Тензодатчики напольных весов: как устроены, как соединены и почему врут

Тензодатчики напольных весов — это обычно четыре плоских датчика силы, по одному в каждой ножке платформы, и плата, которая складывает их сигналы в один вес. Поэтому весы показывают правильную массу, даже если человек встал не точно в центр: сколько недобрал один угол, столько добавил другой. Ниже — как устроены и соединены такие датчики, почему у них бывает три провода и от чего весы начинают врать.

Где стоят датчики и как они работают

Человек стоит на стеклянной или пластиковой платформе, а платформа опирается на четыре ножки. В каждой ножке — небольшой металлический упругий элемент с наклеенными тензорезисторами. Под весом элемент чуть прогибается, сопротивление резисторов меняется, и датчик выдаёт сигнал в единицы милливольт. Электроника складывает сигналы всех углов и переводит сумму в килограммы.

Принцип тот же, что у промышленных весов на четырёх опорах: платформа автомобильных или складских весов тоже стоит на четырёх датчиках, а их сигналы суммируются. Разница — в масштабе, классе точности и защите от перегрузки. Как один тензорезистор превращает деформацию в сигнал, разобрано в статье о мостовой схеме тензодатчиков.

Плоский датчик для углов платформы

Для напольных весов делают плоские датчики-минисенсоры: низкий корпус помещается в ножку и не поднимает платформу. В каталоге Sierra такой датчик — минисенсор 2N. По карточке:

Минисенсоры применяют в хозяйственных и домашних весах, которые не используются на производстве: напольных, кухонных, карманных, весах для младенцев. Схему включения и число жил конкретного исполнения проверяют по фото и этикетке или уточняют у менеджера Sierra: в карточке эти данные совпадают с другими моделями минисенсоров.

Почему у датчика бывает три провода

Промышленный датчик веса — полный мост из четырёх активных тензорезисторов с четырьмя выводами: два на питание, два на сигнал. Все датчики Sierra в каталоге четырёхпроводные. В дешёвых напольных весах часто стоят «половинки» с тремя проводами — это полумост: два активных тензорезистора и общий средний вывод.

Один полумост не даёт полного моста, поэтому трёхпроводные датчики собирают в мост парами или дополняют постоянными резисторами. Отсюда главное правило ремонта: схему соединения датчиков с платой зарисуйте до того, как отпаять первый провод. Цвета жил у разных производителей не совпадают, а восстановить схему по памяти почти невозможно.

Как сигналы четырёх углов складываются в один вес

В промышленных весах датчики соединяют параллельно через сумматор — соединительную коробку: все красные жилы на питание плюс, все чёрные на минус, зелёные и белые — на сигнальные клеммы. На выходе получается один «датчик» с суммарным номиналом и той же чувствительностью в мВ/В. Для этого датчики берут одной модели и номинала, а разброс между ними выравнивают подстройкой углов, которая есть в сумматорах JB01 и SJB-S.

В бытовых весах роль сумматора выполняет сама плата. Подстройки углов там обычно нет, поэтому датчики подбирают парами на заводе. Если углы разойдутся, груз в разных местах платформы покажет разный вес — это первый признак неисправного или «чужого» датчика.

В самодельных весах на Arduino есть ещё один вариант: каждый датчик подключают к своему модулю HX711 и складывают показания в программе. Так вес каждого угла виден отдельно, что удобно для выравнивания углов. Подробно схемы описаны в статье «Тензодатчик с Arduino и HX711».

Почему весы врут: пол, батарейки, перегрузка

• Мягкое покрытие. На ковре или линолеуме с мягкой подложкой ножки проваливаются, платформа касается пола краем, и часть веса уходит мимо датчиков.
• Неровный пол. На неровной плитке один угол зависает, и три датчика несут всю нагрузку с перекосом.
• Потерянная накладка. Резиновые накладки на ножках нужны для сцепления с полом; без одной из них угол оказывается ниже остальных.
• Севшие батарейки. При низком напряжении питания показания плавают, а умные весы выключаются.
• Удар и прыжок. Запас по перегрузке у минисенсоров меньше, чем у промышленных датчиков: предельная нагрузка 2N — 120 % НПИ, тогда как у большинства датчиков Sierra — 150 %. Прыжок на весы легко превышает предел одного угла.

Что сказано в инструкции к умным весам Sierra Body Scale 1

В руководстве пользователя к напольным весам Sierra Body Scale 1 есть цифры, которые помогают отличить неисправность от нормальной работы:

• диапазон измерения 3–180 кг, деление 100 г, питание от трёх батареек ААА;
• при напряжении батареек 2,4 В ± 0,2 В на дисплее появляется «Lo», и весы выключаются;
• при перегрузке на 2,5 кг, то есть на 182,5 кг, на дисплее появляется «Err»;
• оптимальная рабочая температура 5–35 °C, влажность воздуха ниже 90 %;
• вставать нужно на середину весов, а для измерения жировой массы стоять не менее 10 секунд;
• весы не водонепроницаемы: на мокрый пол их не ставят, разряженные батарейки извлекают, чтобы не было коррозии.

Модели в разных цветах собраны в разделе напольных весов Sierra.

Можно ли заменить датчик в напольных весах

Чаще всего причина «поломки» проще, чем кажется: севшие батарейки, весы на мягком покрытии, оторванный провод у одного из углов. Оборванный провод перепаивают, соблюдая зарисованную схему. Если датчик повреждён ударом, его меняют на такой же по размерам, номиналу и схеме включения — полумост на полумост, полный мост на полный мост.

Перед заменой полезно сравнить углы между собой: отключите датчики от платы и измерьте мультиметром сопротивление между одноимёнными выводами у каждого. У исправных датчиков одной модели значения близки, а у повреждённого заметно отличаются или показывают обрыв. Кабель датчика при перепайке не укорачивайте сильнее необходимого: его длина учтена при заводской настройке, лишнее аккуратно укладывают внутри корпуса.

Ставить в один комплект датчики с разным сопротивлением моста нельзя: их сигналы будут складываться неравномерно, и вес станет зависеть от того, куда встал человек. После замены весы проверяют грузом известной массы в центре и по углам платформы.