Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 17:04:55
Доя 3D принтера существует способ определения карты высот стола по пьезо-датчикам. Они клеятся на стол и при касании сопла датчики генерируют сигнал. Этот сигнал поступает на устройство, которое должно давать положительный импульс. Схема самых ранних версий этого устройства приведена ниже, а схема современной платы недоступна.
Один корпус дает опорную половину питания на каскад, именуемый "усилителем заряда". Туда же поступает сигнал с датчика. Компаратор сравнивает с другим опорным (типа регулировка чувствительности) и дает импульс, если есть превышение. Это в теории.
На практике схема работает крайне неустойчиво, хотелось бы разобраться, как она должна работать. Я прозвонил плату и определил дополнительные каскады и элементы. Я слаб как схемотехник, может, кто поможет разобраться.
Рекомендованная настройка идет по светодиодам: красный у компаратора и зеленый на выходе диодных сборок. Изначально горит зеленый. Подстроечником компаратора добиваемся переключения с зеленого на красный. При нажатии на стол должен погаснуть красный и моргнуть зеленый. На выходе при этом положительный импульс, а на выходе каскада при горящем красном высокий уровень, при моргании зеленого появляется отрицательный импульс (по осциллографу). Если чувствительность низкая, красный гаснет, а зеленый не загорается. Система при этом не срабатывает.
Плиз, поясните, что это за каскад дополнительный ввели? И что за хитрая схема выхода через диодные матрицы? На входе защита, а здесь зачем?
Возможная неточность: я не смог определить полярности диодов.
Один корпус дает опорную половину питания на каскад, именуемый "усилителем заряда". Туда же поступает сигнал с датчика. Компаратор сравнивает с другим опорным (типа регулировка чувствительности) и дает импульс, если есть превышение. Это в теории.
На практике схема работает крайне неустойчиво, хотелось бы разобраться, как она должна работать. Я прозвонил плату и определил дополнительные каскады и элементы. Я слаб как схемотехник, может, кто поможет разобраться.
Рекомендованная настройка идет по светодиодам: красный у компаратора и зеленый на выходе диодных сборок. Изначально горит зеленый. Подстроечником компаратора добиваемся переключения с зеленого на красный. При нажатии на стол должен погаснуть красный и моргнуть зеленый. На выходе при этом положительный импульс, а на выходе каскада при горящем красном высокий уровень, при моргании зеленого появляется отрицательный импульс (по осциллографу). Если чувствительность низкая, красный гаснет, а зеленый не загорается. Система при этом не срабатывает.
Плиз, поясните, что это за каскад дополнительный ввели? И что за хитрая схема выхода через диодные матрицы? На входе защита, а здесь зачем?
Возможная неточность: я не смог определить полярности диодов.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 18:24:00
Как я понял, дополнительный каскад удлиняет полученный с дифференциатора импульс примерно на сто миллисекунд (можно точно посчитать, но лениво). Фронт импульса, соответствующий касанию, остаётся практически на месте, а другой, после отпускания, задерживается.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 19:57:46
То есть как одновибратор на случай очень коротких превышений порога компаратора, наверное.
И если не трудно, как работает каскад диодных сборок и какую функцию он выполняет? Я чего в схему-то полез: в результате экспериментов зеленый стал загораться, а когда ткнул на выход осциллограф, там пусто. Спалил чего-то?
Вообще моя мечта выкинуть эту плату. Очень капризна система к расположению датчиков. Их всего четыре, и при нажатии в разных точках стола (он на трех опорах подшипниках) где-то появляется вогнутость, а где-то выпуклость. Соответственно, разные знаки с датчиков, которые смешиваются и снижают суммарную амплитуду. Есть ли схемы на ОУ, которые реагируют на нарастание напряжение на входе независимо от его полярности? Тогда можно было бы на каждый датчик такую поставить и дальше вывести их на раздельные входы любого контроллера
И если не трудно, как работает каскад диодных сборок и какую функцию он выполняет? Я чего в схему-то полез: в результате экспериментов зеленый стал загораться, а когда ткнул на выход осциллограф, там пусто. Спалил чего-то?
Вообще моя мечта выкинуть эту плату. Очень капризна система к расположению датчиков. Их всего четыре, и при нажатии в разных точках стола (он на трех опорах подшипниках) где-то появляется вогнутость, а где-то выпуклость. Соответственно, разные знаки с датчиков, которые смешиваются и снижают суммарную амплитуду. Есть ли схемы на ОУ, которые реагируют на нарастание напряжение на входе независимо от его полярности? Тогда можно было бы на каждый датчик такую поставить и дальше вывести их на раздельные входы любого контроллера
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 21:30:03
Давайте я просто опишу работу схемы, как я себе её представляю, а выводы вы уже делайте сами, исходя из имеющегося опыта и оборудования под лапой - у меня-то нет ни того, ни другого. Итак, поехали. Анализировать будем вторую схему, отличие которой от первой при взгляде по диагонали - только добавленный каскад.
1. IC1B - повторитель напряжения. Просто делает на своём выходе напряжение, равное половине напряжения питания, и ничего более.
2. IC1A - обозван дифференциатором. На самом деле - обычный неинвертирующий усилитель напряжения с ограниченной полосой пропускания (фильтр НЧ), коэффициент усиления его около 5. Я так понимаю, функцию дифференцирования, точнее, её жалкое подобие, выполняет подгрузка пьезодатчиков: резистор VR1. На выходе этого усилителя сигнал по моему пониманию должен быть такой: короткий (длительность зависит от установки VR1 и свойств датчиков) импульс амплитудой, зависящей от силы нажатия на датчик, направленный вверх (то есть положительный) при надавливании на датчик и направленный вниз (отрицательный) при отпускании датчика. В остальное время напряжение равно половине напряжения питания.
3. IS1D - компаратор. Его задача - сформировать импульс максимальной амплитуды в интересующий юзера момент - то есть, как я себе понимаю, при прикосновении к датчику. Значит, порог компаратора должен быть установлен на напряжение чуть выше половины напряжения питания. Как только усилитель выдаст положительный импульс, компаратор сформирует на своём выходе мощный нулевой уровень (исходное состояние на его выходе - высокий уровень), светодиод LED1 коротко пыхнет, конденсатор C2 разрядится через неназванный диод и, пока он не зарядится через резистор R9, на выходе IC1C будет высокий уровень сигнала.
4. А дальше - непонятно. Кто-то что-то наворотил с теми диодами, так не делается. Подозреваю, что просто схема неверно срисована.
1. IC1B - повторитель напряжения. Просто делает на своём выходе напряжение, равное половине напряжения питания, и ничего более.
2. IC1A - обозван дифференциатором. На самом деле - обычный неинвертирующий усилитель напряжения с ограниченной полосой пропускания (фильтр НЧ), коэффициент усиления его около 5. Я так понимаю, функцию дифференцирования, точнее, её жалкое подобие, выполняет подгрузка пьезодатчиков: резистор VR1. На выходе этого усилителя сигнал по моему пониманию должен быть такой: короткий (длительность зависит от установки VR1 и свойств датчиков) импульс амплитудой, зависящей от силы нажатия на датчик, направленный вверх (то есть положительный) при надавливании на датчик и направленный вниз (отрицательный) при отпускании датчика. В остальное время напряжение равно половине напряжения питания.
3. IS1D - компаратор. Его задача - сформировать импульс максимальной амплитуды в интересующий юзера момент - то есть, как я себе понимаю, при прикосновении к датчику. Значит, порог компаратора должен быть установлен на напряжение чуть выше половины напряжения питания. Как только усилитель выдаст положительный импульс, компаратор сформирует на своём выходе мощный нулевой уровень (исходное состояние на его выходе - высокий уровень), светодиод LED1 коротко пыхнет, конденсатор C2 разрядится через неназванный диод и, пока он не зарядится через резистор R9, на выходе IC1C будет высокий уровень сигнала.
4. А дальше - непонятно. Кто-то что-то наворотил с теми диодами, так не делается. Подозреваю, что просто схема неверно срисована.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 22:56:58
Спасибо. Попробую в третий-четвертый раз срисовать схему. Меня она тоже удивила, проверял не раз. Возможно-таки ошибся.
По второй части моей затеи - существуют ли стандартные решения, детектирующие модуль входного напряжения, или скорости его нарастания? Дифференциатор, как я понял, знак изменения учитывает. А надо, чтобы не учитывал.
По второй части моей затеи - существуют ли стандартные решения, детектирующие модуль входного напряжения, или скорости его нарастания? Дифференциатор, как я понял, знак изменения учитывает. А надо, чтобы не учитывал.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 23:06:30
Что вам надо? Чтобы выходной импульс был как при касании датчика, так и при отпускании? Я бы поставил тогда два компаратора - один срабатывает на положительный импульс, другой на отрицательный, оба выхода можно сложить диодами.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 23:48:10
Проблема вот какая: непонятно, куда датчики ставить. При проведении теста по площади стола на поверхности может быть и впуклость, и выпуклость. Вот мы прикинули в Ansys распределение удлинений при нагружении разных точек стола:
То есть в разных точках теста при нагружении в одну сторону одни и те же датчики могут давать и положительный, и отрицательный сигнал. Но в нашем случае знак не важен, важен факт касания, то есть начала изменения в любую сторону. Вот это и надо поймать. Компараторы нужны: ими отсекаются шумы. Но исходный сигнал слабый: сопло продавливает стол на сотые мм. До компаратора его еще усилить надо, громоздко получается.
То есть в разных точках теста при нагружении в одну сторону одни и те же датчики могут давать и положительный, и отрицательный сигнал. Но в нашем случае знак не важен, важен факт касания, то есть начала изменения в любую сторону. Вот это и надо поймать. Компараторы нужны: ими отсекаются шумы. Но исходный сигнал слабый: сопло продавливает стол на сотые мм. До компаратора его еще усилить надо, громоздко получается.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Ср апр 14, 2021 23:55:22
Ну тогда делайте, как я сказал. В вашей схеме (для определённости говорим о первой): добавляете ещё каскад на оставшемся четвёртом элементе - такой же компаратор, только его входы меняете местами. Разумеется, крутилка установки порога с обвязкой у него должна быть своя. На входы обоих компараторов подаёте один и тот же сигнал, к выходу каждого ставите последовательный диод анодом к оперу, катоды соединяете вместе - это и будет выход.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Чт апр 15, 2021 00:31:43
Но это же к каждому датчику придется ставить. Очень громоздко
Я вот о каком варианте думаю: каждый датчик подключен к своему "дифференциатору-усилителю". На их выходах сигнал, который в покое равен половине питания, а при положительном или отрицательном напряжении с датчика будет болтаться вокруг этого значения, если rail-to-rail (так кажется - забыл уже), то от ноля до питания. И его уже подавать на аналоговый вход контроллера, пусть даже нано. Дальше кодить.
Кстати, возможно, на выходе не диодные сборки, а BSS138. Тогда затворы подключены к выходу 1 последнего ОУ, истоки сидят на земле, сток первого идет на выход (открытый!), второго к точке соединения резистора (к питанию) и LED (к земле).
ХА!!!!! Тогда понятно, почему я не вижу на осциллографе сигнала! Плата ведь отключена от принтера, а выход полевика открытый! вот чучело...
Я вот о каком варианте думаю: каждый датчик подключен к своему "дифференциатору-усилителю". На их выходах сигнал, который в покое равен половине питания, а при положительном или отрицательном напряжении с датчика будет болтаться вокруг этого значения, если rail-to-rail (так кажется - забыл уже), то от ноля до питания. И его уже подавать на аналоговый вход контроллера, пусть даже нано. Дальше кодить.
Кстати, возможно, на выходе не диодные сборки, а BSS138. Тогда затворы подключены к выходу 1 последнего ОУ, истоки сидят на земле, сток первого идет на выход (открытый!), второго к точке соединения резистора (к питанию) и LED (к земле).
ХА!!!!! Тогда понятно, почему я не вижу на осциллографе сигнала! Плата ведь отключена от принтера, а выход полевика открытый! вот чучело...
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Чт апр 15, 2021 08:17:14
Но это же к каждому датчику придется ставить. Очень громоздко
А нельзя ли тупо запараллелить все датчики на один вход одного такого устройства? Они же - пьезопластины, по какой тюкнет, та и даст импульс.Кстати, возможно, на выходе не диодные сборки, а BSS138.
Вот это - скорее всего именно так. Не обязательно 138, может быть любой мосфет в SOT23.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Чт апр 15, 2021 08:52:31
Стол нагружают ведь не прямо на датчики. При нагрузке пластина деформируется и сигнал идет ото всех датчиков, но в разной степени, и, как оказалось, с разными знаками
На корпусах маркировка J1
На корпусах маркировка J1
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Чт апр 15, 2021 09:36:27
Кстати - а что за датчики применены ?
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Чт апр 15, 2021 10:10:48
Обычные диски 27 и 35мм
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Чт апр 15, 2021 12:12:51
При нагрузке пластина деформируется и сигнал идет ото всех датчиков, но в разной степени, и, как оказалось, с разными знаками
Ну тогда каждому датчику - свой усилитель и компаратор (источник половины напряжения питания вполне может быть общим для всех). Если компаратор должен быть "двухполярный" (реагировать и туда, и сюда), то придётся делать много мелких устройств, каждое для своего датчика, плюс общее, которое будет собирать с них сигналы и кормить их половиной питания. Или каждый компаратор настраивать на определённый знак сигнала (джамперами), тогда может быть одна платка на два датчика.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Сб апр 17, 2021 21:22:44
Прошу еще раз участия.
Если сузить задачу и фиксировать сигнал не любой полярности, а только одной, какие входные усилители должны быть? Можно ли использовать ту же схему, но не создавать среднюю точку в полпитания? То есть один выход пьезо просто сажать на землю? Но датчики по-прежнему будут давать в разных режимах то положительный импульс, то отрицательный. Будет ли что плохого, если на вход ОУ придет отрицательное напряжение?
Если сузить задачу и фиксировать сигнал не любой полярности, а только одной, какие входные усилители должны быть? Можно ли использовать ту же схему, но не создавать среднюю точку в полпитания? То есть один выход пьезо просто сажать на землю? Но датчики по-прежнему будут давать в разных режимах то положительный импульс, то отрицательный. Будет ли что плохого, если на вход ОУ придет отрицательное напряжение?
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Сб апр 17, 2021 22:01:14
Существуют усилители, которые способны работать с сигналами уровня "нижнего" питания и даже несколько ниже его. Известный представитель такового - LM358 (там два ОУ в корпусе, насколько я помню). Можно попробовать сделать усилитель и компаратор на одном корпусе этого ОУ.
Схему рисовать я не буду, так расскажу. Смотрите на вашу первую схему, её сейчас переделаем. От схемы остаются два блока: "Differentiator" и "Comparator". Всё, что было подключено к половине напряжения питания, теперь должно быть подключено к общему проводу (он же - минус питания). Полярность подключения датчиков должна быть такая: при надавливании на датчик вывод, на котором появляется отрицательное напряжение, подключается к общему проводу. Как подключать входы компаратора, зависит от того, какой сигнал вы хотите видеть на выходе.
Схему рисовать я не буду, так расскажу. Смотрите на вашу первую схему, её сейчас переделаем. От схемы остаются два блока: "Differentiator" и "Comparator". Всё, что было подключено к половине напряжения питания, теперь должно быть подключено к общему проводу (он же - минус питания). Полярность подключения датчиков должна быть такая: при надавливании на датчик вывод, на котором появляется отрицательное напряжение, подключается к общему проводу. Как подключать входы компаратора, зависит от того, какой сигнал вы хотите видеть на выходе.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Сб апр 17, 2021 23:03:55
Немного дополню советы уважаемого mickbell.
Вместо LM358 лучше взять что-то с полевыми транзисторами, типа MCP6001. Не забыть защитить вход диодами как в исходной схеме. Для каждого канала свой усилитель и свой компаратор: один корпус LM239 даст 4 канала. У этого компаратора выходы - открытый коллектор, их можно соединить вместе, реализовав монтажное И (не забывать про подтягивающий к питанию резистор). Полярность сигнала нужно взять такую, чтобы при касании на выходе компаратора формировался ноль. Дальше, при желании, можно поставить одновибратор на 555 таймере по схеме реле времени с перезапуском, разряжая времязадающий конденсатор непосредственно объединенным выходом компаратора. Но в этом случае желательно следить за выходом таймера дожидаясь перехода в ноль после того, как зонд будет поднят.
Вместо LM358 лучше взять что-то с полевыми транзисторами, типа MCP6001. Не забыть защитить вход диодами как в исходной схеме. Для каждого канала свой усилитель и свой компаратор: один корпус LM239 даст 4 канала. У этого компаратора выходы - открытый коллектор, их можно соединить вместе, реализовав монтажное И (не забывать про подтягивающий к питанию резистор). Полярность сигнала нужно взять такую, чтобы при касании на выходе компаратора формировался ноль. Дальше, при желании, можно поставить одновибратор на 555 таймере по схеме реле времени с перезапуском, разряжая времязадающий конденсатор непосредственно объединенным выходом компаратора. Но в этом случае желательно следить за выходом таймера дожидаясь перехода в ноль после того, как зонд будет поднят.
Последний раз редактировалось El-Eng Вс апр 18, 2021 08:48:45, всего редактировалось 2 раз(а).
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Вс апр 18, 2021 08:30:37
Может таки лучше тензодатчики понаклеить?
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Вс апр 18, 2021 09:16:56
Что такое "карта высот стола" и как часто её определяют? Стол кривой и наклонный и надо определить, насколько? Когда-то я видел подобную процедуру на станках ЧПУ, там датчик перемещений приделывали к резцедержателю/головке и катались по всей поверхности стола, запоминая показания индикатора.
Re: Детектор деформации на пьезо элементе
Вс апр 18, 2021 13:49:16
Может таки лучше тензодатчики понаклеить?
Они клеются спецклеями по довольно замороченной технологии - не домашняя (для большинства) технология.
Добавлено after 1 minute 23 seconds:
Что такое "карта высот стола" и как часто её определяют? Стол кривой и наклонный и надо определить, насколько? Когда-то я видел подобную процедуру на станках ЧПУ, там датчик перемещений приделывали к резцедержателю/головке и катались по всей поверхности стола, запоминая показания индикатора.
Да - коррекция непараллельности плоскости стола и плоскости движения головки, да на 2Д принтерах тоже используется вариант с контактным датчиком, но человек изобретает что-то свое видимо.