STRAIN-GAUGE

기술자료 [기초지식]

STRAIN GAUGE 의 원리 및 종류

gsk123@rist.re.kr/포항

1. STRAIN GAUGE의 원리 개요

Strain Gauge는 기계적인 미세한 변화(Strain)을, 전기신호로 해서 검출하는sensor 이다. Strain Gauge를 기계나 구조물의 표면에 접착해두면, 그 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화, 즉 Strain을 측정하는 것이 가능하고, 그 크기로부터 강도나 안전성의 확인을 하는데 중요한 응력을 알 수 있다.
최근 기계나 구조물에서는 안전에 대한 관심이 한층 더 높아지고, 고온, 저온 등에서의 악조건에서 사용되는 기회도 많고, 또 경제성이나 성능면으로부터는 경량화가 요구되어 지고, 서로 모순되는 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 보다 고도의 설계기술이 요구되어 지고 있다.
이러한 설계검증을 위하여 응력측정의 중요성은 한층 높게 되어 자동차, 항공기는 물론 교량, 땜등의 거대한 구조물에 이르기까지 Strain Gauge는 넓게 이용되고 있다.
또strain Gauge는 힘, 압력, 가속도, 변위, Torque등의 물리량을 전기신호로 바꾸기위한 Sensor의 수감 소자로도 응용되고, 실험, 연구뿐 아니라 계측제어용으로도 널리 이용되고 있다. 이러한 Strain Gauge는 일본에서도 생산을 시작한지 40여년이 되었고 미국이나 유럽도 이보다 조금 빠르게 생산을 했으며 우리나라는 현재 조금씩 개발이 되었으나 그 신뢰성이나 시장이 형성되지 못하고 크게 생산을 못하고 있으나 향후를 내다보고 국내,외 시장을 내다보고 자본력이 있는 중소기업에서 투자가 필요하다.

현재의 Strain Gauge기술은 풍부한 경험과 기술을 바탕으로 다양한 환경에 대응하기 위해 많은 종류의 성능이 우수한 Strain Gauge를 제조하고 있다.

2) STRAIN GAUGE의 원리

1.금속은 신축 하므로서 저항치가 변화한다.

Strain Gauge는 금속저항소자의 저항치 변화에 따라, 피측정물의 표면의 변형을 측정하는 것이다.
일반적으로 금속재료의 저항치는 외부로 부터의 힘에 따라 늘어나면 증가하고 압축되면 감소하는 성질을 가지고 있다.
예를 들면 최초의 길이ℓ의 물체가δℓ만큼늘어났다 하고 최초 R이었던 저항치가 Δr만큼했다고 하면 다음과 같은 관계가 성립된다.
Δr/R = Ks.Ε
Ks는 Gauge율 이고, Strain Gauge의 감도를 나타내는 계수이고, 일반용의 Strain Gauge에 이용되고 있는 동,니켈계,니켈과크롬계합금에서는 2에 가깝게 값이 되어 있다.

2.Strain Gauge 각부의 명칭

3.Gauge는 Strain접착제로 피측정물의 표면에 붙혀서 사용한다.

Strain Gauge는 박판 과 선등이 저항재료를 격자상에 정밀가공해서 수지등의 Base에 부착한 것이고 접착제로 피측정물에 부착해서 사용한다. 피측정물에서 발생한 Strain을 Gauge에 확실이 전달하기 위해서는 사용조건에 맞는 접착제를 바르게 선택해서 사용하는 것이 필요하다.

4.순간접착제를 사용해서 붙이는 예

5.Strain Gauge는 휘스톤 브리지회로를 구성하여 사용한다.

접착된 Strain Gauge가 Strain ε를 받은 경우에 발생하는 저항치 변화는 극히 작고 예를들면 Gauge율이 2인strain Gauge에 1000×10e-6의 Strain(1m길이의 재료가 1mm변화됐을 때의 Strain이고, 강재의 경우 약21kgf/㎟의 응력에 상당)이 주어졌을 경우 저항치는 120ω의 Strain Gauge이고 Δr은0.24ω에 지나지 않는다.
이렇게 작은 저항치변화를 효율적으로 잘 전기신호로 전환시키기위해 Strain Gauge는 통상 휘스톤 브리지 회로에 넣어서 사용한다. 이 경우 브리지회로를 꾸미기에 따라서 온도에의 영점이동을 제거하기도 하고, 측정하고 싶은 신호만을 얻을 수도 있다.

6.전기신호를 증폭해서 Data를 얻는다.

휘스톤 브리지의 출력전압은 통상 극히 작기때문에 증폭기에서 1000~10000배로 증폭시켜야 읽을 수 있다.
Strain측정기에는 이러한 기능이 포함되어있다. 시간적으로 Strain의 변화가 늦은 정strain측정의 경우에는 통상측정치를 디지털로 표시시키기도하고, 프린터로 출력하기도 한다. 또 진동이나 충격등 시간적으로 빠른 현상을 다루는 동strain측정의 경우에는 기록기에 한번기록한후 Pc를 이용해서 Data의 처리 해석을 수행하는 경우가 많다.

3) STRAIN GAUGE의 종류

1.일반용 Gauge

주로 금속재료의 상온부근에서의 Strain측정에 사용하는 것으로 판gauge와 선gauge가 있다. 판gauge는 두께가 Μ단위의 저항판(주로 동,니켈계 합금)수지필름의 Base에 접착시키고 포토에칭기술에 의해 가공되어 지기 때문에 치수가 정확하고 저cost의 제조가 가능한 이점을 가지고 있다.
일반적으로 사용되고 있는 Gauge는 거의다 이형식의 Gauge이고 그종류도 용도에따라 다양하고 풍부하다. 특히 Kwowa의 Kfg Serise의 판gauge는 Base가 얇고 붙이기쉽고 내습성이 우수하기 때문에, 현장에서 응력측정에 적당하다.
Gauge붙이는 작업의 간략화를 위해 리드선이 부착된 Gauge가 많이 이용된다. 선gauge는 Strain Gage보급 초기에 주로 사용되었고 직경 13~25㎛의 저항선(주로 동,니켈계 합금)을 격자상으로 가공해서 Base에 부착시킨 것이고 현재는 콘크리트용등 일부에 사용되어 지고 있다.

2.반도체 Gauge

실리콘등의 반도체의 단결정을 저항소자에 사용한 것으로서 Gauge율이 일반용 게이지의 수십배이고, 미세한strain의 검출이나 고감도 Sensor의 제작에 적합하다. 또충격등 빠른현상을 계측하는 경우등 증폭기 없이도 측정이 가능하다. 그러나 온도영향이 크고, 출력의 직선성이 별로 좋지 않은등의 결점도 있다

3.특수 Gauge

일반용 Gauge외에 있을 수 있는 용도에 부응하기 위하여 각종의 특수용도로 제조된 Gauge이다. 그종류로는 잔류응력측정용 Gauge/고온용 Gauge/저온형 Gauge/큰strain Gauge/복합재료,프라스틱용gauge/항자성용 Gauge/Bolt축력 측정용 Gauge 등이 있다.

4.자기 온도보상형 Gage

Strain Gage는 통상 온도변화에 따라서 영점이 이동하는 성질을 가지고 있고, 이것이 측정오차에 큰원인이 된다.
당사의 Strain Gage는 거의가 자기 온도보상형 Gage로 되어있고, 이것은 적합한 선팽창 계수에 맞게 제어된 저항재료를 사용한 것이고, 적합재료에 접착된 경우에 온도에 따른 변화를 보면 자기온도보상 범위에 있어서 큰부분이 ±1.8×10e-6 Strain/℃이다.(단 2선 리드선type의 Gage의 경우에는 리드선의 온도 여향이 있으므로 3선의 리드선type을 권한다.)

4) Strain Gauge식 변환기(센서류)

Strain Gauge식 변환기는 Strain Gauge를 힘→전기량의 변환의 원리를 이용하여 각종물리량(하중,압력,가속도,진동,변위,Torque,등)을 전기적인 출력으로 변환하여 사용한다.
전기량출력은 측정목적에 맞게 각종 측정기기접속 사용하여 물리량을 표시, 기록, 제어할 수 있다. 변환소자에 Strain Gauge를 사용하기 때문에 변환기는 소형경량,기계적변위가 궁극적으로 작아지고 구조가 Simple해서 직선성(Linearity)이 우수하다. 변환기 자체의 성능향상, 주위기술의발달, 자동화 기술등의 발달로 실험, 연구용으로 많이 이용되고 있다.
Strain Gauge식 변환기에 는 압축, 인장등의 힘을 검출하는 Load Cell, 물,기름,공기등의 압력을 검출하는 압력변환기, 충격이나 진동가속도를 검출하는 가속도변환기 또 각종 시험기에 이용되는 변위변환기, 회전체의 비틀림 Torque검출을 위해 Torque검출기, 자동차시험용의 변환기, 토목, 건설용의 토압응력, 등의 많은 측정용 변환기들이 있다.