전도성 금속 스트립을 늘리면 더 얇고 길어지는데, 이 두 가지 변화로 인해 끝에서 끝까지 전기 저항이 증가합니다. 반대로 전도성 금속 스트립에 압축력(좌굴 없이)을 가하면 넓어지고 짧아집니다. 이러한 응력이 금속 스트립의 탄성 한계 내에 유지되면(스트립이 영구적으로 변형되지 않도록) 스트립을 물리적 힘의 측정 요소로 사용할 수 있으며, 적용된 힘의 양은 저항을 측정하여 유추할 수 있습니다.
스트레인 게이지란?
이러한 장치를 스트레인 게이지 라고 합니다 . 스트레인 게이지는 기계 공학 연구 및 개발에서 기계에서 발생하는 응력을 측정하는 데 자주 사용됩니다. 항공기 구성 요소 테스트는 응용 분야 중 하나이며, 작은 스트레인 게이지 스트립을 구조적 구성원, 연결 장치 및 기타 중요한 기체 구성 요소에 접착하여 응력을 측정합니다. 대부분의 스트레인 게이지는 우표보다 작으며 다음과 같이 보입니다.
스트레인 게이지의 도체는 매우 얇습니다.둥근 와이어로 만든 경우 직경이 약 1/1000인치입니다.또는 스트레인 게이지 도체는 캐리어라고 하는 비전도성 기판 재료에 증착된 금속 필름의 얇은 스트립일 수 있습니다 . 후자의 형태의 스트레인 게이지는 이전 그림에 나와 있습니다."본딩 게이지"라는 이름은 응력을 받는 더 큰 구조물( 테스트 시편 이라고 함)에 접착된 스트레인 게이지에 주어집니다 .스트레인 게이지를 테스트 시편에 접합하는 작업은 매우 간단해 보일 수 있지만 그렇지 않습니다."게이징"은 그 자체로 기술이며 정확하고 안정적인 스트레인 측정을 얻는 데 절대적으로 필수적입니다.두 개의 기계적 지점 사이에 늘어진 장착되지 않은 게이지 와이어를 사용하여 장력을 측정하는 것도 가능하지만 이 기술에는 한계가 있습니다.
스트레인 게이지 저항
일반적인 스트레인 게이지 저항 범위는 30Ω에서 3kΩ(무응력)입니다. 이 저항은 게이지 재료와 시험편의 탄성 한계에 의해 부과된 제한을 감안할 때 게이지의 전체 힘 범위에 대해 퍼센트의 일부만 변할 수 있습니다. 더 큰 저항 변화를 유도할 만큼 큰 힘은 시험편 및/또는 게이지 도체 자체를 영구적으로 변형시켜 게이지를 측정 장치로 망가뜨릴 것입니다. 따라서 스트레인 게이지를 실용적인 도구로 사용하려면 매우 작은 저항 변화를 높은 정확도로 측정해야 합니다.
브리지 측정 회로
이처럼 까다로운 정밀도에는 브리지 측정 회로가 필요합니다. 이전 장에서 널 밸런스 검출기와 인간 작업자를 사용하여 균형 상태를 유지하는 휘트스톤 브리지와 달리, 스트레인 게이지 브리지 회로는 측정된 스트레인을 불균형 의 정도로 표시 하고 브리지 중앙에 정밀 전압계를 사용하여 불균형을 정확하게 측정합니다.
일반적으로 브리지의 가변저항 암( 도표의 R 2 )은 힘이 가해지지 않을 때 스트레인 게이지 저항과 같은 값으로 설정됩니다.브리지의 두 비율 암(R 1 과 R 3 )은 서로 동일하게 설정됩니다.따라서 스트레인 게이지에 힘이 가해지지 않을 때 브리지는 대칭적으로 균형을 이루고 전압계는 스트레인 게이지에 가해지는 힘이 0임을 나타내는 0볼트를 표시합니다.스트레인 게이지가 압축되거나 긴장되면 저항이 각각 감소하거나 증가하여 브리지의 균형을 깨고 전압계에 표시가 생성됩니다.측정된 변수(기계적 힘)에 따라 저항이 변경되는 브리지의 단일 요소가 있는 이러한 배열을 쿼터 브리지 회로라고 합니다.
스트레인 게이지와 브리지 회로의 다른 세 저항 사이의 거리가 상당할 수 있으므로 와이어 저항은 회로 작동에 상당한 영향을 미칩니다. 와이어 저항의 효과를 설명하기 위해 동일한 회로도를 보여드리겠지만, 와이어를 나타내기 위해 스트레인 게이지와 직렬로 두 개의 저항 기호를 추가합니다.
와이어 저항
스트레인 게이지의 저항(R 게이지 )은 측정되는 유일한 저항이 아닙니다. 와이어 저항 R 와이어1 과 R 와이어2 는 R 게이지 와 직렬로 연결되어 브리지의 리오스타트 암 하단의 저항에도 기여하고 결과적으로 전압계의 표시에 기여합니다. 물론, 이것은 게이지의 물리적 스트레인으로 미터에 의해 잘못 해석될 것입니다.
이 구성에서는 이 효과를 완전히 제거할 수는 없지만 전압계의 오른쪽을 스트레인 게이지의 위쪽 와이어에 직접 연결하는 세 번째 와이어를 추가하면 최소화할 수 있습니다.
세 번째 와이어는 실질적으로 전류를 흐르지 않기 때문에(전압계의 매우 높은 내부 저항으로 인해) 저항은 상당한 양의 전압을 떨어뜨리지 않습니다. 전압계가 스트레인 게이지의 상단 단자에 직접 연결되면서 상단 와이어(R wire1 ) 의 저항이 "우회"되어 하단 와이어의 저항(R wire2 )만 게이지와 직렬로 스트레이 저항을 기여하는 방식에 주목하세요. 물론 완벽한 해결책은 아니지만 마지막 회로보다 두 배는 좋습니다!
그러나 방금 설명한 방법보다 훨씬 더 효과적으로 와이어 저항 오차를 줄일 수 있는 방법이 있으며, 온도로 인해 발생하는 또 다른 종류의 측정 오차도 완화하는 데 도움이 됩니다.
온도에 따른 저항 변화
스트레인 게이지의 불행한 특성은 온도 변화에 따른 저항 변화입니다. 이는 모든 도체에 공통적인 특성이며, 일부는 다른 도체보다 더 공통적입니다. 따라서 표시된 대로(게이지와 브리지를 연결하는 2개 또는 3개의 와이어가 있는) 쿼터 브리지 회로는 스트레인 표시기인 것만큼 온도계로 작동합니다. 스트레인을 측정하는 것만을 원한다면 이는 좋지 않습니다. 그러나 R 2 대신 "더미" 스트레인 게이지를 사용하여 온도가 변할 때 리오스타트 암의 두 요소 가 동일한 비율로 저항을 변경하여 온도 변화의 효과를 상쇄함으로써 이 문제를 극복할 수 있습니다.
저항기 R1 과 R3 은 동일한 저항 값을 가지고 있으며, 스트레인 게이지는 서로 동일합니다. 힘이 가해지지 않은 경우 브리지는 완벽하게 균형 잡힌 상태여야 하며 전압계는 0볼트를 기록해야 합니다. 두 게이지는 동일한 시험편에 접합되지만, 하나만 물리적 변형에 노출되도록 위치와 방향에 배치됩니다(활성 게이지 ). 다른 게이지는 모든 기계적 응력으로부터 분리되어 있으며 단순히 온도 보상 장치로 작동합니다( 더미 게이지). 온도가 변하면 두 게이지 저항이 동일한 백분율로 변하고 브리지의 균형 상태는 영향을 받지 않습니다. 시험편에 물리적 힘이 가해져서 생성된 차동 저항(두 스트레인 게이지 사이의 저항 차이)만이 브리지의 균형을 변경할 수 있습니다.
와이어 저항은 이전만큼 회로의 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 왜냐하면 두 스트레인 게이지를 브리지에 연결하는 와이어의 길이가 거의 같기 때문입니다. 따라서 브리지의 리오스타트 암의 상단 및 하단 섹션은 거의 같은 양의 스트레이 저항을 포함하고 있으며 그 효과는 상쇄되는 경향이 있습니다.
쿼터 브리지 및 하프 브리지 회로
이제 브리지 회로에 스트레인 게이지가 두 개 있지만 기계적 변형에 반응하는 것은 하나뿐이므로 이 배열을 여전히 쿼터 브리지 라고 합니다 . 그러나 위쪽 스트레인 게이지를 가져와 아래쪽 게이지와 반대 힘에 노출되도록 배치하면(즉, 위쪽 게이지가 압축되면 아래쪽 게이지가 늘어나고 그 반대의 경우도 마찬가지) 두 게이지 모두 변형에 반응하고 브리지는 적용된 힘에 더 잘 반응합니다. 이러한 활용을 하프 브리지 라고 합니다 . 두 스트레인 게이지 모두 온도 변화에 따라 동일한 비율로 저항을 증가시키거나 감소시키므로 온도 변화의 영향은 취소되고 회로는 최소한의 온도 유도 측정 오류를 겪게 됩니다.
한 쌍의 스트레인 게이지를 시험편에 접합하여 이러한 효과를 낼 수 있는 방법의 예는 다음과 같습니다.
시험편에 힘이 가해지지 않으면 두 스트레인 게이지 모두 저항이 동일하고 브리지 회로는 균형을 이룹니다. 그러나 시험편의 자유단에 하향 힘이 가해지면 아래로 구부러져 게이지 #1이 늘어나고 게이지 #2가 동시에 압축됩니다.
풀 브리지 회로
이러한 보완적인 스트레인 게이지 쌍을 시험편에 접합할 수 있는 응용 분야에서는 브리지의 네 가지 요소를 모두 "활성화"하여 더 큰 감도를 얻는 것이 유리할 수 있습니다. 이를 풀 브리지 회로라고 합니다.
하프 브리지와 풀 브리지 구성은 모두 쿼터 브리지 회로보다 더 높은 감도를 제공하지만, 종종 스트레인 게이지의 보완 쌍을 시험편에 접합할 수 없습니다. 따라서 쿼터 브리지 회로는 스트레인 측정 시스템에서 자주 사용됩니다.
가능하다면 풀 브리지 구성을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 이는 다른 구성보다 민감할 뿐만 아니라 다른 구성은 선형적이지 않은 반면 풀 브리지 구성은 선형 적이기 때문입니다. 쿼터 브리지 및 하프 브리지 회로는 적용된 스트레인 게이지 힘에 대략 비례하는 출력(불균형) 신호를 제공합니다. 이러한 브리지 회로의 선형성 또는 비례성은 적용된 힘으로 인한 저항 변화량이 게이지의 공칭 저항에 비해 매우 작을 때 가장 좋습니다. 그러나 풀 브리지의 경우 출력 전압은 적용된 힘에 직접 비례하며 근사치는 없습니다(적용된 힘으로 인한 저항 변화가 4개의 스트레인 게이지 모두에서 동일하다는 전제 하에!).
완벽한 평형 상태에서 측정을 제공하고 따라서 소스 전압과 관계없이 작동하는 휘트스톤 및 켈빈 브리지와 달리 이와 같은 불균형 브리지에서는 소스(또는 "여기") 전압의 양이 중요합니다. 따라서 스트레인 게이지 브리지는 힘의 단위 측정당 여기 볼트당 생성된 불균형의 밀리볼트로 평가됩니다 . 산업 환경 에서 힘을 측정하는 데 사용되는 유형의 스트레인 게이지의 일반적인 예는 1000파운드에서 15mV/V입니다. 즉, 정확히 1000파운드의 가해진 힘(압축 또는 인장)에서 브리지는 여기 전압의 모든 볼트당 15밀리볼트씩 불균형이 됩니다. 다시 말하지만, 이러한 수치는 브리지 회로가 완전 활성(브리지의 각 암에 하나씩, 총 4개의 활성 스트레인 게이지)인 경우 정확하지만, 하프 브리지 및 쿼터 브리지 배열의 경우에만 대략적입니다.
스트레인 게이지는 스트레인 게이지 요소와 브리지 저항기가 하나의 하우징에 들어 있는 완전한 단위로 구매할 수 있으며, 요소로부터 보호하기 위해 밀봉 및 캡슐화되고 기계나 구조물에 부착하기 위한 기계적 고정 지점이 장착되어 있습니다. 이러한 패키지를 일반적으로 로드 셀 이라고 합니다 .
이 장에서 다루는 다른 많은 주제와 마찬가지로 스트레인 게이지 시스템은 매우 복잡해질 수 있으며, 스트레인 게이지에 대한 전체적인 논문은 이 책의 범위를 벗어납니다.
검토:
- 스트레인 게이지는 탄성 한계 내에서 늘어나거나 압축될 때 저항을 변화시켜 기계적 하중을 측정하도록 설계된 얇은 금속 조각입니다.
- 스트레인 게이지 저항 변화는 일반적으로 브리지 회로에서 측정되어 작은 저항 변화를 정확하게 측정하고 온도로 인한 저항 변화를 보상합니다.