구조 시험/내구성 측정용 전기 포일 스트레인 게이지에 사용할 연결 케이블 선택하기

스트레인 게이지 어플리케이션에 사용될 수있는 많은 케이블이 시장에 나와 있습니다.

성공적인 측정을 위해서는 적절한 연결 케이블을 선택해야 합니다. 적절한 케이블은 센서에서 DAQ(데이터수집) 시스템으로 측정 신호를 전달할 뿐아니라, 사용 중에 간섭 신호를 방지하고 스트레스에 저항합니다.

케이블은 응력 측정에 아무런 영향을 미치지 않아야 합니다. 하지만 실제로는 케이블/와이어가 측정 신호에 영향을 미칠 수 있습니다. 와이어의 영향은 허용수준까지 최소화할 수 있습니다. HBM은 매우 다양한 측정 케이블과 소형 연선 와이어를 제공합니다. 각자 필요에 알맞는 케이블을 선택하고자 할 때 몇 가지 중요한 사항을 고려해야 합니다.

스트레인 게이지 측정에는 주석 도금된 복합 연선 와이어가 가장 흔히 사용됩니다. 보통 구리 도체를 전선으로 활용합니다(가격 대기 전도율이 우수하기 때문에 가장 흔히 사용)

쿼터 브리지 구조에서 스트레인 측정 신호는 매우 민감합니다.

  • 스트레인 게이지 쿼터 브리지의 여가 전압은 대개 2.5V입니다.
  • 스트레인 게이지에 인가되는 응력은 비교적 낮은 브리지 전압 출력값을 생성합니다.

(100µm/m 스트레인에는 0.000125V, 2000µm/m 스트레인에는 0.0025V). 아래 그래프는 전형적인 쿼터 브리지 구조를 시각화한 것입니다.

측정 전압 신호는 외부 신호의 간섭을 받아서는 안 됩니다. 그러므로 가장 알맞는 측정 케이블을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

브리지 전압 출력 신호는 100µm/m 스트레인 신호를 가집니다. 브리지 excitation 전압(빨간색)은 다른 excitation전압(파란색)에 비해 매우 작습니다.


1. 와이어의 기능

센서와 증폭기의 연결

  • 스트레인 게이지 회로에 여자를 유도하기 위해 전력 공급
  • 센서에서 DAQ 시스템으로 측정 신호를 전달
  • 외부 간섭에 대한 보호 기능

2. 측정 케이블에 대한 간섭/영향


3. 스트레인 게이지 케이블이 갖추어야 할 조건

  1. 낮은 저항(대체로), 낮은 커패시턴스
  2. 우수한 단열성
  3. 우수한 기계적 보호 기능
  4. 용이한 취급(유연성)
  5. 적절한 사용온도 범위, 온도 변화의 영향이 미미함
  6. 우수한 와이어 납땜성
  7. 안전 조건(난연성 등)
  8. 기계적 견고함
  9. 다양한 매체(물, 오일, 용제 등)에 사용시 견고함 보장

4. 케이블/와이어의 환경 조건

와이어가 고온에 노출되면 코팅과 와이어 단열성이 온도 범위에 영향을 미칩니다. 아래 다이어그램은 코팅에 따른 케이블의 전형적인 온도 범위를 나타냅니다.

  • 대체로 PVC 단열 케이블이 적합합니다. 가격 대비 훌륭한 성능(최대 80 °C)을 보장합니다.

  • 중간 온도에서는 TPE 케이블이 적절한 선택입니다(최대 150 °C)

  • 고온에서는 PFA 케이블(최대 250°C) 또는 폴리이미드 코팅 케이블(300°C 이상)을 권장합니다.

  • 저온에서는 보급형 케이블이 취약해질 수 있습니다. 특히 동적인 시험 환경에 사용할 시 이러한 특성이 두드러집니다. 이 같은 환경에서는 PTFE, PI 또는 유리섬유 피복 처리된 케이블을 권장합니다.

사용할 케이블은 다양한 유체에 대한 내성과 가연성 등 여러 가지 조건을 충족해야 합니다. 아래 표는 전형적인 케이블 자켓/단열재와 그 온도 범위를 나타냅니다.


5. 도체 직경

  • 전선의 직경은 저항에 매우 큰 영향을 미칩니다. 스트레인 게이지 브리지의 여자 전압은 전류를 발생시켜 도체를 가열합니다. 직경이 작을수록 전선의 온도 증가폭이 높아집니다.

  • 오차를 최소화하려면, 최대한 큰 직경을 적용하여 스트레인 게이지의 리드선 저항이 미치는 영향과 케이블에 대한 열적 영향을 최소화하여야 합니다.

  • 어떤 경우에는 관성/무게를 줄이거나 굽힘 반경을 줄이기 위해 얇은 케이블이 필요합니다.

  • 센서 케이블이 긴 경우 보다 큰 직경이 필요합니다.

스트레인 게이지는 땜납량과 기생 응력을 줄이기 위해 직경이 작은 케이블을 사용해야 합니다. 그러나 얇은 전선을 쓰면 회로 안정성과 민감도에 영향을 미칠 수 있음을 고려해야 합니다.

  • 측정 케이블과 스트레인 게이지 연결 와이어가 교차하는 지점에 땜납 터미널을 쓸 수 있습니다. 이 방법을 이용하면 직경이 작은 케이블에서 두꺼운 케이블로 이행하는 것이 가능합니다.

특허를 확보한 HBM의 4 와이어 기술로 연결된 스트레인 게이지

HBM의 특허기술인 4 와이어 구성이란?

각각 다른 케이블 저항을 보상하려면 4 와이어 회로나 HBM의 특허기술인 “Kreuzer” 회로를 이용해야 합니다. 알려진 전류는 두 개의 리드선을 통해 저항으로 흐릅니다. RKab1저항에서 전압 강하는 두 개의 추가 리드선을 통해 (높은 임피던스에서) 교정할 수 있습니다.  

Kreuzer 회로는 RKab2 저항에 흐르는 전압을 측정하고, 이 값을 여진에 추가합니다. 전압과 완전 저항 Rerg에 흐르는 전류는 케이블 저항과는 별개로 흐릅니다. 케이블의 영향에 따른 0점과 민감도 오차는 전기적으로 보상할 수 있습니다.

https://www.hbm.com/en/3458/tips-and-tricks-successfully-compensating-for-lead-resistances/

스트레인 게이지 와이어 피복 벗기는 방법

1. 열을 이용하여, 스트레인 게이지에 부착할 와이어에서 단열재를 5mm만큼 벗깁니다.

열을 이용해 피복을 벗기면, 플라이어를 이용한 기계적 피복 벗기기에서 발생하는 손상을 방지할 수 있습니다.

2. 납땜으로 와이어 말단에 주석을 입힙니다.

3. 주석 도금된 도체를 잘라서 납땜 후 게이지의 캐리어를 초과하지 않도록 합니다. (스트레인 게이지의 형상에 따라 1~3mm을 잘라냄)


6. Number of conductors

1 와이드: 스트레인 게이지와 납땜 터미널 간 연결

3 와이어/4 와이어: 쿼터 브리지용(4 와이어만 보여짐) 또는 풀 브리지

5 와이어: 하프 브리지용

6 와이어: 풀 브리지용


7 케이블 길이

  • 스트레인 게이지 측정에 사용되는 케이블의 길이는 수 센티미터에서 수백 미터까지 다양합니다.
  • 전자파 장해를 최소화하려면 꼬인 케이블과 차폐 케이블을 사용합니다.
  • 열적 장해 또는 전자파 장해를 최소화하기 위해 길이는 가능한 한 짧게 합니다.
  • 장거리 이용 시 저항의 영향을 줄이기 위해 보다 큰 직경의 도체를 사용합니다.
  • 높은 주파수와 직류 신호를 전달할 시 낮은 커패시턴스의 와이어를 권장합니다.

직류 증폭기와 캐리어 주파수 증폭기의 차이점은?

직류 앰프

  • 브리지 회로에 전력을 공급하기 위해 안정화된 직류 전압을 제공하는 생성기를 포함
  • 고주파수의 정적·동적 신호를 증폭
  • 실제로 최대 10 kHz; 주로 간섭 펄스에서 더 높은 주파수가 발생합니다. 이러한 펄스는 측정 신호에 영향을 미쳐서는 안됨

단점: 간섭(측정 회로의 열전 · 갈바닉 전압, 전기장 또는 자기장에 의해 발생)이 완전히 증폭됩니다.

  • 측정 결과의 오차 
  • 전기적 또는 자기적 차폐가 필요 
  • 열전 전압의 수치를 교정해야 함 

캐리어 주파수 앰프

  • 브리지 회로에 전력을 공급하기 위해 전압과 주파수가 안정된 교류 전압을 공급하는 생성기를 포함
  • 출력 전압 = 교류 전압. 이 전압의 진폭은 브리지의 불평형 정도에 비례. (진폭 변조)
  • 공급 전압의 주파수만 증폭할 수 있도록 주파수를 선택 (간섭의 영향을 받지 않아야 함)
  • 흔히 쓰이는 캐리어 주파수:
    • 225 Hz: 흔히 쓰이는 캐리어 주파수 (최대 9 Hz)
    • 5 kHz: static과 quasistatic 과정 측정 (최대1 kHz)

단점: 대역 제한

8. 가혹한 환경에서 스트레인 게이지 주변의 케이블 보호

  • 와이어와 보호 코팅 사이에 내습성 연결. 즉 커버링제와 연결 케이블, 재료 표면 사이에 최대한의 접착력이 필요합니다.
  • 불소수지 케이블을 미리 에칭해서 측정 케이블을 적절히 밀봉해야 합니다.
  • 물에 침수하는 경우 수분 차단용 테이프로 감긴 특수 케이블을 권장합니다. (HBM 서비스 팀에게 문의해 주시기 바랍니다.)
  • 케이블 진입부 주변의 보호제는 길이를 최소화해야, 크리프 길이를 극대화하고 중요 지점을 완전히 밀봉할 수 있습니다.

9. 시험의 동역학

  • 매우 동적인 환경에서 측정하는 경우, 점퍼 와이어를 사용해야 합니다. 점퍼 와이어는 많은 수의 얇은 연선 싱글 와이어로 이루어져 있습니다. 이 와이어들은 매우 유연한 단열재로 둘러싸여 있습니다.
  • 고체 와이어는 고정된 사물에만 사용해야 합니다. (예: 브리지 연결부)

10. 결론

  1. 가능한 한 큰 직경의 케이블을 사용해야 합니다.
  2. 저항이 낮고 커패시턴스가 낮은 케이블을 사용합니다.
  3. 가능한 한 케이블 길이를 최소화합니다.
  4. 스트레인 게이지에는 가능한 한 작은 직경의 케이블을 사용합니다.
  5. 각자의 시험에 딱 알맞는 케이블을 선택합니다.
  6. 유연한 케이블을 사용합니다.
  7. 전도성 실드로 차폐된 케이블을 사용합니다.
  8. 차폐를 위해 적절히 접지를 해야 합니다.
  9. 측정 신호 체인에는 패러데이 케이지를 적용합니다.
  10. 와이어 라우팅시 주의를 기울입니다.
  11. 꼬인 와이어를 사용합니다.
  12. 메인 전원 케이블을 측정 케이블에 가까이 두지 마십시오.(전선과 측정 신호선이 90°로 교차)
  13. 잡음을 제거해야 합니다.
  14. 캐리어 주파수 앰프를 사용합니다. 
  15. 적절한 필터를 사용합니다.
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