Как сделать тензодатчик своими руками
Сайт про изобретения своими руками
МозгоЧины
Сайт про изобретения своими руками
Самодельный датчик изгиба (тензорезистор)
Самодельный датчик изгиба (тензорезистор)
В 2009 году автор принимал участие в проекте по разработке специальных сенсорных перчаток для оцифровки жестов оператора сурдоперевода. Для проекта понадобились датчики изгиба (тензорезисторы) в количестве 10 штук, цена которых значительно превосходило финансовые возможности автора на тот момент.
Перерыв Интернеты тематические сайты, автор обнаружил несколько инструкций по самостоятельному изготовлению так необходимых ему датчиков. В то же время, автор столкнулся с некоторыми проблемами, в основном касательно доступа к компонентам конструкции. Во всех найденных инструкциях предусматривалось использования неопрена, либо, на худой конец, токопроводящей нити или токопроводящей материи. Стоимость доставки делала заказ перечисленных выше материалов неоправданно дорогим, и существенно превышала их стоимость.
Однако, автор решил поэкспериментировать с рядом материалов, в том числе копиркой и материалом, из которого изготавливаются антистатические упаковочные пакеты для электроники.
Наконец, по прошествии двух недель, позитивные результаты были достигнуты, а созданные тогда датчики продолжают работать и по сегодняшний день.
По мнению автора, если ваш рабочий бюджет ограничен как у него, либо вы ограничены в получении необходимых материалов и элементов конструкции, эта инструкция по изготовлению самодельных датчиков изгиба как раз для вас.
Материалы и инструменты:
Необходимые материалы и инструменты
Материалы:
Инструменты:
Подготовка
По мнению автора, подготовительная часть занимает больше всего времени, поэтому ниже приводим несколько советов для сокращения этого этапа.
Подготовка антистатических пакетов:
Соль нашего датчика — антистатический пакет
Пакеты с известными размерами (в нашем случае – 10х15 Сантиметров) весьма удобны для изготовления равных кусков с точными размерами (длина и ширина пакета нам уже известна). Примите во внимание, что вам необходимо удалить (отрезать скальпелем) обе кромки пакета по длинным (15 сантиметровым) сторонам, в то же время оставив нижнюю кромку. В последующем, это поможет вырезать ДВА одинаковых куска пакета, разрезая обе его стороны одним движением.
Совет! Для вырезания равных по площади отрезков антистатического пакета автор настоятельно рекомендует использовать распечатанный и наклеенный на картон шаблон необходимого размера. Действия: вырезать два куска пленки размером 0,8х15 Сантиметров и один кусок размером 1,7х15 сантиметров.
Важно! Если вы:
начинайте всё с начала.
Подготовка проволочных перемычек
Проводники
Не знаю как кто, но автор считает их просто превосходными. В нашем проекте вам предстоит разделить их на две равные части по 10 сантиметров. После этого, отмерьте 5 сантиметров каждого проводника от отрезанного края и зачистьте изоляцию. Из очищенной части провода сформируйте петлю и легким скручивание зафиксируйте ее возле начала изолированной части провода. У вас чудесная петля. Теперь повторите для всех кусков провода. Внимание! Ни в коем случае не спаивайте провода! Впоследствии это может привести к нелинейному искажению резистивности вашего датчика. Отставьте проводники в «природном» виде.
Подготовка изоленты
Сборка конструкции). Медленно на верно
Сборка датчика
Возьмите полоску узкой (1,1 Сантиметр) изоленты, и поместите ее на стол липкой частью вверх. Точно по середине изоленты разместите полоску (размер 0,8х15 сантиметров), вырезанную из антистатического пакета. Удостоверьтесь, что вокруг полоски антистатического материала остались бортики липкой части изоленты. Тщательно разгладьте полоску из пакета на изоленте.
Важно! Все надписи на антистатической полосе должны быть обращены к липкой части изоленты! Полоса из пакета должна смотреть внутренней частью вверх!
Теперь, поместите провод петлей на полосу из антистатического материала таким образом, чтобы изолированная часть провода примерно на 0.5 Сантиметра заходила на нее. Повторите описанные выше операции с другой полосой изоленты. После этого, сложите вдвое вдоль больший кусок пленки размером 1,7х15 Сантиметров.
Важно! Все надписи на полосе должны быть обращены внутрь сгиба!
Поместите сложенную вдвое полосу антистатического материала между двумя полосками узкой изоленты и аккуратно склейте получившийся «сэндвич». Следите за тем, чтобы ни одна деталь не выступала за края антистатической подложки и не выступала на клейкую часть изоленты.
Нам нужно усиление!
Усиление датчика
Наш датчик готов и вполне может использоваться в ваших проектах. В то же время, он еще слишком хрупок и практически лишен возможности возвращаться в состояние покоя. Именно для усиления датчика нам понадобятся широкая изолента и кабельные стяжки. Кроме того, стяжки будут играть роль пружины для возвращения датчику его первоначальной формы, то есть, в состояние покоя ну или логического нуля.
Все готово! Развлекайтесь!
Тот самый делитель
Для подключения вашего датчика к микроконтроллеру вам необходимо собрать схему простого делителя напряжения. Номиналы деталей делителя приведены на его принципиальной схеме.
Помните! У микроконтроллеров семейства Arduino выходное напряжение составляет 5 Вольт, так что автор предлагает вам собрать схему, которая расположена справа.
О том, где могут описанные в статье датчики, мы поговорим в следующий раз.
Самодельный угольный тензодатчик
Дата публикации: 31.05.2016 2016-05-31
Статья просмотрена: 249 раз
Библиографическое описание:
Баишев, Е. Ю. Самодельный угольный тензодатчик / Е. Ю. Баишев, И. И. Малгаров. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2016. — № 4.1 (7.1). — С. 109-112. — URL: https://moluch.ru/young/archive/7/421/ (дата обращения: 28.12.2021).
Приборы для определения давления применяются, практически, во всех отраслях промышленности, особенно в машиностроении, химической, пищевой промышленности и энергетике. Оказывается, некоторые материалы для изготовления подобных приборов можно приобрести не только в магазинах радиотоваров, хозяйственных, канцелярских и т.д. но и … в аптеке. Именно там можно купить знакомые нам всем черные таблетки активированного угля.
Свойство угольного порошка уменьшать сопротивление электрическому току в зависимости от силы сжатия зерен этого порошка широко применяли в угольных микрофонах еще на заре развития телефонии. Это свойство сохраняет и спрессованный угольный порошок.
Цель работы: изготовление самодельного угольного тензодатчика.
Новизна и практическая значимость: В ходе работы экспериментально исследовано необычное применение активированного угля в качестве датчика давления. Тензодатчики на основе активированного угля можно применять, например, при изготовлении электронных весов, динамометров и т.д.
Согласно поставленной цели и задачам в работе были применены следующие методы: метод гипотез (научное предположение об изменении сопротивления при деформации активированного угля); экспериментальный метод (проектирование и сборка экспериментального образца установки, создание калибровочных таблиц и графиков).
Устройство угольного тензодатчика (или конкретно — датчика сжатия) просто — плоскую таблетку активированного угля помещают между двумя металлическими пластинами и включают в цепь постоянного или переменного тока. Даже незначительное механическое сжатие таблетки пластинами приводит к увеличению тока в цепи. Снятие усилия сжатия возвращает сопротивление датчика к прежнему значению.
Для сборки датчика №1 мы использовали две монеты номиналом в 2 рубля. Таблетки, как правило, имеют небольшую сферичность поверхности оснований, поэтому перед проведением исследований или до установки в готовое изделие следует мелким напильником придать этим поверхностям плоскопараллельную форму. Также не забываем поработать напильником на поверхности монет. После установки таблетки сбоку заливаем термоклеем. Если необходимо большее исходное сопротивление датчика, возможно последовательное соединение двух и более таблеток.
Аналогично собираем датчик №2. Только вместо монет берем большие пластины и размещаем внутри них 8 таблеток (рисунок 1).
Рисунок 1. Сборка датчика давления №2
В конечном итоге датчик должен выглядеть вот так (рисунок 2)
Рисунок 6. Датчик давления №2
Для данного исследования мы сконструировали экспериментальную установку, которая изображена на рисунке 3. Датчик разместили вертикально и горизонтально действовали динамометром. Датчик давления подключили к мультиметру (положение «Омметр», предел измерения 200 Ом)
Рисунок 3. Схема экспериментальной установки
Показания динамометра и омметра записывали в градуировочную таблицу.
Рисунок 4. График зависимости сопротивления датчика №1 от силы давления
Рисунок 5. График зависимости сопротивления датчика №2 от силы давления
Результаты экспериментов и рассмотрение представленных зависимостей позволяют сделать некоторые выводы необходимые для практического применения датчика сжатия. Так, разброс значений сопротивления датчика, обусловленный как неодинаковостью сопротивления разных экземпляров таблеток, так и непараллельностью их плоскостей и неполнотой прилегания к ним металлических пластин, требует обязательной его подстройки после смены таблетки.
Довольно большая кратность изменения сопротивления в приемлемом для практики интервале механического давления позволяет применять такого рода тензодатчики в широких областях.
Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:
Резистор изгиба своими руками
Наверняка те, кто увлекается электроникой и программированием микроконтроллеров слышали о датчике изгиба, который меняет свое сопротивление в зависимости от степени его изгиба. Сегодня я расскажу о том, как можно изготовить такой датчик (резистор) изгиба своими руками.
Когда мне понадобился такой датчик, то первым делом я зашел и нашел его на Амперке. Но цена, 890 рублей за штуку (за датчик длинной 95мм именно такая цена), меня не устроила и тогда в голову пришла отличная идея создания датчика, который не будет сильно отличаться по принципу действия от покупного, но обойдется мне гораздо дешевле. Принцип его работы основан на фоторезисторе и светодиоде. Свет от светодиода будет поступать на фоторезистор по силиконовой трубке, а при ее изгибе свет будет падать в меньшем количестве, а значит и сопротивление будет меняться на выходе у фоторезистора. С помощью таких датчиков можно создавать свои интересные проекты. Например, с помощью 5 таких датчиков, мне не составило особого труда сделать свою «сенсорную перчатку».
Требуемые материалы и их примерная стоимость
Сборка
Собирается такой датчик очень просто. Для начала нужно отрезать кусок силиконовой трубки нужной вам длинны (датчик работает отлично при длине трубки в диапазоне от 3 до 13см). Затем с одной стороны вставить фоторезистор, а с другой светодиод. Потом трубку, с уже вставленными светодиодом и фоторезистором, обмотать изолентой, желательно черной, либо термоусадкой. После этого нужно к светодиоду припаять токоограничивающий резистор, а к фоторезистору подтягивающий. Подключая его к тому же Arduino, нужно просто подключить фоторезистор и светодиод между 5В и землей (GND), через резисторы, а показания снимать в месте спайки фоторезистора и подтягивающего резистора.
Плюсы и минусы такого датчика
Заключение
Для тех, кому нужно/интересно будет посмотреть мое видео по сборке этого датчика — специально записал видео:
И вот ссылка на скетч для Arduino IDE с примером подключения датчика к Arduino UNO, залитого на Google Диск.
Тензовесы своими руками
Для изготовления тензовесов потребуется стальная пластина (рисунок 1). В нашем случае это была пластина 190 х 40 мм толщиной 3 мм. Габаритные размеры и толщина, конечно же, зависят от цели, которую Вы преследуете при изготовлении весов, точнее от диапазона веса, который предполагается измерять на них.
Также нам будут нужны резиновые ножки (рисунок 2) и, собственно, 2 тензорезистора. Один тензорезистор — измерительный, второй — компенсационный. Мы использовали тензорезисторы фирмы «Месстехник-НВМ» (рисунок 3). Габаритные размеры подложки — 14 х 6 мм. Номинальное сопротивление — 120 Ом. Дополнительно понадобится специальный клей для наклеивания тензорезисторов на нижнюю поверхность будущих весов. Мы использовали однокомпонентный быстросхватывающийся клей Z70.
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Перед наклейкой тензорезисторов поверхность металлической пластины должна быть тщательно очищена и обезжирена. Измерительный (рабочий) тензорезистор наклеивается вдоль пластины, компенсационный — поперек (рисунки 4, 5 и 6).
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
После этого необходимо покрыть поверхность тензорезисторов и мест спайки защитным лаком (см. рисунок 6), предотвращающим механические повреждения тензорезисторов. Мы использовали нитрил-каучуковый лак NG150.
После высыхания лака можно с уверенностью сказать: «Весы готовы!»
Осталось только подключить их к модулю ZET 7010 для проведения измерений. Подключение проводов, идущих от весов, осуществляется в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 7. Питание схемы осуществляется от модуля ZET 7010. Результаты измерений можно отобразить на цифровом индикаторе ZET 7178 или подключить модуль ZET 7010 к компьютеру с помощью преобразователя интерфейсов ZET 7070.
Рисунок 9
Текущее значение приложенного к весам усилия можно отобразить на индикаторе (программа «Вольтметр постоянного тока«). Для построения графика прилагаемой нагрузки используется программа «Многоканальный осциллограф«, для мониторинга параметров тензосигналов — «Многоканальный самописец«.
Рисунок 10 — График прилагаемой нагрузки
См. также
Тензодатчик для автоуровня.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Статья относится к принтерам:
Немного расскажу про эксперименты с тензодатчиком для автоуровня.
Ниже будет немного напилинга, промежуточные картинки и полученные результаты, но это не инструкция для повторения, скорее материал для размышлений.
Желание делать автоуровень соплом возникло давно, часто дорабатываю принтер с разным успехом и обычный датчик типа bltouch мало того что постоянно мешался, так и любое изменение в хотенде приводило к необходимости калибровать сам датчик или переставлять крепление под разные конфигурации хотенда.
В очередной раз просматривая варианты датчиков для автоуровня пришла в голову мысль использовать датчик давления.
Простые датчики типа DF9-40 отверг, т.к. они на мой взгляд не отличаются особой повторяемостью и точность, плюс в документации указано что они склонны «уплывать» если постоянно находятся под нагрузкой.
В наличии имелись дешёвые китайские карманные весы на 100 грамм, я их брал для подсчёта количества мелких деталей при фасовке по пакетам. Вот такие:
Т к все детали были уже расфасованы, весы валялись без дела, разобрав их, я извлёк наружу тензометрический датчик довольно удачной формы, в виде бруска с резьбовыми отверстиями.
Вооружившись классической платкой с HX711 я приступил к настольным тестам. Скачал более менее свежую библиотечку с гитхаба https://github.com/olkal/HX711_ADC
Подключив всё к ардуине я стал проверять что и как.
Первый тест с дефолтными параметрами огорчил, датчик работал крайне медленно, на видео я стукаю датчиком в стол и жду когда загорится лампочка настроенная на изменение показаний.
Следующим шагом было отключение усреднения (по умолчанию в библиотеке набирается несколько измерений и выводится усреднённый результат) и перепайка платы HX711 на высокую частоту работы, 80 Гц, Перерезал дорожку на плате и замкнул 2 ножки.
Ситуация радикально улучшилась и появилась надежда на успех.
Прикинув датчик к крепления хотенда я понял что он неплохо туда вписывается.
У принтера ZAV хотенд крепится простой плоской стальной пластиной, что даёт простор для творчества.
Решено было выпилить аналог из алюминия, т.к. алюминий легче гнётся и показания с датчика будут выше.
Получилось страшненько но быстро. Принцип крепления понятен по фото, один край хотенда крепится к неподвижной пластине, второй край хотенда крепится к датчику, а датчик закреплён на пластине:
В процессе экспериментов с датчиком, я снимал показания и записывал их в эксель. Для примера график давления при одном из первых тестов повторяемости, крестом отмечена примерная точка подачи сигнала с датчика. 
Порог был настроен на 100. Сразу видно что стол успевает ощутимо перескочить.
Результат M48 одного из хороших тестирований:
22:22:11.732 : Bed X: 52.00 Y: 51.00 Z: 0.06
22:22:13.644 : 1 of 10: z: 0.050Mean: 0.050000 Sigma: 0.000000 Min: 0.050 Max: 0.050 Range: 0.000
22:22:15.552 : 2 of 10: z: 0.050Mean: 0.050000 Sigma: 0.000000 Min: 0.050 Max: 0.050 Range: 0.000
22:22:17.463 : 3 of 10: z: 0.045Mean: 0.048333 Sigma: 0.002357 Min: 0.045 Max: 0.050 Range: 0.005
22:22:19.372 : 4 of 10: z: 0.048Mean: 0.048125 Sigma: 0.002073 Min: 0.045 Max: 0.050 Range: 0.005
22:22:21.281 : 5 of 10: z: 0.048Mean: 0.048000 Sigma: 0.001871 Min: 0.045 Max: 0.050 Range: 0.005
22:22:23.190 : 6 of 10: z: 0.050Mean: 0.048333 Sigma: 0.001863 Min: 0.045 Max: 0.050 Range: 0.005
22:22:25.098 : 7 of 10: z: 0.052Mean: 0.048929 Sigma: 0.002259 Min: 0.045 Max: 0.052 Range: 0.008
22:22:27.008 : 8 of 10: z: 0.052Mean: 0.049375 Sigma: 0.002421 Min: 0.045 Max: 0.052 Range: 0.008
22:22:28.917 : 9 of 10: z: 0.055Mean: 0.050000 Sigma: 0.002887 Min: 0.045 Max: 0.055 Range: 0.010
22:22:30.825 : 10 of 10: z: 0.057Mean: 0.050750 Sigma: 0.003544 Min: 0.045 Max: 0.057 Range: 0.012
22:22:30.827 : Mean: 0.050750 Min: 0.045 Max: 0.057 Range: 0.012
22:22:30.829 : Standard Deviation: 0.003544
Были и менее удачные и несколько раз датчик вообще не срабатывал, стол врубался в хотенд.
Далее я стал копать в сторону скорости срабатывания датчика. А то стол успевал подняться слишком высоко пока появлялся сигнал с датчика.
Выяснил что в библиотеке HX711 используются стандартные медленные процедуры digitalread() и digitalwrite().
После готовности данных с АЦП срабатывает прерывание и запускается процесс чтения, нужно послать 27 импульсов и 27 раз считать сигнал, digitalread() и digitalwrite() занимали очень много времени, пришлось их заменить на битовые операции с портом PORTD | B00100000; bitRead(PIND,3);
Это радикально снизило задержку между возникновением прерывания о готовности данных и выдачей сигнала срабатывания датчика.
Следующим шагом я приступил к чтению даташита, там я нашёл пункт который почему-то не встречал в описании аналогичных конструкций в гугле, скорость работы HX711 можно легко поднять с 80 Герц до 140 Герц, просто установив туда внешний кварц.
When using external clock or crystal, output data rate is directly proportional to the clock or crystal frequency.
Перерезал ещё одну ножку на плате и запаял туда 20 мГц кварц.
Следующим этапом пришло понимание крайне высокой чувствительности датчика. Датчик реагирует даже на дуновение ветра. У меня боуден и в разных положениях оси Х трубка торчащая из хотенда сгибается под разным углом, по разному давя на фитинг и это уже влияет на показания датчика. Настолько что колебания боудена во время движения по осям приводили к срабатыванию датчика. Пытался как-то программно отлавливать фронт сигнала и фильтровать мусор, но любое программное решение требовало сбора данных с нескольких точек и не позволяло реагировать мгновенно.
Пришлось активировать в прошивке пробинг по соленоиду #define SOLENOID_PROBE
И завести в датчик дополнительный провод от контроллера. При калибровке контроллер генерирует сигнал для соленоида, сигнал приходит в датчик и датчик обнуляется. То есть перед каждой точкой пробы происходит калибровка датчика для нивелирования перекоса трубки боудена.
В итоге после всех доработок получился вполне рабочий вариант.
Для примера 4 последовательные пробы стола из 9 точек.
21:08:23.913 : Bilinear Leveling Grid:
21:16:17.736 : Bilinear Leveling Grid:
21:17:00.647 : Bilinear Leveling Grid:
21:19:43.254 : Bilinear Leveling Grid:
При этом из за медлительности датчика и контроллера, происходит перелёт кровати примерно на 0.1 мм. То есть после срабатывания датчика надо опустить кровать на 0.1 мм чтобы под соплом пролазила бумажка.
Дальше в планах использование китайской микросхемы CS1237, которая выдаёт данные с частотой 1.28kHz, Возможно получится ускорить срабатывание датчика.
Идея подсмотрена у китайского Creality. На видео с 7 минуты хорошо видно место крепления плёночного тензодатчика под белой каплей герметика на кронштейне хотенда.
Исходные коды датчика не выкладываю, там всё примитивно, заменяем в библиотеке медленные функции digitalread() и digitalwrite() на более быстрый аналог или битовые операции, а в скетче из примера к библиотеке включаю сигнал по превышению показания датчика if (i > 100) < PORTB = PORTB | B00100000;
Функциями калибровки датчика под реальный вес не пользовался, измерял в попугаях. Но можно используя вторые весы откалибровать датчик, чтобы знать сколько точно в граммах давит стол на сопло.
Из текущих преград к улучшению осталась невозможность использования прерывания для концевиков.
У меня TMC2209 и задействован software uart, который захапал под себя прерывания, marlin не даёт включить прерывание для концевиков при активном софтовом уарте. Хотя по факту UART используется однократно для парковки осей, а всё остальное время ничего не мешает использовать прерывания для других нужд.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.