스트레인 게이지 증폭기를 선택시 고려해야 할 8가지 팁 (Strain Gauge Amplifier Selection Tips)
- 상세 설명
2021년 7월 27일
스트레인 게이지 증폭기를 구입할 때 고려해야 할 8가지 팁
스트레인 게이지는 기계적 양 측정에 적용되는 전기 측정 기술의 가장 중요한 도구 중 하나입니다. 이름에서 알 수 있듯이 변형률 측정에 사용됩니다.
스트레인 게이지는 구조 테스트 및 모니터링 애플리케이션에서 끝없이 사용됩니다. 스트레인 증폭기에서 가장 많은 신호를 얻고 있습니까? 이 블로그에서는 데이터 수집 시스템에 적합한 스트레인 게이지 증폭기를 선택하는 데 도움이 되는 8가지 팁을 공유합니다.
어떤 용도에 스트레인 게이지 측정을 사용할 수 있습니까?
스트레인 게이지 기술은 자동차 및 철도 차량 산업에서 구조 구성 요소의 내구성 테스트와 같은 구조 테스트 및 모니터링 애플리케이션에서 거의 무제한으로 사용됩니다. 항공, 군사 및 우주 응용 분야에서 스트레인 게이지 기술의 사용은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 스트레인 게이지는 구성 요소 및 하위 어셈블리의 정적 및 피로 테스트를 위해 구조적 하중 지지 구성 요소에 직접 결합됩니다. 재생 가능한 풍력 에너지 산업에서 스트레인 게이지 기술은 풍력 터빈 블레이드 및 베어링의 구조적 성능을 테스트하고 현장에서 풍력 터빈의 구조적 상태 모니터링에 적용됩니다. 스트레인 게이지는 토목 공학 구조물(교량, 터널, 철도, 댐), 석유 및 가스 파이프라인 또는 원자력 발전소를 모니터링하는 데에도 사용할 수 있습니다.
Gantner Instruments의 Millau Viaduct 구조 상태 모니터링
올바른 스트레인 증폭기를 선택하는 것이 중요한 이유는 무엇입니까?
스트레인 측정의 가장 일반적인 방법은 3와이어 쿼터 브리지 구성에서 단일 스트레인 게이지를 사용하는 것입니다. 이 쿼터 브리지 구성은 적절한 신호 컨디셔닝에 대한 특정 문제를 가져옵니다. 스트레인 증폭기를 선택할 때 주의를 기울이는 것의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 잘못된 선택은 미래에 더 많은 시간과 비용을 들일 수 있습니다.
다음은 데이터 수집 시스템용 스트레인 게이지 증폭기를 올바르게 선택하는 데 도움이 되는 8가지 팁입니다.
1. 스트레인 증폭기에서 최대한의 신호 얻기
쿼터 브리지 회로는 단일 종단 입력 측정이며, 이는 입력 신호와 아날로그 접지 사이의 전압이 측정됨을 의미합니다. 이 차이는 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 통해 공급되기 전에 증폭됩니다. 단일 종단 입력은 신호를 전달하는 와이어가 전기적 배경 잡음을 포착하기 때문에 잡음이 발생할 수 있습니다. 단일 종단 입력의 신호도 접지 루프의 영향을 받을 수 있습니다. 모범 사례에는 스트레인 게이지에 대한 배선을 위해 호일 차폐된 연선 케이블을 사용하는 것이 포함됩니다.
3선식 쿼터 브리지 회로
한쪽 끝의 케이블 실드를 신호 컨디셔너의 섀시 접지에 연결합니다. 여기 전압의 진폭을 높이는 것을 고려하십시오. 그러나 트레이드오프는 여기 전압 진폭을 증가시키는 것과 관련이 있으며, 이에 대해서는 이 블로그의 뒷부분에서 설명합니다. 마지막으로 24비트 시그마-델타 A/D 변환기가 있는 스트레인 증폭기를 선택합니다. 분해능이 높을수록 양자화 잡음이 낮아져 신호 대 잡음비(SNR)가 높아집니다. 또한 시그마-델타 ADC는 오버샘플링, 필터링 및 잡음 형성을 사용하여 최고의 분해능을 달성합니다. 작은 신호 전압 레벨도 정확하게 증폭할 수 있습니다.
2. 측정 범위 문제
측정 증폭기는 신호 컨디셔닝 프로세스에 정확성과 안정성을 모두 제공합니다. 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지의 저수준 측정 신호를 ADC에 공급하기 전에 부스트할 측정 증폭기가 필요합니다. ADC의 전체 범위에 걸쳐 스트레인 게이지의 전체 출력을 제공하려면 증폭기 이득을 조정해야 합니다. 정확도는 측정 범위와 증폭기의 이득 정확도에 의해 영향을 받습니다. 최신 측정 증폭기는 ± 0.05%의 이득 정확도로 조정 가능한 측정 범위를 제공합니다. 측정 범위가 ± 2000 µm/m이면 전체 범위 오차는 1 µm/m에 불과합니다. 그리고 균열 감지를 위한 ± 20,000 µm/m의 넓은 측정 범위는 10 µm/m의 전체 오차를 가질 것입니다. 그러므로,
3. 온도가 아닌 변형률을 측정합니다.
실온에서 측정하여 얻은 변형률은 변경되지 않은 환경 조건에서 수행할 경우 정확한 것으로 간주됩니다. 그러나 온도가 변하면 시편 재료가 팽창하여 원치 않는 변형률 판독값이 발생합니다. 온도 변화는 또한 금속 그리드와 스트레인 게이지의 열 계수에 영향을 미치며, 이를 열 출력 또는 온도 유도 겉보기 변형이라고 합니다. 시편 재료의 팽창 계수와 거의 일치하도록 게이지의 열 계수를 조정하도록 설계된 자체 온도 보상(STC) 스트레인 게이지를 선택하면 열 출력을 보상합니다. 변형 오프셋 형태의 잔여 겉보기 변형이 남아 있습니다. 게이지 온도와 겉보기 변형률 특성을 알고 있으면 이 오프셋을 계산할 수 있습니다. 그에 따라 보정된 변형률 값. 열 출력으로 인한 오류를 수정하거나 보정하는 두 가지 일반적인 기술은 (a) 보정을 위해 변형되지 않은 더미 게이지를 사용하거나 (b) 측정된 게이지 온도를 기반으로 계산 보정을 적용하는 것입니다.
4. 최적의 브리지 여기 전압 선택
스트레인 게이지 자체 발열로 인한 열 드리프트는 실제로 시편의 변형으로 인한 것이 아닌 스트레인의 명백한 변화를 일으킵니다. 게이지에 공급되는 여기 전압이 높을수록 더 많은 전력이 공급될수록 전선을 통해 흐르는 전류에 의해 더 많은 열이 발생합니다. 복합 재료와 같이 열전도율이 낮은 시편의 경우 또는 매우 작은 스트레인 게이지가 사용되는 경우 여기 전압을 낮추거나 저항이 더 높은 스트레인 게이지를 사용하는 것이 가장 중요합니다. 적절한 브리지 여기 전압 레벨을 선택할 때 두 가지 상반된 고려 사항이 있습니다. 1) 브리지 여기 전압이 높을수록 게이지의 신호 대 잡음비가 향상되고, 2) 브리지 여기 전압이 낮을수록 스트레인 게이지 측정에서 열적으로 유도된 오류가 감소합니다. 여기 전압은 게이지 및 게이지가 결합된 재료와 조정되어야 합니다. 대부분의 스트레인 게이지 제조업체는 최적의 여기 레벨을 결정하기 위한 일반적인 권장 사항 또는 시작점을 나타내는 데이터 곡선을 제공합니다. 저온 또는 극저온 환경에서 스트레인을 측정할 때 센서 열 발산을 피하기 위해 과도한 에너지를 최소화하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 신호 대 잡음비가 더 낮기 때문에 여기를 절대 최소값으로 줄이는 것은 해결책이 아닙니다. 이 경우 펄스 브리지 여기를 제공하는 스트레인 증폭기는 센서 자체 발열로 인한 오류를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 저온 또는 극저온 환경에서 스트레인을 측정할 때 센서 열 발산을 피하기 위해 과도한 에너지를 최소화하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 신호 대 잡음비가 더 낮기 때문에 여기를 절대 최소값으로 줄이는 것은 해결책이 아닙니다. 이 경우 펄스 브리지 여기를 제공하는 스트레인 증폭기는 센서 자체 발열로 인한 오류를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 저온 또는 극저온 환경에서 스트레인을 측정할 때 센서 열 발산을 피하기 위해 과도한 에너지를 최소화하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 신호 대 잡음비가 더 낮기 때문에 여기를 절대 최소값으로 줄이는 것은 해결책이 아닙니다. 이 경우 펄스 브리지 여기를 제공하는 스트레인 증폭기는 센서 자체 발열로 인한 오류를 최소화하는 데 도움이 됩니다.
5. 완성저항의 안정성에 주의
피로 시험이든 구조적 상태 모니터링 응용 프로그램이든 스트레인 측정 캠페인은 몇 주에서 몇 달까지 실행할 수 있습니다. 종종 낮과 밤에. 주변 온도의 변화는 쿼터 브리지 회로를 사용할 때 측정 오류의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다. 능동 스트레인 게이지와 수동 브리지 완료 저항이 직렬로 전환되기 때문에 저항 드리프트는 측정 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 0.1%의 작은 온도 관련 저항 변화로 500 µm/m의 연신율이 발생할 수 있습니다. 저항 온도 계수(TCR)는 브리지 완성 저항의 안정성을 특성화하는 데 사용되는 주요 매개변수 중 하나입니다. TCR은 저항 변화를 주변 온도의 함수로 정의합니다. TCR을 표현하는 일반적인 방법은 ppm/K이며, 이는 1켈빈 온도 변화당 백만분율을 나타냅니다. 너무 자주 TCR이 높은 저항을 사용하여 비용을 절감하여 원치 않는 오류가 발생하거나 복잡한 온도 보정 곡선을 프로그래밍해야 합니다. 스트레인 측정이 온도 측정으로 바뀌는 것을 방지하고 싶습니다!
6. 긴 케이블 길이로 측정 오류 방지
긴 케이블 실행이 불가피한 경우가 있습니다. 스트레인 게이지를 휘트스톤 브리지에 연결하는 리드 와이어의 저항은 브리지 출력을 약화시키거나 게이지를 '감작'시킵니다. 감쇠는 브리지 와이어 길이의 함수이므로 케이블 길이가 증가함에 따라 더 큰 영향을 미칩니다. 기존 스트레인 증폭기의 경우 측정을 시작하기 전에 수동 션트 교정 프로세스를 수행해야 합니다. 션트 교정 프로세스는 리드 와이어 저항과 후속 보정 계수를 결정합니다. 이 방법은 널리 적용되지만 실제 측정 중 주변 온도 변동 등으로 인한 리드선 저항의 변화를 보상하지 않습니다. 리드 와이어 저항의 지속적인 수정을 위한 입증된 방법은 측정 자체 중에도 리드 와이어 저항으로 인한 측정 오류를 자동으로 수정하는 내부 브리지 완성 저항의 비율계량적 감지를 통한 것입니다. 수동 션트 교정이 필요하지 않으므로 작업자 오류도 제거됩니다.
7. 캐리어 주파수 기술로 노이즈 제거
전기 또는 AC 모터와 같이 주변에 소음 간섭이 있는 설정이 있습니까? 이는 스트레인 게이지 또는 스트레인 기반 센서와 같은 저전압 신호를 측정할 때 전기 노이즈의 중요한 소스입니다. 스트레인 게이지 측정은 측정 기간이 증가함에 따라 증가하는 노이즈와 오프셋 드리프트로 인해 어려움을 겪습니다. 캐리어 주파수 증폭기는 이러한 시나리오에서 많은 이점을 제공합니다. 직접 전압 증폭기에 비해 이들이 제공하는 이점은 모든 주파수를 제거하고 캐리어 주파수 대역폭 외부의 고조파를 따른다는 것입니다. 이것은 열전 전압 노이즈, 전력선 주파수 및 주변 모터의 공진 주파수를 제거합니다. 이는 측정 엔지니어가 분석 전 초기 후처리 중에 데이터 세트에서 필터링하는 모든 주요 노이즈 신호입니다.
8. 극한 환경에서 광학 스트레인 게이지 사용
광섬유 브래그 격자(FBG)를 기반으로 하는 광학 스트레인 게이지 또는 광섬유 스트레인 센서는 저항성 스트레인 게이지에 적합하지 않은 열악한 환경 내에서 고품질 스트레인 측정을 수집하는 대체 방법을 제공합니다. 부착된 물체에 하중이 가해지면 광 투과율의 변화를 감지합니다. 광학 스트레인 게이지의 주요 특징은 작동에 전기나 여기 전압이 필요하지 않아 높은 수준의 전자기 간섭을 경험할 환경에서 사용하기에 적합하다는 것입니다. 광학 스트레인 게이지는 본질적으로 갈바닉 절연되어 있어 고전압 위치 스트레인 측정에 이상적입니다. 광학 스트레인 게이지는 장기적인 신호 안정성과 시스템 내구성을 제공합니다. 높은 수준의 진동 부하에서도 기계적 결함이 훨씬 적습니다. 광 센서는 신호 감쇠가 최소화되기 때문에 데이터 수집 시스템이 몇 킬로미터 떨어져 있더라도 데이터 무결성이 높게 유지되므로 광 센서는 토목 및 철도 인프라 모니터링에 널리 사용됩니다. 광학 스트레인 센서에서 오는 신호를 측정하려면 광학 센서에서 반사된 빛과 관련된 파장을 측정한 다음 이를 이해할 수 있는 엔지니어링 단위로 변환하는 광학 인터로게이터가 필요합니다.
