현대 세계에서 센서는 극도로 중요합니다. 센서는 테스팅, 데이터 수집, 자동화 같은 다양한 분야의 작동에서, 또한 품질 보증을 위해 서로 다른 양을 계측하는데 사용됩니다. 이것은 시장이 빠르게 확장되고 있으며(1) 서로 다른 다양한 픽업(pick-up) 원리가 점차 활용되고 있다는 것을 의미합니다.


더 광범위한 선별 기술 방향으로 나아가는 이러한 변천 동향은 새롭게 출현하는 방법에 맞춰 향상된 열정으로 이어질 수 있으며 구축된 기술에 수 년 넘게 구축된 거대한 경험을 통한 상당한 장점이 있을 수 있다는 가능성을 고려해 볼만 합니다.

예를 들어, 포일 유형(Foil-type)의 스트레인 게이지는 전환(turning)을 향상시키도록 기술적 진전을 통해 증대되었던 잘 구축된 과학적 원리(2)(3)에 기초하고 있습니다. 또한, 포일-유형 스트레인 게이지는 개별 및 단일 솔루션에서조차 비용이 매우 낮을 뿐만 아니라 설치 및 활용하기가 간단합니다. 포일-유형 스트레인 게이지의 장점은 단점보다 더 많습니다.

포일-유형(foil-type)스트레인 게이지로 계측

금속 포일-유형 스트레인 게이지는 힘, 토크 및 압력 계측에 있어 픽업 원리로서 광범위하게 사용됩니다. 로드 셀, 토크 트랜스듀서 및 초고압 트랜스듀서를 포함하여 방대한 대다수의 포스 트랜스듀서는 이러한 디자인에 기초하고 있으며 다양한 계측체에서 활용 가능합니다.


모든 포일-유형 스트레인 게이지는 공통 원리에 기초하고 있습니다. 즉, 기계적 변화를 전기적 신호로 전환하는데 양(+) 또는 음(-)의 압력을 활용합니다. 역학량(mechanical quantity)이 스프링체(spring body)의 표현에 압력을 초래하는 트랜스듀서로 도입된 휘스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge circuit)을 활용하여 이를 달성합니다. 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지 회로에 연결된 최소 4개의 스트레인 게이지(양의 압력 하에 2개 및 음의 압력 하에 2개)가 있는 높은 압력의 포텐셜 영역(potential area)에 놓여 있습니다.

그림 1. 스트레인 게이지가 쉽게 변형을 계측할 수 있게 만들어 주는 전압 출력을 내는 휘트스톤 브리지 회로에 연결됩니다.

출력 신호가 전압 공급과 출력 전압 사이의 비율로서 제시되었습니다. 다음과 같이 계산됩니다:

포일-유형 스트레인 게이지 트랜스듀서는 좋은 대역폭을 보유하고 있기 때문에 역학량을 결정하는데 있어 가장 정확합니다. 따라서, 역학량의 변동사항을 빠르게 계측하는 동안에 불확실성을 가장 낮출 수 있는 면에 있어서는 최고의 선택입니다. 스트레인 게이지는 압력 신호(4)(5)(6)를 재생하기에 충분히 큰 상태로 남아 있는 동안 높은 강성을 보장하여 가능한 작도록 설계되었습니다.


스트레인 게이지 작동의 원리는 계측 업무에서 완전한 집중을 유지할 수 있다는 것을 의미하여 잘 구축되어 있습니다. 포일-유형의 스트레인 게이지는 디자인 기하학을 반드시 증가시키지 않고 높은 공칭 부하에 맞게 제작될 수 있습니다. 이 덕분에 포일-유형 스트레인 게이지는 보완적인 픽업 원리가 필요 없이 더 높은 공칭 부하에 맞닥뜨릴 가능성이 있는 곳을 포함하여 대부분에 계측 업무에서 효과적으로 기능할 수 있습니다.


이것은 고용량의 포스 트랜스듀서 같은 초고압 트랜스듀서의 디자인이 매우 컴팩트한 디자인이 될 수 있다는 것을 보장합니다(7).


다른 어플리케이션에서, 예를 들어 정수압(hydrostatic pressure)을 계측하는 압력 트랜스듀서에는 다른 역학량의 경우보다 더 많은 픽업 선택이 있습니다. 이 시장의 가장 큰 부분에 대한 이유가 되는 저압 어플리케이션은 특히 몇몇 바의 저압을 계측하는 경우에 대체로 용량성 또는 압전 저항 MEMS 솔루션을 활용합니다.


최근 몇 년 동안에 더 새로워진 디자인으로 일부 진전이 있었지만 과부하 저항은 용량성 또는 압전 저항 MEMS 솔루션을 효과적으로 배제하는 고압을 계측하는 경우에 특히 중요합니다.

그림 2는 서로 다른 많은 관점에서 압력 계측에 있어 서로 다른 유형의 스트레인 게이지 기술과 그 적합성을 비교합니다. 
 

그림 2: 서로 다른 압력 계측 기술의 비교(8

이 표를 조사한 결과에서는 스트레인 게이지 기반의 초고압 트랜스듀서를 매우 높은 정확도와 장기간의 안정성이 필요한 곳에서 계측하는 경우에 주로 선택하게 된다는 사실을 보여주고 있습니다. 이것은 특히 서로 다른 주에서 다양한 국립 계측 기관의 결과를 비교할 때 관련성이 있습니다(9).


다른 모든 계측 가능한 양에 대해 서로 다른 원리의 유사한 분석에 착수하는 것이 가능합니다. 선택된 픽업 원리가 조사 중인 프로세스 또는 현상에 중요한 인터페이스이기 때문에 이것은 특정 계측 업무에 맞게 최적화된 계측 체인을 설계하려 할 때 착수된 최선의 인터페이스입니다.

결론

스트레인 게이지 트랜스 듀서는 신뢰성과 정확성,안정성과 빠른 계측에 적합한 좋은 선택폭을 제공합니다. 수동 저항 네트워크는 트랜드듀서 제조에있는 대부분의 나머지 오류를 조정할 수 있습니다. 스트레인 기반 트랜스 듀서는 대용량 뿐만 아니라 개별적인 하나의 작업, 특히 고정밀 측정을위한 최선의 선택이 될 것입니다. 정확도의 높은 수준은 국내 및 국제 수준 (10) (11) (12)에 기계적 계측을 용이하게합니다.

더 많은 응용 프로그램에서 포일(Foil-type)타입 기반 스트레인 게이지부터 트럭 저울에 이르기까지 모든 유형의 로드셀과 같은 핵심 시장에서 스트레인게이지의 사용은 중요합니다.

스트레인 게이지의의 중요성은 산업 발전에 상당한 기여를 제공합니다.

References

[1] Survey “World Emerging Sensors Markets”, Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 Mar 2011, U.S.A.

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” Patent application no. 2322319 to the United States Patent Office; 16. Sept. 1939, approved 22. June1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” Publisher Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Germany

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle“, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” Proceedings of “Eurosensors 2008”, Dresden, Germany, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” Proceedings of "Sensor+Test" Conference, Nurnberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges”, XVII IMEKO World Congress 2003, Metrology in the 3rd Millennium, Dubrovnik, Croatia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa”, The Asia-Pacific Metrology Programme (APMP) and the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) 1000 MPa , Hydraulic pressure inter-laboratory comparation, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” IEEE I2MTC Conference, Mai 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Examples and proposed solutions regarding the growing importance of calibration of high nominal forces IMEKO 2010 TC3, TC5 and TC22 Conferences, November 22-25, 2010, Pattaya, Chonburi, Thailand

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China”, Mechanics and Acoustics Division, National Institute of Metrology, Beijing, P. R. China, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit”, “APMF 2000”, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, pp. 204, Tsukuba, Japan, 2000

Strain gauges from HBM

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