변형 게이지

변형 게이지(strain gauge) 또는 스트레인 게이지(strain gauge, strain gage), 변형계는 물체의 변형을 측정하는 데 사용되는 장치이다. 1938년 에드워드 E. 시먼스와 아서 C. 루지가 발명한 가장 일반적인 유형의 변형 게이지는 금속 포일 패턴을 지지하는 절연 유연성 지지대로 구성된다. 게이지는 순간 접착제와 같은 적절한 접착제로 물체에 부착된다.^[1] 물체가 변형되면 포일도 변형되어 전기저항이 변경된다. 일반적으로 휘트스톤 브리지를 사용하여 측정되는 이 저항 변화는 게이지 계수로 알려진 양에 의해 변형과 관련된다.

일반적인 포일 변형 게이지; 파란색 영역은 전도성이며 저항은 한 큰 파란색 패드에서 다른 패드까지 측정된다. 이 게이지는 수평 방향보다 수직 방향의 변형에 훨씬 더 민감한다. 활성 영역 외부의 표시는 설치 중 게이지 정렬에 도움이 된다.

역사

에드워드 E. 시먼스와 아서 C. 루지 교수는 독립적으로 변형 게이지를 발명했다.

시먼스는 1936년에서 1938년 사이에 칼텍의 데트윌러와 클라크의 연구 프로젝트에 참여했다. 그들은 충격 하중 하에서 금속의 응력-변형 거동을 연구했다. 시먼스는 미세 저항 와이어로 동력계를 장착하여 시료에 가해지는 힘을 측정하는 독창적인 방법을 고안했다.

MIT 교수인 아서 C. 루지는 지진학 연구를 수행했다. 그는 진동 테이블에 설치된 모델 물탱크의 거동을 분석하려고 했다. 그는 모델의 작은 크기와 낮은 변형으로 인해 당시의 표준 광학 변형 측정 방법을 활용할 수 없었다. 루지 교수(및 그의 조교 J. 한스 마이어)는 물탱크 모델의 얇은 벽에 시멘트로 붙인 금속 와이어의 변형으로 인한 저항 변화를 측정하는 아이디어를 얻었다.

변형 게이지의 개발은 본질적으로 다른 연구 프로젝트의 부산물이었다. 에드워드 E. 시먼스와 아서 C. 루지 교수는 당시 대안의 부족으로 인해 널리 사용되고 유용한 측정 도구를 개발했다. 아서 C. 루지는 변형 게이지의 상업적 유용성을 깨달았다. MIT의 고용주는 경제적이고 대규모 사용 잠재력을 예측하지 못했기 때문에 발명권에 대한 모든 주장을 포기했다. 이 예측은 틀린 것으로 판명되었다. 변형 게이지 응용 프로그램은 변형을 유발하는 다른 모든 양을 간접적으로 감지하는 데 사용되었기 때문에 빠르게 인기를 얻었다. 또한 과학자들이 설치하기 쉽고, 관찰 대상에 어떤 장애물이나 속성 변화를 일으키지 않아 측정 결과를 왜곡하지 않았다. 아마도 마지막이자 가장 중요한 속성은 전기 출력 신호의 쉬운 전송이었다.^[2]

물리적 작동

장착되지 않은 저항성 포일 변형 게이지

변형 게이지는 전기 전도도의 물리적 특성과 도체의 기하학적 구조에 대한 의존성을 활용한다. 전기 전도체가 파손되거나 영구적으로 변형되지 않는 탄성 한계 내에서 늘어나면 더 얇고 길어져 끝에서 끝까지의 전기 저항이 증가한다. 반대로 도체가 휘어지지 않도록 압축되면 더 넓고 짧아져 끝에서 끝까지의 전기 저항이 감소한다. 변형 게이지의 측정된 전기저항으로부터 유도된 응력의 양을 추론할 수 있다.

일반적인 변형 게이지는 길고 얇은 전도성 스트립을 평행선의 지그재그 패턴으로 배열한다. 이는 감도를 높이지 않는다. 주어진 변형에 대한 전체 지그재그의 저항 변화율이 단일 트레이스의 저항 변화율과 동일하기 때문이다. 단일 선형 트레이스는 매우 얇아야 하므로 과열되기 쉽거나(저항을 변경하고 팽창을 유발할 수 있음) 훨씬 낮은 전압에서 작동해야 하므로 저항 변화를 정확하게 측정하기 어렵다.

게이지 계수

게이지 계수 ${\displaystyle GF}$는 다음과 같이 정의된다.

${\displaystyle GF={\frac {\Delta R/R_{G}}{\epsilon }}}$

여기서

${\displaystyle \Delta R}$는 변형으로 인한 저항 변화,

${\displaystyle R_{G}}$는 변형되지 않은 게이지의 저항,

${\displaystyle \epsilon }$는 변형이다.

일반적인 금속 포일 게이지의 경우 게이지 계수는 일반적으로 2보다 약간 높다.^[3] 균형 잡힌 휘트스톤 브리지 구성에서 활성 게이지에 대해 활성 게이지와 동일한 저항을 가진 3개의 더미 저항이 있는 단일 활성 게이지의 경우, 브리지의 출력 센서 전압 ${\displaystyle SV}$는 대략 다음과 같다.

${\displaystyle SV=EV{\frac {GF\cdot \epsilon }{4}}}$

여기서

${\displaystyle EV}$는 브리지 여기 전압이다.

포일 게이지는 일반적으로 약 2–10 mm² 크기의 활성 영역을 가진다. 주의 깊은 설치, 올바른 게이지 및 올바른 접착제를 사용하면 최소 10%까지의 변형을 측정할 수 있다.

실제 적용

과도하게 구부러진 들보에서 변형 게이지의 작동 개념 시각화

게이지 네트워크의 입력 리드에 여기 전압이 인가되고, 출력 리드에서 전압 판독값이 취해진다. 일반적인 입력 전압은 5V 또는 12V이며, 일반적인 출력 판독값은 밀리볼트 단위이다.

포일 변형 게이지는 다양한 상황에서 사용된다. 다양한 응용 분야는 게이지에 다른 요구 사항을 부과한다. 대부분의 경우 변형 게이지의 방향이 중요하다.

로드셀에 부착된 게이지는 일반적으로 수십 년까지는 아니더라도 수년 동안 안정적으로 유지될 것으로 예상된다. 반면 동적 실험에서 응답을 측정하는 데 사용되는 게이지는 며칠 동안만 물체에 부착되어야 하고, 한 시간 미만으로 에너지를 공급받으며, 1초 미만으로 작동해야 할 수 있다.

변형 게이지는 특수 접착제로 기판에 부착된다. 접착제의 종류는 측정 시스템의 필요한 수명에 따라 달라진다. 단기 측정(수주 이내)에는 순간 접착제가 적합하며, 장기 설치에는 에폭시 접착제가 필요하다. 일반적으로 에폭시 접착제는 고온 경화(약 80-100 °C)를 필요로 한다. 변형 게이지를 부착할 표면 준비는 매우 중요하다. 표면은 부드럽게 만들고(예: 매우 미세한 사포로), 용제로 탈지해야 하며, 용제 흔적은 제거되어야 하고, 변형 게이지는 준비된 영역의 산화 또는 오염을 피하기 위해 즉시 부착해야 한다. 이러한 단계를 따르지 않으면 표면에 대한 변형 게이지의 결합이 신뢰할 수 없고 예측할 수 없는 측정 오류가 발생할 수 있다.

변형 게이지 기반 기술은 압력 센서 제조에 일반적으로 사용된다. 압력 센서에 사용되는 게이지 자체는 일반적으로 실리콘, 폴리실리콘, 금속 필름, 후막 및 접착 포일로 만들어진다.

온도 변화

온도 변화는 여러 가지 효과를 유발한다. 물체는 열팽창에 의해 크기가 변하고, 이는 게이지에 의해 변형으로 감지된다. 게이지의 저항이 변하고, 연결 전선의 저항도 변한다.

대부분의 변형 게이지는 콘스탄탄 합금으로 만들어진다.^[4] 다양한 콘스탄탄 합금과 카르마 합금은 변형 게이지 자체의 저항에 대한 온도 효과가 테스트 중인 물체의 열팽창으로 인한 게이지 저항 변화를 크게 상쇄하도록 설계되었다. 다른 재료는 열팽창량이 다르기 때문에 자가 온도 보상(STC)은 테스트 중인 물체의 재료와 일치하는 특정 합금을 선택해야 한다.

자가 온도 보상이 되지 않는 변형 게이지(예: 등탄성 합금)는 더미 게이지 기술을 사용하여 온도 보상이 가능하다. 더미 게이지(활성 변형 게이지와 동일)는 테스트 시편과 동일한 재료의 변형되지 않은 샘플에 설치된다. 더미 게이지가 있는 샘플은 활성 게이지 옆에 있는 테스트 시편과 열 접촉하게 배치된다. 더미 게이지는 활성 게이지의 인접한 암에 휘트스톤 브리지에 연결되어 활성 및 더미 게이지의 온도 효과가 서로 상쇄되도록 한다.^[5] (머피의 법칙은 원래 휘트스톤 브리지에 게이지 세트가 잘못 연결된 것에 대한 응답으로 만들어졌다.^[6])

모든 재료는 가열되거나 냉각될 때 반응한다. 이로 인해 변형 게이지는 재료의 변형을 기록하여 신호가 변경된다. 이를 방지하기 위해 변형 게이지는 이러한 온도 변화를 보상하도록 만들어진다. 변형 게이지가 조립되는 표면 재료에 따라 다른 팽창이 측정될 수 있다.

리드선의 온도 효과는 "3선 브리지" 또는 "4선 옴 회로"^[7](일명 "4선 켈빈 연결")를 사용하여 상쇄할 수 있다.

어떤 경우든, 휘트스톤 브리지 전압 구동을 변형 게이지의 자체 발열을 피할 수 있을 만큼 충분히 낮게 유지하는 것이 좋은 엔지니어링 관행이다. 변형 게이지의 자체 발열은 기계적 특성(대형 변형 게이지는 자체 발열에 덜 취약함)에 따라 달라진다. 브리지의 낮은 전압 구동 레벨은 전체 시스템의 감도를 감소시킨다.

적용 분야

구조 건전성 모니터링

구조 건전성 모니터링 (SHM)은 구조물 완공 후 모니터링하는 데 사용된다. 고장을 방지하기 위해 변형 게이지는 손상 및 크리프를 감지하고 위치를 파악하는 데 사용된다. 특정 예시로는 교량 케이블 모니터링을 통해 가능한 손상을 감지하여 안전성을 높이는 것이다. 또한 특수 중량물 운송과 같은 비정상적인 하중에 대한 교량의 거동을 분석할 수 있다.

생체 측정

피부 변형을 측정하면 사람과 다른 동물 모두에서 자세, 관절 회전, 호흡 및 부기와 같은 다양한 생체 역학적 측정을 제공할 수 있다. 그러나 저항성 포일 변형 게이지는 낮은 변형 한계로 인해 이러한 용도로는 거의 사용되지 않는다. 대신, 부드럽고 변형 가능한 변형 게이지는 센서를 신체의 올바른 부위에 쉽게 적용할 수 있도록 숙주 의류에 부착되는 경우가 많지만, 때로는 피부에 직접 부착되기도 한다. 일반적으로 이러한 응용 분야에서 이러한 부드러운 변형 게이지는 신축 센서로 알려져 있다. 의료용으로는 센서가 정확하고 반복 가능해야 하며, 이는 일반적으로 용량성 신축 센서의 사용을 필요로 한다.

예측 유지보수

산업 응용 분야의 많은 물체와 재료는 수명이 제한적이다. 수명과 소유 비용을 개선하기 위해 예측 유지보수 원칙이 사용된다. 변형 게이지는 재료의 피로 지표로서 변형을 모니터링하는 데 사용되어 소프트웨어 시스템이 특정 구성 요소가 언제 교체되거나 수리되어야 하는지 예측할 수 있도록 한다. 저항성 포일 게이지는 금속, 세라믹, 복합 재료 등과 같은 단단한 재료를 계측하는 데 사용될 수 있는 반면, 고탄성 변형 게이지는 고무, 플라스틱, 직물 등과 같은 부드러운 재료를 모니터링하는 데 사용된다.

항공

항공 분야에서 변형 게이지는 구조 하중을 측정하고 날개 처짐을 계산하는 표준적인 접근 방식이다. 변형 게이지는 항공기의 여러 위치에 고정된다. 그러나 처짐 측정 시스템은 변형을 원격으로 안정적으로 측정하는 것으로 나타났다. 이는 항공기 계측 중량을 줄여 (특정) 변형 게이지를 대체한다.^[8]

용도 변경

원하는 결과를 얻기 위해 변형을 측정해야 하는지 처음에는 명확하지 않은 응용 분야도 있다. 예를 들어 특정 구조물에 침입자를 탐지하는 경우 변형 게이지를 사용하여 침입자의 존재를 감지할 수 있다. 이는 해당 구조물의 미세한 변형 변화를 측정하여 이루어진다.^[9]

오류 및 보상

• 제로 오프셋 - 게이지를 힘 수집기에 접착한 후 4개 게이지 암의 임피던스가 정확히 같지 않으면 제로 오프셋이 발생하며, 이는 하나 이상의 게이지 암에 병렬 저항을 도입하여 보상할 수 있다.
• 게이지 계수 온도 계수(TCGF)는 온도 변화에 따른 변형에 대한 장치 감도의 변화이다. 이는 일반적으로 입력단에 고정 저항을 도입하여 보상하며, 이로써 효과적인 공급 전압이 온도 증가에 따라 감소하여 온도 증가에 따른 감도 증가를 보상한다. 이는 변환기 회로에서 모듈러스 보상으로 알려져 있다. 온도가 상승하면 로드셀 요소는 더 탄력적이 되어 일정한 하중 하에서 더 많이 변형되어 출력이 증가하지만, 하중은 여전히 동일하다. 이 모든 것의 영리한 점은 브리지 공급의 저항이 게이지가 접착되는 재료와 게이지 요소 재료 모두에 일치하는 온도 감응 저항이어야 한다는 것이다. 해당 저항의 값은 이 두 값에 모두 의존하며 계산할 수 있다. 간단히 말해 출력이 증가하면 저항 값도 증가하여 변환기로의 순 전압이 감소한다. 저항 값을 올바르게 설정하면 변화가 나타나지 않을 것이다.
• 온도에 따른 제로 시프트 - 각 게이지의 TCGF가 같지 않으면 온도에 따른 제로 시프트가 발생한다. 이는 힘 수집기의 이상 현상으로 인해 발생하기도 한다. 이는 일반적으로 보상 네트워크에 전략적으로 배치된 하나 이상의 저항으로 보상된다.
• 선형성은 압력 범위에 따라 감도가 변하는 오류이다. 이는 일반적으로 의도된 압력에 대한 힘 수집기 두께 선택 및 접착 품질의 함수이다.
• 히스테리시스는 압력 이탈 후 제로로 돌아가는 오류이다.
• 반복성 - 이 오류는 때때로 히스테리시스와 관련이 있지만 압력 범위 전체에 걸쳐 발생한다.
• 전자파장애로 인한 오류 - 변형 게이지의 출력 전압은 mV 범위에 있으며, 요소의 자체 발열을 피하기 위해 휘트스톤 브리지 전압 구동을 낮게 유지하면 μV 범위도 될 수 있으므로 중첩된 노이즈도 증폭되지 않도록 출력 신호 증폭에 특별한 주의를 기울여야 한다. 자주 채택되는 해결책은 "캐리어 주파수" 증폭기를 사용하는 것이다. 이 증폭기는 전압 변화를 주파수 변화(예: 전압 제어 발진기에서)로 변환하고 좁은 대역폭을 가지므로 대역 외 EMI를 줄인다.
• 과부하 – 변형 게이지가 설계 한계(마이크로스트레인 단위로 측정됨) 이상으로 하중을 받으면 성능이 저하되고 복구할 수 없다. 일반적으로 좋은 엔지니어링 관행은 변형 게이지에 ±3000 마이크로스트레인 이상으로 스트레스를 주지 않을 것을 권장한다.
• 습도 – 변형 게이지를 신호 조절기에 연결하는 전선이 노출된 전선처럼 습기로부터 보호되지 않으면 부식이 발생하여 기생 저항이 생길 수 있다. 이로 인해 전선과 변형 게이지가 접착된 기판 사이에 전류가 흐르거나 두 전선 사이에 직접 전류가 흐를 수 있어 변형 게이지를 통해 흐르는 전류와 경쟁하는 오류가 발생한다. 이러한 이유로 고전류, 저저항 변형 게이지(120옴)는 이러한 유형의 오류에 덜 취약한다. 이 오류를 피하려면 변형 게이지 전선을 절연 에나멜(예: 에폭시 또는 폴리우레탄 유형)로 보호하는 것으로 충분한다. 보호되지 않은 전선을 가진 변형 게이지는 건조한 실험실 환경에서만 사용할 수 있으며 산업 환경에서는 사용할 수 없다.

일부 응용 분야에서 변형 게이지는 측정 대상 하드웨어의 진동 프로필에 질량과 감쇠를 추가한다. 터보 기계 산업에서 회전 하드웨어의 진동 측정에 변형 게이지 기술의 대안으로 사용되는 것은 비침습적 응력 측정 시스템으로, 블레이드나 디스크에 장착된 하드웨어 없이 블레이드 진동을 측정할 수 있다.

변형 게이지의 기하학적 구조

변형 게이지의 기하학적 구조

시중에는 다음과 같은 다양한 종류의 변형 게이지가 있다.

• 선형 변형 게이지
• 막 로제트 변형 게이지
• 이중 선형 변형 게이지
• 완전 브리지 변형 게이지
• 전단 변형 게이지
• 하프 브리지 변형 게이지
• 기둥 변형 게이지
• 45° 로제트 (3가지 측정 방향)
• 90° 로제트 (2가지 측정 방향)

기타 유형

변형 게이지 측정 장치는 표류 문제에 취약한다. 또한 제조에는 모든 생산 단계에서 정확한 요구 사항이 필요하다. 따라서 변형을 측정하는 여러 가지 다른 방법이 있다.^[2]

• 작은 변형 측정의 경우, 압저항기라고 불리는 반도체 변형 게이지가 포일 게이지보다 선호되는 경우가 많다. 반도체 게이지는 일반적으로 포일 게이지보다 큰 게이지 계수를 가진다. 반도체 게이지는 더 비싸고 온도 변화에 더 민감하며 포일 게이지보다 더 깨지기 쉬운 경향이 있다.
• 나노 입자 기반 변형 게이지가 새로운 유망 기술로 부상하고 있다. 활성 영역이 금 또는 탄소와 같은 전도성 나노 입자 어셈블리로 만들어진 이러한 저항성 센서는 높은 게이지 계수, 넓은 변형 범위 및 높은 임피던스로 인한 적은 전력 소비를 결합한다.
• 생체 측정, 특히 혈류 및 조직 부기 측정에는 수은 고무 변형 게이지라는 변형이 사용된다. 이 유형의 변형 게이지는 작은 고무 튜브에 소량의 액체 수은이 담겨 있으며, 이는 예를 들어 발가락이나 다리 주위에 적용된다. 신체 부위의 부기는 튜브를 늘어나게 하여 더 길고 얇아지게 하여 전기 저항을 증가시킨다.
• 광섬유 감지는 광섬유를 따라 변형을 측정하는 데 사용될 수 있다. 측정은 광섬유를 따라 분포되거나 광섬유의 미리 정해진 지점에서 수행될 수 있다. 2010년 아메리카 컵 보트 Alinghi 5와 USA-17 모두 이 유형의 내장 센서를 사용한다.^[10]

디지털 이미지 상관법을 사용하여 재료 시험 쿠폰에서 움직이는 변형 구조를 보여주는 뤼더스 밴드의 비접촉 변형 측정 예시

• 전자 스펙클 패턴 간섭계 또는 디지털 이미지 상관법과 같은 다른 광학 측정 기술을 사용하여 변형을 측정할 수 있다.
• 미세 규모 변형 게이지는 미세전기기계시스템(MEMS)에서 힘, 가속도, 압력 또는 소리에 의해 유도되는 변형과 같은 변형을 측정하는 데 널리 사용된다.^[11] 예를 들어, 자동차의 에어백은 MEMS 가속도계로 자주 작동된다. 압저항 변형 게이지의 대안으로 집적 광학 링 공진기를 사용하여 미세광전기기계시스템(MOEMS)에서 변형을 측정할 수 있다.^[12]
• 용량성 변형 게이지는 가변 축전기를 사용하여 기계적 변형 수준을 나타낸다.
• 진동선 변형 게이지는 지반 공학 및 토목 공학 응용 분야에 사용된다. 이 게이지는 진동하는 장력 와이어로 구성된다. 변형은 와이어의 공명 주파수(장력 증가 시 공명 주파수 증가)를 측정하여 계산된다.
• 수정 변형 게이지도 지반 공학 응용 분야에 사용된다. 압력 센서인, 부르동관 힘 수집기를 갖춘 공명 수정 변형 게이지는 DART의 핵심 센서이다.^[13] DART는 심해 해저에서 지진해일 파도를 감지한다. 수 킬로미터 깊이에서 압력을 측정할 때 약 1mm의 수압 해상도를 가진다.^[14]
• 다축 힘 센서는 안전, 민첩성 및 협력적 관점에서 변형 게이지보다 많은 장점을 가질 수 있다. 이 센서는 예응력 공명 복합판을 기반으로 하며, 측정은 압전 변환기에 의해 수행된다. 이를 통해 외부 힘의 3가지 구성 요소를 측정할 수 있다. 또한 필요한 하드웨어는 기존 변형 게이지보다 저렴한다.^[15]

비접촉 변형 측정

변형은 디지털 이미지 상관법 (DIC)을 사용하여도 측정할 수 있다. 이 기술은 하나 또는 두 대의 카메라를 DIC 소프트웨어와 함께 사용하여 부품 표면의 특징을 추적하여 작은 움직임을 감지한다. 테스트된 샘플의 전체 변형 맵을 계산할 수 있어 유한요소 해석과 유사한 디스플레이를 제공한다. 이 기술은 많은 산업에서 전통적인 변형 게이지 또는 변위계, 스트링 포트, LVDT, 가속도계와 같은 다른 센서를 대체하는 데 사용된다.^[16] 상용 DIC 소프트웨어의 정확도는 일반적으로 변위 측정의 경우 픽셀의 1/100에서 1/30 정도이며, 이는 백만 분의 20에서 100 사이의 변형 감도를 나타낸다.^[17] DIC 기술은 특히 충격, 고변형, 고온 또는 고주기 피로 시험에서 전통적인 접촉 방법의 일부 문제를 피하면서 형상, 변위 및 변형을 비접촉 방식으로 빠르게 측정할 수 있도록 한다.^[18]

문헌

1995년 스테판 카일 박사는 변형 게이지와 그 사용법에 대한 상세한 책인 Dehnungsmessstreifen의 초판을 출판했다. 이 초판은 독일어로만 출판되었지만, 다양한 분야에서 변형 게이지의 폭넓은 사용으로 인해 독일 외 지역에서도 인기를 얻었다. 20년 이상이 지난 2017년, 그는 영문으로 번역된 제2판을 출판하여 변형 게이지를 사용하는 더 많은 엔지니어들이 접근할 수 있게 되었다. 이 최신 책의 제목은 Technology and Practical Use of Strain Gages이다.^[2]

변형 게이지 이론 (사회학)

변형 게이지라는 용어는 사회학에서도 볼 수 있다. 사회 변형 게이지 이론은 위치크래프트와 주술 비난을 이해하는 접근 방식이다. 남아프리카 인류학자 맥스웰 마윅은 1965년 잠비아와 말라위에서 이러한 사회학적 현상을 연구했다.^[19] 마법 비난은 관계나 전체 사회 구조에 대한 변형을 반영한다. 이 이론은 주술 비난이 사회의 압력 완화 장치였다고 말한다.^[20]

같이 보기

• 저항 온도계
• 압축계