[ObserVR]스트레인 게이지 - Gauge factor, Static Offset, WHEATSTONE BRIDGE, Strain Gage

 

목차

 

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이번 포스트는 팜테크에서 제공하는 ObserVR을 사용해서 Strain Gauage를 설정하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

 

Powering a Strain Gauge

스트레인 게이지(Strain Gauge)는 미세한 물체의 변형을 측정하는 센서입니다. 이 센서는 일반적으로 매우 작은 전기적 변화를 생성하여, 이 변화를 측정하여 물체의 변형을 파악합니다. 그러나 이러한 전기적 신호는 매우 약하기 때문에, 추가적인 장비가 필요합니다.

 

 

• 전기적 증폭: 스트레인 게이지의 출력 신호는 매우 낮습니다 (보통 10mV 미만). 따라서, 이 신호를 측정 가능한 수준으로 증폭하기 위해 외부 증폭기가 필요합니다.
• 안정적인 전류 공급: 스트레인 게이지는 스스로 전력을 생성하지 않기 때문에, 일정한 전압을 공급해야 합니다. 이를 위해 신호 조절기(Signal Conditioner)가 사용됩니다. 이 장치는 보통 3V 또는 10V의 안정된 전압을 스트레인 게이지에 공급합니다. 전압의 안정성은 측정 오류를 방지하는 데 매우 중요합니다.
• 신호 조건 설정: 신호 조절기는 또한 필터를 적용하여 출력 신호의 대역폭을 관심 있는 주파수 범위로 제한합니다. 이렇게 하여 불필요한 노이즈를 줄이고, 더 정확한 측정 값을 얻을 수 있습니다.

 

간단히 말해, 스트레인 게이지는 물체의 변형을 감지하는 데 사용되는 섬세한 센서입니다. 그러나 이 센서 자체의 출력은 매우 낮아서, 증폭기와 신호 조절기 같은 외부 장비를 통해 신호를 강화하고 정제해야 합니다. 이 과정을 통해 더 정확하고 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

 

 

Wheatstone bridge

 

Wheatstone Bridge는 저항을 측정하는 가장 정밀한 방법 중 하나로 널리 사용되는 회로 구성입니다. 이 구성의 기본 원리와 특징은 다음과 같습니다.

 

• 기본 구조: Wheatstone Bridge 는 네 개의 저항체로 이루어진 사각형 형태의 회로입니다. 이 회로에는 전원 공급원과 전압 감지기가 포함됩니다.
• 전기적 구성: 전기적으로 밀리브리지는 두 개의 전압 분배기로 구성되어 있으며, 변형이 적용되지 않을 때 균형이 맞는 것으로 가정합니다(즉, 출력 전압은 0V입니다). 이 구성은 참조 전압을 제공하여, 출력 전압의 변화로 간접적으로 저항을 측정할 수 있게 합니다.
• 밀리브리지 구성: 가장 간단한 밀리브리지 구성에는 하나의 활성 스트레인 게이지가 포함되어 있지만, 다양한 목적을 위해 여러 개의 게이지를 포함할 수도 있습니다. 활성 게이지의 수에 따라 회로의 구성 유형이 결정됩니다: 쿼터-브리지(quarter-bridge), 하프-브리지(half-bridge), 풀-브리지(full-bridge).
• 장점: 밀리브리지는 온도 변화와 횡방향 감도에 대한 보상을 조정할 수 있으며, 특정한 변형 측정을 거부하거나 강화할 수 있기 때문에 유리합니다.

 

 

Static Offset

 

 

• Wheatstone bridge: 이론적으로 밀리브리지(Wheatstone bridge) 회로는 변형이 없을 때 균형을 이루고, 그 결과 출력 전압은 0V가 됩니다. 하지만 실제 응용에서는 여러 요인으로 인해 0V가 아닌 초기 오프셋 전압이 발생합니다. 이러한 요인으로는 저항기의 공차, 저항의 변화, 리드 와이어 저항, 게이지 위치 설정으로 인한 변형 등이 있습니다.
• 정적 측정: 정적 측정은 변화하지 않는 값을 의미합니다. 변형은 변화의 속도에 따라 동적(dynamic) 또는 정적(static)일 수 있습니다. 엔지니어들은 정밀 측정을 위해 출력 전압의 직류(DC, Direct Current) 부분, 즉 안정된 상태의 부분을 찾습니다. 동적 응용에서는 변동하는 성분만 측정할 수도 있습니다.
• VibrationVIEW 소프트웨어: VibrationVIEW 소프트웨어는 DC 전압 오프셋을 보정합니다. 이를 통해 오프셋을 0V 값으로 조정할 수 있습니다. 사용자는 DC 입력 옵션을 활성화하여 오프셋을 볼 수 있으며, 이는 모든 저주파 필터링을 비활성화합니다. 사인(sine) 모드에서는 측정하는 채널에 대한 추적 필터(Tracking Filter)를 끄는 것도 필요합니다.
• AutoZero 명령어: DC 입력이 활성화되면, 사용자는 AutoZero 명령어를 사용하여 초기 오프셋을 균형있게 조정할 수 있습니다. 이 명령어는 DC로 구성된 입력들의 레벨을 0으로 재설정합니다.

 

간단히 말해, 스태틱 오프셋은 측정 시스템에서 발생하는 불변의 배경 신호를 말하며, 이는 다양한 내부 및 외부 요인으로 인해 발생할 수 있습니다. VibrationVIEW 같은 소프트웨어는 이러한 오프셋을 보정하여 정밀한 측정을 가능하게 합니다. AutoZero와 같은 기능을 통해 사용자는 이 오프셋을 제거하고 보다 정확한 측정 값을 얻을 수 있습니다.

 

 

 

Parameters

 

 

1. 게이지 계수(Gauge Factor): 게이지 계수는 스트레인 게이지의 변형에 대한 민감도를 나타내는 양적 척도입니다. 이는 저항의 분수적 변화에 대한 길이의 분수적 변화의 비율로 정의됩니다. ΔR은 저항의 변화, R은 원래 저항, ΔL은 길이의 변화, L은 원래 길이를 의미합니다. 일반적으로 금속에 대해서는 게이지 계수가 2에서 4 사이이며, 반도체의 경우에는 50에서 200 사이입니다. 게이지 계수가 크면 클수록 저항의 변화가 커져 민감도가 높아지고, 결과적으로 전압 출력이 증가합니다.
2. 온도(Temperature): 온도는 게이지 계수에 직접적인 영향을 미칩니다. 스트레인 게이지는 변형으로 인한 저항의 변화를 측정합니다. 환경 온도가 변형 감지 재료의 열팽창을 일으킬 경우, 센서는 이 변화를 기계적인 변형으로 해석할 수 있습니다. 따라서, 실험 환경의 온도를 문서화하는 것이 필요합니다. 정적 또는 준정적 변형 신호는 온도 변화에 더 민감합니다.

 

 

해당 장비는 팜테크에서 제공하고 있습니다. 장비, 용역에 관심이 있으시면 아래 홈페이지 링크로 문의 주시면 됩니다. 관련해서 다양한 오프라인 교육도 제공하고 있으니 아래 링크를 참조 하시면 됩니다.

 

https://www.famtech.co.kr/sub04/01_01.php

교육일정및신청(주)팜테크