はじめに

最近、私のプロジェクトの1つに空気圧力センサーが必要になりました。安価で入手しやすいものを探していました。センサーは大気圧に対して±10 kPaの範囲で動作する必要があり、厳密な精度要件はありませんでした。基本的に、人がチューブに吸い込み、息を吐くときに発生するわずかな真空と過圧を検出できるセンサーが必要でした。

適したオプションがいくつもあります。例えば、STはMPXx5010センサーファミリー(当初はNXPによって開発された)を提供しており、CFSensorなどのアジアメーカーからセンサーも入手できます。問題は、これらのオプションは比較的高価か、または一回限りの構築では入手しにくいことです。

これにより、私は安価で広く入手可能な部品だけを使って「十分に優れた」圧力センサーを作ることができるのかどうか疑問に思いました。

結果的には、ある程度そうです。

その結果、センサーは市販のデバイスほど精度が高く、信頼性も高くなることはないでしょう。とはいえ、目的に応じて驚くほどうまく機能します。初期のキャリブレーション後、通常の室内温度範囲でかなり安定しており、湿度にもあまり敏感ではありません。

この記事では、センサーの科学的な分析や完全な仕様を提示することはありません。センサーの構造プロセス、使用材料、その他の無数の要因によって、各センサーの動作が多少異なると予想されますが、自宅でこのようなデバイスを構築する際には、これらの要因を完全に制御することはできません。

代わりに、私の目標は、特定のアプリケーションに完全に適した、シンプルで低コストの圧力センサーを作ることができることを示すことです。私がどのように自分のセンサーを作ったかを説明し、他の人が自分のプロジェクトに合わせて設計を変更し、改善したり、私のコードや3Dモデルを利用したりできるようにします。

センサーのアイデア

圧力センサーを作るにはいくつもの課題があり、3Dプリンテッドパーツで作るとなるとさらに多くの課題が伴います。私の最初のアイデアは、薄いメンブレンを備えた中空のボディを印刷し、メンブレンにひずみゲージを取り付けることでした。しかし、何度かの試行の後、私は2つのパーツで構成されるデザインが最善の解決策だと結論

下部は厚さ0.4 mmのメンブレンでできています。メンブレンに直接円形の壁が印刷され、空気室が作られ、トップカバーの取り付け面が提供されます。トップカバーにはホースコネクタとネジ用の2つの取り付けポイントが含まれており、必要な強度を提供するためにメンブレンよりもかなり厚くされています。両部品はスーパーグルーで接着され、気密シール

測定に際しては、ハーフブリッジ構造の2つの歪みゲージを使用します。1つのゲージはメンブレンの中央に取り付けられ、正圧が印加されたときに引張応力を経験します。2つ目の歪みゲージはメンブレンのエッジに取り付けられ、同じ圧力で圧縮応力を経験します。

この構造は、もう1つ重要な利点を提供しています。それは熱補償です。両方のひずみゲージがほぼ同じ表面に取り付けられているため、同じ温度変化を経験します。その結果、両方の抵抗値がほぼ同じ量だけ変化し、温度による誤差のほとんどが相殺されます。

センサーアセンブリ

センサーの組み立ては少し難しいことがあります。最もデリケートなステップは、ひずみゲージをメンブレンに取り付けることです。これを行うための「最良の」方法は1つとは限りません。最初にひずみゲージを取り付け、その後にワイヤーをはんだ付けすることが可能ですが、はんだ付け時に発生する熱によって薄いメンブレンの一部が変形したり、溶けたりする可能性があるので、この

以下では、私が最も信頼できるし、取り扱いが最も簡単だと思う組み立て方法を説明していきます。

まず、私は2枚の小さな粘着テープを使って、はんだパッドを露出したまま、ストレインゲージをきれいな表面に正確な間隔(8.5 mm)で固定しました。

次に、ワイヤーを歪みゲージに半田付けする間に、すべてが所定の位置に固定されるように、側面に追加のテープを追加しました。基準電圧接続には赤と黒のワイヤーを使用し、信号用には黄色のワイヤーを使用しました。信号ワイヤーの絶縁被覆は、両方のゲージに接続できるように剥がされていたので、半田付けのプロセスがはるかに簡単になりました。

配線を取り付け、IPAで組み立てを清掃した後、私は組み立て全体に別の粘着テープを適用し、X-Actoナイフで適切な幅にトリミングしました。

その後、完成した組み立てを持ち上げてメンブレン上に配置することができます。これを行うには、まずケースの側面にあるアラインメントマークまたは提供された印刷可能なテンプレートを使用してメンブレンの中心を印をつけます。ひずみゲージ自体の中心を使用しないようにしてください。代わりに、ゲージ上のアラインメントマークを使用してください。

ゲージアセンブリを、配線と反対側のトランスファーテープの側面をヒンジとして持ち上げます。これにより、接着創を塗布した後でもアセンブリを完全に同じ位置に戻せるようになります。ひずみゲージに少量のスーパーグルーを塗布し、アセンブリをメンブレンに戻します。ゲージをメンブレンにしっかりと均等に押し付けて、15～30秒間

オプションで、センサーの側面に配線を固定するための追加の接着創を少量塗布すると、応力緩和効果が向上します。

最後のステップとして、センサーの2つの半分を接着します。底部の壁に少量のスーパーグルーを塗り、それから上部カバーをしっかりと所定の位置に押し込みます。15～30秒間保持し、それから接着創が完全に硬化するまで待ちます。

あなたのセンサーは今、使用の準備ができています。

測定を行う。

今、私たちは膜上に2つの抵抗器を持っており、圧力がかかると抵抗値がわずかに変化します。センサーを実用的にするためには、これらの微小な抵抗変化を測定する必要があります。

この2つのひずみゲージは、ウィートストンブリッジの半分を形成しています。2つ目の電圧分割器を追加し、両方の分割器を同じ基準電圧に接続することで、ブリッジを完成します。両半分の間の電圧差が私たちが興味を持っている量です。理想的には、基準分割器は安定したままで、ひずみゲージ分割器にかかる電圧が適用された圧力に応じて変化する

これらの電圧変化は非常に微小なので、測定する前に増幅する必要があります。2つのブリッジ出力の差に興味があるので、差動アンプ、より具体的には計測アンプが理想的な選択肢です。最後に、アナログ信号をデジタル値に変換しなければなりません。

このような回路を個別の部品から構築するのは不要に複雑です。代わりに、HX711やHX717などの既製のソリューションを使用することを強くお勧めします。これらの安価なICは、安定した基準電圧、差動アンプ、高解像度のアナログ・デジタルコンバータなど、必要なすべてを統合しています。以下の例では、センサーをHX717に接続する方法を示しています。R1と

おめでとうございます！適用された圧力のデジタル表現ができました。しかし、これはまだ役立っているのでしょうか？おそらくそうではないでしょう。生の値は校正されておらず、意味のある基準点もありません。代わりに、物理量に直接対応しない整数が得られるだけです。

したがって、キャリブレーションは不可欠なステップであり、プロジェクトのソフトウェア側面につながります。まず、ゼロ圧力の基準点を設定し、次に測定範囲を定義する1つ以上のキャリブレーションポイントを設定する必要があります。

初めて見ると、センサーに圧力をかけずにゼロ点を決定するのは十分と思えるかもしれません。しかし、実際には、以前にかけた荷重に応じてゼロ値が変動します。正圧の後では、休息時の値が負圧の後よりもわずかに高くなります。その結果、センサーには2つの異なるゼロ点があり、1つは正測定用、もう1つは負測定用です。

実用的な解決策は、この2つのゼロポイントの間のすべての値をゼロとして扱うことです。正のゼロポイントを超える測定値はその値を基準として使用し、負のゼロポイントを下回る測定値は負の基準を使用します。その後、測定値は対応するゼロポイントと較正された最大値または最小値の間で直線的に補間され、結果がより直観的な範囲

私はセンサーを具体的な物理的な基準値に対して校正していないので、その絶対的な精度や直線性については何も主張できません。代わりに、私は自分の能力に基づいて、すすり声や息切れのジェスチャーを行ってセンサーを校正しました。

安定した圧力や真空を発生させることができる装置にアクセスでき、かついくつかの測定を実施できる場合、特にセンサーの直線性に関しては、その結果に非常に興味があります。

しかし、私の使用目的では、自分の吸い込みと息出しの強さに合わせてセンサーを校正するだけで十分です ;)

私は信号の調整と校正を実行するためのコードを書きました。これはこの投稿のダウンロードセクションで見ることができます。

最後の考え

説明したセンサーは、その目的に応じて非常にうまく機能しており、DIYプロジェクトにも応用できると思います。このようなテクニックを利用したものは見たことがないので、書いて共有する価値があると思います。

センサーを印刷することで、その形状や取り付け方法に関しても多くの自由度が得られます。これにより、商用のセンサーでは不可能なカスタムメイドのセンサーを使用した製品の製作が可能になり、センサーを製品のエンクロージャに直接統合することさえできます。

もしあなたが自分のプロジェクトでこのアイデアを使用するなら、それについて聞くことは嬉しいです。