Introduction

J'ai récemment eu besoin d'un capteur de pression d'air pour l'un de mes projets. Je cherchais quelque chose d'abordable et facile à trouver. Le capteur n'avait besoin de fonctionner que sur une plage d'environ ±10 kPa par rapport à la pression atmosphérique, et il n'y avait pas d'exigences strictes de précision. En gros, j'avais besoin d'un capteur capable de détecter le léger

Il y a pas mal d'options appropriées disponibles. ST, par exemple, propose la famille de capteurs MPXx5010 (initialement développée par NXP), et il existe également des capteurs de fabricants asiatiques tels que CFSensor. Le problème est que ces options ont tendance à être soit relativement coûteuses, soit difficiles à trouver pour des constructions ponctuelles.

Cela m'a fait me demander s'il serait possible de construire un capteur de pression "suffisamment bon" en utilisant uniquement des composants peu coûteux et largement disponibles.

Il s'avère que c'est... dans une certaine mesure.

Le capteur résultant ne sera jamais aussi précis ou fiable qu'un appareil fabriqué commercialement. Néanmoins, il fonctionne étonnamment bien pour l'objectif visé. Après un calibrage initial, il reste raisonnablement stable dans une plage de température intérieure typique et n'est pas particulièrement sensible à l'humidité.

Ce que je ne ferai pas dans cet article, c'est présenter une analyse scientifique du capteur ou fournir une spécification complète. Je m'attends à ce que chaque capteur se comporte un peu différemment en raison des variations dans le processus de construction, des matériaux utilisés et d'innombrables autres facteurs qui ne peuvent pas être strictement contrôlés lors de la construction d'un appareil comme celui-ci à la maison.

Au lieu de cela, mon objectif est de montrer qu'il est possible de construire un capteur de pression simple et peu coûteux, parfaitement adapté à certaines applications. Je vais décrire comment j'ai construit le mien afin que d'autres puissent adapter la conception, l'améliorer ou s'appuyer sur mon code et mes modèles 3D pour leurs propres projets.

L'idée du capteur.

La construction d'un capteur de pression présente plusieurs défis, et en construire un à partir de pièces imprimées en 3D en ajoute encore plus. Ma première idée était d'imprimer un corps creux avec une membrane fine et d'attacher une jauge de contrainte à la membrane. Après plusieurs itérations, j'ai conclu qu'une conception en deux parties serait la meilleure solution :

La partie inférieure forme la membrane, qui a une épaisseur de 0,4 mm. Un mur circulaire est imprimé directement sur la membrane, créant la chambre à air et fournissant une surface de montage pour le couvre-chef. Le couvre-chef contient le connecteur de tuyau et deux points de montage pour les vis. Il est significativement plus épais que la membrane pour fournir la rigidité nécessaire. Les deux parties sont collées ensemble à l'aide de super-colle

Pour la mesure, j'utilise deux jauges de déformation dans une configuration de demi-pont. Une jauge est montée au centre de la membrane, où elle subit une déformation par traction lorsqu'une pression positive est appliquée. La deuxième jauge de déformation est centrée sur le bord de la membrane, où elle subit une déformation par compression sous la même pression.

Cet arrangement offre un autre avantage important : la compensation thermique. Étant donné que les deux jauges de contraintes sont montées sur une surface presque identique, elles subissent les mêmes changements de température. En conséquence, leurs résistances changent d'environ la même quantité, ce qui fait que la plupart des erreurs induites par la température s'annulent mutuellement.

Assemblage de capteurs.

Assembler le capteur peut être un peu difficile. L'étape la plus délicate consiste à fixer les jauges de contraintes à la membrane. Je ne pense pas qu'il existe une seule méthode "optimale" pour le faire. Bien qu'il soit possible de fixer les jauges de contraintes en premier et de souder les fils par la suite, je ne recommanderais pas cette approche, car la chaleur générée pendant la soudure peut facilement déformer ou faire fondre des

Dans ce qui suit, je vais décrire la méthode d'assemblage que j'ai trouvée être la plus fiable et la plus facile à utiliser.

Tout d'abord, j'ai utilisé deux petites bandes de ruban adhésif pour fixer les jauges de contraintes sur une surface propre à l'espacement correct (8,5 mm), tout en laissant les plots de soudure exposés.

Ensuite, j'ai ajouté du ruban adhésif supplémentaire sur les côtés pour s'assurer que tout restait en place pendant le soudage des fils aux jauges de contrainte. J'ai utilisé des fils rouges et noirs pour les connexions de tension de référence et un fil jaune pour le signal. L'isolation du fil de signal a été dénudée de manière à pouvoir être connectée aux deux jauges, ce qui a grandement facilité le processus de soudage.

Après avoir attaché les fils et nettoyé l'assemblage avec de l'IPA, j'ai appliqué un autre morceau de ruban adhésif sur l'ensemble de l'assemblage et l'ai coupé à la bonne largeur en utilisant un couteau X-Acto.

L'assemblage complet peut ensuite être soulevé et positionné sur la membrane. Pour ce faire, marquez d'abord le centre de la membrane en utilisant soit les marques d'alignement sur les côtés du boîtier, soit le modèle imprimable fourni. Assurez-vous de ne pas utiliser le centre de la jauge de déformation elle-même. Utilisez plutôt les marques d'alignement sur la jauge.

Soulevez l'assemblage de jauge en utilisant le côté du ruban de transfert opposé aux fils comme charnière. Cela garantit que l'assemblage peut être remis exactement à la même position après l'application de l'adhésif. Appliquez une petite quantité de super-col sur les jauges de contrainte, puis abaissez l'assemblage de nouveau sur la membrane. Appuyez fermement et uniformément sur les jauges contre la membrane pendant 15 à 30 second

Optionnellement, vous pouvez appliquer une petite quantité de colle supplémentaire pour fixer les fils sur le côté du capteur afin d'améliorer le soulagement de la tension.

Enfin, collez les deux moitiés du capteur ensemble. Appliquez une petite quantité de super-colle le long de la paroi de la partie inférieure, puis pressez fermement le couvre-chef en place. Tenez-le pendant 15 à 30 secondes, puis laissez la colle sécher complètement.

Votre capteur est maintenant prêt à être utilisé.

Prendre des mesures.

Nous avons maintenant deux résistances sur une membrane dont la résistance change légèrement lorsque la pression est appliquée. Pour que le capteur soit utile, nous devons mesurer ces minuscules changements de résistance.

Les deux jauges de contrainte forment une moitié d'un pont de Wheatstone. En ajoutant un second diviseur de tension et en connectant les deux diviseurs à la même tension de référence, nous complétons le pont. La différence de tension entre les deux moitiés est la quantité qui nous intéresse. Idéalement, le diviseur de référence reste stable tandis que la tension à travers le diviseur de jauge de contrainte change avec la pression appliquée.

Parce que ces changements de tension sont extrêmement faibles, ils doivent être amplifiés avant de pouvoir être mesurés. Étant donné que nous nous intéressons à la différence entre les deux sorties du pont, un amplificateur différentiel, plus précisément un amplificateur d'instrumentation, est le choix idéal. Enfin, le signal analogique doit être converti en une valeur numérique.

Construction d'un tel circuit à partir de composants discrets est inutilement compliqué. Au lieu de cela, je recommande fortement d'utiliser une solution prête à l'emploi telle que le HX711 ou le HX717. Ces circuits intégrés peu coûteux intègrent tout ce dont nous avons besoin : une tension de référence stable, un amplificateur différentiel et un convertisseur analogique-numérique haute résolution. L'exemple suivant montre comment connecter

Félicitations ! Nous avons maintenant une représentation numérique de la pression appliquée. Mais est-ce déjà utile ? Probablement pas. La valeur brute n'est pas calibrée et n'a pas de point de référence significatif. Au lieu de cela, nous obtenons simplement un entier qui ne correspond pas directement à une quantité physique.

Le calibrage est donc une étape essentielle et nous amène à l'aspect logiciel du projet. Tout d'abord, nous devons établir un point de référence pour une pression nulle, suivi d'un ou plusieurs points d'étalonnage qui définissent la plage de mesure.

À première vue, il peut sembler suffisant de mesurer le capteur sans appliquer de pression pour déterminer le point zéro. Dans la pratique, cependant, la valeur zéro dérive en fonction de la charge précédemment appliquée. Après une pression positive, la valeur de repos s'établit légèrement plus haut qu'après une pression négative. En conséquence, le capteur a effectivement deux points zéro différents, l'un pour les mesures positives et l'autre pour les

Une solution pratique consiste à traiter toutes les valeurs entre ces deux points zéro comme étant zéro. Les mesures au-dessus du point zéro positif utilisent cette valeur comme référence, tandis que les mesures en dessous du point zéro négatif utilisent la référence négative. La valeur mesurée peut ensuite être interpolée linéairement entre le point zéro correspondant et le maximum ou le minimum calibré, permettant d'exprimer le résultat sous une forme plus intuitive, telle

Je n'ai pas calibré le capteur par rapport à une valeur de référence physique spécifique, donc je ne peux pas faire de déclarations sur sa précision absolue ou sa linéarité. Au lieu de cela, je l'ai calibré en fonction de ma propre capacité à effectuer des gestes de siroter et de souffler.

Si vous avez accès à un équipement capable de générer une pression ou un vide stable et que vous pouvez effectuer certaines mesures, je serais très intéressé par les résultats, en particulier en ce qui concerne la linéarité du capteur.

Cependant, pour mon usage prévu, calibrer le capteur en fonction de ma propre force de succion et d'expiration est tout à fait suffisant ;)

J'ai écrit du code pour exécuter le conditionnement du signal et l'étalonnage. Vous le trouverez dans la section de téléchargement de ce post.

Pensées finales

Le capteur décrit fonctionne très bien pour son objectif prévu, et je pense qu'il a un certain potentiel pour les projets de bricolage. Je n'ai pas vu quelque chose qui utilise une technique similaire, donc je pense que ça vaut la peine d'en parler et de partager l'idée.

L'impression du capteur offre également beaucoup de liberté en termes de forme et de montage. Cela peut vous permettre de construire un produit avec un capteur fabriqué sur mesure, ce qui n'aurait pas été possible en utilisant un capteur commercial. Vous pourriez même intégrer le capteur directement dans l'enceinte d'un produit.

Si vous utilisez cette idée dans l'un de vos propres projets, je serais heureux d'en entendre parler.