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应变片

应变片通过微小的金属变形来测量力。称重线轴、监控剩余灯丝和简单的称重平台几乎总是使用这样的传感器。

重要的是要理解：应变片不会自己"感受重量"。它在负载下略微弯曲或压缩，电子产品测量应变计中的微观电阻变化。所以两件事是关键的：正确的机制和正常的放大器/ADC。

用途

在 iDryer 等项目中，应变片可用于：

  • 估计带灯丝的线轴重量；
  • 粗略计算剩余塑料；
  • 检查线轴是否已安装；
  • 检测突然的重量变化；
  • 测量小型机制上的负载；
  • 实验称重平台；
  • DIY 系统中的分配控制。

对于简单的"线轴存在/不存在"，有时限位开关或光学传感器就足够了。当重要的是实际测量重量或力变化时，需要应变片。

为什么需要 HX711

应变片的信号非常弱。ESP32、Arduino 或打印机板上的典型模拟输入通常不适合直接连接。

所以应变片通常通过 HX711 或类似模块连接。HX711 做两件事：

  • 放大弱差分桥信号；
  • 将其转换为控制器的数字数据。

典型的链：

应变片 -> HX711 -> 控制器

详细的连接图在实用部分：连接应变片。

存在哪些类型的应变片

在小型项目中，最常见的是：

  • 梁应变片 - 方便小平台和线轴支架；
  • S 型应变片 - 在张力/压缩中工作，通常用于悬挂设置；
  • 按钮应变片 - 在一点测量压缩；
  • 平台上的四个应变片 - 典型的楼梯秤设计；
  • 单个应变计元素 - 需要适当的网桥和机制，对初学者更难。

对于 DIY 线轴重量系统，通常更容易从 5 kg、10 kg 或附近范围的梁应变片开始。但范围取决于线轴质量、支架和可能的抖动。

线和网桥

最常见的四线应变片有网桥电路。

在 HX711 上，你通常看到标记：

  • E+ 或 VCC - 网桥电源加；
  • E- 或 GND - 网桥电源减；
  • A+、S+、O+ - 正测量信号；
  • A-、S-、O- - 负测量信号。

常见的颜色方案：

  • 红 - E+；
  • 黑 - E-；
  • 绿或蓝 - A+；
  • 白 - A-；
  • 黄、箔或单独线 - 屏蔽。

颜色不保证。如果有特定应变片的技术描述，它比任何互联网表更重要。如果读数方向错误，通常只需交换 A+ 和 A- 或在程序中考虑符号就足够了。

机制比电路更重要

应变片必须完全按照制造商的意图变形。如果负载绕过工作区，应变片会显示不稳定的读数或几乎没有。

微型 S 型梁应变片

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

对于梁应变片，典型的想法是：

  • 一侧牢固安装在固定底座上；
  • 另一侧承载平台或负载；
  • 移动部分和底座之间有间隙；
  • 螺钉和机箱不阻止梁弯曲。

不良的机制会给出这样的症状：

  • 无负载时读数漂移；
  • 重量取决于你将线轴放在哪里；
  • 应变片对负载反应缓慢；
  • 移除负载后，零不会返回；
  • 触摸机箱会急剧改变读数；
  • 不同的组件与相同设置的重量不同。

范围和过载

应变片的范围不是所需的工作重量，它是其额定值的限制。

对于线轴、支架和超过 1 kg 的抖动使用 1 kg 应变片可能会将其驱动到非线性或永久变形。使用 100 kg 应变片为 1 kg 线轴会失去灵敏度，机制必须更加小心。

选择范围时，考虑：

  • 满线轴的最大重量；
  • 支架和平台重量；
  • 不对齐力；
  • 安装上的意外抖动；
  • 用户的裕度；
  • 所需的精度。

对于剩余灯丝，适度的裕度通常比巨大的范围更有用。例如，对于支架重量几公斤的线轴，如果机制允许，5 kg 或 10 kg 应变片通常比 50 kg 更好。

皮重和标定

没有标定的应变片输出原始数字，而不是克。

典型的过程：

  1. 在真实机制中安装应变片。
  2. 放一个空平台或支架。
  3. 皮重 - 接受当前值为零。
  4. 放一个已知的重量。
  5. 调整标定系数。
  6. 检查一两个更多的权重。

对于线轴，有一个额外的问题：空线轴的重量也不同。如果你只需要估计塑料，你需要知道空线轴的重量或存储特定线轴的配置文件。

准确度和稳定性

实际上，准确度取决于 HX711 和应变片以上的内容。

读数受以下因素影响：

  • 机箱刚度；
  • 安装间隙；
  • 侧向负载；
  • 打印机振动或风扇噪声；
  • 线长和屏蔽；
  • 靠近电源线的测量线；
  • 温度；
  • 材料蠕变和塑性变形；
  • 电缆或线轴接触应变片周围的机箱。

如果应变片在打印的塑料机箱中，不要期望实验室准确度。对于灯丝剩余估计，标定后稳定的读数和可重复性通常就足够了。

电源和接线

HX711 测量弱信号，所以接线应该小心。

实用规则：

  • 保持 HX711 靠近应变片；
  • 不要将应变片线路靠近加热器、电机和电源线；
  • 保护线以防止其拉动平台；
  • 与控制器使用公共 GND；
  • 用与控制器兼容的电压为模块供电；
  • 如果设备应长期运行，不要在最终组件中使用差的杜邦触点。

在控制器侧，HX711 通常通过 DT/DOUT 和 SCK/CLK 连接。这不是常规的 I2C 或 SPI，而是一个单独的简单接口。

购买前的检查清单

购买前，检查：

  • 应变片类型：梁、S 型、按钮、平台；
  • 重量范围；
  • 负载应用方向；
  • 尺寸和安装孔；
  • 描述或接线图的可用性；
  • 需要一个还是四个应变片；
  • HX711 模块是否适合所选应变片；
  • 是否有适当间隙和安装的空间；
  • 你是否可以放一个已知的重量用于标定；
  • 负载不会通过应变片周围的机箱。

如果机制还没有考虑好，最好先绘制安装图。购买"任何应变片"通常以物理上不可能正确安装而告终。

典型错误

  • 将应变片直接连接到模拟输入；
  • 混淆了 E+/E- 和 A+/A-；
  • 不描述信任线颜色；
  • 将梁应变片的两侧安装到一个刚性部件；
  • 用螺钉或机箱阻止应变片弯曲；
  • 过载应变片；
  • 选择太大的范围，失去灵敏度；
  • 忘记皮重和标定；
  • 在台上标定，然后在不同的机制中安装应变片；
  • 将线路靠近加热器电源线；
  • 期望软塑料机箱的克级精度。

主要点

应变片是一个机制与电子产品同样重要的组件。HX711 帮助读取弱信号，但不会修复歪斜的安装、过载或负载绕过应变片。

首先选择正确的类型和范围，然后设计安装，然后连接 HX711，最后做皮重和标定。

参考资料