3-Leiter-Wägezellen und Wheatstone-Brücken von einer Personenwaage

Ich bin an einem 4H-Projekt beteiligt, das einige Gewichtsmessungen mit Bienenstöcken durchführen möchte, und versuche, einige 3-Leiter-Lastsensoren herauszufinden, um genau das zu tun.

Ich habe vier 3-Leiter-Sensoren (Lastsensoren / Dehnungsmessstreifen) von einer Badezimmerwaage (jeder Sensor war an einer Ecke). Jeder Sensor hat einen roten, schwarzen und weißen Draht. Der Widerstand zwischen dem roten Draht und dem schwarzen oder weißen Draht beträgt 1 kOhm. Der Widerstand zwischen den weißen und schwarzen Drähten beträgt 2 kOhm (der Widerstand zwischen den Leitungen an meinen Wägezellen und jeweils kam mit R-> B = 1 K, R-> W = 1 K, B-> W = 2 k).

Aus diesem Grund wurde mir gesagt, dass jeder 3-Leiter-Lastsensor die Hälfte einer Wheatstone-Brücke darstellt (jeder Sensor enthält zwei 1k-Widerstandszweige).

Ich kann mir die einzelne Wheatstone-Anwendung vorstellen, aber ich bin verwirrt, wie eine Waage funktionieren würde, wenn sie aus zwei Wheatstone-Brücken besteht. Meine Frage ist, wenn dem so ist, warum würde eine Waage zwei Wheatstone-Brücken benötigen (denken Sie daran, dass alle vier 3-Draht-Sensoren von einer Badezimmerwaage stammen)?

Die Person hat Ihnen etwas Irreführendes gesagt. Jeder Sensor könnte gut eine halbe Brücke sein, aber Sie möchten sich jeden Sensor vielleicht als zwei Viertel oder zwei Achtel einer Brücke vorstellen und die Teile mit variablem Widerstand der Sensoren verteilen, um eine ausgeglichene, empfindliche Brücke zu schaffen das misst, was Sie wollen.
Denken Sie daran, dass diese Sensoren für Badezimmerwaagen eine nicht spezifizierte Zeit- und Temperaturdrift aufweisen und daher nicht ideal für Anwendungen vor Ort sind. Sie sollen vor jeder Messung auf Null zurückgesetzt werden, also charakterisieren Sie die Geräte, bevor Sie teure Entscheidungen treffen.

Antworten (4)

Die DMS-Elemente haben einen positiv spannungsempfindlichen Teil und einen negativ spannungsempfindlichen Teil. Wenn Sie sie sorgfältig verdrahten, indem Sie sie umdrehen, damit die stressempfindlichen Teile die Brücke konstruktiv aus dem Gleichgewicht bringen, können Sie alle vier Sensoren ohne zusätzliche Widerstände verwenden. Jonks Link zum Blog-Beitrag unter http://www.nerdkits.com/forum/thread/900/ enthält einen guten Hinweis mit Mongos Diagramm (unten kopiert), und die Kommentare von Jonk - user37977 zu Jonks Antwort helfen ebenfalls.

Grundsätzlich werden zwei diagonal gegenüberliegende Seiten einer Wheatstone-Brücke durch die Elemente mit positiver Dehnung von zwei in Reihe geschalteten Messgeräten gebildet, während die anderen beiden Seiten der Brücke aus den beiden Elementen mit negativer Dehnung gebildet werden.

Durch die Kompression aller positiven Dehnungssensoren werden die aktiven Widerstände reduziert und die Brücke in eine Richtung aus dem Gleichgewicht gebracht, und unter Spannung erhöhen sich die positiven Dehnungswiderstände und ziehen die Brücke in die andere Richtung aus dem Gleichgewicht.

Mondos Bild aus dem Blogbeitrag

Verdrahten Sie alle vier Sensoren in einem großen Ring mit maximalem Widerstand, übereinstimmenden Farben und ignorieren Sie zunächst die Mittelanzapfungsdrähte. Wählen Sie zwei gegenüberliegende Mittelabgriffe als E+ und E- und die verbleibenden zwei Mittelabgriffe als S+, S-. Legen Sie die Erregerspannung an E+/E- aus dem obigen Diagramm an und lesen Sie eine kraftabhängige Spannungsdifferenz an S+/S- ab.

Siehe https://electronics.stackexchange.com/a/75717/30711 für einen guten Schaltplan und Arduino Leonardo + 3-Draht-Wägezellen + INA125P – Analoges Signal Bounce / Noise für ein Schaltbild der farbigen Drähte, die zu einer Wheatstone-Brücke kombiniert werden.

Bearbeiten: Eigentlich bin ich mir nicht sicher, ob die Dreidraht-Wägezellen von OP nur einen aktiven Dehnungsmessstreifen wie in Mongos Diagramm haben. Wenn sie wie die 50-kg-Wägezelle von SparkFuns https://www.sparkfun.com/products/10245 oder Ebays http://www.ebay.com/itm/4pcs-Body-Load-Scale-Weighing-Sensor-Resistance sind -Strain-Half-bridge-Sensors-50kg-/251873576571 Sie haben möglicherweise einen Druck- und einen Spannungsmesser auf der Oberseite. Die Ebay-Site hat ein Diagramm wie:

dreiadrige 50-kg-Wägezelle... was auf Rot-Weiß einen positiven Dehnungsmessstreifen und auf Rot-Schwarz eine negative Dehnung anzeigt. (Beachten Sie, dass die Farbreihenfolge in diesem Diagramm nicht mit der Farbreihenfolge in diesem Bild übereinstimmt. Ich habe ein ähnliches Messgerät mit blau-rot-schwarzen Farben, und der positive Dehnungsmessstreifen ist das rechte Paar, das negative links.) Die Oberfläche auf dem Mittelstab zwischen den gegenüberliegenden gekoppelten E's im Sensor sollte wie ein paralleler Stab wirken und hat Abschnitte unter Druck und unter Spannung, anstatt nur unter Spannung. Im Querschnitt ist die gemessene Stange in der Mitte eine Art Querstück in einer Z-förmigen Feder. In diesem Fall stehen sich die Stämme gegenüber, und wenn sie gut hergestellt sind, die Verringerung des Widerstands im Abschnitt mit negativer Dehnung wird die Erhöhung des Widerstands im Abschnitt mit positiver Dehnung ausgleichen, und der gesamte Weiß-Schwarz-Widerstand sollte konstant sein. Man muss die Brücke noch so einrichten, dass sich die Spannungsteiler bei zusätzlicher Last in entgegengesetzte Richtungen bewegen, und 4 Geräte, die in einer Weiß-zu-Weiß- und Schwarz-zu-Schwarz-Schleife verdrahtet sind, sollten wie oben funktionieren.

Hier ist ein Schema mit den Messgeräten 1-4 als G1 G2, G3, G4 gemäß den obigen Spezifikationen, Anlegen einer Erregung an den Rottönen G1 und G3 und Ablesen der Signale von den Rottönen G2 und G4. Das G4-Messgerät wird etwas mit positiver Dehnung belastet, die den G4+-Widerstand erhöht, und etwas negativer Dehnung, die den G4-Widerstand verringert. Idealerweise würde eine Belastung von G4 mit 25 kg 0,5 mV/V multipliziert mit seiner 2,5-V-Erregerspannung erzeugen, 1,250 mV über Sig+/Sig- erzeugen und R8 auf 1001 Ohm dehnen und R7 wie gezeigt auf 999 Ohm komprimieren. Man könnte die Empfindlichkeit um den Faktor 4 erhöhen, indem man V1 auf die 20-V-Spezifikation (= 2 * 10 V) erhöht (das Schema-/Simulator-Ding ist ziemlich cool.)

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Mit nur zwei Geräten sollte man Weiß-zu-Schwarz und Schwarz-zu-Weiß einhaken, eine Erregungsspannung zwischen diesen beiden Übergängen anlegen und die Unterschiede über den Rottönen ablesen, da eine erhöhte Last eine Seite hoch und die andere Seite niedrig zieht.

Wenn alle Halbbrückensensoren ihren Widerstand beim Anlegen einer Last genau gleich ändern würden, können Sie sehen, dass sie parallel montiert werden könnten - der effektive End-to-End-Widerstand würde von 2 kOhm auf 1 kOhm fallen, aber das ist von keine Auswirkung auf eine Brückenmessschaltung. Selbst wenn es Unterschiede im Widerstand zwischen zwei parallel geschalteten Geräten gibt, würde ich darauf wetten, dass der eingeführte Fehler unbedeutend ist.

Vielleicht haben sie zwei Wheatstone-Brücken und zwei Differenzverstärker verwendet und die Signale intern summiert, um einen Durchschnitt zu erhalten, aber ich bezweifle es, weil die Kosten für sie ein Problem darstellen würden.

Warum konnten sie nicht zwei Halbbrücken und zwei Dummy-Wägezellen verwenden? Es ist wahrscheinlich billiger und genauer, vier Halbbrücken zu verwenden.

Ist das eine Antwort oder eine Vermutung? Das Gesamtgewicht auf einer Badezimmerwaage ist die Summe der Gewichte auf jeder Stütze (die nicht unbedingt gleich sein müssen), und vier Stützen werden für maximale Stabilität beim Betreten oder Verlassen der Waage verwendet. Daher werden vier Wägezellen verwendet und ihre Ausgaben werden geeignet summiert.
@DaveTweed Nein, es ist keine Vermutung. Ich habe vorher Messgeräte parallel verwendet und sie funktionieren gut.
Wie wäre es dann mit einer Umformulierung, um all das „Ich wette“, „Vielleicht“, „Ich bezweifle“, „wahrscheinlich“ usw. zu eliminieren?
@DaveTweed Es ist eine Weile her (wahrscheinlich um 1990) und ich kann mich nicht erinnern, wie sich das Fehlermaterial entwickelt hat und ob eine nichtlineare Kompensation erforderlich war oder nicht. Ich glaube nicht, aber angesichts meiner Zweifel in diesem Bereich und weil ich nicht vor einem Simulator sitze, um es zu überprüfen (auf die faule Art), werde ich es so lassen, bis ich sicherer bin.

Ich denke, Omega kann eine mögliche Erklärung und ein Schema diskutieren.

Vier Dehnungsmessstreifen werden verwendet, um maximale Empfindlichkeit und Temperaturkompensation zu erreichen. Zwei der Messgeräte stehen normalerweise unter Spannung und zwei unter Druck und sind mit Kompensationseinstellungen verdrahtet, wie in Abbildung 7-2 gezeigt (Hrsg.: siehe unten). Wenn Gewicht aufgebracht wird, ändert die Dehnung den elektrischen Widerstand der Messgeräte proportional zur Ladung.

Omega-DMS-Diagramm

Quelle von Omega für die obige Beschreibung

Ich habe auch einen Blog von 2010 gefunden, der auch helfen könnte.
Blog über das Hacken von Dreidraht-Skalenmessgeräten

Die Schaltung vom Ende des Blogs sieht nach einer Möglichkeit aus. Er schlägt vor, dass die vier 3-Leiter-Wägezellen tatsächlich zu einer großen Wheatstone-Brücke verdrahtet werden, wobei die Weißen miteinander verdrahtet sind, die Schwarzen zusammen verdrahtet sind und die Roten als E +, E-, S +, S- verwendet werden. Nie darüber nachgedacht. Ich werde sehen, dass das funktioniert (hoffentlich am Wochenende). Danke für die Information.
Ja, das ist mir auch aufgefallen!
Ich frage mich, ob es wichtig ist, welche roten Drähte für S+ und S- (die Zehen- oder Fersenkabel) und welche für E+ und E- verwendet werden?
Sollte egal sein. Es ist symmetrisch und es gibt keine PN-Übergänge, um die man sich Sorgen machen müsste. Sie werden jedoch wahrscheinlich eine Schaltung benötigen, um das Beste daraus zu machen. Nicht nur ein ADC-Eingang und Code.
Wenn alle Messgeräte unter Spannung stehen oder alle Messgeräte unter Druck stehen, müssen Sie darauf achten, wie Sie sie anschließen, damit sie sich nicht gegenseitig aufheben. Das Diagramm des Blogbeitrags ist gut darin – es gibt zwei stressempfindliche Rs zwischen E+ und S- und zwei stressempfindliche Rs zwischen E- und S+, wobei die gepaarten unempfindlichen auf den anderen Beinen liegen. Wenn dann alle Messgeräte gleichzeitig zusammengedrückt werden, fällt R ab und S- wird zu E+ gezogen und S+ wird zu E- gezogen. Oder umgekehrt mit Spannung. Cool.

Wie Sie diese Arbeit machen, ist, jeden Dehnungsmessstreifen in eine vollständige Wheatstone-Brücke zu verwandeln, indem Sie feste 1k-Widerstände verwenden, um die andere Hälfte zu bilden. Auf diese Weise nimmt die Waage das Gewicht an jeder der vier Ecken und addiert es zum Gesamtgewicht auf der Platte.

3-Leiter-Wägezellen und Wheatstone-Brücken von einer Personenwaage
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