Programování elektroniky: Tenzometrický detektor otevřených dveří. Zjistí nejen stav, ale i úhel

Svět je plný univerzálních tenzometrů. Najdete je v osobní váze, která měří vaše nadbytečná kila, v kuchyňské váze, která naopak měří vše, co tu nadváhu způsobuje, ale v miniaturní až mikroskopické podobě také v tlakoměrech, herních periferiích nebo třeba ve snímačích konstrukčních vad a namáhání.

Moderní elektrický tenzometr je totiž – jak píše česká Wikipedie – pasivní elektrotechnická součástka, která se používá jako senzor mechanického napětí na povrchu prostřednictvím měření její deformace.

Uf, to je docela krkolomná definice, takže si ji trošku zjednodušíme a vystačíme si s tím, že většina jednoduchých elektrických tenzometrů má konstrukci prachsprostého vodiče zalepeného v pružném lepidlu, které jej drží pohromadě.

Video: Podívejte se, co si dnes postavíme

Vodič má zpravidla formu velmi tenkého a do hada stočeného kovového vlákna (průměr okolo 0,01 mm), nebo fólie, která musí být v klidové fázi elektricky co nejvíce stabilní.

Musí mít stejný elektrický odpor jak v lednu, tak uprostřed rozpáleného léta. Proto se vyrábí třeba ze slitiny mědi a niklu, která disponuje stabilním měrným elektrickým odporem (rezistivitou) v širokém teplotním spektru, a proto ji říkáme konstantan.

Odpor kovového tenzometru

Tak a teď ta legrace. Pokud začneme našeho hada z drátku ve směru jeho vinutí deformovat ohybem, drátky uvězněné v lepidle se mírně protáhnou a po vyrovnání je lepidlo smrští zpět do výchozí polohy. Vinutí do tvaru hada toto prodloužení ještě znásobí, protože celkové prodloužení bude součtem prodloužení všech dílčích segmentů.

Primitivní tenzometr a změna délky jeho obvodu pro ohýbání žluté plochy k pozorovatele (zkrácení) a od pozorovatele (prodloužení)

A co nám praví jedna ze základních fyzikálních pouček? Elektrický odpor vodiče R je přímo úměrný délce vodiče l, nepřímo úměrný průřezu vodiče S a je závislý na jeho měrném elektrickém odporu ρ.

Jelikož jsme drátek vyrobili z konstantanu, ρ je (nepřekvapivě) konstantou, nicméně S se nám protahováním hada zmenšuje a l zvětšuje. Suma sumárum, pokud budeme měřit elektrický odpor v obvodu s hadem, při deformaci se oproti klidové hodnotě změní.

Výpočet odporu ideálního tenzometru

Nicotné změny i velké ohyby

Jak moc? To záleží na míře mechanického ohnutí. Pokud tenzometr přilepíme na nožku osobní váhy, aby pokud možno dokonale přejímal deformaci způsobenou jejím zatížením, a na váhu se postavíme, ohne se jen nepatrně, a proto potřebujeme integrovaný obvod zesilovače signálu a velmi citlivý A/D převodník. Mezi kutily se těší velké oblibě třeba laciný čip HX711 s mnoha knihovnami pro Arduino a další stavebnice.

Prototypovací modul se zesilovačem a A/D převodníkem HX711

Ještě menší změnu odporu získáme, pokud podobný tenzometr v mikroskopické konstrukci MEMS (Micro Electro Mechanical System) umístíme třeba do digitálního tlakoměru plynů a kapalin, kde jej zase deformuje tlačící se masa vzduchu a tekutiny.

Na opačné straně spektra jsou velké tenzometry, které měří stabilitu mostních konstrukcí, materiálové deformace strojů a tenzometry, ze kterých si s trochou píle můžete udělat třeba rukavici a ovládat počítač prostým pohybem prstů.

Pěticentimetrový Flex Sensor

Jeden takový nám před pár týdny dorazil do redakce, a tak si ho dnes vyzkoušíme. Patří do kategorie tzv. flex senzorů a vyrábí jej fabrika Spectra Symbol z amerického Utahu. Americká je bohužel i cena, a to i v českých obchodech. Tuzemský LaskaKit má několik kusů k mání za 498 korun.

Za tuto pálku dostanete kratší variantu proužku s aktivní deformační délkou 55 milimetrů a šířkou zhruba 7 mm a s životností přes 1 milion ohnutí. V nabídce amerického obchodu je nicméně i 95mm verze. Tloušťka je v obou případech shodná, a pokud moje kovová digitální šuplera moc nelže, bude to zhruba 0,5 mm.

Flex Sensor od Spectra Symbol

Na rozdíl od našeho hada z úvodu článku používá plošné deformační segmenty, základní princip ale zůstává stejný. Pakliže proužek vyrovnáme, mezi jeho kovovými vývody naměříme klidový elektrický odpor okolo 25 kΩ.

Když ale začneme proužek ohýbat v hlavním směru (strana s ploškami orientovaná vzhůru), obvod se deformací mírně prodlouží a multimetrem bychom měli při plném ohybu o 180° změřit několikanásobný odpor.

Kladný ohyb, pro který je tenzometr optimalizovaný (plošky nahoře) a záporný ohyb, který se už neprojevuje tak lineární změnou odporu, ale je stále měřitelný

Sám výrobce počítá v dokumentaci s odchylkou až 30 %, takže pro přesné měření je třeba pracovat s nějakou formou alespoň základní úvodní kalibrace, kdy změříme nejprve klidovou fázi, potom tu v plném ohybu a nastavíme si mezní hodnoty.

Tenzometr nemůžeme jen tak připojit k Arduinu

Fajn, dost teoretické omáčky a pojďme si to celé vyzkoušet v praxi na některé z mnoha prototypovacích desek. Jedinou podmínkou je analogový vstup. Jelikož náš finální příklad bude vyžadovat Wi-Fi, zvolím pro zbytek článku vývojářský kit ESP32-S3-DevKitC-1, ale může to být opravdu cokoliv.

Pinout desky ESP32-S3-DevKitC-1

Jelikož je kovový tenzometr ve své podstatě pouze dlouhý drátek, nemůžeme jej jen tak na jedné straně připojit k 3V zdroji napětí na desce s čipem ESP32 a na druhé straně třeba do pinu GPIO4, který v případě čipu ESP3-S3 nabízí jeden z mnoha analogových vstupů.

Potřebujeme dělič napětí

Analogově-digitální převodník na čipu ESP32 totiž sám o sobě neměří měnící se elektrický odpor způsobený deformací tenzometru, ale jen elektrické napětí mezi pinem GPIO4 a systémovou zemí desky GND v rozsahu 0V až 3,3V (respektive aktuální pracovní napětí). A jelikož je převodník 12bitový, napětí převede na celé číslo v rozsahu 0 až 4095.

Schéma děliče napětí, který nám změnu odporu v obvodu vyjádří změnou napětí

Musíme nějakým způsobem transformovat elektrické napětí v obvodu s tenzometrem právě podle jeho měnícího se odporu. Pomůže nám obvod z prvních kapitol všech učebnic pro mladé elektrotechniky: dělič napětí.

Už jsme s ním pracovali mnohokrát, takže jen stručně. Když zapojíme dva rezistory v sérii, podle Ohmova zákona platí, že součet jejich napětí bude roven napětí celého obvodu a zároveň násobkem jejich elektrického odporu a protékajícího proudu. Z toho pak plyne, že napětí mezi bodem uprostřed rezistorů a systémovou zemí získáme výpočtem:

Výpočet napětí na uzlu U₂

Pokud tedy k obvodu připojíme zdroj napětí 3,3V (U) a dva rezistory, přičemž tím prvním bude právě tenzometr s rozsahem odporu dle deformace zhruba 25kΩ až 50kΩ (R1) a tím druhým třeba rezistor s pevným odporem 20kΩ (R2), napětí mezi systémovou zemí a bodem mezi těmito rezistory (U2) se dle deformace tenzometru a vzorečku výše bude analogicky měnit a my konečně získáme digitální číslo v rozsahu 0 až 4095, které bude korelovat s mechanickým namáháním proužku z amerického Utahu.

Schéma zapojení dnešního experimentu

Ostatně, vyzkoušejte si celé počítání s ohmy a dvěma rezistory třeba v této webové kalkulačce.