스트레인 게이지로 스트레인 측정

개요

본 문서는 스트레인의 기초 개념, 스트레인 게이지의 작동 방식, 최적의 설정 유형을 선택하는 방법을 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다.

다양한 스트레인 게이지 설정의 특성 이외에도 스트레인 측정을 적절히 컨디셔닝하고 측정치를 수집하는 데 필요한 하드웨어도 고려해야 합니다. 예를 들어, 스트레인 게이지는 특정한 컨디셔닝된 측정 하드웨어에서만 사용할 수 있는 전압 구동이 필요합니다. 스트레인 측정에 필요한 측정 하드웨어에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

내용

스트레인의 정의

기계적 테스트 및 측정에서는 사물이 다양한 힘에 반응하는 방식을 이해해야 합니다. 가해진 힘에 따라 물체에서 일어나는 변형의 정도를 스트레인이라고 부릅니다. 그림 1에서 설명하는 것처럼, 스트레인은 재질의 길이 변화와 원래의 온전한 길이 간의 비율로 정의됩니다. 스트레인은 인장으로 인한 양수(늘어남) 또는 수축으로 인한 음수(줄어듦)가 될 수 있습니다. 재질이 한 방향으로 압축되는 경우, 이 힘과 직각인 다른 두 방향으로 확장하려는 성향을 포아송 효과(Poisson effect)라고 부릅니다. 포아송 비(v)는 이 효과를 측정한 값으로, 가로 방향 스트레인과 축 방향 스트레인 간의 음수 비율로 정의됩니다. 스트레인은 차원이 없지만 때때로 in./in. 또는 mm/mm 등의 단위로 표기하는 경우도 있습니다. 실제로, 측정된 스트레인의 크기는 아주 작기 때문에 주로 ε x 10-6인 마이크로스트레인(µε)으로 표기합니다.

 

그림 1. 스트레인은 재질의 길이 변화와 원래의 온전한 길이 간의 비율입니다.

 

서로 다른 유형의 4가지 변형률은 축, 굽힘, 전단, 비틀림입니다. 가장 보편적인 스트레인은 축 및 굽힘 변형률입니다(그림 2 참조). 축 변형률은 수평 방향의 선형 힘으로 인해 재질이 늘어나고 줄어드는 정도를 측정합니다. 굽힘 변형률은 재질에 수직 방향으로 가해진 선형 힘에 의한 한쪽의 늘어남과 반대쪽의 수축을 측정합니다. 전단 변형률은 수평 및 수직 양쪽 방향으로 구성요소에 가해진 선형 힘에 의해 발생하는 변형의 양을 측정합니다. 비틀림 변형률은 수평 및 수직 양쪽 방향으로 구성요소에 원형으로 가해진 힘을 측정합니다.

그림 2. 축 변형률은 재질이 늘어나거나 줄어드는 정도를 측정합니다. 
굽힘 변형률은 한쪽의 늘어남과 반대쪽의 수축을 측정합니다.


스트레인 측정 방법

스트레인은 여러 가지 방법으로 측정할 수 있지만, 가장 보편적인 방법은 스트레인 게이지를 사용하는 것입니다. 스트레인 게이지의 전기 저항은 스트레인의 변형률 양에 비례하여 변동합니다. 가장 널리 사용되는 게이지는 금속 결합된 스트레인 게이지입니다. 금속 스트레인 게이지는 극세 와이어, 또는 격자형 방식으로 정렬된 금속 호일로 구성되어 있습니다. 격자형 방식은 평행 방향으로 변형되기 쉬운 금속 와이어 또는 호일의 양을 극대화합니다. 격자는 캐리어라고 불리는 얇은 바닥에 접합되며, 이 캐리어는 테스트 대상에 직접 붙어있습니다. 따라서 테스트 대상에 가해지는 변형이 스트레인 게이지로 직접 전달되며, 전기 저항의 선형 변화로 반응합니다.



그림 3. 금속 격자의 전기 저항은 테스트 대상에 적용되는 스트레인의 양에 비례하여 변화합니다.

 

스트레인 게이지의 기본 파라미터는 변형율에 대한 민감도로, 양적으로 게이지 인자(GF)의 양으로 표현됩니다. GF는 전기 저항의 부분 변화에 대한 길이의 부분 변화의 비율, 즉 스트레인입니다.

일반적으로 금속 스트레인 게이지의 GF는 약 2입니다. 특정 스트레인 게이지의 실제 GF는 센서 제조업체에 문의하거나 센서 관련 문서를 참조하십시오.

실제로 변형률 측정에서 몇 밀리스트레인 (e x 10-3) 이상을 다루는 경우는 거의 없습니다. 따라서, 스트레인을 측정할 때는 저항의 미세한 변화도 정확하게 측정할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 테스트 대상이 500 me의 스트레인을 보이는 경우, GF가 2인 스트레인 게이지의 전기 저항 변화는 2 (500 x 10-6) = 0.1%에 불과합니다. 120 Ω 게이지의 경우, 이는 고작 0.12 Ω에 해당합니다.

이런 저항의 작은 변화를 측정하기 위해 스트레인 게이지 설정은 휘트스톤 브리지 개념을 기반으로 합니다. 그림 4에 설명된 일반적인 휘트스톤 브리지는 브리지 전체에 적용되는 구동 전압(VEX)이 있는 저항 암 4개로 구성됩니다.

그림 4. 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지 회로에 구성되어 저항의 작은 변화를 감지합니다.

 

휘트스톤 브리지는 2개의 병렬 전압 분배 회로와 전기적으로 같습니다. R1  및 R2는 하나의 전압 분배 회로를 구성하며, R4 및 R3는 두 번째 전압 분배 회로를 구성합니다. 휘트스톤 브리지의 출력 Vo는 두 전압 분배기의 중간 노드 사이에서 측정됩니다.

본 등식에서 R1 /R2 = R4 /R3라면 전압 출력 VO은 0입니다. 이 조건하에서 브리지는 균형을 이룬 상태입니다. 브리지의 모든 암에 저항의 변화가 있으면 그 결과로 출력 전압은 0이 아닌 값이 나옵니다. 따라서 그림 4에서 R4를 활성 스트레인 게이지로 대체하면, 스트레인 게이지 저항에 가해진 모든 변화는 브리지의 불균형을 야기하며 변형 함수인 0이 아닌 출력 전압이 생성됩니다.

 

스트레인 게이지의 유형

스트레인 게이지 설정의 3가지 유형인 쿼터, 하프, 풀 브리지는 휘트스톤 브리지의 활성 요소 수, 스트레인 게이지의 방향, 측정할 스트레인의 유형에 의해 결정됩니다.

 

쿼터 브리지 스트레인 게이지

설정 유형 I

  • 축 또는 굽힘 변형률을 측정합니다.
  • 더미 저항기로 불리는 패시브 쿼터 브리지 완성 저항기가 필요합니다.
  • 휘트스톤 브리지를 완성하는 하프 브리지 완성 저항기가 필요합니다.
  • R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.

 

그림 5. 쿼터 브리지 스트레인 게이지 설정

 

설정 유형 II

이상적으로 스트레인 게이지의 저항은 적용된 스트레인에만 반응하여 변화해야 합니다. 그러나 스트레인 게이지 재질뿐만 아니라 게이지가 적용되는 측정 대상의 재질도 온도의 변화에 반응합니다. 쿼터 브리지 스트레인 게이지 설정 유형 II는 스트레인 게이지 2개를 브리지에 사용하여 추가적으로 온도의 영향을 최소화하도록 도와줍니다. 그림 6에 표시된 대로, 일반적으로 하나의 스트레인 게이지(R4)가 활성화되고 두 번째 스트레인 게이지(R3)가 열 접촉부에 가깝게 장착되지만, 측정 대상에 접합되지 않고 스트레인의 기본 축에 수평 방향으로 놓이지 않습니다. 따라서 스트레인이 이 더미 게이지에 영향을 거의 주지 않지만, 모든 온도 변화는 두 게이지에 대해 동일한 방식으로 영향을 미칩니다. 온도 변화가 두 스트레인 게이지에 동일하게 적용되므로, 저항의 비율과 출력 전압(Vo)은 변하지 않으며 온도의 영향이 최소화됩니다.

 

그림 6. 더미 스트레인 게이지는 스트레인 측정에서 온도의 영향을 없애줍니다.

 

하프 브리지 스트레인 게이지

하프 브리지 설정에서 두 스트레인 게이지를 활성화하여 스트레인에 대한 브리지의 민감도를 두 배로 증가시킬 수 있습니다.

 

설정 I

설정 II - 굽힘 변형률만 측정

 

그림 7. 하프 브리지 스트레인 게이지는 쿼터 브리지 스트레인 게이지보다 두 배 더 민감합니다.

 

설정 유형 I

  • 축 또는 굽힘 변형률을 측정합니다.
  • 휘트스톤 브리지를 완성하는 하프 브리지 완성 저항기가 필요합니다.
  • R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R3는 포아송 효과(-νε)를 보정하는 활성 스트레인 게이지입니다.

이 설정은 쿼터 브리지 타입 II 설정과 혼동하기 쉽습니다. 그러나 유형 I에는 스트레인 측정 대상에 접합된 활성 R3 요소가 있습니다.

설정 유형 II

  • 굽힘 변형률만 측정합니다.
  • 휘트스톤 브리지를 완성하는 하프 브리지 완성 저항기가 필요합니다.
  • R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R3는 수축 변형률(-ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.

 

풀 브리지 스트레인 게이지

풀 브리지 스트레인 게이지 설정은 활성 스트레인 게이지 4개로 구성되며 서로 다른 3가지 유형으로 사용할 수 있습니다. 유형 1 및 2는 굽힘 변형률을 측정하고 유형 3은 축 변형률을 측정합니다. 유형 2 및 3에서만 포아송 효과가 보정되지만 3가지 유형 모두 온도의 영향을 최소화합니다.

 

설정 I - 굽힘 변형률만 측정

설정 II - 굽힘 변형률만 측정

설정 III - 축 변형률만 측정

 

그림 8. 풀 브리지 스트레인 게이지 설정

 

설정 유형 I

  • 굽힘 변형률에만 매우 민감합니다.
  • R1 및 R3은 수축 변형률(–e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R2 및 R4는 인장 변형률(+e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.

설정 유형 II

  • 굽힘 변형률에만 민감합니다.
  • R1은 수축 포아송 효과(–νe)를 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R2는 인장 포아송 효과(+νe)를 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R3은 수축 변형률(–e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R4는 인장 변형률(+e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.

설정 유형 III

  • 축 변형률을 측정합니다.
  • R1 및 R3은 수축 포아송 효과(–νe)를 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.
  • R2 및 R4는 인장 변형률(+e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지입니다.

 

적합한 스트레인 게이지를 선택하는 방법

측정할 변형률 유형(축 또는 굽힘)을 결정한 후에 고려해야 하는 기타 사항에는 민감도, 비용, 작동 조건이 포함됩니다. 동일한 스트레인 게이지의 경우, 브리지 설정을 변경하면 스트레인에 대한 민감도를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 완전 브리지 타입 I 설정은 쿼터 브리지 타입 I 설정 보다 4배 더 감도가 높습니다. 그러나, 완전 브리지 타입 I의 경우 쿼터 브리지 타입 I에 비해 스트레인 게이지가 3개 더 필요하며, 게이지 구조의 양쪽 모두에 접근할 수 있어야 합니다. 또한 풀 브리지 스트레인 게이지는 하프 브리지 및 쿼터 브리지 게이지보다 훨씬 비쌉니다. 다양한 스트레인 게이지 유형에 대한 요약 정보는 다음 표를 참조하십시오.

 

측정 유형

쿼터 브리지

하프 브리지

풀 브리지

유형 I

유형 II

유형 I

유형 II

유형 I

유형 II

유형 III

축 변형률

아니요

아니요

아니요

굽힘 변형률

아니요

보정

 

 

 

 

 

 

 

횡감도

아니요

아니요

아니요

아니요

온도

아니요

민감도

 

 

 

 

 

 

 

1000 µε에서의 민감도

~0.5 mV/V

~0.5 mV/V

~0.65 mV/V

~1.0 mV/V

~2.0 mV/V

~1.3 mV/V

~1.3 mV/V

설치

 

 

 

 

 

 

 

결합된 게이지 수

1

1*

2

2

4

4

4

장착 위치

단일 면

단일 면

단일 면

반대 면

반대 면

반대 면

반대 면

와이어 수

2 또는 3

3

3

3

4

4

4

브리지 완성 저항기

3

2

2

2

0

0

0

*두 번째 스트레인 게이지는 구조에 가까운 열 접촉부에 장착되지만 접합되지 않습니다.

 

그리드 폭

설치 장소에 제한이 없는 경우 더 넓은 그리드를 사용하면 열 방출이 개선되고 스트레인 게이지의 안정성이 강화됩니다. 그러나 스트레인의 기본 축과 직각으로 스트레인 경사도가 심한 테스트 대상의 경우 좁은 그리드를 사용하여 전단 변형률과 포아송 변형률의 영향으로 생기는 오류를 최소화하는 것이 좋습니다.

공칭 게이지 저항

공칭 게이지 저항은 전혀 변형되지 않은 상태에 대한 스트레인 게이지의 저항입니다. 특정 게이지의 공칭 게이지 저항은 센서 제조업체에 문의하거나 센서 관련 문서를 참조하십시오. 상용 스트레인 게이지의 가장 일반적인 공칭 저항 값은 120 Ω, 350 Ω, 1,000 Ω입니다. 구동 전압으로 인해 발생하는 열의 양을 줄이려면 더 높은 공칭 저항을 고려하십시오. 공칭 저항이 높으면 온도 변화로 인한 저항의 도선 변화에 의해 생기는 신호 변이도 낮출 수 있습니다.

온도 보정

이상적으로, 스트레인 게이지 저항은 변형에 대응해서만 변해야 합니다. 그러나, 스트레인 게이지의 저항 및 민감도 역시 온도에 따라 변하므로 측정 오류가 유발됩니다. 스트레인 게이지 제조업체는 게이지의 용도에 따라 대상 물질에 대한 열 팽창을 보완하기 위해 게이지 물질을 처리하여 온도에 대한 민감도를 최소화하려고 노력합니다. 이렇게 온도 온도 보정된 브리지 설정은 온도의 영향을 덜 받습니다. 이 밖에도 온도 변화의 영향을 보정하는 데 도움이 되는 설정 유형을 사용하는 것이 좋습니다.

설치

스트레인 게이지를 설치할 때에는 상당한 시간과 리소스가 필요하며, 브리지 설정에 따라 필요한 시간과 리소스의 정도가 크게 달라집니다. 결합된 게이지의 수, 선의 개수, 장착 위치 등에 따라 설치에 필요한 시간과 리소스가 달라집니다. 특정 브리지 설정에서는 구조의 반대쪽에 게이지 설치를 해야 하며 이때 설치가 어렵거나 불가능할 수도 있습니다. 쿼터 브리지 타입 I은 가장 간단하며, 게이지 하나를 설치하고 2개 또는 3개의 선이 필요합니다.

 

스트레인 게이지용 신호 컨디셔닝

스트레인 게이지 측정은 복잡한 작업이며 다양한 요소가 측정 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 신뢰할 수 있는 측정치를 얻기 위해서는 브리지, 신호 컨디셔닝, 연결, 데이터 수집 구성요소를 적절하게 선택하고 사용해야 합니다. 예를 들어, 게이지 어플리케이션으로 유도된 저항 허용 오차와 변형은 변형이 적용되지 않는 경우 초기 오프셋 전압을 생성합니다. 이와 유사하게, 긴 도선으로 인해 브리지 암에 저항이 추가되어 오프셋 오류가 늘어나고 브리지의 출력 민감도가 낮아질 수 있습니다. 정확한 스트레인 측정을 위해 다음을 고려하십시오.

  • 쿼터 및 하프 브리지 스트레인 게이지에 필요한 회로를 완성하기 위한 브리지 완성
  • 휘트스톤 브리지 회로의 구동
  • 긴 도선의 구동 전압 오류를 보정하기 위한 원격 감지 기능
  • 측정 분해능을 증가시키고 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위한 증폭
  • 외부 고주파수 노이즈를 제거하기 위한 필터링
  • 스트레인이 적용되지 않는 경우 브리지를 출력 0 V와 균형을 맞추기 위해 오프셋 널링
  • 브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 검증하기 위한 분기 교정

 

이런 오류들의 보정 방법에 대해 알아보고 스트레인 측정에 대한 기타 하드웨어 고려사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.