienia. Zastosowałem uproszczony przypadek, w którym R1 = R2 i Rf = Rg, więc w moim przypadku 100K / 4K = zysk 25.
Suboptimus

Niesamowite! Dziękuję Ci! To ma o wiele większy sens!
Andrew

2

Uwaga - zostawiłem dolną część jako kolejną opcję, ponieważ od razu nie zauważyłem różnicy w pakiecie. Edytuj wciąż nie jestem pewien, ile opampów jest dostępnych.

Być może zechcesz przeczytać (podstawową) teorię opampa (do której nie wdałem się, ponieważ jest wyjaśniona lepiej niż potrafię w wielu miejscach i może / wypełnia książki) przed podjęciem którejkolwiek z tych decyzji, ponieważ jest to bardzo łatwe rzeczy, które mają się nie udać (nawet jeśli podobno wiesz, co robisz) Nie są jak niektóre układy scalone, które „po prostu działają”, i częstym źródłem wielu frustracji dla ich nowego użytkownika.

Część, do której linkujesz, to podwójny opamp (dwa opampy w jednym pakiecie) bez najkorzystniejszych pinów zerowych lub NC (zobacz ich wyjaśnienie poniżej) Oto pinout z arkusza danych:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Możesz jeszcze zrobić jedną opcję wzmacniacza poniżej, ale ponieważ masz dwa opampy, wersja dwóch opampów na stronie 4 aplikacji TI jest lepszym wyborem (działa nieco lepiej, ponieważ nie wpływa tak bardzo na sygnał wejściowy). Rezystor wartości można obliczyć za pomocą równania, dążyć do wzmocnienia (część Vo równania)> 100. Zauważ, że Steven bardziej szczegółowo opisuje wadę tej opcji i mówi, że nie będzie ona „wystarczająca”. Nie zgadzam się całkowicie - jest daleki od ideału, ale można go uruchomić, jeśli dostosujesz wzmocnienie w celu skompensowania obciążenia, jak wyjaśniono w notatce aplikacji TI powiązanej z powyższym. Jednak wynik będzie nieco nieliniowy, ponieważ impedancja zmienia się wraz z napięciem wejściowym na wejściu odwracającym. Więc jeśli masz więcej niż jeden opamp, wzmacniacz instrumentalny jest właściwą drogą.

Opcja pojedynczego opampa

Musisz zrobić wzmacniacz różnicowy, taki jak ten:

Wiki Różnicowy przykład opampa

W przypadku Twojej aplikacji odpowiednie byłyby wartości podobne do wartości na stronie 3 tej noty aplikacyjnej. Lepiej jest użyć do tego czegoś zwanego wzmacniaczem instrumentacyjnym, który wykorzystuje 3 opampy, ale możesz sprawić, że będzie działał dobrze z jednym. Rezystory ustawiają wzmocnienie opampa.

NC oznacza „Brak połączenia”, więc nie martw się o ten pin. Offset zerowy służy do przycinania bardzo małego offsetu (zwykle około mV) między dwoma wejściami (najlepiej bez przesunięcia)

Uwaga - kilka dni temu zadano tutaj bardzo podobne pytanie . Pytający używał wzmacniacza opampowego 3 opamp, ale nadal powinien być informacyjny.


Niestety, link do wzmacniacza nie jest rzeczywistym wzmacniaczem, z którym pracuję. Dostałem mój z Radio Shack.
Andrew

@Andrew - to duża różnica. Musimy znać numer części, aby móc udzielić dokładnych porad, ponieważ istnieje wiele odmian opampów z wieloma różnymi wyprowadzeniami (np. 1,2,3,4 opampy na opakowanie, styki przesunięte obecne / nieobecne, styk 3 może być Vout z jednej strony i + Vin z drugiej) Niektóre nie będą szczególnie odpowiednie do tego zastosowania. Jaki jest dokładnie kod wydrukowany na twoim opampie?
Oli Glaser

@Andrew - Jeśli chcesz zbudować dwupampowy wzmacniacz instrumentalny z odwołania, o którym wspomina Oli, zwróć uwagę, że wzmocnienie podane w przypisie jest nieprawidłowe. Poprawiono równanie tutaj
stevenvh

@ Stephen - dobrze zauważony, jest rzeczywiście. Polega na tym, że R1 = 2 = 3 = 4 jest równe, ale w uwadze podano go jako R1 = R2, a R3 = R4. Uwzględnienie terminu R3 pozwala jednak na to.
Oli Glaser

2
LM741! Ugh. Jeśli nadal masz go w paczce, zwrócę go; 741 są jak model T wzmacniaczy operacyjnych - mają ponad 40 lat i powinny być zobowiązane do umieszczenia ostrzeżenia na opakowaniu.
Jason S

1

Spróbuj odwrócić napięcie do jednego z dwóch tensometrów. Powoduje to podwojenie wielkości zmiany napięcia. Podłączenie ich w ten sam sposób generuje ~ to samo napięcie na obu wejściach wzmacniacza, co równa się zerowej różnicy.


2
Czy możesz wyjaśnić nieco więcej na ten temat, teraz wydaje się to bardziej komentarzem.
Kortuk

Czujniki zawierają dwa tensometry, jeden naprężający, a drugi ściskający. Okablowanie obu czujników równolegle, z jednakowymi obciążeniami, spowoduje zmianę zarówno wejścia odwracającego, jak i nieodwracającego o tę samą wartość, odrzucając zwiększone obciążenie jako szum trybu wspólnego. Jak podano, obwód mierzy różnice w obciążeniach na dwóch czujnikach.
Dave X
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.