Elektroninių svarstyklių svorio jutikliai

Kaip elektroninės svarstyklės žino, kiek sveriate

Kai rytą atsistojate ant vonios kambario svarstyklių arba parduotuvėje sveriate vaisius, turbūt negalvojate apie tai, kokia sudėtinga technologija slypi po jūsų kojomis. Elektroninės svarstyklės atrodo paprasti prietaisai – užlipai, pažiūrėjai į skaičių, nulipai. Tačiau už šio paprastumo slepiasi įdomūs fizikos dėsniai ir inžineriniai sprendimai, kurie per kelias dešimtmetes pakeitė visą svėrimo industriją.

Senųjų mechaninių svarstyklių su spyruoklėmis ir rodyklėmis era baigėsi ne todėl, kad jos blogai veikė, o todėl, kad elektroniniai analogai tapo tikslesni, pigesni ir patikimesni. Širdyje visų šių prietaisų yra nedideli, bet labai jautrūs jutikliai, kurie fizinę jėgą – jūsų svorį – paverčia elektriniu signalu, kurį gali suprasti mikroschemos.

Tenzometriniai jutikliai – pagrindinė technologija

Didžiojoje dalyje šiuolaikinių elektroninių svarstyklių naudojami tenzometriniai jutikliai, angliškai vadinami strain gauge. Jų veikimo principas grindžiamas labai paprasta fizikos taisykle: kai metalas ar kitas laidininkas deformuojamas – tempiamas ar gniuždomas – keičiasi jo elektrinis pasipriešinimas.

Įsivaizduokite ploną metalinį laidą. Kai jį tempiate, jis pailgėja ir suplonėja. Kadangi elektros srovei dabar tenka keliauti per ilgesnį ir plonesnį kelią, pasipriešinimas padidėja. Priešingai, kai laidą gniuždote, jis sutrumpėja ir sustorėja, o pasipriešinimas sumažėja. Šis pokytis yra labai mažas – dažnai tik kelių procentų dalių – bet šiuolaikinė elektronika gali jį išmatuoti su neįtikėtinu tikslumu.

Tikrasis tenzometrinis jutiklis atrodo kaip labai plona folijos juostelė, ant kurios išdėstytas vingiuotas laidininko raštas. Šis raštas primena labirintą – laidininkas eina pirmyn ir atgal daugelį kartų, kad būtų kuo ilgesnis, bet užimtų nedaug vietos. Tokia konstrukcija padidina bendrą pasipriešinimo pokytį, kai jutiklis deformuojamas, o tai reiškia tikslesnį matavimą.

Kaip metalas paverčiamas skaičiumi

Pats tenzometras yra tik viena dalis sudėtingesnės sistemos. Kad gautume tikslų svorio matavimą, reikia kelių komponentų, veikiančių kartu kaip orkestras.

Pirma, tenzometras priklijuojamas prie specialios metalinės konstrukcijos, vadinamos apkrovos elementu. Šis elementas suprojektuotas taip, kad deformuotųsi labai nuspėjamai ir vienodai, kai ant jo užkraunamas svoris. Dažniausiai tai būna aliuminio ar plieno gabalas su specialia forma – gali būti S raidės pavidalo, cilindro ar net sudėtingesnės geometrijos.

Kai ant svarstyklių užlipate, jūsų svoris per platformą perduodamas apkrovos elementui. Tas šiek tiek sulinksta – galbūt tik šimtosios ar net tūkstantosios milimetro dalį – bet to pakanka, kad priklijuotas tenzometras irgi deformuotųsi. Tada pasipriešinimas pasikeičia, ir čia prasideda elektronikos darbas.

Vienas tenzometras paprastai naudojamas kartu su trimis kitais, sudarant tai, kas vadinama Wheatstone tiltu. Tai elektros grandinės schema, kuri leidžia labai tiksliai išmatuoti nedidelius pasipriešinimo pokyčius. Kai vieno tenzometro pasipriešinimas keičiasi, tiltas išbalansuojamas ir sukuria mažą įtampos skirtumą. Šis signalas dar labai silpnas – tik kelios milivoltės.

Toliau signalas patenka į stiprintuvą, kuris jį padidina iki tokio lygio, kad galėtų apdoroti analoginio-skaitmeninio keitiklis (ADC). Šis keitiklis paverčia analoginį elektros signalą į skaitmeninius duomenis – skaičius, kuriuos gali suprasti mikroprocesorius. Galiausiai mikroprocesorius atlieka skaičiavimus, atsižvelgdamas į kalibravimo duomenis, ir parodo rezultatą ekrane.

Kodėl keturi jutikliai geriau nei vienas

Jei kada nors apvertėte vonios kambario svarstykes ir pažiūrėjote į apačią, tikriausiai pastebėjote keturis nedidelius metalinių cilindrų formos daiktus kampuose. Tai ir yra apkrovos elementai su tenzometrais viduje.

Kodėl keturi, o ne vienas? Atsakymas slypi tame, kaip žmonės stoja ant svarstyklių. Niekas nestoja idealiai centre – kartais šiek tiek į priekį, kartais į šoną, kartais ant vieno krašto. Jei būtų tik vienas jutiklis centre, matavimas priklausytų nuo to, kur tiksliai stovite. Keturi jutikliai kampuose išsprendžia šią problemą.

Visi keturi jutikliai sujungti kartu, ir jų signalai sudedami. Nesvarbu, ar stovite centre, ar ant krašto – bendra jėga, kurią registruoja visi keturi jutikliai, lieka ta pati. Jei labiau spaudžiate ant priekinio kairiojo kampo, tas jutiklis registruoja didesnę jėgą, o užpakalinis dešinysis – mažesnę, bet suma išlieka teisinga. Tai labai protingas sprendimas, kuris padaro svarstykes patikimomis ir patogias naudoti.

Pramonėje naudojamose svarstyklėse, kurios gali sverti tonas ar net dešimtis tonų, šis principas dar svarbesnis. Ten gali būti net aštuoni ar daugiau jutiklių, išdėstytų po didele platforma.

Alternatyvios technologijos svėrimo pasaulyje

Nors tenzometriniai jutikliai dominuoja rinkoje, egzistuoja ir kitų įdomių technologijų. Kai kurios svarstyklės naudoja piezoelektrinius jutiklius. Šie jutikliai pagaminti iš specialių kristalų ar keramikos, kuri generuoja elektros įtampą, kai ant jos spaudžiama. Tai tas pats principas, kuris naudojamas dujų viryklių uždegikliuose ar kai kuriuose mikrofono tipuose.

Piezoelektriniai jutikliai turi privalumų – jie labai jautrūs ir gali reaguoti į greitus pasikeitimus. Dėl to jie populiarūs profesionaliose svarstyklėse, kurios analizuoja kūno sudėtį ar net matuoja, kaip jūsų svoris pasiskirsto tarp kairės ir dešinės pusės. Tačiau jie turi ir trūkumą – jie geriau matuoja jėgos pokyčius nei statinę apkrovą, todėl paprastam svėrimui tenzometriniai jutikliai dažnai tinkamesni.

Dar viena įdomi technologija – vibracinio tipo jutikliai. Jie veikia pagal principą, kad įtempta styga vibruoja skirtingu dažniu priklausomai nuo įtempimo. Kai ant svarstyklių užkraunamas svoris, metalinė plokštelė ar stygos tipo elementas labiau įtempiamas, ir jo vibracijos dažnis keičiasi. Išmatavus šį dažnį, galima apskaičiuoti svorį. Tokios svarstyklės labai tikslios ir stabilios ilgą laiką, bet sudėtingesnės ir brangesnės gaminti.

Tikslumas ir kalibravimas – ne tik jutiklio reikalas

Daugelis žmonių mano, kad svarstyklių tikslumas priklauso tik nuo jutiklio kokybės. Iš tikrųjų tai tik dalis lygties. Net su geriausiais jutikliais svarstyklės gali rodyti neteisingai, jei jos netinkamai sukalibruotos.

Kalibravimas – tai procesas, kai svarstyklėms „pasakoma”, kaip versti elektrinius signalus į svorio vienetus. Gamykloje svarstyklės kalibruojamos naudojant etaloninius svorius – labai tiksliai pagamintus metalinius blokus, kurių masė žinoma su didžiuliu tikslumu. Ant svarstyklių dedamas žinomas svoris, ir mikroprocesorius įsimena, kokį signalą duoda jutikliai. Tai kartojama su keliais skirtingais svoriais, ir taip sukuriama kalibravimo kreivė.

Bet štai įdomus dalykas – gravitacija nėra vienoda visoje Žemėje. Ji šiek tiek stipresnė prie polių ir silpnesnė prie pusiaujo, taip pat skiriasi priklausomai nuo aukščio virš jūros lygio. Tai reiškia, kad tas pats objektas skirtingose vietose sveria šiek tiek skirtingai. Labai tikslios svarstyklės, naudojamos mokslinėse laboratorijose ar pramonėje, turi būti kalibruojamos konkrečioje vietoje, kur jos bus naudojamos.

Jūsų vonios kambario svarstyklėms tai nesvarbu – skirtumas per mažas, kad pastebėtumėte. Bet jei gaminate farmacines medžiagas ar brangius metalus, kur kiekvienas gramas turi vertę, tokios smulkmenos tampa svarbios.

Kodėl kartais svarstyklės meluoja

Turbūt pastebėjote, kad kartais svarstyklės rodo skirtingus skaičius, nors svėriatės tą pačią dieną, tuo pačiu metu. Kodėl taip nutinka? Dažniausiai kaltas ne jutiklis, o aplinkos sąlygos ar naudojimo klaidos.

Temperatūra turi didelę įtaką. Metalai plečiasi šildomi ir traukiasi aušdami. Nors tenzometriniai jutikliai suprojektuoti taip, kad kompensuotų temperatūros pokyčius, labai didelis skirtumas vis tiek gali paveikti matavimą. Jei svarstyklės stovi šalia radiatorius ar saulėtoje vietoje, jos gali rodyti netiksliai.

Paviršius, ant kurio stovi svarstyklės, irgi svarbus. Jei grindys nelygios ar minkštos (pavyzdžiui, storas kilimas), svarstyklių platforma gali būti šiek tiek pakreipta, ir apkrova netolygiai pasiskirsto tarp jutiklių. Geriausia svarstykes laikyti ant kieto, lygaus paviršiaus – plytelių ar medinio parketo.

Dar viena dažna problema – svarstyklės nebuvo nustatytos į nulį prieš svėrimąsi. Kai kurios svarstyklės automatiškai nusistatinėja, kai jas įjungiate, bet jei ant jų jau guli kažkas (rankšluostis, dulkės, kas nors), jos gali tai „įsiminti” kaip nulį. Tada jūsų svoris bus išmatuotas netiksliai.

Elektroninės svarstyklės taip pat jautrios vibracijos ir oro srovėms. Labai tikslios laboratorinės svarstyklės, kurios gali matuoti miligramus, dažnai būna specialiuose stiklo gaubtuose, kad apsaugotų nuo oro judėjimo. Net jūsų alsavimas gali paveikti matavimą tokiu tikslumu!

Ateities technologijos ir nauji pritaikymai

Svėrimo technologijos toliau tobulėja. Viena įdomiausių naujovių – optiniai jutikliai, kurie naudoja šviesą vietoj elektros. Šviesos spindulys leidžiamas per specialų optinį pluoštą, kuris šiek tiek deformuojasi, kai ant jo spaudžiama. Deformacija keičia šviesos kelią ar intensyvumą, ir tai galima išmatuoti. Tokios svarstyklės visiškai neveikiamos elektromagnetinių laukų, todėl tinka naudoti medicinos įrenginiuose ar pramonėje, kur yra stiprūs magnetai.

Kita įdomi kryptis – integruoti svarstykes į įvairius kasdienius daiktus. Jau dabar galite nusipirkti virtuvės stalviršį su integruotais jutikliais, kuris automatiškai pasverią viską, ką ant jo padėsite. Yra išmanių lėkščių, kurios matuoja porcijų dydį, ir net kilimėlių, kurie stebi, kaip jūsų svoris keičiasi per dieną.

Medicinos srityje kuriamos svarstyklės, kurios ne tik matuoja svorį, bet ir analizuoja kūno sudėtį – riebalų, raumenų, vandens kiekį. Jos veikia leisdamos silpną elektros srovę per kūną (to visai nejuntate) ir matuodamos pasipriešinimą. Skirtingi audiniai turi skirtingą elektrinį laidumą, todėl galima apskaičiuoti jų santykį. Nors šie matavimai nėra tokie tikslūs kaip profesionalūs medicininiai tyrimai, jie duoda naudingą informaciją apie sveikatą.

Pramonėje vis populiaresnės tampa belaidės svarstyklės, kurios duomenis siunčia tiesiai į kompiuterius ar debesinius serverius. Tai leidžia stebėti procesus realiuoju laiku, automatiškai registruoti matavimus ir net numatyti, kada reikės techninės priežiūros. Jutikliai tampa mažesni, pigesni ir energiją taupantys – kai kurie gali veikti metų metus nuo vienos baterijos.

Ką reikia žinoti renkantis ir naudojant svarstykes

Jei renkate svarstykes, pirmiausia pagalvokite, kam jų reikia. Vonios kambario svarstyklėms pakanka tikslumo iki 100 gramų – tiksliau ir nereikia, nes jūsų svoris per dieną gali svyruoti kilogramą ar daugiau dėl vandens balanso. Virtuvės svarstyklėms geriau rinktis tikslumą iki 1 gramo, ypač jei kepate, kur tikslūs ingredientų kiekiai svarbūs.

Maksimali apkrova irgi svarbi. Neperženkit svarstyklių ribos – tai gali sugadinti jutiklius. Dažniausiai vonios kambario svarstyklės išlaiko iki 150-180 kg, bet yra ir specialių modelių, skirtų didesniems svoriams.

Patikrinkite, ar svarstyklės turi automatinį išsijungimą – tai taupo baterijas. Geros svarstyklės turėtų veikti bent metus nuo vienos baterijos komplekto. Jei pastebėjote, kad baterijos greitai išsenka, tai gali būti ženklas, kad kažkas negerai – galbūt jutikliai ar elektronika veikia neefektyviai.

Periodiškai patikrinkite svarstyklių tikslumą. Galite naudoti žinomo svorio daiktą – pavyzdžiui, 5 kg cukraus maišą ar hantelę. Jei svarstyklės rodo neteisingai, kai kurie modeliai turi kalibravimo funkciją, kurią galite atlikti patys pagal instrukciją. Jei ne – galbūt laikas naujoms svarstyklėms.

Nuo paprasto svėrimo iki išmaniųjų sprendimų

Elektroninių svarstyklių evoliucija rodo, kaip paprasta technologija gali tapti sudėtinga ir universalia. Tai, kas prasidėjo kaip paprastas būdas pakeisti mechanines svarstykes, dabar tapo platforma įvairioms inovacijoms – nuo sveikatos stebėjimo iki pramonės automatizavimo.

Tenzometriniai jutikliai, kurie yra daugumos šių prietaisų širdis, puikiai iliustruoja, kaip fundamentalūs fizikos principai gali būti pritaikyti praktiškai. Metalas, kuris šiek tiek keičia savo elektrinį pasipriešinimą, kai jį deformuoji – atrodo paprasta, bet šis principas leidžia mums matuoti viską nuo kelių gramų iki šimtų tonų su įspūdingu tikslumu.

Žvelgiant į ateitį, svėrimo technologijos taps dar labiau integruotos į mūsų gyvenimą. Jos taps mažesnės, protingesnės ir universalesnės. Bet pagrindinis principas – fizinės jėgos pavertimas elektriniu signalu – greičiausiai išliks tas pats, nes jis tiesiog veikia puikiai. Kartais geriausi sprendimai yra tie, kurie remiasi paprastais, bet patikimais principais, tik pritaikytais šiuolaikinėmis priemonėmis.