Wie verdrahtet man eine 3-Draht-Wägezelle / einen Dehnungsmessstreifen und einen Verstärker?


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Ich habe einen 3-Draht- Lastsensor , der so aussieht:

Dreileiter-Lastsensor

Ich versuche, es mit meinem Arduino zu verbinden, um Gewichtsveränderungen zu erkennen. Soweit ich weiß, sind die Spannungsänderungen so gering, dass der Arduino die Änderungen nicht erkennen kann, ohne die Spannung zu verstärken. Also habe ich bei Radio Shack einen 8-poligen LM741CN-Operationsverstärker gekauft , der ungefähr so aussieht:

8-poliger Operationsverstärker

Ich habe dieses Video gefunden , das zeigt, wie man alles verkabelt. Ich kann jedoch den Schaltplan nicht herausfinden und warum sie zwei Lastsensoren anstelle von nur einem verwenden. Sie erwähnen auch Widerstände, aber ich bin mir nicht sicher, warum sie sie verwenden (und warum die von ihnen gewählten Größen) oder wo sie in der Schaltung platziert werden sollen.

Kann mir bitte jemand helfen, herauszufinden, wie ich dieses Ding verkabeln kann, um Spannungsänderungen zu erkennen? Gibt es auch eine Möglichkeit, dies mit nur einem dieser Sensoren zu tun? Folgendes habe ich bisher getan:

Arduino Lastsensordiagramm

Der Verstärker hat auch einige Pins, die ich nicht verstehe: Offset null, NC. Wofür sind diese Stifte? Soll ich sie benutzen?

Update: Jetzt arbeite ich mit einem Instrumentenverstärker ( AD623 ). Ich habe jetzt auch einen 4-Draht-Lastsensor, mit dem ich spiele. Ich kann es immer noch nicht zum Laufen bringen, aber ich dachte, ich würde versuchen, das zu verstehen, bevor ich zum 3-Draht-Lastsensor übergehe.


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Ihr Sensor ist mit ziemlicher Sicherheit eine "Halbbrücke" aus zwei Dehnungsmessstreifen - sie bilden die rechten beiden Widerstände in Stevens erstem Diagramm - dh "R2" und "Dehnungsmessstreifen", wie er sie beschriftet hat. Ein Draht ist die Oberseite der Brückenverbindung, einer die Unterseite der Brückenverbindung und einer die gemeinsame Verbindung zwischen beiden. Das Messen zwischen zwei Drähten gleichzeitig, die oben und unten gemeinsam sind, hat den gleichen Widerstand. zB Namensdrähte TBC (oben unten gemeinsam). T bis C = R, B bis C = R, T bis B = 2R. Verbinden Sie T & B gemeinsam mit der rechten Mitte der Brücke und verbinden Sie T & B mit oben und unten.
Russell McMahon

Ich stimme zu, sieht aus wie eine Halbbrücke und die Verkabelung im Diagramm sieht in Ordnung aus. Nur die Widerstände (und möglicherweise die Bypass- / Kompensationskappen - in der Frage des Instrumentenverstärkers haben wir festgestellt, dass sie oszillieren ..) fehlen. Es wäre nützlich, die Teilenummer (dh einfach / doppelt) zweifelsfrei zu bestätigen.
Oli Glaser

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Tauschen Sie Rot und Grün gegen einen der Lastsensoren aus - Sie möchten, dass die beiden Halbbrücken die Eingänge mit zunehmender Last in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Nicht 20 kg auf einem minus 20 kg auf dem anderen Sensor ergeben eine Differenz von Null.
Dave X

Antworten:


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Der Dehnungsmessstreifen ist ein variabler Widerstand. Daher besteht Ihre erste Idee darin, einen Widerstandsteiler mit einem zweiten festen Widerstand zu bauen, um die Schwankungen als Spannungsänderung zu erkennen.
Leider sind Dehnungsmessstreifen sehr unempfindliche variable Widerstände, deren Widerstand sich nur sehr wenig ändert, wenn sie belastet werden . Ein Widerstandsteiler ist bei weitem nicht empfindlich genug, um die Änderungen zu erfassen. Wir brauchen also einen anderen Ansatz.
Eine Wheatstone-Brücke ist die Lösung.

Wheatstone-Brücke

Der Dehnungsmessstreifen bildet zusammen mit R2 immer noch einen Widerstandsteiler. Wie unterscheidet sich das? Nehmen wir an, dass alle Widerstände den gleichen Wert haben, der dem Widerstand des Dehnungsmessers in Ruhe entspricht. Dann ist die Spannung am Spannungsmesser Null anstatt der Hälfte der Stromversorgung. Da unser Messwert auf Null bezogen ist, können wir ihn leicht verstärken, um eine höhere Empfindlichkeit für die gesamte Schaltung zu erhalten.
Oli erwähnte den Differenzverstärker , aber das wird nicht ausreichen. Wir wollen den Messwert nicht beeinflussen, indem wir ihn belasten, wie es der Differenzverstärker tun würde. Wir brauchen einen Instrumentenverstärker , der ein Differenzverstärker mit einer sehr hohen Eingangsimpedanz ist. Dies ist die am häufigsten verwendete Instrumentenverstärkerkonfiguration.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

R.G××

Wie schließen wir nun den Dehnungsmessstreifen an, weil er drei Drähte hat, nicht die beiden wie im obigen Schema? Auch hier nützt das Datenblatt nichts, aber Sie verbinden es wahrscheinlich so:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

R.W.ichR.E.1

W.ichR.E.1W.ichR.E.3

Sie verbinden die Spannungsmesseranschlüsse der Wheatstone-Brücke mit den Eingängen des Instrumentenverstärkers.


Bilder von dieser Website


Danke für deine Antwort. Ich bin immer noch total verwirrt. Ich verstehe nicht, wie man diese Schaltpläne liest. Was bedeutet das V mit dem Kreis um es herum? Bedeuten die Zick-Zack-Linien Widerstände? Welche Größen sollen diese sein? Wo ist der Verstärker in Ihrem letzten Schaltplan? Wie würde ich diese Schaltung an den Verstärker anschließen?
Andrew

@ Andrew - Das V im Kreis ist das Symbol für ein Voltmeter. Hier gibt es an, zwischen welchen zwei Punkten Sie messen werden. Diese Punkte sind also die Eingänge für den Instrumentenverstärker. Die Zick-Zack-Linien sind Widerstände. R1 = R3, genauer Wert nicht wirklich wichtig, zum Beispiel 10k. Ihr R2 ist möglicherweise Teil des Sensors. Anschließend verbinden Sie die 3 Drähte oben, rechts und unten an der Brücke.
Stevenvh

Ich glaube, ich habe den Teil über den "Instrumentenverstärker" verpasst. Ich wusste nicht, dass es nicht dasselbe ist wie ein Operationsverstärker. Ich sollte wahrscheinlich dort anfangen, bevor ich versuche, meine Zeit damit zu verschwenden, etwas zu verkabeln, das nicht funktioniert. Wo kann ich ein paar davon kaufen? Und welche eignen sich am besten für meine Bewerbung?
Andrew

@ Andrew - Sie können integrierte In-Amps wie den INA128 kaufen , aber sie sind teuer. Sie können sie auch selbst aus 3 Operationsverstärkern bauen, aber ich würde keine 741s dafür verwenden. Ein Quad-Operationsverstärker wie der LF347 ist eine viel bessere Wahl. Zum Verkauf in jedem anständigen Elektronikgeschäft. Online zum Beispiel bei Digikey oder Mouser.
Stevenvh

Ich habe jetzt einen Instrumentenverstärker (AD623) zum Arbeiten. Ich habe jetzt auch einen 4-Draht-Lastsensor, mit dem ich spiele. Ich kann immer noch nicht herausfinden, wie man es verkabelt (insbesondere wie man die Verstärkung am Eingangsverstärker einstellt), aber ich dachte, ich würde versuchen, den 4-Draht zu verstehen, bevor ich zum 3-Draht-Lastsensor übergehe. Können Sie mir helfen, zu verstehen, wie der Lastsensor an den Eingangsverstärker angeschlossen und die Verstärkung eingestellt wird?
Andrew

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Ich werde das Schaltungsdesign nicht kommentieren, da dies viel Aufmerksamkeit zu erregen scheint, aber ich habe ein Projekt erstellt, bei dem ich eine Personenwaage gehackt habe, damit sie netzwerkfähig ist und einen Webserver hat, der das aktuelle Gewicht bedient, und ich Ich habe ein paar Gedanken darüber, wie ich das Ganze zusammenstellen kann.

Um eine ungefähre Vorstellung davon zu bekommen, wie die Verstärkung eingestellt werden soll, bauen Sie zuerst den Dehnungsmessstreifen, schalten Sie ihn ein und verwenden Sie ein Multimeter (das viel empfindlicher als die ADCs Ihres Arduino ist), um den Ausgang zu messen Spannung von Ihrem Dehnungsmessstreifen mit der maximal zu erwartenden Last. Wenn Sie dann Ihre Verstärkerschaltung aufbauen, können Sie Verstärkungswiderstände auswählen, die die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers auf 5 V bringen (das ADC-Beispiel des Arduino 0-5 V), und Sie werden den größten Bereich aus Ihrem ADC herausholen.

Der Grund dafür ist, dass der Bereich und die Auflösung der ADCs begrenzt und diskret sind. Wenn Sie also mit der 10-Bit-Auflösung der ADCs des AVR 0-1000 Pfund messen möchten, sind Sie bestenfalls auf a genau Pfund, wenn das Ausgangssignal Ihres Verstärkers von 0 bis 5 V geht, wenn das Gewicht von 0 bis 1000 Pfund zunimmt. Wenn Sie es nur halbherzig machen oder mit den Verstärkungswiderständen raten oder mit reinem Versuch und Irrtum beginnen und sich langweilen und nicht den vollen Bereich nutzen, werden Sie die Genauigkeit wegwerfen. Angenommen, Sie basteln einen Verstärker zusammen und er gibt nur 0-2,5 V aus. Dann werfen Sie die Hälfte der Reichweite weg und sind nur auf 2 Pfund genau. für den gleichen 1000 lb. Bereich.

Es hängt jedoch vom Projekt ab und davon, wie wichtig es Ihnen ist. Als ich meine gehackte Waage baute, brauchte ich einen Bereich von 0 bis 200 Pfund, aber ich war nicht sehr besorgt um die Genauigkeit. Grundsätzlich war es mein Ziel festzustellen, ob ein Behälter auf der Waage leer oder voll war, mit einer möglicherweise sehr niedrigen Auflösung darüber hinaus wie 1/8 voll, 3/4 voll, so etwas. Ich habe gerade die einfachste Einzelverstärker-Differenzverstärkerschaltung gebaut, die ich mit dem ersten Niederspannungsverstärker finden konnte, den ich in meiner Teiletasche hatte, wobei die Verstärkung so eingestellt war, dass der ADC bei ~ 200 lbs gesättigt ist. Selbst mit dieser supereinfachen Konstruktion ist sie überraschend genau und linear, sicherlich gut für das Pfund (es ist erheblich besser als das, aber ich brauchte nicht einmal Pfund-Genauigkeit, also habe ich beim Kalibrieren Gewicht in Schritten von 5 Pfund hinzugefügt, um zu bauen meine Tabelle der Kalibrierungsdaten).

Schema auf Anfrage hinzugefügt: Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies ist mehr oder weniger das Schema für die Schaltung, die ich gebaut habe, aber ich habe es auf einem lötfreien Steckbrett zusammengestellt, so dass hoffentlich nicht zu viel Feldtechnik in dem steckt, was ich tatsächlich arbeite. Der gelöschte Teil war ein zusätzlicher Widerstand und ein Potentiometer, die in der Lage sein sollten, den Dehnungsmessstreifen so abzustimmen, dass der Ausgang ohne Last genau 0 V betrug, aber ich bekam eine sehr leichte positive Spannung, egal was ich tat, und das war es nicht Es ist nicht wichtig, also habe ich mich nicht darum gekümmert, es zu debuggen. Sig + / Sig- sind die Stellen, an denen die Dehnungsmessstreifen mit dem Verstärkerstromkreis verbunden sind. Ich habe meinen Dehnungsmessstreifen-Schaltkreis nicht gebaut, ich habe die Waage verwendet, daher fühle ich mich nicht so gut mit den Details der Arbeit mit Dehnungsmessstreifen vertraut. Ich habe nur herausgefunden, wie man das verwendet, was da war. Meins hatte zwei Paar Messgeräte und jedes Paar hatte einen V + -, V- und Signaldraht.

Die Widerstandswerte in meiner Schaltung bedeuten Ihnen nicht unbedingt etwas, da sie ausgewählt wurden, um die von mir benötigte Verstärkung zu erzielen. Wählen Sie Ihre nach Ihren Bedürfnissen.


Das Projekt, das Sie beschrieben haben, ist genau das gleiche wie das, was ich zu bauen versuche! Der einzige Unterschied ist, dass ich die Veränderungen in einer 5-Pfund-Kaffeekanne messe . Ich habe eine Personenwaage (mit vier 3-Draht-Lastsensoren) und jetzt eine Küchenwaage mit einem 4-Draht-Sensor. Ich kann einfach nicht herausfinden, wie ich diesen Verstärker verkabeln soll. Könnten Sie einen (leicht zu befolgenden) Schaltplan bereitstellen?
Andrew

Sie haben erwähnt, dass Sie mit einem einzigen Operationsverstärker auskommen konnten. Ich bin sehr interessiert zu hören, wie Sie das verkabelt haben. Die "In-Amps" scheinen mir für dieses Projekt zu teuer zu sein.
Andrew

Ok, ich glaube ich verstehe. Sie haben vier Widerstände und einen Operationsverstärker? Sie haben erwähnt, dass Sie die Widerstände basierend auf der benötigten Verstärkung ausgewählt haben. Wie würde ich die Werte anpassen (welche würde ich ändern), wenn die Verstärkung höher / niedriger sein soll?
Andrew

Der Wikipedia-Artikel über Differenzverstärker enthält die Gleichungen zur Berechnung der Verstärkung. Ich habe den vereinfachten Fall verwendet, in dem R1 = R2 und Rf = Rg, also in meinem Fall 100K / 4K = Verstärkung von 25.
Suboptimus

Genial! Vielen Dank! Das macht so viel mehr Sinn!
Andrew

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Hinweis - Ich habe den unteren Teil als weitere Option verlassen, da ich den Paketunterschied nicht sofort bemerkt habe. Bearbeiten Sie immer noch nicht ganz sicher, wie viele Opamps verfügbar sind.

Vielleicht möchten Sie sich über die (grundlegende) Opamp-Theorie informieren (auf die ich nicht näher eingegangen bin, da sie an vielen Stellen besser erklärt wird als ich und Bücher füllen kann / kann), bevor Sie dies versuchen, da dies sehr einfach ist Dinge, die schief gehen können (selbst wenn Sie angeblich wissen, was Sie tun) Sie sind nicht wie einige ICs, die "nur funktionieren", und die häufige Quelle großer Frustration für den neuen Benutzer.

Der Teil, auf den Sie verlinken, ist ein Dual- Opamp (zwei Opamps in einem Paket) ohne Offest-Null- oder NC-Pins (Erläuterungen hierzu siehe unten). Hier ist die Pinbelegung aus dem Datenblatt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie können die unten stehende Einzelverstärkeroption weiterhin ausführen. Da Sie jedoch zwei Operationsverstärker haben, ist die Version mit zwei Operationsverstärkern auf Seite 4 des TI-App-Hinweises die bessere Wahl (funktioniert etwas besser, da sie das Eingangssignal nicht so stark beeinflusst). Der Widerstand Werte können mit der Gleichung berechnet werden, streben eine Verstärkung (der Vo-Teil der Gleichung) von> 100 an. Beachten Sie, dass Steven detaillierter auf die Nachteile dieser Option eingeht und sagt, dass dies nicht "genug" sein wird. Ich stimme nicht ganz zu - es ist alles andere als ideal, aber es kann funktionieren, wenn Sie die Verstärkung anpassen, um das Laden zu kompensieren, wie in der oben verlinkten TI-App-Anmerkung erläutert. Das Ergebnis ist jedoch leicht nichtlinear, da sich die Impedanz mit der Eingangsspannung am invertierenden Eingang ändert. Wenn Sie also mehr als einen Operationsverstärker haben, ist der Instrumentenverstärker der richtige Weg.

Einzelne Opamp-Option

Sie müssen einen Differenzverstärker wie folgt herstellen:

Wiki Differential Opamp Beispiel

Für Ihre Anwendung wären etwa die Werte auf Seite 3 dieses Anwendungshinweises angemessen. Es ist vorzuziehen, dafür einen sogenannten Instrumentenverstärker zu verwenden, der 3 Operationsverstärker verwendet, aber Sie können dafür sorgen, dass es mit einem gut funktioniert. Die Widerstände stellen die Verstärkung des Operationsverstärkers ein.

Die NC bedeutet "No Connect", also mach dir keine Sorgen um diesen Pin. Der Versatz Null wird verwendet, um den sehr kleinen Versatz (normalerweise mV oder so) zwischen den beiden Eingängen zu trimmen (hätte idealerweise keinen Versatz).

Hinweis - Eine sehr ähnliche Frage wurde hier vor einigen Tagen gestellt. Der Fragesteller verwendete einen Instrumentenverstärker mit 3 Operationsverstärkern, der jedoch weiterhin informativ sein sollte.


Entschuldigung, der Link zum Verstärker ist nicht der tatsächliche Verstärker, mit dem ich arbeite. Ich habe meine von Radio Shack bekommen.
Andrew

@ Andrew - das macht einen großen Unterschied. Wir müssen die Teilenummer kennen, um genau beraten zu können, da es viele Arten von Operationsverstärkern mit vielen verschiedenen Pinbelegungen gibt (z. B. 1,2,3,4 Operationsverstärker pro Packung, versetzte Stifte vorhanden / nicht vorhanden, Stift 3 könnte Vout sein auf einem Teil und + Vin auf einem anderen) Einige sind für diese Anwendung nicht besonders geeignet. Was ist der genaue Code auf Ihrem Opamp?
Oli Glaser

@ Andrew - Wenn Sie den Instrumentenverstärker mit zwei Operationsverstärkern aus der Appnote bauen möchten, auf die sich Oli bezieht, beachten Sie, dass die in der Appnote angegebene Verstärkung falsch ist. Korrigierte Gleichung hier
Stevenvh

@ Stephen - gut entdeckt, ist in der Tat. Es setzt voraus, dass R1 = 2 = 3 = 4 gleich ist, aber in der Anmerkung wird es als R1 = R2 und R3 = R4 angegeben. Die Einbeziehung des R3-Terms ermöglicht dies jedoch.
Oli Glaser

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LM741! Pfui. Wenn Sie es noch im Paket haben, würde ich es zurückgeben; 741s sind wie das Modell T von Operationsverstärkern - sie sind über 40 Jahre alt und sollten aufgefordert werden, eine Warnung auf der Verpackung anzubringen.
Jason S

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Versuchen Sie, die Spannung an einem der beiden Dehnungsmessstreifen umzukehren. Dies hat den Effekt, dass das Ausmaß der Spannungsänderung verdoppelt wird. Wenn sie gleich verdrahtet werden, wird an beiden Verstärkereingängen die gleiche Spannung erzeugt, die der Differenz Null entspricht.


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Können Sie dies etwas näher erläutern? Im Moment scheint dies eher ein Kommentar zu sein.
Kortuk

Die Sensoren enthalten zwei Dehnungsmessstreifen, einen unter Zug und einen unter Druck. Durch die parallele Verdrahtung beider Sensoren mit gleichen Lasten werden sowohl die invertierenden als auch die nichtinvertierenden Eingänge um den gleichen Betrag geändert, wodurch die erhöhte Last als Gleichtaktrauschen zurückgewiesen wird. Wie angegeben, misst die Schaltung die Lastunterschiede an den beiden Sensoren.
Dave X
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