스트레인 게이지 측정: 측정 결과에서 부적절한 온도의 영향 배제하기

본 글에서는 스트레인 게이지 사용 시 측정 결과에 영향을 미칠 수 있는 (부적절한) 온도의 영향력에 대해 소개합니다. 또한 이러한 온도의 영향력을 최소화하거나 완전히 보상할 수 있는 실용적인 해결책을 찾도록 도와드립니다.

스트레인 게이지를 이용할 때 온도 변화가 측정 결과에 바람직하지 않은 영향을 미치는 경우가 빈번합니다. 작업 분야에 적합한 “올바른” 스트레인 게이지를 선택했다면 하프/풀 브릿지와 전산 기법을 이용해 휘스톤 브릿지 회로를 사용하여 여러 가지 해결책을 찾고 바람직하지 않은 온도의 영향을 보상할 수 있습니다.

 

 

개요: 어느정도의 양이 온도를 변화시키는지, 그리고 이 경우에 사용자가 어떻게 대처해야 하는지에 대해 소개합니다.

영향을 미치는 수치

(Influence quantity)

해결 방법

재료의 팽창 자가 보상형 스트레인 게이지를 사용한다
케이블 저항 멀티 와이어 기술을 사용한다.
게이지의 온도 계수 계수가 매우 낮을 때는 아무런 조치를 취하지 않는다.
모듈러스 탄성 계수(modulus of elasticity)에 발생하는 온도 영향 동시에 온도 측정을 진행하고 있을 경우에는 전산 보상이 가능하다.
 
다음 표는 마찬가지로 온도의 영향을 받는 관련 요소입니다.

영향

가능한 해결 방법

스트레인 게이지의 자가 가열 최대 여자 전압을 측정한다.
기후/상대 습도 조심해서 측정 지점을 덮는다.
접착제 크리프(Adhesive Creep) 사용하는 접착제의 온도 한계를 측정한다.

 

 

주요 요소: 재료의 팽창과 케이블 효과

다음 두 가지 영향력을 미치는 수량에는 특별히 주의를 기울여야 합니다.

  • 재료의 팽창 ("변형")
  • 측정 케이블 저항에서 발생하는 효과

재료의 팽창("apparent strain") 시 취해야 할 조취는 무엇인가?

측정 대상이 되는 재료는 온도가 상승함에 따라 팽창합니다. 이러한 팽창은 재료의 팽창 계수로 나타납니다. 계수 값은 재료에 따라 달라집니다. 예를 들어 스틸의 경우 그 값이 약 11ppm/K로 나타나는데 이는 온도가 섭씨 영상/영하 1도씩 달라질 때마다 11 µm/m씩 팽창함을 의미합니다. 온도의 변화에 영향을 받는 재료의 팽창은 결국 변형률의 측정, 즉 부하 없는 변형을 초래합니다.

이 경우에 가능한 대응책은 자가 보상 스트레인 게이지를 사용하는 것입니다. 이러한 스트레인 게이지의 기온 특성은 특정 재료에 적용되어 변형이 보상되도록 합니다(그리고 그로 인해 측정 기구의 기온 유발 팽창이 일어납니다).

Change in volume

∆V = α •V0•∆ T

이 경우에 가능한 대응책은 자가 보상 스트레인 게이지를 사용하는 것입니다. 이러한 스트레인 게이지의 기온 특성은 특정 재료에 적용되어 변형이 보상되도록 합니다(그리고 그로 인해 측정 기구의 기온 유도 팽창이 일어납니다).

 

 

케이블 저항의 변화를 고려해 어떤 조치를 취할 수 있는가?

전도체 두 개짜리 회로를 사용할 때(다이어그램 참고) 스트레인 게이지 저항에 측정 케이블의 저항이 더해지며 결과적으로 측정이 영향을 받게 됩니다. 제로 드리프트의 발생 및 효과적 게이지 요소의 감소와 더불어, 측정 케이블의 저항 역시 온도에 의존하는 요소입니다. 이 경우 아래 설명한 대로 멀티와이어 기술을 사용하는 것이 적절한 대응책입니다.

 

 

기온 효과에 영향을 미치는 기타 수량

앞서 언급한 두 가지 주요 요소 외에도 기온 효과가 제 역할을 발휘해야 하는 기타 영향 수량이 있습니다.

그러나 이러한 효과의 합은 무시될 수 있으며 대개 전산 보상을 통해 해결할 수 있습니다(아래 전산 보상 참고).

 

 

게이지 요소의 온도 계수

게이지 요소는 스트레인 게이지의 가장 중요한 특성입니다. 게이지 요소는 변형과 저항의 변화 사이 상관관계를 설명합니다. 게이지 요소는 온도 의존적입니다. 게이지 요소 0.01 %/K의 일반적 온도 계수와 더불어 그것이 측정 결과에 가지는 왜곡 효과는 대개 상대적으로 작으며 그렇기 때문에 대부분의 경우 무시합니다. 그러나 여기서 (온도 측정의) 전산 보상이 가능합니다.

 

 

탄성 모듈러스의 온도 의존성

탄성 모듈러스는 측정 기구의 재료 의존적 특성합니다. 탄성 모듈러스는 측정의 대상인 변형과 기계적 응력 사이의 상관관계를 설명합니다. 탄성 모듈러스는 온도 의존적입니다. 이 경우에 강철의 일반적 값은 대략 -0,02%/K입니다. 실험적 응력 분석에서 탄성 모듈러스의 효과는 일반적으로 무시됩니다. 보정이 가능한 고정밀 트랜스 듀서를 사용하면 브리지의 온도 의존 니켈 요소를 통해 보상이 이루어집니다.

스트레인 게이지의 자가 가열(여자 전압)

여자 전압은 스트레인 게이지의 온도를 높입니다. 측정 기구의 열 전도율에 따라 열 전도도는 거의 측정 기구에 흡수됩니다. 만약 측정 기구가 제대로 가열하지 못할 경우 그 결과로 측정 기구와 스트레인 게이지 사이의 온도의 차이를 야기할 수 있습니다. 이는 자가 보상 스트레인 게이지의 기능을 방해할 수 있습니다.


기후 및 상대 습도

측정점이 적절하게 보호되지 않는다면 상대 습도에 따라 영점에서의 드리프트가 발생할 수 있습니다. 이는 접착제 스트레인 게이지의 캐리어 물질의 물 분자가 흡수되기 때문입니다. 이때 측정점을 유의하여 감싸는 것이 적절한 대응책이 될 수 있습니다.

접착제 크리프

온도가 상승할 때 접착제가 부드러워지며 변형률을 100% 전달할 수 없게 됩니다. 이러한 연유로 접착제는 감소하는 게이지 요소에 대응할 수 있습니다. 그렇기 때문에 접착제의 온도 한계를 늘 관찰하며 적용 범위에 맞게 적절한 접착제를 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

보상 수단

자가 보상 스트레인 게이지 사용하기

자가 보상 스트레인 게이지는 그것이 보유한 온도 특성을 통해 특정 재료의 온도 특성을 보상하고자 특별히 개발된 게이지입니다. 이는 자가 보상 스트레인 게이지가 변형에 대응함을 뜻합니다(또한 그로 인해 측정 기구의 기온 유발 팽창이 일어납니다). 따라서 측정 기구의 재료에 적합한 기온 응답을 보유한 스트레인 게이지를 선택하게 됩니다.

 

 

다음은 자가 보상 스트레인 게이지에 흔히 사용되는 재료와 그에 상응하는 온도 조절 특성입니다.

코드

재료 (예시)

α (·10-6 / °K)

1 페라이트강(Ferritic steel)  10.8
3 알루미늄(Aluminium)  23
5 오스테나이트강(Austenitic steel)  16
6 실리카/합성물(Silica / composite)  0.5
7 티타늄/회주철(Titanium / gray cast iron)  9.0
8 플라스틱(Plastic)  65
9 몰리브덴(Molybdenum)  5.4

재료에 맞춰 조정할 스트레인 게이지를 고르는 것은 변형에서 가장 좋은 부분을 보상합니다. 이때 잔류 오차가 남습니다(비선형 구성 요소). 잔류 오차는 생산 과정 동안에 생성되며 데이터 시트에 포함되어 나옵니다(그림 참고). 더 큰 폭의 기온 변화를 가지는 경우처럼 보다 폭넓은 계산을 수행하려면 전산 보상을 수행할 수도 있습니다(아래 내용 참고).

 

 

Realization of the error curve in a typical data sheet

휘스톤 브릿지 회로와 멀티와이어 회로

자가 보상 스트레인 게이지의 사용과 마찬가지로, 삼중 또는 사중 와이어 회로의 사용 외에도 하프/풀 브릿지 회로에 연결하는 것은 보상의 중요한 방법이 될 수 있습니다. 이때 보상은 케이블 저항의 효과를 최소화하거나 혹은 완전히 제거하는 데에도 특별히 효율적입니다.

휘스톤 브릿지 회로는 저항의 매우 작은 변화를 측정 가능한 전압으로 변환합니다. 네 개의 저항기는 하나의 쿼터 브릿지 회로, 두 개의 하프 브릿지 회로, 네 개의 풀 브릿지 회로 스트레인 게이지로 대체할 수 있습니다.

 

 

 

휘스톤 브릿지 회로에서 각각의 흐름이 각기 다른 신호로 흐리기 때문에 보상의 가능성이 있을 수 있습니다. 이러한 온도 보상 효과는 벤딩 빔의 예시에 기반해 입증이 가능합니다.

양부하 하에 스프링은 위쪽에서 변형(+), 아래쪽에서 압축(-)하는 경향을 띱니다. 두 개의 스트레인 게이지가 휘트스톤 브릿지 회로에 연결되어 있을 때 그 결과는 신호를 두 배로 증가시킵니다. 온도 의존적 변형이 일어나게 되면 변형은 각 스트레인 게이지에 같은 사인을 가지고 나타납니다. 그러므로 효과는 휘트스톤 브릿지 회로에서 각 게이지를 상쇄합니다.

 

 

케이블 저항의 효과는 주로 삼중 와이어 회로에 의해 개별적으로 보상될 수 있습니다. 이를 시행하기 위해서 서플라이 리드와 부가적 세 번째 리드가 휘트스톤 브릿지 회로의 각기 다른 흐름에서 시행에 착수하게 됩니다. 두 개의 케이블이 구조의 대칭에 따라 서로 반대쪽에서 작동하고 각각 상대편 케이블을 보상하기 때문에 케이블 저항은 삼중 와이어 회로에 의해 보상됩니다. 단 비대칭 케이블과 온도 기울기의 경우는 예외입니다.

모든 케이블 효과는 HBM의 특허 받은 사중 와이어 회로로도 보상할 수 있습니다.

 

 

전산 보상

자가 보상 스트레인 게이지의 잔류 오차, 미조정 또는 불량 조정된 스트레인 게이지의 오차, 기타 자잘한 오차(게이지 요소의 온도 의존도 등)에 전산 보상을 시행할 수 있습니다.

이를 시행하기 위해 온도를 평행 구조에서 측정하며 측정된 변형은 상응하는 온라인 또는 차후 계산되는 채널을 통해 바로잡습니다. 또한 온도 기울기를 고려해야 합니다. 가능할 경우, 온도를 고려해 다수의 측정점을 제공해야 합니다. HBM사의 캣맨®과 같은 소프트웨어 툴이 전산 보상에 적합한 기능을 제공합니다.

 

 

캐리어-주파수 증폭기 사용

센서 그 자체뿐만 아니라 증폭기 또한 온도의 영향을 감안할 때 중요한 역할을 합니다. 이는 특히 열전기 전압에 적용됩니다.

열전기 효과로 인해 각기 다른 재료가 연결된 곳에서 온도 의존적 전압이 생성됩니다. 이러한 효과를 사용하는 것이 열전지입니다. 그러나 이는 열전지뿐만 아니라 스트레인 게이지 측정 시스템(온도 의존적 제로 오차(제로 신호 회수))에도 영향을 미칩니다.

열전기 전압은 주로 캐리어-주파수 증폭기를 사용함으로써 보상됩니다. 이 경우에 사인곡선적 여자 전압이 생기며 이로 인해 측정 신호를 주기적 신호로 변환할 수 있습니다. 신호가 밴드 패스 필터를 지나면 디지털 방식을 통해 복조 작업을 수행하며 이로 인해 준정적 열전기 전압이 증폭기로 가는 과정 도중에 여과될 수 있습니다.

 

 

스트레인 게이지와 접착제의 온도 한계

포일 스트레인 게이지의 온도 범위는 게이지에 사용된 재료에 따라 한정됩니다. 범위가 가장 클 경우에는 대략 300°C에서 400°C사이입니다. 만약 더 높은 온도에서 측정해야 하는 경우에는 상이한 작동 원리에 따라 작동하는 고온 스트레인 게이지를 사용합니다.

다음은 각 HBM 스트레인 게이지의 온도 한계입니다.

 

  • Y series: 200°C
  • M series: 300°C
  • C series: 250°C
  • G series: 200°C
  • Pre-wired SG: 150°C

물론 사용 중인 접착제의 온도 한계를 관측하는 것이 필수적입니다. 만약 기온이 상승해 접착제가 부드러워질 경우 변형의 정확한 전송이 불가능해집니다. 그러므로 접착제의 온도 한계를 관측하는 과정이 꼭 필요합니다. 접착제는 저온 경화와 고온 경화 제품으로 나뉩니다. 이는 실온과 오븐 중 어느 곳에서의 경화가 적합한지에 따라 결정됩니다. HBM사가 제공하는 접착제의 온도 한계는 다음과 같습니다.

 

Hot curing:

  • EP310S: 310°C
  • EP150: 150°C


Cold curing:

  • Z70: 120°C
  • X60: 80°C
  • X280: 280°C

유의할 점: 스트레인 게이지의 온도 보상을 감안할 때 가장 중요한 점

측정 결과에 온도가 미치는 효과의 영향력을 최소화할 때는 영향 수량에 따라 다양한 방법을 택할 수 있습니다. 다음은 저온 영향 측정을 사용할 때 확인할 사항입니다.

  • 자가 보상 스트레인 게이지 사용
  • 삼중 또는 사중 와이어 회로의 휘트스톤 브릿지 회로 사용
  • 캐리어-주파수 증폭기를 사용해 열전기 전압 배제
  • 전산 보상 시 평행 온도 측정 작업 수행
  • 스트레인 게이지와 접착제의 온도 한계 관측

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