1. 스트레인 (Strain) 이란?
스트레인 (Strain)은 물체가 힘을 받아 모양이 바뀌는 것, 변형의 정도를 나타내는 양이며, 변형률이라고 합니다.
물체의 원래 길이를 L, 길이의 변화를 ∆L 이라고 하면, 변형률 ε 은 다음과 같습니다. strain의 경우 단위를 가지지 않으나 단위를 표시할 시 보통 mm/m, μm/m 로 표현합니다.
2. 스트레인을 발생하는 원인
스트레인 (변형)을 일으키는 원인으로는 크게 3가지 입니다.
- Mechanical loads (기계적, 외부 하중)
- Temperature changes (온도 변화)
- Released residual stresses (잔류응력)
3. 스트레인을 측정하는 방식들
Strain을 측정하는 방식에는 Laser 측정 방식 (Fiber optic strain gage), Strain gage (Mechanical, Piezo-electric and capacitive Strain gage, Semi-conductor Strain gage, Wire Strain gage, Metal Foil Strain gage), Strain 센서 (Bolt on sensor) 등을 이용합니다.
4. 스트레인게이지 (Strain gage)의 종류
스트레인게이지는 Fiber optic strain gage, Semi-conductor Strain gage, Metal Foil Strain gage 등이 있으나 일반적으로 많이 사용하는 타입은 Metal Foil strain gage입니다
a. 화이버 옵틱 스트레인게이지 (Fiber optic strain gage)
HBM 옵티컬 스트레인게이지
광섬유 스트레인 게이지는 광섬유를 사용하여 재료의 변형이나 스트레인을 측정하는 센서의 한 유형입니다. 이 센서는 일반적으로 기계적 응력에 민감한 실리카 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 광섬유 길이로 구성됩니다.
광섬유가 늘어나거나 압축되면 광섬유를 통과하는 빛이 영향을 받아 강도나 위상에 변화가 생깁니다. 이러한 변화를 감지하고 측정하여 재료에 가해지는 스트레인의 양을 확인할 수 있습니다.
장점: 열악한 온도조건, 높은 감도, 전자기 간섭에 대한 내성, 장거리 스트레인 측정 기능을 제공합니다. 열악한 환경에서도 사용할 수 있습니다.
단점: 금속 호일 스트레인 게이지보다 비싸고 전용 시그널 컨디셔닝 장비(Interrgator)가 필요합니다.
b. 반도체 스트레인게이지 (Semiconductor strain gage)
반도체 스트레인 게이지는 전기 저항의 변화를 감지하여 재료의 변형이나 스트레인을 측정하는 센서의 일종입니다. 실리콘이나 게르마늄과 같은 반도체 소재로 만들어져 기계적 스트레스에 매우 민감하게 반응합니다.
반도체 재료가 늘어나거나 압축되면 결정 격자 구조가 변형되어 재료 내의 자유 전하 캐리어 수가 변경되어 전기 저항이 변경됩니다.
장점: 반도체 스트레인 게이지는 넓은 온도 범위에서 높은 감도, 빠른 응답 시간 및 더 나은 안정성을 제공합니다. 또한 습도 및 부식과 같은 환경적 요인에 대한 내성이 더 강합니다.
단점: 금속 호일 스트레인 게이지보다 비싸고, 손상을 방지하기 위해 특별한 취급이 필요하며, 전용 시그널 컨디셔닝 장비가 필요합니다.
c. 금속 포일 스트레인게이지 (Metal foil strain gage)
HBM 스트레인게이지
금속 호일 스트레인 게이지는 전기 저항의 변화를 감지하여 재료의 변형 또는 변형을 측정하는 센서의 일종입니다. 이 센서는 얇은 금속 스트립 또는 "호일"로 구성되며, 일반적으로 콘스탄탄, 카르마 또는 니켈과 같은 재료로 만들어져 측정 대상 재료의 표면에 부착됩니다. 재료가 기계적 응력을 받으면 금속 호일도 함께 변형되어 전기 저항에 변화를 일으킵니다. 이러한 변화를 감지하고 측정하여 재료의 변형량을 확인할 수 있습니다.
가장 일반적으로 사용되는 스트레인게이지입니다.
장점: 금속 호일 스트레인 게이지는 비용 효율적이고 사용하기 쉬우며 우수한 정확도와 반복성을 제공합니다. 또한 설치가 용이하고 금액이 상대적으로 저렴합니다.
단점: 온도 변화에 민감할 수 있고 습기 및 부식과 같은 환경 요인에 대한 저항력이 제한적입니다.
5. 스트레인 측정 원리
스트레인게이지는 재료의 변형을 따라 저항의 변화를 감지합니다.
아래는 스트레인게이지가 압축, 인장에 따른 저항 변화를 나타냅니다.
금속호일스트레인게이지의 경우 콘스탄탄, 카르마 또는 니켈과 같은 재료로 만들어지며 아래 그림과 같이 필름형태로 제작이 됩니다.
Measuring grid 부분이 실제 스트레인을 측정하는 부분입니다.
6. 스트레인게이지 어플리케이션
스트레인게이지는 기계적 응력과 변형을 측정하는데 사용되며, 빌딩, 다리, 철도,구조 공학에서 자동차 및 항공 우주 공학에 이르기까지 산업 전반에 광범위하게 응용되고 있습니다.
7. 스트레인게이지 센서
스트레인게이지를 이용한 센서들은 무게(로드셀), 힘(포스센서), 토크(토크센서), 압력(압력센서), 길이(변위센서)등 다양한 종류의 센서가 있습니다.
로드셀에서 무게 측정 시 먼저 무게로 인해 로드셀 바디의 변형이 내부에 부착된 스트레인게이지의 저항을 변화 시키며 앰프나 인디게이터를 통해 kg으로 측정이 가능합니다.
무게 (KG) → 로드셀의 변형 (µm/m)→스트레인게이지의 저항 변화 → 무게 측정 (KG)
8. 스트레인게이지 선정
스트레인게이지는 시험이나 사용 목적에 따라 몇가지 사양에 대해 고려를 해야 합니다.
a. 저항
일반적으로 120옴, 350옴, 700옴,1 000옴이 있으며 저항이 낮은 스트레인게이지는 작은 변형을 측정하는 등 고감도 어플리케이션에 적합하며, 저항이 높은 스트레인게이지는 낮은 감도와 높은 안정성이 요구되는 어플리케이션에 사용이 됩니다. 이는 저항 차이가 측정 감도에 영향을 미치기 때문입니다. 일반 시험 목적이면 120옴을 주로 사용하며, 350옴은 센서 제작용, 700옴 이상은 텔레메터리 같이 특수 목적에 사용이 됩니다.
b. 측정 목적
스트레인게이지는 단축 (리니어), 더블, 로젯 스트레인게이지 (2축, 3축)으로 구성이 됩니다.
▶ 단축 (Linear) strain gage
▶ 더블 (Double) strain gage
리니어, 더블 스트레인게이지의 경우 한방향으로만 변형이 발생할때 사용을 합니다.
▶ 2축 로젯 스트레인게이지
45도 각도의 Shear 스트레인게이지의 경우 토크 측정 시 사용을 합니다.
▶ 3축 로젯 스트레인게이지
복잡한 구조물이나 스트레인 방향을 미리 알 수 없는 경우와 같이 여러 방향의 스트레인을 측정할 때 사용됩니다.
c. 사용 환경
스트레인게이지는 제조사별로 차이가 있으나 보통 -270~250°C의 환경에서 사용이 가능합니다.
다만 온도 조건에 따라 고온용 (저온용) 스트레인게이지가 있으며 부착 방식도 점용접이나 고온(저온)용 전용 본드로 부착을 해야 합니다.
d. 측정 대상물
측정 대상물의 변형량, 재질, 크기에 따라서도 스트레인게이지를 선정하는데 필요한 요소입니다.
변형량에 따라 높은 스트레인 측정 타입을 사용해야 하며, 재질, 크기에 따라서도 각각 목적에 맞는 타입으로 선정을 해야 합니다.
또한 콘트리트와 같이 표면이 균일하지 않는 재질에서는 스트레인 측정 그리드가 긴 제품을 사용해야 합니다.
이상 포스팅한 스트레인게이지에 대해 문의 사항 있으시면 언제든지 연락 주시기 바랍니다.
항상 최선을 다하겠습니다.
감사합니다.
전화 : 031-680-1225
메일 : wgjeon@cndtec.co.kr
주소 : 경기도 화성시 동탄영천로 131, 1018호
저희 씨앤디테크는 스트레인게이지의 경우 세미나, 실습 세트, 부착 용역, 판매, 부착 현장 교육 등 계측관련 시험 컨설팅 부터 기술용역까지 지원하는 계측 솔류션 전문 업체입니다.
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