Резистор своими руками

Что это такое

Тензодатчики веса и давления – это устройства, которые могут преобразовать механическую деформацию тела в электрический сигнал, который позволяет определить уровень растяжения и сжатия конкретного предмета. Он является резистивным преобразователем и считается одним из главнейших составляющих высокоточного весового оборудования.

Устройство изготовлено из чувствительного тензорезистора, который производится из тензоматериалов. Чаще всего это фольга или алюминиевая проволока с небольшим сечением. Как и прочие весовые приборы, резистор реагирует на изменение постоянного сопротивления на контактах, которое происходит в результате воздействия всестороннего сжатия.

Фото – тензодатчик шайбового типа

Бывают самые разные датчики, которые могут использоваться в любых отраслях: атомной, фармацевтической, металлургической и прочих. Виды тензодатчиков:

  1. Приборы для измерения нагрузки и силы (динамометры);
  2. Измерители давления;
  3. Модели, фиксирующий ускорение;
  4. Устройства для контроля перемещения;
  5. Тензодатчики крутящего момента для автомобильных и станочных двигателей.

Несмотря на такое разнообразие моделей, в повседневной жизни используется только один тип датчика – для взвешивания, его можно увидеть в разных исполнениях. S-образный, бочковой, консольный и шайбовый — нужная конструкция подбирается исходя из области использования. Иногда используются балочные модели.

Описание

Тензодатчики классифицируются не только по своей форме, но и по конструктивным особенностям. Конструкция прибора зависит от типа чувствительного элемента. Для контроля деформации используются следующие типы контактов:

  1. Фольговые;
  2. Пленочные;
  3. Проволочные.

Индикатор с фольговым элементом используется как наклеиваемый тензодатчик. Это очень удобная система, которая представляет собой фольговую ленту, толщиной до 12 мкм. Часть пленки имеет плотную форму, а часть – решетчатую. Данная модель отличается от остальных тем, что можно припаивать дополнительные контакты, к тому же они нормально переносят низкие температуры.

Фото – фольговый преобразователь

Пленочные являются аналогом фольговых, за исключением материала, из которого изготовлены. Производители изготавливают такие модели из тензочувствительных пленок с особым напылением, которое увеличивает чувствительность системы. Такие измерительные узлы удобно использовать при необходимости измерить динамические нагрузки. Производство пленок выполняется из таких материалов, как титан, висмут, германий.

Проволочные способны измерить нагрузку от нескольких сотых грамма до целых тонн (скажем, весовой бункер и прочие). Их называют одноточечные, т. к в отличие от пленочных и фольговых моделей, они измеряют в одной точке, а не площади. Такая конструкция позволяет использовать проволочные тензодатчики для измерения деформации сжатия и растяжения.

Фото – проволочная модель

Принцип работы

Конструктивно прибор представляет собой тензорезистор с контактным элементом. Он закреплен на верхней панели устройства, которая соприкасается с измеряемым телом. Принцип работы любого тензодатчика основан на воздействии на чувствительный элемент определенной детали. Для включения датчика в сеть применяется специальные электрические отводы, которые подключаются к чувствительной пластине. Благодаря этому в контактном элементе наблюдается постоянное напряжение. Но, при работе датчика на специальную подложку устанавливается деталь. Её вес разрывает цепь и образовывается механическая деформация, которая при помощи контрольных контактов преобразуется в электрический сигнал.

Измерительный мост тензодатчика позволяет измерить наименьшие нагрузки, благодаря чему значительно расширяется использование прибора. Мостовая схема подключения тензометрического датчика основана на законе Ома, при котором если все сопротивления имеют равное значение, то ток, проходящий через резисторы, также будет иметь одинаковое значение. Здесь воздействие из вне принято называть «внешним фактором», а преобразование сигнала – «внутренним». Тогда принцип действия основан на анализе внешнего фактора при помощи внутреннего.

В бытовом использовании работы тензодатчиков наглядно демонстрируют электронные или цифровые весы. В них установлены специальные тензорезисторы, которые контактами соединены с рабочей поверхностью весов. Питание таких приборов производится при помощи батарей.

Фото – принцип работы тензометрического модуля Z-SG

Этот измерительный прибор обладает чрезвычайно высокой точностью анализа. Чувствительность рабочих элементов допускает погрешность не более 0,02 %, что является довольно высоким показателем. Но некоторые устройства выполняются с еще большим классом точности. Работа таких моделей основана на измерении силы воздействия на контакты. Электрический преобразованный сигнал является прямо пропорциональной величиной силе давления.

Достоинства тенодатчиков:

  1. Высокая точность измерения;
  2. Подходят для измерения статических и динамических напряжений, при этом, не искажают полученные данные. Это очень удобно при использовании устройств в транспортных средствах или экстремальных условиях работы;
  3. Небольшие размеры позволяют использовать такие датчики практически в любых измерительных устройствах.

Но, у тензодатчиков есть и определенные недостатки. Любой преобразователь такого типа подвержен снижению чувствительности при перепадах температуры. Для наиболее точного измерения требуется производить опыты только при комнатной температуре и влажности не более 30 %.

Видео: Тензометрический датчик

Как подключить

Подключение тензодатчика легко выполняется своими руками, если под рукой есть схема. Для начала Вам нужно будет купить устройство, при этом, учитывайте, какой длины нужен кабель для тензодатчиков. Его можно будет удлинить при острой необходимости, но тогда у индикатора значительно упадет точность. Нормализовать этот параметр путем встройки поможет контроллер se 01 тензодатчика, работающий как модуль-усилитель.

Фото – схема подключения

Если в весах используется несколько индикаторов, то их при помощи соединительных коробок нужно подключить параллельно. Независимо от типа питания также нужно заземлить провода датчиков. Монтаж заземления должен производиться в одной общей точке, для этого также может использоваться разветвительная коробка, например, CAS.

После производится исследование датчиков на правильность соединения. Перед выходом рекомендуется проверить все контакты и заземляющие петли. Установка приборов производиться при помощи экранированного кабеля, который глушит помехи, поэтому дополнительные модули не понадобятся. Аналогичным путем подключается преобразователь в дозатор.

Фото – стандартное подключение

От чрезмерного усилия преобразователь может сломаться, в таком случае не пытайтесь проводить его ремонт вручную.

Очень популярны модели тензодатчиков производства Utilcell, Zemic, Ацп, KELY (Кели), HBM (НВМ), НСК К-Б-12А и ДСТ. У моделей разные технические характеристики и применение, поэтому перед покупкой внимательно изучайте параметры.

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.

Примечание переводчика: Вот тут полностью согласен. В РФ ОДИН! датчик стоит от 600 до 800 рублей, в то время как в украинских магазинах от 130 до 180 гривен (порядка 20 $).

Материалы и инструменты:

Необходимые материалы и инструменты

Материалы:

  • Антистатические пакеты 10х15 Сантиметров
  • Кабельная стяжка (лучше всего длиной 20-25 Сантиметров)
  • Изолента (широкая, шириной 2,4 Сантиметра и узкая 1,1 Сантиметр шириной)
  • Соединительные провода с гнездами (проволочные перемычки) длиной около 20 Сантиметров

Инструменты:

  • Карандаш (обычный грифельный, механический не рекомендуется, поскольку может повредить рабочую поверхность )
  • Скальпель
  • Инструмент для очистки изоляции проводов

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:

  • Растянули/помяли материал
  • Повредили его иными предметами
  • Пролили на него растворяющие жидкости
  • Повредили его карандашом
  • Повредили его иным способом

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

  • Отрежьте 2 отрезка узкой (1,1 сантиметр) изоленты длинной 17 Сантиметров.
  • Отрежьте 1 отрезок широкой (2,4 сантиметра) изоленты длиной 19 Сантиметров.

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.

Итак:

  • Поместите широкую изоленту на стол клейкой стороной вверх.
  • На изоленту вдоль ее оси поместите кабельную стяжку и обрежьте ее выступающие части.
  • Вдоль оси изоленты поверх кабельной стяжки поместите датчик.
  • Заверните свободные стороны широкой полосы изоленты вокруг датчика.
  • Тщательно разгладьте изоленты для лучшего контакта склеиваемых деталей.
  • Поверх щели между завернутыми краями широкой изоленты наклейте полоску узкой (1,1 Сантиметр изоленты).
  • На датчик со стороны кабелей наденьте кусок термоусадочной трубки и прогрейте его поцелуем зажигалкой.

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.

(A-Z Source)