¿Cómo conectar una celda de carga de 3 hilos / medidor de tensión y un amplificador?


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Tengo un sensor de carga de 3 cables que se ve así:

Sensor de carga de tres cables

Estoy tratando de conectarlo a mi Arduino para detectar cambios en el peso. Por lo que entiendo, los cambios en el voltaje son tan pequeños que el Arduino no puede detectar los cambios sin amplificar el voltaje. Así que compré un amplificador operacional LM741CN de 8 pines en Radio Shack que se ve algo así:

Amplificador operacional de 8 pines

Encontré este video que muestra cómo conectar todo. Sin embargo, no puedo entender el esquema y por qué están usando dos sensores de carga en lugar de solo uno. También mencionan resistencias, pero no estoy seguro de por qué las están usando (y por qué los tamaños que eligieron), o en qué lugar del circuito las colocarán.

¿Puede alguien ayudarme a descubrir cómo conectar esto para detectar cambios en el voltaje? Además, ¿hay alguna manera de hacer esto usando solo uno de estos sensores? Esto es lo que he hecho hasta ahora:

Diagrama del sensor de carga Arduino

El amplificador también tiene algunos pines que no entiendo: Offset null, NC. ¿Para qué son estos pines? ¿Debería estar usándolos?

Actualización: ahora estoy trabajando con un amplificador de instrumentación ( AD623 ). Ahora también tengo un sensor de carga de 4 cables con el que estoy jugando. Todavía no puedo hacer que funcione, pero pensé que trataría de entender eso antes de pasar al sensor de carga de 3 cables.


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Es casi seguro que su sensor sea un "medio puente" de dos medidores de tensión: forman las dos resistencias de la derecha en el primer diagrama de Steven, es decir, "R2" y "medidor de tensión" como los tiene etiquetados. Un cable será la parte superior de la conexión del puente, uno la parte inferior de la conexión del puente y uno será la conexión común entre los dos. La medición entre dos cables a la vez común para la parte superior y común para la parte inferior será la misma resistencia. Por ejemplo, nombre de cables TBC (arriba abajo común). T a C = R, B a C = R, T a B = 2R. Conecte el común al centro derecho del puente, conecte T y B a la parte superior e inferior.
Russell McMahon

Estoy de acuerdo, parece un medio puente, y el cableado en el diagrama se ve bien. Faltan solo las resistencias (y tal vez las tapas de derivación / compensación: en la pregunta sobre el amplificador de instrumentación descubrimos que oscilaba ...). Confirmar sin lugar a dudas el número de pieza (es decir, simple / doble) sería útil.
Oli Glaser

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Cambie rojo y verde por uno de los sensores de carga: desea que los dos medios puentes muevan las entradas en direcciones opuestas con cargas crecientes. No 20 kg en uno menos 20 kg en el otro sensor da una diferencia cero.
Dave X

Respuestas:


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El medidor de deformación es una resistencia variable, por lo que su primera idea es construir un divisor de resistencia con una segunda resistencia fija para detectar las variaciones como un cambio en el voltaje.
Desafortunadamente, los medidores de tensión son resistencias variables muy insensibles , cuya resistencia cambia muy poco cuando se les aplica peso. Un divisor de resistencia no es lo suficientemente sensible como para detectar los cambios. Entonces necesitamos otro enfoque.
Un puente de Wheatstone es la solución.

puente de Wheatstone

El medidor de deformación junto con R2 todavía forman un divisor de resistencia, entonces, ¿cómo es esto diferente? Supongamos que todas las resistencias tienen el mismo valor, igual a la resistencia del medidor de tensión en reposo. Entonces el voltaje a través del medidor de voltaje será cero en lugar de la mitad de la fuente de alimentación. Como nuestra lectura es de referencia cero, podemos amplificarla fácilmente para obtener una mayor sensibilidad para todo el circuito.
Oli mencionó el amplificador diferencial , pero esto no será suficiente. No queremos afectar la lectura poniéndole una carga, como lo haría el amplificador diferencial. Necesitamos un amplificador de instrumentación , que es un amplificador diferencial con una impedancia de entrada muy alta. Esta es la configuración de amplificador de instrumentación más utilizada,

ingrese la descripción de la imagen aquí

RG××

Ahora, ¿cómo conectamos el medidor de tensión, porque tiene tres cables, no los dos como en el esquema anterior? Una vez más, la hoja de datos no sirve de nada aquí, pero probablemente la conecte así:

ingrese la descripción de la imagen aquí

RWIRE1

WIRE1WIRE3

Conecta las conexiones del medidor de voltaje del puente Wheatstone a las entradas del amplificador de instrumentación.


imágenes de este sitio web


Gracias por tu respuesta. Aunque todavía estoy totalmente confundido. No entiendo cómo leer esos esquemas. ¿Qué significa la V con el círculo alrededor? ¿Las líneas en zig-zag significan resistencias? ¿Qué tamaños se supone que son? ¿Dónde está el amplificador en tu último esquema? ¿Cómo conectaría ese circuito al amplificador?
Andrew

@ Andrew - La V en el círculo es el símbolo de un voltímetro, aquí indica entre qué dos puntos medirás, por lo que esos puntos son las entradas para el amplificador de instrumentación. Las líneas en zig-zag son resistencias. R1 = R3, el valor exacto no es realmente importante, tome por ejemplo 10k. Su R2 es posiblemente parte del sensor, luego conecta los 3 cables a la parte superior, derecha e inferior del puente.
stevenvh

Creo que me perdí la parte sobre el "amplificador de instrumentación". No me di cuenta de que no era lo mismo que un amplificador operacional. Probablemente debería comenzar allí antes de tratar de perder el tiempo conectando algo que no funcionará. ¿Dónde puedo comprar algunos de ellos? ¿Y cuáles funcionarían mejor para mi aplicación?
Andrew

@ Andrew - Puedes comprar amplificadores integrados, como el INA128 , pero son caros. También puede construirlos usted mismo a partir de 3 amplificadores operacionales, pero no usaría 741 para ello. Un amplificador operacional cuádruple como el LF347 es una opción mucho mejor. A la venta en todas las tiendas de electrónica decentes. En línea en Digikey o Mouser, por ejemplo.
stevenvh

Ahora tengo un amplificador de instrumentación (AD623) para trabajar. Ahora también tengo un sensor de carga de 4 cables con el que estoy jugando. Todavía no puedo entender cómo conectarlo (específicamente, cómo configurar la ganancia en el amplificador), pero pensé que trataría de entender el de 4 hilos antes de pasar al sensor de carga de 3 hilos. ¿Podrías ayudarme a entender cómo conectar el sensor de carga al amplificador y configurar la ganancia?
Andrew

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No comentaré sobre el diseño del circuito, ya que parece estar recibiendo mucha atención, pero construí un proyecto en el que pirateé una báscula de baño para que estuviera habilitada para la red y tiene un servidor web para atender el peso actual, y yo tenga algunas ideas sobre cómo armar todo.

Antes de construir su amplificador, para tener una idea aproximada de cómo configurar la ganancia, primero construya el circuito de galgas extensométricas, enciéndalo y use un multímetro (que es mucho más sensible que los ADC de su Arduino) para medir la salida voltaje de su circuito de galgas extensométricas con la carga máxima esperada aplicada. Luego, cuando construya su circuito amplificador, puede seleccionar resistencias de ganancia que lleven la salida máxima del amplificador a 5V (la muestra de ADC de Arduino 0-5V), y obtendrá el mayor rango de su ADC.

La razón para hacer esto es que el rango y la resolución de los ADC son limitados y discretos, por lo que si desea medir 0-1000 libras, con la resolución de 10 bits de los ADC del AVR, en el mejor de los casos sería preciso dentro de un libra si la señal de salida de su amplificador va de 0-5V a medida que el peso aumenta de 0-1000 lbs. Si solo lo entiendes o adivinas con las resistencias de ganancia, o comienzas con puro ensayo y error y te aburres y no usas el rango completo, tirarás la precisión. Supongamos que improvisa un amplificador y solo emite 0-2.5V, luego tirará la mitad del rango y solo tendrá una precisión de 2 lb. para ese mismo rango de 1000 lb.

Depende del proyecto y de cuánto te importe. Cuando construí mi escala pirateada necesitaba un rango de 0-200 lb, pero no me preocupaba mucho la precisión. Básicamente, mi objetivo era determinar si un contenedor en la báscula estaba vacío o lleno, con tal vez una resolución muy baja más allá de eso como 1/8 lleno, 3/4 lleno, ese tipo de cosas. Acabo de construir el circuito amplificador diferencial de opamp simple más simple que pude encontrar con la primera opamp de bajo voltaje que tenía en mi bolsa de piezas, con la ganancia configurada para que sature el ADC a ~ 200 lbs. Incluso con esta construcción súper simple, es sorprendentemente precisa y lineal, ciertamente buena para la libra (es considerablemente mejor que eso, pero ni siquiera necesitaba lb. de precisión, así que cuando la calibré agregué peso en incrementos de 5 lb para construir mi tabla de datos de calibración).

Esquema agregado por solicitud: ingrese la descripción de la imagen aquí

Este es más o menos el esquema del circuito que construí, pero lo armé en una placa sin soldadura, así que espero que no haya demasiada ingeniería de campo en lo que realmente estoy trabajando. La parte eliminada era una resistencia adicional y un potenciómetro que se suponía que era capaz de sintonizar el circuito del medidor de tensión para que la salida fuera exactamente 0v sin carga, pero terminé con un voltaje positivo muy leve sin importar lo que hice, y no fue No es significativo, así que no me molesté en depurarlo. Sig + / Sig- son los cables de tensión conectados al circuito de amplificador. No construí mi circuito de galgas extensométricas, usé la escala, así que en realidad no me siento tan bien informado sobre los detalles de trabajar con galgas extensométricas, simplemente descubrí cómo usar lo que había allí. El mío tenía dos pares de medidores, y cada par tenía un cable V +, V- y señal.

Los valores de resistencia en mi circuito no necesariamente significan nada para ti, porque fueron elegidos para dar la ganancia que necesito. Elige el tuyo según tus necesidades.


¡El proyecto que describiste es exactamente el mismo que estoy tratando de construir! La única diferencia es que estoy midiendo los cambios en una cafetera de 5 libras . Tengo una báscula de baño (con cuatro sensores de carga de 3 cables) y ahora una báscula de cocina con un sensor de 4 cables. Simplemente no puedo entender cómo conectar este amplificador. ¿Podría proporcionar un diagrama de cableado (fácil de seguir)?
Andrew

Usted mencionó que podía sobrevivir con un solo amplificador operacional. Estoy muy interesado en escuchar cómo conectaste esto. Los "In-Amps" parecen ser demasiado caros para mí para este proyecto.
Andrew

Ok, creo que lo entiendo. ¿Tienes cuatro resistencias y un amplificador operacional? Mencionó que eligió las resistencias en función de la ganancia que necesitaba. ¿Cómo ajustaría los valores (cuáles cambiaría) si quisiera que la ganancia fuera mayor / menor?
Andrew

El artículo de Wikipedia sobre amplificadores diferenciales tiene las ecuaciones para calcular la ganancia. Usé el caso simplificado donde R1 = R2 y Rf = Rg, por lo que en mi caso 100K / 4K = ganancia de 25.
Suboptimus

¡Increíble! ¡Gracias! ¡Eso tiene mucho más sentido!
Andrew

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Nota: dejé la parte inferior como otra opción, ya que no noté la diferencia del paquete de inmediato ... edite todavía no estoy seguro de cuántos opamps hay disponibles.

Es posible que desee leer sobre la teoría (básica) de opamp (en la que no he entrado, ya que se explica mejor de lo que puedo en muchos lugares , y puede / llena libros) antes de intentar algo de esto, ya que es muy fácil para las cosas van mal (incluso cuando supuestamente sabes lo que estás haciendo) No son como algunos circuitos integrados que "simplemente funcionan", y son la fuente frecuente de mucha frustración para el nuevo usuario de ellos.

La parte a la que se vincula es una opamp dual (dos opamps en un paquete) sin pines nulos o NC ofensivos (consulte a continuación para obtener una explicación de estos) Aquí está el pinout de la hoja de datos:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Todavía puede hacer la opción de amplificador único a continuación, pero dado que tiene dos opamps, la versión de dos opamps en la página 4 de la nota de la aplicación TI es una mejor opción (funciona un poco mejor ya que no afecta tanto la señal de entrada) La resistencia los valores se pueden resolver con la ecuación, apunte a una ganancia (la parte Vo de la ecuación) de> 100. Tenga en cuenta que Steven entra en más detalles sobre la desventaja de esta opción, y dice que no será "suficiente". No estoy del todo de acuerdo: está lejos de ser ideal, pero se puede hacer que funcione si ajusta la ganancia para compensar la carga, como se explica en la nota de la aplicación TI vinculada anteriormente. Sin embargo, el resultado será ligeramente no lineal ya que la impedancia cambia con el voltaje de entrada en la entrada inversora. Entonces, si tiene más de un opamp, el amplificador de instrumentación es el camino a seguir.

Opción opamp individual

Necesita hacer un amplificador diferencial, como este:

Ejemplo de opamp diferencial de Wiki

Para su aplicación, algo como los valores en la página 3 de esta nota de aplicación sería apropiado. Es preferible usar algo llamado amplificador de instrumentación para esto, que usa 3 amplificadores operacionales, pero puede hacer que funcione bien con uno. Las resistencias establecen la ganancia del opamp.

El NC significa "No conectar", así que no te preocupes por ese pin. El desplazamiento nulo se usa para recortar el desplazamiento muy pequeño (generalmente un mV más o menos) entre las dos entradas (idealmente no tendría desplazamiento)

Nota: una pregunta muy similar se hizo aquí hace unos días. El autor de la pregunta estaba usando un amplificador de instrumentación de 3 opamp, pero aún así debería ser informativo.


Lo sentimos, el enlace al amplificador no es el amplificador real con el que estoy trabajando. Tengo el mío de Radio Shack.
Andrew

@ Andrew - esto hace una gran diferencia. Necesitamos conocer el número de pieza para poder asesorar con precisión, ya que hay muchas variedades de opamps con muchos pinouts diferentes (por ejemplo, 1,2,3,4 opamps por paquete, pines offset presentes / no presentes, el pin 3 podría ser Vout por una parte y + Vin por otra) Algunos no serán particularmente adecuados para esta aplicación. ¿Cuál es el código exacto impreso en su opamp?
Oli Glaser

@ Andrew - Si usted quiere construir el amplificador de instrumentación de dos amplificador operacional de la appnote Oli se refiere a, nota que la amplificación dada en el appnote está mal. Ecuación corregida aquí
stevenvh

@Stephen - bien visto, de hecho. Se basa en que R1 = 2 = 3 = 4 es igual, pero en la nota se da como R1 = R2 y R3 = R4. Sin embargo, incluir el término R3 permite esto.
Oli Glaser

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LM741! Ugh Si todavía lo tiene en el paquete, lo devolveré; Los 741 son como el Modelo T de amplificadores operacionales: tienen más de 40 años y se les debe solicitar que coloquen una advertencia en el embalaje.
Jason S

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Intente invertir el voltaje en uno de los dos medidores de tensión. Esto tiene el efecto de duplicar la cantidad de cambio de voltaje. Cablearlos de la misma manera genera ~ el mismo voltaje en ambas entradas de amplificador, lo que equivale a cero diferencial.


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¿Puedes explicar un poco más sobre esto? En este momento, esto parece más un comentario.
Kortuk

Los sensores contienen dos medidores de tensión, uno en tensión y otro en compresión. El cableado de ambos sensores en paralelo, con cargas iguales, cambiará las entradas inversoras y no inversoras en la misma cantidad, rechazando el aumento de carga como ruido de modo común. Según lo especificado, el circuito medirá las diferencias en las cargas en los dos sensores.
Dave X
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