스트레인 게이지 (strain gauge)

스트레인 게이지 (Strain Gauge)

개요

대상물의 변형율 (Strain) 을 측정하는 센서이다. 1938년에 개발되었다고 한다. 대표적인 형태는 금속 포일 (metallic foil)을 지지하는 유연성있는 후판 (얇은 플라스틱 필름) 이 있는 형태이다. 

아래 그림의 스트레인 게이지는 한 축만을 측정할 수 있는 센서이며 그림에서 위-아래 방향의 변형을 측정한다.

포일 스트레인 게이지

원리

스트레인 게이지는 대상물에 접착제로 접착된다. 대상물이 변형하면 포일이 변형되어 포일의 전기적 저항이 변경된다. 이 저항의 변화는 게이지 팩터 (gauge factor) 라 불리는 값에 의해 변형율로 서로 변환될 수 있다.  

* 게이지 팩터는 같은 모델 제품이면 유사한 수준이나 미세한 차이가 있다. (고가의 스트레인 게이지를 생산하는) 제조사에서는 보통 포장별로 게이지 팩터를 정확히 표기를 해준다. 이러한 경우에 게이지 팩터를 잘 적어두는 것이 중요하다. 나중에 게이지를 대상물에 붙일 때 이 센서의 게이지 팩터가 뭔지 혼동되는 경우가 많다.

계측은 보통 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 로 하며 이러한 회로가 있는 상용 계측 시스템이 매우 많이 있어 별도로 회로를 구성하는 경우는 드물다 (대학 시험 수업시간에나 한다).

아래 그림에서 터미널 (terminals)은 휘트스톤 브리지 회로와 연결된다. 스트레인 게이지는 늘어나면 저항이 증가하고 줄어들면 저항이 감소한다.

 스트레인 게이지 원리

용도

하중 혹은 압력 시험에서 제품에 부착하여 변형율을 측정한다. 하중이나 압력을 제거한 후에 변형율을 측정하여 잔류 변형율을 측정할 수도 있다. 정적 하중의 간단한 구조물의 경우는 해석으로 구한 변형율과 게이지로 측정한 값이 상대적으로 일치하는 편이다.

이러한 용도이외에 압력 센서, 로드셀 (힘을 재는 센서), 가속도 센서, 토크 센서, 변위 센서 등의 주요 부품(센싱부) 으로 활용되기도 한다. 그래서 스트레인 게이지를 만드는 회사에서는 이러한 센서들도 같이 만들어 팔기도 한다.

아래 그림은 건물 벽돌에 금이 점점 커지는 것을 측정하는 목적으로 부착된 스트레인 게이지이다.

측정 방법

휘트스톤 브리지에 연결하여 측정한다. 보통 스트레인 게이지를 만드는 제조사나 데이터 수집 장치 (DAS, Data Acquisition System) 를 전문으로 만드는 회사에서 만드는 스트레인 게이지 전용 계측 장비 (DAS) 를 이용하면 된다. 이러한 DAS 장비안에 휘트스톤 브리지가 내장되어 있다. 그리고 이러한 DAS를 구동하는 소프트웨어 프로그램도 DAS 제조사에서 함께 제공되어서 대부분 복잡한 설정없이 쉽게 변형율 데이터를 실시간으로 측정할 수 있다. 단, 게이지의 게이지 팩터는 이 프로그램 안에 입력으로 넣어주어야 한다. 게이지의 저항은 대부분 DAS 기기에서 설정해주거나 저항에 맞는 DAS 기기를 구매해야 한다. 이러한 프로그램에서 시험 전에 초기값을 0 으로 보정하는 것이 대부분 필요하다. 스트렝니 게이지만을 지속적으로 측정하려면 게이지를 만드는 회사의 것을 사도 되지만 다른 물리량을 동시에 측정하려면 DAS 전문 회사의 것을 사용하는 것도 좋다.

보통 게이지의 두 개의 터미널에 리드선이 각각 1개씩 부터 2개의 리드선이 부탁되는데, 큰 온도 변화가 예상되거나 리드선이 매우 길 경우에 하나의 터미널에 두 개의 리드선을 연결하고 다른 하나의 터미널에는 하나의 리드선을 연결하여 사용하기도 한다. 리드선이 길면 리드선 자체의 저항을 고려해야 되기 때문이다. 그러니 쓸데없이 리드선을 길게하면 측정 오차범위를 증가시키게 된다.

분류 및 선택 가이드

스트레인 게이지는 여러가지 기준으로 분류할 수 있다. 분류 기준에 따라 여러가지 선택할 사항이 있다.

측정할 수 있는 축에 따라 1축, 2축, 3축으로 분류한다. 제조사의 스트레인 게이지 모델 번호로도 구분이 가지만 센서의 포일부의 형상을 보면 쉽게 알 수 있다. 맨 위의 그림이 1축 센서이며 이러한 포일 게이지가 3개 있으면 3축 센서이다. 혹은 리드선 (게이지에 연결되는 선) 의 개수로도 구분할 수 있다. 보통 포일 게이지 하나에 두 개의 선이 사용되는데 측정의 정확도를 높이기 위해 3개의 선이 사용되기도 한다. 3축 게이지의 경우는 보통 0, 45, 90 도 방향으로 변형율을 측정한다. 이 경우에는 몇 가지의 수식을 이용하여 주축과 주응력을 구할 수 있는 장점이 있다. 부가적으로 설명하면 일반적인 하중 상황에서 한 점의 2차원 응력을 모두 알려면 3 방향으로 변형율을 측정해야 한다.

제조사 모델에 따라 터미널에 측정선이 붙어 있는 경우도 있고 직접 납땜으로 붙여야 하는 경우도 있다. 직접 납땜으로 붙이는 작업은 매우 조심스럽고 지루한 작업이다. 잘 못하면 스트레인 게이지를 못쓰게 되거나 시험중에 터미널에서 측정선이 분리되는 경우가 있다. 그래서 그런지 측정선이 붙어있는 모델은 무척 비싸다 (귀찮거나 돈이 들거나).

게이지의 기본 저항값으로도 분류된다. 저항값은 일반적인 용도로는 120 옴을 많이 사용하고 센서류에는 350 옴이 많이 사용된다. 저항에 따라 계측기의 세팅이 바뀌거나 별도의 계측기가 필요할 수 있으므로 주의해야 한다. 저항이 크면 발열이 적고 노이즈에 덜 민감해서 정확한 측정이 되지만 게이지 크기가 커지고 가격이 비싸지는 단점이 있다. 

게이지의 열팽창 계수에 따라서도 구분되는데 측정대상물의 온도가 상온에서 변화가 적더라도 가능한 모재와 비슷한 열팽창계수를 가지는 것을 선정해야 한다. 열팽창계수는 11 (합금용), 16 (스테인리스 강용), 23 (알루미늄 합금용) x 1e-6/deg. C 의 여러가지가 있다.

게이지의 길이에 따라서도 분류되는데 주로 측정 대상물에 따라서 바뀐다. 몰타르나 콘크리트용은 길이가 30~120 mm 까지 길고, 일반적인 금속은 보통 1~6 mm 정도를 사용한다. 

게이지의 크기로도 분류된다. 게이지의 크기는 작을수록 붙이는데 유리하다. 측정부위가 굴곡이 심한 곡면이 많을 경우에 스트레인게이지를 붙이는 평평한 면이 적은 경우에 0.2~1 mm 작은 게이지를 사용한다.

특수한 용도로 환경에 따라 방수, 극저온용 (-269~0 도씨), 저온용 (-40~0 도씨), 고온용 (150~350 도씨), 극고온용 (350 도씨 이상), 수소환경용, 측정 목적에 따라 고변형용, 볼트 축력 측정용, 크랙 전파 측정용, 잔류 응력 측정용 등이 있다. 

게이지 자체의 변형율 측정 한계 (약 5%) 가 있다는 점과 수명이 있다는 것 (대게 수천만회) 을 주의해야 한다.

가격

가격은 제조사에 따라 수만원에서 수십만원 까지 할 수 있다. 물론 잘 찾아보면 더 싼 것도 있고 더 비싼 것도 있다. 

당연히 기능이 많아 질수록 비싸진다. 센싱부 크기가 작을수록, 측정 축이 많을 수록, 방수용, 극저온/고온용을 사면 더 비싸진다. 

접착시 주의점

보통 접착제를 이용해서 대상물에 붙이는데 제조사에서 추천하는 접착제와 경화시간 (보통 하루전) 을 사용하는 것이 좋다. 경화 시간이 짧을 경우에 스트레인 게이지가 떨어지는 경우가 종종 있는데 완전히 떨어져 육안으로 확인가능한 경우도 있지만 겉으로 봐서는 붙어 있는데 약하게 붙어있어 변형율이 제대로 측정 안되는 경우가 있다. 그리고 시험 초기에는 붙어 있다가 하중을 서서히 증가시켜 어느 정도 변형이 커진 시점에서 대상물과 떨어지는 경우가 있다. 

붙이는 위치는 응력 구배 (stress gradient)가 적은 곳 (쉽게 말해 공간상에 변형율 변화가 적은 곳) 에 붙이는 것이 좋다. 응력 구배가 심한 곳에 붙이게 되면 게이지의 크기를 가능한 작게 하는 것이 좋다. 응력 구배가 큰지 작은지를 측정 전에 알기 위해서는 별도로 구조해석을 수행하거나 이것이 어려운 경우에는 경험에 의존하는 수밖에 없다. 보통 집중 하중 부근이나 형상의 변화가 큰 곳에 응력 구배가 큰 응력 집중 부위가 생기게 된다.

또한 게이지를 대상물에 붙이다 보면 제품의 형상이나 작업자의 실수로 정확히 축을 정렬하지 못하는 경우가 있다. 가능한 붙일 때에 잘 붙이는 것이 좋긴하나 일단 잘 못 붙인 경우에는 간단한 수식을 이용해서 후보정을 할 수도 있다.

대부분의 제조사에서는 붙이는 방법에 대한 별도 설명서가 있다. 붙이는 과정은 보통 세척제를 이용하여 표면에 유분을 제거하고 샌드페이퍼를 이용해서 조도를 높인 다음에 붙인다.

부착시 메뉴얼

제조사나 대리점

유명한 제조사들은 일본, 독일, 미국 등에 아래와 같은 회사가 있다 (국내에 대리점이 없는 회사도 있다) 

해외 생산품의 국내 대리점은 여러 곳이 있다. 한국에도 제조사가 있는지는 잘 모르겠다. 

HBM, BCM sensor, VISHAY, Omega, Kyowa, TML (Tokyo Sokki Kenkyujo)

링크

기술자료 정리가 잘된 곳 

http://www.kyowa-ei.com/eng/technical/index.html

http://www.leeyo.pe.kr/

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