스트레인게이지 실험 결과 보고서

본 내용은 " 중앙대학교 고체재료실험 스트레인게이지 실험 결과 보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.20

문서 내 토픽

• 1. 스트레인게이지의 원리 및 구조

  스트레인게이지는 가해지는 힘에 따라 저항이 변하는 센서로, 힘, 압력, 인장, 무게 등을 전기 저항의 변화로 전환하여 측정한다. 포일형 스트레인게이지는 측정 그리드가 변형량을 감지하는 부분으로, 금속 표면에 접착제로 부착된다. 게이지 인수(gauge factor)는 스트레인게이지의 민감도를 의미하며, 포아송 효과와 스트레인에 의한 비저항 변화량에 의해 영향을 받는다. 재료마다 게이지 인수가 다르므로 적절한 값을 사용해야 한다.

• 2. 휘스톤 브릿지 회로

  스트레인게이지를 이용한 변형량 측정에는 휘스톤 브릿지 회로가 사용된다. 입력 전압과 출력 전압의 관계식을 옴의 법칙으로 분석하면, 기존 저항값 2개와 전류가 흐르지 않을 때의 가변저항 값을 알면 미지의 저항값을 구할 수 있다. 측정 방식과 특성에 따라 Quarter-bridge, Half-bridge, Full-bridge 방식을 선택하여 사용할 수 있다.

• 3. 인장, 비틀림, 굽힘 실험 방법

  인장 실험은 시편에 횡하중을 가하여 변형률과 전압 변화를 측정하며 Quarter-bridge 방식을 사용한다. 비틀림 실험은 원형 시편에 토크를 가하여 각도변형률을 측정하며 역시 Quarter-bridge 방식을 사용한다. 굽힘 실험은 외팔보에 하중을 가하여 보의 윗면은 인장, 아랫면은 압축되는 변형을 측정하며 Quarter-bridge, Half-bridge, Full-bridge 세 방법을 모두 사용한다.

• 4. 실험 오차 분석 및 고찰

  실험 결과에서 회로이론과 고체역학 이론으로 계산한 변형률이 실제 측정값과 차이를 보였다. 주요 오차 원인으로는 실험기구 테이블의 진동, 하중 무게의 부정확성, 더미 저항 파손, 시편 물성치 차이, 표면 불순물, 전자기기 노이즈, 온도 변화 등이 있다. 특히 인장실험에서 가장 큰 오차가 발생했으며, 이는 초기 실험 시 진동의 영향을 고려하지 못했기 때문으로 추정된다.

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• 1. 스트레인게이지의 원리 및 구조

  스트레인게이지는 재료의 변형을 정밀하게 측정하는 핵심 센서로서, 저항 변화를 통해 미세한 변형을 감지합니다. 금속 박막이 기계적 변형을 받을 때 저항값이 변하는 피에조저항 효과를 이용한 이 장치는 구조가 단순하면서도 높은 정확도를 제공합니다. 특히 게이지 팩터라는 특성값이 센서의 감도를 결정하며, 이를 통해 변형률을 정량적으로 계산할 수 있습니다. 다양한 형태의 게이지가 개발되어 인장, 압축, 비틀림 등 여러 방향의 응력 측정에 활용되고 있으며, 산업 현장에서 구조물의 안전성 모니터링과 재료 특성 평가에 필수적인 도구입니다.

• 2. 휘스톤 브릿지 회로

  휘스톤 브릿지는 저항값의 미세한 변화를 증폭하여 측정하는 고전적이면서도 효과적인 회로입니다. 네 개의 저항으로 구성된 이 회로는 평형 조건에서 출력 전압이 영이 되며, 한쪽 저항이 변하면 불평형 상태가 되어 출력 전압이 발생합니다. 스트레인게이지와 결합하면 매우 작은 저항 변화도 측정 가능하게 되어, 정밀한 변형 측정에 이상적입니다. 온도 보상을 위해 더미 게이지를 추가하거나 여러 게이지를 조합하는 방식으로 측정 정확도를 크게 향상시킬 수 있으며, 현대에도 데이터 수집 시스템과 함께 광범위하게 사용되고 있습니다.

• 3. 인장, 비틀림, 굽힘 실험 방법

  인장, 비틀림, 굽힘 실험은 재료의 기계적 특성을 파악하는 기본적이면서도 중요한 실험들입니다. 인장 실험은 재료의 강도와 연성을 측정하고, 비틀림 실험은 전단 특성을 평가하며, 굽힘 실험은 보의 처짐과 응력 분포를 분석합니다. 각 실험에서 스트레인게이지를 적절히 배치하면 이론값과 실제 측정값을 비교할 수 있어 재료의 거동을 깊이 있게 이해할 수 있습니다. 실험 방법의 표준화와 정확한 시편 준비, 적절한 하중 속도 조절이 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 필수적이며, 이러한 기초 실험들은 공학 설계와 재료 선택의 근거가 됩니다.

• 4. 실험 오차 분석 및 고찰

  실험 오차 분석은 측정 결과의 신뢰성을 평가하고 개선 방안을 제시하는 중요한 과정입니다. 계통 오차와 우연 오차를 구분하여 각각의 원인을 파악해야 하며, 기기의 정확도 한계, 환경 요인, 시편의 불균일성 등이 주요 오차 원인입니다. 온도 변화에 따른 저항 변화, 게이지 부착 위치의 오류, 휘스톤 브릿지의 불완전한 평형 등도 측정값에 영향을 미칩니다. 오차를 최소화하기 위해 반복 측정, 온도 보상, 정확한 캘리브레이션이 필요하며, 측정 불확도를 정량적으로 표현하는 것이 과학적 신뢰성을 확보하는 데 필수적입니다.