Измерение функции веса/давления тензомостом, ИУ и АЦП

[mr-marlen]

Есть задача измерить функцию давления, используя тензомост вроде этого:
https://ru.aliexpress.com/item/Digit...608.0.0.CtdG2W

Основные параметры

[свернуть]

При питании 5В на выходе при нагрузке 20 кг будет 5 мВ. Понятно, что было бы неплохо усилить входной сигнал инструментальным усилителем.
Изначально взял HX711 дабы проверить работоспособность в принципе. Собрал на Ардуино, проверил - работает, но очень малое кол-во отсчетов и большая задержка совсем не устраивает, т.е. пригодно тупо для весов.
Погуглил решения на специализированных чипах для снятия постоянного напряжения и чего-то мне показалось долгим освоение программного кода, экспорт данных и т.д.
Решено было пойти знакомым путем, а именно собрать простенький аудио АЦП с возможностью измерения постоянного напряжения и записывать сигнал обычным аудио редактором.
Выбор пал на микросхему АЦП PCM1802 по двум причинам - относительно недорого, деталей минимум, делается на коленке. По характеристикам вполне неплохо. Сделал под ЛУТ платку (схема в приложении из ДШ, но без разделительных емкостей на входах), подцепил к http://www.ebay.com/itm/WM8805-I2S-t...QAAOSwJkJWjJIs

Работает.

Для усиления сигнала с датчика прикупил плату с INA333: http://www.ebay.com/itm/1PCS-INA333-...MAAOSwLnBX3ffA
Схема платки на картинке и в pdf во вложении.

И вот уже третий день пытаюсь понять как лучше соединить между собой тензомост, инструментальный усилитель и АЦП. Возможно заклинило что-то, а может и нет, но быстро сообразить не выходит.

Попробую объяснить задачу, а затем распишу действия, может есть что-то попроще или что-то упустил.
Необходимо измерить создаваемое усилие на противоположной поверхности стекла при ударе с другой стороны. Показания напряжения датчика снимаются по эталонному весу 2 кг. После собирается бутерброд из ударника, стекла и тензомоста. Затем вручную между мостом и стеклом создается усилие около 2 кг. После ударник (пьезопривод) бьет по стеклу с противоположной стороны (функцией ступеньки), АЦП записывает показания. Потом это переводится в реальные числа. При необходимости исходный сигнал в цифровом виде правится FIR фильтром, чтобы воздействие было максимальным с противоположной стороны стекла.

Для реализации:
1) Первый вариант, который приходит в голову - сделать отдельное двухполярное питание на 2 батарейках +-1.2В для инструментального усилителя и пустить на вход АЦП. В этом случае используется половина шкалы АЦП - 12 бит. Из них реальных будет около 8. Сигнал с тензомоста при нагрузке 20 кг и питании 5В, будет 0,005 В, с Ку=300 после INA333 - 1,5В (для начала полоса больше 1 кГц не нужна, если что потом запихну усилитель на ОУ перед АЦП). По прикидкам первое реальное значение шкалы АЦП на половине плеча будет около 5 мВ, что даст шаг в 0,2 кг, чего в принципе для тестового замера будет достаточно.
2) Добавить отрицательное смещение после INA333, чтобы сместить 0 шкалы АЦП в отрицательную область, но как понимаю для реализации этого придется сделать еще один источник напряжения на стабилизаторе. В этом случае минимальное измеряемое значение в лучшем случае уменьшится дважды и составит 0,1 кг.
3) Будет ли работоспособным вариант если использовать однополярное питание на все устройства? Питаем INA333 5В от стаба АЦП, убираем с платы INA333 резисторы R4, R5, которые служат для подтяжки к середине питания выхода Vref и заводим данный выход на pin Vref1 АЦП, что является серединой шкалы АЦП и составляет примерно 2,5В. Питание моста подключаем через дополнительный резистор 500 Ом.
4) Буду рад любому совету, ссылке на литературу, указания на ошибки.

Для удобства положил все схемы и ДШ в приложения.

[shura1959]

---------- Сообщение добавлено 18:58 ---------- Предыдущее сообщение было 18:51 ----------

Если я всё правильно понял: тензомост выдаёт симметричный сигнал, как раз годный для АЦП. Можно подцепить прямо на +-входы АЦП, без инструментального усилителя. Шум РСМ1802- примерно 2-3 мкв, 5мВ/2мкВ=2500, достаточно 12 разрядов, у 24-х разрядного АЦП реально будет 16...18 разрядов. Если для Вашей задачи достаточно (и я не ошибся), то, вроде, всё неплохо, на вскидку.

[aal]

Я начал читать задачу и удивился: на семинаре аналоговых девиц нам говорили, что аудио DS ацп/цап не годны в измерительные цепи, т.к. не могут выдавать/измерить сигнал на постоянке. Спецом открыл даташит из первого поста:

The PCM1802 uses a delta-sigma modulator with 64-times or 128‑times oversampling, and includes a digital decimation filter and high-pass filter (HPF), which removes the DC component of the input signal.

И как вы собрались измерять что-то явно работающие практически на постоянке? Идея не годна в принципе.

Лет 10..15 назад уже стали во всю появлятся аналоговые фронтенд-ы: согласование с мостом, управляемый усилитель сигнала, АЦП в одном корпусе специально для работы в измерительных системах. Взять готовое и не парится. ИМХО. Причём я 11 лет назад для термометра какой-то такой фронтенд от аналога брал и даже сделал измеритель - очень урасиво получилось как по деньгам, так и по параметрам - всяко дешевле и компактней всего этого по отдельности. Я уверен, что есть фронтеды для тензомостов - надо только поискать. Сам я ими не занимался, но коллега намучился не мало. Если память не изменяет, то тензомосты не любят удары - давление должно нарастать относительно медленно....

[shura1959]

то aal, да действительно "...с удалением постоянной составляющей...".
к ТС: может ещё обратиться к стандартным решениям https://icp-das.ru/catalog/ , я на работе использую 7000-ю серию. Там правда частота измерений до 60 раз/сек. Все приборы не помню, лет 6 назад смотрел, вроде есть и быстродействующие. Вам ведь ещё и результаты надо обрабатывать, в стандартных приборах уже есть вывод в числовом виде.

[mr-marlen]

Если я всё правильно понял: тензомост выдаёт симметричный сигнал, как раз годный для АЦП. Можно подцепить прямо на +-входы АЦП, без инструментального усилителя. Шум РСМ1802- примерно 2-3 мкв, 5мВ/2мкВ=2500, достаточно 12 разрядов, у 24-х разрядного АЦП реально будет 16...18 разрядов. Если для Вашей задачи достаточно (и я не ошибся), то, вроде, всё неплохо, на вскидку.

Чуть позже попробую сразу подцепить. Но dif входов у ЦАП нет. Он single ended.

Я начал читать задачу и удивился: на семинаре аналоговых девиц нам говорили, что аудио DS ацп/цап не годны в измерительные цепи, т.к. не могут выдавать/измерить сигнал на постоянке.

Тут как посмотреть. Да, измерить точно они не смогут, но мне постоянка нужна только для того, чтобы привязать реальные кг к шкале, а дальше как раз переменка.

И как вы собрались измерять что-то явно работающие практически на постоянке? Идея не годна в принципе.

А что с этим:

The built-in function for DC component rejection can be bypassed using the BYPAS control. In bypass mode, the DC components of the analog input signal, such as the internal DC offset, are converted and included in the digital output data. Table 4. HPF Bypass Control BYPAS HPF (HIGH-PASS FILTER) MODE LOW Normal (no DC component on DOUT) mode HIGH Bypass (DC component on DOUT) mode

Судя по картинке Figure 12 где-то с 1Гц при 88,2кГц точно будет измерять. Более того Джулия измеряет по -9дБ с 1Гц. Можно было и ей обойтись, но как-то неудобно все коммутировать.
Думается мне что АЦП за 88200 отсчетов в секунду спокойно снимет показания постоянки, чего будет достаточно для калибровки.
Смотрю спектр без замкнутых входов - небольшая постоянка присутствует. Подключаю батарейку + ко входу, 0 к земле - шкала смещается где-то на -80%, что как раз и есть -1,2В, учитывая что полная шкала -1,5В. Подключаю батарейку + к земле, 0 к входу шкала смещается на 0, на обоих выходах сигналов нет.

Как заставить работать верхнее плечо применительно PCM1802 в режиме DC?

И как вы собрались измерять что-то явно работающие практически на постоянке? Идея не годна в принципе.

При изгибе мост меняет напряжение, соответственно измерять я собираюсь переменку. По постоянке нужно задать исходное давление между тензо-заготовкой-ударником и определить реальную шкалу в кг. Потом установка будет использоваться с Arduino, где болтиком будет тупо выставляться исходное давление между заготовкой в 2 кг или другое число в зависимости от реальных показаний.

Лет 10..15 назад уже стали во всю появлятся аналоговые фронтенд-ы: согласование с мостом, управляемый усилитель сигнала, АЦП в одном корпусе специально для работы в измерительных системах. Взять готовое и не парится.

Не нашел дешевого с 5000 сэмплов в секунду и хорошим разрешением, плюс надо копать кучу бумаг по SPI, коду и т.д.
Если бы для работы - без вопросов, а это для университета как доп., который надо хоть как то и чем-то завершить, ну хоть что-то делал, а не купил готовое . Тем более с вероятностью 95% оно в таком виде никому не нужно, а с огородом и цифрами будет хоть что показать.

Если память не изменяет, то тензомосты не любят удары - давление должно нарастать относительно медленно....

Удар будет если ударник изначально отвести в противоположную сторону (приложить отрицательное напряжение), но задача ставится как раз задать контакт между ударником стеклом и измерить численно какое давление на противоположной стороне создаст привод при подачи ступеньки. Может он вообще окажется не годным для этого. Т.е. функция давления между тензомостом и заготовкой во время нарастания сигнала не должна уходить ниже исходного давления.

[aal]

А что с этим:

До этого я не стал дочитывать - не помню чтоб лпф отключаемым был у кого-то.

[frezer]

mr-marlen а быстродействия тензодатчика хватает?

Offтопик:
Я просто специалист по созданию автоматическим приборам для измерения напряжений в стеклах, поэтому и интересуюсь?

[mr-marlen]

Да даже у старичка pcm1804 он тоже отключаемый. Если что, то можно его будет попробовать с прямым подключением моста, но мне кажется инструментальный усилитель на ina333+менее качественный ацп будет получше.

[frezer]

Я для мостовых схем AD7731 использовал.
Возможно для вашего случая и инструментальный усилитель не понадобится.
Только опять заострю Ваше внимание на необходимом быстродействии! Вы оценивали временные параметры импульса ударного механизма. Достаточно ли быстродействия тензодатчиков?
Ну и по физике вопроса. Изменения механических напряжений на противоположной стороне стекла от точки удара может сильно отличаться от напряжений в точке удара. Статическая калибровка грузом не сильно поможет.
Если стекло хорошо отожжённое, т.е. без внутренних напряжений то ещё ничего, а если закалённое тогда результат будет сильно искажён, т.к. будет происходить перераспределение механических напряжений не только по толщине стекла, но и в других направлениях.

[Openreel]

Есть задача измерить функцию давления, используя тензомост вроде этого:
https://ru.aliexpress.com/item/Digit...608.0.0.CtdG2W

Выходное сопротивление 1кОм (у приличных в 2-3 раза меньше) чуйка 1мВ/В (у приличных минимум в 2 раза выше)
Надо посчитать шум в заданной полосе, возможно требуемой точности сам датчик не обеспечит уже просто по шумам.
Тензодатчики для быстрых измерений стоят хороших денег не просто так(и на али их вообще не бывает), там механика особая.
Возможно придется покупать отдельно резистивную матрицу(у Вишая есть и матрицы и клеи) и клеить на стекло, или чего там надо измерять.

Зы, в задаче не описано главное - быстродействие и точность, а от этого очень сильно зависит(и получить настоящих 16 бит и всего 10..20 Гц - задача далеко не уровня ардуин, даже при правильной схемотехнике, просто не очень фанатичной разводкой от этих 16 бит моментально остается 11..12 в лучшем случае). Готовых недорогих решений(электроники) для быстрой тензометрии в природе нет - слишком особая статья.
Можно в архивах решений Тектроникса посмотреть, у них был тензометрический плагин к ламповому мейнфремовому скопу, причем сигнал на экране был уже калиброван в силовых единицах.
А для полупроводниковых мейнфреймов я таких модулей у них не припомню.
99% датчик придется питать переменкой, поскольку на НЧ фликер и ползучесть и полупроводники (легко доступные) тоже плывут конкретнейше.

[Александр Котов]

Если ударить по тензодатчику - то он разрушится. Там кристалл- сапфир.

Вообще эта задачка по механике решается авторучкой на листочке в клеточку. Тут всё известно, просто посчитать.

[frezer]

Если ударить по тензодатчику - то он разрушится. Там кристалл- сапфир.

Вообще эта задачка по механике решается авторучкой на листочке в клеточку. Тут всё известно, просто посчитать.

Нет, если нужно радоваться характеристики конкретных стекол.

[shura1959]

Надо посчитать шум в заданной полосе, возможно требуемой точности сам датчик не обеспечит уже просто по шумам.

Ежели имеется ввиду тепловой, то (по моим подсчётам, если не ошибся) 1 кОм в полосе 1кГц шумит на 0,05мкВ, вроде не густо .

99% датчик придется питать переменкой, поскольку на НЧ фликер и ползучесть и полупроводники (легко доступные) тоже плывут конкретнейше.

А может просто калибровать ноль?

[mr-marlen]

mr-marlen а быстродействия тензодатчика хватает?

А что за такой параметр? Мне казалось, что есть погрешность выдаваемых значений, а за быстродействие отвечает АЦП.

Вы оценивали временные параметры импульса ударного механизма. Достаточно ли быстродействия тензодатчиков?

Ударный механизм - пьезопривод ППУ-1 http://xn--80aajzhcnfck0a.xn--p1ai/P...ts/0715453.pdf
Если смотреть по отдельным контактам обратной связи на приводе, то при ударе получается как на картинке.

Скрытый текст

[свернуть]

Я уже подумывал, что возможно будет лучше использовать пьезодиск прижатый по контуру к стеклу с противоположной стороны, но в этом случае не будет привязки к числам.

Ну и по физике вопроса. Изменения механических напряжений на противоположной стороне стекла от точки удара может сильно отличаться от напряжений в точке удара.

Согласен. На противоположной стороне стекла наносится микротрещина. Ударник создает сферическую волну, которая отражаясь от противоположного края углубляет трещину.

Скрытый текст

[свернуть]

В отличии от рисунка у меня не ударник, а пьезопривод и может он вообще не подходит для данной задачи.
Задача численно оценить максимальное создаваемое усилие на противоположной стороне, т.е. в точке нанесенной микротрещины, затем оценить какое усилие необходимо при доколе стекла с трещиной. Микротрещина в моем случае наносится методом лазерного управляемого термораскалывания.
Исходно устройство выглядит как в патенте http://patents.su/3-789444-ustrojjst...ki-stekla.html, но чисел нет.

Статическая калибровка грузом не сильно поможет.

Может есть какие то простые способы привязки шкалы пьезодиска к реальным нагрузкам?

[mr-marlen]

Всем спасибо за помощь, разобрался .
Даже успел сделать тестовых замеров. Усиление на инструментальном усилителе для 20 кг датчика пришлось поставить 500. Установка с такой силой точно не будет бить.
Записал сигнал с ударами отверткой по датчику, плавным изменением рукой давления вниз вверх, поставил груз 2 кг и ударил по грузу. Все видит и пишет. Максимальный пик удара был 4,3 кг*сила (около 42 Н).
Перевел ступеньку в импульсную - получил АЧХ датчика при ударе по нему отверткой (отвертка вертикально). Ограничение в данном случае скорее всего вызывает инструментальный усилитель, из-за высокого Ку срезается полоса. Ничего, попробую при измерениях на установке заменить датчик на 5кг, может и его хватит.

[Openreel]

Обычно тензодатчики используют для точности лучше 1%. А тут неравномерность АЧХ аж 20 с лишним дБ, причем только в звуковом диапазоне!

Ограничение в данном случае скорее всего вызывает инструментальный усилитель, из-за высокого Ку срезается полоса.

Можно поставить SSM2019, на звуковой диапазон хватит.
Конская неравномерность - физика датчика, есть у него и масса и гибкость и резонансы. То, к чему датчик прицеплен, тоже имеет и массу и гибкость.
Мне на работе приходится разрабатывать разные весоизмерительные системы с быстрым(для весов) отлкиком. В моей практике физика датчика мало влияет относительно физики его окружения, и там приходится мозг применять, чтобы паразитные колебания загнать в спектр выше нескольких герц, при этом не потеряв точности.

Надо прицепить датчик к нормальному не звуковому АЦП, да хоть 8 бит ардуиновых, уронить на датчик гирьку(ступенька) и посмотреть лог включая постоянку и переходный процесс и устоявшийся вес. Тогда уже делать выводы.

Если ударить по тензодатчику - то он разрушится. Там кристалл- сапфир.

нет там никаких сапфиров. Даже в датчиках на базе кварца(не тензорерзисторный принцип) нет никаких сапфиров.
Разрешенные пределы воздействий на датчик заложены в даташите, если ударить в этих приделах, то вообще ничего плохого не произойдет.

[mr-marlen]

Обычно тензодатчики используют для точности лучше 1%. А тут неравномерность АЧХ аж 20 с лишним дБ, причем только в звуковом диапазоне!

Ну так я же отверткой бил острой, а не гирю кидал... Собственно это с вероятностью 80% АЧХ удара, а не датчика.

В моей практике физика датчика мало влияет относительно физики его окружения, и там приходится мозг применять, чтобы паразитные колебания загнать в спектр выше нескольких герц, при этом не потеряв точности.

Согласен. В моём случае была струбцина, которую я придерживал рукой, чтобы сильно не звенела когда бью отверткой.
Когда гирю ставил - видно плавное изменение, но на датчике нет блюдца или подобного, поэтому я не могу её кинуть - она упдает . Не думаю, что там сильные отличия от ДШ.

Надо прицепить датчик к нормальному не звуковому АЦП, да хоть 8 бит ардуиновых, уронить на датчик гирьку(ступенька) и посмотреть лог включая постоянку и переходный процесс и устоявшийся вес. Тогда уже делать выводы.

Есть где готовый проект, код?
В том то и дело, что для аудио у меня есть звукозапись - нажал и готово, а здесь надо будет написать код, понять что куда цеплять, записать данные, вытащить лог, вытащить данные.
По PCM1802 есть в ДШ:

Я правильно понимаю, что ошибка показаний DC по всей шкале не более 6%?

[aal]

неравномерность АЧХ аж

А это причём? К точности это не имеет никакого отношения: та точность на 0Гц вообще-то

Мне на работе приходится разрабатывать разные весоизмерительные системы с быстрым(для весов) отлкиком.

Хммм... Может я не прав - так поясните....

Ну так я же отверткой бил острой, а не гирю кидал... Собственно это с вероятностью 80% АЧХ удара, а не датчика.

Всей системы.

[Openreel]

Может я не прав - так поясните....

"обычные" весы измеряют вес сравнительно долго, к примеру пару секунд. Мне надо быстрей, к примеру 0.3 секунды, да еще и в условиях нестабильности.

Есть где готовый проект, код?

Имхо только самому писать. Импульсная тензометрия - это совершенно отдельный мир, мало кому интересный, ничего готового за малую денежку для него вроде нет.

но на датчике нет блюдца или подобного, поэтому я не могу её кинуть - она упдает

У меня на столе годами живет 15кг датчик для опытов, несколько кило на него положить никакой проблемы.
кидать в него гирю не надо, надо аккуратно уронить ее с высоты 1-2мм.

Не думаю, что там сильные отличия от ДШ.

В ДШ на тензобалку нет ни слова о переходном процессе. Надо таки по постоянке измерять или короткие импульсы? и с какой точностью?

[Ka4aN]

кидать в него гирю не надо, надо аккуратно уронить ее с высоты 1-2мм.

У мну большие сомнения, что это воздействие можно назвать ступенькой. КМК, если стоит вопрос действительно точного определения реакции на ступеньку/импульс, то надо придумать способ такого воздействия, которое действительно будет похоже на прототип, и не будет(почти) добавлять массы к "измеряемому" концу датчика, кроме того, стабильный конец надо фиксировать на 1.5 тонной чугуниевой станине(юморю )

А вообще, подобная физика довольно сложна, слой стекла в контакте с датчиком тоже обладает массой, датчик упругостью - получаем колебательную систему.