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[공학]스트레인 게이지

구조체의 변형되는 상태와 그 양(量)을 측정하기 위하여 구조체 표면에 부착하는 게이지를 말기본적인 스트레인 게이지의 기본 구조와 기능상 주요 부분에 대해서 살펴보기로 하겠습니다. 스트레인 게이지는 크게 Strain Sensing Alloys부와 Backing부, Tab부로 이루어져 있으며 그 기능은 다음과 같습니다.Strain Sensing Alloys실제적인 변형량을 감지하는 부분으로 여러 가닥의 저항선으로 구성되어 있어 변형량을 증폭할 수 있도록 되어 있으며, 감지부의 저항선은 Wire 방식이나 Foil 방식으로 되어 있습니다.. 그 재질은 용도에 따라서 Constantan(Ni+Cu),Nichrome(Ni+Cr),Manganin(Ni+Cr+Cu),Karma(Ni+Cr+Al+Fe), Lsaclastic(Ni+Cr+Fe+Mo), 순수 Nickel, Platinum, Soft Iron, Copper등이 있습니다. 하지만 가장 보편적으로 쓰는 재질은 니켈, 구리 합금인 Constantan을 많이 쓰고 있죠. 초대 변형율은 6%정도이고 Gage factor는 2.0~2.1정도입니다.BackingStrain Sensing Alloys부의 형상을 유지시켜주고, 측정대상에 접착하기 용이하도록 하며, 측정물과의 절연 기능을 맡고 있습니다. 재질은 Polyimide나 Epoxy등이 있습니다. 두께는 12~50㎛ 정도입니다. 또한 이재질은 감지부의 정항선을 보호할 수 있도록 보호막으로 코팅하는데도 이용합니다.Tab터미널부에 결선을 용이하게 할 수 있도록 저항선보다 넓은 면으로 되어 있으며, 이곳에 납땜을 합니다.기타게이지를 붙일 때 수평 수직방향을 가늠할 수 있도록 Triangles grid center alignment marks가 있습니다. 45° 각도를 유지하는 alignment marks가 있습니다.먼저 측정하고자 하는 대상과 스트레인 게이지가 서로 일체가 되도록 붙어있다고 하면 측정대상이 변형을 일으키면 그만큼 스트레인 게이지도 변형을 일으키게 됩니다. 이런 게이지의 변형 값은 결국 저항의 변화로 Wheastone Bridge회로로 구성된 실험장비의 평형을 깨뜨려 전압의 변화를 발생하게 됩니다. 그럼 우리는 그 변화된 전압 값을 수치적 연산을 가미하여 우리가 얻고자 하는 응력의 변화 값으로 나타낼 수 가 있습니다. 즉 저항의 변화 값과 변형 값은 서로 비례한다는 것입니다. 정확히 말하면 다음과 같은 결과가 성립한다는 것입니다. , 여기서 R은 저항 값, L은 길이, ε은 변형율, K는 Gage Factor 그럼 수식을 조금 써가며 측정 원리를 설명하겠습니다. 우선 위 그림에서 접점 A와 C의 전위차와 접점 B와 D의 전위차와 관계를 다음과 같습니다. 여기에서 거의 모든 계측장비들은 결과 적으로 전압의 변화를 서로 주고 받게 되므로 저항과 변형율과의 관계를 고려하여 다음과 같이 표현하죠., 여기서 ε은 각각의 변형율의 합과 차입니다.Wheastone Bridge에 쓰이게 되는 스트레인 게이지의 사용개수에 따라 1개를 사용할 경우 1/4인 Quarter Brige, 2개를 사용하는 Half Bridge, 4개를 사용하는 Full Bridge라고 합니다. Full Bridge방식을 쓰지 않을 경우 나머지 저항들은 보통 앰프에 내장되어 있는 Dummy을 쓰게 됩니다.Quarter Bridge◆ 앰프 내장형 더미 게이지를 쓸 경우◇ 2선 방식간단한 실험의 경우나 교육용 실험의 경우에 사용하는 방식입니다.◇ 3선 방식측정대상과 계측 장비 특히 앰프와의 거리가 멀 경우 즉 도선 저항을 무시할 수 없을 때 사용하며, 특별한 경우가 아니라면 이 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 예를 들어 게이지를 붙이는 과정이나 결선 과정, 도선 저항등에 의해 최초 게이지 사양에 명시된 저항 치를 초과하게 되는데, 이때 대부분의 앰프는 이러한 결과를 조정할 수 있도록 Balancing기능이 있어 어느 정도 조정할 수 있지만 이를 초과할 경우 즉, 측정시 측정대상의 변형 결과 값이 커 제품의 사양에 명시된 Range(보통 ±5V 아니면 ±10V)를 벗어나 초과된 측정치가 앰프상에서 잘려 나가는 결과를 초래할 수 있습니다. 그래서 조금이나마 최초 게이지 저항 값에 따른 평형상태를 벗어나지 않도록 최소한의 저항 값을 유지하게 위해서 이 방법을 쓰게 됩니다. 저도 처음에는 2선방식이 편리하여 사용했지만 실험 중에 결과 값이 여러 원인으로 Over flow되는 경우가 발생하여 쓰게 되었습니다.◆ 외부 더미 게이지를 쓸 경우특수한 환경(온도, 압력등)에서 실험할 경우 사용하는 방법으로 위에서 설명한 3선방식보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있지요. 예를 들면 윤활유로 채워진 기어 박스내부의 특정 하중에 의한 응력만을 측정하고자 한다면 실험을 하는 동안 기어를 비롯한 회전부의 마찰열로 인해 온도가 상승하게 되는데 이때 연속으로 데이터를 얻어야 할 경우 측정대상이 열적 변형으로 인해 추가된 응력 값을 얻게 될 것이기 때문에 그 만큼의 절대치의 차를 알 수 가 없습니다. 물론 온도 보정을 하면 되지만 실시간으로 처리하는 데이터의 경우 신뢰성이 떨어질 수가 있겠죠. 실험을 한번 해보면 확실히 알 수 있습니다.Half Bridge그림의 외팔 보처럼 평균 응력을 측정하고자 할 때 그 두께에 따라 굽힘 응력과 압축 응력 값이 다를 경우나 굽힘 응력이나 압축 응력 중에서 폭 방향이나 길이 방향 값만을 얻고자 할 경우 등에 사용할 수 있습니다.Full Bridge그림에서 외팔보의 경우와 같이 폭 방향에 대한 균일한 하중이 작용하지 않을 때 그 평균값을 얻고자 할 때나 인장을 받는 봉의 경우 Poisson's Ratio를 고려하여 측정하고자 할 때, 축의 토크를 측정시 오로지 회전 방향의 하중에 따른 토크만을 측정하고자 할 경우 예를 들면 회전축의 토크를 측정시 회전력을 전달하는 하중뿐만 아니라 베어링이나 커플링, 축 정렬 오차등에 의해 굽힘 하중등이 발생하게 되는 데 이를 제거하여 회전력만을 측정할 수 있도록 하는 경우에 사용할 수 있습니다.1. 먼저 측정하고자 하는 대상의 표면을 깨끗하게 합니다. 여기서는 측정대상을 직사각형의 얇은 판을 대상으로 사용해 보겠습니다. 붙일 곳에는 여러 가지 이물질들이 묻어 있겠죠. 이러한 이물질들을 제거하기 위해서 그림처럼 Degreaser를 뿌린 후 거즈를 사용하여 닦아 냅니다.2. 표면의 이물질을 제거했으면 이제 200grit와 320grit, 400grit의 사포를 이용하여 표면을 매끈하게 연마하는데 좀 지루하더라도 반질 반질 할 정도로(기계가공면이 보이지 않을 때까지) 문지릅니다. 문지를 때는 M Prep A Conditioner를 적당량 뿌리고 한쪽방향으로만 문질러야 합니다. 작업이 끝났으면 중화제를 뿌리고 면봉과 거즈를 이용해서 깨끗이 닦아 줍니다.3. 표면을 매끈하게 했으면 이제 게이지를 붙일 곳의 위치를 표시해야 하는데, 연필이나 송곳등으로 표시를 합니다. 표시를 하고 난 후는 표면에 중화제(M-Prep Neutralizer 5A) 뿌리고 면봉으로 깨끗하게 닦아냅니다.4. 깨끗한 유리판위에 접착할 게이지를 올려놓는데, 접착될 면이 밑으로 가도록 합니다. 게이지가 손상되지 않게 조심스럽게 놓아 두었으면 터미널을 같이 접착해야 하는데 거리는 2mm 내외로 측정할 부위의 기하학적 조건을 고려해서 위치 시킵니다. 둘 다 위치 시켰으면 그 위에 Cellophane Tape을 사뿐히 붙인 후, 다시 측정할 시편에 옮겨 붙여야 되는데, 떼어낼 때는 항상 게이지에 손상이 가지 않도록 유리판과 테이프가 30°를 유지하도록 하며 유리판에 수직으로 잡아 당겨 떼어 내야합니다.

공학/기술| 2006.05.24| 4페이지| 1,000원| 조회(677)

스트레인게이지, 스트레인, Strain, 변형률, 게이지

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