스트레인 게이지

전도성 금속 스트립이 늘어나면 더 가늘고 길어지며 두 가지 모두 변경되어 종단 간 전기 저항이 증가합니다. 반대로, 전도성 금속 스트립이 압축력을 받으면(좌굴 없이) 넓어지고 짧아집니다. 이러한 응력이 금속 스트립의 탄성 한계 내에서 유지되면(스트립이 영구적으로 변형되지 않도록) 스트립을 물리적 힘의 측정 요소로 사용할 수 있습니다. 가해진 힘의 양은 저항을 측정하여 추론할 수 있습니다.

스트레인 게이지란 무엇입니까?

이러한 장치를 스트레인 게이지라고 합니다. . 스트레인 게이지는 기계 공학 연구 및 개발에서 기계가 생성하는 응력을 측정하는 데 자주 사용됩니다. 항공기 구성 요소 테스트는 응력을 측정하기 위해 구조 부재, 연결 장치 및 기체의 기타 중요한 구성 요소에 접착된 작은 스트레인 게이지 스트립인 응용 분야 중 하나입니다. 대부분의 스트레인 게이지는 우표보다 작고 모양은 다음과 같습니다.

스트레인 게이지의 도체는 매우 얇습니다. 원형 와이어로 만든 경우 직경이 약 1/1000인치입니다. 또는 스트레인 게이지 도체는 캐리어라고 하는 비전도성 기판 재료에 증착된 금속 필름의 얇은 스트립일 수 있습니다. . 스트레인 게이지의 후자 형태는 이전 그림에 나와 있습니다. "접합 게이지"라는 이름은 응력을 받는 더 큰 구조에 접착되는 스트레인 게이지(시험 표본 ). 시험편에 스트레인 게이지를 접착하는 작업은 매우 간단해 보이지만 그렇지 않습니다. "게이징"은 그 자체로 정확하고 안정적인 변형률 측정을 위해 절대적으로 필수적인 기술입니다. 장력을 측정하기 위해 두 개의 기계적 지점 사이에 장착되지 않은 게이지 와이어를 연장하는 것도 가능하지만 이 기술에는 한계가 있습니다.

스트레인 게이지 저항

일반적인 스트레인 게이지 저항 범위는 30Ω ~ 3kΩ(스트레스 없음)입니다. 이 저항은 게이지 재료와 시편의 탄성 한계에 의해 부과된 한계를 감안할 때 게이지의 전체 힘 범위에 대해 퍼센트의 일부만 변경할 수 있습니다. 더 큰 저항 변화를 유발할 만큼 충분히 큰 힘은 시험 표본 및/또는 게이지 도체 자체를 영구적으로 변형시켜 측정 장치로서의 게이지를 망칠 것입니다. 따라서 스트레인 게이지를 실용적인 도구로 사용하려면 저항의 극미한 변화를 고정밀도로 측정해야 합니다.

브리지 측정 회로

이러한 까다로운 정밀도에는 브리지 측정 회로가 필요합니다. 지난 장에서 보인 Wheatstone 브리지와 균형 상태를 유지하기 위해 Null-balance 감지기와 작업자를 사용하는 것과 달리 스트레인 게이지 브리지 회로는 불균형 정도에 따라 측정된 스트레인을 나타냅니다. , 브리지 중앙에 있는 정밀 전압계를 사용하여 해당 불균형을 정확하게 측정합니다.

일반적으로 브리지의 가변 저항 암(R₂ 는 힘이 가해지지 않은 상태에서 스트레인 게이지 저항과 동일한 값으로 설정됩니다. 브리지의 두 비율 암(R₁ 및 R₃ )는 서로 동일하게 설정됩니다. 따라서 스트레인 게이지에 힘이 가해지지 않으면 브리지가 대칭적으로 균형을 이루고 전압계는 스트레인 게이지에 0의 힘을 나타내는 0볼트를 표시합니다. 스트레인 게이지가 압축되거나 긴장되면 저항이 각각 감소하거나 증가하여 브리지의 균형이 깨지고 전압계에 표시가 나타납니다. 측정된 변수(기계적 힘)에 반응하여 저항을 변경하는 브리지의 단일 요소가 있는 이 배열을 쿼터 브리지 라고 합니다. 회로.

브리지 회로에서 스트레인 게이지와 3개의 다른 저항 사이의 거리가 상당할 수 있으므로 와이어 저항은 회로 작동에 상당한 영향을 미칩니다. 와이어 저항의 효과를 설명하기 위해 동일한 회로도를 보여주지만 와이어를 나타내기 위해 스트레인 게이지와 직렬로 두 개의 저항 기호를 추가합니다.

와이어 저항

스트레인 게이지의 저항(R_게이지 ) 측정되는 유일한 저항이 아닙니다. 와이어 저항 R_wire1 및 R_wire2 , R_gauge와 직렬 , 또한 브리지의 가변 저항 암 아래쪽 절반의 저항에 기여하고 결과적으로 전압계 표시에 기여합니다. 물론 이것은 미터에 의해 게이지의 물리적 변형으로 잘못 해석됩니다.

이 구성에서 이 효과를 완전히 제거할 수는 없지만 전압계의 오른쪽을 스트레인 게이지의 상단 와이어에 직접 연결하는 세 번째 와이어를 추가하면 최소화할 수 있습니다.

세 번째 와이어는 거의 전류를 흐르지 않기 때문에(전압계의 내부 저항이 매우 높기 때문에) 저항은 상당한 양의 전압을 떨어뜨리지 않습니다. 상단 와이어(R_wire1 ) 전압계가 스트레인 게이지의 상단 터미널에 직접 연결되어 하단 와이어의 저항(R_wire2 ) 게이지와 직렬로 연결된 모든 표유 저항에 기여합니다. 물론 완벽한 솔루션은 아니지만 마지막 회로보다 두 배는 좋습니다!

그러나 방금 설명한 방법 이상으로 와이어 저항 오류를 줄이는 방법이 있으며 온도로 인한 다른 종류의 측정 오류를 완화하는 데도 도움이 됩니다.

온도의 저항 변화

스트레인 게이지의 불행한 특성은 온도 변화에 따른 저항 변화입니다. 이것은 모든 지휘자에게 공통적인 속성이며 일부는 다른 지휘자보다 많습니다. 따라서 그림과 같이 쿼터 브리지 회로(게이지를 브리지에 연결하는 2개 또는 3개 와이어 포함)는 스트레인 표시기와 마찬가지로 온도계로 작동합니다. 우리가 하고자 하는 모든 것이 변형률을 측정하는 것이라면 이것은 좋지 않습니다. 그러나 R₂ 대신 "더미" 스트레인 게이지를 사용하여 이 문제를 극복할 수 있습니다. , 둘 다 가변 저항기 암의 요소는 온도가 변할 때 동일한 비율로 저항을 변경하여 온도 변화의 영향을 취소합니다.

저항기 R₁ 및 R₃ 동일한 저항 값을 가지며 스트레인 게이지는 서로 동일합니다. 힘이 가해지지 않은 상태에서 브리지는 완벽하게 균형을 이룬 상태여야 하며 전압계는 0볼트를 등록해야 합니다. 두 게이지 모두 동일한 시편에 결합되지만 물리적 변형에 노출되도록 위치와 방향에 하나만 배치됩니다(활성 계량기). 다른 게이지는 모든 기계적 스트레스로부터 격리되고 단순히 온도 보상 장치("더미" 계량기). 온도가 변경되면 두 게이지 저항이 동일한 비율로 변경되고 브리지의 균형 상태는 영향을 받지 않은 상태로 유지됩니다. 시험편의 물리적인 힘에 의해 생성된 차동 저항(두 스트레인 게이지 간의 저항 차이)만이 브리지의 균형을 변경할 수 있습니다.

두 스트레인 게이지를 브리지에 연결하는 와이어의 길이가 거의 같기 때문에 와이어 저항은 이전만큼 회로의 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 브리지 가변 저항기 암의 위쪽 및 아래쪽 섹션에는 거의 같은 양의 표유 저항이 포함되어 있으며 그 효과는 상쇄되는 경향이 있습니다.

쿼터 브리지 및 하프 브리지 회로

이제 브리지 회로에 2개의 스트레인 게이지가 있지만 하나만 기계적 스트레인에 반응하므로 이 배열을 쿼터 브리지라고 합니다. . 그러나 위쪽 스트레인 게이지를 가져와 아래쪽 게이지와 반대되는 힘에 노출되도록 위치를 지정하면(즉, 위쪽 게이지가 압축될 때 아래쪽 게이지가 늘어나고 그 반대의 경우도 마찬가지임) 둘 다 게이지는 스트레인에 반응하고 브리지는 적용된 힘에 더 잘 반응합니다. 이 활용을 하프 브리지라고 합니다. . 두 스트레인 게이지는 온도 변화에 반응하여 저항을 같은 비율로 증가 또는 감소시키므로 온도 변화의 영향은 취소된 상태로 유지되고 회로는 최소한의 온도 유도 측정 오류를 겪을 것입니다.

이 효과를 얻기 위해 한 쌍의 스트레인 게이지를 시험편에 결합하는 방법의 예는 다음과 같습니다.

시험편에 힘이 가해지지 않은 상태에서 두 스트레인 게이지는 동일한 저항을 가지며 브리지 회로는 균형을 이룹니다. 그러나 시편의 자유단에 아래쪽으로 힘이 가해지면 아래쪽으로 구부러져 게이지 #1과 압축 게이지 #2가 동시에 늘어납니다.

풀 브리지 회로

이러한 상호 보완적인 스트레인 게이지 쌍이 시험편에 결합될 수 있는 응용 분야에서 브리지의 4개 요소 모두를 "활성"으로 만드는 것이 더 큰 감도를 위해 유리할 수 있습니다. 이를 풀 브리지라고 합니다. 회로:

하프 브리지 및 풀 브리지 구성 모두 쿼터 브리지 회로에 대해 더 큰 감도를 제공하지만 종종 스트레인 게이지의 보완 쌍을 테스트 표본에 결합하는 것이 불가능합니다. 따라서 쿼터 브리지 회로는 스트레인 측정 시스템에서 자주 사용됩니다.

가능하면 풀 브리지 구성을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 이것은 다른 것들보다 더 민감할 뿐만 아니라 선형이기 때문에 사실입니다. 다른 사람들은 그렇지 않습니다. 쿼터 브리지 및 하프 브리지 회로는 대략 정도의 출력(불균형) 신호를 제공합니다. 적용된 스트레인 게이지 힘에 비례합니다. 이러한 브리지 회로의 선형성 또는 비례성은 적용된 힘으로 인한 저항 변화량이 게이지의 공칭 저항에 비해 매우 작을 때 가장 좋습니다. 그러나 풀 브리지의 경우 출력 전압은 가해진 힘에 직접 비례하며 근사값은 없습니다(가한 힘으로 인한 저항 변화가 4개의 스트레인 게이지 모두에 대해 동일한 경우).

완벽한 균형 상태에서 측정을 제공하므로 소스 전압과 관계없이 작동하는 휘트스톤 및 켈빈 브리지와 달리, 이와 같은 불평형 브리지에서는 소스(또는 "여기") 전압의 양이 중요합니다. 따라서 스트레인 게이지 브리지는 당 발생하는 불균형의 밀리볼트 단위로 평가됩니다. 여기 전압, 당 힘의 단위 측정. 산업 환경에서 힘을 측정하는 데 사용되는 유형의 스트레인 게이지의 일반적인 예는 1000파운드에서 15mV/V입니다. 즉, 정확히 1000파운드의 가해진 힘(압축 또는 인장)에서 브리지는 여기 전압의 모든 볼트에 대해 15밀리볼트만큼 불균형합니다. 다시 말하지만, 이러한 수치는 브리지 회로가 전체 활성 상태인 경우(4개의 활성 스트레인 게이지, 브리지의 각 암에 하나씩) 정확하지만 하프 브리지 및 쿼터 브리지 배열에 대해서만 대략적입니다.

스트레인 게이지는 스트레인 게이지 요소와 브리지 저항이 모두 하나의 하우징에 있고 요소로부터 보호하기 위해 밀봉 및 캡슐화되어 있으며 기계 또는 구조물에 부착하기 위한 기계적 고정 지점이 장착된 완전한 장치로 구입할 수 있습니다. 이러한 패키지를 일반적으로 로드 셀이라고 합니다. .

이 장에서 다루는 다른 많은 주제와 마찬가지로 스트레인 게이지 시스템은 상당히 복잡할 수 있으며 스트레인 게이지에 대한 전체 논문은 이 책의 범위를 벗어납니다.

검토:

<울>

스트레인 게이지는 응력을 받을 때(탄성 한계 내에서 늘어나거나 압축될 때) 저항을 변경하여 기계적 부하를 측정하도록 설계된 얇은 금속 스트립입니다.

스트레인 게이지 저항 변화는 일반적으로 브리지 회로에서 측정되어 작은 저항 변화를 정확하게 측정하고 온도로 인한 저항 변화를 보상합니다.

관련 워크시트:

<울>

DC 브리지 회로 워크시트