معرفی جامع سنسور فشار مقاومتی FSR

مقاومت‌های حساس به فشار (FSR) سنسورهایی با استفاده آسان هستند که برای اندازه‌گیری حضور و مقدار نسبی فشار فیزیکی موضعی طراحی شده‌اند.

مقاومت یک FSR زمانی که نیرو روی سنسور افزایش یا کاهش می‌یابد تغییر می‌کند. زمانی که هیچ فشاری روی FSR وارد نمی‌شود، مقاومت آن بیشتر از 1MΩ است. هرچه محکم‌تر روی سطح سنسور فشار دهید، مقاومت بین دو ترمینال کاهش می‌یابد. با ترکیب FSR با یک مقاومت ثابت برای ساخت یک تقسیم‌کننده ولتاژ، می‌توانید یک ولتاژ متغیر تولید کنید که توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال یک میکروکنترلر خوانده شود.

مباحث پیشنهادی برای مطالعه:

این آموزش به عنوان یک مقدمه سریع درباره FSR عمل می‌کند و نشان می‌دهد چگونه آن‌ها را راه‌اندازی و استفاده کنید. علاوه بر یک FSR به انتخاب خود، مواد زیر پیشنهاد می‌شود:

• Arduino Uno: ما از مبدل آنالوگ به دیجیتال آردوینو برای خواندن مقاومت متغیر FSR استفاده خواهیم کرد. هر پلتفرم سازگار با آردوینو، مانند RedBoard، Pro یا Pro Mini نیز قابل استفاده است.
• Resistor Kit: برای تبدیل مقاومت متغیر FSR به یک ولتاژ قابل خواندن، آن را با یک مقاومت ثابت برای ساخت یک تقسیم‌کننده ولتاژ ترکیب می‌کنیم. این کیت مقاومت برای آزمون و خطا جهت دستیابی به حساس‌ترین مدار ممکن مفید است.
• Breadboard and Jumper Wires: ترمینال‌های FSR با بردبورد سازگار هستند. سنسور و مقاومت را در آن قرار می‌دهیم و سپس از سیم جامپر برای اتصال بردبورد به Arduino استفاده می‌کنیم.
• Force Sensitive Resistor Adapter: اگرچه ترمینال‌های FSR با بردبورد سازگار هستند، اما ممکن است کمی لق باشند. برای کسانی که به دنبال روشی برای ایجاد اتصال محکم‌تر بدون لحیم‌کاری هستند، می‌توان از آداپتورهای پین Amphenol استفاده کرد. برای محکم‌کردن آداپتور نیاز به دم‌باریک دارید.

سنسور فشار مقاومتی چیست؟

انواع مختلفی از FSR در بازار وجود دارد و چند ویژگی کلیدی آن‌ها را از هم متمایز می‌کند: اندازه، شکل و دامنه سنجش.

شکل و اندازه

بیشتر FSR ها دارای ناحیه سنجش دایره‌ای یا مستطیلی هستند. سنسور مربعی برای سنجش نواحی بزرگ مناسب است، در حالی که سنسورهای کوچک‌تر دایره‌ای دقت بیشتری در تعیین محل اعمال فشار دارند.

FSR های مستطیلی از Interlink شامل یک سنسور مربعی کوچک با اندازه 1.75 x 1.75 اینچ و یک نوار بلند 0.25 x 24 اینچ هستند. سایر سنسورها دارای ناحیه سنجش دایره‌ای هستند.

دامنه سنجش

ویژگی کلیدی دیگر FSR، دامنه سنجش آن است که حداقل و حداکثر مقدار فشاری را که سنسور می‌تواند تشخیص دهد، تعریف می‌کند.

هرچه ظرفیت نیرویی کمتر باشد، پتانسیل حساسیت اتصال FSR بیشتر خواهد بود. اما هر فشاری فراتر از حد بالای سنسور قابل اندازه‌گیری نخواهد بود (و ممکن است باعث آسیب شود). برای مثال، FSR کوچک با ظرفیت 1kg در بازه 0 تا 1kg حساسیت بیشتری دارد، اما نمی‌تواند تفاوت بین وزن 2kg و 10kg را تشخیص دهد.

نیرو در برابر مقاومت

نمودار زیر (شکل 2 از راهنمای ادغام FSR شرکت Interlink) رابطه معمول بین نیرو و مقاومت را نشان می‌دهد:

رابطه به طور کلی از 50g به بالا خطی است، اما توجه کنید رابطه در زیر 50g و حتی بیشتر از آن زیر 20g چگونه تغییر می‌کند. این سنسورها دارای آستانه فعال‌سازی هستند؛ یعنی نیرویی باید اعمال شود تا مقاومت به مقداری کمتر از 10kΩ برسد، جایی که رابطه خطی‌تر می‌شود.

مقایسه FSR با لودسل

این سنسورها راه‌اندازی ساده‌ای دارند و برای تشخیص فشار عالی هستند، اما دقت بالایی ندارند. آن‌ها برای تشخیص حضور یک جسم و اندازه نسبی نیرو مناسب‌اند، اما برای اندازه‌گیری دقیق وزن مناسب نیستند (این کار مخصوص لودسل‌ها است).

پیکربندی سخت افزار

سنسورها دارای تب‌های لحیم‌کاری هستند که از میان یک لایه انعطاف‌پذیر عبور داده شده‌اند تا با ماده نیمه‌رسانا تماس برقرار کنند. بسته به کاربرد پروژه و مهارت شما، چند روش برای اتصال به سنسور وجود دارد. برای اتصال پایدار به پین‌ها ممکن است نیاز به کمی مونتاژ باشد.

تب های سازگار با برد بورد

برای نمونه‌سازی و تست، این تب‌های لحیم‌کاری را می‌توان داخل بردبرد یا سیم‌های جامپر مادگی قرار داد. در ادامه دو نمونه از سنسورهای flex و soft potentiometer آورده شده است.

نکته: می‌توانید از ترمینال پیچی با پین 2.54mm برای اتصال سنسورها روی بردبرد استفاده کنید. با این حال، استفاده از دو ترمینال پیچی کنار هم برای سنسورهایی که سه تب لحیم دارند ممکن است به دلیل بدنه ترمینال‌ها فضا را بسیار تنگ کند. علاوه بر این، ترمینال‌ها برای لحیم‌ شدن روی PCB طراحی شده‌اند و ممکن است مانند پین‌های هدر مربعی، روی سوکت بردبرد محکم ننشینند. استفاده از IC hook نیز گزینه‌ای دیگر است اما فقط برای اتصال موقت مناسب است و با کوچک‌ترین ضربه ممکن است شل شده و قطع شود. استفاده از آن برای پروژه‌های بلندمدت پیشنهاد نمی‌شود. همچنین می‌توان از گیره‌های سوسماری برای اتصال استفاده کرد، اما دندانه‌های آن می‌تواند به لایه انعطاف‌پذیر آسیب بزند یا به دلیل نزدیکی تب‌های لحیم، باعث ایجاد اتصال کوتاه شود.

لحیم کاری تب ها

هشدار: لایه انعطاف‌پذیر و ماده نیمه‌رسانا نسبت به حرارت حساس هستند. سنسورهای force sensitive resistor از Interlink نسبت به سایر سنسورهای انعطاف‌پذیر حساس‌ترند. هنگام لحیم‌کاری تب‌های سنسور، خطر آسیب وجود دارد. ما این کار را فقط برای کاربران حرفه‌ای که دمای هویه را پایین تنظیم کرده‌اند توصیه می‌کنیم.

برای ادغام در پروژه‌های بلندمدت، گزینه‌ای وجود دارد که سیم‌ها یا PCB را مستقیماً به تب‌های لحیم متصل کنید. با این حال، حرارت زیاد می‌تواند باعث ذوب شدن لایه و آسیب به سنسور شود، زیرا لایه انعطاف‌پذیر و ماده نیمه‌رسانا محدودیت حرارتی دارند. در تصویر زیر نمونه‌ای از سنسور flex لحیم‌شده روی PCB توسط تکنسین‌های تولید دیده می‌شود.

اگرچه دیتاشیت بیان می‌کند که می‌توان تب‌های سنسور force sensitive resistor را لحیم کرد، ما آن را فقط برای کاربران حرفه‌ای توصیه می‌کنیم. برای لحیم‌ کردن این سنسورها باید در دمای پایین کار کنید و مطمئن شوید نوک هویه بیش از 1 ثانیه با تب تماس نداشته باشد. بیش از این مدت، لایه و ماده نیمه‌رسانا آسیب خواهند دید. سنسور force sensitive resistor نسبت به سنسورهای flex و SoftPot آسیب‌پذیرتر است.

کانکتور Amphenol CFI Clincher

به‌عنوان یک جایگزین، کاربران می‌توانند از کانکتور Amphenol FCI Clincher برای ایجاد یک اتصال قابل‌اعتماد به سنسور استفاده کنند و مقدار کمی رهایی از تنش در محل اتصال کریمپ فراهم کنند. این روش برای افرادی توصیه می‌شود که تجربه لحیم‌کاری ندارند و قصد دارند از سنسورها در پروژه‌های بلندمدت خارج از بردبورد یا در محیط‌های آموزشی استفاده کنند. این کانکتور برای فشردن پین‌ها روی مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر طراحی شده است و جایگزینی برای اعمال حرارت روی قطعات حساس به گرما مانند مواد نیمه‌رسانا یا جوهر رسانا محسوب می‌شود.

کریمپ کردن کانکتور Clincher

در این مثال از کانکتور نری Clincher برای اتصال سنسور خمشی استفاده شده است. با این حال، دستورالعمل‌های زیر برای Force Sensitive Resistor نیز قابل اعمال است.

برای اتصال، باید زبانه‌های لحیم سنسور را برش دهید. مطمئن شوید که تا حد ممکن نزدیک به زبانه‌ها برش می‌زنید. اگر بیش از حد ببرید، ممکن است در اتصال به ماده نیمه‌رسانا دچار مشکل شوید. طول ناحیه‌های نیمه‌رسانای SoftPot نسبت به FSR و سنسور خمشی کمتر است.

پس از جدا کردن منگنه‌ها، سنسور را داخل کانکتور Clincher مربوطه قرار دهید. مطمئن شوید که ماده نیمه‌رسانا با منگنه‌های جدید در یک راستا قرار گرفته است، در غیر این‌صورت ممکن است اتصال کوتاه ایجاد شود. بسته به نوع سنسور، ممکن است مقدار کمتری از سطح نیمه‌رسانا در اختیار داشته باشید. SoftPot پس از برش، پدهای کوچکتری خواهد داشت.

پس از تراز کردن سنسور، توصیه می‌شود یک تکه نوار بچسبانید تا هنگام بستن کانکتور، سنسور ثابت بماند و حرکت نکند.

توصیه می‌کنیم از انبردست تخت (flush slip joint plier) برای بستن کانکتور استفاده کنید. همان‌طور که در تصویر دیده می‌شود، نیرو باید روی مرکز زبانه و منگنه‌ها وارد شود نه روی شیارهای کناری. FSR نسبت به سنسور خمشی و SoftPot راحت‌تر فشرده می‌شود. هنگام نفوذ پین‌ها به سنسور، یک صدای کوچک قابل‌تشخیص شنیده می‌شود.

در غیر این‌صورت می‌توان از دم‌باریک استفاده کرد. ابتدا زبانه را ببندید تا پین‌ها به ماده نیمه‌رسانا فشار دهند. سپس از هر گوشه، در مرکز زبانه نیرو وارد کنید و از فشار دادن ناحیه‌های شیار کناری خودداری کنید.

اگر نیرو به‌طور نادرست با دم‌باریک اعمال شود، احتمال آسیب‌دیدن بدنه پلاستیکی وجود دارد. در تصویر سمت راست، کانکتور Clincher آسیب دیده اما پین‌ها با SoftPot تماس دارند.

نکته: اگر در فشردن هم‌زمان پین‌ها مشکل دارید، می‌توانید هر پین را جداگانه با دم‌باریک کریمپ کنید. فقط مراقب باشید که شیارها آسیب نبینند.

پس از پایان کار، نوار را جدا کنید. برای تست می‌توانید از مولتی‌متر استفاده کنید تا مشخص شود سنسور اتصال کوتاه دارد یا مقاومت آن تغییر می‌کند. همچنین می‌توانید سنسور را با استفاده از جامپرها به مدار وصل کنید تا عملکرد صحیح آن را بررسی کنید.