Einführung

Ich brauchte kürzlich einen Luftdrucksensor für eines meiner Projekte. Ich suchte nach etwas, das kostengünstig und leicht erhältlich ist. Der Sensor musste nur in einem Bereich von etwa ±10 kPa relativ zum atmosphärischen Druck funktionieren, und es gab keine strengen Genauigkeitsanforderungen. Im Wesentlichen brauchte ich einen Sensor, der in der Lage ist, den leichten Unterdruck und Überdruck zu erkennen, der entsteht, wenn eine

Es gibt ziemlich viele geeignete Optionen zur Verfügung. ST bietet zum Beispiel die MPXx5010-Sensorfamilie (ursprünglich von NXP entwickelt) an, und es gibt auch Sensoren von asiatischen Herstellern wie CFSensor. Das Problem ist, dass diese Optionen entweder relativ teuer oder schwierig zu beschaffen sind für einmalige Konstruktionen.

Das hat mich dazu gebracht, mich zu fragen, ob es möglich wäre, einen "zufriedenstellenden" Drucksensor zu bauen, indem man nur preiswerte, allgemein verfügbare Komponenten verwendet.

Wie sich herausstellt, ist es... zu einem gewissen Grad.

Der resultierende Sensor wird nie so präzise oder zuverlässig sein wie ein kommerziell hergestelltes Gerät. Dennoch funktioniert er überraschend gut für den vorgesehenen Zweck. Nach einer ersten Kalibrierung bleibt er innerhalb eines typischen Innentemperaturbereichs einigermaßen stabil und ist nicht besonders empfindlich gegenüber Feuchtigkeit.

Was ich in diesem Artikel nicht tun werde, ist eine wissenschaftliche Analyse des Sensors oder die Bereitstellung einer vollständigen Spezifikation. Ich erwarte, dass sich jeder Sensor aufgrund von Variationen im Konstruktionsprozess, den verwendeten Materialien und unzähligen anderen Faktoren, die beim Bau eines solchen Geräts zu Hause nicht genau kontrolliert werden können, etwas anders verhält.

Stattdessen ist mein Ziel, zu zeigen, dass es möglich ist, einen einfachen, kostengünstigen Drucksensor zu bauen, der für bestimmte Anwendungen vollkommen ausreichend ist. Ich werde beschreiben, wie ich meinen gebaut habe, damit andere das Design anpassen, verbessern oder auf meinem Code und meinen 3D-Modellen für ihre eigenen Projekte aufbauen können.

Sensor-Idee

Der Bau eines Drucksensors bringt mehrere Herausforderungen mit sich, und der Bau eines Sensors aus 3D-gedruckten Teilen stellt eine noch größere Herausforderung dar. Meine ursprüngliche Idee war, einen hohlen Körper mit einer dünnen Membran zu drucken und einen Dehnungsmessstreifen an der Membran anzubringen. Nach mehreren Iterationen kam ich zu dem Schluss, dass ein zweiteiliges Design die beste Lösung wäre:

Der untere Teil bildet die Membran, die 0,4 mm dick ist. Eine kreisförmige Wand wird direkt auf die Membran gedruckt, wodurch die Luftkammer entsteht und eine Montagefläche für die obere Abdeckung bereitgestellt wird. Die obere Abdeckung enthält den Schlauchanschluss und zwei Befestigungspunkte für Schrauben. Sie ist deutlich dicker als die Membran, um die notwendige Stabilität zu gewährleisten. Beide

Für die Messung verwende ich zwei Dehnungsmessstreifen in einer Halbbrückenkonfiguration. Ein Messstreifen ist in der Mitte der Membran montiert, wo er bei Anwendung von positivem Druck Zugspannung erfährt. Der zweite Dehnungsmessstreifen ist in der Mitte des Randes der Membran montiert, wo er unter dem gleichen Druck Druckspannung erfährt.

Diese Anordnung bietet einen weiteren wichtigen Vorteil: die thermische Kompensation. Da beide Dehnungsmessstreifen auf fast der gleichen Oberfläche montiert sind, erfahren sie die gleichen Temperaturänderungen. Infolgedessen ändern sich ihre Widerstände um ungefähr den gleichen Betrag, sodass der größte Teil des temperaturbedingten Fehlers ausgeglichen wird.

Sensor-Montage

Die Montage des Sensors kann etwas schwierig sein. Der heikelste Schritt ist das Anbringen der Dehnungsmessstreifen an der Membran. Ich glaube nicht, dass es eine einzige "beste" Methode dafür gibt. Obwohl es möglich ist, die Dehnungsmessstreifen zuerst anzubringen und die Drähte anschließend zu löten, würde ich diesen Ansatz nicht empfehlen, da die beim Löten erzeug

Im Folgenden werde ich die Montagemethode beschreiben, die ich als die zuverlässigste und am einfachsten zu handhabende gefunden habe.

Zuerst habe ich zwei kleine Streifen Klebeband verwendet, um die Dehnungsmessstreifen auf einer sauberen Oberfläche im richtigen Abstand (8,5 mm) zu befestigen, während die Lötflächen freigelassen wurden.

Als nächstes habe ich an den Seiten zusätzliches Klebeband hinzugefügt, um sicherzustellen, dass alles an seinem Platz blieb, während ich die Drähte an die Dehnungsmessstreifen lötete. Ich verwendete rote und schwarze Drähte für die Referenzspannungsverbindungen und einen gelben Draht für das Signal. Die Isolierung des Signaldrahtes wurde so abisoliert, dass er an beide Messstreifen angeschlossen werden konnte

Nachdem ich die Drähte angebracht und die Baugruppe mit IPA gereinigt hatte, trug ich ein weiteres Stück Klebeband über die gesamte Baugruppe auf und schnitt es mit einem X-Acto-Messer auf die richtige Breite zu.

Die komplette Baugruppe kann dann angehoben und auf der Membran positioniert werden. Um dies zu tun, markieren Sie zuerst das Zentrum der Membran entweder mit den Ausrichtungsmarkierungen an den Seiten des Gehäuses oder der bereitgestellten druckbaren Vorlage. Achten Sie darauf, nicht das Zentrum des Dehnungsmessstreifens selbst zu verwenden. Verwenden Sie stattdessen die Ausrichtungsmarkierungen auf dem Messstreifen.

Heben Sie die Messgeräteanordnung mit der Seite des Transferbands, die den Drähten gegenüberliegt, als Scharnier an. Dies stellt sicher, dass die Anordnung nach dem Auftragen des Klebstoffs genau in die gleiche Position zurückgebracht werden kann. Tragen Sie eine kleine Menge Superkleber auf die Dehnungsmessstreifen auf und senken Sie die Anordnung dann wieder auf die Membran. Drücken Sie die Messstreifen 15–30 Sekunden lang fest und gleichm

Optionell können Sie eine kleine Menge zusätzlichen Klebstoffs auftragen, um die Drähte an der Seite des Sensors zu befestigen und so eine bessere Zugentlastung zu erreichen.

Als letzten Schritt kleben Sie die beiden Hälften des Sensors zusammen. Tragen Sie eine kleine Menge Superkleber entlang der Wand des unteren Teils auf, und drücken Sie dann den oberen Deckel fest an seinen Platz. Halten Sie ihn 15 bis 30 Sekunden lang, und lassen Sie den Kleber anschließend vollständig aushärten.

Dein Sensor ist jetzt bereit zur Verwendung.

Das Durchführen von Messungen

Wir haben jetzt zwei Widerstände auf einer Membran, deren Widerstand sich leicht ändert, wenn Druck ausgeübt wird. Um den Sensor nützlich zu machen, müssen wir diese winzigen Widerstandsänderungen messen.

Die beiden Dehnungsmessstreifen bilden eine Hälfte einer Wheatstone-Brücke. Durch das Hinzufügen eines zweiten Spannungsteilers und das Verbinden beider Teiler mit derselben Referenzspannung vervollständigen wir die Brücke. Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Hälften ist die Größe, die uns interessiert. Idealerweise bleibt der Referenzteiler stabil, während sich die Spannung über den Dehnungsmessstreifen-Teiler mit dem an

Weil diese Spannungsänderungen extrem klein sind, müssen sie verstärkt werden, bevor sie gemessen werden können. Da wir an der Differenz zwischen den beiden Brückenausgängen interessiert sind, ist ein Differenzverstärker, genauer gesagt ein Messverstärker, die ideale Wahl. Schließlich muss das analoge Signal in einen digitalen Wert umgewandelt werden.

Der Aufbau eines solchen Schaltkreises aus diskreten Komponenten ist unnötig kompliziert. Stattdessen empfehle ich dringend, eine Standardlösung wie den HX711 oder HX717 zu verwenden. Diese kostengünstigen ICs integrieren alles, was wir brauchen: eine stabile Referenzspannung, einen Differenzverstärker und einen hochauflösenden Analog-Digital-Wandler. Das folgende Beispiel zeigt, wie man

Gratulation! Wir haben jetzt eine digitale Darstellung des angewandten Drucks. Aber ist es schon nützlich? Wahrscheinlich nicht. Der Rohwert ist nicht kalibriert und hat keinen sinnvollen Bezugspunkt. Stattdessen erhalten wir einfach eine ganze Zahl, die nicht direkt einer physikalischen Größe entspricht.

Die Kalibrierung ist daher ein wesentlicher Schritt und führt uns zur Software-Seite des Projekts. Zunächst müssen wir einen Referenzpunkt für Nulldruck festlegen, gefolgt von einem oder mehreren Kalibrierungspunkten, die den Messbereich definieren.

Auf den ersten Blick mag es ausreichend erscheinen, den Sensor ohne Druckanwendung zu messen, um den Nullpunkt zu bestimmen. In der Praxis jedoch driftet der Nullwert in Abhängigkeit von der zuvor angewandten Last. Nach positivem Druck liegt der Ruhewert etwas höher als nach negativem Druck. Infolgedessen hat der Sensor effektiv zwei verschiedene Nullpunkte, einen für positive Messungen und einen für negative Messungen.

Eine praktische Lösung besteht darin, alle Werte zwischen diesen beiden Nullpunkten als Null zu behandeln. Messungen über dem positiven Nullpunkt verwenden diesen Wert als Referenz, während Messungen unter dem negativen Nullpunkt die negative Referenz verwenden. Der gemessene Wert kann dann linear zwischen dem entsprechenden Nullpunkt und dem kalibrierten Maximum oder Minimum interpoliert werden, sodass das Ergebnis als ein intuitiverer Bereich, beispielsweise ±100%, ausged

Ich habe den Sensor nicht gegen einen bestimmten physischen Referenzwert kalibriert, daher kann ich keine Aussagen über seine absolute Genauigkeit oder Linearität machen. Stattdessen habe ich ihn basierend auf meiner eigenen Fähigkeit, Sip- und Puff-Gesten auszuführen, kalibriert.

Wenn Sie Zugang zu Geräten haben, die in der Lage sind, einen stabilen Druck oder Vakuum zu erzeugen, und einige Messungen durchführen können, wäre ich sehr an den Ergebnissen interessiert, insbesondere in Bezug auf die Linearität des Sensors.

Für meine beabsichtigte Verwendung ist es jedoch vollkommen ausreichend, den Sensor auf meine eigene Schluck- und Pustkraft zu kalibrieren ;)

Ich habe etwas Code geschrieben, um die Signalkonditionierung und die Kalibrierung auszuführen. Ihr werdet dies im Download-Bereich dieses Beitrags finden.

Schlussgedanken

Der beschriebene Sensor funktioniert ziemlich gut für seinen vorgesehenen Zweck, und ich denke, er hat ein gewisses Potenzial für DIY-Projekte. Ich habe noch nichts gesehen, das eine ähnliche Technik verwendet, also denke ich, es lohnt sich, darüber zu schreiben und die Idee zu teilen.

Das Drucken des Sensors bietet auch viel Freiheit in Bezug auf seine Form und wie er montiert werden kann. Dies könnte es Ihnen ermöglichen, ein Produkt mit einem maßgeschneiderten Sensor zu bauen, was mit einem kommerziellen Sensor nicht möglich gewesen wäre. Sie könnten den Sensor sogar direkt in das Gehäuse eines Produkts integrieren.

Wenn du diese Idee in einem deiner eigenen Projekte verwendest, würde ich mich freuen, davon zu hören.