벌통 모니터링 시스템에 휘트스톤 브리지 구조가 4개의 스트레인 게이지 센서로 구성되어야 하는 이유는 무엇입니까?

4개 센서 휘트스톤 브리지가 필요한 이유는 하중을 기계적으로 평균화하는 능력에 있습니다. 이 구성은 살아있는 군집의 특징인 불안정한 무게 중심이 측정값을 왜곡시키지 않도록 하여 불균일한 무게 분포로 인한 오류를 상쇄하기 때문에 벌통 모니터링 시스템에 매우 중요합니다.

핵심 요점 전체 휘트스톤 브리지(4개 센서)는 "중심에서 벗어난" 하중 오류를 효과적으로 제거하는 유일한 구성입니다. 이는 꿀 생산량의 미세한 변화를 기계적 노이즈와 구별하는 데 필요한 안정성을 제공합니다.

살아있는 시스템의 무게 측정 과제

4개의 센서가 필요한 이유를 이해하려면 먼저 측정하려는 하중의 고유한 특성을 이해해야 합니다. 벌통은 정적인 물체가 아니라 동적인 생물학적 시스템입니다.

불균일한 하중 문제

벌은 자신이나 꿀 저장량을 고르게 분산시키지 않습니다. 따뜻함을 유지하기 위해 벌통 한쪽에 모여 있거나 다른 곳보다 특정 프레임에 먼저 꿀을 채울 수 있습니다.

단일 센서를 사용하면 무게 중심의 이동이 레버 역할을 하여 판독값을 왜곡하는 토크를 생성합니다. 총 질량은 변하지 않았는데도 벌이 움직이기 때문에 무게가 변동하는 것처럼 보일 것입니다.

미세한 정밀도의 필요성

벌통을 모니터링하려면 매일 꿀 채취량이나 겨울 저장량 소비량과 같은 미묘한 추세를 추적해야 합니다. 이는 저품질 센서 시스템의 노이즈에 쉽게 묻힐 수 있는 미세한 무게 변화입니다.

기계적 변형을 높은 충실도로 전압 신호로 변환하여 데이터 프로세서에 깨끗한 "아날로그 기반"을 제공하는 시스템이 필요합니다.

4개 센서 브리지가 이 문제를 해결하는 방법

4개 센서 구성(종종 "전체 브리지"라고 함)은 기하학적 구조와 전기적 연결을 통해 이러한 물리적 문제를 해결합니다.

기계적 오류 상쇄

벌통 받침대의 각 모서리에 센서를 배치함으로써 휘트스톤 브리지는 플랫폼에 가해지는 총 힘을 효과적으로 합산합니다.

벌통이 왼쪽으로 기울어지면 왼쪽 센서는 더 많이 압축되고 오른쪽 센서는 덜 압축됩니다. 브리지 루프에 함께 배선되어 있기 때문에 이러한 변동은 수학적으로 서로 상쇄됩니다. 결과는 상자 안의 질량 위치에 관계없이 총 수직 질량의 측정값입니다.

향상된 신호 안정성

4개 센서 브리지는 단일 또는 반쪽 브리지 구성보다 훨씬 강력한 전기 신호를 생성합니다.

이 높은 신호 대 잡음비는 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 데이터를 공급할 때 필수적입니다. 이를 통해 시스템은 전압의 매우 작은 변화를 감지하고 이를 군집 건강 분석에 필요한 고정밀 무게 데이터로 변환할 수 있습니다.

절충안 이해

4개 센서 휘트스톤 브리지는 정확도를 위한 우수한 기술적 선택이지만, 관리해야 할 복잡성을 야기합니다.

배선 및 조립 복잡성

4개의 센서를 사용하면 단일 지점 로드 셀보다 더 복잡한 배선이 필요합니다. 브리지 루프 내에서 각 센서의 극성이 올바른지 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 센서가 오류 신호가 아닌 무게 신호를 상쇄하게 됩니다.

구조적 강성 요구 사항

센서가 효과적으로 작동하려면 센서를 지지하는 프레임이 튼튼해야 합니다. 벌통의 무게로 인해 베이스가 휘거나 비틀리면 센서에 전달되어야 하는 힘의 일부를 흡수하여 무게를 과소 보고할 수 있습니다.

프로젝트에 대한 올바른 선택

4개 센서 브리지 사용 결정은 특정 데이터 요구 사항에 따라 달라집니다.

과학 데이터 또는 꿀 흐름 추적이 주요 초점인 경우: 4개 센서 휘트스톤 브리지를 사용해야 합니다. 살아있는 벌통의 이동하는 무게 중심을 안정적으로 처리하는 유일한 방법입니다.
간단한 "살아 있음/죽어 있음" 모니터링이 주요 초점인 경우: 센서 수를 줄여도 되지만, 벌이 움직임에 따라 무게 판독값이 크게 변동할 수 있음을 받아들여야 합니다.

요약하자면, 4개 센서 브리지는 단순히 무게를 측정하는 것이 아니라 살아있는 군집의 가변적인 역학을 단일하고 신뢰할 수 있는 숫자로 안정화하는 것입니다.

요약 표:

특징	단일 센서 시스템	4개 센서 휘트스톤 브리지
무게 분포	중심에서 벗어난 하중에 민감함	자동으로 평균화 및 오류 상쇄
신호 강도	낮은 신호 대 잡음비	높은 신호 대 잡음비 (안정적)
정밀도 수준	낮음 (기계적 노이즈 발생 가능성 높음)	높음 (미세한 꿀 변화 감지)
무게 중심	벌집 이동으로 왜곡됨	질량 이동으로 인한 토크 상쇄
최적 사용 사례	기본 활동 모니터링	상업용 꿀 흐름 및 건강 추적

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참고문헌

Martin Magdin, Zoltán Balogh. Design and Realization of Interconnection of Multifunctional Weighing Device with Sigfox Data Network. DOI: 10.7160/aol.2020.120209

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