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스트레인 게이지 선택 방법

스트레인 게이지 변형은 가해진 힘으로 인하여 소재의 형태에 변화가 생기는 것이며 길이의 변화에 의하여 측정됩니다. 늘어나거나 줄어들 수도 있습니다. 스트레인 게이지 Strain Gage 는 변형에 비례하여 변화되는 전기 저항 값을 보여주는 압력센서입니다. 변형은 압력, 온도 또는 구조적 변화를 포함하는 여러 가지 내부 및 외부 영향에 의하여 발생할 수 있습니다. 가장 흔하게 사용되는 게이지는 결속형 금속 스트레인 게이지인데 이는 격자 형태로 조립된 가는 전선 또는 호일로 이루어져 있습니다. 이러한 격자는 시험용 표본에 결속되어 부하 적용 시 발생하는 길이의 변화를 감지합니다. 이는 저항의 변화로 이어지고 저항의 변화는 전기 회로에 의하여 측정됩니다. 균일하지 않은 재질의 물체, 불균일 소재(Inhomogeneous Material)의 변형 측정 시에는 이러한 변형 측정에 있어 정확도가 문제가 될 수 있습니다. 이제 측정 대상의 특징에 따른 스트레인 게이지 종류 선택에 대해 알아보도록 하겠습니다.

측정 대상 소재에 따른 게이지 선택

최근까지 대부분의 변형 측정은 강철 및 알루미늄 합금과 같은 금속에 적용되었습니다. 요즘은 그러한 금속이 고분자 및 합성물로 교체되는 경향이 있으며 이러한 경향은 충분히 다른 기계적, 열 및 화학적 특성을 가진 강화 플라스틱의 사용 증가를 초래하였습니다. 금속과 고분자의 물성에 있어 가장 주된 차이는 탄성계수에 있습니다. 고분자 또는 플라스틱 합성소재는 섬유재료 및 강화 정도에 따라 금속보다 두 배 이상의 탄성계수를 가질 수 있습니다. 그 결과 이러한 불균일 소재의 변형 측정값은 금속에 비해 상당히 크며 보통 특수한 스트레인 게이지 결속 및 배선 기술을 필요로 합니다.

고분자 합성물질의 열 전도는 금속보다 100배 가량 낮습니다. 시험용 표본과 게이지에 변형이 이루어지면 게이지 저항은 변형에 반응하여 변하고 교정된 전압 오프셋을 만들어냅니다. 높은 저항을 가진 스트레인 게이지는 생성된 전압에 비하여 더 낮은 열을 발생시킵니다. 그러나 고분자 합성물질은 열을 잘 전도하지 못하며 열이 게이지 내부에 축적되도록 합니다. 이러한 온도의 상승은 저항의 상승을 가져오고 그 뒤에 변형 측정에 있어 오류가 발생하게 됩니다. 일부 경우 이는 온도 보상을 필요로 할 수도 있습니다.

일부 불균일 소재들은 흡습성을 가지며 수분량이 변함에 따라 팽창 또는 수축하게 됩니다. 이러한 치수상 변동은 열 출력과 구분되지 않으며 잘못된 변형 측정을 초래합니다. 플라스틱 합성물질은 흡습성에 있어서 상당한 차이를 보입니다. 예를 들어 아크릴산 플라스틱은 습기를 흡수하는 경향이 큰 반면 폴리에틸렌은 실질적으로 습기를 흡수하지 못합니다. 목재는 습기 흡수가 취약한 또 다른 불균일 소재입니다. 목재는 대기 변화에 따라 팽창 및 수축합니다. 추가적으로 건조 중에 발생하는 수축은 결을 가로지르는 방향보다 결과 평행한 방향에서 좀 덜 발생합니다. 이는 사용중인 게이지와 보상 게이지 모두에 대한 대기 환경을 일관되게 제공하는 것뿐만 아니라 보상 스트레인 게이지를 위한 적절한 표본 선택의 필요성을 강조합니다.

측정 대상에 따른 스트레인 게이지 그리드 길이

게이지 길이는 격자의 수용구역으로 정의됩니다. 납땜 탭과 종단 루프는 상대적으로 큰 크기의 단면적과 낮은 전기 저항으로 인하여 게이지의 변형 감지 구역으로 간주되는 부분에서는 제외됩니다. 스트레인 게이지의 길이는 보통 표본과 예상되는 변형 분포의 크기 및 형태에 근거하여 선택됩니다. 게이지 길이는 또한 변형 측정의 정확도에 있어 필수적인 역할을 합니다. 길이가 0.125 인치 이상인 스트레인 게이지는 보통 더 높은 안정성과 더 넓은 측정 범위를 제공합니다. 추가적으로 더 큰 게이지는 격자 구역 단위당 더 낮은 전력량을 가지기 때문에 더 나은 열 방산을 제공합니다.

게이지 길이는 또한 강화 플라스틱 및 콘크리트와 같은 불균일 소재의 변형 측정에 있어 중요한 고려사항입니다. 변형 측정이 해당 구조의 대표성을 가질 수 있도록 불균열성의 크기에 따라 길이는 길어져야 합니다. 불균일 소재의 측정은 보통 전체 소재의 주변부에서 발생하는 불일치보다는 평균적인 변형을 구하게 됩니다.

게이지 패턴

올바른 게이지 패턴을 선택하는 일은 변형 측정의 최적화에 있어 아주 중요합니다. 게이지 패턴은 격자 및 납땜 탭의 설정을 지칭합니다. 적용 분야에 따라 격자의 폭이 좁거나 넓을 수 있습니다. 격자 폭이 좁으면 게이지에 수직으로 정렬된 변형 증감률의 평균 오차를 최소화하는 반면 격자 폭이 넓으면 낮은 열 전달 속성을 보이는 표본의 열 방산을 촉진시켜 줍니다. 납땜 탭 설정은 설치 크기 및 위치와 일치하고 연결은 도선으로 이루어져야 합니다.

종종 동일한 게이지 패턴이 서로 다른 저항값, 가장 흔하게는 120옴과 350옴을 나타내게 됩니다. 저항 게이지가 높아지면 생성되는 열의 양이 줄어들고 도선 및 기타 저항 변화 원인으로부터의 신호 잡음을 줄여주기 때문에 높은 저항 게이지가 가장 선호됩니다.

접착제

TT300, SG401, SG496 스트레인 게이지 접착제
TT300, SG401, SG496 스트레인 게이지 접착제
접착제는 필연적으로 측정 장치의 일부가 되기 때문에 접착제의 선택은 스트레인 게이지의 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 그러므로 게이지 제조사가 권장하는 접착제를 사용하는 것이 좋습니다. 실내 온도를 보존하는 에폭시 접착제는 합성물질과 같은 대부분의 불균일 소재에 대하여 사용 가능합니다. 다양한 조성으로 사용 가능하며 온도, 시간 및 신장 성능에 있어서 변화를 줄 수 있는 특성을 가집니다. 접착용 합성시트에 에폭시를 가하는 경우 여기서 사용되는 에폭시는 게이지 접착을 위한 좋은 선택이 될 수 있습니다. 크리프를 최소화하기 위하여 보통 필러가 포함되지 않은 접착제가 선호됩니다. 그러나 블균형한 표면을 만들어내는 섬유질 합성소재는 결속 시 어려움을 가져올 수 있습니다. 그러한 경우 필러가 포함되지 않은 접착제로 표본을 게이지에 결속하기 전에 부분적으로 필러가 포함된 접착제를 적용하여 표변을 반듯하게 할 수도 있습니다.

불균일 소재용으로 설계된 스트레인 게이지

SGD-30/120-LY40 스트레인 게이지
SGD-30/120-LY40 긴 길이의 스트레인 게이지
오메가®의 SGD-30/120-LY40은 블균형 소재를 위하여 특별히 설계된 특대 스트레인 게이지입니다. 격자의 크기는 25mm x 8mm이며 짐판의 크기는 40mm x 12mm입니다. 명목상 저항은 120옴이고 납땜 패드로 마무리 됩니다. 콘스탄탄 호일이 격자 형성에 상용되었고 격자는 폴리이미드 짐판 안에 밀폐되어 있습니다. 오메가의 SGD-30/120-LY40은 초정밀 정적 및 동적 측정을 제공하는 신축적인 고성능 장치입니다.

SGD-30/350-LY40 스트레인 게이지는 SGD-30/120-LY40과 동일한 품질의 소재로 만들어집니다. 50mm의 길이는 불균일 소재의 변형 측정 정확도를 개선시켜줍니다. 격자의 크기는 30mm x 3mm이고 짐판의 크기는 36mm x 5mm입니다. SGD-30/350-LY40의 명목상 저항은 350옴입니다. 이 선형 패턴 스트레인 게이지는 단일 방향의 변형을 측정하도록 설계되었습니다.

긴 길이의 스트레인 게이지

SG1-KIT Strain Gage Application Kit
SG1-KIT 스트레인 게이지 접착용 키트
긴 길이 또는 넓은 면적의 스트레인 게이지는 불균일 소재의 변형 측정에 있어서 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 더 넓은 측정 면적을 지원하고 그에 따라 소재 구조를 더 잘 대표할 수 있습니다. 추가로 더 넓은 표면적은 더 안정적인 측정값을 전달하기 위한 열 방산을 촉진시킵니다.

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