스트레인 게이지
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1. 스트레인 게이지란 무엇인가요?
스트레인 게이지는 기계적 변형을 측정하는 데 사용되는 가변 저항기의 일종입니다.-즉, 물체의 변형률을 측정합니다. 변형률은 재료가 기계적 스트레스를 받을 때 전기 저항의 변화를 측정하는 방식으로 작동합니다. 주로 금속 도체 와이어 또는 유연한 백킹 필름 위에 적용된 호일로 구성되며, 스트레인이 가해지면 도체가 늘어나 전기 저항이 변화합니다. 이러한 저항의 변화는 휘트스톤 브리지 회로를 사용하여 정밀하게 측정할 수 있습니다.
로드셀 센서가 산업 장비의 '신경계'라면 스트레인 게이지는 개별 로드셀의 '신경'에 해당합니다. 로드셀 및 기타 힘 측정 감지 시스템으로 작업할 때는 스트레인 게이지의 정의와 특성 및 속성을 이해하는 것이 중요합니다.
2. 스트레인 게이지의 해부학
스트레인 게이지는 비전도성 유연한 백킹 포일 표면에 접착된 격자 패턴으로 배열된 매우 얇은 전도성 와이어로 구성됩니다. 이 백킹 재료가 변형되면 측정 그리드도 늘어나서 전기 저항이 변합니다.
측정 그리드(전도성 와이어): 전도성 금속 호일은 일반적으로 격자 패턴으로 배열된 콘스탄탄 와이어(구리-니켈 합금)로 만들어집니다. 이는 변형되는 방식에 따라 전기 저항이 달라지는 활성 구성 요소입니다.
백킹 호일(캐리어): 그리드가 부착되는 비전도성 소재의 층입니다. 폴리이미드는 내구성과 유연성 때문에 일반적으로 사용되는 소재입니다.
커버링 레이어: 일부 스트레인 게이지에는 환경 요인으로부터 게이지를 보호하기 위해 그리드 위에 보호층 또는 코팅이 적용될 수 있습니다.
리드 와이어: 납땜 탭에서 금속 패턴의 끝에 연결되어 그리드를 오가는 전류의 도관 역할을 합니다.
정렬 표시: 스트레인 게이지에 눈에 보이는 표시가 있어 물체 표면에 적용할 때 정확하게 정렬할 수 있습니다.
스트레인 게이지는 매우 얇은 필름과 비슷하며 일반적으로 우표 크기의 일부에 불과할 정도로 크기가 매우 작습니다. 스트레인 게이지는 측정해야 하는 힘과 기타 요인에 따라 다양한 모양을 취할 수 있습니다. 스트레인 게이지는 다양한 활용성에도 불구하고 환경 노출(습기, 물리적 손상, 부식 등)에 취약한 섬세한 센서입니다. 로드셀 기술과 통합하면 정확도와 신뢰성이 크게 향상됩니다.
3. 운영 원칙
스트레인 게이지는 유연한 백킹 재료의 표면에 접착된 전도성 와이어로 구성됩니다. 이 백킹 재료가 변형되면 전도성 와이어도 늘어나서 전기 저항이 변합니다.
스트레인 게이지의 저항 변화(∆R)와 가해진 하중으로 인해 게이지의 측정 그리드에 발생하는 스트레인(ε) 사이의 관계는 스트레인 게이지의 작동 방식을 이해하는 데 매우 중요합니다. 이 관계는 일반적으로 재료의 탄성 한계 내에서 선형이며, 이는 하중이 제거되면 전도성 그리드가 원래의 모양과 크기로 돌아간다는 것을 의미합니다.
저항 변화와 변형 사이의 비례는 다음과 같이 정의됩니다. 게이지 계수 (GF)로 표현되기도 하며, 'K-인자'라고도 합니다:
Where:
- (GF)는 차원이 없는 숫자인 게이지 계수입니다.
- (∆R)은 변형으로 인한 저항의 변화를 나타냅니다.
- (R)은 스트레인 게이지의 초기 저항입니다.
- (ε)는 단위 길이당 변형으로 정의되는 변형률(ε = ∆L/L)이며, 여기서 (∆L은 길이의 변화, (∆L은 원래 길이)입니다.
실제로 스트레인 게이지가 부착된 구조물에 하중이 가해지면 게이지(및 그 전도성 와이어)가 변형됩니다. 이러한 변형은 전도성 경로의 길이와 단면을 변경하여 전기 저항을 변화시킵니다. 게이지 계수(GF)는 스트레인 게이지가 이러한 스트레인으로 인한 저항 변화에 얼마나 민감한지를 정량화합니다.
저항 변화와 스트레인 사이의 선형 관계는 스트레인 게이지의 기능의 근간을 이룹니다. 저항이 변하면 일정한 전류가 게이지를 통과할 때 게이지를 가로지르는 전압 강하도 변합니다. 이 전압의 변화는 저항의 변화(옴의 법칙: V = IR )에 비례하므로 스트레인에 비례합니다. 스트레인 게이지 로드셀에서는 이 전압 변화를 측정하며, 신호를 증폭하고 측정 정밀도를 향상시키기 위해 종종 휘트스톤 브리지 회로를 사용합니다. 브리지의 출력 전압은 게이지 계수(GF)로 요약된 알려진 관계에 따라 적용된 부하에 대한 직접적이고 정량화된 측정을 제공합니다.
게이지 계수는 재료의 물리적 변형과 계측기에서 측정한 전기 신호를 직접적으로 연관시키기 때문에 스트레인 게이지 시스템을 보정하고 출력을 해석하는 데 매우 중요합니다.
4. 스트레인 게이지 애플리케이션
스트레인 게이지는 기계적 변형의 정밀한 측정이 중요한 다양한 애플리케이션에서 사용되는 다목적 센서입니다. 스트레인 게이지는 항공기 부품의 응력을 모니터링하는 항공우주 산업부터 교량과 건물의 구조적 무결성을 평가하는 토목 공학 프로젝트에 이르기까지 안전 및 설계 최적화를 위한 필수 데이터를 제공합니다.
스트레인 게이지는 재료 내에서 변형(변형)을 유발하는 모든 기계적 힘을 효과적으로 측정할 수 있습니다:
1. 긴장감: 이것은 재료를 늘리는 당기는 힘입니다. 스트레인 게이지는 게이지의 전기 저항을 증가시키는 재료의 신장을 감지하여 장력을 측정할 수 있습니다.
2. 압축: 장력과 반대되는 개념인 압축은 재료를 압축하거나 압착하는 힘을 의미합니다. 스트레인 게이지는 재료 길이의 감소와 그에 따른 전기 저항의 감소를 감지하여 압축을 측정합니다.
3. 토크: 이 회전력은 재료에 비틀림을 일으킵니다. 스트레인 게이지는 비틀림 동작으로 인한 전단 변형을 감지하여 게이지의 저항을 변경하는 방식으로 배치되어 비틀림을 측정합니다.
4. 굽히기: 이 힘으로 인해 재료가 구부러지거나 휘어집니다. 예를 들어 굽힘 빔의 표면에 배치된 스트레인 게이지는 굽힘의 바깥쪽에서 인장 변형을 감지하고 안쪽에서 압축 변형을 감지하여 굽힘 힘을 측정할 수 있습니다.
5. 시어: 이 힘으로 인해 재료의 일부가 서로 미끄러져 지나갑니다. 전단 변형률 게이지는 이러한 슬라이딩 작용으로 인한 저항의 변화를 측정하기 위해 특별히 고안된 제품입니다.
5. 로드셀의 스트레인 게이지
스트레인 게이지는 본질적으로 습기, 부식, 물리적 손상과 같은 환경적 요인에 취약하여 정확도와 수명이 저하될 수 있습니다. 이러한 취약성을 완화하고 측정의 정확성을 높이기 위해 스트레인 게이지는 로드셀 내에 캡슐화되고 휘트스톤 브리지 회로로 구성됩니다. 이는 환경 손상으로부터 보호할 뿐만 아니라 1) 온도 변동과 전기 노이즈를 보정하여 정확하고 안정적인 판독값을 보장하는 브리지 회로의 기능과 2) 원치 않는 하중을 거부하는 금속 요소의 기능을 활용합니다.
로드셀 내부에는 스트레인 게이지가 정교하게 통합되어 있어 가해진 하중으로 인한 미세한 변형을 포착하여 기계적 힘을 전기 신호로 변환합니다. 스트레인 게이지는 로드셀 요소에 정밀하게 결합되어 있습니다. 이 요소는 하중을 받으면 변형되도록 설계되었으며 변형은 스트레인 게이지를 통해 정확하게 측정됩니다. 스트레인 게이지의 성능은 제조 공정의 세심한 관리와 정밀도에 따라 크게 좌우되며, 이는 반도체 제조와 많은 부분에서 유사합니다.
스트레인 게이지의 작은 저항 변화를 증폭하고 정확하게 측정하기 위해 로드셀은 종종 휘트스톤 브리지 회로를 사용합니다. 이 배열은 측정의 감도와 정확도를 향상시키므로 휘트스톤 브리지 회로에 대한 전용 기사에서 자세히 살펴볼 수 있습니다.