1. Main content
1. เนื้อหาหลัก
This section explains weight sensors, which work by turning force into an electrical signal. It starts with what stress and strain are, then shows how a change in the shape of a material becomes a change in electrical resistance. That principle is put to work in the strain gauge, and four strain gauges are wired into a Wheatstone bridge to make a load cell. The section ends with the calibration of a real load cell, so that you can study the sensitivity and the resolution of the sensor.
หมวดนี้อธิบายเรื่องเซนเซอร์วัดน้ำหนัก ซึ่งใช้หลักการเปลี่ยนแรงให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า เนื้อหาเริ่มจากความเค้น (stress) และความเครียด (strain) คืออะไร การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุเปลี่ยนเป็นความต้านทานได้อย่างไร แล้วนำหลักการนี้ไปใช้ทำสเตรนเกจ (strain gauge) และนำสเตรนเกจสี่ตัวมาต่อเป็นวงจรสะพานวีตสโตน (Wheatstone bridge) เป็นโหลดเซลล์ (load cell) จากนั้นมีปฏิบัติการสอบเทียบ (calibration) โหลดเซลล์จริง เพื่อศึกษาความไว (sensitivity) และความละเอียด (resolution) ของเซนเซอร์
2. Who is this for?
2. เนื้อหานี้เหมาะกับใคร
- Engineering students in a sensors or instrumentation course.
- Anyone doing a lab with a microcontroller (such as an Arduino) and an HX711 amplifier board.
- Makers who want to build and calibrate a weighing scale of their own.
- นักศึกษาวิศวกรรมที่เรียนวิชาเซนเซอร์หรืออินสตรูเมนเทชัน
- ผู้ทำแล็บด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (เช่น Arduino) และบอร์ดขยายสัญญาณ HX711
- ผู้สนใจสร้างและสอบเทียบเครื่องชั่งน้ำหนักด้วยตัวเอง
Background needed: basic algebra, Ohm’s law and the voltage divider. No earlier knowledge of strain gauges is assumed.
พื้นฐานที่ควรมี: พีชคณิตเบื้องต้น กฎของโอห์ม และวงจรแบ่งแรงดัน ไม่ต้องรู้เรื่องสเตรนเกจมาก่อน
3. Lesson overview
3. แนะนำบทเรียน
There are five lessons. Take them in the order listed, because each one builds on the one before it.
มีบทเรียนทั้งหมดห้าบท แนะนำให้เรียนตามลำดับที่แสดง เพราะแต่ละบทต่อยอดจากบทก่อนหน้า
- Strain and Stress — from force to stress, strain and the resistance of a strain-gauge material (simulation).
- Strain Gauge — the shape of a real foil gauge, its gauge factor and the resistance change ΔR (simulation).
- Load Cell — four gauges wired into a full Wheatstone bridge, and its output voltage Vo (simulation).
- Calibration & Sensitivity — Lab 1: calibrate a real load cell with live data from your microcontroller and find its sensitivity.
- Calibration & Resolution — Lab 2: reuse that calibration to measure the resolution of the scale and the effect of the moving average.
- Strain and Stress — จากแรงสู่ความเค้น ความเครียด และความต้านทานของวัสดุสเตรนเกจ (การจำลอง)
- Strain Gauge — รูปร่างของ strain gauge จริง ตัวประกอบเกจ (gauge factor) และการเปลี่ยนความต้านทาน ΔR (การจำลอง)
- Load Cell — นำเกจสี่ตัวมาต่อเป็นวงจร แล้วคำนวณแรงดันเอาต์พุต Vo (การจำลอง)
- Calibration & Sensitivity — Lab 1: สอบเทียบโหลดเซลล์จริงด้วยข้อมูลสดจากไมโครคอนโทรลเลอร์ และหาความไว (sensitivity)
- Calibration & Resolution — Lab 2: ใช้ผลสอบเทียบเดิมเพื่อวัดความละเอียด (resolution) ของเครื่องชั่ง และดูผลของการทำ moving average
4. What you will find in each lesson, and what you need
4. สิ่งที่จะได้พบในแต่ละบท และสิ่งที่จำเป็นต้องใช้
The first three lessons are simulations and need only a web browser. The two labs need hardware.
สามบทแรกเป็นการจำลอง ใช้เพียงเว็บเบราว์เซอร์ ส่วนสองบทท้ายเป็นปฏิบัติการต้องใช้อุปกรณ์จริง
-
01 Strain and Stress. Study how the length and cross-sectional area of a bar change when it is loaded by a force (tension or compression) or when the temperature changes, and see how the stress (σ) and strain (ε) in the material change.
-
02 Strain Gauge. Get to know the structure of a strain gauge and try adjusting the grid length and width, the spacing, the number of grids and the thickness, to see how the resistance and ΔR change.
-
03 Load Cell. Strain gauges are wired into a working circuit for a weighing scale. This page has a circuit in which you can adjust the supply voltage, the force on the load cell and the resistance values, and it calculates the output voltage (Vo) that the instrument measures.
-
04 Calibration & Sensitivity. This page is practice in converting an electrical signal into the weight on the load cell. You connect the board over Web Serial to read the signal from the load cell. When you enter the known weights and the readings from the board into the calibration table, you get a transfer function and an inverse transfer function for converting the measured signal into weight.
You need: a microcontroller that sends numbers over a serial port, an HX711 board, a load cell with a weighing platform, several known weights, a USB cable, and a device that can open a web browser such as Chrome or Edge.
-
05 Calibration & Resolution. This page is practice in converting an electrical signal into the weight on the load cell. You connect the board over Web Serial, as in 04 Calibration & Sensitivity, and you must import the calibration from lesson 04. Then place one weight on the platform and keep it still, and record the weight readings in order to calculate the resolution. The page shows the standard deviation (SD) and the resolution as 3σ, for you to compare with your hand calculation.
You need: the equipment from lesson 04, the saved calibration, and one weight.
-
01 Strain and Stress. ศึกษาการเปลี่ยนแปลงความยาวและพื้นที่หน้าตัดของแท่ง เมื่อได้รับแรง (ดึงหรืออัด) หรืออยู่ในสภาพที่อุณหภูมิเปลี่ยนไป แล้วดูการเปลี่ยนแปลงของความเค้น (σ) ความเครียด (ε) ที่วัสดุได้รับ
-
02 Strain Gauge. ทำความรู้จักโครงสร้างของ Strain Gauge และทดสอบปรับความยาวและความกว้างของกริด ระยะห่าง จำนวนกริด ความหนา เพื่อดูว่าความต้านทานและ ΔR เปลี่ยนอย่างไร
-
03 Load Cell. เป็นการนำ Strain gauge มาต่อเป็นวงจรใช้งานสำหรับเครื่องชั่งน้ำหนัก ในหน้าเว็บนี้มีวงจรให้คุณได้ลองปรับค่าแรงดันไฟเลี้ยง แรงที่กด Load cell และค่าความต้านทาน พร้อมคำนวณแรงดันเอาต์พุต (Vo) ที่เครื่องมือวัดได้
-
04 Calibration & Sensitivity. หน้าเว็บนี้เป็นการฝึกแปลงค่าสัญญาณทางไฟฟ้าให้เป็นค่าน้ำหนักที่ load cell ได้รับ โดยมีการเชื่อมต่อบอร์ดผ่าน Web Serial เพื่ออ่านสัญญาณจาก load cell เมื่อคุณกรอกน้ำหนักที่ทราบค่า และค่าที่อ่านได้จากบอร์ดลงตารางสอบเทียบ คุณจะได้ transfer function และ Inverse transfer function สำหรับแปลงสัญญาณที่วัดได้เป็นน้ำหนัก
สิ่งที่ต้องใช้: ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ส่งตัวเลขทางพอร์ตอนุกรม (serial) บอร์ด HX711 โหลดเซลล์พร้อมแท่นชั่งน้ำหนัก ตุ้มน้ำหนักที่ทราบค่าหลายค่า สาย USB และอุปกรณ์สำหรับเปิด web browser เช่น Chrome หรือ Edge
-
05 Calibration & Resolution. หน้าเว็บนี้เป็นการฝึกแปลงค่าสัญญาณทางไฟฟ้าให้เป็นค่าน้ำหนักที่ load cell ได้รับ โดยมีการเชื่อมต่อบอร์ดผ่าน Web Serial เหมือนหัวข้อ 04 Calibration & Sensitivity โดยคุณต้องนำเข้าผลสอบเทียบจากบท 04 มาใช้งาน แล้ววางตุ้มน้ำหนักหนึ่งตัวบนแท่นชั่งให้นิ่ง แล้วบันทึกค่าน้ำหนักที่อ่านได้ เพื่อนำไปคำนวณ resolution โดยหน้านี้แสดงส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน (SD) และ resolution แบบ 3σ ให้เทียบกับที่คำนวณด้วยมือ
สิ่งที่ต้องใช้: อุปกรณ์ของบท 04 ผลสอบเทียบที่บันทึกไว้ และตุ้มน้ำหนักหนึ่งตัว