בית החינוך המשותף חוף השרון | ההנדסייה - סדנה מייקרית בבית הספר
flex sensor (חיישן כיפוף)
שם הרכיב:
חיישן כיפוף (flex sensor)
מטרת הרכיב:
למדוד כיפוף של גופים או זווית בין גופים שונים. משמש בעיקר כדי למדוד כיפוף אצבעות. מיועד בעיקר לרובוטים, משחקי דיגיטליים העושים שימוש בתנועות הגוף (כמו "כפפת הסייבר" של נינטנדו משנת 1987) ו מכשירים רפואיים.
אופן פעולת הרכיב (פשוט):
הרכיב הוא רצועה בעלת שתי יציאות המאפשרות חיבור למעגל חשמלי. כאשר זורם זרם ברכיב הוא משמש כנגד. ככל שהרצועה מכופפת יותר כך ההתנגדות גדלה ולכן, ע"י מדידת ההתנגדות ניתן לקבוע את מידת הכיפוף.
אופן פעולת הרכיב – הסבר פנימי:
החיישן מורכב מדיו מוליך (בעל התנגדות מסוימת) המודפס על משטח גמיש. כאשר המשטח והדיו מתכופפים (הכיפוף נעשה כך שהדיו נמצא על החלק החיצוני) עובי הדיו קטן כתוצאה מלחיצת המשטח עליו וכך שטח החתך של הדיו קטן. ככל ששטח החתך של נגד קטן, התנגדותו עולה (כמו שהתגדות של מתכת דקה גדולה יותר מהתנגדות מתכת דקה- ככל ששטח החתך של חומר קטן יותר כך פחות מטענים עוברים בשטח זה ביחידת זמן ולכן יש התנגדות גדולה יותר למעבר הזרם). ולכן ככל, שהרצועה מכופפת יותר כך התנגדותה גדלה.
יתרונות:
עמיד
קל להשיג ויחסית זול.
חסרונות:
לא ניתן לכופף את החיישן לאחור או לקבוע כיפוף ביותר מציר אחד.
החיישן משמש במעגל חשמלי כמו נגד ולכן יש לו שתי יציאות: אחת לכניסת הזרם ואחת ליציאה. כמו נגד רגיל, אין משמעות לכיוון הזרם שזורם בו ולכן אין קוטביות (ניתן להחליף את P1, P2 ולא יהיה שינוי בפעולת הרכיב)
צד אחד של החיישן מוארק (מחובר לground). הצד השני של החיישן מחובר למקור מתח (vcc) כאשר בין מקור המתח לחיישן יש נגד שתפקידו להוריד את הזרם ואת ההספק שעוברים דרך החיישן לערכים המתאימים לו. צד זה של הנגד מחובר גם לפין אנלוגי בבקר שמודד את המתח ודרכו נעשית קריאת הערכים מהחיישן. מעגל זה עובד כמחלק מתח: הזרם עובר מהvcc אל הground כאשר המתח הכולל יורד בדרך על החיישן ועל הנגד החיצוני. המתח שהבקר מודד הוא המתח שיורד רק על החיישן.
באמצעות חישוב פשוט ניתן לראות שהקשר בין המתח vcc (זהו מתח ידוע שמספק הבקר) לבין המתח הנמדד הוא:
כאשר:
Vin = VCC (מתח שמספק הבקר, במקרה שלנו 5 וולט)
R1 = התנגדות החיישן (זהו הגודל שמשתנה כתוצאה מהכיפוף)
R2 = התנגדות הנגד החיצוני, 10 קילו אוהם
Vout = המתח שנמדד בכניסה אנלוגית
מדוע יש צורך במחלק מתח:
החיישן משמש כנגד שהתגדותו משנתה לפי מידת הכיפוף.
כדי לקרוא חיישנים, בקר הארדואינו מודד (בכניסות האנלוגיות שלו) את המתח. מתח זה מומר באופן ליניארי לערכים בין 0 ל-1023 (0 עבור 0V ו-1023 עבור 5V).
אם לא היינו משתמשים בנגד הנוסף והיציאה עליונה של הנגד הייתה מחוברת ישירות ל VCC, היינו מקבלים מתח קבוע (5V) בכניסה האנלוגית. במצב זה, כיפוף החיישן ושינוי התנגדותו היה משנה רק את הזרם במעגל.
כאשר הנגד החיצוני מחובר, המתח הקבוע (5V) הוא סכום המתחים של הנגד ושל החיישן (משום שהחיישן והנגד מחוברים בטור). כעת, כאשר ההתנגדות של החיישן עולה, הזרם במעגל קטן (כמו קודם) ולכן (לפי חוק אוהם) המתח בנגד החיצוני יקטן. כדי להשלים למתח הכולל, מתח החיישן (אותו אנו מודדים) יגדל - כמתואר בנוסחה למעלה.
שיטת חיבור זו מכונה "מחלק מתח".
חיבור לבקר ארדואינו (כמתואר למעלה). *ה vcc וה ground הפוכים כאן במיקומם מהשרטוט למעלה אך זהו לא דבר עקרוני אלא רק משנה את כיוון הזרם במעגל
קוד לדוגמה:
תיאור קוד לדוגמה:
הקוד מדגים את השימוש בחיישן בעזרת מנוע סרבו. בהתחלה מוגדרים שמו של מנוע הסרבו, מספרי הפינים של חיישן הכיפוף ושל המנוע, ושני משתנים שישמרו את הקריאה מהחיישן ואת הערך שמקבל המנוע. לאחר מכן, קוראים את ערך החיישן ושומרים אותו במשתנה המתאים. משתנה זה ממופה (בעזרת הפונקציה map) בצורה ליניארית מהתווח של ערכי החיישן (710-900) לתווח של הערכים שהמנוע מקבל (0-180) והערך החדש נשמר במשתנה חדש (N). כעת לפני שמעתיקים את הערך הזה למשתנה השייך לזווית המנוע בודקים את מרחקו מהערך הקודם שקיבל המנוע. בשביל למנוע רעידות של המנוע, רק כאשר שני הערכים רחוקים מספיק (בדוגמא פה, הם צריכים להיות לפחות במרחק 15 אחד מהשני) מועתק הערך החדש במקום הערך הקודם. כמו כן, התחום של משתנה זה מוגבל (בעזרת הפונקציה constrain) לטווך הערכים שמקבל המנוע ( כדי למנוע שליחת ערכים לא בטווח במקרה שהחיישן עובר קצת את התחום שהגדרתי עבורו). לבסוף, המנוע מקבל פקודה להיות בזווית ששמורה במשתנה שלו ומודפסים ערכי החיישן והמנוע לserial motor כדי לאפשר למשתמש לבקר את המערכת. הקד חוזר על עצמו עם דיליי של 50 מילי-שניה בין כל חזרה.
שגיאות שכדאי להימנע מהן וטיפים מועילים:
חשוב לחבר את החיישן כך שיתכופף רק בכיוון שבו הדיו נמצא בחלק החיצוני של הכיפוף. כיפוף לצד השני לא יעבוד בצורה הרצויה ויכול
לגרום לפגיעה בחיישן.
כמו כן, כדאי להימנע מכיפוף מלא של החיישן כדי להמעיט את המיקרו סדקים שנגרמים בתוך הדיו וגורמים לעלייה בהתנגדות החיישן.
אני מאד התרשמתי מדיוק החיישן ומאופן הפעולה שלו ומאד נהנתי
לעבוד איתו.
החיישן יקר יחסית (כ-50 שקלים לחיישן קצר וכ-100 שקלים לחיישן ארוך)
בתמונה: מיקרו סדקים בתוך הדיו לאחר 100 כיפופים. הסדקים מגבירים מאד את התנגדות החיישן
חלופות לרכיב :
קיימים עוד שני סוגים של חיישני כיפוף: חיישנים המבוססים על קבלות , וחיישנים המבוססים על סיבים אופטים.
חיישנים מבוססי קבלות (CAPACTIVE BEND SENSOR):
הסבר קצר על קבלים:
קבל הוא רכיב המורכב משני לוחות מוליכים הנמצאים
במרחק מאד קטן זה מזה (d) ביחס לשטחם (A).
כאשר מופעל מתח חשמלי בין הדקי הקבל מטענים
עוברים מלוח אחד לשני. היחס בין כמות המטענים
שעוברים למתח המופעל נקרא קבלות (מסומן ב C).
לכל קבל קבלות ייחודית לו הנקבעת לפי שטח הלוחות
והמרחק ביניהם כמתואר בנוסחה:
קבל גלילי. כאן הלוחות מכופפים לצורת גליל
בדומה לחיישנים כיפוף אחרים, חיישן זה מורכב מרצועה גמישה. על הרצועה ישנם שני "מסרקים" מוליכים (כמתואר באיור הימני) המשולבים זה מעל זה ויוצרים שורת קבלים. כאשר החיישן מתכופף, רדיוס ה"מסרק" החיצוני גדול יותר מהפנימי ולכן לוחות הקבלים כבר לא נמצאים בדיוק אחד מול השני (כמתואר באיור השמאלי - האיור מתאר את כל החיישן במבט מהצד כאשר כל פס קטן מתאר לוח של קבל. שורת הלוחות החיצוניים מוזזת קצת ממיקומה שמול שורת הלוחות הפנימית). כתוצאה מכך, השטח האפקטיבי של לוחות הקבל קטן ולפי הנוסחה שלמעלה הקבלות קטנה. באמצעות מעגל חשמלי ניתן למדוד את השינוי בקבלות וכך לדעת את מידת כיפוף החיישן.
יתרונות:
החיישן רגיש פחות מחיישנים אחרים לכיפוף סביב ציר שונה מהציר
סביבו הוא מכוון להתכופף ולכן מאפשר, באמצעות שימוש בשני
חיישנים כאלה, קבלת מידע מלא לגבי סיבוב ציר תלת מימדי.
מאפשר מדידת כיפוף לשני הצדדים.
החיישן מדויק
חסרונות:
החיישן יקר יחסית
חיישן כיפוף מבוסס קבלות
סיב אופטי בעל שלושה צבעים. מאפשר לדעת לא רק את עוצמת הכיפוף אלא גם את הכיוון המלא (שתי זוויות) של הכיפוף
חיישנים המבוססים על סיבים אופטיים
(OPTICAL FLEX SENSOR):
חיישן זה הוא חיישן הכיפוף הראשון שהומצא
(הומצא בשנת 1986).
בדומה לשאר חיישני הכיפוף, גם חיישן זה מורכב מרצועה גמישה. הרצועה עשויה מסיבים אופטיים גמישים. מבחוץ הסיבים עשויים מחומר המונע חדירה של אור פנימה (למשל גומי שחור) ומבפנים הסיבים מצופים בחומר מחזיר אור (כמו אלומיניום) בקצה אחד של הסיב ישנו מקור אור (בצד שמאל באיור) ובקצה השני יש פוטורזיסטור (נגד המשתנה לפי עוצמת האור). כאשר החיישן מכופף, חלק מהאור נאבד כתוצאה מפגיעה בדפנות והחזרתו. ככל שהחיישן מכופף כך עוצמת האור שמגיעה לפוטורזיסטור קטנה והתנגדותו גדלה. חלק מחיישנים אלו צבועים מבפנים בשניים או שלושה צבעים. בחיישנים אלו יש מקור אור המתאים לכל אחד מהצבעים (פולט אור בצבע המתאים). בכל פעם פועל מקור אור אחד (בפולסים). כאשר אור פוגע בקיר בצבע שונה ממנו הוא נבלע כמעט במלואו ולכן ניתן בשיטה זו לדעת לא רק את עוצמת הכיפוף אלא גם את הכיוון.
למשל, התרשים למעלה מתאר חיישן כזה עם צבע ירוק וצבע אדום. כאשר החיישן מכופף מעלה רב האור הירוק יבלע ועוצמת האור תהיה חזקה יותר עבור האור האדום. (ובכיוון השני התוצאה תהיה הפוכה).
יתרונות:
עמיד במים ולא מושפע מרעשים ואותות חשמליים.
מאפשר לדעת את כיוון הכיפוף (וניתן לכופף את החיישן גם לאחור)
חסרונות:
עבה וכבד יחסית לחיישן
קשה להשיג, כבר לא מיוצר באופן מסחרי (זוהי טכנולוגיה ישנה יחסית)
חיישן גמישות המבוסס על סיבים אופטיים
