Hướng dẫn thu thập và xử lý tín hiệu của Loadcell với LabVIEW

Tài liệu này tổng hợp 1 số kiến thức về cảm biến lực Loadcell trên một số nguồn đáng tin cậy. Đặc biệt là hướng dẫn thu thập tín hiệu từ của cảm biến lực lên máy tính một cách dễ dàng sử dụng Card Hocdelam USB 9090 nhằm giúp các bạn mới và muốn làm quen với cảm biến lực loacell: Có được cái nhìn tổng quan nhất về loại cảm biến này Dễ dàng thu thập tín hiệu từ bất cứ loại cảm biến nào lên máy tính Dễ dàng xử lý nhiễu của tín hiệu cảm biến lực Loadcell

HƯỚNG DẪN:

THU THẬP TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN LOADCELL

LÊN MÁY TÍNH

1 Loadcell là gì?

Loadcell là những cảm biến dùng để đo lực (khối lượng, mô-men xoắn) Khi lực được tác dụng lên một loadcell, loadcell sẽ chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện Các loadcell cũng được biết đến như là "đầu dò tải" (load transducer) bởi

vì nó cũng có thể chuyển đổi một tải trọng (lực tác dụng) thành tín hiệu điện

2 Cấu tạo và hoạt động của Loadcell?

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Load", phần thứ

2 là "Strain gage” “Load” là phần sẽ chịu tải trọng của việc đo lực chính vì thế mà

tùy vào tải trọng tối đa cần đo mà người ta sẽ làm Load bằng các vật liệu khác nhau, với tải trọng cần đo chỉ vài kg thì vật liệu của Load có thể được làm bằng nhôm nhưng với các tải trọng hàng tấn thì Load thường được cấu tạo bằng hợp kim thép không rỉ để phù hợp trong môi trường công nghiệp khó khăn nhất như cân xe tải

Strain gauge là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi

bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên

“Load”

Subject: Technical Course

Target: Internal Date of issue: 06/2014

By: Ks Lê Toàn

Tài liệu này tổng hợp 1 số kiến thức về cảm biến lực Loadcell trên một số nguồn đáng tin cậy Đặc biệt là hướng dẫn thu thập tín hiệu từ của cảm biến lực lên máy tính một cách dễ dàng sử dụng Card Hocdelam USB 9090 nhằm giúp các bạn mới

và muốn làm quen với cảm biến lực loacell:

- Có được cái nhìn tổng quan nhất về loại cảm biến này

- Dễ dàng thu thập tín hiệu từ bất cứ loại cảm biến nào lên máy tính

- Dễ dàng xử lý nhiễu của tín hiệu cảm biến lực Loadcell

Hình: 1 loại Strain gauge

R= Điện trở strain gauge (Ohm)

L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

S = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)

ƿ = Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

Strain gauge được dán chết lên “Load”

Hoạt động:

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở

Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống

Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động

Tìm hiểu thêm về Strain gauges xem tại đây:

3 Hướng dẫn kiểm tra loadcell bằng đồng hồ VOM

Xem tại: http://www.youtube.com/watch?v=6WXWyZRmlx0

4 Các Thông số quan trọng của Loadcell

Tham khảo tại: http://canotodientu.vn/tu-van/loadcell.html

5 Hướng dẫn thu thập và xử lý tín hiệu của cảm biến Loadcell

Để thu thập được tín hiệu từ cảm biến Loadcell bạn cần chuẩn bị:

- Phần cứng: 1 cảm biến Loadcell, 1 mạch khuếch đại tín hiệu điện áp, 1 mạch giao

tiếp máy tính, nguồn nuôi cho cảm biến (có thể lấy nguồn ra 5V từ mạch giao tiếp máy tính) và dây diện, tua-vít, kìm cắt dây Chi tiết phần cứng được dùng trong hướng dẫn này:

(VNĐ)

2 Mạch khuếch đại điện áp HDL-

VAmp

(tham khảo thêm tại:

www.sanpham.hocdelam.org)

3 Mạch giao tiếp máy tính Hocdelam USB 9090

(tham khảo thêm tại:

www.sanpham.hocdelam.org)

4 Dây điện, tuavit, kìm cắt dây 1

- Phần mềm: LabVIEW, Matlab, VB… (bạn chọn phần cứng của nhà sản xuất nào thì

cần biết driver của họ có hỗ trợ phần mềm bạn đang dùng hay không?) Trong hướng dẫn này chúng ta sẽ sử dụng phần mềm LabVIEW

Hãy thực hiện trình tự các bước dưới đây bạn sẽ có thể thu thập và xử lý được tín hiệu từ cảm biến Loadcell:

Bước 1: đấu nối phần cứng theo sơ đồ sau:

Tín hiệu điện áp ra của Loadcell là rất nhỏ, lấy ví dụ cho 1 Loadcell có tải trọng lớn nhất là 1 tấn, có ngưỡng điện áp ra là 2mV/V, nếu bạn cấp điện áp vào Vcc=10V thì ngưỡng điện áp ra là 0-2*10 <-> 0-20mV, quá nhỏ để có thể đọc được với các đầu

đo Analog (thông thường đầu đo Analog của các thiết bị đọc hiện nay có độ phân giải

là từ 8 đến 16bit, nếu là 10bit thì mức điện áp tối thiểu mà thiết bị đo có thể đọc được là: 5/2^10~5mV do đó chỉ có 4 giá trị ADC (tương đương 20mV) được đưa lên máy tính và độ sai số sẽ tương đương 1/4 tấn~250kg (sai số quá lớn)

Các thiết bị đăng kiểm hiện nay nếu có dung sai khoảng 0.01% thì sai số sẽ là 100gam cho 1 tấn Đó là lý do chúng ta cần khuếch đại tín hiệu điện áp ra của Loadcell

Dùng card HDL USB 9095 (16bit ADC) để đọc 1 loadcell có tải trọng lớn nhất là 1 tấn thì tín hiệu đọc sai số có thể là: 1000kg/(2^16) ~ 0,015kg =15gam Độ chính xác rất cao

Dùng card HDL USB 9090 (10bit ADC) để đọc 1 chú loadcell 1 tấn thì tín hiệu đọc sai

số có thể là: 1000kg/(2^10) ~ 1kg phù hợp cho các ứng dụng đo kiểm có dung sai dưới 1kg

Mạch đã được đấu nối và kết nối với máy tính:

Bước 2: Lập trình đọc tín hiệu cảm biến lực loadcell lên máy tính

Để đọc được tín hiệu từ cảm biến lực loadcell lên máy tính đầu tiên các bạn cần chắc chắc các vấn đề sau đây:

- Card Hocdelam USB 9090 đã được cài đặt driver và cấu hình kết nối thành công với máy tính Xem hướng dẫn sử dụng USB 9090 tại:

http://www.mediafire.com/view/14ykbvj3q7nwe68/Huong_dan_su_dung_HDL_USB_9 090.pdf

- Phần mềm LabVIEW đã được cài đặt (phiên bản 2009 hoặc 2012)

Sau khi đã cài đặt xong phần mềm, chúng ta khởi động LabVIEW lên:

Lấy hàm giao tiếp với thiết bị ngoại vi: IO Hocdelam USB 9090 LabVIEW 2009:

Right – Click vào cửa sổ Block Diagram >> Slect a VI >> IO Hocdelam USB 9090 LabVIEW 2009.vi:

Sau đó bạn phải khai báo đầu vào cho hàm I/O: Right – Click lên chần USB Card của

hàm I/O >>Create >> Control:

Tiếp tục bạn lấy 1 Indicator dạng numberic và 1 indicator dạng Chart (đồ thị) nối vào chân ADC1 của hàm giao tiếp (trên phần cứng chúng ta đã đấu nối chân V_out của mạch khuếch đại vào chân ADC1 của card 9090 nên chúng ta sẽ lấy được tín hiệu của cảm biến từ chân ADC1 từ hàm I/O, xem thêm hướng dẫn sử dụng thiết bị Hocdelam USB 9090 để biết các sử dụng)

Cuối cùng chúng ta xổ chọn USB Card Name và chạy chương trình:

Khi chưa có tải trọng tác dụng: ADC = 0

Khi có tải trọng tác dụng lên Loadcell (dùng tay nhấn):

Ta thấy ADC thay đổi:

Chúng ta chú ý: Mạch khuếch đại có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại cho nên tùy vào dải tải trọng (tối đa bao nhiêu kg) mà chúng ta điều chỉnh hệ số khuếch đại sao cho dải ADC của chúng ta đưa về càng lớn càng tốt Tuy nhiên cũng chú ý, khi tín hiệu được khuếch đại cũng đồng nghĩa nhiễu đi theo tín hiệu cũng được khuếch đại, lúc này ta cần xử lý nhiễu sao cho tín hiệu của chúng ta giảm nhiễu mà vẫn đảm bảo độ trễ tín hiệu (là sự trễ pha tín hiệu cũng giống như tốc độ thu thập tín hiệu của phần mềm) nằm trong giới hạn cho phép

Điều chỉnh hệ số khuếch đại (GAIN) cho mạch khuếch đại điện áp

Nếu phóng lớn đồ thị lên ta có thể quan sát thấy đường tín hiệu không được mịn như

đồ thị bên dưới:

Bây giờ chúng ta xử lý nhiễu này bằng cách sử dụng hàm Sample Variance PtByPt:

Đặt hằng số sample bằng 20 và khởi tạo hàm While-Loop cho chương trình ta được kết quả thu thập và xử lý như sau:

Cần chọn hằng số sample cho phù hợp để đường tín hiệu mịn và đáp ứng được yêu cầu về độ trễ Theo kinh nghiệm tôi thường để sample bằng 20 So sánh 2 tín hiệu trước và sau khi xử lý nhiễu bằng phần mềm:

Đường màu đỏ là đường tín hiệu sau xử lý nhiễu, đường màu trắng là đường tín hiệu chưa qua xử lý nhiễu

Trên đây là tín hiệu số chúng ta đưa về, để chuyển đổi về giá trị lực (Newton hay kg) thì bạn cần đặt tải trọng lớn nhất của bạn lên Loadcell sau đó lập trình theo công thức:

F(N) = [ADC*L(max)]/ADC(max) Trong đó:

F(N): lực đo được

ADC: giá trị số mà thiết bị đo đưa về (ở đây là Hocdelam USB 9090)

L(max): Tải trọng lớn nhất

ADC (max): giá trị số ứng với L(max)

Ví dụ: khi chúng ta cân trọng lớn nhất là 50kg (500N) và điều chỉnh hệ số khuếch đại Gain sao cho giá trị thấy được trên ADC1 là 1000 thì ADC(max) = 1000, suy ra:

F(N)=[ADC*500]/1000=?

Nếu ADC hiện tại =500 thì F(N)=(500*500)/1000=250N

Như vậy trên đây chúng ta đã được làm quen với việc thu thập và xử lý tín hiệu của cảm biến Loadcell với máy tính sử dụng thiết bị giao tiếp máy tính Hocdelam USB

9090 và mạch khuếch đại HDL Vamp Nếu có bất gì khó khăn, thắc mắc các bạn có thể liên hệ tới bô phận hỗ trợ kĩ thuật của chúng tôi để tư vấn kịp thời!

Nguồn tham khảo:

www.hocdelam.org

www.candientucaocap.com

www.loadcell.com.vn

www.google.com

-

Hocdelam Group

Hotline: 0909.979.011

Email: hocdelam2013@gmail.com

Website:

- Trang chủ: www.hocdelam.org

- Đào tạo: www.cep.hocdelam.org

- Sản phẩm: www.sanpham.hocdelam.org

- Facebook: https://www.facebook.com/nhom.hocdelam

Hocdelam.org