แผงวงจรพิมพ์หรือ PCB ที่เรียบง่ายได้ค้นพบการประยุกต์ใช้นวัตกรรมอีกรูปแบบหนึ่ง - คราวนี้ในฐานะเกจวัดความเครียด (strain gauge) ที่สามารถวัดการเบี่ยงเบนในระดับไมโครเมตร แม้ว่าแนวคิดนี้จะมีความเรียบง่ายอย่างสง่างาม การสนทนาในชุมชนเผยให้เห็นทั้งความตื่นเต้นเกี่ยวกับความสามารถในการเข้าถึงและความสงสัยเกี่ยวกับข้อจำกัดในทางปฏิบัติสำหรับการประยุกต์ใช้ที่ต้องการความแม่นยำสูง
การออกแบบและการทำงาน
การออกแบบเกจวัดความเครียด PCB เปลี่ยนแผงวงจรให้กลายเป็นองค์ประกอบการรับรู้ที่สามารถวัดการเบี่ยงเบนตั้งแต่ไมโครเมตรไปจนถึง ±3 เซนติเมตร มีให้เลือกทั้งในรูปแบบการรับรู้แบบ 4 องค์ประกอบและ 2 องค์ประกอบ โดยแบบหลังในทางทฤษฎีแล้วให้การเบี่ยงเบนทางความร้อนที่ต่ำกว่าและความลำเอียงในการผลิตที่น้อยกว่า การออกแบบนี้เป็นมิตรกับผู้สร้างโดยเฉพาะ ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะทางเช่น hot air station หรือเตาอบ reflow สำหรับการประกอบ ผู้ใช้สามารถติดตั้งไมโครคอนโทรลเลอร์โดยตรงบนบอร์ดหรือเชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์ภายนอกผ่านพินหัวต่อ
 |
|---|
| หน้า GitHub repository สำหรับโปรเจค PCB strain gauge แสดงการออกแบบและทรัพยากรสำหรับการประกอบ |
ความท้าทายในการวัดความแม่นยำ
การสนทนาในชุมชนได้มุ่งเน้นไปที่ว่าวิธีการ DIY นี้สามารถใช้งานในแอปพลิเคชันที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น เครื่องชั่งที่มีความแม่นยำระดับมิลลิกรัมได้หรือไม่ ความเห็นส่วนใหญ่ชี้ให้เห็นถึงข้อจำกัดที่สำคัญ ไม่เหมือนกับเกจวัดความเครียดเชิงพาณิชย์ที่มักใช้องค์ประกอบความต้านทานแบบ constantan บนฟิล์มโพลิอิไมด์ วัสดุ FR4 PCB มีความท้าทายโดยธรรมชาติเนื่องจากคุณสมบัติการดูดซึมความชื้นและลักษณะการขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน
All sensors are thermometers, some measure other things too.
ความคิดเห็นอันลึกซึ้งนี้สรุปความท้าทายพื้นฐานของเกจวัดความเครียด PCB การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อค่าที่อ่านได้ จำเป็นต้องมีการสอบเทียบอย่างระมัดระวังและสภาวะการทำงานที่มั่นคง เฟิร์มแวร์พยายามแก้ไขปัญหานี้โดยรวมรูทีนการสอบเทียบออฟเซ็ต 5 วินาที พร้อมคำแนะนำให้ปล่อยให้บอร์ดถึงจุดเสถียรภาพทางความร้อนอย่างน้อย 5 นาทีก่อนการสอบเทียบสำหรับการวัดที่มีความไวสูง
ข้อพิจารณาด้านวัสดุและทางเลือก
แนวโน้มของ FR4 ในการดูดซับความชื้นและศักยภาพในการคืบทางกล (การเสียรูปถาวรภายใต้แรงกดที่ต่อเนื่อง) ก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับความเสถียรในระยะยาวและความสามารถในการทำซ้ำ เกจวัดความเครียดเชิงพาณิชย์มักใช้ตัวเรือนเหล็กเพราะทนต่อการคืบได้ดี สำหรับการประยุกต์ใช้ที่ต้องการความแม่นยำระดับมิลลิกรัมอย่างแท้จริง สมาชิกในชุมชนแนะนำทางเลือกอื่น เช่น Kibble balance, การออกแบบขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า หรือเกจวัดความเครียดเชิงพาณิชย์ซึ่งแม้จะมีราคาแพงกว่า แต่ให้ความเสถียรที่ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย
ข้อกำหนดของเกจวัดความเครียด PCB:
- ขนาดบอร์ด: 20 มม. x 118 มม., 2 ชั้น
- ความหนาที่แนะนำ: 0.6 มม. (สามารถปรับได้สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน)
- ความกว้างเส้นลายวงจรต่ำสุด: 0.15 มม. (ประมาณ 6 มิล)
- การกำหนดค่าการตรวจจับ: สะพาน 4 องค์ประกอบหรือ 2 องค์ประกอบ
- ช่วงการวัด: ไมโครเมตรถึง ±3 ซม. การโค้งงอเต็มสเกล
- ตัวเสริมความแข็งแรงเสริม: สี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาด 20 มม. x 42 มม. (สามารถติดด้วย 3M VHB 5906)
ข้อจำกัดที่สำคัญ:
- ความไวต่ออุณหภูมิ (ต้องใช้เวลาปรับอุณหภูมิอย่างน้อย 5 นาที)
- ความไวต่อความชื้น (FR4 ดูดซับความชื้นได้)
- อาจเกิดการคืบทางกลภายใต้แรงกดที่ต่อเนื่อง
- จำเป็นต้องมีการสอบเทียบก่อนการวัดที่ต้องการความแม่นยำทุกครั้ง
การประยุกต์ใช้งานจริง
แม้จะมีข้อจำกัดสำหรับมาตรวิทยาความแม่นยำสูง เกจวัดความเครียด PCB ก็ยังมีการประยุกต์ใช้ที่มีคุณค่าในกรณีที่ความแม่นยำสัมบูรณ์มีความสำคัญน้อยกว่าการวัดเชิงเปรียบเทียบหรือการตรวจจับเกณฑ์อย่างง่าย ตัวเลือกการปรับแต่งของโครงการ รวมถึงเครื่องมือในการสร้างองค์ประกอบการรับรู้ที่มีรูปร่างและความโค้งที่แตกต่างกัน ทำให้เหมาะสำหรับวัตถุประสงค์ทางการศึกษา การสร้างต้นแบบ หรือการประยุกต์ใช้ที่การวัดแรงโดยประมาณเพียงพอแล้ว
สำหรับนักประดิษฐ์สมัครเล่นที่สนใจสำรวจการวัดความเครียดโดยไม่ต้องลงทุนในส่วนประกอบเฉพาะทาง วิธีการนี้ให้จุดเริ่มต้นที่เข้าถึงได้ อย่างไรก็ตาม ผู้ที่ต้องการการวัดที่สม่ำเสมอและมีการสอบเทียบในสภาพแวดล้อมที่หลากหลายอาจจำเป็นต้องลงทุนในโซลูชันเกจวัดความเครียดแบบดั้งเดิมหรือเทคโนโลยีการวัดทางเลือกอื่น
อ้างอิง: PCB Strain Gauge