스트레인 게이지(Strain gauges)는 압력 센서, 부하 셀, 토크 센서, 위치 센서 등과 같은 다양한 종류의 센서에서 요구되는 필수적인 센싱 요소이다. 대부분의 스트레인 게이지는 호일 형태로 다양한 애플리케이션에 적합하도록 여러 종류의 형태와 크기로 제공된다.(그림 1) 저항성 호일 패턴으로 구성되어 해당 소재의 뒷면에 마운팅되는데, 호일에 스트레스를 가함에 따라 호일 저항은 정해진 방식으로 변경된다. 호일 게이지는 최고의 정밀도를 제공하지만, 고가이면서 신호 크기가 작아 증폭이 어렵다. 실리콘 스트레인 게이지는 실리콘 다이에 박막 반도체 공정을 적용해 금속을 적층하는 방식이다. 종종 MEMS(Microelectromechanical System) 구조인 이 다이는 압력 변화에 따라 구부러지는 다이어프램(Diaphragm) 형태로 이뤄져 있다. 또한 이러한 다이어프램 구조를 구현하고 있는 동일한 실리콘 다이에는 열 효과를 보상하고 출력을 증폭하고 선형화하는 회로가 포함되어 있다.
엔지니어들은 스트레인 측정을 통해 부품이 휘거나 깨지는 정도를 파악할 수 있는 중요한 요소인 소재의 스트레스을 추정할 수 있다. 또한 스트레스는 부하에 의해 휘어진 다이어프램 후단의 유압을 의미하기도 한다. 벤딩을 포함한 스트레인 게이지의 흥미로운 애플리케이션 중 하나는 진공으로 테스트 대상을 고정하여, PCB(Printed Circuit Board)의 유연성을 측정하는 것이다. 만일 보드를 너무 많이 구부리면 납땜 연결부위가 파손될 것이다. 내쇼날 인스트루먼트(National Instruments)의 데이터 획득 제품 부문 스왑닐 패드헤(Swapnil Padhye) 매니저는 스트레인 게이지를 갖춘 샘플 보드를 통해 전기 테스트로 인한 회로의 신뢰성 감소를 방지할 수 있다고 밝혔다.(참고자료 1, 참고자료 2)
부하 셀 내부에서 동작하는 스트레인 게이지는 힘, 토크 모니터, 압력 모니터를 정밀하게 측정한다.(그림 2) 저울, 탱크, 용기의 무게 측정과 산업용 공정에서 필름과 스트립의 장력을 측정하는데 뛰어난 성능을 보여준다. 파이프 팽창에 따른 압력을 추정하여 음식물 처리 애플리케이션 등에서 파이프 내부가 깨끗한지 판단할 수 있다. 산업용 공정에서는 깔때기 모양이나 뚜껑이 달린 로드-베어링에 스트레인 게이지가 탑재되어 사용된다. 하디 인스트루먼트(Hardy Instruments)의 데이브 콘웰(Dave Cornwell) CTO는 만일 무게 대신 부피를 측정해야 할 필요가 있다면 정밀한 변환을 위해 애플리케이션의 국부 중력을 알아야 한다고 설명했다. 또한 스트레인 게이지는 산업, 의료, 과학 장비에도 사용된다. 분당 수만 번의 회전을 하는 엔진의 봉 회전력에 따라 측정된 스트레인의 변화는 빠르거나 느릴 수 있다.
기계 엔지니어들은 전기 엔지니어들이 오실로스코프 프로브를 필요로 하는 것처럼 스트레인 게이지를 필요로 한다. 이 두 그룹은 유한 요소 기계 모델 또는 Spice 전기 모델을 사용하여 시뮬레이션 결과를 검증해야 한다. 기계 엔지니어들은 설계하는 부품과 구조에 대한 실제 데이터를 수집하기 위해 스트레인 게이지를 사용한다. 또한 강변의 구각교에서 이러한 스트레인 모니터링과 같은 디자인을 위해 영구적인 부품으로 스트레인 게이지를 사용하기도 한다.
스트레인을 측정하는데 게이지만 사용되지는 않는다. 예를 들어, 부품의 에폭시 플라스틱 모델을 만들어 가열한 후 부하에 장착하여 냉각시키고, 편광을 통해 밝힐 수 있다. 이 빛은 플라스틱의 스트레인에 따른 칼라 주름을 생성한다. 프린스톤 대학의 로버트 마크(Robert Mark) 교수는 이러한 방법을 사용하여 중세 성당의 부벽을 모델링하였다. 이 작업은 성당들이 수 세기에 걸쳐 어떻게 유지되고 있는지를 설명할 수 있는데, 부벽은 순수한 압축 상태여서 바람 및 눈에 의한 부하를 모든 곳에서 받게 된다. 이러한 부벽들은 단순히 돌이 쌓여 있는 것이므로 장력이 가해진다면 무너지게 될 것이다.(참고자료 3, 참고자료 4)
스트레인을 측정하는 또 다른 방법은 스트레인 게이지 제조업체인 매그나플럭스(Magnaflux)의 그리어 엘리스(Greer Ellis)가 1942년에 발명한 StressCoat, 브릿틀 래커(Brittle Lacquer)이다. 이 방식은 부품을 래커로 칠한 후, 설계 부하를 부품에 가하고, 코팅의 깨짐을 관찰한다. StressKote도 이와 비슷한 방법이다. 몇몇 엔지니어들은 이러한 방법들을 무시하고 컴퓨터 시물레이션과 FEA(Finite Element Analysis) 방식에 의존한다. 하지만 컴퓨터 화면의 예쁜 그림 보다는 실제 부품 상의 사실상의 부하가 훨씬 더 안심이 된다.
비쉐이(Vishay)는 또 다른 유의미한 방법으로 PhotoStress를 개발했는데, 이 방법은 StressCoat의 직관적인 시각화와 편광 관찰의 유연함을 결합한 것이다. 이 방식은 특수 광학 필름을 비추기 위해 편광을 사용한다. 부품의 윤곽에 따라 필름을 붙이고, 설계 부하에 이를 적용한 후, 편광을 이 부품에 비추면 부품의 스트레인 패턴을 관찰할 수 있다. 편광기의 광학 트랜스듀서 또한 스트레인 측정을 제공하며, 비쉐이와 같은 회사들은 윤곽이 있는 시트를 뜨기 위해 액상의 감광성 코팅을 제공한다.
스트레인 게이지 적용에 있어 가장 큰 문제 중 하나는 제어가 불가능한 수많은 변수들이다. 제조업체들은 전압계와 광 센서를 통해 대부분의 정밀도를 제어할 수 있으므로 사용자는 전압 프로브를 회로에 연결하거나 센서에 빛을 밝히기만 하면 된다. 하지만 스트레인 게이지 측정에 있어 우선적으로 수천 가지의 게이지 중 알맞은 게이지와 기기에 설치될 위치를 선택해야 하며, 표면을 다듬고 측정할 부품에 게이지를 부착시켜야 한다. 그 후 스트레인 게이지와 측정 증폭기를 연결한다. 하지만 이러한 과정을 파악하는 것이 문제의 끝은 아니다. 게이지는 온도 범위 내에서 유지되어야 하며, 게이지 출력을 선형화하고, 스트레스와 측정하는 부품의 스트레인 간의 관계를 정확하게 이해하는 것이 필수적이다.
또 다른 문제는 섬유 유리와 탄소 섬유 같은 소재들이 이방성이므로 측정 방향에 따라 값이 틀려진다는 것이다. 이러한 경우 섬유들은 특정 방향을 향하고 있기 때문에 스트레스와 스트레인의 관계는 가해진 방향뿐 아니라 소재 내부의 방향 간의 상호 작용에 의해서도 영향을 받는다. 이러한 효과를 창문 브라인드를 열고 닫을 때의 상황에서 유추할 수 있을 것이다. 이 과정에서 블라인드에 가해지는 압력은 거의 없으므로 블라인드는 망가지지 않는다. 하지만 무릎 위에서 블라인드를 휘는 것은 방향 자체가 딱딱한 구조를 띠기 때문에 특정한 양의 스트레인을 가할 경우 망가지게 된다. ‘로제트(Rosette)’ 스트레인 게이지를 사용하여 이방성 소재의 스트레인을 측정할 수 있는데, 둘 또는 세 방향의 스트레인을 동시에 측정할 수 있다.(그림 4)
또 다른 까다로우면서 제어가 어려운 변수는 계류(Captive) 스트레스이다. 양 종단을 모두 연결하지 않는 교각에 대한 통계학 및 역학 수업을 떠올리면 될 것이다. 수학적 계산으로는 과도한 제약조건을 가진 시스템을 해결할 수 없다. 스트레인 측정에 있어서도 동일한 문제에 직면하게 될 것이다. 부품을 볼트로 죄고 렌치로 방향을 맞추는 것은 엄청난 양의 스트레스와 스트레인을 가하게 된다. 만일 스트레인 게이지를 이 부품에 부착시키게 되면, 부품이 거의 부서지기 일보직전이거나 이미 휘어진 상태임에도 불구하고 출력은 스트레인을 보여주지 않을 것이다.
하디의 콘웰은 “정밀한 측정을 위해서 게이지가 중요하지만 게이지 위에 올라가는 강철 또는 알루미늄이 더욱 중요하다.”고 지적했다. 선형성 및 히스테리시스 문제를 피하기 위해서 기계 가공 작업을 통해 국부 스트레스를 제거한 후 특수 합금과 열처리된 부품을 사용하는 것이 좋다. 또한 스트레인 게이지는 해당 영역의 스트레인을 평균화시킨다. 게이지 근처의 구멍은 큰 스트레인과 더불어 스트레인 집중을 가져오지만, 게이지는 나머지 영역에서 집중된 스트레인을 평균화하므로 낮은 스트레인을 구현할 수 있다. 비쉐이의 톰 루마지(Tom Rummage) 시니어 애플리케이션 엔지니어는 “스트레인 영역 또는 스트레스 집중에 따른 적절한 길이의 게이지를 선택할 필요가 있다.”고 밝혔다.
또한 좀 더 미묘한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 부품 내부가 응고되고 있을 때 주조 외부 층이 먼저 굳을 수 있는데, 부품 냉각은 잔류 스트레스를 발생시키게 된다. 표면 스트레스를 가진 주조, 용접, 가공된 부품은 2차 또는 3차 효과로 무시할 수 없는 엄청난 정적인 내부 스트레스를 가지고 있다는 것을 알아야 한다. 언제나 그렇듯이 실험을 하고 데이터를 수집해야 한다. 루마지는 “스트레스는 프리 바운드리에서는 존재할 수 없다. 구멍을 뚫어야 하는 위치로부터 일정한 거리를 둔 곳에 3개의 소자를 갖춘 스트레인 게이지를 위치시킨다. 구멍을 뚫으면 프리 바운드리가 생성된다. 만일 안으로 무너지게 되면 압축력이 낮은 것이고, 밖으로 끌어 당기면 장력이 낮은 것이다. 이 3개의 게이지와 이들간의 각도 관계를 파악하면 부품이 겪고 있는 잔류 스트레스를 계산할 수 있다.”고 말했다.
내부 잔류 스트레스를 검증하여 이들을 수용하는 방식으로 설계할 수 있다. 열처리와 다른 주물 합금을 사용하는 것 이외에 부품 내 어디에도 탄성이 떨어지거나 감퇴로 인한 오류 가이드라인에 접근하는 스트레인이 없다는 것을 증명할 수 있는 측정 방법들을 채택할 수 있다. 내부 스트레스 내 변동을 가져오는 다중 몰드, 서로 다른 공정, 새로운 벤더가 없도록 해야 할 것이다. 하지만 이러한 변동 사항이 있더라도 이미 존재하는 내부 스트레스를 기반으로 사전에 스트레스를 받은 콘크리트가 설계 부하를 만족시킬 수 있기 때문에 설계는 완벽하게 구현될 수 있다.
측정하고자 하는 정적 및 동작 부하를 파악하고 있어야 한다. 예상되는 스트레인에서 동작하는 게이지를 선택해야 하지만 소재의 운동력, 인장 효과, 충격적인 부하를 고려해야 한다. 또한 정적 방전이 센서 전자 부품에 충격을 주지 않아야 한다. 하디의 콘웰은 “모든 제품은 CE(Conformité Européenne)에 맞게 설계되며, 인체공학적 모델이다. 공장에서는 포크 리프트 모델을 사용한다. 어떤 사람이 포크 리프트 주변에서 동작하고 있을 때, CE 규정보다 훨씬 높은 전압을 얻게 된다.”고 설명했다.
운전자가 플랫폼 저울에 팔렛(Pallet)을 내려 놓으면, 큰 아크 성분이 포크에서 포크 리프트 쪽으로 생성된다. 만일 운전자가 접지 스트랩을 사용하지 않는다면, 유일한 접지 복귀 경로는 부하 셀과 스트레인 게이지 선을 통과하는 것이다. 한편 너무 넓은 범위에 걸쳐 너무 많은 스트레인을 가할 경우 스트레인 게이지의 감퇴로 인한 고장이 발생할 수 있다. 또한 탄성율은 소재의 압축율과 탄성에 따라 달라질 수 있다. 흔한 문제는 아니지만 훌륭한 스트레인 게이지 엔지니어는 기계학, 소재학, 전자공학, 물리학 및 실험 원리에 대해 잘 알고 있어야 한다.
측정 절차와 설계는 스트레인 게이지 측정에 큰 영향을 미치므로 제품 계획에 스트레인 게이지 벤더의 애플리케이션 엔지니어를 포함시키는 것이 좋다. 해당 애플리케이션에 특정 벤더의 스트레인 게이지를 사용하는 것에 대해 불안할 수 있다. 오메가다인(Omegadyne) 같은 몇몇 벤더들은 이러한 걱정을 해결해 줄 수 있다. 이들은 다년간의 경험을 축적한 엔지니어들을 통해 커스텀 디자인에 기반한 게이지를 제공하고 있다. 이 회사의 설계 및 제조 분야의 엔지니어인 윌리엄 해밀턴(William Hamilton)에 따르면 적어도 2주 내에 커스텀 게이지를 제공할 수 있다고 한다.
스트레인 게이지 측정의 중요성을 무시해서는 안 되는데, 부품에 게이지를 장착하여 한 시간 내에 결과치를 얻을 수는 있지만 이 결과치는 틀린 것이다. 5분내에 굳는 에폭시를 사용하여 게이지를 접착시킬 수 있는데, 빠르게 건조되는 에폭시는 열을 발산할 뿐만 아니라 굳으면서 오그라들게 된다. 이는 게이지에 스트레인을 가하게 되어 결과치에 오류를 발생시킨다. 유사하게 두꺼운 에폭시 덩어리에 호일 게이지를 부착해서도 안 되는데, 호일 게이지와 부품 표면 사이의 거리는 상당한 오류를 제공하기 때문이다. 부품과 게이지 사이의 1/8인치 에폭시에 대한 스트레인이 아니라 부품의 스트레인을 측정해야 하는 것이다.
성급하게 측정하기 보다는 여러 번의 실험을 통해 스트레인 게이지 선택과 장착 방법에 대해 면밀히 검토해야 한다. 오메가다인의 OEM 세일즈를 담당하고 있는 롭 카네이(Rob Carney) 매니저는 “고객들이 직면하고 있는 가장 큰 문제는 적절한 스트레인 게이지를 선택하는 것이다. 정밀도, 안정도, 온도범위, 연장정도, 테스트 기간은 모두 중요한 요소이다.”라고 밝혔다.
일단 게이지를 장착한 후 스트레인을 제거했을 때 0으로 돌아오는지를 확인해야 하며, 이를 통해 히스테리시스가 없으면 뛰어난 반복성을 제공할 수 있다. 이러한 측정치를 NIST(National Institute of Standards and Technology) 표준과 상호 확인한 후 측정값을 취해야 한다. 게이지 자체의 비용은 다른 부품에 비해 가장 저렴하다. 장착과정 및 게이지 특성 부여, 그리고 결과 기록에 필요한 회로와 테스트 장비에 비용이 많이 소요된다. 이러한 이유로 회로를 자체적으로 설계하는 것보다는 스트레인 게이지 컨디셔닝 시스템을 구입하는 것이 나을 수 있다.
스트레인의 기본 사항들
스트레인 게이지 측정이 복잡하고 비싼 이유를 이해하기 위해서는 스트레인에 대한 기본적인 사항을 이해할 필요가 있다. 마이크로스트레인은 스트레인 게이지에서 백만 분의 일에 해당하는 저항 변화로 2배의 브리지 팩터를 의미하며, 1V의 여기는 마이크로스트레인 당 0.5μV를 발생시킨다. 비쉐이의 루마지는 “25.3km 길이의 로프를 잡고 1 마이크로스트레인의 스트레인으로 당기면 2.54cm가 움직인다. 표면에 대한 준비에 주의를 기울이지 않으면 백만 분의 일의 정밀도를 달성할 수 없다.”고 설명했다.
노련하지 않은 엔지니어들과 학술적인 연구원들은 측정에 옴 미터기를 사용해 보지만, 측정된 결과치가 쓸모가 없다는 것을 깨닫게 될 것이다. 스트레인에 변화를 주면 측정값이 크게 변하므로 숙련된 엔지니어들은 Wheatstone 브리지(4개의 저항기기로 오류를 제거하고 스트레인 변화를 센서 출력의 변화를 크게 만들어 줌)에 스트레인 게이지를 같이 사용한다. 만일 적절한 방향으로 4개의 스트레인 게이지를 사용하면 신호 진폭과 민감도를 4배로 증가시킬 수 있다. 저항 변화를 추측하기 위해서 교류 또는 직류 여기 전압을 갖춘 브리지를 사용할 수 있다. 교류를 사용하면 게이지의 호일 소재에 납땜된 리드 선 소재의 열전대 효과를 제거할 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 이러한 열전대 전위차는 브리지 여기가 변경 될 때 전위를 변경시키지 않으므로 교류 신호에서 직류 신호를 추출하기 위해 동기식 복조를 사용할 때 발생하는 직류 오류를 제거할 수 있다.
연산 증폭기가 발전함에 따라 측정을 위해 4 게이지 풀 브리지가 항상 필요한 것은 아니다. 대신 하나의 활성 스트레인 게이지와 3개의 수동 저항으로 브리지를 구성하는 쿼터 브리지를 사용할 수 있다. 또한 하나의 레그에 2개의 게이지를 갖춘 하프 브리지를 사용할 수도 있다. 이 방법은 스트레인 게이지의 온도 계수를 무효화시킨다. 이 후 동일한 온도 계수를 공유하는 2개의 수동 저항을 사용하여 브리지를 완성할 수 있다. 브리지 설정은 게이지와 수동 저항의 온도 계수가 비례하기 때문에 무효화될 수 있다. 몇몇 증폭기에서는 스트레인 측정을 위해 2번째 게이지를 장착할 필요가 없다. 대신 ‘더미’ 게이지를 수동 저항으로 사용할 수 있는데, 이때 더미 게이지는 활성 스트레인 게이지와 동일한 온도로 유지되어야 한다.
비록 스트레인 게이지 소재의 온도 계수 무효화가 중요하긴 하지만 좀 더 기본적인 온도 보정 문제를 해결해야 한다. 측정하고 있는 소재는 팽창 열 계수를 가지고 있는데, 소재를 가열함에 따라 팽창하므로 표본에 장착된 스트레인 게이지 또한 함께 팽창되어 출력에 오류를 발생시킨다. 따라서 소재에 스트레인이 없음에도 불구하고 게이지는 출력을 발생시킨다. 이러한 문제를 피하기 위해서 측정코자 하는 소재와 동일한 팽창 온도 계수를 지닌 게이지 소재를 선택해야 한다. 게이지 제조업체들은 이러한 온도 문제를 없앨 수 있는 다양한 양 및 음 팽창 계수를 지닌 제품을 생산하고 있다. 탄소 섬유 또는 비등방성 소재의 팽창 열 계수는 각 방향으로 틀릴 수 있다.
내쇼날 인스트루먼트의 마켓 개발을 담당하고 있는 데이비드 포터(David Potter) 매니저는 “스트레인 게이지는 저항을 매우 적게 변화시키므로 결과 전압의 변화도 매우 적다. 사용처, 사용환경, 선의 길이에 따라 SNR(Signal-to-Noise Ratio)은 매우 낮을 수 있다.”고 밝혔다. 여기없이 게이지에서 데이터를 취하는 것은 괜찮은 방법인데, 여기없는 게이지는 유효한 출력을 발생시키지 않으므로 잡음을 측정할 수 있다. 이제 왜 스트레인 게이지 증폭기가 고가이고 특수한 도구인지 알 수 있을 것이다.(그림 5) 브리지를 완벽하게 구현하고 여기시킨 다음 널 값을 오프셋 시켜야 하며, 작은 신호도 측정하고 잡음을 제거하며, 아날로그에서 디지털로 변환하기 위한 안티앨리어싱 필터도 제공하고, 신호 경로에 유입되는 잡음을 감소하기 위해 출력을 버퍼링하는 역할을 한다. 또한 상위 등급의 기기는 션트 영역 보정과 원격 감지를 제공하므로 별도의 리드 쌍은 브리지에서 정밀 전압 제어를 보장한다. 만일 측정 도구가 교류 브리지를 여기할 수 있다면 직류 신호를 얻기 위해 여기를 복조해야 한다. 연구소 기술자들은 설명될 수 없는 센서 신호를 발생시키기 위해 휴대전화를 사용한다. 비쉐이의 루마지는 “증폭기에서 와이어링 쉴드를 접지시키고, 부품 상에서 오픈 상태로 둔다. 이러한 방법은 매우 많이 사용된다.”고 언급했다.
또한 루마지는 설계에 잡음 문제가 있을 경우 부품에 접지를 제공하고 기기의 쉴드를 오픈해 두라고 충고한다. 양 종단에서 케이블 쉴드를 접지시킬 수도 있다. 게이지를 장착하고 선택할 때 측정은 모든 변수들을 조정해야 한다. 일단 게이지를 선택하고 증폭기에 연결하였다면 측정 환경을 제어하거나 좋은 데이터를 낼 수 있도록 최소한의 실험을 수행해야 한다. 또한 스트레인 게이지와 증폭기를 정해진 온도 범위로 유지시켜야 한다.
오류와 비선형성은 많은 곳에서 발생할 수 있으며, 측정 정밀도를 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 제어된 보정을 종종 수행하여야 한다. 만일 고가의 부하 셀과 NIST에서 검증된 증폭기로 스트레인 게이지 값을 검증할 수 있다면 온도와 습도 등의 소재에 영향을 주는 환경에서도 측정을 해보아야 한다. 일단 이러한 데이터가 수집되면 매스웍스의 MATLAB 또는 내쇼날 인스트루먼트의 LabView와 같은 소프트웨어를 사용하여 스트레인 게이지에서 바로 나온 값을 교정할 수 있다. 게이지, 접착제, 측정한 부품에 손상이 가해지지 않았는지 확인하기 위해 측정 전후로 보정을 실시해야 한다. 이러한 보정은 호일 게이지의 횡단 민감도 같은 대부분의 2차 및 3차 효과를 무효화시킬 수 있다. 횡단 민감도는 호일 게이지가 직각 방향의 모든 스트레인들을 거부하지 않기 때문에 발생한다.
리니어 테크놀로지와 아나로그 디바이스는 자신만의 브리지 여기와 증폭 회로를 설계하려는 도전적인 엔지니어들을 위해 각종 문서자료들을 제공하고 있다.(참고자료 5, 참고자료 6, 그림 6) 만일 스트레인 게이지가 필요한 저렴한 제품을 설계하고 있다면 스스로 회로를 설계해야 할 것이다. 제품 개발 단계의 한 부분으로 스트레인을 측정해야 하는 엔지니어들은 오메가 엔지니어링(Omega Engineering), 비쉐이, 내쇼날 인스트루먼트 등과 같은 측정 전문가들에게 의뢰해야 한다. 테스트 기기와 회로가 형편없는 게이지 선택이나 설치를 보상할 수 없다는 것을 기억해야 한다. 적절한 게이지 소재와 형태를 선택한 후 풀, 하프, 쿼터 브리지 설정 중 어떤 것을 사용할지 결정해야 한다. 올바른 탑재 위치와 에폭시를 선택해야 하며, 측정을 의미 없게 만드는 계류 스트레스를 조심해야 한다. 또한 증폭기로 스트레인 게이지 신호가 잘 전달되도록 한다. 가능하다면 측정기구의 리드 선을 게이지에 납땜시킨다. 금도금이 아닌 커넥터들은 측정에 큰 오류를 야기한다는 점도 주의해야 한다. 1등급 테스트 기기를 사용하고 브리지 측정 회로 설계를 이해하는 것이 좋다. 시스템을 자주 보정하여 FEA가 실제 스트레인 측정치와 일치하도록 한다.
전기 및 기계 엔지니어들은 컴퓨터 시뮬레이션은 실수가 없을 것이라는 허황된 믿음을 가지고 있다. FEA 엔지니어들은 시물레이션에 대한 확고한 믿음을 가지고 있지만 부품 내 계류 스트레스 또는 시물레이션 내 복잡한 선택 오류가 잘못된 결과치를 가져온다는 것을 발견하게 될 것이다. 비쉐이의 루마지는 “많은 사람들은 유한 요소 모델이 스트레인의 방향과 크기에 대해 알려줄 것이라는 완벽하면서도 안이한 믿음을 가지고 있다. 이러한 것들은 가정일 뿐이며, 검증될 필요가 있다.”고 언급했다. 만일 측정치를 꼼꼼히 살펴본 다음, 스트레인 측정에 대해 이해하게 되었다면 시뮬레이션에 대해서는 다른 입장을 취하게 될 것이다.
요약
• 스트레인 게이지는 금속 호일, 실리콘, 압전 저항 소재로 제작된다.
• 스트레인 게이지는 저항의 작은 변화도 제공하기 때문에 브리지 설정에 사용된다.
• 게이지를 만드는 최종 단계는 게이지를 부품에 부착시키는 일이다.
• 부품들의 잔류 스트레스에 주의하자. 이러한 스트레스는 경부하에서 큰 문제를 일으킬 수 있다.
• 스트레인 게이지 증폭기는 제작이 어려워 고가이기 때문에 자체적인 브리지 인터페이스 회로를 설계하는 것이 좋다.
• 올바른 측정을 수행하기 위해서는 몇 시간이 아니라 몇 주가 걸릴 수도 있다.
웹사이트
Analog Devices
www.analog.com
Hardy Instruments
www.hardyinstruments.com
IPC
www.ipc.org
JEDEC
www.jedec.org
Linear Technology
www.linear.com
Magnaflux
www.magnaflux.com
The MathWorks
www.mathworks.com
Mettler Toledo
www.mt.com
National Institute of Standards
and Technology
www.nist.gov
National Instruments
www.ni.com
Omegadyne
www.omegadyne.com
Omega Engineering
www.omega.com/pressure/psc.html
Princeton University
www.princeton.edu/cee
StressKote
www.stresskote.com
Vishay
www.vishay.com/company/brands/
micromeasurements
저자
테크니컬 에디터인 폴 라코(Paul Rako) 기자의 연락처는 전화 1-408-745-1994, 이메일 paul.rako@edn.com이다.
참고자료
1. IPC Association Connecting Electronics Industries/JEDEC (Joint Electron Device Council)-9704, “Printed Wiring Board Strain Gage Test Guideline,” June 2005.
2. Padhye, Swapnil, “Using IPC/JEDEC-9704 & 9702 Standards for Strain Gage Testing of Your Printed Wiring Boards,” National Instruments.
3. Mark, Robert, Experiments in Gothic Structure, MIT Press, April 1982, ISBN-10: 0-262-13170-6, ISBN-13: 978-0-262-13170-4.
4. Ellis, Greer, “Method of Determining Strain Concentration in Rigid Articles,” US Patent Office, Sept 8, 1942.
5. Williams, Jim, “Bridge Circuits: Marrying Gain and Balance,” Linear Technology Corp, Application Note 43, June 1990.
6. Kester, Walt, “Practical design techniques for sensor signal conditioning,” Analog Devices Corp, 1999.
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Captions
Figure 1:
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그림 1. 가장 흔한 종류의 스트레인 게이지는 메탈 호일로 만들어진다.(제공: 오메가 엔지니어링)
Figure 2:
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그림 2. 이 메틀러 톨레도(Mettler Toledo) 스케일은 선형화 및 측정을 위한 메모리 칩을 갖춘 정밀한 부하 셀을 가지고 있다.
Figure 3:
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그림 3. 편광으로 스트레스를 받은 플라스틱을 관찰하여 소재의 스트레인 패턴을 확인할 수 있다. 보다 근접한 주름들의 해당 지점에서 스트레인이 높다.(자료제공: 로버트 마크(Robert Mark) 프린스톤 대학)
Figure 4:
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그림 4. 로제트 타입의 스트레인 게이지는 한번에 세 방향의 스트레인을 측정할 수 있는 3개의 게이지를 가지고 있다.(자료제공: 오메가 엔지니어링)
Figure 5:
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This strain-gauge amplifier costs $1149 and provides 24-bit measurement accuracy, excitation, bridge completion, and a host of other features (courtesy National Instruments).
그림 5. 스트레인 게이지 증폭기는 1,149달러이며, 24bit 측정 정밀도와 여기, 브리지 완성 등의 다양한 기능을 제공한다.(자료제공: 내쇼날 인스트루먼트)
Figure 6:
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그림 6. 이 스트레인 게이지 회로는 인체의 혈액 흐름을 감지하고 0.01-lb의 정밀도로 몸무게를 잴 수 있다.(자료제공: 리니어 테크놀로지)
