실험 응력 분석(Experimental stress analysis) 시의 측정 정확도 - Part 1

스트레인 게이지 기술은 폭넓은 오차 보상 기능으로 인해 업계에서 수십 년간 활용되어 왔습니다. 하지만 여전히 스트레인 게이지 측정에 영향을 미치는 요소는 존재합니다. 이번 기사에서는 실험 응력 분석에서 스트레인 게이지 사용 시 각종 오차 요인을 설명하고 설계 단계에서부터 미리 측정불확도를 예방할 수 있는 방법을 설명합니다.

사전 질문

아래 내용은 측정 테스트 엔지니어의 경험을 요약한 것으로, 실험 응력 분석에서 스트레인 게이지로 측정을 실시하기 전에 유용한 정보를 제공할 것입니다. 필수 측정항목(예: 측정점 보호) 및 그 과정에서 발생할 수 있는 측정불확도를 확인하려면 다음과 같은 질문이 수반되어야 합니다.

  • 스트레인 게이지의 수명이 얼마나 되는가?
  • 변형률이 얼마나 높은가?
  • 온도편차가 발생할 것인가? 발생한다면, 그 크기와 속도는?
  • 특수한 환경 요소(물, 습도 등)가 측정점에 영향을 미칠 것인가?
  • 스트레인 게이지가 부착될 곳의 재료는 무엇인가(비균질, 비등방성, 고흡습성 등)?
  • 필요 시 영점 재조정이 가능한가?

숙달된 테스트 엔지니어는 (최초의 스트레인 게이지 설치에 훨씬 앞서) 측정 과업을 분석할 때 미리 그 해답을 얻고자 할 것입니다. 마지막 문항의 답변에 따라 해당 측정이 영점 조정 방식(zero-point related)인지, 아니면 비영점 조정 방식(non zero-point related)인지가 결정됩니다.

 

 

영점(Zero-point) 조정 방식에 따른 측정

일반적으로 영점 조정 방식에 의한 측정은 현 측정값과 기존 측정값(수주, 수개월, 심지어 수년에 걸쳐 측정 시작 시점에 획득한 값)을 비교하는 측정으로 알려져 있습니다. 그 과정에 측정 체인의 '영점 조정'은 수행하지 않습니다. 영점 조정 방식 측정은 영점표류(온도, 기타  환경 영향에서 오는 영점의 변화)가 고스란히 측정 결과에 포함되기 때문에 비영점 조정 방식에 비해 훨씬 위험합니다.

미세한 변형량을 측정하는 경우라면 영점 오차는 상대적으로 매우 큰 측정값 편차를 유발하기 때문에 특히 더 위험합니다. 기계장치에는 높은 안전율이 '내장'되어 있으므로 기계 부품 및 구조에서 발생하는 변형은 100µm/m도 안 되는 경우가 많습니다. 이 경우 100µm/m 영점표류는 100% 측정 오차로 귀결됩니다.

구조 모니터링을 목적으로 하는 연속 측정은 거의 언제나 영점 조정 방식 측정이기 때문에 스트레인 게이지가 환경 영향을 받지 않도록 특별한 주의를 기울여야 합니다. 따라서 측정점의 장기 안정성이 반드시 필요합니다. 이때 온도편차가 클 것으로 예상되므로 반드시 온도 계수가 작아야 합니다. 치수가 큰 부품의 계측 신호가 진폭이 작을 경우, 스트레인 게이지의 잘못된 설치에서 오는 요인까지 오차에 추가될 확률이 높습니다. 전자측정장치는 저항에 조금만 변화가 있어도 그대로 반응하여 그 값이 디스플레이에 나타나게 됩니다.

이는 측정량의 변화, 또는 물분자 침투 등이 원인일 수 있습니다. 실제 측정값은 스트레인 게이지의 변형량 신호의 총합으로, 이는 필요로 하는 변형량과 불필요한 변형량을 구분하지 않습니다.

비영점(Non zero-point) 조정 방식에 따른 측정

비영점 조정 방식의 측정은 특정 시점에서 정보 손실이 전혀 없이 영점 조정이 가능한 측정으로 알려져 있습니다. 측정값에 영향을 미치는 것은 '영점 조정' 후 측정량 변동뿐입니다(오늘날 욕실 저울은 스위치를 켤 때마다 정보 유실 없이 자동으로 중량을 산정합니다). 영점표류가 아주 미미하기 때문에 단일 부하시험으로(흔히 단기 측정의 형태로) '영점 조정'이 가능한 경우가 많습니다.

파괴 검사에서는 변형이 크게 발생하는데, 이는 적절한 측정 범위의 스트레인 게이지가 요구된다는 뜻입니다. 몇 주에 걸쳐 구성요소에 설치한 스트레인 게이지가 고장이라면 이는 난처한 일이 아닐 수 없으며 비용도 많이 듭니다.

실험실이나 시험 홀에서 수행되는 측정은 보통의 주변조건(온도, 습도)이 적용되므로 비교적 덜 위험합니다.

반면, 필드나 환경 챔버와 같은 고온, 고습의 온/습도 변화에서 수행되는 측정은 위험합니다.

To be continued ...

위의 내용에 이어 곧 연재 될 Part 2 에서는 '실험 응력 분석의 측정 정확도' 에 대해 설명합니다. Coming Soon!


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