DIY Force Sensor

เมื่อ 2-3 ปีที่แล้วผมได้เคยเขียนบล๊อกเกี่ยวกับการนั่งแงะ strain gauge (รึ load cell) จากเครื่องชั่งน้ำหนักไฟฟ้ามาใช้เป็นเซนเซอร์วัดแรงกด ในคราวนั้นผมพบว่าเจ้า load cell ที่แกะออกมาได้นั้นเหมาะกับงานที่ใช้วัดแรงขนาดมากๆ เช่นน้ำหนักตัวคน ทำให้ผมไม่ได้เอาไปใช้กับแขนกลที่ผมทำอยู่ ณ ตอนนั้น เพราะแรงกำของมือกลไม่ได้แรงขนาดนั้น
เวลาผ่านไป เมื่อปีที่แล้วผมได้มีโอกาสทำวิจัยเกี่ยวกับเซนเซอร์วัดแรงกดอีกรอบ ทำให้ได้อ่านผลงานวิจัยจากหลายๆ กลุ่ม และได้ศึกษาข้อดีข้อเสียของเซนเซอร์แต่ละแบบ กอปรช่วงที่ผ่านมาผมพบว่ามีท่านผู้อ่านหลายท่านที่เข้ามาอ่านบล๊อกเรื่อง strain gauge บางท่านก็โพสสอบถามข้อมูลเกี่ยวกับวงจรขยาย บางท่านก็เข้ามาประกาศขาย strain gauge ก็ถือว่าคึกคักพอดูเลยครับ 555
แต่ในความเป็นจริงแล้วเซนเซอร์วัดแรงกดนั้นไม่ได้มีเฉพาะ strain gauge เท่านั้นที่นิยมใช้กัีน ยังมีเซนเซอร์อีกแบบที่เรียกว่า “Capacitive Force sensor” ซึ่งอาศัยการวัดค่าความจุไฟฟ้า (capacitance) ที่เปลี่ยนไปเนื่องจากแรงกด แทนที่จะอาศัยการวัดความต้านทาน (resistance) ที่เปลี่ยนไปแบบที่ใช้ใน strain gauge ซึ่งเจ้าเซนเซอร์แบบดังกล่าวมีโครงสร้างพื้นฐานที่ง่ายมากๆ! ง่ายจนใครๆ ก็สามารถประดิษฐ์ใช้เองได้ที่บ้าน!! ดังนั้นในบล๊อกนักประดิษฐ์อิสระตอนนี้ ผมจะขอนำเสนอวิธีการประดิษฐ์ “เซนเซอร์วัดแรงกด” (Force sensor) แบบวัดค่าความจุไฟฟ้า โดยอาศัยเพียงอุปกรณ์พื้นฐานที่หาซื้อได้ไม่ยาก และน่าจะนำไปใช้กับงานของทุกท่านได้อย่างแน่นอนครับ🙂

โครงสร้างของเซนเซอร์และหลักการ
ส่วนของเซนเซอร์จะประกอบด้วยแผ่นตัวนำ 2 แผ่นขนาด A ตร.หน่วย วางประกบกันโดยมีระยะห่างแผ่น d หน่วย ความจริงแล้วโครงสร้างแบบนี้เราเรียกว่า “Parallel-plate capacitor” ซึ่งก็เป็นโครงสร้างพื้นฐานที่หลายท่านได้เคยศึกษามา และถ้ายังจำได้สมการของค่าความจุไฟฟ้าก็คือ
 โดย εr ก็คือ Relative dielectric constant ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุที่อยู่ตรงกลางระหว่างแผ่นตัวนำ 2 แผ่นนั้น คือถ้าเป็นอากาศค่า εr ก็เท่ากับ 1 แต่ถ้าเป็นน้ำกลั่นก็มีค่า 80 ที่อุณหภูมิห้องนั่นเอง
->สามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ใน wikipedia ครับ🙂

ส่วนที่ขาดไม่ได้ก็คือไส้ตรงกลางครับ ซึ่งควรจะเลือกวัตถุดิบที่สามารถคือรูปได้อย่างรวดเร็วเมื่อถูกบีบอัด อาทิเช่นแผ่นยาง แผ่นโฟม เป็นต้น และก็ไม่ควรหนาเกินไปเพราะจะทำให้ค่าความจุไฟฟ้ามีค่าน้อยจนยากแก่การวัดและมีค่า Signal-to-Noise Ratio ต่ำ ซึ่งความจริงก็ขึ้นอยู่กับขนาดพื้นที่ A ของแผ่นตัวนำนั่นแหละครับ คิดด้วยกฏของนิ้วโป้ง (rule of thumb) สำหรับเซนเซอร์ขนาดไม่เกิน 1 ตร.ซม.ก็ไม่ควรใช้แผ่นไส้หนาเกิน 5 มม.ครับ นอกจากนี้สาเหตุที่บอกว่าควรจะคืนรูปได้อย่างรวดเร็วก็เพราะหากไปใช้แผ่นโฟมคืนตัวช้า (เช่นโฟมอุดหูกันเสียงรบกวน) เซนเซอร์ก็จะไม่สามารถตอบสนองต่อแรงที่มีความถี่การกดสูงๆ ได้นั่นเองครับ
เซนเซอร์ในโครงสร้างแบบ Parallel-plate นี้เมื่อถูกกดจะทำให้ระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำ d มีค่าลดลง หรืออีกนัยหนึ่งตามสมการค่าความจุไฟฟ้าด้านบน ค่า C ก็จะเพิ่มขึ้นนั่นเองครับ
ขั้นตอนการผลิตเซนเซอร์
1. กัดแผ่นปริ๊นให้เป็นลายแผ่นสี่เหลี่ยมซึ่งจะใช้เป็นแผ่นตัวนำสำหรับวางประกบกันของเซนเซอร์เป็นคู่ๆ  โดยให้มีลายทองแดงสำหรับไว้บัดกรีสายไฟหน่อยก็ดีครับ เพราะจะทำให้ประกอบง่ายขึ้นเยอะ ในครั้งนี้ผมก็ทดลองทำมา 2 ขนาด คืออันใหญ่ 10×10 ตร.มม. กับอันเล็ก 5×5 ตร.มม.

2. เอาเลื่อยฉลุตัดแผ่นปริ๊น เปิดช่องว่างสำหรับจุดเชื่อมสายไฟครับ

3. บัดกรีสายไฟไปยังขั้วที่เตรียมไว้

4. ต่อมาก็ว่าด้วยเรื่องแผ่นไส้ตรงกลางของเซนเซอร์ครับ ผมก็ไปเดินหาในร้าน 100 เยนแถวบ้าน คุ้ยๆ อยู่ซักพักก็เจอ “แผ่นโฟมรองกันลื่น” รูปหัวใจ ลองบีบๆ ดูเห็นว่าคืนตัวเร็วพอใช้ได้ แถมมีขนาดบาง หนาประมาณ 1.5-2 มม.เท่านั้น ก็เลยซื้อกลับมาลองใช้ดูครับ
 
ุ5. กลับมาบ้าน ก็เอามาวัดทาบกับชิ้นแผ่นปริ๊น แล้วตัดออกมา

6. แปะเทป 2 หน้าแบบบ๊างบางไปที่แผ่นทองแดงของเซนเซอร์แต่ละชิ้น เก็บขอบให้งดงาม
ึ7. ลอกเทปออก แล้วก็เอาชิ้นแผ่นโฟมที่ตัดเมื่อกี้แปะไปที่แผ่นปริ๊นด้านนึงก่อน

8. แล้วก็บรรจงประกอบอีกด้าน ให้ชิ้นแผ่นปริ๊นแต่ละิด้านตรงกันมากที่สุด

9. เสร็จแล้วครับ!

สังเกตว่าถ้าหากเราไม่ตัดแผ่นปริ๊นในขั้นตอนที่ 2 เวลาประกบเข้าไปแล้วกด แผ่นปริ๊นด้านนึงก็จะไปชนกับจุดบัดกรีสายไฟ ทำให้กดไม่ค่อยลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากใช้แผ่นไส้บางเฉียบ บางทีอาจจะประกบไม่เข้าเลยก็ได้

ออกแบบวงจร
การวัดค่าความจุไฟฟ้านั้นมีหลากหลายวิธีให้เลือกสรรครับ ในครั้งนี้ผมจะขอรีวิวเพียง 2 วิธี คือ
1.แบบที่ใช้วงจรอนุกรม RC แล้ววัดค่า time constant ที่เปลี่ยนไปเนื่องจากค่า C ที่เปลี่ยนไป
2.ใช้วงจรกำเนิดสัญญาณกระแสสลับ sine wave แล้ววัดค่า Impedance ที่เปลี่ยนไปของ Xc เนื่องจากค่า C ที่เปลี่ยนไปครับ

ในวงจรแบบที่ 1 วิธีการต่อจะเป็นไปตามแผนภาพด้านล่างซ้ายครับ คือต่อขานึงเซนเซอร์เข้า Port ของไมโครคอนโทรลเลอร์ (โดยส่วนตัวใช้ PIC16F877) ส่วนอีกขานึงก็ต่อลงกราวน์ และก็จะมีตัวต้านทานค่าสูงๆ ต่อขนานกับเซนเซอร์ (ซึ่งเรามองว่าเป็นตัวเก็บประจุ) เนื่องจากค่า time constant ของระบบเท่ากับค่าตัวต้านทาน คูณกับ ค่าตัวเก็บประจุ ดังนั้นยิ่งใช้ค่าตัวต้านทานมากก็จะทำให้ค่า time constant สูงอยู่ในระดับที่เราสามารถวัดได้ด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ครับ
  
วิธีการวัดก็คือในตอนแรกเราจะกำหนดให้ขา Port เป็น Output ก่อน แล้วสั่งให้เป็น low เพื่อคายประจุในเซนเซอร์เสียก่อน หลังจากนั้นก็จะชาร์จเซนเซอร์โดยสั่งให้ Output เป็น high ใช้เวลาเพียง 1 มิลิวินาทีก็พอ แล้วหลังจากนั้นก็เปลี่ยนสถานะ Port ให้กลายเป็น Input จังหวะนั้นเองเซนเซอร์ก็จะคายประจุผ่านตัวต้านทานที่เราต่อขนานไว้ลงกราวน์ ซึ่งการวัดค่าช่วงเวลาตั้งแต่ตอนที่สลับ Port จาก Output เป็น Input จนถึงที่ Port อ่านค่าได้เป็น Low ก็จะทำให้เราได้ค่า time constant ซึ่งแปรผันตรงกับค่าความจุของเซนเซอร์ที่เปลี่ยนไปตามแรงกดนั่นเอง

วิธีการต่อตัวต้านทานขนาด 10M ohm ขนานกับเซนเซอร์สไตล์ gaprobot ;P

ต่อมาก็เป็นวงจรแบบที่ 2 ครับ ซึ่งจะดูยุ่งยากขึ้นมานิดนึง (มั้ง)
ในรูปด้านล่างนี้ เป็นการต่อวงจร 4 แบบเข้าด้วยกัน (ไล่จากซ้ายมาขวา)
1. วงจร Wien Bridge Oscillator  เพื่อสร้างสัญญาณ Sine Wave โดยมีความถี่คือ f = 1/(2πRC) โดย R3 = R4 = R และ C3 = C4 = C และสามารถปรับขนาด (amplitude) ได้โดยปรับที่ R2 สัญญาณขาออกจากวงจรนี้ก็จะต่อเข้าไปยังเซนเซอร์โดยตรงครับ
2. วงจร Current to Voltage กระแสที่ไหลผ่านเซนเซอร์จะถูกแปลงให้เป็นแรงดัน (เพราะ Port A2D ของไมโครคอนโทรลเลอร์วัดระดับแรงดันอนาล็อก) โดยผมเลือกใช้ R5 ขนาด 3.3M ohm เพราะคาดว่ากระแสที่ไหลผ่านเซนเซอร์คงจะน้อยมาก เนื่องจากค่าความจุไฟฟ้าที่มีค่าน้อย ดังนั้นหากใช้ R5 สูงหน่อยก็จะทำให้ค่าแรงดันสูงตาม เป็นไปตามสมการ Vout = (Iin)(R5)
3. วงจร Full-wave Precision rectifier สัญญาณที่ออกจากวงจร current to voltage ยังเป็นกระแสสลับอยู่เราเลยต้องแปลงมันให้กลายเป็นกระแสตรง ซึ่งนิยมใช้ค่า R8 เป็น 2 เท่าของค่า R6,R7 ส่วนเจ้า C5 ที่ต่อเข้าไปก็เพื่อทำให้สัญญาณขาออกเรียบนั่นเองครับ (ถ้าไม่ต่อสัญญาณจะยังเป็นลูกๆ)
4. วงจร Non-Inverting DC gain สุดท้ายก็เพื่อขยายสัญญาณ ให้อยู่ในช่วงแรงดันที่เราวัดได้ด้วย Port A2D ของไมโครคอนโทรเลอร์ครับ โดยอัตราขยายคือ Gain = 1 + (R9/R10)

เนื่องจากวงจรนี้ใช้ Op-amp 4 ตัว เราก็อาจเลือกใช้ Op-amp ที่มี 4 channels อย่างเบอร์ LM324 เป็นต้น เพื่อจะได้ทำบอร์ดวงจรแยกออกมาสำหรับวัดค่าความจุไฟฟ้าเลยก็ได้ครับ

ผลการทดสอบ
ความจริงแล้วในคลิปด้านบนก็มีผลการทดสอบเซนเซอร์ทั้งหมดครับ แต่ในส่วนของบล๊อกผมก็จะขอนำเสนอเฉพาะส่วนที่เป็นกราฟ แต่จะเพิ่มบทการวิเคราะห์ และพูดถึงข้อดีข้อเสียแทนครับ🙂

การทดสอบ 1 : ใช้วงจร RC วัดค่าเซนเซอร์ทั้งแบบเล็ก(5×5 ตร.มม.) และแบบใหญ่(10×10 ตร.มม.)  พบว่าในขณะที่ยังไม่ต่อ เซนเซอร์ทั้ง 2 แบบเข้ากับวงจร ไมโครคอนโทรลเลอร์อ่านค่า time constant ได้ประมาณ 60 คาดว่าเป็นผลเนื่องจากค่า parasitic capacitance ภายในวงจรเอง

ผลการทดลองและวิเคราะห์
-ค่า time constant ขณะที่ยังไม่ีมีการกดใดๆ เซนเซอร์อันเล็กมีค่าประมาณ 73 ในขณะที่อันใหญ่ มีค่าประมาณ 80 ทั้งนี้ก็เนื่องจากสมการของค่าความจุไฟฟ้าบ่งชี้ว่า ยิ่งพื้นที่แผ่นตัวนำมีค่าน้อยค่าความจุไฟฟ้าก็จะน้อยตามไปด้วย แต่เนื่องจากค่า off set ของวงจรวัดขณะที่ยังไม่ต่อเซนเซอร์อยู่ที่ 60 ดังนั้นความแตกต่างระหว่างค่า C อันเล็กกับใหญ่จึงเป็น (73-60)/(80-60) =  0.35 ซึ่งผิดไปจากค่าที่ควรจะเป็นตามสมการ (5X5)/(10×10) = 0.25 เท่ากับ (0.35-0.25)/0.25 = 40% ซึ่งคาดว่าเกิดจากระยะห่าง d ของเซนเซอร์ทั้ง 2 ขนาดไม่เท่ากันเนื่องจากการทดลองกดๆ ก่อนหน้านี้ และแผ่นโฟมยังไม่คืนตัวเต็มที่
-แม้ว่าเซนเซอร์ตัวเล็กจะมีการเปลี่ยนแปลงของ time constant เมื่อถูกกดแรงสุด น้อยกว่าเซนเซอร์ตัวใหญ่ (หมายเหตุ: ความจริงควรจะใช้การวัดที่มีการคุมตัวแปร เช่นใช้น้ำหนักก้อนหนึ่งกดทับ จะได้สามารถเทียบค่าได้อย่างชัดเจนไปเลย แต่ ณ ที่นี้เนื่องจากเป็นการทดสอบแบบลูกทุ่งๆ ก็ขออนุมานเอาว่าการบีบเซนเซอร์ของผมในแต่ละครั้งผมออกแรงพอๆ กันละกัน >_<) แต่เมื่อคิดเป็นอันตราส่วนการเปลี่ยนแปลง (ค่าที่อ่านได้/ค่าเริ่มต้น) จาก 73 เป็น 90 (1.23) ในส่วนของเซนเซอร์ขนาดเล็ก และจาก 80 เป็น 105 (1.3) ในเซนเซอร์ขนาดใหญ่ ก็จะพบว่าอัตราส่วนนี้ไม่ได้ต่างกันมากนัก
-ความผันผวน (fluctuation) ของสัญญาณขณะที่ยังไม่ทำการบีบด้วยมือ กับระหว่างบีบ(ช่วงที่กราฟสูงขึ้น) สัญญาณมีความผันผวนที่ต่างกันอย่างชัดเจน สาเหตุก็เป็นเพราะร่างกายของผม (และของมนุษย์ทั่วไป) มีลักษณะเป็นตัวนำไฟฟ้า ดังนั้นระหว่างที่กำลังบีบเซนเซอร์ ประจุที่มาสะสมที่นิ้วก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดความผันผวนของสัญญาณนี้ขึ้นมา แต่พอปล่อยมือกราฟก็จะตกกลับมาที่ค่าเริ่มต้นและสัญญาณนิ่งเหมือนเดิม

การทดสอบ 2: ใช้วงจรกำเนิดสัญญาณ Sine Wave เข้าสู่เซนเซอร์ทั้ง 2 แบบแล้วอ่านค่าแรงดันที่ผ่านการขยายแล้วด้วย Port A2D ของไมโครคอนโืทรลเลอร์ ในขณะที่ยังไม่ต่อเซนเซอร์เข้ายังวงจร Port A2D อ่านค่าได้ประมาณ 30

ผลการทดลองและวิเคราะห์
– ขณะยังไม่ทำการกด อ่านค่าแรงดันที่ออกจากวงจรขยายของเซนเซอร์ขนาดเล็กได้ประมาณ 250 ในขณะที่ขนาดใหญ่อ่านได้ประมาณ 400 คิดเป็นความแตกต่างระหว่างอันเล็กกับอันใหญ่คือ (250-30)/(400-30) = 0.59 ซึ่งผิดไปจากทฤษฎี 0.59/0.25 = 236%
– ในการทดลองนี้พบว่า ค่าสูงสุดของสัญญาณขาออกเมื่อได้รับแรงกด เซนเซอร์ขนาดเล็กเปลี่ยนจาก 250 เป็น  390 (1.56) ส่วนในฝั่งเซนเซอร์ขนาดใหญ่เปลี่ยนจาก 400 เป็น 570 (1.42) ซึ่งเหมือนกับการทดลองที่ 1 ที่อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของเซนเซอร์ทั้งสองตัวนี้มีค่าพอๆ กัน
– ความผันผวน: สิ่งหนี่งที่เห็นได้อย่างชัดเจนคือ การวัดแรงกดโดยใช้วงจร Sine wave นี้ ขณะที่เซนเซอร์ถูกกดด้วยนิ้วมือซึ่งเป็นตัวนำ กลับไม่พบความผันผวนอย่างมีนัยสำคัญของสัญญาณ
– แต่อย่างไรก็ดีผลของตัวนำที่เข้ามาใกล้ หรือ proximity effect สามารถเห็นได้ชัดเจนในจังหวะที่ นิ้วมือเข้าไปใกล้ผิวเซนเซอร์ สัญญาณที่อ่านได้จะตกลงมาเล็กน้อยเนื่องจากค่าความจุไฟฟ้าที่ลดลง รวมถึงจังหวะที่คลายการบีบ นิ้วมือเริ่มออกห่างจากผิวเซนเซอร์ ซึ่งเป็นผลจากการที่ร่างกายมนุษย์เราต่ออยู่กับกราวน์เสมือน (virtual ground) ความจริงแล้วปรากฎการณ์นี้ก็ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตหน้าจอสัมผัส Touch Screen ซึ่งถ้าใกล้ตัวสุดก็คงหนีไม่พ้นโทรศัพท์ตระกูล smart phone นั่นเอง
– นอกจากนี้พบว่าแม้จะปล่อยมือแล้ว แต่สัญญาณที่วัดได้จากเซนเซอร์ยังอ่านค่าได้สูงกว่าค่าก่อนกด แต่จะค่่อยๆ ตกลงทีละน้อย โดยในเซนเซอร์ขนาดเล็กมีอัตราการลดลง จาก 310 เป็น 277 (33 หน่วย) ภายในช่วงการวัดค่า 30 ค่า (ตำแหน่งแกนนอนที่ 210 ถึง 240) แต่ในเซนเซอร์ขนาดใหญ่ พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงจาก 460 เป็น 450 (10 หน่วย) ภายในช่วงการวัด 30 ค่า (ตำแหน่งแกนนอนที่ 154 ถึง 184) โดยระบบมีอัตราการสุ่มวัดค่า (sampling rate) เท่ากัน ทำให้สรุปได้ว่าเกิดจากแผ่นโฟมยังไม่คืนสภาพเต็มที่ และที่เห็นได้ชัดคืออัตราการคืนตัวของแผ่นโฟมแผ่นเล็กจะเร็วกว่าโฟมแผ่นใหญ่

บทสรุป
เซนเซอร์วัดแรงกดที่ใช้หลักการการวัดค่าความจุไฟฟ้านี้แสดงให้เห็นว่าการใช้อุปกรณ์พื้นฐานที่สามารถหาซื้อได้ทั่วไปมาเป็นชิ้นส่วนในการประดิษฐ์ เซนเซอร์ที่ได้ก็มีความสามารถเพียงพอที่วัดและแสดงระดับของสัญญาณขาออกแปรผันตรงกับความแรงของการกด แม้ว่าปัญหาหลักๆ ที่พบในเซนเซอร์แบบ capacitive นี้จะเป็นเรื่องของสัญญาณรบกวนเนื่องจากการเข้ามาใกล้ของตัวนำ แต่โดยปรกติแล้ววิธีการแก้ปัญหาที่่ผู้คนนิยมใช้ก็คือการ shielding ระบบทั้งตัวเซนเซอร์และสายสัญญาณด้วยแผ่นตัวนำที่ต่อกราวน์ ซึ่งแม้ว่าการทำเช่นนั้นจะทำให้ค่าของสัญญาณเริ่มต้นนั้นลดลงไปอย่างมีนัยสำคัญ แต่ก็จะเป็นการยกระดับความคงที่ของสัญญาณ (stability) อันจะเป็นการเพิ่มความน่าเชื่อถือ (reliability) และความเที่ยงตรง (precision) ในการวัดแต่ละครั้ง

และก็จะขอสรุปข้อดีข้อเสียของเซนเซอร์แต่ละขนาด และวงจรแต่ละแบบตามความเห็นผมไว้ดังนี้..

วงจร RC อ่านค่าด้วยการวัด time constant
ข้อดี     วงจรไม่ซับซ้อน
ข้อเสีย  Sensitivity ต่ำ, ปัญหาเรื่องของ Parasitic capacitance ของบอร์ดวงจรเอง, ความผันผวนสูง
, ความละเอียดของการวัด (resolution) ไม่สามารถเพิ่มสูงได้มากนักเนื่องจากความเร็วขอ
ไมโครคอนโทรเลอร์มีข้อจำกัด รวมถึง Parasitic capacitance

วงจร Sine wave อ่านค่าด้วย A2D
ข้อดี     สามารถปรับอัตราการขยายและความถี่ให้เหมาะสมกับเซนเซอร์ได้อย่างอิสระ, ความผันผวน
ต่ำ, สัญญาณที่ได้เป็นเกือบทั้งหมดเป็นค่าที่วัดได้จาก sensor -แทบไม่มีผลของ parasitic
capacitance
ข้อเสีย วงจรซับซ้อน, ผลของ proximity effect ค่อนข้างชัดเจน

เซนเซอร์ขนาดเล็ก
ข้อดี     แผ่นไส้โฟมสามารถคืนตัวได้อย่างรวดเร็ว (อันนี้เป็นผลจากการทดลอง)
ข้อเสีย  ค่าความจุไฟฟ้าต่ำกว่าเซนเซอร์ที่ใหญ่กว่า ทำให้อ่านค่าได้ละเอียดน้อยกว่า โดยเฉพาะอย่าง
ยิ่งหากวัดด้วยวงจร RC, หากทำให้เล็กลงมากๆ อาจพบปัญหาเรื่อง signal-to-noise ration

เซนเซอร์ขนาดใหญ่
ข้อดี     ค่าความจุไฟฟ้าที่วัดได้สูงกว่าแบบเล็ก ทำให้อ่านได้ละเอียดและไม่ต้องใช้อัตราการขยายที่
สูงนัก,
ข้อเสีย  แผ่นไส้โฟมคืนตัวช้า, ในบางการใช้งานอาจมีขนาดใหญ่เกินไป 

สุดท้ายนี้ ก็เชื่อว่าบล๊อกนี้น่าจะมีประโยชน์สำหรับท่านที่กำลังหาเซนเซอร์วัดแรงกด แต่ไม่อยากไปหาซื้อมาใช้ แต่อยากประดิษฐ์ขึ้นมาเองเพื่อที่จะได้ปรับแต่งคุณสมบัติ (specification) ของเซนเซอร์ได้ตามใจชอบ นอกจากนี้สิ่งที่ผมนำเสนอมาทั้งหมดนี้เป็นเพียงแค่ความเห็นส่วนตัว และได้ทำการทดสอบอย่างลวกๆ เท่านั้น ในการใช้งานจริง การจะเลือกใช้เซนเซอร์แบบไหน วงจรแบบใดเพื่อให้เหมาะสมกับงานของท่านผู้อ่านที่สุดนั้น ก็ขึ้นอยู่กับการตัดสินใจของท่านผู้อ่านเองครับ!!

gap
03 Apr 2012

This entry was posted in My Previous Projects. Bookmark the permalink.

12 Responses to DIY Force Sensor

  1. Pingback: Strain gage อยู่ใกล้ตัวกว่าที่คิด! | นักประดิษฐ์อิสระ

  2. Mac_Ped says:

    หลักการนี้เมิงคิอเองป่าววะ ง่ายดีว่ะ กุชอบ แต่ก่อนใช้ก็ต้องมานั่งจูนค่าใน controller ให้ sensor มีความเป็น linear อีกใช่ป่ะ

    • gaprobot says:

      เอ๊ย หลักการของเซนเซอร์แบบนี้นี่มันมีมานานแล้ว ไม่ได้คิดเองแน่นอน
      แต่ capacitive sensor นี่มันมีข้อดีอย่างคือมี linearity เราสามารถ calibrate หาความชันของกราฟค่าความจุไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปกับแรงกดได้เลย แต่ข้อเสียก็เป็นอย่างที่ว่า คือเรื่องของ proximity effect จากตัวนำใกล้เคียง รวมถึงหากลดขนาดเซนเซอร์ให้เล็กลงจะยิ่งทำให้ S/N ต่ำและส่งผลให้ความเที่ยงตรงต่ำลง

  3. surawut says:

    ขอบคุณ พี่มาก กำลังหาเซนเซอร์ราคาไม่แพงอยุ่พอดี

  4. bank says:

    ผมสนใจที่จะใช้อะครับ แต่สงสัยอยู่ตรงที่ i/V สัญญาณที่ออกจาก SENSOR เป็น I หรอครับ ค่า หรือกราฟมันเป็นยังไงอะครับ แล้วถ้าผมไม่ใช้ SIN WAVE ใช้เป็นไฟตรงได้ไหมครับ

    ขอบคุณครับ

    • gaprobot says:

      ใช่แล้วคับ ออกจาก sensor ก็คือ i ที่แปรผกผันกับ Xc ของ sensor ฮะ กราฟก็เป็น sine wave คับ

      ถ้าไม่ใช้ sine wave แล้วใช้เป็นไฟตรงแทน อืม.. ด้วยวงจรด้านบนนี้คิดว่าไม่ได้นะครับ เพราะ C จะเป็น open circuit กระแสไม่ไหลใช่มั้ยครับ… แต่ถ้าไม่ชอบ sinewave จริงๆ เท่าที่นึกออกวงจรใหม่น่าจะต้องใช้ IC555 มาสร้างพัลส์เพื่อ charge sensor ซึ่งเป็น C ก็็จะได้ค่า time constant ซึ่งก็จะเอา IC frequency/voltage มาเปลี่ยนเจ้า time constant เป็น Vout ในท้ายที่สุดคับ (แต่สรุปแล้วก็ไม่ได้ใช้ DC อัดตรงๆ เข้า sensor อยู่ดีอ่ะครับ แหะๆ)

  5. electro says:

    แบบนี้น่าจะมีเออเรอร์พอสมควรนะครับ เพราะความจุมันเปลี่ยนได้จาก 2 อย่าง คือ กดแล้วทำให้ไดอิเลคตริคมันเปลี่ยนความจุเปลี่ยน และอีกอย่างมันเปลี่ยนความจุเพราะนิ้วมือเรา เหมือน คาปาซิทีฟทัช คงต้องสร้างการคัดกรองการดีเทคเอาไว้ด้วย

  6. คือผมสนใจเอาไปใช้วัดแรงกดจากการนอนประมาณ15-50kgอะคับ ค่าR,Cตามวงจรข้างบนใช้ได้ปะครับหรือต้องใช้ประมาณเท่าไหร่ แล้วถ้าใช้เซนเซอร์ต่อเข้าไปในวงจรwien bridge แทนตัวเก็บประจุค่าที่ออกจากwien bridgeเป็นความถี่ปะครับ แล้วต่อf/vให้ได้แรงดันออกมาได้ปะครับ

    ขอบคุณครับ

  7. ตัวเซนเซอร์นี่ต่อเป็นcouplingปะครับ

  8. พี่ค้าบ งบประมานโครงการนี้ ประมานเท่าไหร่ค้าบ ผมสนใจที่จะทำโปรเจกจบอ่าค้าบ

  9. nick says:

    ผมอยากทราบว่าถ้าเราต่อเซ็นเซอร์2-3ตัวในพอร์ตคอนโทรเลอร์พอร์ตเดียวได้หรือป่าวครับ

  10. MaMay says:

    ถ้าเอาเซนเซอร์นี้ต่อกับ arduino ได้ไหมคะ

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s