변형 게이지

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. **변형 게이지**(strain gauge) 또는 **스트레인 게이지**(strain gauge, strain gage), **변형계**는 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.Strain Gage: Materials 물체가 변형되면 포일도 변형되어 전기저항이 변경된다. 일반적으로 휘트스톤 브리지를 사용하여 측정되는 이 저항 변화는 게이지 계수로 알려진 양에 의해 변형과 관련된다.
# 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.isbn=978-3-433-60666-7
# 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 GF는 다음과 같이 정의된다. :GF=\frac{\Delta R/R_G}{\epsilon} 여기서 :\Delta R는 변형으로 인한 저항 변화, :R_G는 변형되지 않은 게이지의 저항, :\epsilon는 변형이다. 일반적인 금속 포일 게이지의 경우 게이지 계수는 일반적으로 2보다 약간 높다.Strain Gage: Sensitivity 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 SV는 대략 다음과 같다. :SV=EV \frac{GF \cdot \epsilon}4 여기서 :EV는 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.Constantan Alloy: Strain Gauge Selection 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.Shull, Larry C., "Basic Circuits", Hannah, R.L. and Reed, S.E. (Eds.) (1992).Strain Gage Users' Manual, p. 122. Society for Experimental Mechanics. . (머피의 법칙은 원래 휘트스톤 브리지에 게이지 세트가 잘못 연결된 것에 대한 응답으로 만들어졌다.Spark, N. (2006). A History of Murphy's Law. Periscope Film. ) 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"The Strain Gage(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 게이지신축 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. ] * 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.s2cid=43985063 예를 들어, 자동차의 에어백은 MEMS 가속도계로 자주 작동된다. 압저항 변형 게이지의 대안으로 집적 광학 링 공진기를 사용하여 미세광전기기계시스템(MOEMS)에서 변형을 측정할 수 있다.doi-access=free * 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.access-date=4 April 2020 DART는 심해 해저에서 지진해일 파도를 감지한다. 수 킬로미터 깊이에서 압력을 측정할 때 약 1mm의 수압 해상도를 가진다.access-date=4 April 2020 * 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.url=https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01050621/file/ebfc5c5d-7540-40f6-abb1-85c2aecb5223-author.pdf
# 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. 상용 DIC 소프트웨어의 정확도는 일반적으로 변위 측정의 경우 픽셀의 1/100에서 1/30 정도이며, 이는 백만 분의 20에서 100 사이의 변형 감도를 나타낸다. 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.
# 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.
# 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.language=English 마법 비난은 관계나 전체 사회 구조에 대한 변형을 반영한다. 이 이론은 주술 비난이 사회의 압력 완화 장치였다고 말한다.journal=Ewer