2025-11-28
Wewnętrzna struktura i zasada działania czujnika wagowego/napięciowego
Czujnik wagowy to urządzenie służące do pomiaru siły. Pod wpływem siły zewnętrznej generuje sygnał elektryczny na wyjściu. Czujnik wagowy tensometryczny jest jednym z najczęściej stosowanych typów do pomiaru wagi. Ten artykuł przedstawi zasadę działania czujników wagowych i ich różne specyfikacje.
**Co to jest czujnik wagowy?**
Czujnik wagowy to rodzaj przetwornika siły. Czujnik to urządzenie, które przekształca jedną formę energii w czytelny sygnał elektryczny. Dokładniej, czujnik wagowy przekształca siłę w napięcie, które może być odczytane przez urządzenia elektroniczne. Najczęściej używanym czujnikiem wagowym w życiu codziennym jest typ tensometryczny, który występuje w prawie wszystkich urządzeniach mierzących wagę.
**Jak działa czujnik wagowy?**
Czujnik wagowy zawiera niezwykle cienki materiał rezystancyjny przymocowany do elastycznego podłoża. Kiedy siła zewnętrzna działa na korpus czujnika wagowego, elastyczne podłoże ulega deformacji, zmuszając również materiał rezystancyjny do deformacji. Wraz ze zmianą wymiarów ścieżek rezystancyjnych, zmienia się również ich rezystancja elektryczna.
Jednak zmiana rezystancji jest bardzo mała w porównaniu z pierwotną całkowitą rezystancją materiału – zazwyczaj rzędu 1:100. To sprawia, że bezpośredni pomiar rezystancji bezwzględnej jest bardzo trudny. Dlatego materiał rezystancyjny na elastycznym podłożu jest ułożony w strukturę obwodu zwaną mostkiem Wheatstone'a. Mostek Wheatstone'a (nazwany na cześć jego twórcy, Charlesa Wheatstone'a) to układ rezystorów w kształcie rombu, z jednym rezystorem po każdej stronie, jak pokazano na poniższym rysunku:
Napięcie wzbudzenia jest przykładane do jednej pary przeciwległych narożników rombu, a sygnał napięcia wyjściowego można odczytać z drugiej pary. Zazwyczaj, gdy nie jest przykładana żadna siła zewnętrzna, wszystkie rezystory mają tę samą wartość. Każda "noga" mostka Wheatstone'a działa jako rezystancyjny dzielnik napięcia. Ponieważ wszystkie rezystancje są równe, napięcie wyjściowe z każdej nogi jest również równe – co oznacza, że wyjście różnicowe wynosi 0V, ponieważ punkty wyjściowe znajdują się w połowie każdego dzielnika. Kiedy przykładana jest siła zewnętrzna, rezystancja jednego z rezystorów zmienia się, zmieniając napięcie na tej nodze. Powoduje to pojawienie się małej różnicy napięcia na wyjściu.
**Jak używać czujnika wagowego?**
Napięcie wyjściowe czujnika wagowego jest bardzo małe i pochodzi ze źródła o wysokiej impedancji (tj. dzielników rezystancyjnych). Dlatego, aby dokładnie odczytać napięcie, niezbędne jest przetwarzanie sygnału. Obwód przetwarzania sygnału musi mieć wysoką impedancję wejściową, aby uniknąć obciążania dzielników, wysoki współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego, ponieważ napięcie bezwzględne na każdej nodze wynosi połowę napięcia wzbudzenia, a także wysokie wzmocnienie różnicowe. Wymaga to użycia wzmacniacza instrumentalnego, który spełnia wszystkie powyższe kryteria. Poniższy rysunek przedstawia przykładowy obwód wykorzystujący wzmacniacz instrumentalny AD620 o wzmocnieniu 100, co oznacza, że na każde 1 mV napięcia wejściowego, wyjście wyniesie 100 mV. Na przykład, jeśli wyjście pełnej skali mostka wynosi ±25 mV, wyjście wzmacniacza wyniesie ±2,5 V.
**Cyfrowe czujniki wagowe**
Aby pokonać wyzwania techniczne związane z używaniem analogowych czujników wagowych, można wybrać cyfrowe czujniki wagowe z interfejsami takimi jak UART i RS485. Czujniki te obsługują standardowy protokół komunikacyjny MODBUS-RTU, umożliwiając łatwe połączenie z urządzeniami takimi jak PLC, komputery, moduły wyświetlaczy i bezprzewodowe jednostki transmisji danych.
