목재에 대한 스트래인 게이지 측정 포인트 특성에 대한 분석
소개
직접적으로 적요된 전기 스트레인 게이지(SG)를 사용한 목재에 대한 스트레인 측정은 과거에 많은 연구소에서 성공적으로 수행 되었습니다. 기본 관찰과 어플리케이션 사례를 [1]에서 찾을 수있습니다.
기사 [2]는 또한 신뢰성과 측정 정확도에대한 질문에 관한 것을 다룹니다. [3]에서는 SG 측정이 무아레(Moiré) 측정에서 얻은 결과와 비교합니다.
금속 컴포넌트에 관련된 SG의 표준 어플리케이션과 비교하면, 다음의 추가적인 문제가 발생합니다:
• 천연 목재 및 목재를 기본으로한 재료는, 예를 들어 합판, 균일한 구조를 가지고 있지 않습니다. 이들은 세포모양이 구조적으로 고르지 않고 또는 각각의 컴포넌트로 이루어져 있습니다. 이는 부분적인 스트레인 차이를 유발 합니다. 평균 스트레인 값이 나타나는 것이 필요하다면, SG는 반듯이, 길이와 너비가 세보 구조 및 개별 컴포넌트의 치수보다 아주 큰 곳의 활성 측정 영역으로 선택 되어야만 합니다.
• SG의 설치는, 이는 SG 케리어 와 컴포넌트 사이의 견고한 연결을 해야하고, 절대 컴포넌트의 재질 특성에 영향을 주어서는 안됩니다. 모든 표준 접착제가 투과성인 표면에 침투하여 굳어짐에 따라, 이는 목재 재료를 준비하였을 때 거의 실행 될 수 있습니다.
• 이상적으로는, SG는 컴포넌트 표면의 변형을 추적하며, 이와 상호작용을 하지는 않습니다. 이는 완전히 충족 될 수는 없습니다. 비록 금속 전도체라도, 이것이 SG의 강도에 영향을 주며, 단지 5 μm로 매우 앏고, 탄성 계수가 약 나무 보다도 20배가 된다고 해도 말입니다.
• SG의 저항 변경을 결정하기 위해서, 표준인 UB = 0.5 …5 V의 연속 브릿지 여자 전압으로 휘트스톤 브릿지 회로에서 동작합니다. SG에서 발생한 열의 작은 총합은 바닥이나 주위로 흩어져서, 금속 컴포넌트에 관련된 측정에 실제적으로 아무런 영향을 주지 않습니다. 나무는 열 전달체로서는 좋은 특서을 가지지 않는데, 이는 보정을 방해하고 측정 포인트의 열을 심각할 정도로 유발 하며, 열-기반 측정 에러를 초래합니다.
• 일반적으로, 목재 측정에 대한 자동 온도 보정은 가능하지만, 불충분 합니다. 이는 열 팽창 계수가 천연 목재에서의 방향과 습기에 따라 달라지기 때문입니다. 또한, 열을 가하는 동안, 양의(positive) 온도 팽창의 과정은 수축으로 인한 음의(negative) 스트레인에 의해 영향을 받습니다.
실험에 의한 조사
시험 설정
시험 기기가 목재의 SG 측정 포인트의 특성을 조사하기 위해 설치 되었는데, 여기에 4개 포인트의 휨 스트레스가, 다양한 형태의 목재로 만든 빔(beam)의 휘어지는 것에 적용 될 수 있습니다 (그림 1). 빔의 중간 부부에 한 영역이 생성 되는 데, 여기서 측면 방향 힘이 사라지고 오직 휨 모멘트만 발생합니다 (그림 2). 이 중간 영역에서의 휨 라인은 원호 모양 입니다. 그래서, 기준 스트레인은 3개의 측정 포인트의 편향의 차이에서 결정될 수 있습니다. 부하는 나사 스핀들에 의해 적용 되는데, 여기에서 스핀들은 상위 브릿지를 이용하여 움직입니다. 전체 힘 P는 여기에서 빔에 작용하는 두개의 부분적인 힘 P/2으로 나뉘게 됩니다.
그림. 1: 4개의 휨 포인트를 시험하는 장치의 레이아웃
그림. 2: 측면 방향 힘 및 휨 모멘트 커브
그림. 3: 데이터 수집 및 한계 값 모니터링을 위한 사용자 인터페이스(catman®Easy)
시험 레이아웃은 전체 힘, 편향 및 온도를 기록하기 위해 다음의 트랜스두서로 구성 되는데, 기계 변수에 맞는 HBM 트랜스두서를 사용합니다.
• 힘 트랜스두서 한 개 (U2B - 10 kN)
• 변위3 개 (WA-T, 측정 범위 0 … 20 mm)
• 온도 센서 한 개 (Pt100)
조사에 사용되는 모든 트랜스두서 및 전기 스트레인 게이지들은 HBM Spider 8 증폭기 시스템에 연결 되었습니다. 측정 설정 및 측정은 HBM의catman®Easy 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 실행 하였습니다.
이러한 연구에 맞게 특별히 개발된 사용자 인터페이스는 그림3에서 볼 수 있습니다. 모든 측정되고 계산된 변수(힘, 편향, 온도, 스트레인)는 이 인터페이를 이용하여 관찰 되고 쉽게 기록 됩니다. 추가로, 세개의 측정 변수 – 빔 중안의 편향, 힘 및 스트레인 값 – 는 시험 시료에 과부하를 피하기 위해 또는 과도한 스트레인으로 인한 SG에 손상을 주지 않기 위해 감시 됩니다.
시험 시료 및 SG 준비
시험 시료는 3개의 다른 목재 형태에서 가져 왔으며 – 오크, 너도 밤나무 및 전나무 – 정밀하게 길이는 300 mm이고 정 횡단면적은 20 x 20 mm입니다.
섬유 조직은 시험 재료의 방향을 따릅니다. 시험의 시작에서, 모든 샘플은 같은 습도 와 온도 조건을 가집니다.
측정 그리드 길이 6, 10, 20 및 50 mm를 가진 스트레인 게이지는, 초강력 접착제 X60을 이용하여, 각각의 시험 시료의 중앙에 정밀하게 적용 됩니다. SG는 반-브릿지 구성에서 증폭기에 연결 되는데, 하나의 SG가 온도 보정을 위한 더미(dummy)로 동작합니다.
이 SG는, 기계적 부하가 가해지지 않은 시험 기기 앞에 위치한 동일 시험 시료에 적용됩니다.
기준 스트래인을 결정하기
기준 스트레인은 3개의 포인트에서 측정된 편향에 기반하여 결정됩니다. 베어링의 영향을 최소화 하기 위해, 측정 포인트는 반듯이 영역 중간에 위치해야 하며, 힘 어플리케이션 포인트에서 특정 거리를 유지해야 합니다. 가장자리의 섬유 조직의 스트레인은 만곡의 기하학적 관측을 통해 결과를 알 수 있습니다. 만약 뉴트럴 섬유조직(neutral fiber)의 만곡이 관찰 된다면, 이것으로 조건적인 항등식 (1)을 만들수 있습니다.
그림. 4: 길이가 다른 SG를 사용한 목재 시료
여기서 d는 측정 포인트 사이의 거리이고, s는 중간 과 측면 트랜스두서 사이의 편향의 차이 이고, H는 빔(beam) 단면의 높이 입니다.
외부 섬유 조직(fiber)의 만곡(curvature)이 관찰 될 때 유사한 관계가 발생하는데, 이는 이러한 경우가 실험적 레이아웃에 근접해야 하는 것입니다.
작은 변형에서 두 공식 사이의 차이는 실제로 거의 없습니다. 결정된 스트레인 장치는 서로에게서 0.2% 이하로 벗어 납니다. 뉴트럴 섬유조직(neutral fiber)이 단면의 절반 높이에서 위치한다는 것을 예상 할 수 있습니다.
시험 프로그램 및 결과
사전 시험에서, 항등식 (1) 및 (2)의 정확도는, 이는 만곡의 계산을 기초로 한 것으로, 휨 라인에서 구한 결과 및, 측정 값에 따라 빔의 중간에 단지 편향 f를 요구하는, 또 다른 계산 항등식과 비교 합니다.
이들 결과는 그림5에서 볼 수 있으며, 항등식(3)에서와 같이 순수 휨 측정에서 결정된 스트레인 값이 매우 높다는 것을 보여 줍니다. 이는 편향이 힘이 적용되는 포인트에서 피할 수 없는 영향이라는 것을 설명할 수 있는데, 이는 매우 높은 스트레인을 시물레이션 한 것입니다. 그래서, 모든 다음의 측정은 항등식(2)를 사용하여 계산 됩니다.
측정된 스트레인의 여자 전압의 영향이 또한 조사 되었습니다. 이들 결과는 그림6에서 주어져 있습니다. 브릿지 여자 전압의 영향은, 그러나, 매우 낮아서 그래프에서는 보기가 매우 어렵습니다.
그림. 5: 등식 2, 3 및 SG 측정에 기촨 스트레인 기울기
그림. 6: 브릿지 여기 전압UB에 의존하는 스트레인 기울기
SG의 열이 중요한 역할을 할 것이라는 생각이 들었습니다. 이들 온도 센서를 시험하는 것이 SG에 적용 되었습니다.
그림7은 SG에서의 온도 증가를 보여 주는데, 이는 실내 온도에서 시작 됩니다. 그러나, 온도의 증가는 매우 낮은 편입니다. 비록 측정된 스트레인에 대한 영향이 고려 되었다고 하더라도, 결과 에러는 매우 작아서, 브릿지의 4분의 1만 사용할 때에도, 무시 할 수 있습니다. 이들 시험에서, 반-브릿지 (활성 SG 및 더미)의 SG 둘 다에서 온도 증가가 발생하고, 사실상 거의 ‘0’ 인 에러를 유발 한다는 것을 추측 할 수 있습니다.
다수의 측정이 SG 길이의 영향을 조사하기 위해 수행 되었습니다. 오크로 만든 시험 시료가 SG 길이 6 mm, 10 mm, 20 mm 및 50 mm를 사용하여 조사 되었습니다. 이들 결과의 계산에 따라, 다른 목재 형태는 오직 10mm 길이의 SG를 사용하여 시험 하였습니다.
그림8 에서 12까지 결과의 사례를 보여 줍니다.
그림. 7: 상이한 여자 전압으로 SG에서 온도 증가
그림. 8: 오크에 대한 하중-스트레인 커브, SG 길이 6 mm
그림. 9: 오크에 대한 하중-스트레인 커브, SG 길이 10 mm
그림. 10: 오크에 대한 하중-스트레인 커브, SG 길이 50 mm
그림. 11: 너도 밤나무에 대한 하중-스트레인 커브, SG 길이 10 mm
그림. 12: 전나무에 대한 하중-스트레인 커브, SG 길이 10 mm
수치 모사 실험
실험 결과는 스트레인 게이지로 측정한 스트레인이 일반적으로 기준 스트레인보다 적다는 것을 보여 줍니다. 한가지 원인을 SG 시스템 접착제의 경화되는 영향에서 찾을 수 있습니다. 이러한 이유에서, 보조적인 FEM 시물레이션이 시행 되었습니다. 사용된 이 모델은 목제 시험 시료, X60의 접착 층 및 스트레인 게이지를 포함합니다. 각각의 컴포넌트의 탄성 특성은 실제 구조 및 결정된 E-계수에 의해 표현 됩니다.
• X60 접착제의 층: d = 0.1 mm, E = 3500 N/mm2
• 스트레인 게이지: d = 0.075 mm, E = 6800 N/mm2
그림. 13: 세로 방향에서의 FE 시물레이션 및 스트레인
그림. 14: 가로 방향에서의 FE 시물레이션 및 스트레인 (그림13에서의 단면)
빔을 따라 그리고 SG에서의 가로 방향 스트레인 분산은 그림 13 과 14에서 볼 수 있습니다. 그림 15와 16은 트렉에서의 가로 방향 스트레인을 보여 주는데, 이는 상이한 그리드 길이를 가진 SG에 대한 스트레인 게이지에 가로방향으로 걸쳐있습니다. 이는, SG에서의 스트레인 값이, 휘어진 빔의 측면 섬유 조직에서의 스트레인보다 약 2% 낮다는 것을 명확히 보여줍니다.
평가 및 결론
이 조사의 목적은 목재의 SG 측정 포인트 특성의 분석 이였습니다. 상이한 영향, 예를 들어, 온도 증가, 브릿지 여자 전압 및 SG 길이 들이 제각기 조사 되었습니다. FE 시물레이션이, 여기에서 목재 빔, 접착제, 및 SG가 모델이 되었는데, 분석을 완료 하였습니다. 이는, 결과에 대해 부분적인 강화의 영향을 결정하고 실험에의한 발견을 설명 하려는 시도였습니다. 인장력 과 수축력 (E-계수)에 관련한 목재의 상이한 특성때문에, 휘어진 빔의 위-아래 섬유 조직의 측정된 스트레인 값은 같지 않았습니다.
압력 측면 방향으로 뉴트럴 섬유조직이 보기에는 이동 합니다. 외부 섬유조직들 사이의 스트레인 차이는 증가하는 데, SG 길이는 줄어 듭니다.
그림. 15: SG (그리드 길이6 mm)에 걸친 FE 시물레이션 및 세로 방향 스트레인
그림. 16: SG (그리드 길이10 mm)에 걸친 FE 시물레이션 및 세로 방향 스트레인
모든 측정은 실제 스트레인 값보다 적은 값을 보여 줍니다. 이는 낮은 E-계수의 재료레 장착된 SG에 의해 발생한 부분적인 강화에 의한 영향 때문 입니다. SG의 교정을 다시 하는 것이 바른 측정을 위해 필요합니다. SG의 실제 게이지 (k) 팩터*는, 금속 물질에 대해 제작사가 제공한 (k) 팩터에서 벗어 나는 데, 이러한 목적으로 결정 됩니다. 이들 (k) 팩터*는 다양하게 조사된 SG 및 목재 형태에 맞게 표1에서 제공 됩니다
표. 1: 목재에 설치 됬을 때, SG의 실험적으로 결정된 게이지 (k) 요소
이들 값은 압력과 인장에 대한 SG에 적용된 값의 평균값을 의미 합니다. 이는 k*가 SG 길이 및 목재의 E-계수에 종속적이라는 것을 보여 줍니다.
E-계수는 조사한 값의 계산을 하는 동안에, 조사된 목재 형태에 대해 계산 됩니다. 이들 값은 표2에서 볼 수 있는데, 다양한 참조([4] – [8])의 데이터와 비교 할 수 있습니다.
표. 2: 관련 자료에서 얻은 값과 비교한 측정된 E- 계수
참조
[1] F.-W. Bröker: Dehnungsmessungen an Holz mit direkt applizierten DMS, Messtechnische Briefe 21 (1985) Issue 1, Pages 18-23
[2] R. J. Beer; M. Vanek; H. D. Walden: Zuverlässigkeit einer DMS-Messstelle auf Holz, Kurzzeitstabilität-Langzeitverhalten, Holzforschung und Holzverwertung (Austria) 1990, 42(3) Pages 48-51
[3] P. Niemz, J. Schreiber, J. Naumann, M. Stockmann. Experimentelle Ermittlung der Dehnungen im Probenquerschnitt bei Biegebelastung von Holzpartikelwerkstoffen, Holz Roh Werkst, 65, pp. 459–468, 2007.
[4] DIN ; DIN 4076 Part 1, October 1985 / DIN 68364, November 1979; Beuth-Verlag
[5] Vorreiter, L.; Holztechnologisches Handbuch; Volume 1; Verlag Georg Fromme & Co.; Vienna 1949
[6] Sell, J.; Eigenschaften und Kenngrößen von Holzarten; 3. Edition; (collection of older sources); Baufachverlag AG; Zurich 1989
[7] Wagenführ, R., Scheiber, C. ; Holzatlas ; 3. Edition; VEB Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig, 1989
