Détecteur tensiométrique de porte ouverte. Il détecte non seulement la condition, mais aussi l’angle – Živěcz

Le monde est plein jauges de contrainte universelles. Vous pouvez les trouver dans une balance personnelle qui mesure vos kilos en trop, dans une balance de cuisine qui, d’autre part, mesure tout ce qui provoque un excès de poids, mais aussi sous forme miniature à microscopique dans des manomètres, des périphériques de jeu ou peut-être dans des capteurs pour les défauts structurels et le stress.

Une jauge de contrainte électrique moderne est – comment écrit Wikipédia tchèque – un composant électrique passif utilisé comme capteur de contrainte mécanique sur la surface en mesurant sa déformation.

Ugh, c’est une définition assez compliquée, alors simplifions-la un peu et disons simplement que la plupart des jauges de contrainte électriques simples ont une conception de conducteur sans poussière collé en colle souplequi le maintient ensemble.

Vidéo : Découvrez ce que nous construisons aujourd’hui

Le conducteur se présente généralement sous la forme d’une fibre métallique très fine torsadée en serpent (diamètre d’environ 0,01 mm) ou en feuille, qui doit être électriquement stable autant que possible en phase de repos.

Il doit avoir la même résistance électrique aussi bien en janvier qu’en plein été chaud. C’est pourquoi il est réalisé, par exemple, à partir d’un alliage de cuivre et de nickel, qui présente une résistance électrique spécifique stable (résistif) dans un large spectre de température, c’est pourquoi nous l’appelons constant.

Résistance d’une jauge de contrainte métallique

Maintenant pour le plaisir. Si nous commençons à plier notre serpent métallique dans le sens de son enroulement, les fils piégés dans la colle s’étireront légèrement, et après le redressement, la colle les ramènera à leur position de départ. L’enroulement en forme de serpentin multipliera encore cet allongement, car l’allongement total sera la somme des allongements de tous les sous-segments.

Jauge de contrainte primitive et modification de la longueur de sa circonférence pour plier la surface jaune vers l’observateur (raccourcissement) et à l’opposé de l’observateur (allongement)

Et que nous dit l’une des leçons de physique de base ? Résistance électrique d’un conducteur R est directement proportionnel à la longueur du conducteur jeinversement proportionnel à la section du conducteur S et dépend de sa résistivité électrique r.

Depuis que nous avons fabriqué le fil de constantan, r est (sans surprise) une constante, cependant S est réduite en étirant le serpent et je augmente. En résumé, si on mesure la résistance électrique dans le circuit avec le serpent, elle va changer par rapport à la valeur au repos lors de la déformation.

Calcul de la résistance d’une jauge de contrainte idéale

Zéro changement et gros virages

Combien? Cela dépend du degré de flexion mécanique. Si nous collons la jauge de contrainte au pied de la balance personnelle afin qu’elle absorbe le plus parfaitement possible la déformation causée par sa charge, et que nous nous tenons debout sur la balance, elle ne se plie que légèrement, et donc nous avons besoin un circuit amplificateur de signal intégré et un convertisseur A/N très sensible. Une puce bon marché, par exemple, est très appréciée des bricoleurs HX711 avec de nombreuses bibliothèques pour Arduino et d’autres kits.

Module de prototypage avec amplificateur et convertisseur A/N HX711

Un changement de résistance encore plus petit est obtenu si une jauge de contrainte similaire dans une construction MEMS microscopique (Mmicro Eélectro Mmécanique Ssystème) est placé, par exemple, dans un manomètre numérique de gaz et de liquide, où il est à son tour déformé par la masse pressante d’air et de liquide.

À l’opposé du spectre se trouvent de grandes jauges de contrainte qui mesurent la stabilité des structures de pont, les déformations matérielles des machines et des jauges de contrainte qui, avec un peu d’effort, peuvent être utilisées pour fabriquer un gant et contrôler un ordinateur avec un simple mouvement de les doigts.

Capteur flexible de cinq centimètres

L’un d’eux est arrivé à notre bureau il y a quelques semaines, nous allons donc l’essayer aujourd’hui. Il appartient à la catégorie des soi-disant capteurs flexibles et l’usine le produit Symbole des spectres de l’Utah, aux États-Unis. Malheureusement, le prix est également américain, même dans les magasins tchèques. Le LaskaKit domestique a plusieurs pièces à gagner 498 couronnes.

Pour cette batte, vous obtenez une version plus courte de la bande avec longueur de déformation active de 55 millimètres un environ 7 mm de large et avec une vie plus d’un million de virages. Cependant, il existe également une version 95 mm disponible dans le magasin américain. L’épaisseur est la même dans les deux cas, et si ma diapositive numérique en métal ne ment pas, elle sera à peu près 0,5mm.

Flex Sensor od Spectra Symbole

Contrairement à notre serpent du début de l’article, il utilise des segments de déformation planaires, mais le principe de base reste le même. Si nous nivelons la bande, nous mesurons la résistance électrique autour entre ses bornes métalliques 25 000Oh.

Mais lorsque nous commençons à plier la bande dans la direction principale (le côté avec les plats vers le haut), la circonférence devient légèrement plus longue en raison de la déformation, et avec un multimètre, nous devrions mesurer plusieurs fois la résistance lorsqu’elle est complètement pliée de 180°.

Déviation positive, pour laquelle la jauge de contrainte est optimisée (surfaces au-dessus) et déviation négative, qui ne se manifeste plus par une variation linéaire de la résistance, mais reste mesurable

Le fabricant calcule lui-même l’écart dans la documentation Jusqu’à 30%donc pour une mesure précise, il est nécessaire de travailler avec une forme d’étalonnage initial au moins de base, où nous mesurons d’abord la phase de repos, puis celle en flexion complète et fixons les valeurs limites.

Nous ne pouvons pas simplement connecter la jauge de contrainte à l’Arduino

Bon, assez de sauce théorique et essayons tout cela en pratique sur certaines des nombreuses cartes de prototypage. Le seul une entrée analogique est requise. Étant donné que notre dernier exemple nécessitera le Wi-Fi, je choisirai un kit de développement pour le reste de l’article. ESP32-S3-DevKitC-1mais cela pourrait être vraiment n’importe quoi.

Brochage du bureau ESP32-S3-DevKitC-1

Étant donné que la jauge de contrainte métallique n’est essentiellement qu’un long fil, nous ne pouvons pas simplement le connecter d’un côté à source de tension 3V sur la carte avec la puce ESP32 et de l’autre côté, par exemple, dans une broche GPIO4qui dans le cas de la puce ESP3-S3 offre l’une des nombreuses entrées analogiques.

Nous avons besoin d’un diviseur de tension

Le convertisseur analogique-numérique sur la puce ESP32 elle-même ne mesure pas la résistance électrique changeante causée par la déformation de la jauge de contrainte, mais uniquement la tension électrique entre la broche GPIO4 et la masse système de la carte GND dans la plage 0V à 3.3V (respectivement la tension de fonctionnement actuelle). Et puisque c’est un convertisseur 12 bitsconvertit la tension en un nombre entier dans la plage 0 à 4095.

Schéma d’un diviseur de tension, qui exprimera le changement de résistance dans le circuit sous la forme d’un changement de tension

Il faut en quelque sorte transformer la tension électrique dans le circuit avec la jauge de contrainte précisément en fonction de sa résistance changeante. Un circuit des premiers chapitres de tous les manuels pour les jeunes ingénieurs électriciens nous aidera à : diviseur de tension.

Nous avons travaillé avec lui plusieurs fois auparavant, donc juste un petit récapitulatif. Lorsque nous connectons deux résistances en série, selon Loi d’Ohm il est vrai que la somme de leurs tensions sera égale à la tension de tout le circuit et en même temps un multiple de leur résistance électrique et du courant circulant. Il s’ensuit que la tension entre le point au milieu des résistances et la masse du système peut être obtenue en calculant :

Calcul de la tension au nœud U₂

Donc, si nous connectons une source de tension au circuit 3.3V (U) et deux résistances dont la première sera une jauge de contrainte avec une plage de résistance en fonction de la déformation environ 25kΩ à 50kΩ (R1) et l’autre, par exemple, une résistance à résistance fixe 20kΩ (R2)la tension entre la masse du système et le point entre ces résistances (U2) changera de manière analogue en fonction de la déformation de la jauge de contrainte et de l’échantillon ci-dessus, et nous obtiendrons finalement un nombre numérique dans la plage de 0 à 4095, qui sera corrélé avec la contrainte mécanique de la bande de l’Utah, USA.

Schéma de câblage de l’expérience d’aujourd’hui

Au fait, essayez tout le calcul avec des ohms et deux résistances, par exemple v ce calculateur web.

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