薄膜壓力傳感器承重測量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

這段時間實(shí)在是太忙了，又是忙于本科畢業(yè)論文，考研的事情也才落下帷幕。

五一期間高中的一位老師聯(lián)系我商量著設(shè)計(jì)一款《基于薄膜式應(yīng)變片的壓力測量裝置》用于科創(chuàng)大賽，但是大概要做成類似于電子秤一樣的裝置。

一般來說呢，電子秤的方案是不會用薄膜式壓力傳感器的作為傳感器#壓力傳感器，大部分會選擇懸臂梁式傳感器、電阻應(yīng)變片或者S型傳感器，薄膜應(yīng)變片來測重這個方案顯然不是明智之選。可是在賽事方要求下，必須采用薄膜式壓力傳感器且測量裝置應(yīng)該搭在底部平臺，那可謂是挑戰(zhàn)頗大。

1、薄膜應(yīng)變片特性

薄膜壓力傳感器不像常規(guī)金屬應(yīng)變片，其電阻有一個觸發(fā)力，當(dāng)壓力大于觸發(fā)力時，電阻值將會驟降繼而保持一定規(guī)律。

在未觸發(fā)之前，薄膜壓力傳感器電阻將近20M，常規(guī)的應(yīng)變片電阻則相對較小，通常為120Ω，在受到形變后電阻發(fā)生變化。所以薄膜壓力傳感器不能像應(yīng)變片那樣使用差分放大電路實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。

礙于時間緊張，于是采用最簡單的電路分壓方案先進(jìn)行測量。

2、主控和軟件部分

主控制器打算使用#ESP32?使用藍(lán)牙和手機(jī)APP傳輸，經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)ESP32能夠正常的采集電壓和傳輸，這里不過多贅述，主要是ESP32開啟#BLE?如何和手機(jī)進(jìn)行通訊，代碼如下：

#include<BLEDevice.h>#include<BLEServer.h>#include<BLEUtils.h>#include<BLE2902.h>#include<driver/adc.h>// BLE 配置#define?SERVICE_UUID ? ? ? ?"4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b"#define?CHARACTERISTIC_UUID?"beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26a8"constint adc2_pin =?4;?BLECharacteristic *pCharacteristic;bool?deviceConnected =?false;
// BLE 連接狀態(tài)回調(diào)classMyServerCallbacks :public?BLEServerCallbacks {voidonConnect(BLEServer* pServer){? ? ? ? deviceConnected =?true;? ? }
voidonDisconnect(BLEServer* pServer){? ? ? ? deviceConnected =?false;? ? ? ? pServer->startAdvertising();?// 斷開后重新廣播? ? }};
voidsetup(){? ? Serial.begin(115200);? ??adc2_config_channel_atten(ADC2_CHANNEL_0, ADC_ATTEN_DB_11);// 初始化BLE? ? BLEDevice::init("ESP32-ADC");? ? BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();? ? pServer->setCallbacks(new?MyServerCallbacks());? ? BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);? ? pCharacteristic = pService->createCharacteristic(? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CHARACTERISTIC_UUID,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? BLECharacteristic::PROPERTY_READ |? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? );? ? pCharacteristic->addDescriptor(new?BLE2902());? ? pService->start();? ? BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();? ? pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);? ? pAdvertising->setScanResponse(true);? ? pAdvertising->setMinPreferred(0x06);?? ? BLEDevice::startAdvertising();? ? Serial.println("BLE 已啟動，等待連接...");}voidloop(){if?(deviceConnected) {int?sum =?0;int?validSamples =?0;// 連續(xù)讀取10次ADC并求平均for?(int?i =?0; i <?10; i++) {int?raw;esp_err_t?result =?adc2_get_raw(ADC2_CHANNEL_0, ADC_WIDTH_BIT_12, &raw);if?(result == ESP_OK) {? ? ? ? ? ? ? ? sum += raw;? ? ? ? ? ? ? ? validSamples++;? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ??delay(5); ?// 每次采樣之間稍作延遲，避免過快? ? ? ? }if?(validSamples >?0) {int?avgRaw = sum / validSamples;float?voltage = (float)avgRaw *?3.3?/?4096;unsignedlong runTimeSec =?millis() /?1000;
// 發(fā)送格式：ADC:平均值 Time:秒char?txString[32];sprintf(txString,?"ADC:%.2f",voltage);? ? ? ? ? ? pCharacteristic->setValue(txString);? ? ? ? ? ? pCharacteristic->notify();? ? ? ? ? ? Serial.printf("Avg ADC: %d,Time: %lusn", avgRaw, runTimeSec);? ? ? ? }? ? ? ??delay(100); ?// 控制發(fā)送頻率? ? }? ??delay(1);}

APP采用#NETMAUI?框架，也不做過多贅述。

3、技術(shù)難點(diǎn)

經(jīng)過實(shí)際的測試，發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的壓力（承重）測量有幾個難點(diǎn)：

首先是受力不均勻的問題，由于薄膜傳感器有效區(qū)域是一個圓形大小受力面積對它的影響很大。

為了解決受力問題，利用3D打印制作一個受力板，讓承重受力能夠均勻的施加到傳感器的有效工作區(qū)中。

其次就是我發(fā)現(xiàn)同樣的重物下，傳感器的電阻值會隨著時間而發(fā)生變化（這個非常麻煩）。不同時間下傳感器的值不統(tǒng)一，這讓數(shù)據(jù)處理造成了很大的麻煩。經(jīng)過測量，其變化百分比趨勢如下：

大小相差6%以上，后來經(jīng)過細(xì)心觀察發(fā)現(xiàn)，大概是這個傳感器在發(fā)生本征形變，經(jīng)過重物受壓一段時間后，這種自身數(shù)值變化將會趨于穩(wěn)定，因此可以選擇考慮選擇經(jīng)過工作（受壓）一段時間后的傳感器數(shù)據(jù)作為擬合源，將承重和傳感器數(shù)值進(jìn)行擬合。

4、數(shù)據(jù)擬合

將工作一段時間后的傳感器輸出電壓值和承重壓力進(jìn)行擬合，我們可以得到下圖所示曲線。

它的具體函數(shù)是這樣子的：

其中x是0~4096也就是ESP32原始的數(shù)字電壓，我們不難發(fā)現(xiàn)，它的函數(shù)曲線近似反曲函數(shù)，并且它的壓力-電阻曲線也是一條近似反曲函數(shù)。于是在這個的基礎(chǔ)上，我們對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

利用這個方法，我們就可以近似的得到電壓和承重力關(guān)系。