스트레인게이지의 작동 원리

스트레인게이지의 구조

스트레인 게이지 가 포일(Foil)과 전기 전도체(Electrical conductor)로 구성된 이유가 무엇일까요?

표준 모델을 사용하여 제작하는 공정을 생각하면 스트레인 게이지의 구조를 이해하기가 쉽습니다. 폴리이미드 포일이 바탕을 이룹니다. 그 위에 콘스탄탄(Constantan) 층이 붙어 있습니다. 콘스탄탄은 전기 전도체로서 캐리어 포일에 영구적으로 연결됩니다.

측정 그리드는 여러 개의 "박판(Webs)"이 구불구불한 코일 모양으로 배열되어 있습니다. 

스트레인 게이지의 구조

그렇다면 스트레인 게이지가 특별한 이유는 무엇일까요?

HBM 제품 관리부의 Jens Boersch는 다음과 같이 스트레인 게이지의 작동 방식을 설명합니다

"우리는 대개 스트레인 게이지에 주목하지 않지만 드러나지 않는 모든 곳에 있습니다"

작동 방법

제품 관리자인 Jens Boersch는 "스트레인 게이지는 변형을 측정하는데, 실제로 우리의 관심은 기계적 응력에 있습니다"라고 설명합니다. 기계적 응력이란 재료 안팎으로 가해지는 힘의 정도를 말하는 것입니다. 여기서 중요한 요소는 재료에서 힘이 작용하는 지점과 힘의 강도입니다. 이에 관한 연구는 실험 응력 분석이라고 하는 응용 분야에 속합니다.

 

 

Strain gauge working principle
스트레인 게이지가 수축 되면 전기 저항(Ω) 도 감소하며 인장되면 전기 저항도 함께 증가합니다.

일반적으로 스트레인 게이지는 재료에 부착되어 그리드와 연결된 케이블을 통해 측정 앰프에 연결됩니다. 스트레인 게이지가 늘어나거나 압축될 경우 측정 그리드의 전기 저항이 변합니다. 그 이유는 측정 그리드가 확장되면 전류의 이동 거리가 길어지고 전류가 통과하는 전도체도 얇아져 저항이 증가하기 때문입니다. 이러한 저항 변화로 SG의 변형을 측정할 수 있습니다. 변형은 µm/m로 표현합니다. 그런데 변형은 압축도 의미하는데, 이것을 다른 말로 음의 변형이라고 합니다. 이 경우에는 저항이 감소합니다. 그렇지만 변형은 기계적 응력이 아닙니다. 이것을 이해하기 위해서는 우선 다음 두 가지를 고려해야 합니다.

 

 재료의 온도 계수 α

주변 온도가 변하면 재료도 변합니다. 이 변화를 온도 계수 α로 나타냅니다. 예: 스틸 실린더에 열을 가하면 팽창하는데, 이 실린더에 접착된 SG도 함께 팽창합니다. Boersch는 "이 온도 의존성 재료의 변형은 우리의 측정 대상이 아닙니다"라고 말합니다. 이 효과를 보상하기 위해 스트레인 게이지를 특정 재료에 맞게 조정하여 정확히 반대 되는 온도 거동을 보이도록 개발했습니다. 결국 두 효과가 서로 상쇄하며 재료 변형을 보상하기 때문에 스트레인 게이지는 의도한 측정 대상, 즉 외적 재료 부하로 야기되는 변형만 측정하게 됩니다. 이것을 자기 보상형 스트레인 게이지 또는 온도 반응을 맞춘 스트레인 게이지라고 합니다.

 

탄성 계수(영률)

재료에 부하가 가해지면 기계적 응력이 발생합니다. 기계적 응력은 영역별로 나누어진 힘입니다. 그렇다면 이것이 변형과 어떤 관계가 있으며, 스트레인 게이지가 기록하는 것은 무엇일까요? 이 상관관계는 제어된 조건에서 재료 샘플에 부하를 가하여 각 재료의 특성 곡선 형태로 확인할 수 있습니다. 일반적으로 기계적 응력이 클수록 변형이 증가합니다. 처음에는 이 상관관계가 선형입니다. 이것은 탄성 범위로 표현하며, 상관관계는 탄성 계수로 설명합니다.

그러나 일정 시점이 지나면 작용력에 의한 재료의 변형이 너무 커져 원상태로 돌아가지 못합니다. 이 소성 변형이 지속되면서 재료가 파손됩니다. 실험 응력 분석 대상은 바로 소성 변형이 일어나지 않는 선형 범위입니다.

주어진 재료의 탄성 계수가 밝혀진 경우에는 변형을 토대로 기계적 응력을 측정할 수 있습니다. 이것이 스트레인 게이지 측정의 목표입니다.

 

 

Strain gauge geometry explanations
This strain gauge geometry (T rosette) would be suitable for example for measuring biaxial stress states with a known direction of stress.

스트레인 게이지는 서로 어떤 차이가 있을까요 ?

"스트레인 게이지를 구분하는 몇 가지 중요한 특징이 있습니다. 특히 기하학 구조, 측정 그리드 길이, 온도 조정이 중요합니다."

– Jens Boersch

HBM에서만 제공하는 스트레인 게이지가 2,500종이 넘습니다. 수많은 스트레인 게이지 중에서 측정 용도에 맞는 게이지를 선택하는 것이 가장 중요합니다.

스트레인 게이지는 아래와 같은 특징들로 구분되어집니다.

  • 기하학 구조(Geometry)
  • 측정 그리드 길이
  • 온도 조정

기하학 구조(Geometry)

스트레인 게이지의 기하학 구조는 측정 그리드의 수와 정렬 방식으로 정의됩니다. 재료 부하에 따라 측정해야 하는 응력 상태가 다양하게 발생할 수 있습니다. 단축 응력 상태에서는 밝혀진 응력 방향이 한 개 뿐입니다. 매우 명확합니다. 측정 그리드 하나만으로 충분합니다. 1차 응력 방향에 따라 정렬됩니다.

2축 응력 상태에서는 여러 응력 방향(예: 장력, 압력, 휨, 비틀림)이 동시에 발생합니다. 측정 엔지니어가 1차 응력의 방향을 모르는 경우도 있을 수 있습니다. 측정 그리드가 3개의 정렬 방식이 서로 다른 스트레인 게이지를 이런 용도에서 사용할 수 있습니다. 이 경우 방향뿐만 아니라 1차 및 2차 응력의 크기도 측정할 수 있습니다.

 

 

측정 그리드 길이

재료와 측정 용도에 따라 측정 그리드의 길이의 역할이 다릅니다. 예를 들어, 제작물의 응력 곡선(Stress curve)을 매우 정확하게 측정할 때는 짧은 측정 그리드 여러 개를 서로 가깝게 배치하여 그리드를 조밀하게 하거나 주요 지점을 정확하게 분석하는 것이 더 좋습니다. 반면에 일반 부하(산술 평균)가 중요한 경우에는 기다란 측정 그리드 하나면 충분합니다.

표면 구조가 다를 때도 비슷한 어려움이 있습니다. 예를 들어, 콘크리트는 여러가지 배합물(자갈, 모래, 등등)이 섞여 배합되어 있습니다. 이 경우 측정 그리드가 너무 짧으면, 해당 지점에 별도의 작은 응력장이 적용되기 때문에 내장된 비트에 의해 측정 결과가 왜곡될 수 있습니다. 이를 방지하려면 더 긴 측정 그리드를 선택해야 합니다. 측정 그리드의 길이에 대해 측정된 응력의 평균을 계산합니다.

 

 

온도

특정 재료에 맞게 스트레인 게이지의 온도를 조정하면 앞에서 설명한 것처럼 온도 변화에 의한 재료 변형이 보상됩니다. 따라서 재료에 맞는 SG를 선택하는 것이 중요합니다.

 

기타 선택 기준

앞에서도 특징을 설명했지만 여기서 몇 가지 특징을 간략하게 설명하겠습니다. 일반적으로 스트레인 게이지에는 몇 가지 자주 사용되는 저항(120, 350, 1000옴 등)이 제공됩니다. 앰프에서 선택할 수 있는 완료 저항기 또는 예상 간섭 펄스 같은 측정 제약에 따라 맞는 저항을 선택하는 경우가 종종 있습니다. 캐리어 재료, 전도체 재료 또는 연결 유형도 다를 수 있습니다. 배선이 이루어진 상태로 제공되는 스트레인 게이지도 있고 사용자가 납땜해야 하는 경우도 있습니다. 배선이 완료된 스트레인 게이지는 시간이 적게 들어 작업 설정 비용이 절감됩니다.

 

 

스트레인 게이지 사용

스트레인 게이지가 정확하게 작동하려면 몇 가지 기본 요건이 충족되어야 합니다. 각 재료의 변형에 실제로 작용하도록 재료에 단단히 연결하는 것이 가장 중요합니다. 이런 이유 때문에 일반적으로 스트레인 게이지에 취성 접착제를 바르며, 용접하는 경우도 간혹 있습니다. 접착제의 농도도 온도 변화에 따라 달라지므로 접착제를 선택할 때 몇 가지 사항을 고려해야 합니다. 재료에 스트레인 게이지를 설치하는 것 자체도 일종의 과학입니다. 예를 들어, 스트레인 게이지와 재료 사이 또는 스트레인 게이지와 접착제 사이에 기포가 있으면 안 됩니다.

그렇지만 스트레인 게이지만으로는 효과가 없습니다. Jens Boersch는 "저항 변화가 너무 미미하기 때문에 증폭시킨 후에만 측정이 가능합니다"라고 설명합니다. 이 일을 측정 앰프가 담당하는데, 이것은 각 용도별로 그 종류가 매우 다양합니다.

 

 

적용 분야

스트레인 게이지가 사용되는 적용 분야는 크게 두 개입니다. 트랜스듀서 구조에 사용되거나 내구성을 테스트할 때 사용됩니다. 트랜스듀서 구조는 자체적인 목적이 있습니다. 예를 들어, 트랜스듀서 재료는 최대한 피로가 없어야 합니다.  스트레인 게이지의 목적은 힘이나 토크 같은 물리적 작용량을 측정하는 것입니다.

이와 반대로 피로(가급적 트랜스듀서 구조에서 아무런 역할을 하면 안 되는)는 실험 응력 분석의 주요 대상입니다. 제품 관리자 Jens Boersch는 "문제는 부하가 지속될 때 재료가 약해지는 시점입니다"라고 말합니다. 재료에 반복적인 부하가 가해지는 테스트 사이클을 통해 이러한 부하를 재현합니다. 부하는 대체로 낮은 편이기 때문에 재료가 바로 파괴되지 않습니다. 따라서 앞에서 설명한 탄성 범위 내에서도 차이가 있습니다. 즉, 변형과 기계적 응력은 서로에게 선형으로 종속됩니다.

피로 문제는 여러 영역에서 관심 대상입니다. 즉, 항공기 부품, 교량이나 철도 같은 기반 시설, 전기 인쇄회로기판과 본체 기판을 테스트할 때도 중요합니다. 구성요소를 꼼꼼하게 테스트하여 예상 부하를 견디는 데 필요한 내구성이 있는지를 확인합니다.

 

 

Aircraft in hangar with strain gauge measuring points.
응용 예 1: 항공기 구조물의 피로 테스트
Schematic image of a load cell.
응용 예 2: 트랜스듀서 구조 – 벤딩 빔 로드셀
A bridge spanning water.
응용 예 3: 교량 등의 기반 시설 테스트

테스트할 재료의 피로 곡선은 실험실 테스트에서 확인됩니다. 따라서 테스트 사이클 횟수와 재료가 약해지는 부하를 예측할 수 있습니다. 부하를 받을 때마다 재료 수명이 단축됩니다. 예를 들어, 교량 위를 달리는 차량의 수가 많을수록 구성요소 중 하나가 손상되는 시점에 가까워집니다. 부하가 클수록 재료가 견딜 수 있는 사이클이 감소합니다. 무거운 트럭은 소형 자동차보다 부하가 훨씬 더 큽니다.

Jens Boersch는 "흥미로는 질문은 '실제로 재료가 손상되는 부하가 얼마인가'입니다. 이 질문이 실제로 중요한 경우는 철도 교량이 얼마나 오랫동안 부하를 견딜 수 있는지를 추정할 때입니다. 그러나 이것은 테스트 시점에 이미 수십 번의 운전을 거친 상태였습니다. 관련 구간 작업자들은 기존 문서를 다시 찾아보며 그 동안 얼마나 많은 열차가 교량을 지나며 정확히 얼마나 많은 부하를 가했는지 다시 조사할 수 있었습니다. 이점이 정말 흥미로웠습니다"라고 말했습니다.

 

 

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