스트레인 게이지 브리지 계산기의 원리
스트레인 게이지는 부착된 표면의 변형률에 비례해 저항이 변합니다. ΔR / R = GF × ε이며, GF는 게이지율로 금속 박 게이지에서는 2 가까이 됩니다. 변화는 아주 작습니다. 1000 마이크로스트레인에서 350 Ω 게이지의 변화는 0.7 Ω에 불과합니다. 그래서 게이지를 휘트스톤 브리지로 연결합니다. 브리지는 작은 저항 변화를 0에서 시작하는 전압으로 바꿔 줍니다.
이 계산기는 암 저항이 같은 세 가지 일반적인 구성을 다룹니다.
- 쿼터 브리지: 능동 게이지 1개와 고정 저항 3개. 출력비는 GF·ε / 4이며, 1 / (1 + GF·ε / 2) 항 때문에 약간 작아집니다.
- 하프 브리지: 크기가 같고 부호가 반대인 변형률을 받는 능동 게이지 2개. 예를 들어 굽힘을 받는 보의 윗면과 아랫면입니다. 출력비는 GF·ε / 2.
- 풀 브리지: 능동 게이지 4개로, 2개는 인장, 2개는 압축을 받습니다. 출력비는 GF·ε. 로드셀과 토크 센서 내부가 이 구성입니다.
변형률을 입력하면 출력이, 측정한 출력을 입력하면 변형률이 계산됩니다. 역계산에는 쿼터 브리지의 비선형 항을 포함한 정확한 식을 사용합니다.
계산 예
GF = 2, 1000 µε, 여기 전압 5 V일 때:
| 구성 | 출력비 | 5 V에서의 출력 |
|---|---|---|
| 쿼터 | 0.4995 mV/V | 2.4975 mV |
| 하프 | 1 mV/V | 5 mV |
| 풀 | 2 mV/V | 10 mV |
풀 브리지는 1000 µε에서 2 mV/V로, 많은 로드셀에 표시된 정격 출력과 같습니다. 로드셀은 스프링 요소가 정격 하중에서 대략 이 변형률에 도달하는 풀 브리지이기 때문입니다. 로드셀 출력 계산기에서 용량, 초기 하중, 병렬 연결한 여러 셀로 이어서 계산할 수 있습니다.
쿼터 브리지가 선형이 아닌 이유
쿼터 브리지에서는 암 하나만 변하므로 그 암을 흐르는 전류가 변형률에 따라 달라집니다. 게이지율이 2이면 출력은 1000 µε에서 0.1 %, 5000 µε에서 0.5 % 낮아지고, 압축에서는 오차의 부호가 반대가 됩니다. 쿼터 브리지용 계측기는 이를 소프트웨어로 보정합니다. 크기가 같고 부호가 반대인 변형률을 받는 하프 브리지와 풀 브리지에서는 인접한 암의 변화가 서로 상쇄되므로 이 영향이 없습니다.
여기 전압, 전류, 자기 발열
여기 전압을 높이면 신호가 비례해서 커지지만, 각 게이지는 (Vex / 2)² / R의 전력을 소모합니다. 350 Ω 브리지에 5 V를 가하면 14.3 mA가 흐르고 각 게이지는 17.9 mW를 소모하며, 10 V에서는 그 4배입니다. 열은 게이지 베이스를 통해 부재로 빠져나가야 합니다. 강철이나 알루미늄에서는 거의 문제가 되지 않지만, 플라스틱이나 얇은 단면에서는 드리프트를 일으키며, 여기 전압을 낮추거나 1000 Ω 게이지를 쓰는 것이 일반적인 해결책입니다.
브리지 출력에서 컨트롤러의 숫자로
브리지 출력은 기껏해야 수 밀리볼트이고, 1 마이크로스트레인은 수 마이크로볼트 이하입니다. 입력이 이를 분해할 수 있는지는 게인과 분해능에 달려 있습니다. ADC 분해능 계산기는 변환기의 비트 수와 게인을 코드당 측정량으로 환산합니다.
계산에 포함되지 않는 것
- 리드선: 쿼터 브리지에서는 리드선이 게이지와 직렬로 들어가 감도를 낮춥니다. 3선식 연결은 리드선 온도의 영향은 없애지만 감도 손실은 없애지 못합니다.
- 온도: 게이지와 재료의 열팽창 차이로 생기는 겉보기 변형률과 게이지율의 온도 변화는 게이지와 그 설치의 특성입니다.
- 게이지율 허용차: 보통 ±1 %이며, 게이지 포장에 표시되어 있습니다.
- 응력 상태: 표시되는 응력은 E × ε로, 단축 응력일 때 유효합니다. 2축 응력에는 로제트 게이지와 푸아송비가 필요합니다.
자주 묻는 질문
마이크로스트레인이란 무엇입니까?
변형률은 길이의 비로 단위가 없습니다. 1 마이크로스트레인(µε)은 100만분의 1의 변화로, 1000 µε는 0.1 %, 즉 1미터당 1밀리미터입니다.
게이지율에는 무엇을 입력해야 합니까?
게이지 포장에 표시된 값입니다. 금속 박 게이지는 2.0~2.2 정도입니다. 반도체 게이지는 훨씬 크고 선형도 아니어서, 여기의 단순한 식으로는 근사적으로만 나타낼 수 있습니다.
측정한 출력이 계산과 다른 이유는 무엇입니까?
브리지에 실제로 걸린 여기 전압, 쿼터 브리지라면 리드선 저항, 그리고 능동 게이지의 변형률이 정말 크기가 같고 방향이 반대인지 확인하십시오. 무부하에서 균형이 맞지 않는 브리지에는 계산에 포함되지 않는 오프셋이 더해집니다.