لودسل چیست و چگونه کار می کند + مدار پل‌ وتستون

لودسل چیست؟ این سوالی بود که باعث شد مقاله‌ای را برای شروع کار با لودسل ها بنویسم. تا به حال پیش آمده است که بخواهید وزن چیزی را بدانید؟ یا حتی تغییرات وزن آن را در طول زمان بدانید؟ آیا در پروژه‌ای که در دست انجام دارید، نیاز دارید که حضور یا عدم حضور چیزی را از طریق نیروی وزن یا نیروی کششی وارده توسط آن بر روی یک سطح تشخیص دهید؟ اگر پاسخ شما به تمام این سوالات مثبت است، بسیارخوب! جای درستی آمده‌اید. این آموزش بر آن است تا شما را با دنیای لودسل(Load cell)‌ها و کاربردهای آن‌ها آشنا کند.

زیرنویس عکس: یکی از انواع بسیار گسترده‌ی لودسل‌ها

مقدمات لودسل‌

انواع لودسل‌

لودسل یک المان فیزیکال یا اگر بخواهیم خیلی تکنیکی صحبت کنیم، یک مبدل است که می‌تواند فشار ( از جنس نیرو) را به سیگنال الکتریکی تبدیل کند. خب معنای این حرف چیست؟ سه روش اصلی وجود دارد که یک لود سل از طریق آن‌ها فشار وارده را به اطلاعاتی قابل خوانش تبدیل کند.

لودسل‌ های هیدرولیک(Hydraulic)

این نوع لودسل‌ها از همان آرایش متداول پیستون و سیلندر استفاده می‌کنند تا هرگونه تغییری در میزان فشار وارده را از طریق حرکات پیستون دنبال کنند. هم‌چنین این فشارسنج‌ها مجهز به سنسور بوردون تیوب (لوله بوردونی) هستند که با دارا بودن خاصیت فنری یا دیافراگمی، تغییرات فشار اندازه‌گیری می‌کند.

زیرنویس عکس: نموداری از کلیت یک لودسل هیدرولیکی

لودسل‌ های پنوماتیک(Pneumatic)

مکانیسم اندازه‌گیری فشار در این نوع از لودسل‌ها به این ترتیب است که فشارهوای وارده شده از یک سمت لودسل به صفحه‌ی دیافراگم آن، نازلی که در سمت دیگر فشارسنج قرار دارد را حرکت می‌دهد و این نازل دارای عقربه‌ای است که متناسب با میزان جابه‌جا شدن نازل، فشار هوا را اندازه‌گیری می‌کند.

زیرنویس عکس: نموداری از کلیت یک لودسل پنوماتیک

لودسل‌ های استرین گیج(Strain Gauge)

و به عنوان آخرین نوع (البته انواع دیگری از لودسل‌ها نیز وجود دارند که شیوه عملکرد آن‌ها متفاوت با این سه دسته‌ای است که ما نام بردیم اما کمتر متداول هستند.) لودسل‌های استرین گیج هستند که عملکرد آن‌ها در اندازه‌گیری فشار مبتنی بر روشی مکانیکی است. به این ترتیب که فشار را از طریق میزان تغییرشکل زبانه‌هایی که بر روی لودسل تعبیه شده‌اند، اندازه‌گیری می‌کند. این زبانه ها را اصطلاحا استرین گیج یا فشارسنج می‌نامند.

زیرنویس عکس: نموداری از کلیت یک لودسل استرین گیج

در لودسل‌های استرین‌گیج از نوع میله‌ای، لودسل فرمی Z شکل دارد و گشتاور ناشی از فشار ابتدا به میله وارد شده و توسط‌ آن به استرین گیج‌ها منتقل می‌شود تا آن‌ها با توجه به میزان خمش زبانه‌ها، فشار وارد آمده را اندازه‌گیری کنند. دو تا از زبانه‌ها میزان فشردگی را می‌سنجند و دو تای دیگر میزان کشش را. از طرفی این 4 زبانه با هم تشکیل یک پل وتستون می‌دهند و به این ترتیب می‌توان به راحتی میزان تغییرات مقاومت موجود را اندازه‌گیری کرد. حتی کوچک‌ترین تغییرات را!

زیرنویس عکس: نگاهی عمیق‌تر به استرین گیج‌های قرار گرفته بر روی میله و عملکرد آن‌ها در زمان اعمال فشار

اغلب لودسل‌های استرین گیج عملکرد مشابهی دارند اما در اندازه، جنس مواد سازنده و ستاپ مکانیکی ممکن است با هم تفاوت داشته باشند که این تفاوت‌ها منجر به تفاوت در حداکثر بار قابل تحمل و دقت‌های متفاوت در آن‌ها می‌شود.

زیرنویس عکس: یکی از انواع ستاپ‌های ممکن در لودسل‌های میله‌دار

اصول مقدماتی استرین‌ گیج

استرین گیج یا فشارسنج دستگاهی است که تغییرات یک مقاومت الکتریکی را در واکنش به و متناسب با میزان کشش وارد شده ( یا فشار یا نیرو یا هرچیزی که دوست دارید اسم آن را بگذارید!) بر یک دستگاه اندازه‌گیری می‌کند. ساختار متداول استرین گیج ها به این شکل است که از یک سیم مرغوب یا یک فویل تشکیل شده اند که در یک الگوی مشبکه‌وار نصب شده است، به نحوی که یک رابطه خطی میان تغییرات مقاومت الکتریکی و فشار وارد شده در یک جهت معین بر روی دستگاه  وجود داشته باشد. مقاومت پایه‌ی مورد استفاده معمولا در رنج 120 اهم، 350 اهم و یا 1000 اهم است.

معیار سنجش

هر فشارسنجی، آستانه حساسیت متفاوتی برای سنجش فشار دارد که این آستانه به صورت کمی با معیاری به نام Gauge Factor یا به اختصار GF بیان می‌شود. این معیار به صورت نسبت تغییرات جزئی مقاومت الکتریکی به تغییرات جزئی طول زبانه ها (در واکنش به نیروی کششی) تعریف می‌شود. GF استرین گیج های فلزی معمولا نزدیک به 2 است.

تغییرات کوچک در نیروی کششی

فرض کنید ما یک لودسل از نوع استرین گیج داریم ، آن را به خوبی راه‌اندازی کرده و تغییرات مقاومت را اندازه گیری می‌کنیم. همه چیز به همان خوبی که انتظار داریم پیش می‌رود. اما … سریع‌ قضاوت نکنید!

در اندازه‌گیری نیروی کششی ما معمولا با مقادیر کوچک سروکار داریم مثلا در رنج  10^-3 . که هرچند بسیار فانتزی و کوچک به نظر می‌رسد اما بهرحال وجود دارد و باید اندازه گیری شود.

حالا بیایید یک مثال بزنیم، فرض کنید یک نیروی کششی  µε  500 به فشارسنجی با GF برابر با 2 وارد می‌کنید. طبق فرمول، میزان تغییر مقاومت الکتریکی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

2 * (500* 10^-6) = 0.1 %

و برای فشارسنجی با مقاومت پایه 120  اهم، 0.1 % تغییر معادل با 0.12 اهم می‌شود. و 0.12 اهم تقریبا یعنی هیچی! این مقدار تغییر در اغلب دستگاه ها حتی قابل تشخیص هم نیست چه برسد به اینکه درست تشخیص داده شود! بنابراین برای اندازه‌گیری تغییرات فوق کوچک در مقاومت و فشار، یا باید به سراغ ابزارهایی با دقت بالا برویم که البته خیلی گران هستند؛ یا آن‌که ابزارهایی داشته باشیم که آن مقادیر نامحسوس تغییرات فشار را دریافت کرده و با مکانیسم‌هایی آن‌ را به مقادیر قابل خوانشی برای ما تبدیل کنند. ادامه مطلب را دنبال کنید!

آمپلی‌فایرها و پل وتستون

اینجا دقیقا همان‌ جایی است که آمپلی‌فایر(تقویت‌کننده)‌ها به کمک ما می‌آیند. نمونه‌هایی مانند HX711 یا NAU7802 به عنوان مثال.

یک راهکار خیلی خوب دیگر برای دریافت تغییرات نامحسوس مقاومت و تبدیل آن‌ به مقادیر قابل خوانش، استفاده از آرایش پل وتستون است. این ساختار همان‌گونه که احتمالا با آن آشنا هستید، شامل چهار مقاومت و یک ولتاژ ورودی مشخص به فرم زیر است:

ولتاژ Vin مقداری ثابت و معلوم است و ولتاژ Vout را به عنوان خروجی اندازه‌گیری می‌کنیم. اگر رابطه R1/R2=R3/R4 برقرار باشد، Vout برابر با 0 خواهد بود. اما اگر مقدار هرکدام از مقاومت ها تغییری کند به نحوی که رابطه فوق به هم بخورد، Vout نیز تغییری محسوس و قابل اندازه‌گیری خواهد داشت که طبق رابطه زیر تابع مقاومت‌ها و مقادیر ولتاژ ورودی است.

Vout = [(R3/(R3+R4) – R2/(R1+R2))]*Vin

حال اگر مقاومت‌های ساختار پل وتستون را با استرین گیج یا فشار سنج جایگزین کنیم، با همین رابطه خواهیم توانست تمام تغییرات ولتاژ ورودی را متناسب با میزان نیروی وارد شده بر فشارسنج‌ها، در خروجی منعکس کنیم.

زیرنویس عکس: لودسل میله‌ای که از ساختار پل وتستون به منظور اندازه‌گیری تغییرات استفاده می‌کند.

فیلم آموزشی کوتاه از خلاصه توضیحات بالا

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.