본문내용
1. 서론
스트레인게이지는 재료의 변형을 전기적 신호로 변환하여 측정하는 센서이다. 가해지는 힘에 따라 저항이 변화하는 원리를 이용하여 힘, 압력, 인장, 무게 등을 측정할 수 있다. 스트레인게이지를 휘트스톤 브릿지 회로에 연결하면 변형량을 정밀하게 측정할 수 있다. 본 보고서에서는 스트레인게이지의 원리와 측정 방식, 실험 결과 분석, 오차 원인 분석 및 고찰을 다루고자 한다.
2. 스트레인게이지 원리
2.1. 스트레인게이지 측정 원리
스트레인게이지 측정 원리는 다음과 같다. 스트레인게이지는 가해지는 힘에 따라 저항이 변하는 센서이다. 이 게이지는 힘, 압력, 인장, 무게 등을 전기 저항의 변화로 전환하고, 그 후에 저항을 측정한다. 스트레인게이지는 실제 변형량을 감지하는 측정 그리드 부분이 존재하며, 변형량을 측정하고자 하는 금속 표면에 접착제를 붙여 부착한다. 이때 금속의 표면 세정상태를 확인해야 하며, 그렇지 않을 경우 정확한 변형량을 측정할 수 없다. 게이지 인수(gauge factor)는 스트레인게이지의 민감도를 의미하며, 으로 정의되며, 재료 물성의 변화에 의한 영향을 받는다. 따라서 재료마다 적절한 게이지 인수 값을 사용해야 한다. 스트레인게이지는 휘스톤 브릿지 회로를 구성하여 변형량을 측정하게 되는데, 이 회로에서 옴의 법칙을 이용하면 미지의 저항값을 구할 수 있다. 스트레인게이지의 전기 저항체도 일반적인 저항체처럼 가늘고, 길어지면 저항의 값이 커지므로, 인장력 작용 시 저항 증가, 압축력 작용 시 저항 감소가 발생한다.
2.2. 휘트스톤 브릿지 회로
휘트스톤 브릿지 회로는 스트레인게이지의 미세한 저항 변화를 쉽게 감지할 수 있는 회로이다. 이 회로는 4개의 저항으로 구성되어 있으며, 이 중 하나의 저항이 스트레인게이지로 대체되어 있다.
스트레인게이지에 가해지는 힘에 따라 저항이 변화하면 이로 인해 휘트스톤 브릿지 회로의 출력 전압이 변화한다. 즉, 스트레인게이지의 저항 변화량과 출력 전압의 변화량이 비례하는 관계를 가지고 있다.
이때 휘트스톤 브릿지 회로의 출력 전압은 4개의 저항값에 따라 결정되며, 회로가 균형을 이루는 경우 출력 전압이 0이 된다. 하지만 스트레인게이지의 저항이 변화하면 회로가 불균형 상태가 되어 그에 따른 출력 전압이 발생하게 된다.
따라서 휘트스톤 브릿지 회로는 매우 작은 저항 변화도 감지할 수 있어 스트레인게이지를 통한 미세한 변형률 측정에 용이하게 사용된다. 이를 통해 재료의 기계적 특성을 파악하고 구조물의 건전성을 평가할 수 있다.
3. 실험 측정 방식
3.1. 인장 실험
인장 실험에서는 휘트스톤 브리지를 스트레인게이지 측정기의 인장실험 부분에 연결한다. 이후 휘스톤 브리지를 하프 브리지로 구성한다. 하프 브리지 연결은 왼쪽 위에 빨간색 게이지를, 마주보는 곳에 노란색 게이지를 연결한다. 빈 곳에는 더미를 꽂는다. 브리지 조절(CONFIG)은 하프이므로 2로 설정하며, 게이지 인수(GAUGE FACTOR)는 인장실험에서 2.16으로 한다. 그 후 영점(ZERO)을 조정한다.
하중을 0kg에서 10kg까지 1k...
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