스트레인 게이지: 기계적 응력의 정밀 측정

가는 전도성 금속 스트립을 늘리면 더 얇고 길어져 양단 전기 저항이 증가합니다. 반대로 스트립을 압축하면(좌굴 없이) 넓고 짧아져 저항이 감소합니다. 변형을 금속의 탄성 한계 내로 유지하면, 스트립의 저항 변화가 가해진 기계적 힘의 신뢰할 수 있는 지표가 됩니다.

스트레인 게이지란?

이 원리를 이용하는 장치를 스트레인 게이지라 부릅니다. 기계 공학 R&D에서 널리 쓰이며, 산업 기계부터 항공기 부품까지 모든 것의 응력을 정량화합니다. 일반적인 게이지는 우표보다 작고 아래 그림과 같습니다:

스트레인 게이지 도체는 초박형입니다. 원형 와이어로 제작 시 직경이 약 1/1000인치입니다. 또는 금속 박막을 비전도성 기판(캐리어라 함)에 증착해 본딩 게이지를 형성할 수 있습니다. 게이지를 테스트 시편(시험 대상 구조물)에 본딩하는 것은 숙련된 절차입니다. 정확하고 안정한 스트레인 판독은 세심한 표면 처리, 접착제 선택, 정렬에 의존합니다.

스트레인 게이지 저항

무응력 게이지는 일반적으로 30Ω에서 3kΩ 저항을 보입니다. 게이지와 시편의 탄성 한계가 최대 허용 스트레인을 제한하므로, 대응하는 저항 변화는 종종 몇 분의 1%에 불과합니다. 이런 미세한 변화를 감지하려면 극도로 정밀한 계측이 필요합니다. 그렇지 않으면 과도한 힘이 게이지나 시편을 영구 변형시켜 측정을 무효화합니다.

브리지 측정 회로

이런 미세한 저항 변화를 포착하기 위해 휘트스톤 타입 브리지 회로를 사용합니다. 클래식 브리지가 널 조건을 찾는 것과 달리, 스트레인 게이지 브리지는 브리지 중심에 위치한 고해상도 전압계로 불균형 정도를 측정해 스트레인을 보고합니다:

일반적인 쿼터 브리지 구성에서 르오스탯 암(R₂)은 게이지의 무응력 저항으로 사전 조정되고, 두 비율 암(R₁, R₃)은 매칭됩니다. 게이지가 인장 또는 압축을 경험하면 저항이 변해 브리지가 언밸런스되고 측정 가능한 전압이 생성됩니다.

와이어 저항

게이지와 리드가 상당한 거리로 분리될 수 있으므로, 배선의 직렬 저항(R_wire1, R_wire2)이 하부 르오스탯 암 총 저항에 기여해 오차를 유발할 수 있습니다. 이 잡음 저항이 전압계에 의해 스트레인으로 오해될 수 있습니다.

이 효과를 완전히 제거할 수는 없지만, 전압계 양단 단자를 게이지 상단 노드에 직접 연결하는 세 번째 리드를 추가해 완화할 수 있습니다:

세 번째 리드는 무시할 전류를 흘리므로 그 저항이 전압 분배에 영향을 주지 않습니다. 이 배치는 상부 리드 저항을 효과적으로 우회해, 하부 리드 직렬 저항만 측정에 영향을 주게 합니다. 이는 2선 설정 대비 잠재적 오차를 절반으로 줄입니다.

온도 보상

모든 도체는 온도 의존 저항 변화를 보여 진짜 스트레인 신호를 가릴 수 있습니다. 견고한 해결책은 르오스탯 암(R₂) 자리에 더미 게이지를 두어 브리지 양쪽 암이 온도에 따라 비례적으로 저항 변화를 겪게 하는 것입니다. 그러면 공통 모드 저항 변화가 상쇄되어 회로가 온도 변동에 면역이 됩니다:

여기서 R₁과 R₃은 매칭된 상태고, 두 게이지는 같은 시편에 본딩됩니다. 기계적 스트레인을 받는 게이지(액티브 게이지만)만 가해진 힘에 따라 저항이 변하고, 더미 게이지는 고정되어 브리지 불균형이 스트레인만 반영하도록 합니다.

쿼터 브리지와 하프 브리지 구성

더미 게이지 설정에서 오직 한 게이지만 스트레인에 반응하지만, 이 구성은 여전히 쿼터 브리지라 불립니다. 시편 반대쪽에 두 번째 액티브 게이지를 배치해 한 게이지는 압축, 다른 게이지는 인장을 경험하게 하면 두 게이지 모두 스트레인 감응이 됩니다. 이 하프 브리지 배열은 감도를 두 배로 높이고, 두 게이지가 여전히 동일한 온도 계수를 공유하므로 온도 효과를 추가로 억제합니다.

하프 브리지의 대표적 본딩 레이아웃:

하향 하중 가해질 때 게이지 #1은 신장, 게이지 #2는 압축되어 차동 저항이 브리지 불균형을 구동합니다.

풀 브리지 회로

시편이 네 암 모두에 상호보완적 게이지 쌍을 수용할 수 있으면 풀 브리지를 사용합니다. 이 토폴로지는 모든 암이 능동적으로 스트레인을 추적하므로 출력 전압이 가해진 힘에 정비례해 감도와 선형성을 극대화합니다:

풀 브리지 회로는 가능할 때마다 선호됩니다. 쿼터/하프 브리지 배열이 저항 변화가 공칭 게이지 저항에 비해 무한소일 때만 근사적 비례성을 제공하는 반면, 풀 브리지는 우수한 정확도와 선형 응답을 제공합니다.

스트레인 게이지 시스템은 종종 통합 로드 셀로 판매됩니다. 게이지 요소와 브리지 저항을 포함한 밀봉 하우징으로, 환경 요인으로부터 보호되고 구조물에 기계적 부착이 준비된 상태입니다.

스트레인 게이지 기술은 복잡해질 수 있어 전용 논문은 이 글 범위를 넘지만, 위에 개요된 원리가 신뢰할 수 있는 기계적 응력 측정의 기초를 형성합니다.

요약

• 스트레인 게이지는 탄성 변형 시 저항이 변하는 얇은 금속 스트립으로 힘 측정을 가능하게 합니다.
• 저항 변화는 브리지 회로로 읽으며, 고정밀과 온도 보상을 제공합니다.

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