계측 story

계측스트레인 게이지의 측정 원리 및 교정기법

2021-04-05
조회수 8061




먼저 스트레인 게이지의 기본 상식에 대해 알아보도록 하겠습니다.


스트레인 게이지의 원리로 변화량을 측정하기 위해서는 휘트스톤 브릿지에 대한 원리에 대해서 먼저 알아야 합니다.

1️⃣ 1843 년 천재 발명가 Charles Wheatstone에 의해 저항 측정 기법이 발견 됨

2️⃣ 작은 변화를 측정하기 위한 간단하지만 매우 유용한 회로

3️⃣ 4개의 저항이 모두 같으면 중간의 측정단에서 전압은 0으로 측정 됨

4️⃣ 소량이라도 변화하면 전압의 변화(mV)로 쉽게 관찰 가능

위의 그림처럼 각 저항 R1, R2, R3, R4 가 모두 동일하다면 왼쪽에 흐르는 전압과 오른쪽으로 흐르는 전압이 

동일하고 각 저항 사이에도 동일한 전위차가 발생하여 가운데 전압계에서 0V가 측정되게 됩니다.


만일 아래처럼 하나의 저항(R4)이 350.35옴으로 미세하게 변화한다면 – 저항은 금속의 

인장 수축으로 미세하게 변화하는 성질을 가지고 있죠 – 어떻게 될까요?

만일 아래처럼 하나의 저항(R4)이 350.35옴으로 미세하게 변화한다면 – 저항은 금속의 

인장 수축으로 미세하게 변화하는 성질을 가지고 있죠 – 어떻게 될까요?

오른쪽 도선에 흐르는 전압은 병렬 연결이기 때문에 5V 이지만 350.35 옴과 350 옴으로 저항이 다르기 때문에 

V = IR 에서 350.35옴 (R4) 의 저항이 더 높기 때문에 미세하게 더 높은 전압을 소모하게 됩니다. (약 2.4988V)

그렇다면 중앙의 전압계에서는 2.500V 와 2.4988V 의 차인 0.0012V = 1.2mV 가 측정되게 됩니다.

 

그럼 스트레인 게이지는 어떻게 생겨서 휘어짐에 따라 저항이 달라지는 걸까요?

오른쪽 도선에 흐르는 전압은 병렬 연결이기 때문에 5V 이지만 350.35 옴과 350 옴으로 저항이 다르기 때문에 

V = IR 에서 350.35옴 (R4) 의 저항이 더 높기 때문에 미세하게 더 높은 전압을 소모하게 됩니다. 

약 2.4988V 로 말이죠~

그렇다면 중앙의 전압계에서는 2.500V 와 2.4988V 의 차인 0.0012V = 1.2mV 가 측정되게 됩니다.

 

여러분들은 이제 Ideal 하게나마 스트레인 게이지의 물리량/변화량/인장력 을 휘트스톤 브릿지를 통해 실질적으로 측정이 가능한 전압차 로 계산하는 방법을 터득하셨습니다!!

 

그럼 스트레인 게이지는 어떻게 생겨서 휘어짐에 따라 저항이 달라지는 걸까요?



기본적인 스트레인 게이지는 위와 같이 아주 얇은 금속이 길게 바닥판에 에칭된 형태로 생겨있습니다. 

왼쪽의 스트레인 게이지는 얇은 금속의 방향이 좌우로 길게 펼쳐진 형태로 부착되어 있는데, 

이는 좌우로 변화하는 인장력을 측정할 수 있다는 의미입니다.


생김새에 따라 스트레인 게이지는 방향성을 가지는 것이 기본입니다.

하지만 종류에 따라 한 방향만 측정하는 단축, 또는 여러 방향을 동시에 측정할 수 있는 면압 게이지나, 로젯(Rossette) 게이지가 있습니다.

기본적인 스트레인 게이지는 위와 같이 아주 얇은 금속이 길게 바닥판에 에칭된 형태로 생겨있습니다. 

왼쪽의 스트레인 게이지는 얇은 금속의 방향이 좌우로 길게 펼쳐진 형태로 부착되어 있는데, 

이는 좌우로 변화하는 인장력을 측정할 수 있다는 의미입니다.


생김새에 따라 스트레인 게이지는 방향성을 가지는 것이 기본입니다. 하지만 종류에 따라 한 방향만 측정하는 단축, 또는 여러 방향을 동시에 측정할 수 있는 면압 게이지나, 로젯(Rossette) 게이지가 있습니다.





트레인 게이지는 개수에 따라 quarter / half / full bridge 결선 방법이 있습니다.

각각의 역할과 이득은 아래에서 좀 더 알아보도록 하겠습니다.

스트레인 게이지는 개수에 따라 quarter / half / full bridge 결선 방법이 있습니다.

각각의 역할과 이득은 아래에서 좀더 알아보도록 하겠습니다.





먼저 위와 같이 스트레인 게이지 2개를 이용해서 휘어짐의 힘을 측정하고자 한다면 측정부의 위와 아래에 각각 스트레인 게이지를 부착 할 수 있습니다.

빨간색 스트레인 게이지는 측정부가 아래로 휘어짐에 따라 스트레인 게이지가 인장 즉 늘어나게 됩니다.

금속의 길이가 길어지면 저항이 커지니 빨간색 스트레인 게이지는 이제 저항이 커졌습니다.

파란색 스트레인 게이지는 반대로 수축이 일어났습니다. 그림으로 보시면 똑 같은 모양으로 휘어져서 변화가

동일한 것이 아니냐 라고 생각하실 수도 있지만 우리가 팔을 접었을 때, 팔꿈치 부분의 살은 늘어나고 팔 안쪽

살은 쪼그라드는 것처럼 파란색 스트레인 게이지도 쪼그라들었습니다.


스트레인 게이지의 금속이 쪼그라들면, 두께가 두꺼워지고 길이는 짧아졌습니다. 그렇다면 저항이 작아졌다는 의미입니다.

이제 마지막으로 가장 우측의 휘트스톤 브릿지를 보시죠, R#1은 저항이 커지고 R#2는 저항이 작아졌습니다.

그렇다면 두 저항 사이의 전압은 V=IR 로부터 빨간색 저항에서 전하를 다 소모하고 나니 실제 전압계의 (-) 부분에 측정되는 전압은

오른쪽 일반 저항보다 두배로 작아졌습니다. 두개의 저항을 위와 같이 이용한다면 인장력의 크기를 더욱 증폭하여 더 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

먼저 위와 같이 스트레인 게이지 2개를 이용해서 휘어짐의 힘을 측정하고자 한다면 측정부의 위와 아래에 각각

스트레인 게이지를 부착 할 수 있습니다.

빨간색 스트레인 게이지는 측정부가 아래로 휘어짐에 따라 스트레인 게이지가 인장 즉 늘어나게 됩니다.

금속의 길이가 길어지면 저항이 커지니 빨간색 스트레인 게이지는 이제 저항이 커졌습니다.

파란색 스트레인 게이지는 반대로 수축이 일어났습니다. 그림으로 보시면 똑 같은 모양으로 휘어져서 변화가

동일한 것이 아니냐 라고 생각하실 수도 있지만 우리가 팔을 접었을 때, 팔꿈치 부분의 살은 늘어나고 팔 안쪽

살은 쪼그라드는 것처럼 파란색 스트레인 게이지도 쪼그라들었습니다.


스트레인 게이지의 금속이 쪼그라들면, 두께가 두꺼워지고 길이는 짧아졌습니다. 그렇다면 저항이 작아졌다는 의미입니다. 이제 마지막으로 가장 우측의 휘트스톤 브릿지를 보시죠, R#1은 저항이 커지고 R#2는 저항이 작아졌습니다. 그렇다면 두 저항 사이의 전압은 V=IR 로부터 빨간색 저항에서 전하를 다 소모하고 나니 실제 전압계의 (-) 부분에 측정되는 전압은 오른쪽 일반 저항보다 크게 작아졌습니다! 몇 배나요? 두배로 작아졌죠! 두개의 저항을 위와 같이 이용한다면 인장력의 크기를 더욱 증폭하여 더 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.









네 개의 스트레인 게이지를 사용하는 대표적인 센서들은 로드셀, 압력센서, 압전식 가속도계(Piezo-resistive accelerometers )가 있습니다. 두 개의 스트레인 게이지를 사용했을 때보다 더 정밀하게 변화량을 측정할 수 있게 됩니다.


하지만 정확한 값을 얻기 위해서 우리 세상은 너무나도 많은 장벽이 있습니다. 물리적인 오차나 온도, 측정 기술의 정확도 등이 우리가 정확한 값을 측정하기 어렵게 만드는 요소입니다.


그 중, 첫번째는 저항 자체의 오차입니다.

스트레인 게이지는 일반적으로 120 옴이나 350 옴을 많이 사용합니다. 그런데 그 게이지가 정말 정확한 350.00000 옴 일까요? 네 개의 저항을 부착하면 네 저항이 모두 같은 저항일까요?


네 개의 스트레인 게이지를 사용하는 대표적인 센서들은 로드셀, 압력센서, 압전식 가속도계(Piezo-resistive accelerometers )가 있습니다.

두 개의 스트레인 게이지를 사용했을 때보다 더 정밀하게 변화량을 측정할 수 있게 됩니다.

하지만 정확한 값을 얻기 위해서 우리 세상은 너무나도 많은 장벽이 있습니다.

물리적인 오차나 온도, 측정 기술의 정확도 등이 우리가 정확한 값을 측정하기 어렵게 만드는 요소입니다.


저항 자체의 오차

스트레인 게이지는 일반적으로 120 옴이나 350 옴을 많이 사용합니다.

그런데 그 게이지가 정말 정확한 350.00000 옴 일까요? 네 개의 저항을 부착하면 네 저항이 모두 같은 저항일까요?


위의 그림처럼 부착된 저항들이 아주 미세한 오차를 가지는 경우 중앙의 전압계에서는 미세한 저항에 의한 오차에 의해 0V 가 아닌 전압이 측정됩니다.

만일, 스트레인 게이지를 측정부에 부착한 경우에도 평평하다고 생각했지만 저항이 달라져 측정 값이 달라질 수 있습니다.

이를 보정하기 위한 기술이 스트레인 게이지를 측정하는 계측장비에 기본적으로 있는 Auto-balance 기능입니다.


이 기능은 현재 부착된 스트레인 게이지를 토대로 현재 값을 0V 의 변화량이라고 나타내는 것입니다.

실제적으로는 전압계에 오차만큼의 반대 전압을 가하여 0V로 맞추는 것이고, 소프트웨어적으로는 오프셋 (OFFSET) 값으로 현재 값을 0으로 맞추는 방법입니다.


스트레인 게이지를 통해 측정되는 물리량은 일반적으로 micro strain / micro epsilon으로 표현되는데 이는 아래의 수식을 통해 계산됩니다.

위의 그림처럼 부착된 저항들이 아주 미세한 오차를 가지는 경우 중앙의 전압계에서는 미세한 저항에 의한 오차에 의해 0V 가 아닌 전압이 측정됩니다. 만일, 스트레인 게이지를 측정부에 부착한 경우에도 평평하다고 생각했지만 저항이 달라져 측정 값이 달라질 수 있습니다. 이를 보정하기 위한 기술이 스트레인 게이지를 측정하는 계측장비에 기본적으로 있는 Auto-balance 기능입니다.


이 기능은 현재 부착된 스트레인 게이지를 토대로 현재 값을 0V 의 변화량이라고 나타내는 것입니다. 실제적으로는 전압계에 오차만큼의 반대 전압을 가하여 0V로 맞추는 것이고, 소프트웨어적으로는 오프셋 (OFFSET) 값으로 현재 값을 0으로 맞추는 방법입니다.


스트레인 게이지를 통해 측정되는 물리량은 일반적으로 micro strain / micro epsilon으로 표현되는데 이는 아래의 수식을 통해 계산됩니다.


SV는 측정되는 전압 EV는 휘트스톤 브릿지에 인가되는 excitation voltage, GF는 Gauge factor 입니다.

스트레인 게이지를 (micro strain / micro epsilon)으로 계산하기 위해서 계측장비에 입력해야 하는 값입니다.

일반적이로 2~ 2.2정도의 값을 가지고 있는 고유의 특성이고 스트레인 게이지를 구매하시면 종이에 적혀 있는 내용입니다.


Shunt Calibration

스트레인 게이지를 정확하게 측정하기 위한 다른 방법은 Shunt calibration을 사용하는 방법입니다.

스트레인 게이지는 어플리케이션에 따라 보통 수십, 수백개의 채널을 한번에 측정하곤 합니다. 

그렇다면 각각의 스트레인 게이지를 정밀하게 측정하기에는 수십, 수백번의 calibration 과정을 거쳐야 한다는 의미입니다.

Shunt calibration 기능은 이런 복잡한 교정을 간편하게 할 수 있도록 하는 기능입니다.


SV는 측정되는 전압 EV는 휘트스톤 브릿지에 인가되는 excitation voltage, GF는 Gauge factor 입니다.

스트레인 게이지를 (micro strain / micro epsilon)으로 계산하기 위해서 계측장비에 입력해야 하는 값입니다.

일반적이로 2~ 2.2정도의 값을 가지고 있는 고유의 특성이고 스트레인 게이지를 구매하시면 종이에 적혀있다고

하네요!


스트레인 게이지를 정확하게 측정하기 위한 다른 방법은 Shunt calibration을 사용하는 방법입니다.

스트레인 게이지는 어플리케이션에 따라 보통 수십, 수백개의 채널을 한번에 측정하곤 합니다. 그렇다면! 각각의

스트레인 게이지를 정밀하게 측정하기에는 수십, 수백번의 calibration 과정을 거쳐야 한다는 의미입니다.

Shunt calibration 기능은 이런 복잡한 교정을 간편하게 할 수 있도록 하는 기능입니다.

위 그림에서 하나의 저항부에 100k옴을 (일반적으로 사용하는) 계측장비에서 자동으로 연결하면 이 때 흐르는

전압을! 1747 ue 이라고 일괄적으로 설정하는 방식입니다.


마지막으로 도선의 저항, 센서의 온도에 의한 오차를 감소시키는 방법입니다.

금속의 저항은 기본적으로 길이가 길어지거나 온도가 높아짐에 따라 저항이 증가하게 됩니다.

이를 방지하기 위해서 스트레인 게이지를 2선식이 아닌 3선 또는 4선식을 사용하게 됩니다.


원리는 다음과 같습니다.

1/4 (quarter) bridge 결선에서 스트레인 게이지가 연결되어야 하는 회로에 아주 정밀하게 일정한 저항을 연결해서

이 전압 값이 이 마이크로스트레인 이라고 매칭시켜주는 것입니다.

위 그림에서 하나의 저항부에 100k옴을 (일반적으로 사용하는) 계측장비에서 자동으로 연결하면

이 때 흐르는전압을 1747 ue 이라고 일괄적으로 설정하는 방식입니다.


도선의 저항

마지막으로 도선의 저항, 센서의 온도에 의한 오차를 감소시키는 방법입니다.

금속의 저항은 기본적으로 길이가 길어지거나 온도가 높아짐에 따라 저항이 증가하게 됩니다.

이를 방지하기 위해서 스트레인 게이지를 2선식이 아닌 3선 또는 4선식을 사용하게 됩니다.



방식은 위와 같습니다.

RG로 표시된 스트레인 게이지는 도선이 길어진다면 RL1, RL2와 같은 도선저항에 의해 정확한 저항이 아니게 됩니다.

이 때 3선식 스트레인 게이지는 하나의 점에서 두 개의 도선이 나와 하나는 전압계의 다른 한 점에, 다른 한 선은 R4에 위와 같이 연결되게 됩니다.

이렇게 되면 도선에 의한 저항은 RL1과 RL2에 의해 상쇠되어 신호선에서 도선의 저항에 의한 변화, 우리가 원하지 않는 변화에 대한 값을 상쇄할 수 있습니다.


일반적으로 도선이 약 4.5m 길어질 경우 저항이 1옴이 변화하며 이는 약 2%의 excitation 전압 강하를 유발한다고 합니다.

온도는 스트레인 게이지에 (부착물에 의한) 직접적인 온도 변화가 있고 휘트스톤 브릿지 내에 전류에 의한 온도변화가 있습니다.

회로 내의 온도 변화는 계측장비로 신뢰성을 가지기 위한 최소한의 스펙으로 일정 범위에 대한 정확한 측정을 보장합니다.

하지만 센서에 가해지는 온도는 예측하기 힘들죠.


그런 경우에는 좌우 방향으로 가해지는 응력을 측정하는 경우 상하 방향의 dummy gauge를 부착하여 온도를 보상하는 방법이 있습니다.

온도에 따른 저항의 변화는 e1과 e4에 동일하게 영향이 가해지기 때문에 상쇄될 수 있는 원리입니다.


ABOUT


제품


어플리케이션


고객지원



코스테크 주식회사|사업자등록번호: 229-81-30555|대표자: 민경원
서울특별시 서초구 양재동 255-2 (언남9길 7-11) 5층 코스테크

Tel. 02- 578-6701|Fax. 02-578-6051|A/S 고객센터 : 1533-3988|kostech@kostech.net
상담시간 : 평일 9:00~17:00|점심시간 : 12:00~13:00|주말 및 공휴일 휴무


이 웹사이트에는 네이버에서 제공한 나눔글꼴이 적용되어 있습니다. 

Copyright ⓒ 코스테크 주식회사

뉴스레터 구독하기


코스레터 내용이 유익하셨나요? 

'구독하기'를 통해 앞으로도 코스레터를 받아보세요 😉

개인정보 수집 및 이용

뉴스레터 발송을 위한 최소한의 개인정보를 수집하고 이용합니다. 수집된 정보는 발송 외 다른 목적으로 이용되지 않으며, 서비스가 종료되거나 구독을 해지할 경우 즉시 파기됩니다.