Тензодатчик(Выбор АЦП)

[Alex9797]

Датчик без нагрузки уже имеет некоторое выходное напряжение - напряжение разбаланса моста. Вызвано оно тем, что резисторы, входящие в мост, имеют погрешность (не строго одинаковы)

Эти неодинаковости должны выравниваться компенсирующими резисторами. Если это не сделано - то эта железяка не имеет права называться тензодатчиком.

Причем, это напряжение может быть и на порядок больше номинального выходного.

Это возможно только в самой начальной стадии изготовления датчика, когда компенсационные резисторы не активированы. А запускать в продажу или в работу такой датчик - недопустимо. Ну, разве что этот датчик изготовлен для своих внутренних нужд. А для продажи - никакая метрология его не пропустит.

Датчик должен быть не только сбалансирован, чтобы на диагонали был ноль. У него доводится до кондиции еще и входное и выходное сопротивление.
Реально в мосту не четыре тензорезистора, а намного больше. И для балансировки, и для термокомпенсации, и для доводки входного и выходного сопротивления.

Датчик без нагрузки уже имеет некоторое выходное напряжение - напряжение разбаланса моста.

Дело в том, что этот датчик может оказаться идеально сбалансированным. Но при проведении измерения он находился в нерабочем положении - он лежал на боку. А калибровался датчик в вертикальном положении. И если он на самом деле на растяжение - то должен был висеть на подвеске. Если на сжатие - то стоять на подставке, причем не любой, а определенной формы, чтобы правильно распределялась нагрузка на упругий элемент.

При этом на баланс тензомоста оказывает влияние его собственный вес. То есть, в положении лежа он однозначно будет разбалансирован.
Кроме того, надо учитывать, что измерение производилось китайским мультиметром, который измерил не микровольты на диагонали моста, а наводки на сигнальный щуп, которые навелись на болванку датчика.

[Alex9797]

Вроде понятно, но не доконца. Как определить какой гейн ставить?

Смотрите. С одной стороны - сигнал с диагонали тензомоста. Его величина - порядка единиц милливольт. Более точное значение будет зависеть от напряжения питания моста. Если у себя в гараже вы действительно найдете способ нагрузить датчик нагрузкой, близкой к номинальным полутора тоннам, то сможете определить довольно точно максимальный сигнал на выходе датчика. Ну, для определенности предположим, что он оказался равен 10мВ. Это при номинальной нагрузке. Но бывают еще перегрузки, которые тоже интересно измерить. Поэтому прибавим к этой величине еще столько же. Получим 20мВ - это будет вся шкала измерения АЦП, приведенная ко входу.

Теперь смотрим, что у нас с другой стороны. Надо посмотреть, каков диапазон входных напряжений АЦП. Обычно этот диапазон равен напряжению источника опорного напряжения. Ну, для примера, пусть он будет равен 2,5В. Это означает, что измеряемое напряжение не должно превышать эти 2,5В. Все, что будет выше этого значения - на выходе АЦП даст один и тот же результат, равный максимально возможному цифровому коду для данного АЦП.

Вот, исходя из этих данных, можно определить, какой коэффициент усиления должен быть у усилителя, чтобы максимально эффективно использовать шкалу АЦП, не допуская переполнения. Для этого просто делим опорное напряжение АЦП на максимальное входное, которое мы ранее определили:

2500мВ / 20мВ = 125

Вот это и есть оптимальный коэффициент усиления. Но реально не всегда нужно, или не всегда можно его в точности придерживаться. Чаще всего реальный коэффициент определяется номиналами тех резисторов, которые есть в наличии. Иногда, если рассчитанный коэффициент не "круглый", то его округляют в меньшую сторону, для удобства расчетов. Например, если расчетное значение получилось 109,5, то реальное можно сделать более красивым, равным 100.

В конечном итоге, точное значение коэффициента не играет решающей роли. Важно, чтобы при этом сигнал на входе АЦП не выходил за пределы диапазона, и чтобы этот коэффициент был стабильным. То есть, чтобы показания АЦП не зависели от температуры, от старения резисторов, и проч.

[kargal]

Кстати, а как выглядит этот датчик? Какова его конструкция, форма, размеры?

Наконец-то трезвое замечание.
Собственно тензодатчиком называется резисторная сборка (1, 2 или 4 резистора) на подложке - бумажной, пленочной, керамической. "Сигнал датчика" зависит от его линейной деформации (растяжение или сжатие), а не от никакой ни силы. Относительное изменение сопротивления металлического тензорезистора пропорциональное примерно удвоенной деформации. Максимальный сигнал ограничен пределом текучести (типично 0,05-0,1%), при большей деформации датчик портится.
В мостовой схеме при деформации возникает разбаланс моста и появляется дифференциальное напряжение, пропорциональное примерно учетверенной деформации и напряжению питания моста. Или, при деформации ±0,05%, появится разбаланс ±4*0,05%*Uпит. А упомянутые в теме значения "чувствительности" 2-4mV/V это описание линейной части динамического диапазона тензодатчика (максимально допустимое значение).
#) Кстати, существуют тензодатчики с полупроводниковыми резисторами на кристалле, у них динамический диапазон по деформации примерно такой-же, но чувствительность на два порядка выше.
Для измерения усилия (требуется уже измеритель, а не датчик) тензодатчик наклеивается на преобразователь усилие-деформация, обычно металлическая скоба или диафрагма из материала с высоким пределом упругости (типично до относительной деформации 0,05-0,1%), и диапазон измерения силы определяется именно скобой. А вот для комплектного измерителя (Load Cell) уже правомерны понятия чувствительности (в единицах mV/kG) и максимальное усилие.
В свете вышесказанного, при питании датчика 5V максимально возможный сигнал металлического тензодатчика (дифференциальное напряжение моста) составит ±4*(0,1-0,2)%*5V=±(20-40)mV, чему и должен соответствовать диапазон дифференциального АЦП. (Детали хорошо "разжеваны" у Alex9797).
Для лучших (термокомпенсированных) тензодатчиков, типично, уровень шумов/дрейфов составляет 0,001-0,01% от динамического диапазона и поэтому вполне достаточен АЦП с разрешением 16bit. Гораздо актуальнее чтобы АЦП был интегрирующим (например, сигма-дельта АЦП).
А выбор конкретного типа АЦП (то-ли"шашечки", то-ли доехать) это уже прерогатива реализатора.

[Mr.Denis]

Здравствуйте!
Всем спасибо за участие в теме!

Хотел Вам рассказать какую мне удалось раздобыть информацию от платы которую которая идет с этим датчиком.

Основные компоненты этой платы:
1. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления AD8555A
2. 8-bit Микроконтроллер фирмы Silicon Labs C8051F002
3. Стабилизатор напряжения LP2980

Что касаемо питания этой схемы:
Сама плата питается от +5V
Микроконтроллер C8051F002 питается через стабилизатор LP2980 от +3.3V
Усилитель питается AD8555A от +5V
Датчик питается от +5V

Сигналы с датчика идут к AD8555A ногам 4,5(VNEG, VPOS).
C AD8555A ноги 7(VOUT) идет на C8051F002 нога 4(AIN0), на АЦП.
С C8051F002 ноги 26(P0.5) идет на AD8555A ногу 3(DIGIN), напряжение на ноге 3(DIGIN) = 3.178V. Я так понимаю это для установки коэффициента усиления.
Далее из МК идет какой то 4 проводной интерфейс подключенный напрямую к ногам 19, 22, 23, 24(P0.0, P0.1, P0.2, P0.3), подозреваю что это программный интерфейс SPI.(Делаю этот вывод из того что, аппаратный SPI занят для под разъем для прошивки МК)

Можно было бы попробовать подключить по SPI, но как это сделать если не известно что эти 4 вывода обозначают.

Сейчас буду побывать разобраться как программируется коэффициент усиления на AD8555A. Думаю что, если я смогу это понять, то тогда можно будет понять какой коэффициент мне точно будет нужен.

Спасибо!

[Alex9797]

Хотел Вам рассказать какую мне удалось раздобыть информацию

Вот за эту информацию, подробно изложенную - отдельное спасибо!

Максимальный сигнал ограничен пределом текучести (типично 0,05-0,1%), при большей деформации датчик портится

Вам повезло с датчиками, или это данные из справочника. Когда мы делали датчики, то использовали коэффициент 0,03%. При такой расчетной деформации они могли работать годами, выдерживая даже удары. Ведь кроме предела текучести проволочек, надо было еще учитывать предел прочности клея, которым тензорезистор приклеен. Мы использовали тензорезисторы на бумажной основе, и на пленочной.

[Mr.Denis]

В мануале на AD8555A сказано что,нога 3(DIGIN) это одно проводной Digital Interface в который записывается 38-bit код. Думаю что, если получится расшифровать этот код, то тогда многое станет ясно, в том числе и какой у датчика максимальный выход.

Как Вы считаете, по какому пути мне дальше следовать:
1. Попробовать разобраться что за интерфейс выходит с платы которая идет к датчику, и при помощи него получать данные.
2. Попытаться разработать свою схему подключения датчика, оперирую приблизительными значениями?
3. Попытаться разработать свою схему подключения датчика, предварительно расшифровав код который приходит от МК к AD8555A на ногу 3(DIGIN)?

Спасибо!

[Godzilla82]

Скорее всего у него чувствительность 2 мВ/В. Итого при 5 В питании выходной сигнал 10 мВ.

Я бы посоветовал AD7796, AD7797 или AD7730.

С первым всё очень просто. По SPI получаете 16 битное число. Минимум обвязки. Достаточно стабильный.

Второй - это тоже, что и первый, но уже 24 бита.

Третий - что-то около 18 бит. Требует 2 кварцев. Но фильтра встроенные понавороченней.

В любом случае надо читать даташит и много думать.

[Mr.Denis]

Godzilla82,
Спасибо!

Посмотрел в даташит блок схему AD7797 и заметил что есть Temp Sensor.

Я правильно понимаю, что Temp Sensor служит для корректировки значений при разных температурах измерения?
Получается что тогда можно снимать температуру с датчика практически в любых погодных условиях? Или же он предназначен только для того что бы убрать погрешность на уровне АЦП?

Насколько может быть велика погрешность из за влияния температуры?
СПС!

[Alex9797]

Как Вы считаете, по какому пути мне дальше следовать:

Конечно, самый заманчивый - это первый вариант. Стоило бы попробовать. Но для этого без логического анализатора не обойтись.
Второй вариант сразу отбрасываю. Приблизительный результат можно получить и без применения весов, на глазок.
Третий вариант - надо сперва уточнить формулировки.
Да, глупо отказываться от применения такого усилителя, с уже готовой обвязкой. Если не удастся расколдовать интерфейс, похожий на SPI, то процессор, который на плате становится бесполезным. Ведь зашить его своей программой займет больше времени, чем применить для этого другой, уже изученный процессор.

Вот тут интересный момент. Можно выпаять имеющийся процессор, чтобы не мешал, и подвесить туда свой процессор. Но применение навесного монтажа не украсит плату, и не будет надежным. Поэтому лучшим вариантом было бы изготовление своей платы, с усилителем, АЦП и процессором. А с этой платы выпаять усилитель и его обвязку, и впаять на свою плату. О формате посылки, которая подается к AD8555A на ногу 3(DIGIN), можно прочитать в даташите на этот усилитель.

В общем, глядя со своей колокольни, я бы выбрал последний вариант. Только подавать сигнал с усилителя на АЦП, который внутри процессора, я бы не стал. Слишком мала у него разрядность для таких измерений. Кроме того, будет большое влияние сетевых наводок. Поэтому применил бы внешний АЦП интегрирующего типа.
Кроме того, на этой плате можно было бы предусмотреть все необходимое, например - интерфейс дисплея, какой захочешь, а не приспосабливаться к тому, что есть. Тем более, что его и нету. Можно кнопки добавить какие-нибудь. Например, тарировка, сброс, суммирование веса, и проч. Тогда получится полностью автономное устройство, а не просто датчик, который надо еще подключать к другому компьютеру.

[Mr.Denis]

Конечно, самый заманчивый - это первый вариант. Стоило бы попробовать. Но для этого без логического анализатора не обойтись

Только что сделал логический анализатор по этой статье https://geektimes.ru/post/257728/ (Не реклама). Думаю завтра буду побывать смотреть что это за 4 проводной интерфейс. Буду впервые побывать работать с логическим анализатором.

З.Ы. Боюсь что нечего из этого не выйдет хорошего, так как нечем кроме мультиметра ранее не пользовался, да и сигналы исследователь не приходилось...(

Спасибо!