Venymäliuska

(Strain gauge)

Venymäliuska on kappale, jonka resistanssi muuttuu sen muodonmuutoksen seurauksena. Venymäliuska reagoi siis ympäristönsä muutoksiin, eli sitä voidaan käyttää anturina mittalaitteissa. Venymäliuskan avulla mekaaninen suure saadaan ilmaistua sähköisenä suureena.

Rakenne


Venymäliuska muodostuu pitkästä ja ohuesta johtimesta, joka reagoi herkästi venyttävään/ kokoonpurstavaan mekaanisen voimaan. Johdin "laskostetaan" yhdensuuntaisesti niin että pienelle alustalle saadaan mahtumaan pitkälti johdinta. Tyypillisesti venymäliuskan johdin on kuparilankaa tai muuta metallia, ja se kiinnitetään tiukasti esim. syövyttämällä taipuisan taustakalvon päälle. Taustakalvon tulee olla eristettä.

Venymäliuska voi olla myös yksinkertainen johdin, joka pingoitetaan kiinnitystappien väliin. Kummassakin kiinnitystavassa oleellista on että kiinnityksen on oltava todella vahva, jotta venymäliuska todella venyy yhtä paljon kuin materiaali jonka venymistä ollaan mittaamassa. Taustakalvollinen venymäliuska kiinnitetään tyypillisesti liimaamalla.

Mittauksen onnistumisen kannalta on hyvin oleellista, että tukevan kiinnityksen lisäksi venymäliuska on asetettu venymissuuntaansa nähden oikein päin. Katso kuvat alla!

v.liska.vihr.jpgv.liuska.pun.jpg
Horisontaalisen venymän mittaus Vertikaalisen venymän mittaus

Toimintaperiaate


Johtimen resistanssi R noudattaa seuraavaa kaavaa: [1]
R = ρ*l / A
jossa A = johtimen poikkipinta-ala, l = johtimen pituus ja ρ on johdinmateriaalin resistiivisyys (ominaisresistanssi).
Kun venymäliuska venyy sen pituus l kasvaa ja poikkipinta-ala A pienenee eli ylläolevan kaavan mukaisesti resistanssi R kasvaa. Vastaavasti kun venymäliuska puristuu kokoon sen resistanssi pienenee.

Resistanssin suhteellinen muutos voidaan laskea logaritmisen derivoinnin avulla:
dR/R = dl/l +dρ/ρ -dA/A
Käyttämällä Poissonin lukua v = - poikittainen venymä / pitkittäinen venymä saadaan kaava muotoon:
dR/R = ( 1 + 2v ) dl/l +dρ/ρ
Venymäkerroin G on resistanssin suhteellisen muutoksen suhde pituuden suhteelliseen muutokseen eli venymään (strain).
G = dR/R / dl/l = 1 + 2v +dρ/ρ / dl/l

Termi dρ/ρ / dl/l eli ominaisresistanssin suhteellisen muutoksen suhde pituuden suhteelliseen muutokseen aiheutuu pietsoresistiivisyydestä. Metallien kohdalla tämä termi on nolla. wikipedian artikkeli pietsosähköisestä ilmiöstä
Metalleilla Poissonin luku on tyypillisesti noin 0,5. Eli metallisten venymäliuskojen venymäkerroin on tyypillisesti noin 2, paitsi platinalla kerroin on noin 6. Puolijohteilla viimeinen termi voi olla hyvinkin suuri ja venymäkerroin nousta useisiin satoihin. Eli puolijohteesta valmistelulla venymäliuskalla on suurempi herkkyys.

Siltamittaukset

Liuskan herkkyydestä huolimatta siinä tapahtuvat reisistanssin muutokset ovat pieniä. Liuskan resistanssimuutosten mittaus onnistuu parhaiten siltakytkennällä, esim. Wheatstonen sillalla. Wheatstonen sillassa neljä vastusta ja jännitelähde Uv on kytketty alla olevan piirroksen mukaisesti. Yksi vastus on muuttuva eli tässä tapauksessa venymäliuska ja muut 3 ovat muuttumattomia ja arvoltaan samoja. Kun venymäliuskan resistanssi muuttuu niin mitattava erojännite Uo muuttuu jännitteenjaon mukaisesti. Siltäkytkennän herkkyys on parhaimmillaan kun kaikki vastukset ovat samansuuruisia. Muut vastukset valitaan siis vastaamaan venymäliuskan lepoarvoa.

Untitled_-_1.jpg

Kun sillan kaikki resistanssit ovat tasapainotilassa yhtäsuuret saadaan venytyksessä syntyvä erojännite kaavan mukaisesti:
∆Uo = Uv * ∆Rsg/4R

Tämä erojännitetä Uo voidaan vielä vahvistaa esim.operaatiovahvistimella.Operaatiovahvistinpiiri

Siltamittauksissa tulee aina kiinnittää huomiota venymäliuskan kiinnitysjohtimien resistanssiin! Jos venymäliuska on mittausteknisistä syistä kiinnitettävä kauas varsinaisesta mittaussillasta tulee käyttää tilanteesee sopivaa kytkentää (esim. kolmijohdin kytkentä) ja pyrkiä kompensoimaan mittausjohtimien resistanssien vaikutus erojännitteeseen.

Mittauksissa huomiotavaa

Hyvän venymäliuskan ominaisuudet ovat sellaiset että se reagoi mahdollisimman paljon venytykseen, mutta ei muihin ympäristön muutoksiin. Liuskan ominaisuudet eivät siis saisi riippua ajasta tai lämpötilasta. Liuskan tulee olla niin pienikokoinen että mittaus voidaan ajatella pistemäiseksi. Liuskan massan tulee olla niin pieni että se ei häiritse dynaamisia mittauksia. Venymäliuskat ovat tyypillisesti kooltaan 2-10 mm2 ja huolellisella käytöllä pystytään mittaamaan jopa 10% suhteellista venymää.

Merkittävin venymäliuskamittauksiin virhettä aiheuttava tekijä on lämpötilan vaikutus venymäliuskan resistanssiin. Kun venymäliuska on kaukana mittaussillan muista resistansseista voi se olla merkittävästi erilaisessa lämpötilassa, jolloin resistanssi arvo ei muutu ainoastaan venytyksen seurauksena. Tätä virhettä voidaan kompensoida käyttämällä useampaa venymäliuskaa, joista osa mittaa mittauskohteen venymää ja osa ainoastaan lämpötilasta johtuvaa resistanssin muutosta ilman venytystä. ja huolellisella käytöllä pystytään mittaamaan jopa 10% suhteellista venymää.

Käytännön käyttökohteet[2]


Venymäliuskoja käytetään muuhunkin kuin suoraan venymän mittaamiseen. Venymästä riippuvia suureita kuten voima, kiihtyvyys paine ja jännitys mittaavissa laitteissa on monesti anturina venymäliuska.

Arkipäiväisin käyttökohde ovat vaa'at. Käyttämäsi kaupan hedelmävaaka on hyvin todennäköisesti totetutettu venymäliuskojen avulla!

v.liuska.kaukaa.jpg
Kuvassa kaksi venymäliuskaa mittaamassa TTY:llä rakenteilla olevan robottikäden "sormien" venymää eli sen aiheuttaneen voiman suuruutta.

Erilaisia venymäliuskoja [3]

Venymäliuska keksittiin 1938 amerikkalaisten insinöörien Edward E. Simmonsin ja Arthur C. Rugen toimesta. Venymäliuskan hyvän herkkyyden vuoksi sen käyttöä eriaisissa mittaussovelluksissa tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti.

Jo edelle on mainittu että paitsi metallista venymäliuskoja voidaan valmistaa myös puolijohteista. Tällaisen liuskan venymäkerroin on paljon suurempi kuin metallisen, mutta ne ovat myös kalliimpia, herkempiä lämpötilanmuutoksille ja helpommin rikkoutuvia kuin metalliset.

Biologisissa mittauksissa käytetään elohopealla täytettyä pientä kumiletkua venymäliuskana. Mittauksen kohteena voi olla esim veren virtaus tai kudoksen turvotus. Kun letku laitetaan esim. raajan ympärille, turvotessaan raaja venyttää kumiletkua tehden sen pidemmäksi ja ohuemmaksi jolloin sisällä olevan nestemäisen elohopean resistanssi kasvaa.

On olemassa myös kapasitanssin muutokseen perustuvia venymäliuskoja.



Lähteet:
[1]Aumala Olli: Mittaustekniikan perusteet 12.painos s 103, 115
Halttunen Jouko: Anturifysiikan luentokalvot 2008 s 65
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_gauge
http://www.omega.com/Literature/Transactions/volume3/strain.html
http://www.tkk.fi/Yksikot/Rakenteidenmekaniikka/henk/aalto/materiaalia/lujp.pdf
[2]http://www.oulu.fi/teknokas/tehtavakortit/venymaliuska.pdf
http://www.sensorland.com/HowPage002.html