스트레인 게이지

Strain gauge
전형적인 호일 스트레인 게이지. 파란색 영역은 전도성이며 저항은 파란색 큰 패드에서 다른 쪽 패드로 측정됩니다.게이지는 수평 방향보다 수직 방향의 변형에 훨씬 민감합니다.활성 영역 외부에 있는 표시는 설치 중에 게이지를 정렬하는 데 도움이 됩니다.

스트레인 게이지(스트레인 게이지라고도 함)는 물체의 스트레인을 측정하는 데 사용되는 장치입니다.에드워드 E에 의해 발명되었다. 시몬스와 아서 C. 1938년의 Ruge는 가장 일반적인 유형의 변형률 게이지로 금속박 패턴을 지원하는 절연 플렉시블 백킹으로 구성됩니다.게이지는 시아노아크릴레이트 [1]같은 적합한 접착제를 통해 물체에 부착됩니다.물체의 변형에 따라 포일이 변형되어 전기저항이 변화한다.이 저항 변화는 보통 휘트스톤 브릿지를 사용하여 측정되며 게이지 팩터로 알려진 양에 의한 스트레인과 관련이 있습니다.

역사

에드워드 E.시몬스와 아서 C 교수입니다Ruge는 스트레인 게이지를 독자적으로 발명했습니다.

시몬스는 1936년부터 1938년까지 CalTech에서 Détwyler와 Clark의 연구 프로젝트에 참여했습니다.그들은 충격 하중을 받는 금속의 응력 변형 거동을 연구했다.Simmon은 동력계에 미세한 저항선을 장착함으로써 샘플에 도입된 힘을 측정하는 독창적인 방법을 생각해냈다.

아서 C.반면 MIT의 루게 교수는 지진학 연구를 했다.그는 진동 테이블 위에 설치된 모형 물탱크의 거동을 분석하려고 했다.그는 모델의 규모가 작고 변형이 적기 때문에 당시의 표준 광학 변형률 측정 방법을 사용할 수 없었습니다.Ruge 교수(그리고 그의 조수 J. Hanns Meier)는 물탱크 모델의 얇은 벽에 시멘트를 붙인 변형률로 인한 금속 와이어의 저항 변화를 측정하는 깨달음을 얻었다.

스트레인 게이지의 개발은 본질적으로 다른 연구 프로젝트의 부산물에 불과했습니다.에드워드 E.시몬스와 아서 C 교수입니다루게는 당시 대안이 없었기 때문에 널리 사용되고 유용한 측정 도구를 개발했습니다.아서 C.Ruge는 스트레인 게이지의 상업적 효용을 깨달았습니다.그러나 그의 고용주 MIT는 발명의 권리에 대한 모든 권리를 포기했다.그들은 경제적 및 대규모 사용 가능성을 보지 못했다.이 예측은 거짓으로 판명되었다.스트레인 게이지 애플리케이션은 스트레인을 유발하는 다른 모든 양을 간접적으로 감지하는 역할을 했기 때문에 빠르게 설득력을 얻고 있었습니다.또한 과학자들에 의해 설치되기 쉬웠으며, 관찰된 물체에 어떠한 장애물이나 특성 변화도 일으키지 않았고, 따라서 측정 결과를 조작하지 않았다.아마도 마지막이자 가장 중요한 특성은 전기 출력 [2]신호의 전송 용이성일 것입니다.

물리적인 조작

장착되지 않은 저항성 호일 스트레인 게이지

스트레인 게이지는 전기 전도성의 물리적 특성과 도체의 형상에 대한 의존성을 활용합니다.전기 도체가 파손되거나 영구적으로 변형되지 않도록 탄성 한계 내에서 늘어나면 도체가 좁아지고 길어지며, 이는 종단 간 전기 저항을 증가시킵니다.반대로 도체가 버클이 되지 않도록 압축되면 도체가 넓어지고 짧아져 종단 간 전기 저항이 감소합니다.스트레인 게이지의 측정된 전기저항으로부터 유도응력의 양을 추정할 수 있다.

일반적인 스트레인 게이지는 길고 얇은 도전성 스트립을 평행선의 지그재그 패턴으로 배열합니다.지그재그 전체에서 특정 변형률의 저항 변화율은 다른 단일 트레이스와 같기 때문에 감도는 증가하지 않습니다.단일 선형 트레이스는 극도로 얇아야 하므로 과열(저항이 변화하고 팽창)되기 쉽거나 훨씬 낮은 전압으로 작동해야 하므로 저항 변화를 정확하게 측정하기가 어렵습니다.

게이지 계수

게이지 GF는 다음과 같이 정의됩니다.

어디에

\R)은 스트레인에 의한 저항의 변화입니다.
G는 성형되지 않은 게이지의 저항입니다.
\ilon 은 입니다.

일반적인 금속박 게이지의 경우 게이지 계수는 보통 [3]2를 약간 초과합니다.평형 휘트스톤 브리지 구성에서 액티브 게이지에 대해 동일한 저항의 액티브 게이지 1개와 더미 저항 3개의 경우 브리지로부터의 출력 센서 S SV는 대략 다음과 같습니다.

어디에

EV는 브리지 여자 전압입니다.

포일 게이지에는 일반적으로 약 2-10mm2 크기의 활성 영역이 있습니다.조심스럽게 설치하면 올바른 게이지와 올바른 접착제를 사용하여 최대 10%의 변형률을 측정할 수 있습니다.

실제로

과장된 굽힘 하에서의 보 스트레인 게이지 이면의 작업 개념 시각화

게이지 네트워크의 입력 리드에 여자 전압을 인가하고 출력 리드로부터 전압 판독을 실시한다.일반적인 입력 전압은 5V 또는 12V이고 일반적인 출력 판독치는 밀리볼트입니다.

호일 스트레인 게이지는 많은 상황에서 사용됩니다.용도에 따라 게이지의 요구 사항이 달라집니다.대부분의 경우 스트레인 게이지의 방향은 유의합니다.

로드 셀에 부착된 게이지는 일반적으로 수십 년은 아니더라도 몇 년 동안 안정적으로 유지될 것으로 예상되지만 동적 실험에서 응답 측정에 사용되는 게이지는 물체에 부착된 상태로 며칠 동안만 유지되고 1시간 미만으로 통전되며 1초 미만으로 작동하면 됩니다.

스트레인 게이지는 특수 접착제로 기판에 부착됩니다.접착제 유형은 측정 시스템의 필요한 수명에 따라 달라집니다.단기 측정(최대 몇 주)의 경우 시아노아크릴레이트 접착제가 적합하며, 장기간 설치 시 에폭시 접착제가 필요합니다.일반적으로 에폭시 접착제는 고온 경화(약 80-100°C)가 필요합니다.스트레인 게이지를 접착할 표면을 준비하는 것이 가장 중요합니다.표면을 매끄럽게(예: 매우 미세한 모래 종이로) 하고 용매로 디올링한 후 용매 흔적을 제거한 후 즉시 스트레인 게이지를 접착하여 준비된 부위의 산화 또는 오염을 방지해야 합니다.이러한 단계를 따르지 않을 경우 표면에 대한 변형률 게이지 바인딩을 신뢰할 수 없고 예측할 수 없는 측정 오류가 발생할 수 있습니다.

스트레인 게이지 기반 기술은 압력 센서 제조에 일반적으로 사용됩니다.압력 센서에 사용되는 게이지 자체는 일반적으로 실리콘, 폴리실리콘, 금속 필름, 후막 및 본드 포일로 제작됩니다.

온도 변화

온도 변화는 다양한 영향을 미칩니다.이 물체는 열팽창에 의해 크기가 변화하며 게이지에 의해 변형률로 감지됩니다.게이지의 저항이 변화하고 연결 와이어의 저항이 변화합니다.

대부분의 스트레인 게이지는 콘스탄탄 [4]합금으로 제작됩니다.다양한 콘스탄탄 합금과 카르마 합금은 스트레인 게이지 자체의 저항에 대한 온도 영향이 테스트 대상 물체의 열팽창으로 인한 게이지의 저항 변화를 크게 상쇄하도록 설계되었습니다.재료마다 열팽창량이 다르기 때문에 자기온도보상(STC)을 위해서는 테스트 대상 재료와 일치하는 특정 합금을 선택해야 합니다.

자기온도보정되지않은스트레인게이지(등탄성합금 등)는더미게이지기법을사용하여온도를보정할수있습니다.더미 게이지(활성 스트레인 게이지와 동일)는 시험체와 동일한 재료의 변형되지 않은 샘플에 설치된다.더미 게이지가 있는 시료는 액티브 게이지에 인접한 시험체와 열 접촉한다.더미 게이지는 액티브 게이지와 더미 게이지에 대한 온도 영향이 서로 [5]상쇄되도록 활성 게이지와 더미 게이지에 인접한 Wheatstone 브릿지에 배선됩니다.(Murphy의 법칙은 원래 게이지 세트가 Wheatstone 브릿지에 잘못 배선된 것에 대응하여 만들어졌습니다.)[6]

모든 물질은 뜨거워지거나 차가워질 때 반응한다.이렇게 하면 변형 게이지가 재료에 변형을 등록하여 신호가 변경됩니다.이러한 현상이 발생하지 않도록 스트레인 게이지를 제작하여 온도로 인한 이러한 변화를 보상합니다.스트레인 게이지를 조립하는 표면의 재료에 따라 다른 팽창을 측정할 수 있습니다.

리드선에 대한 온도 영향은 "3와이어 브리지" 또는 "4와이어 옴 회로"("[7]4와이어 켈빈 연결"이라고도 함)를 사용하여 취소할 수 있습니다.

어느 경우든 휘트스톤 브리지 전압 드라이브를 스트레인 게이지의 자가 발열을 방지할 수 있을 정도로 낮게 유지하는 것이 좋은 엔지니어링 관행입니다.스트레인 게이지의 자가 가열은 기계적 특성에 따라 달라집니다(큰 스트레인 게이지는 자가 가열이 덜함).브릿지의 저전압 구동 레벨은 시스템 전체의 감도를 낮춥니다.

적용들

구조 상태 모니터링

구조 상태 모니터링(SHM)은 구조물 완료 후 모니터링에 사용됩니다.고장 방지를 위해 변형률 게이지를 사용하여 손상 및 크리프를 감지하고 위치를 파악합니다.구체적인 예로는 교량케이블의 감시를 통해 손상을 감지하여 안전성을 높이는 것이 있다.또한 특수 중량 수송 등 비정상적인 하중에 대한 교량의 거동을 분석할 수 있다.

항공

항공에서 스트레인 게이지는 구조 하중을 측정하고 바람 편향을 계산하는 표준 접근법이다.스트레인 게이지는 항공기의 여러 위치에 고정되어 있습니다.그러나 편향 측정 시스템은 신뢰할 수 있는 균주를 원격으로 측정하는 것으로 나타났습니다.이는 항공기의 계측 중량을 줄여 스트레인 [8]게이지를 대체하고 있다.

용도 변경

원하는 결과를 얻기 위해 변형률을 측정하는 것이 처음에는 분명하지 않은 응용 프로그램도 있습니다.예를 들어 특정 구조물에서 침입자를 탐지할 때 스트레인 게이지를 사용하여 침입자의 존재를 탐지할 수 있습니다.이는 상기 [9]구조물의 변형률의 약간의 변화를 측정함으로써 이루어진다.

오류 및 보상

  • 제로 오프셋 - 게이지를 포스 콜렉터에 본딩한 후 4개의 게이지 암의 임피던스가 정확히 동일하지 않은 경우 하나 이상의 게이지 암에 병렬 저항을 도입하여 보정할 수 있는 제로 오프셋이 있습니다.
  • 온도계수(TCGF)는 온도 변화에 따라 변형되는 장치의 감도 변화입니다.이는 일반적으로 입력 레그에 고정 저항이 도입됨으로써 보상되며, 온도 상승에 따라 유효 공급 전압이 감소하여 온도 상승에 따른 감도 증가를 보상합니다.이를 변환기 회로에서는 계수 보정이라고 합니다.온도가 상승함에 따라 로드 셀 요소는 더욱 탄성적이 되므로 일정한 부하에서는 더 많이 변형되어 출력이 증가하지만, 부하는 여전히 동일합니다.이 모든 면에서 현명한 비트는 브리지 공급기의 저항이 게이지가 접합되는 재료와 게이지 요소 재료 모두에 일치하는 온도에 민감한 저항이어야 한다는 것입니다.이 저항의 값은 이 두 값에 따라 달라지며 계산할 수 있습니다.간단히 말해 출력이 증가하면 저항값도 증가하므로 변환기에 대한 순전압이 감소합니다.저항 값을 올바르게 설정하면 변화가 없습니다.
  • 온도와 함께 영점 이동 - 각 게이지의 TCGF가 동일하지 않으면 온도에 따라 영점 이동이 발생합니다.포스 콜렉터의 이상에 의해서도 발생합니다.이는 일반적으로 보상 네트워크에 전략적으로 배치된 하나 이상의 저항으로 보상됩니다.
  • 선형성은 감도가 압력 범위에 따라 변화하는 오류입니다.이는 일반적으로 의도된 압력 및 접합 품질에 대한 집력 두께 선택의 함수입니다.
  • 히스테리시스는 압력 편차 후 0으로 돌아가는 오류입니다.
  • 반복성 - 이 오류는 때때로 히스테리시스와 연관되어 있지만 압력 범위에 걸쳐 있습니다.
  • EMI에 의한 오류 - 스트레인 게이지의 출력 전압이 mV 범위이므로 소자의 자기 발열을 피하기 위해 Whitstone 브리지 전압 드라이브를 낮게 유지할 경우 출력 신호 증폭에 각별히 주의해야 합니다.자주 채택되는 해결책은 전압 변동을 주파수 변동으로 변환하고 대역폭이 좁아 대역 외 EMI를 줄이는 "반송파 주파수" 증폭기를 사용하는 것입니다.
  • 과부하 – 변형률 게이지가 설계 한계(마이크로스트레인 측정)를 초과하면 성능이 저하되어 복구할 수 없습니다.일반적으로 양호한 엔지니어링 프랙티스는 스트레인 게이지에 ±3000 마이크로스트레인 이상의 스트레스를 주지 않는 것이 좋습니다.
  • 습도 – 스트레인 게이지를 신호 조절기에 연결하는 와이어가 베어 와이어와 같은 습도로부터 보호되지 않으면 부식이 발생하여 기생 저항으로 이어질 수 있습니다.이렇게 하면 스트레인 게이지가 접착되어 있는 와이어와 기판 사이 또는 두 와이어 사이에 전류가 직접 흐를 수 있으며 스트레인 게이지를 통과하는 전류와 경쟁하는 오류가 발생할 수 있습니다.이러한 이유로 고전류, 저저항 스트레인 게이지(120Ω)는 이러한 유형의 오류가 발생할 가능성이 낮습니다.이 오류를 방지하려면 스트레인 게이지 와이어를 절연 에나멜로 보호하면 됩니다(예: 에폭시 또는 폴리우레탄 유형).보호되지 않은 와이어가 있는 스트레인 게이지는 건조한 실험실 환경에서만 사용할 수 있으며 산업용 환경에서는 사용할 수 없습니다.

일부 애플리케이션에서는 스트레인 게이지가 측정하고자 하는 하드웨어의 진동 프로파일에 질량과 감쇠를 추가합니다.터보 기계 산업에서 회전하는 하드웨어의 진동 측정에 변형 게이지 기술의 대안으로 사용되는 것은 블레이드나 디스크 장착 하드웨어 없이 블레이드 진동을 측정할 수 있는 비침입 응력 측정 시스템입니다.

스트레인 게이지의 형상

스트레인 게이지의 형상

다음과 같은 다양한 종류의 스트레인 게이지를 시판할 수 있습니다.

  • 선형 스트레인 게이지
  • 멤브레인 로제트 스트레인 게이지
  • 이중 선형 스트레인 게이지
  • 풀브릿지 스트레인 게이지
  • 전단 변형률 게이지
  • 하프브릿지 스트레인 게이지
  • 칼럼 스트레인 게이지
  • 45°-로제트(3개의 측정 방향)
  • 90°-로제트(2개의 측정 방향).

기타 타입

스트레인 게이지 측정 장치는 드리프트 문제가 발생하기 쉽습니다.또한 모든 생산 공정에서 정확한 요구 사항을 충족해야 합니다.변형률을 [2]측정하는 방법은 여러 가지가 있습니다.

  • 작은 변형률 측정의 경우, 종종 포일 게이지보다 반도체 변형률 게이지, 이른바 피에조레지스터가 선호됩니다.반도체 게이지는 보통 포일 게이지보다 게이지 계수가 큽니다.반도체 게이지는 더 비싸고 온도 변화에 더 민감하며 포일 게이지보다 더 취약합니다.
  • 나노 입자 기반의 스트레인 게이지가 새로운 유망 기술로 부상하고 있다.이러한 저항 센서는 금이나 탄소 등 전도성 나노 입자의 집합으로 활성 면적이 형성되어 높은 게이지 계수, 큰 변형 범위 및 높은 임피던스로 인한 적은 전기 소비량을 결합합니다.
  • 생물학적 측정, 특히 혈류 및 조직의 팽창에는 고무 내 수은 변형계라고 불리는 변종이 사용됩니다.이러한 종류의 스트레인 게이지는 작은 고무 튜브에 둘러싸인 소량의 액체 수은으로 구성되어 있으며, 발가락이나 다리 주변에 도포됩니다.신체 부위가 부풀어 오르면 튜브가 늘어나면서 튜브가 길어지고 얇아져 전기 저항이 커집니다.
  • 광섬유 감지를 사용하여 광섬유를 따라 변형률을 측정할 수 있습니다.측정은 파이버를 따라 분산하거나 파이버 상의 미리 정해진 지점에서 수행할 수 있습니다.2010 아메리카컵 보트 알링기 5와 USA-17은 모두 이런 유형의 [10]내장 센서를 사용한다.
Digital Image Correlation results on a material testing coupon
Lüders 밴드라고 하는 움직이는 변형 구조를 나타내는 재료 시험 쿠폰의 디지털 화상 상관관계를 이용한 비접촉 변형률 측정의 예
  • 다른 광학 측정 기술을 사용하여 전자 스펙클 패턴 간섭계나 디지털 이미지 상관 관계와 같은 변형을 측정할 수 있습니다.
  • 마이크로스케일 스트레인 게이지는 힘, 가속도, 압력 또는 [11]소리에 의해 유도되는 스트레인을 측정하기 위해 마이크로 일렉트로캐니컬 시스템(MEMS)에서 널리 사용됩니다.예를 들어, 자동차의 에어백은 종종 MEMS 가속도계에 의해 작동된다.피에조 저항 변형률 게이지의 대안으로 마이크로 광전자 공학 시스템(MOEMS)[12]의 변형률을 측정하기 위해 통합된 광학 링 공진기를 사용할 수 있습니다.
  • 용량성 스트레인 게이지는 가변 캐패시터를 사용하여 기계적 변형 수준을 나타냅니다.
  • 진동 와이어 스트레인 게이지는 지질학 및 토목 공학 분야에서 사용됩니다.게이지는 진동하는 장력 와이어로 구성되어 있습니다.스트레인은 와이어의 공진 주파수를 측정하여 계산됩니다(장력이 증가하면 공진 주파수가 증가합니다).
  • 석영 결정 변형률 게이지는 지질학적 용도에도 사용됩니다.압력센서, 부르동관력수집기가 있는 공명석영결정 스트레인게이지가 [13]DART의 핵심센서입니다.DART는 외양 바닥으로부터의 쓰나미파를 검출합니다.수 km [14]깊이의 압력 측정 시 물의 압력 분해능이 약 1mm입니다.
  • 다축 장력 센서는 안전, 손재주 및 협업 관점에서 변형률 게이지보다 많은 이점을 얻을 수 있습니다.압전 변환기에 의해 측정이 수행되는 프리스트레스 공진 복합 플레이트를 기반으로 합니다.외력의 3가지 성분을 측정할 수 있습니다.게다가 필요한 하드웨어는 기존의 스트레인 [15]게이지보다 저렴합니다.

비접촉 변형률 측정

왜곡은 DIC(디지털 영상 상관 관계)를 사용하여 측정할 수도 있습니다.이 기술을 사용하면 하나 또는 두 대의 카메라를 DIC 소프트웨어와 함께 사용하여 구성 요소 표면의 특징을 추적하여 작은 움직임을 감지합니다.테스트한 샘플의 전체 변형률 맵을 계산할 수 있어 유한 요소 분석과 유사한 표시를 제공합니다.이 기술은 기존의 스트레인 게이지 또는 신장계, 현 냄비, LVDT, 가속도계 [16]등 다른 센서를 대체하기 위해 많은 산업에서 사용됩니다.시판되고 있는 DIC 소프트웨어의 정확도는 일반적으로 변위 측정용 픽셀의 1/100 ~ 1/30이며, 이로 인해 변형 민감도는 20 ~100μm/[17]m입니다.DIC 기술을 사용하면 형상, 변위 및 변형률 비접촉을 신속하게 측정할 수 있으며, 특히 충격, 고변형, 고온 또는 고사이클 피로 [18]테스트와 같은 기존 접촉 방법의 문제를 피할 수 있습니다.

산업

최근에는 변형률 측정 분야의 생산자가 많이 있습니다.다양한 설치 표면, 크기 및 모양을 위한 스트레인 게이지를 제작합니다.훈련을 받지 않은 직원의 경우 올바른 구현과 적절한 유형의 측정 도구를 선택하는 것이 매우 어렵습니다.또한 실행 가능한 데이터 수집을 보장하기 위해서는 정확한 설정 공정 스트레인 게이지에 대한 노하우가 필요합니다.변형률 게이지의 대형 공급자는 적용 사례에 맞는 올바른 선택에 대한 조언을 제공합니다.또, 고객이 올바르게 실장할 수 있도록 트레이닝 프로그램도 준비하고 있습니다.

주요 기업 중 하나는 Zemic Europe입니다.그들은 수천 가지의 변형률 [19]게이지를 제공합니다.

HBM(Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH)은 이 분야에서 또 다른 세계적인 주역입니다.또한 다양한 스트레인 게이지 및 스트레인 게이지와 관련된 모든 것(글루, DIY 마운팅 가이드, 케이블 가이드 등)을 제공합니다.HBM은 [20]웹 사이트에서 제품 장착에 대한 온라인 지침을 제공합니다.

문학.

1995년 교수.닥터-잉Stefan Keil은 스트레인 게이지와 그것을 "Dehnungsmessstreifen"이라는 응용 프로그램에서 사용하는 방법에 대한 매우 상세한 책의 초판을 출판했습니다.이 초판은 독일어로만 출판되었지만, 많은 다른 분야에서 변형률 게이지의 광범위한 사용으로 인해 독일 밖에서도 인기를 끌었다.그래서 20년 이상(2017년) 후, 그는 영어로 번역된 제2판을 발행했습니다.그래서 스트레인 게이지를 사용해야 하는 광범위한 엔지니어 커뮤니티에 더욱 개방적이었습니다.이 최신 책의 제목은 "스트레인 게이지의 기술과 실용적 사용"[2]입니다.

스트레인 게이지 이론(사회학)

"변형 게이지"라는 용어는 사회학에서 볼 수 있다.사회적 스트레인 게이지 이론은 마법과 주술에 대한 비난을 이해하기 위한 접근법이다.Marwick이라는 이름의 인류학자는 1965년 [21]잠비아와 말라위의 이러한 사회학적 현상을 연구했다.마법에 대한 비난은 관계나 사회 구조 전체에 대한 압박을 반영한다.그 이론은 마법의 고발이 사회의 [22]압력판이었다고 말한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  2. ^ a b c Keil, Stephan (2017). Technology and Practical Use of Strain Gages With Particular Consideration of Stress Analysis Using Strain Gages. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-3-433-60666-7.
  3. ^ 변형률 게이지:감도
  4. ^ 콘스탄탄 합금: 스트레인 게이지 선택
  5. ^ Shull, Larry C., "Basic Circuits", 한나, R.L. 및 리드, S.E.(Eds.)(1992)스트레인 게이지 사용 설명서, 페이지 122.실험 역학 협회ISBN 0-912053-36-4.
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  7. ^ 스트레인 게이지
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