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스트레인 게이지로 변형률 측정하기
이 문서는 기본 스트레인 개념, 스트레인 게이지의 작동 방식, 올바른 구성을 선택하는 방법을 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다. 센서를 결정한 후에는 스트레인 측정을 적절하게 컨디셔닝, 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 고려할 수 있습니다. 또한 필요한 추가 신호 컨디셔닝을 고려할 수도 있습니다.
변형률이란?
기계적 테스트 및 측정에서는 물체가 다양한 힘에 어떻게 반응하는지 이해해야 합니다. 적용된 힘으로 인해 재료가 겪는 변형의 양을 변형률이라고 합니다. 변형률은 그림 1과 같이 영향을 받지 않은 원래의 길이에 대한 재료 길이 변화의 비율로 정의됩니다. 변형률은 신장으로 인해 양수(인장)이거나 수축으로 인해 음수(압축)일 수 있습니다. 재료가 한 방향으로 압축될 때, 이 힘에 수직인 다른 두 방향으로 팽창하는 경향을 포아송 효과라고 합니다. 포아송 비(v)는 이 효과의 척도이며 축 방향의 변형에 대한 가로 방향 변형의 음의 비율로 정의됩니다. 변형률에 차원은 없지만, 간혹 in./in. 또는 mm/mm과 같은 단위로 표시되는 경우가 있습니다. 실제로, 측정된 변형률의 크기는 매우 작기 때문에 종종 마이크로스트레인(με)으로 표현되며, 이는 ε x 10-6입니다.
그림 1. 변형률은 영향을 받지 않은 원래 길이에 대한 재료 길이 변화 비율입니다.
변형률의 종류는 축, 굽힘, 전단 및 비틀림의 네 가지가 있습니다. 축 변형률과 굽힘 변형률이 가장 일반적입니다(그림 2 참조). 축 변형률은 수평 방향 선형 힘의 결과로 재료가 늘어나거나 압축되는 것을 측정합니다. 굽힘 변형률은 수직 방향으로 적용된 선형 힘으로 인한 재료 한 쪽의 늘어남과 반대쪽의 수축을 측정합니다. 전단 변형률은 수평과 수직 방향 성분을 모두 갖는 선형 힘에서 발생하는 변형의 양을 측정합니다. 비틀림 변형률은 수평과 수직 방향 성분을 모두 갖는 원형 힘을 측정합니다.
그림 2. 축 변형률은 재료가 늘어나거나 당겨지는 정도를 측정합니다. 굽힘 변형률은 한 쪽의 신축과 다른 쪽의 수축을 측정합니다.
변형률 측정
변형률은 일반적으로 스트레인 게이지(strain gage, “strain gauge”라고도 씀)로 측정됩니다. 스트레인 게이지는 축 방향 힘, 굽히는 힘, 전단력 또는 비틀리는 힘을 받는 물체에서 전기 저항을 측정하여 작동합니다. 전기 저항은 힘이 가해질 때 디바이스의 변형률에 비례하여 변하기 때문에 변형률을 정량화하는 데 사용할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 스트레인 게이지는 결합된 금속 스트레인 게이지입니다. 금속 스트레인 게이지는 매우 가는 선이나, 보다 일반적으로는 격자 형태로 배열된 금속 호일로 구성됩니다. 이 격자 형태는 평행 방향으로 변형되는 금속 선 또는 포일의 양을 최대화합니다. 격자는 캐리어라고 하는 얇은 지지대에 결합되어 있으며, 이 지지대는 테스트 대상에 직접 부착됩니다. 따라서, 테스트 대상이 겪는 변형이 전기 저항의 선형 변화에 반응하는 스트레인 게이지로 직접 전달됩니다.
그림 3. 금속 격자의 전기 저항은 테스트 대상이 겪는 변형량에 비례하여 변합니다.
스트레인 게이지의 기본 파라미터는 스트레인에 대한 민감도이며, 정량적으로 게이지 인자(GF)로 표시됩니다. GF는 길이 또는 변형률의 작은 변화에 대한 전기 저항의 작은 변화의 비율입니다.
금속성 스트레인 게이지의 GF는 일반적으로 약 2 내외입니다. 특정 스트레인 게이지의 실제 GF는 센서 공급업체 또는 센서 설명서에서 얻을 수 있습니다.
실제 변형률 측정에서는 몇 밀리스트레인(e x 10-3)보다 큰 양은 거의 없습니다. 따라서 스트레인을 측정하려면 저항의 아주 작은 변화를 정확하게 측정해야 합니다. 예를 들어, 테스트 대상에 500 me의 변형이 일어났다고 가정합시다. GF가 2인 스트레인 게이지의 전기 저항 변화는 2(500 x 10-6) = 0.1%에 불과합니다. 120Ω 게이지의 경우, 이는 0.12Ω의 변화에 불과합니다.
저항의 이런 작은 변화를 측정하기 위해 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지의 개념을 기반으로 구성되어 있습니다. 그림 4에 나와 있는 일반적인 휘트스톤 브리지는 4개의 저항 암으로 구성된 네트워크로, 구동 전압 VEX가 브리지 전체에 인가됩니다.
그림 4. 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지 회로로 구성되어 저항의 작은 변화를 감지합니다
휘트스톤 브리지는 두 개의 병렬 전압 분배기 회로와 전기적으로 동일합니다. R1과 R2가 하나의 전압 분배기 회로를 구성하고, R4와 R3이 두 번째 전압 분배기 회로를 구성합니다. 휘트스톤 브리지의 출력 Vo는 두 전압 분배기의 중간 노드 사이에서 측정됩니다.
이 방정식에서 R1/R2 = R4/R3일 때 전압 출력 VO가 0임을 알 수 있습니다. 이러한 조건에서 브리지는 균형을 이룬다고 합니다. 어떤 브리지 암에서라도 저항이 변경되면 0이 아닌 출력 전압이 생성됩니다. 따라서 그림 4의 R4를 활성 스트레인 게이지로 교체하면 스트레인 게이지 저항의 변화로 인해 브리지의 불균형이 발생하고 변형률의 함수로 표현되는 0이 아닌 출력 전압이 생성됩니다.
적합한 스트레인 게이지 선택하기
스트레인 게이지의 종류
스트레인 게이지의 세 가지 구성인 쿼터 브리지, 반 브리지, 완전 브리지는 휘트스톤 브리지 내 활성 원소 개수, 스트레인 게이지의 방향, 측정되는 변형률 유형에 따라 결정됩니다.
쿼터 브리지 스트레인 게이지
I형 구성
- 축 또는 굽힘 변형률 측정
- 더미 저항으로 알려진 수동 쿼터 브리지 완성 저항 필요
- 휘트스톤 브리지를 완성하려면 반 브리지 완성 저항이 필요
- R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
그림 5. 쿼터 브리지 스트레인 게이지 구성.
II형 구성
이상적으로는 변형률 게이지의 저항은 변형이 가해질 때만 바뀌어야 합니다. 그러나 스트레인 게이지 재료와 게이지가 적용된 대상 재료는 온도 변화에도 반응합니다. 쿼터 브리지 스트레인 게이지 II형은 브리지에 2개의 스트레인 게이지를 사용하여 온도의 영향을 최소화합니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이, 일반적으로 하나의 스트레인 게이지(R4)는 활성 게이지이고 두 번째 스트레인 게이지(R3)는 열적으로는 접하게 장착되지만 테스트 대상과는 떨어져 변형의 주축을 가로지르게 배치됩니다. 따라서 변형률은 이 더미 게이지에는 거의 영향을 미치지 않지만, 온도 변화는 동일한 방식으로 두 게이지에 영향을 미칩니다. 온도 변화가 동일하기 때문에 두 스트레인 게이지의 저항 비율은 변하지 않고 출력 전압(Vo)이 변하지 않아 온도의 영향이 최소화됩니다.
그림 6. 더미 스트레인 게이지는 변형률 측정에서 온도의 영향을 제거합니다
반 브리지 스트레인 게이지
반 브리지 구성에서 두 스트레인 게이지를 모두 활성화하면 브리지의 변형률 민감도를 두 배로 늘릴 수 있습니다.
I형 구성
- 축 또는 굽힘 변형률 측정
- 휘트스톤 브리지를 완성하려면 반 브리지 완성 저항이 필요
- R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
- R3은 포아송 효과(-νε)를 보정하는 활성 스트레인 게이지
이 구성은 일반적으로 쿼터 브리지 II형와 혼동되지만 I형에는 테스트 대상에 부착된 활성 R3 요소가 있습니다.
II형 구성
굽힘 변형률만 측정
휘트스톤 브리지를 완성하려면 반 브리지 완성 저항이 필요
R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
R3은 압축 변형률(-ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
그림 7. 반 브리지 스트레인 게이지는 쿼터 브리지 스트레인 게이지보다 2배 더 민감합니다.
완전 브리지 스트레인 게이지
완전 브리지 스트레인 게이지 구성에는 4개의 활성 스트레인 게이지가 있으며 3가지 유형으로 제공됩니다. I형과 II형은 굽힘 변형률을 측정하고 III형은 축 변형률을 측정합니다. II형과 III형만 포아송 효과를 보정하지만, 세 유형 모두 온도의 영향을 최소화합니다.
I형 구성: 굽힘 변형률만
- 굽힘 변형률에만 매우 민감
R1 및 R3은 압축 변형률(–e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
R2 및 R4는 인장 변형률(+e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
II형 구성
굽힘 변형률만 측정
휘트스톤 브리지를 완성하려면 반 브리지 완성 저항이 필요
R4는 인장 변형률(+ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
R3은 압축 변형률(-ε)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
R4는 인장 변형률(+e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
III형 구성: 축 변형률만
축 변형률 측정
R1 및 R3은 압축 포아송 효과(–νe)를 측정하는 활성 스트레인 게이지
R2 및 R4는 인장 변형률(+e)을 측정하는 활성 스트레인 게이지
그림 8. 완전 브리지 스트레인 게이지 설정
고려해야 할 스트레인 게이지의 스펙
측정하려는 변형의 유형 (축 또는 굽힘)을 결정했으면 감도, 비용, 작동 조건 등을 고려해야 합니다. 동일한 스트레인 게이지의 경우 브리지 구성을 변경하면 스트레인에 대한 감도가 향상될 수 있습니다. 예를 들어, 완전 브리지 I형은 쿼터 브리지 I형보다 4배 더 민감합니다. 그러나, 완전 브리지 I형에는 쿼터 브리지 I형보다 3개의 스트레인 게이지가 더 필요합니다. 또한 게이지 구조 양쪽 모두에 접근할 수 있어야 합니다. 또한, 완전 브리지 스트레인 게이지는 반 브리지 및 쿼터 브리지 게이지보다 훨씬 비쌉니다. 다양한 유형의 스트레인 게이지에 대한 요약은 다음 표를 참조하십시오.
격자 폭
설치 장소의 제약이 없는 경우 더 넓은 격자를 사용하면 열 방출이 향상되고 스트레인 게이지의 안정성이 향상됩니다. 그러나 테스트 대상이 변형의 기본 축에 수직으로 심한 변형 변화율을 갖는 경우, 좁은 격자를 사용하여 전단 변형률과 포아송 변형률의 영향으로 인한 오차를 최소화하는 것이 좋습니다.
공칭 게이지 저항
공칭 게이지 저항은 변형되지 않은 위치에서의 스트레인 게이지 저항입니다. 특정 게이지의 공칭 게이지 저항은 센서 공급업체 또는 센서 설명서에서 얻을 수 있습니다. 상용 스트레인 게이지의 가장 일반적인 공칭 저항 값은 120Ω, 350Ω, 1000Ω입니다. 구동 전압에 의해 생성되는 열의 양을 줄이려면 더 높은 공칭 저항을 고려하십시오. 또한 공칭 저항이 높으면 온도 변동으로 인한 도선 저항 변화로 생기는 신호 변동을 줄이는 데 도움이 됩니다.
온도 보상
이상적으로, 스트레인 게이지 저항은 스트레인에만 반응하여 변경되어야 합니다. 그러나 스트레인 게이지의 저항률과 감도는 온도에 따라 변하기 때문에 측정 에러가 발생합니다. 스트레인 게이지 제조업체는 게이지가 사용되는 테스트 대상 재료의 열 팽창을 보상할 수 있도록 게이지 재료를 처리하여 온도에 대한 감도를 최소화하려고 시도합니다. 이러한 온도 보상 브리지는 온도 영향에 대한 내성이 더 강합니다. 또한 온도 변동의 영향을 보상하는 데 도움이 되는 구성 유형을 사용하는 것도 고려해 보십시오.
설치
스트레인 게이지를 설치하는 데는 상당한 시간과 자원이 소요될 수 있으며, 그 양은 브리지 구성에 따라 크게 달라집니다. 부착된 게이지의 수, 도선의 수, 장착 위치 모두 설치에 필요한 노력의 정도에 영향을 미칠 수 있습니다. 특정 브리지 구성에서는 구조물의 반대쪽에 게이지를 설치해야 하는 경우도 있는데, 이는 어렵거나 불가능할 수 있습니다. 쿼터 브리지 I형은 하나의 게이지 설치와 2개 또는 3개의 선만 필요하기 때문에 가장 간단합니다.
| I형 구성 | II형 구성: 굽힘 변형률만 |
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| I형 구성 | II형 구성 |
이 구성은 일반적으로 쿼터 브리지 II형와 혼동되지만 I형에는 테스트 대상에 부착된 활성 R3 요소가 있습니다. |
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| I형 구성: 굽힘 변형률만 | II형 구성: 굽힘 변형률만 | III형 구성: 축 변형률만 | |
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| I형 구성 | II형 구성 | III형 구성 | |
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측정 유형 | 쿼터 브리지 | 반 브리지 | 완전 브리지 | ||||
I형 | II형 | I형 | II형 | I형 | II형 | III형 | |
| 축 변형률 | 예 | 예 | 예 | 아니요 | 아니요 | 아니요 | 예 |
| 굽힘 변형률 | 예 | 예 | 예 | 예 | 예 | 예 | 아니요 |
| 보상 |
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| 횡방향 감도 | 아니요 | 아니요 | 예 | 아니요 | 아니요 | 예 | 예 |
| 온도 | 아니요 | 예 | 예 | 예 | 예 | 예 | 예 |
| 민감도 |
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| 1000 µε에서의 감도 | ~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 |
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| 결합된 게이지의 개수 | 1 | 1* | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 |
| 장착 위치 | 한 면 | 한 면 | 한 면 | 맞대는 면 | 맞대는 면 | 맞대는 면 | 맞대는 면 |
| 선 수 | 2 또는 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 |
| 브리지 완성 저항 | 3 | 2 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| *두 번째 스트레인 게이지는 구조물과 열적으로 밀접하게 접촉하지만 접착되어 있지는 않습니다. | |||||||
스트레인 게이지의 신호 컨디셔닝
스트레인 게이지 측정은 복잡하며 여러 요인이 측정 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 브리지, 신호 컨디셔닝, 배선 및 DAQ 구성요소를 적절히 선택하여 사용하여 신뢰할 수 있는 측정을 해야 합니다. 예를 들어, 게이지 적용으로 인한 저항 허용오차와 변형은 변형률이 적용되지 않을 때 어느 정도 초기 오프셋 전압을 생성합니다. 마찬가지로, 긴 도선은 브리지 암에 저항을 추가할 수 있으며, 이는 오프셋 에러를 추가하고 브리지 출력의 감도를 떨어뜨립니다. 정확한 변형률 측정을 위해 다음 사항이 필요한지 고려하십시오.
- 쿼터 브리지 및 반 브리지 스트레인 게이지에 필요한 회로를 완성하기 위한 브리지 완성
- 휘트스톤 브리지 회로에 대한 전원 공급
- 긴 도선으로 인한 구동 전압 오차를 보상하는 원격 감지
- 측정 분해능을 높이고 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 증폭
- 외부 고주파 노이즈 제거를 위한 필터링
- 스트레인이 적용되지 않을 때 0V를 출력하도록 브리지 균형을 맞추기 위한 오프셋 널링
- 브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 확인하기 위한 분기 교정
이러한 에러를 보정하는 방법과 변형률 측정에 대한 기타 하드웨어 고려 사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 안내서를 다운로드하십시오.
스트레인 센서를 NI 하드웨어에 연결하기
센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다.
NI는 스트레인 데이터 수집을 위해 설계되었으며 다양한 스트레인 게이지 센서와 호환되는 여러 스트레인/브리지 하드웨어를 제공합니다.
간단한 하드웨어 설정
스트레인 게이지와 권장 하드웨어의 결합
CompactDAQ Strain and Load Measurement Bundle은 스트레인/브리지 입력 모듈 번들과 CompactDAQ 섀시를 사용하여 스트레인 게이지 센서를 간편하게 연결할 수 있도록 합니다.
변형률 측정용 기타 제품
다음 제품은 스트레인 게이지와 연결될 수 있습니다. 이 제품은 또한 압력, 힘, 로드 및 토크 측정도 수행합니다. 브리지 기반 또는 기타 압력 센서를 사용한 압력 측정, 브리지 기반 센서를 사용한 로드 측정, 브리지 기반 센서를 사용한 토크 측정에 대해 자세히 알아보고 NI 제품과 함께 사용하기에 적합한 센서를 선택하십시오.
