Opetuskokeilun sisältöjä

Transkriptio

1 Venymäliuska 1 Venymäliuskat yleisivistävässä teknologian opetuksessa Yleissivistävän teknologian opetuksen tulee antaa lapselle valmiuksia ymmärtää rakennettuun ympäristöön keskeisesti liittyviä toiminnan periaatteita avata rakennettua 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 ympäristöön keskeisesti liittyvästä teknologiasta. Liuskamittausjärjestelmä on erinomainen teknologian opetuksen kohde sen vuoksi, että sen toteuttamiseen käytetty teknologia on näkyvissä liuskassa kiemurteleva vastuslanka näkyy paljaalla silmällä jne. Teknologisen toiminnan periaatteita voidaan siis ymmärtää, mutta laitteiston kokoamiseen voidaan myös osallistua aktiivisena toimijana: esimerkiksi siltakytkentä kootaan itse juottamalla. KYTKENNNÄT VOIT TEHDÄ ITSE JUOTTAMALLA ILMAN ARVOKKAITA KYTKENTÄ- LEVYJÄ Teknologian opetuksen kannalta olennaista on, että liuska-anturi antaa opiskelijalle mahdollisuuden soveltaa opetettua teknologiaa haluamaansa kohteeseen luovalla ja innovatiivisella tavalla. Venymäliuskojen opetuskäytössä yhdistyy luontevalla tavalla useita teknisen käsityön ja fysiikan oppisisältöjä. Opetuskokeilun sisältöjä 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 massajännitevastaavuuksien laskemisen (minkä painoinen kulkija kävelee koulun portailla ). Sähköopin perusteita käsitellään mm. siltakytkentöjen rakentamisen, jännitteen vahvistamisen, sekä signaalin käsittelyn yhteydessä (ei kuitenkaan ole välttämätöntä mittausten onnistumiseksi). Mittauksissa kertyneen aineiston käsittely ja hyödyntäminen tarjoavat yhtymäkohdan tietotekniikan opetuksen suuntaan. MIHIN SINÄ VOISIT SOVELTAA VENYMÄ- LIUSKAMITTAUSTA? Käsityölle luontainen rakentelu ja tuotesuunnittelu kanavoituvat toiminnaksi sekä em. järjestelmän rakentamisen (sähköelektroniikan komponentit, yksinkertaisen piirikaavion suunnittelu, juottaminen ) että Picaxe-mikrokontrollerijärjestelmän käytön Picaxe-mikrokontrollerit on automaatio- ja robotiikan opettamiseen tarkoitettu yleissivistävän teknologiaopetuksen laiteympäristö. Picaxe-järjestelmä antaa oppilaille mahdollisuuden suunnitella ja rakentaa tarpeitaan vastaava yksinkertainen järjestelmä, jota ohjataan itse ohjelmoitavalla mikrokontrollerilla. PIXACE -JÄRJESTELMÄN VOIT KOOTA ITSE PROJEKTI- LEVYLLE - HALPA JA HELPOSTI HALTUUN OTETTAVA LAITEYMPÄ- RISTÖ. 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 merkityksestä rakennetussa ympäristössämme. Olennaista on se, että erilaisten sovelluskohteiden etsiminen ja kehittäminen antaa oppilaille todellisen mahdollisuuden toimia luovasti ja innovatiivisesti käytännössä teknologian opetuksen olemuksen mukaisesti. Opetuskokeilu ylittää oppiainerajoja Opetussuunnitelman perusteiden Ihminen ja teknologia aihekokonaisuuden edellytysten mukaisesti sekä parhaimmillaan integroituu koulun toimintakulttuuriin ja näkyy koulun yhteisissä tapahtumissa (POPS 2004).

2 Hauskat kytkimet Venymäliuska 2 Info Wheatstonen silta - mittaaminen Liuskamittaukset Venymäliuska (Strain Gage) on materiaalin venymisen mittaamiseen tarkoitettu erittäin herkkä anturi. Liuskan toiminta perustuu kuparilangan vastusarvon muutoksiin. 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 muutoksiin. KUVA1: VENYMÄLIUSKA Koska pieni venymä aiheuttaa hyvin pienen vastusarvon muutoksen, voidaan muutosta voimistaa esim. siltakytkennöillä. Yleisimmin käytetty kytkentä on ns. Wheatstonen silta, jossa neljä vastusta (R1- R4) kytketään kuvan 2 osoittamalla tavalla. 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 kohdemateriaalin muodon muutoksia (metallin hipaisuanturit ) R ohm Venymäliuskaa on käytetty teollisuudessa jo pitkään rakenteiden ja materiaalien kuormitukseen sekä väsymiseen liittyvissä mittauksissa. Myös suurin osa paineantureista sekä esimerkiksi monet vaakasovellukset (mm. hedelmävaaka) on toteutettu venymäliuskoilla. Liuska-anturin suuren herkkyyden vuoksi liuskan käyttö erilaisissa anturisovelluksissa on jatkuvan tutkimus- ja tuotekehitystyön kohteena. 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 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 vahvistuksen voi kuitenkin toteuttaa myös edullisilla komponenteilla, esimerkiksi operaatiovahvistinkytkennällä (ohjeet oparikytkennästä liitteessä 3). Jännitteen muutosta voidaan mitata herkällä yleismittarilla, oskilloskoopilla tai vaikkapa PC-mittakortilla sekä tarkoitukseen soveltuvalla ohjelmistolla. Liuska-anturi vahvistin kytkentää voidaan sellaisenaan käyttää anturina (käyttöliittymänä) esim. Picaxe-mikrokontrollerisovelluksissa.

3 Venymäliuska - laiteympäristöt 3 Venymäliuska-laiteympäristö sisältää seuraavat osat: Venymäliuska (120 ohm) 5 mm 10 kpl Venymäliuska (120 ohm) 25mm 10 kpl Venymäliuska (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: Picaxe USB-ohjelmointikaapeli 10 kpl Sovellussäkki (sisältää erilaisia toimielimiä 10 kpl protolevyjä varten) KUVA1: VENYMÄLIUSKA KUVA3: PICAXE 08M -PROTOLEVY KUVA2: ANTURIVAHVISTIN Kirjallinen ohje- ja oheismateriaali: Venymäliuskat teknologian opetuksen laiteympäristönä kansio Mikä on venymäliuska Venymäliuskamittaukset Oheismateriaalia fysiikan- ja käsityönopettajille Luovuuspedagogiikka teknologian opetuksessa What s a Strain Gage liuskavalmistajien oheismateriaalia venymäliuskoihin ja liuskamittauksiin liittyen.

4 Venymäliuska - kytkentä 1 4 Kokeile 1. Valitse tarpeitasi vastaava liuskatyyppi (pituus ja vastusarvo). R 3. Liuskan liimaaminen. Valitse liuskan kohde ja arvioi /mallinna huolellisesti mitattavan jännityksen suunta (3A). 3A. MISTÄ SUUNNASTA KUORMITUS KOHDISTUU MITATTAVAAN KOHTEESEEN? mm VALITSE TARPEITASI VASTAAVA LIUSKATYYPPI 2C. KORVAA YKSI VASTUKSISTA VENYMÄLIUSKALLA (VOIT KÄYTTÄÄ LIUSKAA MYÖS USEAMMAN VASTUKSEN TILALLA) 2. Siltakytkentä - Wheatstonen silta. R1 R3 R2 R4 R1= R2= R3=R4 2A. VALITSE KOLME VASTUSTA JOILLA ON SAMA VASTUSARVO KUIN VENYMÄLIUSKALLA 2D. YHDISTÄ SILLAN KULMIIN JOHTIMET (4KPL) JÄNNITE- KYTKENTÖJÄ VARTEN 3B. PUHDISTA PINTA HUOLELLISESTI JA KARHENNA SE TARVITTAESSA 3D. TEE LIUSKAN JOHTIMIIN VEDONPOISTO ESIM. KUUMA- LIIMATIPALLA PIENEN MATKAN PÄÄHÄN LIUSKASTA 3C. LEVITÄ OHUT LIIMAKERROS KOHTEEN PINTAAN JA PAINA LIUSKA SIIHEN - VARMISTA, ETTÄ LIUSKAN ALLE JÄÄ TASAVAHVA KERROS LIIMAA 2B. YHDISTÄ VASTUKSET TOISIINSA SILTAKYTKENNÄKSI KAAVION OSOITTAMALLA TAVALLA, MUTTA ÄLÄ JUOTA NELJÄTTÄ KIINNI

5 Hauskat kytkimet Venymäliuska 5 Kokeile 4. Jännitteen kytkeminen siltaan 5. Jännitteen vahvistaminen 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 HAVAINNOIDA JÄNNITTEEN MUUTOKSIA 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 ohjelmisto), voit havainnoida jännitteen muutoksia D. Voit vahvistaa jännitettä myös omatekoisella kytkennällä (ohjeet operaatiovahvistinkytkennästä: liite 2) OPERAATIOVAHVISTIN 6. Mittausjärjestelmä PC:lle MITTAKORTTI 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 erilliseen tiedostoon Tallenna-painikkeella myöhempiä laskutoimituksia varten E. Voit rakentaa mittausjärjestelmän myös itse käyttämällä tietokoneen COM-porttia (ohjeet kytkennän rakentamisesta liitteessä 4) sekä netistä löytyvää

6 Venymäliuska - Pixace 6 Kokeile 7. Venymäliuska Picaxe-mikrokontrollerijärjestelmän anturina A. kiinnitä Picaxe08M-protolevy jännitelähteeseen (4,5V) 7B. KÄYNNISTÄ PICAXE PROGRAMMING EDITOR OHJELMISTO Start 7A. KYTKE PICAXE08M-PROTOLEVY JÄNNITELÄHTEESEEN (4,5V) F. kytke venymäliuskavahvistimen jänniteulostulo Picaxe-protolevyn riviliittimeen (analogiasisääntulo) G. tee ohjelma, joka lukee liuskakytkennän jännitearvoa muuttujaan b0 - saat arvon näkymään näytöllä debug-komennolla 7F. KYTKE VAHVISTIMEN JÄNNITEULOSTULO RIVILIITTIMEEN (ANALOGIA SISÄÄNTULO) high 1 wait 2 low 1 wait 1 7E. TEE OHJELMA JOKA SYTYTÄÄ LEDIN B. käynnistä Picaxe Programming Editor ohjelmisto C. kytke protolevy tietokoneeseen ohjelmointikaapelilla D. Kiinnitä protolevyn riviliittimeen yksi led (etuvastuksineen) E. Tee ohjelma, joka sytyttää ledin yhdeksi sekunniksi ja sammuttaa sen taas yhdeksi sekunniksi testaa ohjelman toimivuus saat arvon näkymään näytöllä debugkomennolla 7D. KIINNITÄ PROTOLEVYN RIVILIITTIMEEN YKSI LED ETUVASTUKSINEEN 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 järjestelmää? kokeile käytännössä!