스트레인게이지란 무엇이며 어떻게 작동합니까? (What is a Strain Gauge)
- 상세 설명
스트레인 게이지는 엔지니어가 물체에 대한 외부 힘의 영향을 측정하기 위해 일반적으로 사용하는 장치입니다. 변형률을 직접 측정하여 응력, 토크, 압력, 편향 및 기타 여러 측정을 간접적으로 결정하는 데 사용할 수 있습니다.
이 글에서는 스트레인 게이지가 무엇인지, 어떻게 작동하는지에 대한 개요를 제공 할 것입니다. 그런 다음 다양한 유형의 스트레인 게이지에 대해 좀 더 자세히 알아보고 몇 가지 예제 응용 프로그램을 제공 한 다음 내가 일하는 한 응용 프로그램에 대한 자세한 사례 연구를 진행할 것입니다. 프로젝트에 사용할 스트레인 게이지를 구입하는 데 관심이 있다면 구입할 수있는 몇 가지 장소를 제공 할 것입니다.
스트레인 게이지란 무엇이며 어떻게 작동합니까?
변형률은 물체의 원래 길이에 대한 길이 변화의 비율인 무차원 측정치입니다. 따라서, 포지티브 스트레인은 재료를 연신한 결과이고 네거티브 스트레인은 압축의 결과이다. 응력은 가해지는 힘을 물체의 초기 단면적 또는 물체의 내부 저항 능력으로 나눈 값입니다.
그림 1. 왼쪽: 스트레인 게이지의 구성(소스) 오른쪽: 스트레인 게이지의 예(소스))
각 스트레인 게이지는 위의 그림과 같이 유연한 기판에 의해 절연 된 금속 호일로 구성됩니다. 두 리드는 게이지를 통해 전류를 통과하고, 측정되는 물체의 표면이 늘어나거나 수축함에 따라 저항의 변화가 측정됩니다. 이러한 저항의 변화는 아래 방정식과 같이 테스트되는 물체의 표면에서 길이의 변화에 비례합니다. 스트레인 게이지는 얇은 전도성 호일에 걸친 전기 저항의 변화를 측정하여 작동합니다. 게이지 계수(또는 "게이지 계수")는 스트레인 게이지의 감도(일반적으로 2)입니다. 저항의 변화를 길이의 변화로 변환합니다.
수학식 1: 게이지 계수 방정식
그림 2. 스트레인 게이지 (소스)에서 경험 한 압축 및 장력.
스트레인 게이지가 구부러지거나 늘어나거나 뒤틀리는 것을 경험할 때, 금속 호일을 가로지르는 저항의 변화는 휘트스톤 브리지에 의해 측정됩니다. 측정되는 저항의 변화는 물체가 경험하는 변형에 비례한다. 사용자는 훅의 법칙(아래 방정식)을 사용하여 물체가 경험하는 응력을 재료의 탄성 계수를 파악하여 결정할 수 있습니다.
수학식 2: 훅의 법칙 방정식.
스트레인 게이지의 종류
다양한 용도와 측정 자유도를 위해 많은 유형의 스트레인 게이지가 있지만 모두 휘트스톤 브리지를 사용하여 저항의 변화를 계산합니다.
쿼터 브리지 스트레인 게이지
단일 축을 측정하는 경우 아래 그림과 같이 쿼터 브리지 스트레인 게이지가 사용됩니다. 쿼터 브리지는 네 개의 저항기 중 하나만 가변적(Rx)이고 다른 세 개의 저항기는 고정되어 있다는 사실을 나타냅니다. 회로는 가변 저항기의 값을 결정하여 회로가 균형을 이루고 B 지점과 C 사이에 전류가 전달되지 않도록합니다.
그림 3. 휘트스톤 쿼터 브리지 다이어그램 (이미지 출처 : PRO 교육 시리즈의 저작권 DEWESoft)
스트레인 게이지 로제트
스트레인 게이지 로제트라고 하는 일부 스트레인 게이지는 추가 센서를 사용하여 여러 방향으로 스트레인 측정을 제공합니다. 로제트는 표면에서 물체의 완전한 변형 상태를 결정하는 데 사용됩니다. 완전한 변형 상태는 정상, 전단 및 주균주로 구성된다. 이축 로제트는 두 개의 센서를 사용하며 스트레인 게이지는 서로 수직으로 장착됩니다. 삼축 로제트의 경우 세 가지 측정도가 필요합니다. 이 게이지는 필요한 측정에 따라 서로에 대해 0°-45°-90° 또는 0°-60°-120°에 장착됩니다. 다음은 스트레인 게이지 로제트에 대한 몇 가지 일반적인 구성입니다 (원본을 볼 수 있음).
그림 4. 스트레인 게이지 로제트 예제
압전 저항기
작은 규모의 변형률을 측정할 때 압전 저항기는 종종 더 나은 측정 도구입니다. 이러한 측정은 종종 너무 작아서 마이크로 변형률 (με 또는 ε x 10-6)으로 표현됩니다. 이러한 센서를 사용하면 감도가 변하므로 게이지 계수가 일반적인 호일 스트레인 게이지보다 높은 경우가 많습니다. 이러한 센서는 길이의 작은 변화를 기록하지만 온도 변화에 더 취약하며 호일 게이지보다 파손 될 가능성이 더 큽니다.
스트레인 게이지 구입처
당신이 당신의 응용 프로그램에 스트레인 게이지를 사용하는 데 관심이 있다면, 그들을 얻을 수있는 다양한 장소가 있습니다, 여기에 우리가 일반적으로 사용하는 몇 가지 있습니다 :
- 인덱스티엠 일본 TML사 공급
이제 스트레인 게이지를 사용하면 스트레인 게이지의 신호 출력에 전력을 공급하고 조절하기 위해 매우 구체적인 계측기가 필요합니다.
스트레인게이 측정장치와 관련하여 여기를 클릭하십시오.
스트레인 게이지 응용 분야
토목 공학 및 지질 공학 모니터링 분야는 정기적으로 스트레인 게이지를 사용하여 교량, 건물 등과 같은 구조물의 고장을 감지합니다. 이러한 구조물은 심각한 변형이 부상이나 사망으로 이어질 수 있기 때문에 지속적인 모니터링이 필요합니다. 이 게이지는 정밀도가 높고 테스트 대상에서 먼 거리에서 잘 작동하며 장기간에 걸쳐 설정 및 유지 보수에 최소한의 노력이 필요하기 때문에 일반적으로 사용됩니다.
현장에서의 테스트는 종종 이상적인 조건에서 실험실 테스트와 상당히 다릅니다. 스트레인 게이지가 높은 가치를 지닌 이유 중 하나는 열악한 환경에서 사용할 수 있어 높은 정밀도로 반복 가능한 결과를 얻을 수 있다는 사실입니다. 엔지니어가 접근하기 어려운 구성의 열악한 환경에서 불규칙한 모양의 물체를 테스트할 때 스트레인 게이지와 같은 특수 장치가 필요한 경우가 많습니다. 예를 들어, 항공우주 응용 분야에서는 수백만 개의 스트레인 게이지를 사용하여 CAD(컴퓨터 지원 설계) 및 FEA(유한 요소 분석) 시뮬레이션의 결과를 확인합니다. 이러한 테스트는 종종 서로 다른 힘이 항공기에 미치는 영향을 정확하게 표현하기 위해 동적 조건에서 수행됩니다.
그림 5. 왼쪽: 2006년 미니애폴리스 스틸 트러스 브릿지. 오른쪽: 다리 아래쪽. (출처)
스트레인 게이지는 정적 테스트에도 자주 사용됩니다. 일부 브리지는 이더넷을 통해 테스트 결과를 전송하는 무선 원격 분석을 사용하도록 설정됩니다. 그러나 다른 교량은 주로 표면 결함을 감지하기 위해 육안 검사 또는 침투 테스트를 거칩니다. 비용 효율적이지만 이러한 방법은 지속적인 검사가 없으므로 I-35 Minneapolis 강철 트러스 브리지와 같은 치명적인 고장을 초래할 수 있습니다. 1990 년부터 다리는 연방 정부에 의해 "구조적으로 부족한"것으로 표시되었으며, 이는 매년 검사를 받아야한다는 것을 의미했습니다. 그러나 스트레인 게이지의 지속적인 모니터링, 상당한 수리 또는 교체가없는 경우 2007 년에 교량이 필연적으로 붕괴되어 13 명이 사망했습니다. 이 다리는 2007 년에 "구조적으로 부족한"것으로 밝혀진 미국 전역의 약 80,000 개의 다리 중 하나 일뿐입니다.
스트레인 게이지 사례 연구
여기 Midé (참고 : enDAQ는 Midé의 한 부서입니다)에서 우리는 프로젝트 작업을 위해 스트레인 게이지를 정기적으로 사용합니다. 최근에 동료와 저는 테스트 설정에 스트레인 게이지를 추가하여 간접적으로 토크를 측정했습니다. 우리가 작업하고 있던 프로젝트는 심해 다이빙 슈트 디자인에 중점을 두었습니다. 이 실험에서는 슈트 팔의 스러스트 베어링을 회전시키는 데 필요한 토크의 양을 테스트하여 스러스트 베어링을 가압하여 최대 530피트의 깊이에서 이를 사용하여 시뮬레이션했습니다.
그림 6. 모터와 스러스트 베어링 사이에 장착된 스트레인 게이지로 셋업을 테스트합니다.
이 시험을 위해, 스트레인 게이지는 위의 그림과 같이 모터와 밀폐된 스러스트 베어링 사이의 받침대에 장착되었습니다. 이 조립품은 고압 탱크 내부에 배치되고 침수되고 가압되었습니다. 모터는 AC 전류에 의해 구동되어 토크 출력을 일관되게 만들었습니다. 수행 된 테스트는 시계 방향과 시계 반대 방향으로 축 방향 회전에 대한 추력 베어링의 저항을 측정했습니다.
그림 7. 스러스트 베어링으로 완전히 조립 된 다이빙 슈트 암.
이 테스트 동안 우리는 천천히 압력을 증가시켜 다른 깊이에서 스러스트 베어링의 저항을 확인했습니다. 대기압을 베이스로 시작하여, 압력을 30, 50, 75, 100, 150, 200, 및 250 psig (또는 평방 인치당 파운드)로 증가시켰다. 우리가 압력을 증가시킬 때마다, 모터는 7-8 초 동안 양방향으로 회전되었다. 최고 압력에서, 최대 토크는 아래 그래프와 같이 시계 반대 방향(포지티브 토크)에서 35피트 파운드의 스트레인 게이지에 의해 측정되었다.
그림 8. 스트레인 게이지를 사용한 토크 대 시간 테스트 측정.
결론
스트레인 게이지는 안전과 생산성을 보장하는 데 도움이되는 매우 광범위한 응용 분야를 갖춘 매우 다양한 지반 공학 도구입니다. 특히 정밀도, 설치 용이성, 저렴한 비용, 긴 작동 수명 및 매우 제한된 유지 보수의 필요성으로 인해 높이 평가됩니다. 항공 우주, 케이블 교량, 철도 모니터링 (철도 시스템 용) 및 팬, 발전기, 휠 및 프로펠러와 같은 광범위한 회전 장비에서 토크 및 전력 측정과 같은 분야에서 스트레인 게이지의 많은 미래 응용 프로그램을 고려하는 것은 흥미 진진합니다.
이 게시물이 다양한 유형의 스트레인 게이지, 작동 방식 및 응용 프로그램을 더 잘 이해하는 데 도움이되기를 바랍니다. 질문이 있으시면 주저하지 말고 의견을 남기거나 저희 인덱스티엠으로 연락주십시오. 그리고 데이터 수집, 센서 및 분석에 대한 자세한 내용에 대해 상담하여 주세요.
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