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負載傳感器

負載傳感器通過微小的金屬變形來測量力。稱量線軸、監控剩餘耗材和簡單的重量平臺幾乎總是使用此類感應器。

重要的是要理解：負載傳感器本身無法「感覺體重」。它在負載下輕微彎曲或壓縮，電子設備測量應變計中的微觀電阻變化。所以兩件事至關重要：正確的機械和正常的放大器/ADC。

應用場景

在 iDryer 類專案中，負載傳感器可用於：

  • 估計耗材的線軸重量；
  • 粗略計算剩餘塑膠；
  • 檢查線軸是否已安裝；
  • 檢測突然的重量變化；
  • 測量小型機構上的負載；
  • 實驗性重量平臺；
  • DIY 系統中的計量控制。

對於簡單的「線軸存在/不存在」，有時極限開關或光學感應器就足夠了。當實際測量重量或力的變化很重要時，才需要負載傳感器。

為什麼需要 HX711

負載傳感器信號非常弱。ESP32、Arduino 或印表機主板上的典型類比輸入通常不適合直接連接。

所以負載傳感器通常通過 HX711 或類似模組連接。HX711 做兩件事：

  • 放大弱的差分橋接信號；
  • 將其轉換為控制器的數位資料。

典型的鏈：

負載傳感器 -> HX711 -> 控制器

詳細的連接圖在實務部分：連接負載傳感器。

存在什麼類型的負載傳感器

在小型專案中，最常見的是：

  • 樑式傳感器 - 適合小型平臺和線軸支架；
  • S 型傳感器 - 在張力/壓縮中工作，通常用於懸掛設置；
  • 按鈕型傳感器 - 在一個點測量壓縮；
  • 平臺上的四個傳感器 - 典型的地板秤設計；
  • 單一應變計元件 - 需要適當的橋接和機械，對初學者更難。

對於 DIY 線軸重量系統，通常更容易從 5 kg、10 kg 或附近範圍的樑式負載傳感器開始。但範圍取決於線軸質量、支架和可能的衝擊。

線和橋接

最常見的四線負載傳感器具有橋接電路。

在 HX711 上，你通常會看到標記：

  • E+ 或 VCC - 橋接電源加號；
  • E- 或 GND - 橋接電源減號；
  • A+、S+、O+ - 正測量信號；
  • A-、S-、O- - 負測量信號。

常見的顏色方案：

  • 紅色 - E+；
  • 黑色 - E-；
  • 綠色或藍色 - A+；
  • 白色 - A-；
  • 黃色、箔或單獨線 - 屏障。

顏色不被保證。如果存在特定傳感器的技術描述，它比任何網際網路表更重要。如果讀數方向錯誤，通常只是交換 A+ 和 A- 或在程式中考慮符號就足夠了。

機械比電路更重要

負載傳感器必須按照製造商的意圖完全變形。如果負載繞過工作區，傳感器將顯示不穩定的讀數或幾乎沒有。

小型 S 樑負載傳感器

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

對於樑式傳感器，典型的想法是：

  • 一側牢固地安裝在固定的基座上；
  • 另一側承載平臺或負載；
  • 在運動部分和基座之間有間隙；
  • 螺釘和外殼不會阻止樑彎曲。

不良的機械給出這樣的症狀：

  • 在沒有負載的情況下讀數漂移；
  • 重量取決於你把線軸放在哪裡；
  • 傳感器幾乎沒有對負載的反應；
  • 移除負載後，零不會返回；
  • 觸及外殼會大幅改變讀數；
  • 不同的組件以相同的設置顯示不同的重量。

範圍和超載

負載傳感器的範圍不是所需的工作重量，而是它的額定限制。

對超過 1 kg 的線軸、支架和衝擊使用 1 kg 傳感器會將其驅動到非線性或永久變形。對 1 kg 線軸使用 100 kg 傳感器會失去靈敏度，機械必須更小心。

選擇範圍時，考慮：

  • 滿線軸的最大重量；
  • 支架和平臺重量；
  • 不對齐的力；
  • 安裝上的意外衝擊；
  • 使用者裕度；
  • 所需的精度。

對於剩餘耗材，適度的裕度通常比巨大的範圍更有用。例如，對於線軸和支架重量為幾公斤的，5 kg 或 10 kg 傳感器通常比 50 kg 更好，如果機械允許的話。

皮重和校準

沒有校準的負載傳感器輸出原始數字，不是克。

典型的過程：

  1. 在真實機械中安裝傳感器。
  2. 放置空平臺或支架。
  3. 執行皮重 - 接受當前值為零。
  4. 放置已知的重量。
  5. 調整校準係數。
  6. 檢查一個或兩個更多的重量。

對於線軸，有一個額外的問題：空線軸也有不同的重量。如果你只需要估計塑膠，你需要知道空線軸重量或為該特定線軸儲存一個輪廓。

精度和穩定性

實際上，精度取決於比 HX711 和傳感器更多的因素。

讀數受以下因素影響：

  • 外殼剛度；
  • 安裝間隙；
  • 側向負載；
  • 印表機振動或風扇噪聲；
  • 線長和屏障；
  • 測量線靠近電源線；
  • 溫度；
  • 材料蠕變和塑性變形；
  • 電纜或線軸接觸傳感器周圍的外殼。

如果負載傳感器在列印的塑膠外殼中，不要期望實驗室精度。對於耗材剩餘估計，在校準後的穩定讀數和可重複性通常就足夠了。

電源和線路

HX711 測量弱信號，所以線路應該小心。

實務規則：

  • 保持 HX711 靠近負載傳感器；
  • 不要將傳感器線靠近加熱器、馬達和電源線佈線；
  • 固定線路，使它們不拉平臺；
  • 使用與控制器的共同 GND；
  • 以與控制器相容的電壓為模組供電；
  • 如果設備應該長期運行，不要在最終組件中使用不良的杜邦接頭。

在控制器一側，HX711 通常通過 DT/DOUT 和 SCK/CLK 連接。這不是常規的 I2C 或 SPI，而是單獨的簡單介面。

購買前要檢查的事項

購買前，檢查：

  • 傳感器類型：樑式、S 型、按鈕、平臺；
  • 重量範圍；
  • 負載施加方向；
  • 尺寸和安裝孔；
  • 描述或線圖的可用性；
  • 是否需要一個或四個傳感器；
  • HX711 模組是否適合你選擇的傳感器；
  • 是否有適當間隙和安裝的空間；
  • 你是否可以放置已知的重量進行校準；
  • 負載不會通過傳感器周圍的外殼。

如果機械還沒有考慮，最好先繪製安裝。購買「任何負載傳感器」通常以物理上無法正確安裝而告終。

常見錯誤

  • 將負載傳感器直接連接到類比輸入；
  • 混淆 E+/E- 和 A+/A-；
  • 在不描述的情況下信任線路顏色；
  • 將樑式傳感器的兩側都安裝到一個剛性部分；
  • 用螺釘或外殼阻止傳感器彎曲；
  • 超載傳感器；
  • 選擇太大的範圍並失去靈敏度；
  • 忘記皮重和校準；
  • 在工作臺上校準，然後在不同的機械中安裝傳感器；
  • 線靠近加熱器電源線佈線；
  • 期望軟塑膠外殼的克級精度。

要點

負載傳感器是機械與電子設備一樣重要的元件。HX711 幫助讀取弱信號，但無法修復歪斜的安裝、超載或負載在傳感器周圍。

首先選擇正確的類型和範圍，然後設計安裝，然後連接 HX711，最後才進行皮重和校準。

參考資料