스트레인 게이지란?
스트레인 게이지는 물체의 변형을 측정하는 장치입니다. 변형률을 측정하여 압력, 하중 등을 계산할 수 있기 때문에 압력계나 포스 게이지에도 사용됩니다.
스트레인 게이지의 사용 용도
스트레인 게이지의 사용 용도는 변형이 직접적으로 강도에 영향을 미치는 제품의 변형 측정, 생산 공장에서의 하중 측정, 금형 등의 변형 정도 측정 등을 들 수 있습니다. 단, 스트레인 케이지를 올바른 방향으로 설치하지 않으면 측정 오차가 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다.
구체적인 사용 예로는 다음과 같은 것들이 있습니다.
- 프린트 기판의 강도 및 변형 측정
- 프레스 장비의 하중 모니터링 측정
- 스트레인 게이지의 원리와 종류
아래에서는 스트레인 게이지의 원리와 종류에 대해 설명합니다.
1. 스트레인 게이지의 원리
스트레인 게이지는 측정 대상에 장착되어 사용되며, 측정 대상과 함께 변형되어 내부의 전기 저항이 변화합니다. 그리고 이 전류가 변화하는 변화량을 측정하여 변형량을 산출하는 구조입니다.
2. 스트레인 게이지의 종류
스트레인 게이지의 종류는 매우 다양합니다. 가장 널리 활용되고 있는 호일 스트레인 게이지, 와이어 스트레인 게이지, 반도체 스트레인 게이지 등이 있습니다.
이 외에도 저온 및 고온 환경에 적합한 것, 보다 미세한 변형률을 측정할 수 있는 것, 각종 피측정 재료에 따른 재질의 것 등 용도에 따라 구분하여 사용할 수 있는 것도 스트레인 게이지의 특징입니다.
스트레인 게이지의 구조
아래에서는 ‘호일 스트레인 게이지’와 ‘반도체 스트레인 게이지’의 구조를 각각 설명합니다.
1. 호일 스트레인 게이지
스트레인 게이지 중 가장 대중적인 호일 스트레인 게이지의 구조는 절연체 베이스 위에 지그재그로 금속 호일을 붙이고, 그 금속 호일에서 두 개의 배선이 나오는 구조입니다. 이 두 개의 배선은 호잉스턴 브리지 회로라는 회로로 연결되어 있습니다.
호잉스턴 브리지 회로는 3개의 알려진 저항값을 가진 저항과 4개의 스트레인 게이지를 브리지 형태로 배치하고 그 중앙의 전위차를 측정함으로써 스트레인 게이지의 저항값을 측정할 수 있는 회로입니다.
그리고 스트레인 게이지가 부착된 측정 대상이 변형되면 부착된 스트레인 게이지의 호일이 신축하여 전기저항 값이 변화하기 때문에 그 저항값의 변화량을 호잉스턴 브리지 회로의 전위차로부터 구합니다. 여기서 스트레인 게이지에는 변형에 대한 저항값의 변화량인 게이지율이라는 고유값이 있기 때문에 게이지율과 저항값의 변화량으로 측정 대상 물체의 변형을 계산할 수 있습니다.
2. 반도체 스트레인 게이지
반도체 스트레인 게이지는 호일 스트레인 게이지의 호일 부분에 반도체를 이용한 스트레인 게이지로, 응력이 반도체에 작용하면 반도체의 전기 저항률이 변화하는 성질을 이용합니다.
스트레인 게이지의 기타 정보
1. 스트레인 게이지 부착 방법
스트레인 게이지를 통한 스트레인 측정의 정확도는 게이지의 설치 방법(대부분 접착)에 따라 크게 좌우됩니다. 따라서 측정 대상에 스트레인 게이지를 부착할 때는 매우 신중하게 작업해야 합니다. 절차는 먼저 게이지를 부착할 측정 대상의 표면을 깨끗하게 세척합니다.
세정에는 유성세제 등을 사용하여 유분을 철저히 제거하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 부착 시 표면 연삭 또는 연마 시 유분이 더 깊은 재료 내부까지 침투할 수 있습니다. 세척이 끝나면 게이지를 핀셋으로 들어 올려 측정 대상 표면에 조심스럽게 접착합니다.
이때 표면과 게이지 사이의 빈 거품은 모두 밀어내도록 붙여야 합니다. 그 상태에서 접착제가 굳을 때까지 몇 분 정도 기다립니다. 몇 분이 지나면 마지막으로 전체에 절연 테이프를 감아 파손되지 않도록 보호하면 부착이 완료됩니다.
2. 스트레인 게이지의 단점과 해결 방법
스트레인 게이지는 측정 대상에 붙이기만 하면 쉽게 스트레인을 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 실제로는 복잡한 요소들이 얽혀 있어 측정이 더 어려워집니다. 예를 들어, 응력 문제도 그 중 하나입니다.
변형은 외부에서 가해지는 힘과 재료 내부에서 발생하는 내부 응력의 상호작용에 의해 변화합니다. 따라서 2방향 또는 3방향의 변형률을 분석하기 위해서는 여러 개의 게이지를 조합한 ‘로제트 스트레인 게이지’를 사용해야 합니다.
또한, 측정 대상을 구성하는 재료의 열팽창 계수에 따라 실제 변형이 없는데도 변형이 발생한 것으로 판단되는 경우도 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 게이지의 재질을 측정 대상의 재료와 일치시켜야 합니다.
스트레인 게이지를 이용한 스트레인 측정에서는 이러한 물리적 또는 기계적 특성을 잘 이해하고, 여러 종류 중에서 최적의 것을 선택해야 합니다.
3. 스트레인 게이지와 온도 보상
측정 대상에 접착된 스트레인 게이지에 영향을 미치는 큰 요인은 외력에 의한 변형과 온도 변화의 영향입니다. 온도 변화가 발생하면 측정 대상과 스트레인 게이지의 선팽창 계수 차이와 스트레인 게이지의 온도에 따른 저항값 변화의 영향을 받습니다.
온도 변화로 인해 마치 변형이 발생한 것처럼 측정되는 것을 겉보기 변형이라고 합니다. 자기 온도 보상형 스트레인 게이지를 사용하는 것이 겉보기 변형에 대한 가장 효과적인 대책입니다. 자기 온도 보상형 스트레인 게이지는 측정 대상에 맞게 스트레인 게이지의 저항 온도 계수를 조정하여 온도에 의한 겉보기 변형량을 최소화한 스트레인 게이지입니다.
측정 대상에 적합한 스트레인 게이지를 선택하는 것이 가장 좋은 선택이지만, 오차가 남을 수 있습니다. 경우에 따라 비선형 특성을 가진 것도 있습니다. 대부분의 경우 이 오차는 스트레인 케이지의 데이터 시트에 기재되어 있으며, 보다 정밀한 측정이 필요한 경우 데이터 시트에서 계산된 오차를 고려하여 보정 연산을 할 수 있습니다.
4. 스트레인 게이지와 크리프 보정
일정한 온도 조건에서 일정한 하중이 작용할 때 시간이 지남에 따라 변형이 증가하는 현상을 크리프 현상이라고 합니다. 스트레인 게이지에서 크리프 현상은 천적이라 할 수 있으며, 크리프 현상이 발생하면 측정 오차와 직결될 수 있습니다.
스트레인 게이지의 크리프 현상은 대부분 기본 재료, 그리드 형상, 접착제에 기인하는 경우가 많습니다. 따라서 이러한 요인으로 인한 크리프와 역위상의 기수 변형체를 재료 크리프로 사용하고, 여기에 스트레인 게이지를 부착하여 서로의 크리프 현상의 영향을 상쇄하는 방법이 일반적입니다.
중요한 것은 재료의 조합인데, 크리프 현상이 역위상임에도 불구하고 그 절대값이 크게 다르면 상쇄되지 못하고 한쪽 방향으로 영향을 미치게 됩니다. 또한 재질에 따라 다르지만, 온도가 높을수록 크리프 현상이 두드러지게 나타나는 경우가 대부분입니다. 크리프 현상에 의한 변형률 증가를 고려하면 스트레인 게이지에 가해지는 응력이 클수록 파단에 이르는 시간(수명)이 짧아진다는 점에 유의해야 합니다.