Como conectar uma célula de carga de 3 fios / extensômetro e um amplificador?

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Eu tenho um sensor de carga de 3 fios que se parece com isso:

Sensor de carga de três fios

Estou tentando conectá-lo ao meu Arduino para detectar alterações no peso. Pelo que entendi, as mudanças na tensão são tão pequenas que o Arduino não pode detectar as mudanças sem amplificar a tensão. Então, comprei um LM741CN de 8 pinos no Radio Shack que se parece com isso:

Amplificador Op-Amp de 8 pinos

Encontrei este vídeo que mostra como conectar tudo. No entanto, não consigo descobrir o esquema e por que eles estão usando dois sensores de carga em vez de apenas um. Eles também mencionam resistores, mas não sei por que os estão usando (e por que tamanhos escolheram) ou onde estão no circuito para colocá-los.

Alguém por favor pode me ajudar a descobrir como conectar esta coisa para detectar mudanças na tensão? Além disso, existe uma maneira de fazer isso usando apenas um desses sensores? Isto é o que eu fiz até agora:

Diagrama do sensor de carga do Arduino

O amplificador também tem alguns pinos que eu não entendo: Offset null, NC. Para que servem esses pinos? Devo usá-los?

Atualização: Agora estou trabalhando com um amplificador de instrumentação ( AD623 ). Agora também tenho um sensor de carga de 4 fios com o qual estou brincando. Ainda não consigo fazê-lo funcionar, mas pensei em tentar entender isso antes de passar para o sensor de carga de 3 fios.

Andrew
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Seu sensor é quase certamente uma "meia ponte" de dois extensômetros - eles formam dois resistores à direita no primeiro diagrama de Steven - ie "R2" e "extensômetro", como ele os rotulou. Um fio será o topo da conexão da ponte, um o fundo da conexão da ponte e um será a conexão comum entre os dois. Medir entre dois fios por vez, comum ao topo e comum ao fundo, será a mesma resistência. por exemplo, fios de nome TBC (comum inferior superior). T a C = R, B a C = R, T a B = 2R. Conecte comum ao lado direito da ponte, conecte T & B na parte superior e inferior.
Russell McMahon
Eu concordo, parece uma meia ponte e a fiação no diagrama parece boa. Apenas os resistores (e talvez os limites de desvio / compensação - na questão do amplificador de instrumentação que descobrimos que estava oscilando ...) estão ausentes. Confirmando sem dúvida o número da peça (ou seja, único / duplo) seria útil.
Oli Glaser
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Troque vermelho e verde por um dos sensores de carga - você deseja que as duas meias pontes movam as entradas em direções opostas com cargas crescentes. Não 20kg em um menos 20kg no outro sensor não gera diferença zero.
Dave X

Respostas:

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O medidor de tensão é um resistor variável, portanto, sua primeira idéia pode construir um divisor de resistor com um segundo resistor fixo para detectar as variações como uma mudança na tensão.
Infelizmente, os extensômetros são resistores variáveis muito insensíveis , cuja resistência muda muito pouco quando o peso é aplicado a eles. Um divisor de resistor não é sensível o suficiente para detectar as alterações. Então, precisamos de outra abordagem.
Uma ponte de Wheatstone é a solução.

Ponte de Wheatstone

O strain gage, juntamente com o R2, ainda forma um divisor de resistor, então como isso é diferente? Vamos supor que todos os resistores tenham o mesmo valor, igual à resistência do extensômetro em repouso. Em seguida, a voltagem no medidor será zero em vez de metade da fonte de alimentação. Como nossa leitura é zero referenciada, podemos amplificá-la facilmente para obter uma sensibilidade mais alta para o circuito completo.
Oli mencionou o amplificador diferencial , mas isso não será suficiente. Não queremos afetar a leitura colocando uma carga nela, como faria o amplificador diferencial. Precisamos de um amplificador de instrumentação , que é um amplificador diferencial com uma impedância de entrada muito alta. Esta é a configuração do amplificador de instrumentação mais usada,

insira a descrição da imagem aqui

que usa um único resistor ( ) para definir a amplificação. Você terá que definir a amplificação para um valor alto, possivelmente entre 100 e 1000 (não muito claro; a chamada folha de dados do strain gage simplesmente fede). RG××

Agora, como conectamos o extensômetro, porque ele tem três fios, não os dois como no esquema acima? Novamente, a folha de dados não pode ser usada aqui, mas você provavelmente a conecta assim:

insira a descrição da imagem aqui

Esse modo de conexão compensa a resistência do fio , o que afetaria a leitura. RWIRE1

Outra possibilidade é que os fios representem os pontos superior, direito e inferior da ponte Wheatstone, resp. Qual deles pode ser facilmente determinado medindo a resistência entre os fios. No primeiro caso, você não terá resistência entre o e o . No segundo caso, você medirá uma resistência igual entre vermelho-branco e branco-preto (talvez seja necessário alternar os fios. Novamente, a folha de dados não ajuda).WIRE1WIRE3

Você conecta as conexões do medidor de voltagem da ponte Wheatstone às entradas do amplificador de instrumentação.


imagens deste site

stevenvh
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Obrigado pela sua resposta. Ainda estou totalmente confuso. Eu não entendo como ler esses esquemas. O que significa o V com o círculo ao redor? As linhas em zigue-zague significam resistores? Quais são os tamanhos que deveriam ser. Onde está o amplificador em seu último esquema? Como eu conectaria esse circuito ao amplificador?
Andrew
@ Andrew - O V no círculo é o símbolo de um voltímetro, aqui indica entre quais dois pontos você medirá, de modo que esses pontos são as entradas para o amplificador de instrumentação. As linhas em zigue-zague são resistores. R1 = R3, valor exato não muito importante, por exemplo, 10k. Seu R2 é possivelmente parte do sensor e, em seguida, você conecta os 3 fios na parte superior, direita e inferior da ponte.
stevenvh
Acho que perdi a parte sobre o "amplificador de instrumentação". Não sabia que não era o mesmo que um amplificador operacional. Eu provavelmente deveria começar por aí antes de tentar perder meu tempo conectando algo que não funcionaria. Onde posso comprar alguns deles? E quais funcionariam melhor para meu aplicativo?
Andrew
@ Andrew - Você pode comprar amplificadores integrados, como o INA128 , mas eles são caros. Você também pode construí-los a partir de 3 amplificadores operacionais, mas eu não usaria 741s para isso. Um amplificador operacional quádruplo como o LF347 é uma escolha muito melhor. À venda em todas as lojas de eletrônicos decentes. Online na Digikey ou na Mouser, por exemplo.
stevenvh
Agora tenho um amplificador de instrumentação (AD623) para trabalhar. Agora também tenho um sensor de carga de 4 fios com o qual estou brincando. Ainda não consigo descobrir como conectá-lo (especificamente, como definir o ganho no amplificador), mas pensei em tentar entender os 4 fios antes de passar para o sensor de carga de 3 fios. Você poderia me ajudar a entender como conectar o sensor de carga ao amplificador interno e definir o ganho?
Andrew
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Não vou comentar sobre o design do circuito, pois isso parece estar recebendo muita atenção, mas construí um projeto em que hackeei uma balança de banheiro para que ela fosse ativada em rede e tenha um servidor da web para atender ao peso atual, e eu tenha alguns pensamentos em montar a coisa toda.

Antes de montar seu amplificador, para ter uma idéia aproximada de como definir o ganho, crie primeiro o circuito do extensômetro, ligue-o e use um multímetro (que é muito mais sensível que os ADCs do seu Arduino) para medir a saída tensão do circuito do extensômetro com a carga máxima esperada aplicada. Então, quando você construir seu circuito amplificador, poderá selecionar resistores de ganho que elevem a saída máxima do amplificador para 5V (os ADCs do Arduino amostram 0-5V), e você obterá o maior alcance do seu ADC.

A razão para fazer isso é que o alcance e a resolução dos ADCs são limitados e discretos; portanto, se você deseja medir 0-1000 libras, com a resolução de 10 bits dos ADCs do AVR, você deve, na melhor das hipóteses, ter precisão dentro de um libra se o sinal de saída do seu amplificador passar de 0-5V à medida que o peso aumenta de 0-1000 lbs. Se você apenas fizer uma tentativa ou adivinhar com os resistores de ganho, ou começar com pura tentativa e erro e ficar entediado e não usar toda a gama, você jogará fora a precisão. Digamos que você junte um amplificador e ele produz apenas 0-2,5V, então você estará jogando fora metade da faixa e com precisão de apenas 2 libras. para a mesma faixa de 1000 lb.

Depende do projeto e quanto você se importa. Quando construí minha balança hackeada, precisava de um intervalo de 0 a 200 libras., Mas não estava muito preocupado com a precisão. Basicamente, meu objetivo era determinar se um contêiner na balança estava vazio ou cheio, com talvez uma resolução muito baixa além de 1/8 cheio, 3/4 cheio, esse tipo de coisa. Acabei de construir o circuito mais simples do amplificador diferencial de opamp único que pude encontrar com o primeiro opamp de baixa tensão que eu tinha na bolsa de peças, com o ganho definido para saturar o ADC a ~ 200 libras. Mesmo com essa construção super simples, é surpreendentemente precisa e linear, certamente boa para a libra (é consideravelmente melhor do que isso, mas eu nem precisava de precisão de lb. por isso, quando a calibrei, adicionei peso em incrementos de 5 lb para construir minha tabela de dados de calibração).

Esquema adicionado por solicitação: insira a descrição da imagem aqui

Esse é mais ou menos o esquema do circuito que eu construí, mas eu o montei em uma placa de ensaio sem solda, então espero que não exista muita engenharia de campo no que eu realmente trabalho. A parte excluída era um resistor e um potenciômetro extras que deveriam ajustar o circuito do extensômetro para que a saída fosse exatamente 0v sem carga, mas acabei com uma tensão positiva muito leve, independentemente do que fizesse, e não foi. é significativo, então não me preocupei em depurá-lo. Sig + / Sig- é onde os extensômetros são conectados ao circuito do amplificador. Não construí meu circuito de strain gage, usei a balança, então, na verdade, não me sinto tão bem informada sobre os detalhes de trabalhar com strain gages, apenas descobri como usar o que havia lá. A mina tinha dois pares de medidores, e cada par tinha um fio V +, V- e sinal.

Os valores do resistor no meu circuito não significam necessariamente nada para você, porque foram escolhidos para dar o ganho que eu preciso. Escolha o seu de acordo com suas necessidades.

Suboptimus
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O projeto que você descreveu é exatamente o mesmo que estou tentando criar! A única diferença é que eu estou medindo as alterações em uma cafeteira de 5lb . Eu tenho uma balança de banheiro (com quatro sensores de carga de 3 fios) e agora uma balança de cozinha com um sensor de 4 fios. Eu simplesmente não consigo descobrir como conectar este amplificador. Você poderia fornecer um diagrama de fiação (fácil de seguir)?
Andrew
Você mencionou que era capaz de conviver com um único amplificador operacional. Estou muito interessado em saber como você ligou isso. Os "Amplificadores" parecem ser muito caros para mim para este projeto.
Andrew
Ok, acho que entendi. Você tem quatro resistores e um amplificador operacional? Você mencionou que escolheu os resistores com base no ganho necessário. Como eu ajustaria os valores (quais eu mudaria) se quisesse que o ganho fosse maior / menor?
Andrew
O artigo da Wikipedia sobre amplificadores diferenciais possui as equações para calcular o ganho. I utilizado o caso simplificado, onde R1 = R2 = Rg e Rf, então no meu caso 100K / 4K = ganho de 25.
Suboptimus
Impressionante! Obrigado! Isso faz muito mais sentido!
Andrew
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Nota - Deixei a parte inferior como outra opção, pois não percebi a diferença de pacote imediatamente. Edite ainda sem ter certeza de quantos opamps estão disponíveis.

Você pode ler sobre a teoria do opamp (básica) (na qual eu não entrei, pois é explicada melhor do que em muitos lugares e pode encher livros) antes de tentar qualquer coisa, pois é muito fácil para você. coisas dão errado (mesmo quando você supostamente sabe o que está fazendo) Eles não são como alguns CIs que "simplesmente funcionam" e a fonte frequente de muita frustração para o novo usuário deles.

A parte à qual você vincula é um opamp duplo (dois opamps em um pacote) sem pinos nulos ou NC mais ofensivos (veja abaixo para obter uma explicação deles) Aqui está a pinagem da folha de dados:

insira a descrição da imagem aqui

Você ainda pode fazer a opção de amplificador único abaixo, mas como você tem dois opamps, a versão dos dois opamps na página 4 da nota do aplicativo TI é uma escolha melhor (funciona um pouco melhor, pois não afeta tanto o sinal de entrada) os valores podem ser calculados com a equação, objetivando um ganho (a parte Vo da equação) de> 100. Observe que Steven entra em mais detalhes sobre a desvantagem dessa opção e diz que não será "suficiente". Não concordo inteiramente - está longe de ser o ideal, mas pode funcionar se você ajustar o ganho para compensar o carregamento, conforme explicado na nota do aplicativo de TI vinculada acima. No entanto, o resultado será um pouco não linear, pois a impedância muda com a tensão de entrada na entrada de inversão. Portanto, se você tiver mais de um opamp, o amplificador de instrumentação é o caminho a seguir.

Opamp único

Você precisa fazer um amplificador diferencial, como este:

Exemplo de opamp diferencial do Wiki

Para o seu aplicativo, algo como os valores na página 3 desta nota de aplicativo seria apropriado. É preferível usar algo chamado de amplificador de instrumentação para isso, que usa 3 opamps, mas você pode fazê-lo funcionar bem com um. Os resistores definem o ganho do opamp.

O NC significa "No Connect", então não se preocupe com esse pino. O deslocamento nulo é usado para aparar o deslocamento muito pequeno (geralmente um mV aproximadamente) entre as duas entradas (idealmente não teria deslocamento)

Nota - uma pergunta muito semelhante foi feita aqui há alguns dias. O solicitante estava usando um amplificador de instrumentação 3 opamp, mas ainda assim deve ser informativo.

Oli Glaser
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Desculpe, o link para o amplificador não é o amplificador real com o qual estou trabalhando. Eu peguei o meu da Radio Shack.
Andrew
@ Andrew - isso faz uma grande diferença. Precisamos saber o número da peça para poder aconselhar com precisão, pois existem muitas variedades de opamps com pinagens diferentes (por exemplo, 1,2,3,4 opamps por pacote, pinos de compensação presentes / não presentes, o pino 3 pode ser Vout por um lado e + Vin por outro) Alguns não serão particularmente adequados para esta aplicação. Qual é o código exato impresso no seu opamp?
Oli Glaser
@ Andrew - Se você deseja construir o amplificador de instrumentação de dois opamp a partir da appnote a que Oli se refere, observe que a amplificação fornecida na appnote está incorreta. Equação corrigida aqui
stevenvh
@ Stephen - bem localizado, é de fato. Ele se baseia em R1 = 2 = 3 = 4 sendo igual, mas na nota é dado como R1 = R2 e R3 = R4. A inclusão do termo R3 permite isso.
Oli Glaser
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LM741! Ugh. Se você ainda o tiver no pacote, eu o devolveria; Os 741s são como o modelo T dos amplificadores operacionais - eles têm mais de 40 anos de idade e devem advertir a embalagem.
Jason S
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Tente reverter a tensão para um dos dois extensômetros. Isso tem o efeito de dobrar a quantidade de alteração de tensão. Ligá-los da mesma forma gera ~ a mesma tensão nas duas entradas do amplificador, que é igual ao diferencial zero.

Wayne
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Você pode explicar um pouco mais sobre isso, agora isso parece mais um comentário.
Kortuk
Os sensores contêm dois extensômetros, um em tensão e outro em compressão. A conexão dos dois sensores em paralelo, com cargas iguais, alterará as entradas inversora e não inversora na mesma quantidade, rejeitando a carga aumentada como ruído no modo comum. Conforme especificado, o circuito medirá as diferenças de carga nos dois sensores.
Dave X