Venymäliuskoista:
1. venymäliuskan toimintaperiaate:
Venymäliuska on kappaleen muodonmuutosten (venymien) mittaamiseen tarkoitet-
tu voima-anturi, jolla voidaan mitata kappaleeseen kohdistuvaa voimaa, jännitystä
sekä kappaleen venymää.
Venymäliuskan toimintaperiaatteena on muuntaa mekaaninen liike elektronisen
signaalin muotoon, jolloin venymä voidaan mitata liuskaan kytketyn mittalaitteiston
avulla.
Mekaaninen liike tapahtuu liuskassa olevissa vastuslangoissa, jotka venyvät muo-
donmuutosten syntyessä. Venyessään langan poikkipinta-ala pienenee ja vastusarvo
(resistanssi) kasvaa.
Venymäliuska-anturi koostuu polyimidi- tai epoksi liuskasta, johon on kiinnitetty
vastuksena toimiva kupariseoksesta valmistettu metallilanka, metallikalvo, tai puo-
lijohde. Vastus kiemurtelee pohjamateriaalissa ja on havaittavissa paljain silmin .
Venymäliuska kiinnitetään kohteeseen yksi- tai kaksikomponenttiliiman
avulla. Liiman tehtävänä on kiinnittää anturi mahdollisimman tukevasti mitattavaan
pintaan sekä toimia sähköeristeenä anturin ja pinnan välillä.
Liuskan mittausalue on tyypillisesti 2 – 10 mm ja huolellisesti asetetulla liuskalla
voidaan mitata ainakin 10 % venymiä. Anturien pituudet vaihtelevat 0.2 - 100 mm
välillä, mutta tavallisimpiin sovelluksiin suositellaan yleensä 3 - 6 mm pituisia liuskoja.
2. Wheatstonen silta
Toimiakseen venymäliuska on kytkettävä vastussiltaan, johon ohjataan yleensä 5-
15 voltin tasa- tai vaihtovirta. Vastussilta muodostetaan Wheatstonen silta-
kytkennällä (Kuvio 2.). Siltoja on kolmea eri tyyppiä: kokosilta, johon kuuluu 4
liuskaa, puolisilta, johon kuuluu 2 liuskaa sekä harvemmin käytetty neljäsosasilta (1
liuska). Yhden ja kahden liuskan tapauksissa puuttuvat liuskat korvataan tavallisil-
la vastuksilla jotta Wheatstonen silta saadaan aikaan. Liuskasta tuleva signaali on
vahvuudeltaan vain kymmeniä millivoltteja, joten se on yleensä vahvistettava ennen
mittauslaitteistoon syöttämistä. Mittaustuloksia voidaan tarkastella erilaisilla lius-
kaan kytkettävillä mittalaitteilla sekä tietokoneella.
KUVIO 2. Wheatstonen silta-kytkentä
Wheatstonen sillan ulostulojännite UA saadaan sillassa olevien vastusten resistanssien
R1, R2, R3 ja R4 sekä syöttöjännitteen UE avulla seuraavasti:
Kaava
Jos R1R3 = R2R4, on Wheatstonen sillan ulostulojännite UA = 0 ja silta on tasapainossa.
Tasapainotilasta poikkeutetun Wheatstonen sillan ulostulojännite UA on
Kaava
jos R2/R1 on r.
3. Liuskatyypit:
Venymäliuskoja on kolmea eri päätyyppiä: lankaliuska, metallikalvoliuska sekä
puolijohdeliuska
Lankaliuska
Lankaliuska valmistetaan vastuslangasta, joka on paksuudeltaan 0,015 - 0,03 mm.
Se taivutellaan monin kerroin, jotta liuskalle saataisiin mahdollisimman suuri resis-
tanssi ja siten saavutettaisiin myos maksimaalinen herkkyys. Lankaliuskat ovat tun-
netusti hyvin stabiileja ja kestävät voimakkaitakin dynaamisia kuormituksia.
Metallikalvoliuska
Metallikalvoliuska on nykyään käytetyin venymäliuskatyyppi. Liuskan johdinkalvo
valmistetaan joko etsaamalla tai ohutkalvotekniikalla. Etsaus on valmistusmenetel-
mistä yleisempi. Siinä muutamia mikrometrejä ohut metallikalvo päällystetään va-
loherkällä aineella, valotetaan maskin lapi ja kehitetään. Seuraavaksi valottuneet
alueet poistetaan syövyttämällä, jolloin jäljelle jää haluttu johdinkuvio. Ohutkalvo-
menetelmässä kuvio höyrystetään tyhjiössä suoraan liuskan pohjamateriaalin päälle,
tällä tavoin liuskasta saadaan erittäin ohut. Metallikalvoliuskoissa on myös valitta-
vana useita erilaisia johdinkuvioita.
Puolijohdeliuska
Puolijohteilla on muissa liuskoissa käytettyjä metallivastuksia suurempi ominaisvas-
tus, joten puolijohdeliuska voidaan valmistaa rakenteeltaan yksinkertaisemmaksi.
Puolijohde on myös ominaisuuksiltaan metalleja herkempi, joten samalla suhteelli-
sella venymällä voidaan saavuttaa monikymmenkertainen herkkyys metalliliuskaan
verrattuna. Puolijohdeliuska on kuitenkin herkkä lämpötilan vaihteluille, jotka voi-
vat aiheuttaa mittausvirheitä. Liuskalla on myös heikko lineaarisuus.
4. Venymäliuskan valinta:
Venymäliuskoja on tarjolla monia erilaisia ja jokainen liuska on valmistettu tietyn-
laisia mittausolosuhteita varten. Kokeneet käyttäjät voivat kuitenkin koota halua-
mansa tyylisen liuskan lukuisista tarjolla olevista materiaaleista. Materiaaleja yhdis-
telemällä käyttäjä voi muokata liuskan vastaamaan mittausolosuhteiden vaatimuk-
sia. Tarkoituksenmukaisen venymäliuskan valinta voidaan suorittaa lukuisien erilai-
sen valintaperusteiden mukaan, joista yleisimmät ovat: vastuslangan materiaali,
vastuskalvon kuvio, liuskan materiaali, liuskan resistanssi ja liuskan pituus. Edellä
mainitut ominaisuudet vaikuttavat eri tavoin liuskan kestävyyteen ja mittaustark-
kuuteen, siksi niihin on syytä paneutua tarkasti ennen valintaa. Standardityyppiset
venymäliuskat on esitetty taulukossa:
EA = Konstantaanikalvo, polyimidiliuska
CEA = Kapseloitu konstantaanikalvo, polyimidiliuska
N2A = Konstantaanikalvo, ohut polyimidiliuska
WA =Kapseloitu konstantaanikalvo, suurikestoiset metalliset liitinlangat
SA =Kapseloitu konstantaanikalvo, suurikestoiset metalliset liitinlangat
EP = Suuria pituudenmuutoksia kestävä konstantaanikalvo
ED = Isoelastinen kalvo, polyimidiliuska
WD = Kapseloitu isoelastinen kalvo, suurikestoiset metalliset liitinlangat
SD = Kapseloitu isoelastinen kalvo, juottoliitospisteet
EK = K-Seos kalvo, polyimidiliuska
WK = Kapseloitu K-seos kalvo, suurikestoiset metalliset liitinlangat
SK = Kapseloitu K-seos kalvo, juottoliitospisteet
S2K = Kapseloitu K-seos kalvo, suuret juottoliitospisteet
5. Venymäliuskojen valintaperusteita
Vastuslangan/verkon materiaali
Venymäliuskan vastusosa on merkittävin mittaustulokseen vaikuttava tekijä. Yleisin valmistusmateriaali on konstantaani eli kuparin ja nikkelin seos (A- ja P- Seokset) kun taas erikoisempiin mittauksiin voidaan käyttää K-, D- tai platinaseosta.
P-Seos:
- On yleispätevä materiaali, joka sopii kaikkiin venymäliuskasovelluksiin, se voidaan valita esim. jos käyttäjällä ei ole tietoutta muiden materiaalien ominaisuuksista.
- On sopiva materiaali jos rasitus ei vaihtele mittauksen aikana.
- Sopii suurien venymien mittaukseen
- Voidaan valita, jos halpa hinta on tärkeää. Konstantaani on halvimpia markkinoilla olevia vastuslankamateriaaleja.
A-seos:
Ominaisuudet muuten samat kuin edellä, mutta lisäominaisuutena lämpötilakompensointi. Eli materiaali on optimoitu siten, etta se tuottaa mahdollisimman vähän lämpöä lämpöalueella -45°C - +200 °C. Tämä ominaisuus siten myös vähentää lämpötilan vaihtelusta johtuvia mittausvirheitä.
Isoelastinen seos (D-Seos):
- Sopiva materiaali jos lämpötila on kontrolloitu ja koepaikkana on esim. tuuletettu laboratiorio.
- Sopii mittauksiin, jossa kohde on vaihtelevan rasituksen alaisena.
- Voidaan käyttää sovelluksiin, jossa venymäliuskalta vaaditaan tavallista suurempaa rasituskestävyyttä.
K- eli Karma-seos:
- Soveltuu mittauksiin, jotka suoritetaan erittäin matalissa tai vaihtelevissa lämpötiloissa (materiaalin lämmönkestoalue on -269 °C – 260 °C).
- Sopii, jos materiaalilta edellytetään lämpötilan kompensointia.
- Kannattaa käyttää vain, jos käyttäjällä on riittävästi kokemusta materiaalien liittämisestä juottamisen avulla, sillä K-seoksen juotosliitos on yleensä vaikea toteuttaa.
Platinapohjainen seos :
*-*Voidaan valita, jos mittaus tapahtuu korkeissa lämpotiloissa (>230 °C).
Liuskan materiaali
Myös itse liuskaosa voidaan valita mittaukseen sopivaksi, tarjolla on useita valmistusmateriaaleja tavallisista hieman erikoisempiin.
Polyimidiliuska:
- Yleispätevä materiaali, sopii kaikkiin venymäliuskasovelluksiin, voidaan valita esim. jos käyttäjällä ei ole tietoutta muiden materiaalien ominaisuuksista.
- Soveltuu mittauksiin, joissä jännitys on suurimmilta osin staattista.
- Ei sovi ääriolosuhteisiin, esim. paikkoihin, joissa vallitsevat suuret lämpötilat.
Epoksiliuska:
- Sopii mittauksiin, joissa liuskamateriaalista johtuvien mittausvirheiden eliminointi on tärkeää.
- Soveltuu vain kokeneille käyttäjille, sillä epoksiliuskat ovat hauraita ja vaativat käyttäjältä taitoa asennusvaiheessa.
Lasikuituvahvisteinen epoksiliuska:
-Soveltuu mittauksiin, jossa kohde on vaihtelevan rasituksen alaisena. Tarraliuska:
- Kiinnitysvaiheessa pinta repäistään pois, jolloin ainoastaan eristeenä toimiva epoksi ja vastuslanka jäävät kohteeseen.
- Kun mittaus pitää suorittaa mahdollisimman nopeasti (n. 10 minuuttia kiinnittämisestä).
6. Liuskan resistanssi
Liuskan resistanssi on suhteessa liuskan herkkyyteen: mitä suurempi resistanssi
liuskalla on, sitä suurempi on liuskan herkkyys. Seuraavassa on verrattu erilaisten
liuskojen ominaisuuksia.
Suuriresistanssinen liuska:
- 350 tai 1000 ohmia
- Käytetään, jos liuskalta vaaditaan suurta herkkyyttä.
Pieniresistanssinen liuska:
- 120 ohmia
- Jos liuska joutuu väsymiskuormituksen alaiseksi, niin pieniresistanssinen liuska on soveltuva ratkaisu, koska se on suuriresistanssista liuskaa suurempi ja kestää siksi väsymiskuormaa paremmin.
- Jos halpa hinta on tärkeä.
7. Liuskan pituus
Liuskan pituus vaikuttaa sekä liuskan hintaan että sen asennettavuuteen. Lyhyt liuska (3 mm tai pienempi) kannattaa valita, jos:
- Liuskan asentamiselle on erittäin vähän tilaa
- Mittauskohde on epätasainen, esim. kohde sijaitsee kolossa tai halkeamassa.
- Tarkkuus ei ole kriittinen tekijä mittauksen kannalta. Pitkä liuska (6mm tai pidempi) kannattaa valita jos:
- Asentamisnopeus on tärkeää. Pitkät liuskat ovat helpompia käsitellä ja asentaa.
- Liuska altistuu kuumuudelle, pidempi liuska on vähemmän herkkä lämmön vaikutuksille.
- Jos mitattava materiaali on epähomogeenistä, esim. betoni. Tällöin liuskan pituus
on oltava vähintään kaksi kertaa niin suuri, kuin materiaalin epähomogeeniset osat.
- Jos halpa hinta on tärkeä. Pituudeltaan 5 - 12.5 mm olevat liuskat ovat muita halvempia.
6. Metallikalvojen suuntaus
Metallikalvojen suunta ja määrä vaikuttavat olennaisesti mittaustuloksiin.
Yksiaksiaalinen venymäliuska:
Liuskaan on asennettu yksi metallikalvo, joka on asennettu 0° tai 90° kulmaan. Yk-
siaksiaalinen liuska voidaan valita jos mittaus tapahtuu vain yhteen suuntaan. Se on
toimiva vaihtoehto myös silloin, kun halpa hinta on tärkeä.
Biaksiaalinen venymäliuska:
Biaksiaalisessa liuskassa on kaksi metallikalvoa, joista toinen on 0° ja toinen 90°
kulmassa. Se soveltuu mittauksiin, joissa on useampi suuntainen kuormitus ja
suunnat tunnetaan.
Triaksiaalinen venymäliuska:
Triaksiaalisessa liuskassa on kolme metallikalvoa, jotka on asennettu 0°-, 45°- ja
90°- tai 0°-, 60°- ja 120° kulmiin. Sitä voidaan käyttää mittauksissa, joissa kuormi-
tus tapahtuu monessa eri suunnassa ja suuntia ei tunneta.