Перейти к содержанию

Тензодатчики

Тензодатчик измеряет силу через очень маленькую деформацию металла. Взвешивание катушки, контроль остатка филамента и простые весовые платформы почти всегда строятся именно на таких датчиках.

Важно понимать: тензодатчик не "чувствует вес" сам по себе. Он слегка изгибается или сжимается под нагрузкой, а электроника измеряет микроскопическое изменение сопротивления тензорезисторов. Поэтому для него критичны две вещи: правильная механика и нормальный усилитель/АЦП.

Где используется

В iDryer-подобных проектах тензодатчик может использоваться для:

  • оценки веса катушки с филаментом;
  • примерного расчёта остатка пластика;
  • контроля, что катушка установлена;
  • обнаружения резкого изменения веса;
  • измерения нагрузки на небольшой механизм;
  • экспериментальной весовой платформы;
  • контроля дозирования в самодельных системах.

Для простого "катушка есть/нет" иногда достаточно концевика или оптического датчика. Тензодатчик нужен, когда важно именно измерять изменение веса или силы.

Почему нужен HX711

Сигнал тензодатчика очень маленький. Обычный аналоговый вход ESP32, Arduino или платы принтера обычно не подходит для прямого подключения.

Поэтому тензодатчик чаще всего подключают через HX711 или похожий модуль. HX711 делает две вещи:

  • усиливает слабый дифференциальный сигнал моста;
  • преобразует его в цифровые данные для контроллера.

Типовая цепочка:

тензодатчик -> HX711 -> контроллер

Подробная схема подключения есть в практическом разделе: Подключение тензодатчика.

Какие бывают тензодатчики

В небольших проектах чаще встречаются:

  • балочный датчик - удобен для маленьких платформ и держателей катушки;
  • S-type датчик - работает на растяжение/сжатие, часто используется в подвесных схемах;
  • кнопочный датчик - измеряет сжатие в одной точке;
  • четыре датчика в платформе - типичная схема напольных весов;
  • одиночные strain gauge элементы - требуют правильного моста и механики, новичку сложнее.

Для самодельной системы веса катушки чаще всего проще начать с балочного тензодатчика на 5 kg, 10 kg или близкий диапазон. Но диапазон зависит от массы катушки, держателя и возможных рывков.

Провода и мост

Большинство распространённых четырёхпроводных тензодатчиков имеют мостовую схему.

На HX711 обычно встречаются обозначения:

  • E+ или VCC - плюс питания моста;
  • E- или GND - минус питания моста;
  • A+, S+, O+ - положительный измерительный сигнал;
  • A-, S-, O- - отрицательный измерительный сигнал.

Частая цветовая схема:

  • красный - E+;
  • чёрный - E-;
  • зелёный или синий - A+;
  • белый - A-;
  • жёлтый, фольга или отдельный провод - экран.

Цвета не гарантированы. Если есть техническое описание конкретного датчика, оно важнее любых таблиц из интернета. Если показания идут в обратную сторону, часто достаточно поменять местами A+ и A- или учесть знак в программе.

Механика важнее схемы

Тензодатчик должен деформироваться именно там и так, как задумал производитель. Если нагрузка идёт мимо рабочей зоны, датчик будет показывать нестабильно или почти ничего не покажет.

Миниатюрный S-образный тензодатчик

Источник: Wikimedia Commons, FUTEK Advanced Sensor Technology, CC BY-SA 4.0

Для балочного датчика типичная идея такая:

  • одна сторона жёстко крепится к неподвижной базе;
  • другая сторона несёт платформу или нагрузку;
  • между подвижной частью и базой есть зазор;
  • винты и корпус не блокируют изгиб балки.

Плохая механика даёт такие симптомы:

  • показания плавают без нагрузки;
  • вес зависит от того, куда положили катушку;
  • датчик почти не реагирует на нагрузку;
  • после снятия груза ноль не возвращается;
  • при касании корпуса показания резко меняются;
  • разные сборки показывают разный вес при одинаковой схеме.

Диапазон и перегрузка

Диапазон тензодатчика - это не желаемый рабочий вес, а предел, на который он рассчитан.

Если использовать датчик на 1 kg для катушки, держателя и рывков больше 1 kg, он может уйти в нелинейность или необратимо деформироваться. Если взять датчик на 100 kg для катушки на 1 kg, чувствительность будет хуже, и механика должна быть намного аккуратнее.

Выбирая диапазон, учитывай:

  • максимальный вес полной катушки;
  • вес держателя и платформы;
  • усилия от перекоса;
  • случайные рывки при установке;
  • запас на пользователя;
  • нужную точность.

Для остатка филамента чаще полезнее умеренный запас, а не огромный диапазон. Например, для катушки с держателем в несколько килограммов датчик 5 kg или 10 kg обычно разумнее, чем 50 kg, если механика позволяет.

Тара и калибровка

Тензодатчик без калибровки выдаёт сырые числа, а не граммы.

Обычный процесс:

  1. Установить датчик в реальную механику.
  2. Поставить пустую платформу или держатель.
  3. Сделать тару, то есть принять текущее значение за ноль.
  4. Положить известный груз.
  5. Подобрать калибровочный коэффициент.
  6. Проверить ещё один или два веса.

Для катушек есть отдельная проблема: пустая катушка тоже весит по-разному. Если нужно оценивать именно остаток пластика, нужно знать вес пустой катушки или хранить профиль конкретной катушки.

Точность и стабильность

На практике точность зависит не только от HX711 и датчика.

На показания влияют:

  • жёсткость корпуса;
  • люфт крепления;
  • боковая нагрузка;
  • вибрации принтера или вентилятора;
  • длина и экранирование проводов;
  • силовые провода рядом с измерительными;
  • температура;
  • ползучесть материала и деформация пластика;
  • касание кабелем или катушкой корпуса в обход датчика.

Если тензодатчик стоит в напечатанном пластиковом корпусе, не стоит обещать лабораторную точность. Для контроля остатка филамента часто достаточно стабильной оценки и повторяемости после калибровки.

Питание и проводка

HX711 измеряет слабый сигнал, поэтому проводку стоит делать аккуратно.

Практические правила:

  • держать HX711 ближе к тензодатчику;
  • не вести провода датчика рядом с нагревателями, моторами и силовыми линиями;
  • закрепить провода, чтобы они не тянули платформу;
  • использовать общий GND с контроллером;
  • питать модуль напряжением, совместимым с контроллером;
  • не использовать плохие Dupont-контакты в финальной сборке, если устройство должно работать долго.

На стороне контроллера HX711 обычно подключается через DT/DOUT и SCK/CLK. Это не обычный I2C и не SPI, а отдельный простой интерфейс.

Что проверить перед покупкой

Перед покупкой проверь:

  • тип датчика: балочный, S-type, кнопочный, платформенный;
  • диапазон веса;
  • направление приложения нагрузки;
  • размеры и отверстия крепления;
  • есть ли техническое описание или схема проводов;
  • нужен ли один датчик или четыре датчика;
  • подходит ли HX711-модуль к выбранному датчику;
  • хватает ли места для правильного зазора и крепления;
  • можно ли будет положить известный груз для калибровки;
  • не будет ли нагрузка идти через корпус в обход датчика.

Если механика пока не продумана, лучше сначала нарисовать схему крепления. Покупка "любого тензодатчика" часто заканчивается тем, что его физически некуда правильно поставить.

Типовые ошибки

  • подключают тензодатчик напрямую к аналоговому входу контроллера;
  • путают E+/E- и A+/A-;
  • верят цветам проводов без технического описания;
  • крепят обе стороны балочного датчика к одной жёсткой детали;
  • блокируют изгиб датчика винтами или корпусом;
  • перегружают датчик;
  • выбирают слишком большой диапазон и теряют чувствительность;
  • забывают тару и калибровку;
  • делают калибровку на столе, а потом ставят датчик в другую механику;
  • ведут провода рядом с силовыми линиями нагревателя;
  • ожидают точности до грамма от мягкого пластикового корпуса.

Главное

Тензодатчик - это компонент, где механика так же важна, как электроника. HX711 поможет прочитать слабый сигнал, но не исправит перекошенное крепление, перегрузку или нагрузку, которая идёт мимо датчика.

Сначала выбери правильный тип и диапазон, затем продумай крепление, потом подключай HX711 и только после этого занимайся тарой и калибровкой.

Материалы по теме