스트레인 게이지 이해

스트레인 게이지와 같은 수동 변환기는 기계적 변위를 저항 변화로 변환합니다. 가해진 변형률을 측정하는 얇은 웨이퍼 같은 장치이며 적절한 접착제로 다양한 재료에 연결할 수 있습니다. 계속되는 변형은 응력을 받을 때 구조물에 부착된 스트레인 게이지를 변형시킵니다. 게이지의 저항을 증가시켜 변형에 비례하는 전기 신호를 생성합니다. 변위를 받을 때 스트레인 게이지 변위 센서는 탄성적으로 변형되는 스트레인 게이지에 부착된 구조로 구성됩니다.

이 기사에서는 스트레인 게이지의 정의, 응용 프로그램, 요구 사항, 부품, 다이어그램, 유형, 작동, 장점 및 단점을 배웁니다.

스트레인 게이지란 무엇입니까?

스트레인 게이지(스트레인 게이지라고도 함)는 항목의 스트레인 양을 측정하는 장치입니다. 1938년 Edward E. Simmons와 Arthur C. Ruge가 발명한 가장 일반적인 유형의 스트레인 게이지는 금속 호일 패턴을 지지하는 절연성 가요성 지지체로 구성됩니다. 시아노아크릴레이트와 같은 적절한 접착제를 사용하여 게이지를 항목에 연결합니다. 물체가 변형되면 포일도 변형되어 전기 저항이 변경됩니다. 게이지 계수는 저항 변화에 연결되는 양으로 일반적으로 휘트스톤 브리지를 사용하여 측정됩니다.

엔지니어는 종종 스트레인 게이지를 사용하여 물체에 대한 외력의 영향을 측정합니다. 응력, 토크, 압력, 처짐 및 기타 다양한 측정 기준을 추론하는 데 사용할 수 있는 변형률을 직접 측정합니다.

스트레인은 무차원 측정으로 물체의 변경된 길이와 초기 길이의 비율입니다. 결과적으로 재료가 늘어나면 양의 변형이 발생하고 재료가 압축되면 음의 변형이 발생합니다. 응력은 가해진 힘을 물체의 초기 단면적 또는 물체의 내부 저항력으로 나눈 값으로 정의됩니다.

응용 프로그램

스트레인 게이지는 일반적으로 교량, 건물 및 기타 구조물과 같은 구조물의 고장을 식별하기 위해 토목 공학 및 지반 공학 모니터링에 사용됩니다. 상당한 변형이 있으면 부상이나 사망을 초래할 수 있으므로 이러한 구조를 지속적으로 모니터링해야 합니다. 이 게이지는 높은 정밀도, 테스트 대상과의 먼 거리에서 수행할 수 있는 능력, 장기간에 걸친 설정 및 유지 관리의 용이성 때문에 널리 사용됩니다.

야외에서 테스트하는 것은 이상적인 조건에서 실험실에서 테스트하는 것과 종종 다릅니다. 스트레인 게이지가 중요한 이유 중 하나는 가혹한 조건에서 사용할 수 있고 신뢰할 수 있는 고정밀 데이터를 생성할 수 있기 때문입니다. 엔지니어가 접근하기 어려운 설정으로 열악한 위치에서 불규칙한 모양의 제품을 테스트할 때 스트레인 게이지와 같은 특수 장치가 자주 필요합니다. 예를 들어, 수백만 개의 스트레인 게이지가 항공우주 애플리케이션에서 CAD(Computer-Aided Design) 및 FEA(Finite Element Analysis) 시뮬레이션 결과를 확인하는 데 사용됩니다. 이러한 테스트는 다양한 힘이 비행기에 미치는 영향을 사실적으로 묘사하기 위해 동적 조건에서 자주 수행됩니다.

정적 테스트는 또한 스트레인 게이지를 사용하여 일상적으로 수행됩니다. 무선 원격 측정은 이더넷을 통해 테스트 결과를 전송하는 일부 브리지에서 사용됩니다. 반면에 다른 교량은 표면 결함을 감지하기 위해 육안 검사 또는 침투 테스트를 거칩니다. 이러한 기술은 비용 효율적이지만 지속적인 검사를 허용하지 않아 I-35 미니애폴리스 강철 트러스 교와 같은 치명적인 붕괴로 이어질 수 있습니다. 연방 정부는 1990년 다리를 "구조적으로 취약한" 다리로 지정하여 매년 검사를 받아야 했습니다. 교량은 지속적인 스트레인 게이지 모니터링, 상당한 수리 또는 교체 부족으로 인해 2007년 결국 붕괴되어 13명이 사망했습니다. 스트레인 게이지의 일반적인 용도는 다음과 같습니다.

• 변형률 측정
• 잔류 응력 측정
• 진동 분석
• 토크 측정
• 굽힘 및 처짐 측정
• 압박 및 장력 측정

스트레인 게이지 재료 요구 사항

좋은 스트레인 게이지는 다음을 수행할 수 있어야 합니다.

• 스트레인 게이지는 크기가 적당하고 무게가 가벼워야 합니다.
• 변형에 매우 민감해야 합니다.
• 스트레인 게이지의 게이지 계수는 높아야 합니다.
• 검체에 부착이 간편해야 합니다.
• 응답 시간이 빠르고 시간 지연이 적어야 합니다.
• 정적 변형, 일시적 변형, 동적 변형을 구분할 수 있어야 합니다.
• 원거리에서 정보를 표시하고 기록할 수 있어야 합니다.
• 온도, 습도, 진동 및 기타 환경적 요인이 영향을 주어서는 안 됩니다.
• 가격이 저렴하고 신뢰할 수 있으며 다양한 크기로 쉽게 구할 수 있어야 합니다.

스트레인 게이지의 다이어그램:

스트레인 게이지의 종류

시중에는 여러 유형의 스트레인 게이지가 있습니다. 다음은 다양한 유형의 스트레인 게이지입니다.

• 선형 스트레인 게이지
• 멤브레인 로제트 스트레인 게이지
• 이중 선형 스트레인 게이지
• 풀 브리지 스트레인 게이지
• 전단 스트레인 게이지
• 하프 브리지 스트레인 게이지
• 컬럼 스트레인 게이지
• 45°-로제트(3가지 측정 방향)
• 90°-로제트(2개의 측정 방향).

다음은 접할 수 있는 다른 유형의 얼룩 게이지입니다.

압저항이라고도 하는 반도체 스트레인 게이지는 일반적으로 작은 스트레인 측정에 호일 게이지보다 선호됩니다. 반도체 게이지의 게이지 계수는 일반적으로 호일 게이지의 게이지 계수보다 높습니다. 반도체 게이지는 종종 포일 게이지보다 더 비싸고 온도에 민감하며 더 섬세합니다.

나노 입자로 만들어진 스트레인 게이지는 유망한 새로운 기술로 보입니다. 높은 임피던스로 인해 활성 영역이 금 또는 탄소와 같은 전도성 나노 입자 어셈블리로 구성된 저항 센서는 게이지 계수가 높고 변형 범위가 크며 전기 소비량이 적습니다.

고무 중 수은 스트레인 게이지는 생물학적 측정, 특히 혈류 및 조직 팽창에 사용됩니다. 이 스트레인 게이지는 예를 들어 발가락이나 다리를 감싸는 작은 고무 튜브에 담긴 소량의 액체 수은으로 구성됩니다. 신체 일부가 부풀어 오르면 관이 팽창하여 더 길고 가늘어지고 전기 저항이 증가합니다.

광섬유와 함께 변형률을 측정하기 위해 광섬유 감지를 사용할 수 있습니다. 측정은 섬유와 함께 임의의 위치 또는 지정된 지점에서 수행될 수 있습니다. 이 유형의 내장형 센서는 2010년 America's Cup 보트 Alinghi 5 및 USA-17에 사용되었습니다.

스트레인은 전자 반점 패턴 간섭계 또는 디지털 사진 상관 관계와 같은 다른 광학 기술을 사용하여 측정할 수도 있습니다.

마이크로스케일 스트레인 게이지는 힘, 가속도, 압력 또는 소리로 인한 응력을 모니터링하기 위해 MEMS에 자주 사용됩니다. 예를 들어 MEMS 가속도계는 자동차의 에어백을 활성화하는 데 자주 사용됩니다. 통합 광학 링 공진기는 MOEMS(피에조 저항 스트레인 게이지)의 대안으로 마이크로 광전자 기계 시스템의 스트레인을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.

가변 커패시터는 용량성 스트레인 게이지에 사용되어 기계적 변형 수준을 감지합니다.

지반 공학 및 토목 공학 응용 분야에서는 진동 와이어 스트레인 게이지를 사용합니다. 진동하고 장력이 있는 와이어가 게이지를 구성합니다. 스트레인은 와이어의 공진 주파수를 결정하여 계산됩니다(장력이 증가하면 공진 주파수가 증가합니다).

지반 공학 응용 프로그램은 수정 수정 스트레인 게이지도 사용합니다. DART의 중요한 센서는 공진 수정 수정 스트레인 게이지와 부르동관 힘 수집기가 있는 압력 센서입니다. DART는 바다의 가장 깊은 곳에서 쓰나미 파도를 감지합니다. 수 킬로미터 깊이에서 압력을 모니터링할 때 약 1mm의 물의 압력 분해능을 갖습니다.

작동 원리

스트레인 게이지의 작동은 매우 흥미롭고 덜 복잡하고 이해하기 쉽습니다. 스트레인 게이지의 작동 방식을 시각적으로 보려면 아래 동영상을 시청하세요.

스트레인 게이지의 장점과 단점

장점:

다음은 다양한 응용 분야에서 스트레인 게이지의 이점입니다.

• 움직이는 부분이 없기 때문에 마모가 없습니다.
• 스트레인 게이지는 매우 정확합니다.
• 컴팩트하고 저렴합니다.
• 주파수 범위가 넓습니다.

단점:

스트레인 게이지의 장점에도 불구하고 여전히 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 다음은 다양한 응용 분야에서 스트레인 게이지의 단점입니다.

• 비선형 시스템입니다.
• 온도에 매우 민감합니다.
• 정기적으로 보정해야 합니다.
• 스트레인 게이지는 수동으로 적용해야 합니다. 그것들을 적절한 위치에 두는 데는 시간과 돈이 필요합니다. 가장 심각한 결함 중 하나입니다.

결론

스트레인 게이지와 같은 수동 변환기는 기계적 변위를 저항 변화로 변환합니다. 가해진 변형률을 측정하는 얇은 웨이퍼 같은 장치이며 적절한 접착제로 다양한 재료에 연결할 수 있습니다. 계속되는 변형은 응력을 받을 때 구조물에 부착된 스트레인 게이지를 변형시킵니다. 스트레인 게이지의 정의, 적용, 요구 사항, 부품, 다이어그램, 유형, 작동, 장점 및 단점이 논의된 이 기사의 전부입니다.

독서를 통해 많은 것을 배우기를 바라며, 그렇다면 다른 학생들과도 공유해 주시기 바랍니다. 읽어주셔서 감사합니다. 다음에 뵙겠습니다!