Tấm mạch in ( PCB ) khiêm tốn đã tìm thấy một ứng dụng sáng tạo khác - lần này là làm cảm biến đo biến dạng có khả năng đo độ lệch ở phạm vi micromet. Mặc dù khái niệm này đơn giản một cách tinh tế, các cuộc thảo luận trong cộng đồng cho thấy cả sự phấn khích về tính dễ tiếp cận của nó lẫn sự hoài nghi về những hạn chế thực tế đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.
Thiết Kế và Chức Năng
Thiết kế cảm biến đo biến dạng PCB biến đổi chính tấm mạch in thành một phần tử cảm biến, có khả năng đo độ lệch từ micromet đến ±3cm. Có sẵn cả cấu hình cảm biến 4 phần tử và 2 phần tử, trong đó loại sau về lý thuyết cung cấp độ trôi nhiệt thấp hơn và ít sai số sản xuất hơn. Thiết kế này chủ ý thân thiện với người làm, không yêu cầu thiết bị chuyên dụng như máy thổi khí nóng hoặc lò nung hồi lưu để lắp ráp. Người dùng có thể tích hợp vi điều khiển trực tiếp trên board hoặc kết nối với bộ điều khiển bên ngoài thông qua chân cắm header.
 |
|---|
| Trang kho lưu trữ GitHub của dự án cảm biến đo biến dạng PCB, trình bày thiết kế và tài nguyên để lắp ráp |
Thách Thức Đo Lường Chính Xác
Các cuộc thảo luận trong cộng đồng đã tập trung vào việc liệu phương pháp DIY này có thể phục vụ cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như cân có độ chính xác đến miligram. Ý kiến chung chỉ ra những hạn chế đáng kể. Không giống như các cảm biến đo biến dạng thương mại thường sử dụng các phần tử điện trở constantan trên màng polyimide, vật liệu PCB FR4 gây ra những thách thức vốn có do đặc tính hút ẩm và giãn nở nhiệt của nó.
Tất cả các cảm biến đều là nhiệt kế, một số cũng đo những thứ khác nữa.
Nhận xét sâu sắc này tóm tắt một thách thức cơ bản với cảm biến đo biến dạng PCB. Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến các kết quả đo, đòi hỏi hiệu chuẩn cẩn thận và điều kiện hoạt động ổn định. Firmware cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách bao gồm quy trình hiệu chuẩn offset kéo dài 5 giây, với khuyến nghị để board đạt đến sự ổn định nhiệt trong ít nhất 5 phút trước khi hiệu chuẩn cho các phép đo độ nhạy cao.
Cân Nhắc Vật Liệu và Các Giải Pháp Thay Thế
Xu hướng hút ẩm của FR4 và khả năng bị biến dạng cơ học (biến dạng vĩnh viễn dưới tải trọng liên tục) làm dấy lên lo ngại về độ ổn định và khả năng lặp lại lâu dài. Các cảm biến đo biến dạng thương mại thường sử dụng thân thép chính xác vì chúng chống lại sự biến dạng. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác thực sự đến miligram, các thành viên cộng đồng đề xuất các giải pháp thay thế như cân Kibble, thiết kế cuộn dây điện từ, hoặc cảm biến đo biến dạng thương mại, mặc dù đắt hơn nhưng cung cấp độ ổn định tốt hơn trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Thông số kỹ thuật của cảm biến đo biến dạng PCB:
- Kích thước bảng mạch: 20 mm x 118 mm, 2 lớp
- Độ dày khuyến nghị: 0,6mm (có thể điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau)
- Độ rộng đường dẫn tối thiểu: 0,15mm (~6mil)
- Cấu hình cảm biến: cầu 4 phần tử hoặc 2 phần tử
- Phạm vi đo: Từ micromet đến độ võng toàn thang ±3cm
- Bộ gia cố tùy chọn: hình chữ nhật 20 mm x 42 mm (có thể gắn bằng 3M VHB 5906)
Những hạn chế chính:
- Nhạy cảm với nhiệt độ (yêu cầu ổn định nhiệt trên 5 phút)
- Nhạy cảm với độ ẩm (FR4 có tính hút ẩm)
- Khả năng bị biến dạng cơ học khi chịu tải liên tục
- Yêu cầu hiệu chuẩn trước mỗi lần đo chính xác
Ứng Dụng Thực Tế
Mặc dù có những hạn chế đối với đo lường chính xác cao, cảm biến đo biến dạng PCB cung cấp các ứng dụng có giá trị trong trường hợp độ chính xác tuyệt đối ít quan trọng hơn các phép đo tương đối hoặc phát hiện ngưỡng đơn giản. Các tùy chọn tùy chỉnh của dự án, bao gồm công cụ để tạo ra các phần tử cảm biến có hình dạng và độ cong khác nhau, làm cho nó đặc biệt phù hợp cho mục đích giáo dục, tạo mẫu, hoặc các ứng dụng mà phép đo lực xấp xỉ là đủ.
Đối với những người đam mê muốn khám phá phép đo biến dạng mà không cần đầu tư vào các thành phần chuyên dụng, phương pháp này cung cấp một điểm khởi đầu dễ tiếp cận. Tuy nhiên, những người yêu cầu các phép đo nhất quán, đã được hiệu chuẩn trong các điều kiện môi trường khác nhau có thể cần đầu tư vào các giải pháp cảm biến đo biến dạng truyền thống hơn hoặc các công nghệ đo lường thay thế.
Tham khảo: PCB Strain Gauge