스트레인 게이지(Strain Gauge)

전도성 금속 스트립이 늘어나면 두께가 얇아지고 길이가 길어지며, 이 두 가지 변화로 인해 엔드 투 엔드 전기 저항이 증가합니다. 반대로, (좌굴하지 않고) 한 가닥의 전도성 금속이 압축력 하에 놓이면, 그것은 넓어지고 짧아집니다. 이러한 응력이 금속 스트립의 탄성 한계 내에서 유지되면(스트립이 영구적으로 변형되지 않도록) 스트립을 물리적 힘, 즉 저항 측정을 통해 유추되는 적용된 힘의 양을 측정하는 요소로 사용할 수 있습니다.

이러한 장치를 스트레인 게이지라고 합니다. 스트레인 게이지는 기계에 의해 발생하는 응력을 측정하기 위해 기계 공학 연구 및 개발에 자주 사용됩니다. 항공기 구성요소 시험은 응력을 측정하기 위해 구조 부재, 링크 및 기타 항공기 프레임의 중요한 구성요소에 접착된 작은 변형률 게이지 스트립의 적용 분야 중 하나입니다. 대부분의 스트레인 게이지는 우표보다 작고 다음과 같이 보입니다.

 

스트레인 게이지의 도체는 매우 얇습니다. 원형 와이어로 만들어진 경우 직경이 약 1/1000인치입니다. 또는 스트레인 게이지 도체는 캐리어라고 불리는 비전도성 기판 재료에 증착된 금속 필름의 얇은 스트립일 수 있습니다. 변형률 게이지의 후자 형태는 이전 그림에 나와 있습니다. 접합 게이지(bonded gauge)라는 이름은 응력을 받는 더 큰 구조물(테스트 시편이라고 함)에 접착된 변형률 게이지에 붙여진 이름입니다. 스트레인 게이지를 테스트 시편에 접합하는 작업은 매우 간단한 것처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다. "Gaugeing"은 그 자체로 정확하고 안정적인 변형률 측정을 위해 절대적으로 필수적인 기술입니다. 장력을 측정하기 위해 두 기계적 지점 사이에 연장된 마운트 해제된 게이지 와이어를 사용할 수도 있지만, 이 기술에는 한계가 있습니다.

일반적인 스트레인 게이지 저항의 범위는 30Ω ~ 3kΩ(스트레스 없음)입니다. 게이지 재료 및 시험편의 탄성 한계에 의해 부과되는 한계를 고려할 때 게이지의 전체 힘 범위에 대해 이 저항은 극히 일부만 변경할 수 있습니다. 더 큰 저항 변화를 유도할 수 있을 정도로 큰 힘은 테스트 시편 및/또는 게이지 도체 자체를 영구적으로 변형시켜 측정 장치로서의 게이지를 손상시킵니다. 따라서 스트레인 게이지를 실용적인 기기로 사용하기 위해서는 저항의 극히 작은 변화를 높은 정확도로 측정해야 합니다.

이러한 까다로운 정밀도를 위해서는 교량 측정 회로가 필요합니다. 마지막 장에 나와 있는 휘트스톤 브릿지는 균형 상태를 유지하기 위해 널 밸런스 검출기와 인간 조작자를 사용하는 것과 달리, 스트레인 게이지 브릿지 회로는 불균형 정도에 따라 측정된 변형률을 나타내며 브리지 중앙에 있는 정밀 전압계를 사용하여 이러한 불균형을 정확하게 측정합니다.

 

일반적으로 브리지의 레오스테트 암(그림의 R2)은 힘을 가하지 않고 스트레인 게이지 저항과 동일한 값으로 설정됩니다. 브리지의 두 비율 암(R1 및 R3)은 서로 동일하게 설정됩니다. 따라서 스트레인 게이지에 힘이 가해지지 않으면 브리지가 대칭적으로 균형을 이루고 전압계는 0V를 나타내어 스트레인 게이지에 힘이 0이 됩니다. 스트레인 게이지가 압축 또는 인장되면 저항이 각각 감소 또는 증가하여 브리지의 균형이 해제되고 전압계에 표시가 생성됩니다. 측정된 변수(기계적 힘)에 따라 브리지의 단일 요소가 저항을 변화시키는 이 배열을 쿼터 브리지 회로라고 합니다.

스트레인 게이지와 브리지 회로의 다른 세 저항 사이의 거리는 상당할 수 있으므로 와이어 저항은 회로 작동에 상당한 영향을 미칩니다. 와이어 저항의 효과를 설명하기 위해 동일한 계통도를 보여드리지만, 스트레인 게이지와 직렬로 두 개의 저항기 기호를 추가하여 와이어를 나타냅니다.

 

스트레인 게이지의 저항(R게이지)은 측정되는 유일한 저항이 아닙니다. 와이어 저항 Rwire1 및 Rwire2는 R게이지와 직렬이며 브리지의 레오스타트 암 하부의 저항에 기여하고 결과적으로 전압계의 표시에 기여합니다. 물론 이것은 미터기에 의해 게이지에 가해지는 물리적 부담으로 잘못 해석될 것입니다.

 

이 구성에서 이러한 효과를 완전히 제거할 수는 없지만 전압계 우측을 스트레인 게이지의 상부 와이어에 직접 연결하는 세 번째 와이어를 추가하여 이 효과를 최소화할 수 있습니다.

세 번째 와이어는 (전압계의 내부 저항이 매우 높기 때문에) 거의 전류를 전달하지 않기 때문에 저항이 상당한 양의 전압을 떨어뜨리지 않습니다. 전압계가 스트레인 게이지의 상단 단자에 직접 연결되므로 상단 와이어(Rwire1)의 저항이 "우회"되어 하단 와이어의 저항(Rwire2)만 게이지와 직렬로 유지됩니다. 물론 완벽한 솔루션은 아니지만, 마지막 회로보다 두 배 더 좋습니다.

그러나 와이어 저항 오차를 방금 설명한 방법보다 훨씬 줄이고 온도로 인한 다른 종류의 측정 오차를 완화하는 방법이 있습니다. 스트레인 게이지의 불행한 특성은 온도 변화에 따른 저항 변화입니다. 이것은 모든 도체에 공통적인 특성이며, 일부 도체는 다른 도체보다 더 많습니다. 따라서 표시된 것과 같은 쿼터 브리지 회로(게이지를 브리지에 연결하는 두 개 또는 세 개의 와이어 포함)는 스트레인 표시기와 마찬가지로 온도계로도 작동합니다. 우리가 원하는 것이 변형률을 측정하는 것이라면, 이것은 좋지 않습니다. 그러나 R2 대신 "더미" 변형률 게이지를 사용하면 이 문제를 극복할 수 있으므로, 온도 변화 시 레오스타트 암의 두 요소가 동일한 비율로 저항을 변경하여 온도 변화의 영향을 취소할 수 있습니다.

 

저항 R1과 R3은 동일한 저항값을 가지며, 스트레인 게이지는 서로 동일합니다. 힘이 가해지지 않은 상태에서 브리지는 완벽하게 균형 잡힌 상태여야 하며 전압계는 0V를 기록해야 합니다. 두 게이지 모두 동일한 테스트 시편에 접합되지만 물리적 변형률(액티브 게이지)에 노출될 수 있는 위치와 방향에 한 게이지만 배치됩니다. 다른 게이지는 모든 기계적 응력으로부터 격리되며, 온도 보상 장치("더미" 게이지) 역할만 합니다. 온도가 변경되면 두 게이지 저항이 동일한 비율로 변경되고 브리지의 균형 상태는 영향을 받지 않습니다. 시험편에 가해지는 물리적인 힘에 의해 생성되는 차동 저항(두 변형률 게이지 간의 저항 차이)만이 교량의 균형을 바꿀 수 있습니다.

와이어 저항은 두 스트레인 게이지를 브리지에 연결하는 와이어의 길이가 거의 동일하기 때문에 회로의 정확도에 이전만큼 영향을 미치지 않습니다. 따라서, 교량의 레오스타트 암의 상부 및 하부에는 대략 동일한 양의 표류 저항이 포함되어 있으며, 그 효과는 취소되는 경향이 있습니다.

 

브리지 회로에 2개의 변형률 게이지가 있지만 기계적 변형률에 반응하는 것은 1개뿐이므로 이 배치를 쿼터 브리지라고 합니다. 그러나, 만약 우리가 상부 변형률 게이지를 가지고 그것이 하부 게이지와 반대되는 힘에 노출되도록 배치한다면(즉, 상부 게이지가 압축될 때, 하부 게이지가 신장될 것이고, 그 반대일 때), 우리는 두 게이지 모두 변형률에 반응할 것이고, 브리지는 적용된 힘에 더 반응할 것입니다. 이 활용률을 하프 브리지라고 합니다. 두 스트레인 게이지는 온도 변화에 따라 저항이 동일한 비율로 증가하거나 감소하기 때문에 온도 변화의 영향은 취소된 상태로 유지되며 회로는 온도 유도 측정 오류가 최소화됩니다.

이러한 효과를 얻기 위해 한 쌍의 변형률 게이지를 테스트 시편에 접합하는 방법의 예는 다음과 같습니다.

시험편에 힘이 가해지지 않은 상태에서, 두 스트레인 게이지는 모두 동일한 저항을 가지며 브리지 회로는 균형을 이루고 있습니다. 그러나 시편의 자유단에 아래쪽으로 힘이 가해지면 게이지 #1과 압축 게이지 #2가 동시에 아래쪽으로 휘게 됩니다.

그러한 상호 보완적인 한 쌍의 변형률 게이지가 시험 시편에 결합될 수 있는 응용 분야에서, 훨씬 더 큰 민감도를 위해 브리지의 네 가지 요소를 모두 "활성"으로 만드는 것이 유리할 수 있습니다. 이를 풀 브리지 회로라고 합니다.

 

하프 브리지 및 풀 브리지 구성 모두 쿼터 브리지 회로에 대해 더 큰 감도를 제공하지만, 종종 변형률 게이지의 상호 보완적인 쌍을 테스트 시편에 결합할 수 없습니다. 따라서 4분의 1 브리지 회로는 변형률 측정 시스템에 자주 사용됩니다.

가능한 경우 전체 브리지 구성을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 이것은 다른 것들보다 더 민감할 뿐만 아니라 다른 것들은 그렇지 않기 때문에 사실입니다. 쿼터 브리지 및 하프 브리지 회로는 인가된 변형률 게이지 힘에 거의 비례하는 출력(불균형) 신호를 제공합니다. 이러한 브리지 회로의 선형성 또는 비례성은 가해진 힘으로 인한 저항 변화량이 게이지의 공칭 저항에 비해 매우 작을 때 가장 좋습니다. 그러나 풀 브리지의 경우 출력 전압은 근사값 없이 인가된 힘에 정비례합니다(인가된 힘에 의해 발생하는 저항의 변화가 4개의 변형 게이지 모두에 대해 동일한 경우!).

완벽한 균형 상태에서 측정을 제공하고 따라서 소스 전압에 관계없이 작동하는 휘트스톤 및 켈빈 브리지와 달리 소스(또는 "여기") 전압의 양은 이와 같이 불균형 브리지에서 중요합니다. 따라서 스트레인 게이지 브리지는 단위 힘 측정당 들뜸 전압당 생성되는 불균형의 밀리볼트 단위로 평가됩니다. 산업 환경에서 힘을 측정하는 데 사용되는 유형의 스트레인 게이지의 일반적인 예는 1000파운드에서 15mV/V입니다. 즉, 정확히 1,000파운드의 가해진 힘(압축력 또는 인장력)에서 브리지는 여기 전압의 전압마다 15밀리볼트씩 불균형하게 됩니다. 다시 말하지만, 브리지 회로가 완전 활성(브릿지의 각 암에 하나씩 4개의 활성 변형률 게이지)인 경우 이러한 수치는 정확하지만 하프 브리지 및 쿼터 브리지 배치에 대해서만 대략적입니다.

스트레인 게이지는 하나의 하우징에 스트레인 게이지 요소와 브리지 저항기가 모두 포함된 완전한 단위로 구입할 수 있으며, 요소로부터 보호하기 위해 밀봉 및 캡슐화되어 있으며 기계 또는 구조물에 부착할 수 있는 기계적 체결점이 장착되어 있습니다. 이러한 패키지를 일반적으로 로드 셀이라고 합니다.

• 스트레인 게이지는 응력(탄성 한계 내에서 신장 또는 압축) 시 저항을 변경하여 기계적 하중을 측정하도록 설계된 얇은 금속 스트립입니다.
• 스트레인 게이지 저항 변화는 일반적으로 작은 저항 변화를 정확하게 측정하고 온도로 인한 저항 변화를 보상하기 위해 브리지 회로에서 측정됩니다.