스트레인게이지 측정시험
1. 실험목적
2. 스트레인게이지 기본 구조
3. 게이지 붙이기
4. 실험값 비교와 측정
6. 데이터 처리
7. 오차의 원인
8. 오차의 종류
9. 실험소감
1. 실험목적
기계를 구성하고 있는 재료는 종류가 다양하고 그 성질도 각기 다르기 때문에 사용 조건에 만족할 수 있으면서 가공성과 경제성을 구비하고 있어야 한다. 또한 기계를 설계하거나 가공, 제작, 수리, 보수하려면 기계재료에 관한 풍부한 지식과 경험이 있어야 이에 대처할 수 있다. 기계적 성질은 재료가 외력에 갖는 능력이므로 이를 알기 위한 시험을 보통 재료시험이라 하는데 이 재료시험들을 공업적인 목적으로 이용하기 위해서는 표준화된 시험법을 적용하여야 한다. 특히 구조적 응용에 필요한 재료의 선택은 그것의 기계적 성질에 의존하므로 이들의 성질을 측정하고 시험으로부터 얻어진 자료를 바탕으로 안정성과 경제성 등을 고려하여 설계에 쓰이는 것이 바람직하며 따라서 이들 시험에서 얻어지는 자료의 중요성과 이를 이해하는데 익숙해지는 것이 중요하다. Strain Gauge를 이용한 변형률 시험은 인장시험과는 달리 탄성한도 내에서의 하중을 가하여 재료의 변형률을 알아보는 것이며 이러한 실험은 재료가 가지는 강도뿐만 아니라 하중에 탄력적으로 변형을 견딜 수 있는 강성을 설계하는데 초점을 두고 있다. 또한 그 실험기기를 접하고 사용법과 실험방법을 익혀둠으로 단순한 지식이 아닌 경험적인 요소로 설계를 하는데 큰 도움을 얻는데 그 목적을 둔다.
2. 스트레인게이지 기본 구조
구조해석등을 하기 위해서는 응력 측정과 하중측정을 해야 하는데 이때 한 방법으로 스트레인 게이지를 이용하여 측정할 수 있지요. 스트레인 게이지는 측정하는 대상의 변형을 직접 측정할 수 있으며, 이를 전기적인 신호로 바꾸어 우리가 얻고자 하는 변형율이나 응력변화를 알 수가 있어요. 여기서 측정할 변형량은 거의 대부분이 재질의 탄성 영역 부분에서 측정이 이루어 지고 있다. 또한 변형의 방향에 따라 수직 변형과 전단 변형 측정이 있는데, 수직 변형을 측정하는 경우가 대부분이죠.
그럼 먼저 기본적인 스트레인 게이지의 기본 구조와 기능상 주요 부분에 대해서 살펴보기로 하자. 스트레인 게이지는 크게 Strain Sensing Alloys부와 Backing부, Tab부로 이루어져 있으며 그기능은 다음과 같다
Strain Sensing Alloys
실제적인 변형량을 감지하는 부분으로 여러 가닥의 저항선으로 구성되어 있어 변형량을 증폭할 수 있도록 되어 있으며, 감지부의 저항선은 Wire 방식이나 Foil 방식으로 되어 있다. 그 재질은 용도에 따라서 Constantan(Ni + Cu), Nichrome(Ni + Cr), Manganin(Ni+Cr+Cu), Karma(Ni+Cr+Al+Fe), Lsaclastic(Ni+Cr+Fe+Mo), 순수 Nickel, Platinum, Soft Iron, Copper등이 있어요. 좀 많지요 하지만 가장 보편적으로 쓰는 재질은 니켈, 구리 합금인 Constantan을 많이 쓰고 있다. 초대 변형율은 6%정도이고 Gage factor는 2.0~2.1정도이다
Backing
Strain Sensing Alloys부의 형상을 유지시켜주고, 측정대상에 접착하기 용이하도록 하며, 측정물과의 절연 기능을 맡고 있다. 재질은 Polyimide나 Epoxy등이 있고, 두께는 12~50㎛ 정도이다. 또한 이재질은 감지부의 정항선을 보호할 수 있도록 보호막으로 코팅하는데도 이용한다.
Tab
터미널부에 결선을 용이하게 할 수 있도록 저항선보다 넓은 면으로 되어 있으며, 이곳에 납땜을 한다.
기타
게이지를 붙일 때 수평 수직방향을 가늠할 수 있도록 Triangles grid center alignment marks가 있다. 45° 각도를 유지하는 alignment marks가 있다.
3. 게이지 붙이기
1. 먼저 측정하고자 하는 대상의 표면을 깨끗하게 해야한다. 붙일 곳에는 여러 가지 이물질들이 묻어 있으므로, 이러한 이물질들을 제거하기 위해서 그림처럼 Degreaser를 뿌린 후 거즈를 사용하여 닦아 낸다.
2. 표면의 이물질을 제거했으면 이제 200grit와 320grit, 400grit의 사포를 이용하여 표면을 매끈하게 연마하는데 좀 지루하더라도 반질 반질 할 정도로(기계가공면이 보이지 않을 때까지) 문지른다. 문지를 때는 M Prep A Conditioner를 적당량 뿌리고 한쪽방향으로만 문질러야 한다. 작업이 끝났으면 중화제를 뿌리고 면봉과 거즈를 이용해서 깨끗이 닦아 줘야 한다.
3. 표면을 매끈하게 했으면 이제 게이지를 붙일 곳의 위치를 표시해야 하는데, 연필이나 송곳등으로 표시를 하면 되겠죠. 표시를 하고 난 후는 표면에 중화제(M-Prep Neutralizer 5A) 뿌리고 면봉으로 깨끗하게 닦아내야한다.
4. 깨끗한 유리판위에 접착할 게이지를 올려놓는데, 접착될 면이 밑으로 가도록 해야 한다. 게이지가 손상되지 않게 조심스럽게 놓아 두었으면 터미널을 같이 접착해야 하는데 거리는 2mm 내외로 측정할 부위의 기하학적 조건을 고려해서 위치 시켜야 한다. 둘 다 위치 시켰으면 그 위에 Cellophane Tape을 사뿐히 붙인후, 다시 측정할 시편에 옮겨 붙여야 되는데, 떼어낼는 항상 게이지에 손상이 가지 않도록 유리판과 테이프가 30°를 유지하도록 하며 유리판에 수직으로 잡아 당겨 떼어 내야한다.
6. 게이지와 터미널을 시편에 완전히 접착하기 위해서 본드칠을 해야 하는데 그러기 위해서 붙였던 테이프를 그림처럼 살며시 떼어서 뒤로 제끼면 된다.
7. 본드 칠을 하기 전에 표면처리를 해야 하는데 M-Bond 200 Catalyst를 게이지와 터미널이 접착될 면에 적당량 바른 후 마를 때까지 기다린다.(1∼2분 정도)
8. 다 말랐으면 이제 본드 칠을 해야 하는데 먼저 M-Bond 200을 시편과 접착될 게이지의 경계 부분에 한두 방울 떨어뜨린 후 (너무 많거나 적지 않게 주의)테이프 끝을 잡고 시편과 30° 정도의 각도를 유지하면서 거즈를 이용해 쭉 밀어 접착제가 게이지에 완전히 묻도록 한 다음 집게등의 도구를 이용할 수도 있으나 게이지가 작을 때는 엄지손가락을 이용하여 게이지의 표면을 꼬~옥 눌러 압력을 가하는데 손가락이 좀 아프더라도 1~2분 정도 눌러 준다. 여기까지 과정이 게이지를 접착하는 단계이다
9. 접착작업은 끝났지만 마무리로 결선 작업이 남았다. 그럼 먼저 전 단계에서 게이지를 접착해둔 시편에서 테이프를 떼어내야한다. 테이프를 떼어낼 때는 게이지 표면이 상하지 않도록 Rosin Solvent를 발라 가며 떼어내면 된다.
10. 모두 떼어 냈으면 이제 결선을 해야한다. 결선 작업을 하기 전에 납땜할 단자에 Soldering Flux를 적당량 발라줘야한다. 그래야 땜질이 잘되므로....
▲주의 납땜을 하다보면 납땜 속도가 느려 게이지에 열적 변형을 일으킬 수 가 있는데 단 한번에 납땜이 되도록 해야 된다. 이제까지 애써 붙여 놓은 게이지를 버릴 수 있으니 조심해야한다. 게이지의 탭 부분이 클 경우는 비교적 쉽지만 작은 경우는 아주 피곤하다. 그래서 리이드 와이어된 게이지를 쓰기도 하지만 측정 대상 따라서는 직접 납땜을 해야 할 경우가 있다.
11. 납땜이 끝난 후에는 Flux제거를 위해 솔벤트를 사용해서 닦아내고 코팅제(M-Coat A~D)를 사용하여 게이지와 터미널의 표면을 보호하기 위해 코팅을 해주면 된다.
4. 실험값 비교와 측정
5. 측정법의 종류
편위법(Deflection Method)
전압이나 전류를 측정하는 멀티 테스터와 같이 아날로그 신호를 눈금으로 세분화하여 비교하는 방법으로, 변환기의 특성으로부터 발생하는 변동성분이나 기타 노이즈를 포함하여 표시하여 오차의 원인을 갖게 된다.
제로법(Zero Method or Null Method)
측정량을 가늠할 수 있는 기준을 정하여 직접 측정량과 비교하면서 균형을 맞추어 기준량으로 측정값을 결정하는 방법이다. Thermocouple을 이용한 온도 측정이 좋은 예이다
보상법(Compensation Method)
측정량을 기준량으로 뺀 후 나머지 값을 편위법으로 측정하는 방법이다. 즉 오셋(Offset)을 하고 측정하는 것으로 기준량으로부터 차이만을 측정하므로 상세한 측정 값을 얻을 수가 있다.
치환법(Substitution Method)
측정량의 크기를 얻고, 동일한 측정기로부터 그 크기와 동일한 기준량을 얻어서 측정하거나, 기준량과 측정량을 번갈아 가면서 측정한 결과로 측정 값을 얻는 방법이다.
합치법(Coincidence Method)
부척(Vernier)을 눈금에 부속시켜, 서로 합치되는 눈금을 기준으로 한 눈금 아래의 값을 측정하는 방법이다.
차동법(Differential Method)
측정량에 의한 영향이 서로 역 방향의 값을 갖는 동일한 종류의 검출계 2개를 동시에 설치하여 각각의 출력차를 이용하여 측정하는 방법으로 단일 검출계의 짝수 차(Order)의 비선형성을 감소시키고, Common Mode 노이즈을 제거하는 데 유용한 방법이다.
실험 측정시 그 결과에 대해 만족할 신뢰성을 얻기 위해서는 측정시 발생하는 오차를 최대한 줄여야 한다. 이런한 오차의 발생은 사용장비의 특성을 잘 이용하지 못하여 발생할 수도 있고, 측정시 노이즈에 의해서 발생할 수 도 있으며, 측정 장비의 성능이나 환경요소등에 의해서 발생하게 된다. 측정 결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 오차를 최소한으로 줄여야 한다.
6. 데이터 처리
먼저 스트레인 게이지에 전원을 공급하고 회로를 구성하여 물리적인 변화를 전기적 신호로 바꾸어 변형을 측정할 수 있도록 해주는 앰프(Amplifier)가 있으며, 다음으로 앰프로부터 나오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 A/D Converter 가 있다. 마지막으로 이러한 디지털 신호의 정보를 디스플레이하거나 저장할 수 있는 PC나 오실로 스코프가 있다.
Amplifier
먼저 앰프에 대해 조금 설명하자면 스트레인 게이지로부터 측정대상의 변형을 감지하여 저항의 변화로 바꾸어 주면 이를 전압의 변화로 바꾸어 주는 Gage Bridge 회로와 Bridge 회로에서 출력되는 미소한 전압 신호를 증폭해주는 증폭 회로로 구성되어 진다. 또한 Gage Bridge 회로에 공급되는 전원에 따라 직류 전원(DC)을 공급하는 직류 방식과 고주파수를 갖는 교류 전원(AC)을 공급하는 반송파 방식이 있다.
반송파 방식의 회로의 경우 회로가 복잡하고 Capacitance balance를 잡아야 하는 문제와 주파수 대역에 대한 제한 문제, 선형성(Linearity)이 떨어지지만 S/N 비(신호대 잡음 비)가 좋아 작은 변형률의 측정에 적합합니다. 반면 직류 방식은 회로가 간단하고 사용도 편리하며, 기술의 발달로 드리프트 특성도 좋고, 가격도 저렴한 제품이 많이 나와 주로 사용하고 있는 방식이다.
A/D Converter
A/D Converter는 앰프로부터 들어오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 장치로 보통 PC용의 경우 내장형을 쓰고 있다. 이러한 A/D Converter는 처리속도와 채널 수 , 분해능(Resolution)이 성능을 좌우한다. 처리속도는 Hz단위로 높을수록 좋고, 채널 수는 동시 측정가능한 수를 말하며, 분해능은 bit 수(16bit, 32bit, 64bit)로 나타낸다. 보통의 경우 처리속도는 MHz 단위로 채널 수에 반 비례하고 PC용의 경우 사양에 명시된 처리속도는 디스플레이 기능을 포함하는 처리속도일 경우가 많다. 하지만 기계 시스템의 진동에너지를 갖는 주파수 영역이 보통의 경우 10~ 1KHz 정도의 범위 내에 있고, 특별한 경우도 10KHz 범위 내에 있으므로 독립된 A/D Converter 당 채널 수가 제한 되어 있다면 측정에 큰 문제가 되지 않겠고, 분해능의 경우 bit수가 높을수록 데이터의 로스를 낮출 수가 있어 높을수록 좋다.
데이터 측정시 Sampling Rate와 Sampling 되는 데이터 수는 밀접한 관계를 가지고 있는데, 측정하고 하는 주파수 영역을 어느 정도 가능하고 있어야 만이 관계를 잘 이용할 수 있다. 즉 주파수의 높낮이에 따라 고주파수와 저주파수로 나누어 측정해야 하는데, 고주파수 영역을 측정하고자 한다면 동일한 조건의 사양으로 Sampling Rate를 높이고, 반면 Sampling 개수는 낮추어야 하겠죠. 또 저주파수의 영역을 측정하고자 한다면, Sampling Rate를 낮추고, Sampling 개수를 높이는 것이 좋겠다.
만약 이러한 관계가 적절하지 못할 경우 예를 들어 고주파수 영역 측정시 Sampling Rate가 낮으면 Sampling Rate 이상의 주파수의 데이터가 잘려 나가게 되고, 저주파수 영역 측정시 Sampling 데이터 갯수가 작으면 임펙트 하중과 같은 불연속 데이터들이 잘려 나간다. 이러한 특성을 감안하여 제품 선택시 측정하고자 하는 데이터 영역을 감안하여 처리속도와 분해능을 결정하는 것이 좋다.
7. 오차의 원인
측정회로의 부정확 원리 적용에 따른 오차
자연계 법칙은 아주 명확한 수식이 존재하지 않는 관계로 거의 대부분이 근사화하거나 간략화한 수식을 이용하게 된다. 따라서 실제적 물리량과 이를 정량화한 신호 값은 차이가 발생할 수 있다. 이와 같은 원인에 의해 발생하는 오차를 말하며, 단순히 학문의 진전이나 새로운 이론이 정립되지 않는 한 줄이기 힘들다.
측정장치의 내부 회로구성 요소의 불량에 의한 오차
측정 장비의 회로 설계상의 잘못이나 회로를 구성하는 각 전자 요소들의 설계 미스나 가공 정밀도등에 의해 발생하는 불완전한 기능발휘에 따른 오차가 있다. 사용자로서 이러한 오차를 줄이는 방법은 보다 품질이 좋은 제품을 선택하는 방법밖에 없다.
측정 대상의 시간의존성에 따른 불안정성과 불균일성에 의한 오차
일반적으로 측정하고자 하는 대상은 동적인 작동상태에 있는 경우가 많은데, 이러한 경우 거의 모든 기계요소들은 시간의존성을 갖게 됩니다. 이러한 시간의존성에 대해 설계시의 최적화 기능을 수행하는 조건을 측정하기 위해서는 시간에 따라 성능의 변화가 극히 적은 정상 상태(Steady State)에서 측정하는 것이 시간 의존성을 조금이나 벗어날 수 있는 것이 된다. 또한 측정대상은 재질이나 형상등에 있어 불균일성을 갖게 되는데, 이러한 불균일성에 대해 신뢰도가 높은 결과를 얻기 위해서는 얻고자 하는 결과를 만족할 만한 최적화된 위치를 선정해야 오차를 줄일 수 있다. 예를 들면 저널 베어링의 회전시 축 진동을 측정하고자 한다면 당연히 정상적인 유동압이 발생한 후에 측정하는 것이 운전 조건에 따른 변수를 측정할 수 있다.
측정 환경 조건과 측정대상과 측정기기의 상호작용에 의한 오차
대부분의 경우 측정대상의 물리량측정시 각종 직간접적인 감지 센스들을 이용하게 되는 데, 이런한 센서들을 물리량을 전기량으로 변환하게 되며, 이런한 센서의 동작은 공급전원이 필요한 경우가 많다. 즉, 측정대상과 측정 센서는 상호 밀접한 관계를 갖게 된다. 이때 센서의 기능을 위해 공급된 에너지가 측정대상의 운전 변수로 작용하게 될 경우도 발생한다. 예를 들자면 가속도계로도 진동량을 측정할 경우 측정대상과 측정센서의 질량비가 작을 경우 센서의 무게가 측정대상의 운전변수로 작용하게 되겠죠. 또, 유체의 압력이나 속도를 측정할 때 센서에 의한 마찰 손실에 따른 오차가 발생하겠죠. 예가 적합한지 모르겠네요. 아무튼 측정대상과 측정기기의 상호작용에 대한 오차도 있음을 알면 된다. 그리고 실험 측정시 주위 환경에 의해 측정 데이터가 달라질 수 있는데, 우리가 잘 알고 있는 온도, 습도, 대기압, 외부 진동요소, 전자기장, 입력 전원등이 요인이 된다. 방지할 수 있는 한 이러한 요소를 제거하고, 그렇지 않으며, 이러한 환경변수를 정량화하여 측정시 보정을 하여 측정해야한다.
측정자의 개인차와 A/D변환시의 오차
같은 조건에서 같은 실험을 동일한 사람이 측정한다고 해도 그 결과가 조금씩 다르게 나타나는데, 동일한 실험을 서로 다른 사람이 할 경우 개인차에 따라 결과가 달라진다. 이렇게 서로 다른 측정자는 측정장비에 대한 지식정도나, 장비 조작기능 습득 정도, 측정 습관등에 따라 오차가 발생하게 됩니다. 충분한 교육과 기술 습득 이 필요하다.
또 측정된 신호는 대부분 Analog일 경우가 많은데, 데이터를 유용하게 이용하기 위해서는 Digital화 해야 한다. 이러한 신호 변환 과정에서 데이터 발올림 오차(Round off Error)등이 발생할 수 있다.
8. 오차의 종류
개통 오차(Systematic Error)
Bias오차와 같이 명확한 요인(온도, 배선 저항, 기준점에서 벗어난 설치, 기응력등)에 기인하는 오차로 일정값을 가지며 캘리브레이션을 통해 가감할 수 있다. 또 개인 오차중 평균 성분등이 있다. 이러한 오차는 대부분 보정이 가능하지만 특수한 경우(운전 변수, 측정 변수에 연동하는 경우)에는 보정이 힘들 수 도있다.
우연 오차(Accidental Error)
측정시 불분명한 원인에 의해 불규칙적인 데이터를 발생하는 오차로 랜덤오차(Random Error), 비재현성 오차(Non- Repeatability)라고도 합니다. 이러한 원인으로는 마찰 요소의 마모에 따른 접촉 상태 변화나 마모분에 의한 변화, 주위환경의 변화, 실험기기의 열적 변형에 따른 오작동등으로 발생할 수 있다.
우연오차의 경험적인 특징을 오차의 법칙(Laws of Error)이라고 하는 다음과 같습다. 동일한 크기의 가감의 오차는 동일한 확률로 발생한다.
절대적인 차가 작은 오차의 발생빈도는 큰 오차의 발생 빈도보다 높다.
절대 차가 과도한 오차는 발생하지 않는다.
백색 잡음(White Noise)
전자기학적 원리에 의해 절대 온도가 0 K를 벗어나게 되면 자연 발생적으로 전자들이 운동을 하게 되는데 이같이 전자가 열 운동을 하게 됨에 따라 발생하는 본질적 잡음을 말한다. 이같은 잡음을 줄이기 위해서는 측정온도를 높지 않게 하는 것이 좋다
이러한 잡음을 수치화한 것이 있는데 유효 잡음 전력 이라하죠. 유효잡음 전련을 P라고 하면 다음과 같다.
여기에서 en은 유효 잡음 전압, R은 부하 저항, k는 Boltzmann 상수로, k=1.38×10-23 Joules/°K, T는 절대온도, B는 주파수 대역(Band Width)이다
정전 유도 잡음(Electrostatic Induction Noise)
도체에 양전하를 띤 유도체를 가까이 가져가면 양극화 현상이 일어나 전자 이동이 일어난다. 그러면 두 개의 물체사이에 전기력선이 생성되고 따라서 전류가 흐르게 되어 잡음이 발생하게 된다. 이러한 노이즈의 경우 전기력선을 끊어 주면 노이즈를 방지할 수 있는데, 이런 정전 유도 방지인 정전 차폐(Electrostatic Shielding)를 하면 되는데 우리가 흔히 알고 있는 접지(Earth, or Ground)를 하면 되는 것이다. 보통 접지는 접지 끝단에 큰 동판에 연결하여 땅속에 묻어 사용하는 것이 일반적이며 각종 장비의 입력전원 코드의 3극을 사용하고, 최대한 정전기가 발생하지 않도록 습도를 잘 조절하면 된다. 또한 접지할 때는 접지선들이 접지점의 한 곳으로 나가도록 해서 다른 한끝은 자유단이 되도록 하여 각각의 접지선들이 폐회로가 되어선 안된다.
전자 유도 노이즈( Electromagnetic Induction Noise)
발전기의 원리와 같이 Coil이 Loop를 그리고 있는 회로에 자속(Magnetic Flux)이 변하면 Coil에 기전력이 발생하게 되어 전류가 흐르게 되는데, 직선의 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 자기장이 형성되고 자기장은 도선에 진동등이 발생하면 변동하게 되어 여러 가닥의 도선이 나란하게 배선될 경우 상호유도에 의해 도선에 변동 전류가 생성되어 잡음을 발생하게 되는 것입니다. 이러한 전자 유도 노이즈를 제거하려면, 먼저 배선을 할 때 도선을 꽈배기처럼 서로 꼬아서(Twist) 연결하고, 배선이 진동하지 않도록 테이프등으로 단단히 고정하여 측정하도록 해야 한다. 예를 들어 실험장치에 연결된 각각의 배선들을 회전체등의 진동원으로부터 미세한 진동을 일으킬 경우도 노이즈가 발생하므로 정반등의 표면에 접착 테이프등을 이용하여 붙여 고정하여 사용하는 것이다.
입력 전원에 의한 노이즈
입력 전원의 주파수는 우리나라의 경우 60Hz 이므로 일반적으로 60Hz의 노이즈가 발생하는데, 이를 제거하기 위해서 라인 필터(Line Filter)를 이용하는 경우가 대부분이나, Common Mode Noise와 같은 경우 필터링할 수 없으므로 여러개의 콘덴서를 추가한 노이즈 필터(Noise Filter)를 사용하는 것이 보다 좋다.
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