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본 문서는 “가장 일반적인 측정을 위한 How-To 가이드” 리소스 입문의 일부입니다.
스트레인 및 스트레인 게이지 개요
스트레인은 가해진 힘에 의한 물체의 변형 정도를 의미합니다. 더욱 구체적으로, 스트레인 (e)은 그림 1에서와 같이 길이의 변화 정도로 정의됩니다.
그림 1. 스트레인의 정의
스트레인을 측정하는 방법에는 다양한 방법이 존재하지만 가장 일반적인 방법은 스트레인 게이지로 측정하는 것입니다. 스트레인 게이지는 대상 물체의 변화하는 스트레인 양에 비례하여 전기 저항이 달라지는 디바이스입니다. 가장 널리 사용되는 게이지는 금속 결합된 스트레인 게이지입니다.
금속 스트레인 게이지는 극세 와이어, 또는 격자형 방식으로 정렬된 금속 호일로 구성되어 있습니다. 격자형 방식은 평행 방향으로 금속 와이어 또는 호일의 변형되는 양을 극대화합니다. (그림 2) 그리드는 캐리어(carrier)에 결합되어 있으며, 테스트 표본에 직접 부착되어 있습니다. 따라서, 테스트 표본의 스트레인이 스트레인 게이지로 직접 전달되며, 이는 전기 저항에서 선형적인 변화로 나타납니다. 상용 스트레인 게이지는 30 ~ 3000 Ω 저항 값으로 사용가능하며 그 중 가장 보편적으로 사용되는 값은 120, 350, 1000 Ω입니다.
그림 2. 결합된 금속 스트레인 게이지
일반적인 센서 핀아웃
실제로 스트레인 측정은 수 밀리 스트레인 (e x 10-3) 이상의 양에는 사용되지 않습니다. 따라서, 스트레인 측정은 저항의 매우 작은 변화를 정확하게 측정해야 합니다. 이렇듯 저항의 작은 변화를 측정하기 위해서 스트레인 게이지는 대부분 전압 공급 소스가 있는 브리지 구성과 함께 사용됩니다. 그림 3에 설명된 일반적인 휘트스톤 (Wheatstone) 브리지는 전압 (VEX)이 있는 4개 암들 (resistive arms)로 구성되며 전압은 브리지에 적용됩니다.
브리지의 출력 전압인 VO는 다음과 같습니다.
그림 3. 휘트스톤 브리지 구성
본 등식에서 R1/R2 = R4/R3이면 전압 출력(VO)은 0입니다. 이 조건하에 브리지는 균형을 맞추게 됩니다. 브리지의 모든 암에 저항의 변화가 있으면 그 결과로 출력 전압은 0이 아닌 값이 나옵니다.
따라서 그림 3에서 R4를 활성 스트레인 게이지로 대체하면 스트레인 게이지 저항에 가해진 변화는 브리지의 불균형을 야기하며 따라서 출력 전압이 0이 아닌 값이 발생합니다. 스트레인 게이지의 저항이 RG이면 스트레인으로 인한 저항의 변화는 DR이며, DR = RG*GF*e로 표현됩니다. R1 = R2 그리고 R3 = RG라고 가정하면 브리지의 등식은 VO/VEX로 다시 표현됩니다. (그림 4)
그림 4. 쿼터 브리지 회로
여러분은 스트레인 게이지의 저항이 가해진 스트레인에 따라서만 변화하기를 기대할 것입니다. 그러나 스트레인 게이지를 포함한 모든 표본 물질은 온도의 변화에 반응합니다. 그래서 스트레인 게이지 제조업체들은 게이지의 물질을 처리하여 열 팽창을 보상함으로써 온도에 대한 민감도를 최소화 합니다. 보상된 게이지가 열 민감도를 감소시킬 수는 있지만 완벽하게 제거하지는 않습니다.
브리지에서 두 개의 스트레인 게이지를 사용하면 온도 효과를 더욱 최소화할 수 있습니다. 한 예로 그림 5는 활성화된 게이지 (RG+ DR)와 가로로 놓여진 다른 게이지 구성입니다. 따라서 스트레인은 두 번째 게이지에 영향을 거의 주지 않습니다. 이 게이지는 더미 게이지라고 부릅니다. 그러나, 모든 온도 변화는 같은 방식으로 두 개의 게이지에 영향을 줍니다. 온도 변화는 두 개의 게이지에 동일하게 적용되므로, 저항의 비율은 변하지 않고 전압 (VO)도 변하지 않으며 온도 변화의 영향도 최소화됩니다.
그림 5. 온도 영향을 제거하기 위해 더미 게이지 사용
하프 브리지 (Half-bridge) 구성에서 두 개의 게이지를 활성화시켜 스트레인에 대한 브리지의 민감도를 두 배로 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어, 그림 6은 하나의 브리지가 응력 (RG + DR), 다른 하나는 응압 (RG + DR)에 있는 어플리케이션입니다. 하프 브리지 구성 (그림 6 다이어그램 참조)은 선형이며 쿼터 브리지 회로 출력을 약 두 배로 만드는 출력 전압을 생산합니다.
그림 6. 하프 브리지 회로
마지막으로 브리지 암 4개 모두를 풀-브리지 구성에서 활성화된 스트레인 게이지로 만들어 회로의 민감도를 더욱 증가시킬 수 있습니다. 풀 브리지 회로는 그림 7에서 볼 수 있습니다.
그림 7. 풀 브리지 회로
따라서 단일 암은 쿼터 브리지 회로에서 활성화된 스트레인 게이지, 2개 암은 하프 브리지 회로에서 활성화된 스트레인 게이지, 그리고 모든 4개의 팔은 풀 브리지 회로에서 활성화된 스트레인 게이지가 됩니다.
스트레인 게이지는 극성을 갖고 있지 않지만 세 가지 종류 중 어떤 것을 사용하는가에 따라 측정 하드웨어에 적용해야 할 몇 가지 다른 연결 방법이 있습니다. 내용은 아래와 같습니다.
스트레인 게이지 측정 방법
대부분의 스트레인 게이지 측정 솔루션은 쿼터, 하프, 풀 브리지 구성을 측정하기 위한 옵션을 제공합니다.
NI 9237 4-채널 동시 브리지 C 시리즈 모듈이 있는 NI CompactDAQ 시스템을 생각해 보십시오. 그림 8은 쿼터 브리지 구성의 스트레인 게이지를 본 모듈에 연결하기 위한 연결 다이어그램입니다.
쿼터 브리지 게이지의 한 쪽을 모듈의 CH+ 터미널로 연결하고 다른 쪽을QTR 터미널로 연결합니다. 모듈의 EX- 터미널은 쿼터 브리지 구성으로 인해 연결되지 않았으며, R3는 이 측정 하드웨어에 대한 내부입니다. (그림 8)
그림 8. 쿼터 브리지 구성의 와이어링
하프 브리지 구성을 위해 스트레인 게이지의 두 개의 전원 라인을 모듈의 EX+ 및 EX- 터미널에 연결합니다. 마지막으로 두 개의 활성화된 요소의 일반 포인트간 와이어를 측정 모듈의 QTR 터미널에 연결합니다. (그림 9)
그림 9. 하프 브리지 구성의 와이어링
풀 브리지 구성에서 측정을 위해 R1과 R4간의 일반 포인트를 EX+로, R2 및 R3간의 일반 포인트를 EX-로 연결합니다. 또한 R3 및 R4간 일반 포인트를 CH+에 연결하고, R1 및 R2간 일반 포인트를 CH-에 연결합니다. (그림 10)
그림 10. 풀 브리지 구성의 와이어링
측정 결과 보기: NI LabVIEW
이제 센서를 측정 디바이스에 연결하였으므로, 데이터를 컴퓨터로 전송하여 그래픽 프로그래밍 언어인 LabVIEW로 시각화를 진행할 수 있습니다.
LabVIEW 환경 내의 차트 인디케이터상에 측정된 스트레인 데이터가 디스플레이되는 것을 그림 11에서 확인하실 수 있습니다.
그림 11. 스트레인 측정 데이터를 디스플레이하는 LabVIEW
권장 하드웨어 및 소프트웨어
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