|
FSR's zijn weerstanden waarvan de waarde afhankelijk is van de kracht die u op de weerstand uitoefent. Deze componenten worden bijvoorbeeld gebruikt als ultraplatte drukknop op een print.
|
Het werkingsprincipe van FSR's
Een sandwich van twee membranen
Een Force Sensing Resistor bestaat uit twee membranen die gescheiden zijn door een dunne luchtlaag. De luchtlaag ontstaat door een afstandhouder die is aangebracht tussen de twee membranen en door de stijfheid van de membranen. Eén membraan heeft twee kamvormige in elkaar grijpende elektroden waarbij elke elektrode verbinding maakt met één aansluitcontact. Het andere membraan is bedekt met elektrisch geleidende FSR-inkt. Wanneer u op dit membraan drukt komt een kleiner of groter oppervlak van de geleidende FSR-inkt in contact met de twee elektroden. Hoe meer druk u uitoefent, hoe groter het oppervlak is van het bovenste membraan dat in contact komt met de elektroden op het onderste membraan en hoe kleiner de weerstand tussen de elektroden zal worden.
De weerstand van een FSR verloopt dus omgekeerd met de toegepaste druk. Hoe groter de druk die u uitoefent, hoe kleiner de weerstand van het onderdeel.
 |
| De samenstelling van een Force Sensing Resistor. (© 2018 Jos Verstraten) |
De afstandhouder heeft meestal een dikte tussen 0,03 mm en 0,15 mm. Dit element kan door middel van zeefdruk worden aangebracht op het onderste membraan. Soms gebruikt men echter een tweezijdig klevende folie. Beide membranen worden gemaakt van flexibele polymeervellen zoals polyethylene terephthalate (PET), polyimide (Kapton) of een ander filmmateriaal. Bij krachtsensoren die een groter bereik moeten hebben wordt het bovenste membraan gemaakt van een iets minder flexibel materiaal, zoals polycarbonaat, dun metaal of zelfs zeer dunne printplaat.
Het binnenoppervlak van dit substraat is gecoat met op koolstof gebaseerde geleidende inkt.
De geleidende sporen op het onderste membraan worden gezeefdrukt met zilverpolymere inkt. Deze sporen kunnen echter ook worden gevormd uit verguld koper zoals op flexibele of standaard printplaten.
Montage van de sensoren
De kracht kan in principe op beide membranen worden uitgeoefend. In de meeste gevallen is het onderste membraan echter voorzien van een zelfklevende laag waarmee de sensor op een stevige ondergrond, bijvoorbeeld een print, kan worden vastgeplakt. Die stevige ondergrond is een absolute voorwaarde voor de goede werking van een FSR-sensor. Als deze ondergrond een beetje indrukbaar is, wordt een deel van de op de sensor uitgeoefende kracht geabsorbeerd door deze ondergrond en zal de weerstand van de sensor afwijken van de normale waarde.
Hoe de weerstand afhangt van de kracht
De geleidende inkt op het bovenste membraan bestaat uit microscopisch kleine korreltjes koolstof met diverse grootten, die in een geleidende elastische laag zijn aangebracht, zie onderstaande foto. Als u weinig kracht op het bovenste membraan uitoefent zullen alleen de grootste koolstof korreltjes contact maken met de kamvormige elektroden. De weerstand tussen de elektroden is dan groot. Oefent u meer kracht uit, dan zullen ook steeds meer kleinere korreltjes op de elektroden worden gedrukt. Er ontstaan dus steeds meer geleidende paden tussen de elektroden zodat de weerstand afneemt.
 |
| De geleidende inkt microscopisch bekeken. (© Interlink Electronics) |
Een typische weerstand versus kracht karakteristiek is geschetst in onderstaande figuur. Let er op dat beide assen voorzien zijn van logaritmische schalen!
Een FSR-krachtsensor wordt gekarakteriseerd door zijn inschakeldrempel (actuation force). Deze grootheid wordt gedefinieerd als de kracht die nodig is om de weerstand van de sensor te reduceren van oneindig naar 100 kΩ. Deze drempel wordt uiteraard beïnvloed door de dikte, de flexibiliteit, de grootte en de vorm van de membranen en de afmetingen van de luchtspleet tussen de membranen.
 |
| Het typisch verloop van de weerstand in functie van de uitgeoefende kracht. (© Interlink Electronics) |
Het beschreven type wordt een 'single zone FSR' genoemd, omdat er maar één actieve krachtgevoelige zone in de sensor aanwezig is. Deze sensoren worden in diverse uitvoeringen aangeboden, waarvan in onderstaande figuur een paar voorbeelden worden gegeven.
 |
| Een aantal single zone FSR's. (© Interlink Electronics) |
De onderstaande gegevens gelden voor het type FSR402 dat door Interlink Electronics wordt aangeboden. Dit bedrijf is opgericht door de uitvinder van het principe en is marktleider op dit gebied. De FSR402 wordt op dit moment tegen een prijs van rond € 5,00 aangeboden via de bekende Chinese webwinkels. Als u geen geduld hebt kunt u dit exemplaar ook bij Conrad bestellen, maar aan de 24-uurs levering hangt dan wel een prijskaartje van € 11,99.
De FSR402 is een ronde FSR met een diameter van 12,7 mm die voornamelijk wordt gebruikt als op een print geïntegreerde drukknop op de bedieningspanelen van medische apparatuur, op de dashboards van auto's en op de bedieningspanelen van industriële apparatuur.
- Actuation Force: 0,2 N typisch
- Meetbereik: 0,2 N tot 20,0 N typisch
- Resolutie: analoog
- Reproduceerbaarheid meting tot meting: ±2 %
- Reproduceerbaarheid exemplaar tot exemplaar: ±6 %
- Reproduceerbaarheid na 10 miljoen activaties: -10 % weerstandsvariatie max.
- Reproduceerbaarheid na 35 dagen: ±5 % max.
- Weerstand in rust: 10 MΩ min.
- Hysteresis: 10 % gemiddeld
- Stijgtijd: 3 μs typisch
- Temperatuursafhankelijkheid bij -40 °C: ±5 % weerstandsvariatie max.
- Temperatuursafhankelijkheid bij +85 °C: ±15 % weerstandsvariatie max.
 |
| De goedkoopste uitvoering van een single zone FSR is de SR402. (© Interlink Electronics) |
Uit deze gegevens blijkt dat u een FSR niet kunt gebruiken voor het heel nauwkeurig meten van kracht of druk. Het gebruik in weegschalen is dan ook niet aan te bevelen, maar dat een FSR daarvoor geschikt is zal geen enkele fabrikant beweren.
Het toepassen van een single zone FSR
De eenvoudigste toepassing
De eenvoudigste toepassing van een single zone FSR is voorgesteld in onderstaande figuur. De FSR staat in serie met een vaste weerstand en deze serieschakeling is aangesloten op een constante gelijkspanning V+. Het knooppunt gaat naar een als spanningsvolger geschakelde op-amp. Het verloop van de uitgangsspanning in functie van de uitgeoefende kracht is in de rechter grafiek voorgesteld met als parameter de waarde van de serieweerstand RM. Let er op dat in deze grafiek gewerkt wordt met lineair ingedeelde assen. Hieruit blijkt dat u een min of meer recht evenredig verband tussen uitgangsspanning en kracht krijgt als u de serieweerstand zo klein mogelijk maakt (gele grafiek). Deze optie is niet zo geschikt als u de FSR gebruikt als drukknop. Dan moet u de serieweerstand zo groot mogelijk maken, want dan schakelt de uitgangsspanning ondubbelzinnig om van laag naar hoog bij het drukken op de sensor (blauwe grafiek).
 |
| De eenvoudigste toepassing van een single zone FSR. (© Interlink Electronics) |
In onderstaande figuur wordt een FSR gebruikt voor het aansturen van een relais. Op het moment dat u op de sensor drukt zal het relais inschakelen. De FSR vormt een spanningsdeler met de weerstand RM. De op-amp U1 wordt gebruikt als comparator. De uitgang van U1 is hoog of laag. De niet-inverterende ingang van de op-amp is aangesloten op het knooppunt van de twee weerstanden en ziet dus een spanning die toeneemt met de uitgeoefende kracht. Als de sensor in rust is zal de uitgang van de op-amp laag zijn. Wanneer de spanning op de niet-inverterende ingang van de op-amp groter wordt dan de spanning op de inverterende ingang zal de uitgang van de op-amp hoog worden. De triggerspanning en dus de krachtdrempel wordt ingesteld op de inverterende ingang door de potentiometer R1. De transistor Q1 stuurt het relais. De hysteresisweerstand R2 werkt als een 'debouncer' die ervoor zorgt dat het relais zonder klepperen inschakelt als u op de FSR drukt.
 |
| Een single zone FSR stuurt een relais als u op de weerstand drukt. (© Interlink Electronics) |
De op onderstaande foto voorgestelde FSR wordt geleverd op een printje dat u direct op het bekende Arduino-board kunt aansluiten. Deze sensor is te koop voor ongeveer € 3,50 en van de site nl.aliexpress.com kunt u ook de programmacode downloaden waarmee u deze sensor kunt gebruiken als krachtmeter met een LED-schaal als uitlezing.
 |
| Een FSR die u direct op de Arduino-print kunt aansluiten. (© Aliexpress) |
Force Sensing Linear Potentiometer (FSLP)
Samenstelling
Net zoals de single zone FSR heeft een FSLP een bovenste membraan dat is voorzien van een FSR-inktlaag en een onderste membraan dat is voorzien van kamvormige elektroden. Een van deze elektroden is uitgevoerd als deze bij de normale FSR, de andere elektrode heeft echter tanden die contact maken met een vaste weerstand die op het onderste substraat is opgedampt als koolstofbaan. Tussen ieder van deze tanden staat dus een klein deel van de opgedampte weerstand. Als u op een bepaalde plaats op het bovenste membraan drukt, zal dit tot gevolg hebben dat de koolstofdeeltjes in de geleidende inkt op die specifieke plaats contact leggen tussen de tanden van de eerste elektrode en de tanden van de tweede elektrode. Dit is in onderstaande figuur rechts voorgesteld. De rechter elektrode wordt dus doorverbonden met de plaats op de koolstofbaan waar u drukt. Door nu de vinger in de lengterichting over de FSLP te verplaatsen, wordt ook de kortsluiting tussen de elektroden in dezelfde richting verplaatst en zal de rechter elektrode steeds op een andere plek contact maken met de opgedampte weerstand. De rechter elektrode werkt dus op precies dezelfde manier als de loper van een normale potentiometer.
 |
| De samenstelling en werking van een Force Sensing Linear Potentiometer. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het elektrisch equivalent van een FSLP
Het elektrisch schema van een FSLP is iets ingewikkelder dan dit van een 'echte' potentiometer. Tussen de buitenste aansluitingen 2 en 3 staat een vaste weerstand R1 + R2 waarvan de waarde bepaald wordt door de opgedampte koolfilm. Tussen de 'loper' en de aansluiting 1 staat echter ook een weerstand Rp waarvan de waarde wordt bepaald door de kracht waarmee u op het onderdeel drukt. Deze weerstand varieert tussen 300 kΩ bij een lichte druk tot 2 kΩ bij een zeer zware druk op de FSLP. Kortom, de weerstand die u tussen een van de uiteinden van de potentiometer en de loper meet is niet alleen afhankelijk van de plaats waar u op de FSLP drukt, maar ook van de mate waarop u dat doet.
 |
| Het equivalent schema van een Force Sensing Linear Potentiometer. (© 2018 Jos Verstraten) |
Interlink Electronics levert slechts twee lineaire potentiometers, voorgesteld in onderstaande foto. De langste heeft een lengte van tien centimeter en kan dus dienen als een echte schuifpotentiometer. Vreemd genoeg wordt nergens in de data vermeld wat de waarde van de vaste weerstand is. Het unieke is dat u de lengte aan de eigen toepassing kunt aanpassen. Hebt u slechts plaats voor een schuifpotentiometer van acht centimeter, dan knipt u er twee centimeter van af!
 |
| De twee door Interlink Electronics leverbare typen van FSLP's. (© Interlink Electronics) |
In onderstaand Youtube-filmpje ziet u een toepassing van een FSLP. U kunt de brandende lengte van een LED-lichtstrip regelen door uw vinger over de FSLP te verplaatsen. U kunt de lichtkleur variëren door min of meer druk op het onderdeel uit te oefenen.
4-Zone Force Sensing Resistor
Samenstelling en werking
Een 4-Zone FSR, ook wel mouse-sensor genoemd, bestaat uit niets anders dan vier individuele FSR's die zijn samengevoegd tot één onderdeel. Op het onderste membraan zijn vijf kamvormige elektroden aangebracht, waarbij één gemeenschappelijk is voor de vier FSR's. Door een vinger over het bovenste membraan te verplaatsen beïnvloedt u de waarde van vier weerstanden. In de rechter figuur hebben wij de vijf elektroden met contrasterende kleuren ingevuld, zodat u goed kunt zien hoe de patronen in elkaar geweven zijn.
 |
| Samenstelling van een 4-Zone FSR en de plaats van de vijf elektroden op het onderste membraan. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een 4-Zone FSR levert twee gegevens:
- De verandering van de verhouding tussen de vier weerstanden geeft een indicatie in welke richting u uw vinger over het bovenste membraan beweegt.
- De toe- of afname van de vier weerstanden geeft informatie over de kracht waarmee u op het bovenste membraan drukt.
4-Zone Force Sensing Resistor als joystick
Door een 4-Zone FSR op te nemen op een printje en dat printje te voorzien van een speciaal gevormd rubberen kapje kunt u de sensor omvormen tot een miniatuur joystick. Hoe een en ander er dan uit komt te zien ziet u in onderstaande afbeelding.
 |
| Een miniatuur joystick met een 4-Zone FSR. (© Interlink Electronics) |
Multimeters
