MIHIN SINÄ VOISIT SOVELTAA VENYMÄ-LIUSKAMITTAUSTA?

PIXACE -JÄRJESTELMÄNVOIT KOOTA ITSE PROJEKTI-LEVYLLE - HALPA JA HELPOSTI HALTUUNOTETTAVA LAITEYMPÄ-RISTÖ.

Yleissivistävän teknologian opetuksen tulee antaa lapselle valmiuksia ymmärtää rakennettuun ympäristöön keskeisesti liittyviä toiminnan periaatteita – avata raken-nettua ympäristöä niin kuin se on. Tämän lisäksi lapselle tulee antaa valmiuksia suunnitella, soveltaa ja kehittää teknologiaa luovasti ja innovatiivisesti (Järvinen, 2001).

Venymäliuskat ovat yksi esimerkki rakennettuun ympä-ristöön keskeisesti liittyvästä teknologiasta. Liuskamittaus-järjestelmä on erinomainen teknologian opetuksen kohde sen vuoksi, että sen toteuttamis-een käytetty teknologia on näkyvissä – liuskassa kiemur-televa vastuslanka näkyy paljaalla silmällä jne. Teknolo-gisen toiminnan periaatteita voidaan siis ymmärtää, mutta laitteiston kokoamiseen voidaan myös osallistua aktiivisena toimi-jana: esimerkiksi siltakytkentä kootaan itse juottamalla.

Teknologian opetuksen kannalta olennaista on, että liuska-anturi antaa opiskelijalle mahdollisuuden sovel-taa opetettua teknologiaa haluamaansa kohteeseen luovalla ja innovatiivisella tavalla. Venymäliuskojen ope-tuskäytössä yhdistyy luontevalla tavalla useita teknisen käsityön ja fysiikan oppisisältöjä.

Picaxe-mikrokontrollerit on automaatio- ja robotiikan opettamiseen tarkoitettu yleissivistävän teknologiao-petuksen laiteympäristö. Picaxe-järjestelmä antaa oppilaille mahdollisuuden suunnitella ja rakentaa tarpeit-aan vastaava yksinkertainen järjestelmä, jota ohjataan itse ohjelmoitavalla mikrokontrollerilla.

1

Opetuskokeilun sisältöjä

KYTKENNNÄT VOIT TEHDÄITSE JUOTTAMALLA ILMAN ARVOKKAITA KYTKENTÄ-LEVYJÄ

Liuskojen opetuskäyttö tarjoaa erinomaisen välineen fysiikan opetuksessa olennaiselle mittausjärjestelmien suunnittelulle, rakentamiselle ja hyödyntämiselle. Liuska-antureita voidaan käyttää mm. voimamittausten, jännitysmittausten sekä aineen kimmoisuuteen liittyvien mittausten yhteydessä. Oppilaiden omissa sovelluksissa järjestelmä mahdollistaa esim. yksinkertaisten massa- jännitevastaavuuksien laskemisen (minkä painoinen kulkija kävelee koulun portailla…). Sähköopin perusteita käsitellään mm. siltakytkentöjen rakentamisen, jännit-teen vahvistamisen, sekä signaalin käsittelyn yhteydessä (ei kuitenkaan ole välttämätöntä mittausten onnis-tumiseksi). Mittauksissa kertyneen aineiston käsittely ja hyödyntäminen tarjoavat yhtymäkohdan tietotekniikan opetuksen suuntaan.

Käsityölle luontainen raken-telu ja tuotesuunnittelu kanavoituvat toiminnaksi sekä em. järjestelmän rakentamisen (sähkö-elektroniikan komponentit, yksinkertaisen piirikaavion suunnittelu, juottaminen…) että Picaxe-mikrokontrol-lerijärjestelmän käytön

Venymäliuska toimii Picaxe-järjestelmässä erittäin herkkänä anturina. Oppilaille tarjoutuu mahdollisuus miettiä herkälle hipaisukytkimelle / erittäin pieniä venymiä mittaavalle anturille sopivia sovelluskohteita: mitä tapahtuu, jos seinää hipaisee; entäs jos kiinnitän liuskan skootterin runkoon tai T-paidan selkämykseen… Samalla voidaan keskustella erilaisten anturien merkityk-sestä rakennetussa ympäristössämme. Olennaista on se, että erilaisten sovelluskohteiden etsiminen ja kehit-täminen antaa oppilaille todellisen mahdollisuuden toimia luovasti ja innovatiivisesti käytännössä teknolo-gian opetuksen olemuksen mukaisesti.

Opetuskokeilu ylittää oppiainerajoja Opetussuunnitel-man perusteiden Ihminen ja teknologia –aihe-kokonaisuuden edellytysten mukaisesti sekä parhaim-millaan integroituu koulun toimintakulttuuriin ja näkyy koulun yhteisissä tapahtumissa (POPS 2004).

Venymäliuska Virikemateriaalia opettajalle.

Venymäliuskat yleisivistävässä teknologian opetuksessa

Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.

Venymäliuska (Strain Gage) on materiaalin venymisen mittaamis-een tarkoitettu erittäin herkkä anturi. Liuskan toiminta perustuu kuparilangan vastusarvon muutok-siin. Kun vastuslankaa venytetään, langan poikkipinta-ala pienenee ja vastusarvo kasvaa. Kun lankaa taivutetaan yhdelle liuskalle useita kierroksia, vastusarvon muutos suhteessa venymään voimistuu. Koska vastuslanka on hyvin ohutta, liuska reagoi erittäin pieniin muutok-siin.

Venymäliuskaa on käytetty teollisuudessa jo pitkään raken-teiden ja materiaalien kuormitukseen sekä väsymiseen liit-tyvissä mittauksissa. Myös suurin osa paineantureista sekä esimerkiksi monet vaakasovellukset (mm. hedelmävaaka) on toteutettu venymäliuskoilla. Liuska-anturin suuren herk-kyyden vuoksi liuskan käyttö erilaisissa anturisovelluksissa on jatkuvan tutkimus- ja tuotekehitystyön kohteena.

Kun siltakytkennän (kuva 4) yhden vastuksen paikalle kytketään venymäliuska, voidaan ulos tulevan jännitteen muutosten perusteella laskea liuskan vastusarvon muutos (vs. liuskaan kohdistuva venymä). Siltaan voidaan kytkeä venymäliuska myös useamman kuin yhden vastuksen paikalle. Tällöin voidaan havainnoida erittäin pieniä kohde-materiaalin muodon muutoksia (metallin hipaisuanturit…)

Liuskamittaukset

2

Koska pieni venymä aiheuttaa hyvin pienen vastusar-von muutoksen, voidaan muutosta voimistaa esim. siltakytkennöillä. Yleisimmin käytetty kytkentä on ns. Wheatstonen silta, jossa neljä vastusta (R1- R4) kytketään kuvan 2 osoittamalla tavalla.

Wheatstonen silta - mittaaminen

KUVA2: WHEATSTONEN SILTA

Tämän jälkeen siltakytkentään (kuva 3) syötetään jännite (E0). Kun yhden vastuksen vastusarvoa muutetaan, sillasta ulos tulevan jännitteen (E1) suuruus muuttuu.

KUVA3: VASTUSARVON MUUTOKSEN VAIKUTUS ULOSTULEVAAN JÄNNITTEESEEN E1

R120 -350ohm

KUVA4: VENYMÄLIUSKAN VASTUSARVON MUUTOKSET

Koska jännitteen muutokset edelleen tyypillisesti ovat vain millivoltteja, voidaan siltakytkennästä ulos tulevaa jännitettä vahvistaa. Vahvistaminen hoidetaan yleensä kaupallisilla venymäliuska-anturin vahvistimilla, joilla päästään suuriin mittaustarkkuuksiin. Jännitteen vahvistuk-sen voi kuitenkin toteuttaa myös edullisilla komponenteilla, esimerkiksi operaatiovahvistinkytkennällä (ohjeet oparikyt-kennästä liitteessä 3).

Jännitteen muutosta voidaan mitata herkällä yleismittarilla, oskilloskoopilla tai vaikkapa PC-mittakortilla sekä tarkoituk-seen soveltuvalla ohjelmistolla. Liuska-anturi – vahvistin –kytkentää voidaan sellaisenaan käyttää anturina (käyttöliittymänä) esim. Picaxe-mikrokontrollerisovelluksis-sa.

KUVA1: VENYMÄLIUSKA

Hauskat kytkimetVenymäliuska Virikemateriaalia opettajalle.

Info

Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.

Kirjallinen ohje- ja oheismateriaali:

Venymäliuskat teknologian opetuksen laiteympäristönä –kansio

Mikä on venymäliuska Venymäliuskamittaukset Oheismateriaalia fysiikan- ja käsi- työnopettajille Luovuuspedagogiikka teknologian opetuksessa

What´s a Strain Gage – liuskavalmistajien oheis-materiaalia venymäliuskoihin ja liuskamittauksiin liittyen.

3

Venymäliuska-laiteympäristö sisältää seuraavat osat:

Venymäliuska (120 ohm) 5 mm 10 kplVenymäliuska (120 ohm) 25mm 10 kplVenymäliuska (120 ohm) 120mm 10 kpl

Pikaliimaa venymäliuskojen kohteeseen liimaamista varten

Venymäliuska-anturin vahvistin (EL 525) 7 kpl

Komponentteja operaatiovahvistinkytkentää varten 10 kpl

PC-mittakortti + ohjelmisto (LabView 8.2. Stand Alone –application for SG) 2 kpl

Picaxe-mikrokontrolleri –osio: (Picaxe-protolevy )

Picaxe-08M –protolevy 10 kpl

Picaxe-ohjelmisto (freeware: www.picaxe.com) Picaxe – USB-ohjelmointikaapeli 10 kpl

Sovellussäkki (sisältää erilaisia toimielimiä 10 kpl protolevyjä varten)

KUVA1: VENYMÄLIUSKAKUVA2: ANTURIVAHVISTIN

KUVA3: PICAXE 08M -PROTOLEVY

Venymäliuska - laiteympäristöt Virikemateriaalia opettajalle.

Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.

R1 R2

R4R3

1. Valitse tarpeitasi vastaava liuskatyyppi (pituus ja vastusarvo).

2. Siltakytkentä - Wheatstonen silta.

3. Liuskan liimaaminen. Valitse liuskan kohde ja arvioi /mallinna huolellisesti mitattavan jännityksen suunta (3A).

4

VALITSE TARPEITASIVASTAAVA LIUSKATYYPPI

mm

R

R1= R2= R3=R42A. VALITSE KOLME VASTUSTA JOILLA ON SAMA VASTUSARVO KUIN VENYMÄLIUSKALLA

2B. YHDISTÄ VASTUKSET TOISIINSA SILTAKYTKENNÄKSI KAAVION OSOITTAMALLA TAVALLA, MUTTA ÄLÄ JUOTA NELJÄTTÄKIINNI

2C. KORVAA YKSI VASTUKSISTA VENYMÄLIUSKALLA (VOIT KÄYTTÄÄ LIUSKAA MYÖS USEAMMAN VASTUKSEN TILALLA)

2D. YHDISTÄ SILLAN KULMIIN JOHTIMET (4KPL) JÄNNITE-KYTKENTÖJÄ VARTEN

3A. MISTÄ SUUNNASTA KUORMITUSKOHDISTUU MITATTAVAAN KOHTEESEEN?

3B. PUHDISTA PINTA HUOLELLISESTI JA KARHENNASE TARVITTAESSA

3C. LEVITÄ OHUT LIIMAKERROS KOHTEEN PINTAAN JA PAINA LIUSKA SIIHEN - VARMISTA, ETTÄ LIUSKAN ALLE JÄÄ TASAVAHVA KERROS LIIMAA

3D. TEE LIUSKAN JOHTIMIIN ”VEDONPOISTO” ESIM. KUUMA-LIIMATIPALLA PIENEN MATKAN PÄÄHÄN LIUSKASTA

Venymäliuska - kytkentä 1

Kokeile

Virikemateriaalia opettajalle.

Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.

4. Jännitteen kytkeminen siltaan

5. Jännitteen vahvistaminen A. Voit vahvistaa jännitteen vaihteluita esim. venymäliuska-anturin vahvistimella EL-525 B. Kytke siltakytkentä vahvistimeen (kytkentäkaavio: liite 1)

C. Mittaa vahvistimesta ulos tuleva jännitteen arvo Kuormita kohdetta, johon olet liimannut liuskan Mikäli käytössäsi on tarkka jännitemittari tai oskilloskooppi (PC-mittakortti ja ohjel- misto), voit havainnoida jännitteen muutoksia

D. Voit vahvistaa jännitettä myös omatekoisella kytkennällä (ohjeet operaatiovahvistinkytken-nästä: liite 2)

Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.

6. Mittausjärjestelmä PC:lle

A. Yhdistä PC-mittakortti tietokoneeseen (ajuri-CD laitteen mukana)

B. Käynnistä mittausohjelmisto (laitteiston mukana LabView-ohjelmiston StandAlone –application for SG)

C. Kytke vahvistimen jänniteulostulo mittakortin analogia-sisääntuloon

D. Käynnistä ohjelmisto ja kuormita kohdetta, johon liuska on kiinnitetty

Voit seurata jännitteen muutoksia graafisena esityksenä tietokoneesi näytöltä Halutessasi voit tallentaa mittausarvot erilli- seen tiedostoon Tallenna-painikkeella myöhempiä laskutoimituksia varten

E. Voit rakentaa mittausjärjestelmän myös itse käyt-tämällä tietokoneen COM-porttia (ohjeet kytkennän rakentamisesta liitteessä 4) sekä netistä löytyvää

5

4A. KYTKE SILTAAN JÄNNITE (E0 = 4,5V)

4B. MITTAA SILLASTA ULOS TULEVA JÄNNITE (E1)

4C. KUORMITA (JÄNNITÄ/TAIVUTA) KOHDETTA, JOHON OLET LIIMANNUT LIUSKAN - MIKÄLI KÄYTÖSSÄSI ON TARKKA JÄNNITEMITTARI TAI OSKILLOSKOOPPI (PC-MITTAKORTTI JA OHJELMISTO), VOIT HAVAINNOIDAJÄNNITTEEN MUUTOKSIA

OPERAATIOVAHVISTIN

MITTAKORTTI PC:LLE

Kokeile

Hauskat kytkimetVenymäliuska Virikemateriaalia opettajalle.

Start

high 1

wait 2

wait 1

low 1

7. Venymäliuska Picaxe-mikrokontrollerijärjestelmän anturina

A. kiinnitä Picaxe08M-protolevy jännitelähteeseen (4,5V)

B. käynnistä Picaxe Programming Editor –ohjelmisto

C. kytke protolevy tietokoneeseen ohjelmointi-kaapelilla

D. Kiinnitä protolevyn riviliittimeen yksi led (etuvastuksineen)

E. Tee ohjelma, joka sytyttää ledin yhdeksi sekun-niksi ja sammuttaa sen taas yhdeksi sekunniksi testaa ohjelman toimivuus

saat arvon näkymään näytöllä debug- komennolla

F. kytke venymäliuskavahvistimen jänniteu-lostulo Picaxe-protolevyn riviliittimeen (analogiasisääntulo)

G. tee ohjelma, joka lukee liuskakytkennän jän-nitearvoa muuttujaan b0 - saat arvon näkymään näytöllä debug-komennolla

H. tee ohjelma, joka sytyttää ledin, jos jännitearvo muuttuu

I. kytke protolevyn riviliittimeen kaksi muutakin lediä

J. tee ohjelma, jossa kohteen (johon liuska on liimattu) kevyt kuormitus sytyttää keltaisen valon ja suurempi kuormitus punaisen valon sekä vastakkainen kuormitus vihreän valon

testaa ohjelman ja järjestelmän toimivuus

8. Soveltaminen

Mitä muita antureita voisit järjestelmässäsi hyödyntää?

Mitä muita toimielimiä voisit käyttää ledien tilalla?

Mihin kaikkialle liuskan voisi liimata?

Löytyisikö omasta lähiympäristöstäsi kohde, jossa voisit soveltaa/hyödyntää rakentamaasi järjes-telmää? kokeile käytännössä!

6

7A. KYTKE PICAXE08M-PROTOLEVY JÄNNITELÄHTEESEEN (4,5V)

7B. KÄYNNISTÄ PICAXE PROGRAMMING EDITOR –OHJELMISTO

7D. KIINNITÄ PROTOLEVYN RIVILIITTIMEEN YKSI LEDETUVASTUKSINEEN

7E. TEE OHJELMA JOKA SYTYTÄÄ LEDIN

7F. KYTKE VAHVISTIMEN JÄNNITEULOSTULO RIVILIITTIMEEN (ANALOGIASISÄÄNTULO)

Venymäliuska - Pixace

Kokeile

Virikemateriaalia opettajalle.

Copyright Teknologiakasvatus NYT!, 2007.