Strain gage application 2010-6 · 2018. 6. 28. · 4. Strain gage 의 선택 시 고려인자 4.1...

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Strain gage application 2010-6

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Contents

1. Strain 관련이론

2. Strain gage

3. Wheatstone bridge 및 종류

4. Strain gage 선택 시 고려인자

5. Strain gage의 부착 및 Lead wire의 연결 방법

6. Shunt calibration

7. Noise

8. R&B Application- Hopkinsbar

9. 결론



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1. Strain 관련이론

1.1 Strain ?

물체에 외부로부터 힘이 가 해지면 이에 저항하는 응력이 발생하는 동시에 물체를 구성하고 있는 분자상태가 변하여 발생하는 물체의 형상 또는 치수적인 변화

P

ΔL L ε=ΔL/L

(변형=변화된 치수/ 원래 치수)



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1.2 Hooke’s Law(후크의 법칙)

ε=σ / E 변형=응력/탄성계수

σ=E x ε (응력=탄성계수 x 변형)

E=σ /ε 탄성계수=응력/변형

= =

※단 본 관계는 탄성한계 이내에 한함



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재료 탄성계수(GPa)

상온 477K 700K 810K 922K

탄소강 207 186 155 134 124

오스테나이트 스테인레스강

193 176 159 155 145

티타늄 114 97 74 70 -

알루미늄 합금 72 66 54 - -

1.3 범용재료의 탄성계수 값



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1.4 Poisson’s ratio(포아송 비)

탄성한도 이내에서 인장방향의 변형과 수직방향의 변형 비,μ (0.25~0.35)

e’

e

μ= e’ / e

(포아송 비= 수직방향의 변형률 e’ / 인장방향의 변형률 e)

P

Poisson’s ratio

철강 0.25~0.35

콘크리트 0.1~0.2

코르크 0

고무 0.5



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2. Strain gage ?

전기적 저항을 물리적인 변화 량으로 변환하여 측정하는 용도의 Gage

Strain gage의 구조

Gage factor K 물리적 변형 량과 저항 변화 사이에는 일정한 관계식 성립되며 이 값은 Strain gage 제작 시 주어지는 상수로 서 정확한 저항 값의 변화를 측정한다면 물리적 변형 량을 계산할 수 있음



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2.1 Strain 측정방법-응용범위가 넓은 경우

방법 응용 장점 단점

응용범위가 넓은 경우

전기저항식 (Strain gage)

정, 동적시험 잔류응력

경제적 응용용이 원격데이터 취득

온도범위 넓음

Point measurement

광탄성 (Photoelastic coating)

정,동적시험 잔류응력

어떤 재료이건 정, 동적 전체적인 분석

시각적 접근 제한된 온도범위 작업이 복잡



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2.3 Strain 측정방법-제한된 응용

방법 응용 장점 단점

제한된 특별한 응용

반도체 Strain gage

작은 량의 Strain 측정, 동적 시험

High gage factor 온도 민감 비싼 가격 파손 쉬움

고온용 Gage 정, 동적 시험 (1000degree)

고온용시험

비싸다 Foil gage보다 응용어렵다 낮은 정밀도

3D Photoelasticity

부품실험에 국한 표면과 내부의 전체적인분석

복잡하여 시간많이 소요

Moire 평면표면 변형량과 일그러짐 분석

보강이 없다 고온에도 적용

실험실용 움직임에 민감

Holography 2-D Strain과 일그러짐 분석

비 접촉식

실험실용 비싸다 복잡하고 움직임에 민감



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3. Wheatstone Bridge

•저항의 변화를 전압의 변화로 표현하며 저항으로 4개로 회로가 구성 •구조물의 미소한 물리적 현상인 스트레인 량을 Strain gage를 이용하여 전기적 신호로 측정하여 확인 •저항 R1, R2, R3, R4 대신에 Strain Gage를 연결 하면 측정하고자 하는 구조물의 스트레인(변형률)을 전기적 신호 인 Volts로 측정 •스트레인 측정 목적으로 휘스톤 브리지 구성 시 1/4 브리지를 이용기타 Transducer 및 일반 응용 목적일 경우 1/2 브리지 및 Full Bridge로 구성



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Quarter Bridge는 주로 Stress Analysis 목적으로 사용되어지며 가장 정확한 Strain량을 측정하는 방법중의 하나이다.

3.1 Quarter Bridge



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•주로 Stress Analysis Application에서 주변환경 온도의 차이를 가지는 실험조건에서 온도에 의한 error를 상쇄시키는 목적 •충격시험의 Bending 효과를 상쇄시키는 경우 •Half Bridge 구성 방식은 Quarter Bridge 구성 방식에 비해 출력 e。가 1-3 배 혹은 2배의 output이 됨 •Half Bridge 구성 방식은 Application 하고자 하는 목적 및 Strain Gage 위치에 따라 e。의 output 이 다르게 나타남

3.2 Half Bridge



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3.3 Half Bridge 구성 시 lead wire의 조건

Half Bridge 2 wire

Half Bridge 3 wire



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Full Bridge 구성 방식은 보통 Strain Gage를 이용한 Transducer 제작 시 사용하는 방법 Load Cell, Torque Sensor, Pressure Transducer,

Displacement Transducer 등이 Full Bridge 방식으로 구성되어져 있다.

Bending Cell

Torque Cell (Tension Cell)

3.4 Full Bridge



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4. Strain gage 의 선택 시 고려인자

4.1 Strain sensitivity alloy(변형에 반응하는 합금).

Strain gage alloy 용도

A-alloy Constantan in self-temperature-

compensated form

대부분의 Strain gage재료 높은 Strain sensitivity와 Gage factor 피로시험, Elongation이 큼

P-alloy Annealed constantan

5%(50000)이상 20%이하의 매운 큰 변형에 사용, 피로시험과 같은 Cycle 시험에 부적합

D-alloy Iso elastic alloy

Dynamic 시험에 사용 A-alloy에 비해 피로수명 매우높음 Zero drift현상발생(자체 온도보상 안 됨)

K-alloy Ni-Cr alloy,

Modified karma in self

temperature-compensated form

큰 피로수명, 높은 안전성으로 정밀 급 정 적시험 활용, 장시간 시험용, 고온용 시험에 활용(온도범위 -269degree C~ + 260degree C), Soldering에 어려움



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4.2 Backing material(Strain gage를 피복한 코팅재료)

Strain gage 설치 및 Foil grid와 측정하고자 하는 구조물의 절연목적

구분 용도

Polymide 일반적용도, Flexible한 성질로 피로수명도가 높고 Strain gage 설치가 용이

Glass-fiber-reinforced-

epoxy-phenolic

넓은 온도범위에서 사용할 수 있음



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4.3 Gage length(게이지 길이)

Strain gage는 측정하고자 하는 Point의 평균 Strain을 측정하므로 측정 대상의 크기를 고려하여 Gage length(게이지 길이)를 선택한다.



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4.4 Compensation number(보상번호)(S-T-C)

구조물의 열팽창계수와 같은 Strain gage의 S-T-C 번호를 선정해야 한다.

STC

NO.

Expansion

coefficients Common

Material Per ℉ Per ℃

00

0.8

0.3

0.0

1.4

0.5

1.4

Invar, Fe-Ni alloy

Quartz, Fused

Titanium Silicate, Polycrystalline

03

3.0

2.7

2.4

3.1

5.4

4.9

4.3

5.6

Alumina, Fired molybdenum, Pure

Tungsten, Pure Zirconium

05

5.1

5.5

4.8

4.9

9.2

9.9

8.6

8.8

Glass, Soda-Lime-Silica Stainless

steel, Ferritic(410) Titanium



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4.5 Grid Resistance(그리드 저항)

•대부분의 Strain gage 저항은 120Ω과 350 Ω으로 구성 가격이 저렴한 이유로 약 70%가 120Ω를 사용

•Strain 시험에서 Strain gage의 저항이 크면 클수록 Sensitivity는 훨씬 증가 •하고 Noise 대 Signal의 비율도 훨씬 좋아야 데이터 획득에도 용이함.

•Strain gage에 사용된 재질의 특성에 따라 Gage종류가 다양하며 시험목적, 외부환경, Installation, Elongation, Stability, Test duration, Accuracy, Cycle endurance등을 고려하여 선정



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Adhesives(21)

5. Strain gage 부착 및 Lead wire 연결 방법


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5.1 표면세척

Degreaser를 이용하여 측정표면의 oil 및 오염물질 제거



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5.2 표면연마 Conditioner를 몇 방울 측정대상에 뿌리고 SiC Paper를 이용하여 #220~320의 거친 것 부터 사용하여 연마한다. 연마 시 Conditioner는 윤활작용 과 동시에 약산성으로 표면의 녹 제거 효과도 있음 마지막으로 Neutralizer를 이용하여 부드럽게 연마 후 Gauze로 닦아 냄 (산성성분 제거)



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5.3 주 응력방향 확인 및 게이지 부착위치 선정 및 Marking

Marking시 Strain gage 부착 및 응력측정에 영향을 끼칠 만큼 무리한 힘을 가하면 안됨



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5.4 Strain gage의 부착

Strain gage를 깨끗한 표면(세척된)에 위치 시킨다음 스카치 테이프로 붙여서 부착위치로 이동시킨다. Strain gage에 도포될 만큼의 접착제를 떨어트린 후 손가락 힘으로 눌러 약 1~3분 동안 고정시킨다.

게이지 접착에는 특수한 본드 사용 일반용은 접착제, 촉매제 및 Solvent로 구성 고온용은 Resin, Curing agent 및 혼합도구 사용



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5.5 Lead wire의 연결

우선 Lead wire에 납을 뭍혀 Strain gage에 soldering을 용이하게 한다. 또한 Soldering 위치에 맞게 테잎을 이용해 Lead wire를 고정하면 작업이 쉽다. 필요 시 Terminal을 Strain gage와 같은 방법을 부착한다. Half bridge의 경우 Terminal을 얇은 테잎을 이용해 2등분 후 Soldering한다 Soldering이 끝나면 게이지 설치검사기로 각 회로의 저항값을 측정하여 단락을 확인한다. 저항 값 확인이 끝나면 코팅제를 발라주어 회로의 손상을 방지한다.



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※Lead wire 선정



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※코팅재료 선택 가이드

환경 Coating Material

50 ％ 이하의 습도 실험실용,상온실험 시

M-Coat A,C,D,F

비 또는 눈으로 차폐 목적이 있는 실험실의 바깥 환경

M-Coat F

습기가 많은 실험실환경 W-1 Wax, M-Coat F

짧은 시간 동안 물이 있는 환경 Teflon + M-Coat B+J,W-1 Wax

짧은 시간 동안 바닷물 속 W-1 Wax, M-Coat F

장시간물속환경 M-Coat A+W-1 Wax, M-Coat F

장시간 바닷물 속 M-Coat A+W-1 Wax + Metal Ca



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5.6 Strain의 측정 하기 그림과 같이 Dead weight로 인해 빔에 굽힘 응력이 가해지면 Strain gage 의 저항의 변화가 발생하여 Strain indicator를 통해 물리적 변형 값으로 확인 되었다.



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이론 적으로 계산된 변형 값과 실제 측정 변형 값의 비교

발생한 차이 값은 두께 측정, 무게 추 무게 등의 측정오차 등에서 비롯된다.



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6. Shunt Calibration

Strain Gage가 연결된 휘이스톤 브리지에 별도의 저항 RSH가 switch에 의해 control 되면서 병렬로 추가가 되어 있다. 여기에 사용되어 지는 RSH 저항은 고정 밀급이며 약 0.01% 또는 0.02% 정도이다. 우선, 위 휘이스톤 브리지에서 출력 e0가 Balancing이 되어 Zero가 된 상태에서, switch를 close 시키면, R1의 저항값은 RSH에 의해 미소한 변화가 발생된다.



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휘이스톤 브리지에서 ΔR의 변화에 의해 일정의 출력 E。에 전압을 발생시키게 된다. Voltmeter를 이용하여 측정 할 수 있다. 측정된 출력전압 E。는 아래 공식에서 얻어지는 변형량(Strain)과 같음을 알 수 있다.

Strain Gage Application 실험에서 본 교정 방법을 사용하는 이유

1. 계측기 또는 Strain Amplifier의 Bridge 인가 전압. Gain 등이 어떤 값인지 알 수 없어도 RSH저항 값만 알면 된다. 2. Strain Gage로부터 계측기 또는 Strain Amplifier와의 lead wire (통상 Cable 이라고도 함)에 의한 신호 감지효과를 제거 시킨다.



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- AC Power Lines (60Hz)

- Motors and Motor Starters

- Transformers

- Relays

- Generators

- Rotating and Reciprocating Machinery

- Arc Welders

- Vibrators

- Fluorescent Lamps

- Radio Transmitters

- Electrical storms

- Soldering Irons

7. Noise

7.1 발생원인



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•Lead wire와 Instrument의 확실한 earth GND

•가능한 Excitation Level은 크게, Amp의 Gain은 줄이는 것이 좋다

•Shield Cable 사용 시 Strain Gage에 연결되는 shield wire는 사용을 하지않으며 Instrument

쪽은 반드시 GND에 연결

•Aluminum-Foil box등을 이용하여 Strain Gage 표면을 cover

※Strain Gage와 aluminum-Foil 사이의 절연을 위해 Coating material 을반 드시 사용

•전달경로 최소

•입 출력선은 같이 묶지 않는다

•전자유도-Shield

•전원의 변형-Noise filter

•접지전위 상승

7.2 Noise 감소방법



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8. Application-Hopkins bar



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Application-Hopkins bar



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9. 결론

Strain gage 관련 이론과 부착방법 공유를 통해 Hopkins bar에 적용할 수 있다..?

-Strain

-Strain gage

-Strain gage 선택방법 -Wheatstone bridge

-Strain gage 부착방법 -Shunt calibration

-Noise 감소


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