스트레인 게이지(Strain Gauge) 실험1.실험제목: 스트레인게이지2.실험목적: 대부분의 엔지니어는 작업이나 연구에 스트레인 게이지를 사용한다. 전기저항 스트레인 게이지(electrical resistance strain gage)는 스트레인 및 스트레스 측정의 수간으로서 뿐만 아니라 여러 종류의 물리량의 변환기에 널리 이용되고 있다. 그 측정범위 정적 및 동적 측정까지 포함되고 있으므로 공학에 필요한 각종 측정에는 스트레인 게이지가 광범위하게 사용된다. 구조 엔지니어는 이것들을 사용하여 하중 아래에 있는 건물이나 다리의 받침에서 변형을 발견한다. 기계와 우주항공 엔지니어는 이것을 이용하여 부하나 압력 아래에 놓인 기계부품이나 다른 모양에서 변형을 발견한다. 그것은 직접적으로 힘, 압력 또는 위치를 측정하는 로드 셀 또는 토크 센서의 부분이 되기도 한다.스트레인 게이지 트레이너는 스트레인 게이지가 어떻게 작동 하는가 그리고 그것을 어떻게 올바로 사용하는가를 보여준다. 이것은 여러 가지 방법으로 어떻게 변형을 측정 하는가 그리고 다른 자재와 구조에서 이론적 변형과 전시된 변형을 비교한다.이 장비는 완전한 부품으로 일반적인 스트레인 게이지 정렬의 세트와 구조적 메커니즘을 가진다. 디지털 변형 디스플레이는 변형 브리지 회로에서 전압 출력을 보여주고 자동적으로 변형을 계산하고 보여준다. 이것은 변형을 공통적으로 받아들여지는 눈금 마이크로 스트레인(mu varepsilon )으로 보여준다.스트레인 게이지 트레이너는 다양한 데이터 획득장치(VDAS)와 연결할 수 있다. VDAS는 실험에서 데이터에 로그하고 자동으로 수치와 결과를 계산한다.따라서 이 실험에서는 전기저항 스트레인 게이지의 원리, 그 측정법 및 실제 응용능력을 배양하도록 하고, 스트레인 게이지의 작동원리에 대하여 알아본다. 또한 하중을 가할 때 strain값과 응력값을 알아보고 이론값과 실험값을 비교하여본다.3.실험이론:(1) Strain변형도 또는 변형률은 응력으로 인해 발생하는 재료의 기하학적 변형을적으로 측정하여 구조체의 변형률을 측정하는 것이다.이 스트레인게이지의 개발로 인하여 구조체의 변형 상태를 정밀하게 측정할 수 있게 되었으며, 이 변형률에 의하여 응력을 알 수가 있다. 스트레인게이지는 구조체의 재질에 따라 그 모양과 길이가 다른 것이 사용된다. 금속이나 강재에는 주로 5mm 게이지가, 콘크리트에는 30~100mm 게이지가 자주 사용된다. 또한 이 스트레인게이지는 표면에 부착하는 부착게이지뿐만 아니라 물체나 구조체를 만들 때에 그 내부에 매몰시켜 설치하는 매몰형 스트레인게이지도 있다. 마이너스 변형 판독은 압력 변형이고, 플러스 판독은 신장 변형이다.스트레인 게이지를 올바른 방향으로 사용해야만 한다. 그것이 게이지의 요소와 평행으로 될 때에 정확하게 작동한다. 스트레인 게이지는 요소와 평행이 되지 않은 경우는 아주 작은 저항을 보여 주던가 아무 변화가 없을 수 있다. 직접적인 변형의 판독을 제공하기 위하여, 기구는 스트레인 게이지의 판독에 게이지 인수라고 불리는 상수를 곱한다. 게이지 인수는 변형에 대한 스트레인 게이지 민감도의 수치이며, 게이지를 만드는 데 사용되는 다른 포일의 배치에 따라서 조금씩 변한다. 표준 금속 박의 게이지 인수는 각 배치에서 1.9~2.3사이에서 변한다. 스트레인 게이지는 얇은 박의 조각으로 만들어 지기 때문에, 온도에 대한 감도는 일반 전기 와이어 도선 보다 높다. 주로 저항은 온도가 올라가게 되면 증가한다. 그래서 온도가 변할 때에 신뢰 할만한 결과를 위하여 엔지니어는 주로 스트레인 게이지를 포함하는 보통 회로에서 온도 보상치를 더 한다.ATT 스트레인 게이지 로제트두 개나 그 이상의 다른 방향의 변형을 측정할 때, 단순히 추가 스트레인 게이지를 서로 더할 수 있다. 그러나 스트레인 게이지는 주로 아주 작고 90도의 각도를 얻기가 어려워 스트레인 게이지는 로제트로 사용된다. 로제트는 두 개나 그 이상의 게이지가 이미 지지하는 자재에 결합되어 있다. 각 게이지는 기계에 의하여 정확하게 위치된다. 이것은 시간을 절약하게over {R _{1} +R _{2}} - {R _{4}} over {R _{3} +R _{4}} )수식이 보여주는 것처럼,R _{1} ,`R _{2} ,`R _{3} 그리고R _{4}가 모두 정확하게 같을 때,출력 전압V _{0}는, 입력전압V _{i}가 어떻게 되든지 간에, 0이 된다. 그러나 하나의 저항이 변하면, (예를 들어서-R _{1}),V _{0}는 변한 저항에 비례하여 변하게 된다.곡선1은 저항R _{1}이 변경될 때, 휘스톤 브리지의 출력이 어떻게 변하는지를 보여준다. 출력은 선형은 아니지만, 작은 저항의 변경에 좋은 결과를 제공한다.곡선2는 저항R _{1}과 반대 편 저항(R _{4})이 동일한 양이 변할 때 휘스톤 브리지의 출력이 어떻게 변하는지를 보여 준다. 결과는 단일 저항의 변경보다는 두 배로 변하지만, 여기서도 곡선은 선형은 아니다.곡선3은 저항R _{1}이 바뀌고 인접저항(R _{3})가 동일한 양이지만 역으로 바뀔 때 휘스톤 브리지의 출력이 어떻게 변하는지를 보여준다. 브리지의 결과 전압은 두 배가 되며 곡선은 거의 선형이 된다.곡선4는 저항R _{4}가 바뀌고 인접저항(R _{3})가 동일한 양이지만 역으로 바뀌고, 그리고 또한 반대편의 저항R _{2}와R _{4}가 동일 한 양 만큼 변할 때 휘스톤 브리지의 출력이 어떻게 변하는지를 보여준다. 출력은 단일 게이지보다 4배 크며 곡선은 선형이다.하나의 스트레인 게이지가 저항과 교체 될 때, 출력 전압V _{0}는 게이지의 변형에 비례한다. 이것이 4분의 1 브리지 연결이다. 모든 저항이 동일하면, 잠재적 출력의 차이는 0이 된다. 스트레인 게이지 저항이 증가하게 되면(신장 변형), 출력 잠재 차이는 양(+)이 된다. 스트레인 게이지 저항이 감소하게 되면(압력 변형), 출력 잠재 차이는 음(-)이 된다.저항R _{2,```} R _{3} 그리고R _{4`}는 ‘더미’ 또는 ‘make up’ 저항임을 주목하고, 긴장되지 않는 스트레인 게이지처럼 동일한 저항과 일치한다. 이것은 간단한_{1} R _{1}} over {I _{3} R _{3}} = {I _{2} R _{2}} over {I _{4} R _{4}}I1=I3 이고 I2=I4 이므로, 모든 전류 항은 삭제가 되고, 저항의 비만 남는다.{R _{1}} over {R _{3}} = {R _{2}} over {R _{4}}R _{1}으로 이 식을 정리하면R _{1} =R _{3} `( {R _{2}} over {R _{4}} ) 이 식은 브리지가 평형이 되었을 때 다른 저항 값의 항으로R _{1} 저항 값을 구하는데 이용된다. 역시 이 식은 유사한 방법으로 다른 저항 값도 구할 수가 있다.ATT Wheastone Bridge에 쓰이게 되는 스트레인 게이지의 사용개수에 따라 1개를 사용할 경우 1/4인 Quarter Brige, 2개를 사용하는 Half Bridge, 4개를 사용하는 Full Bridge라고 한다. Full Bridge방식을 쓰지 않을 경우 나머지 저항들은 보통 앰프에 내장되어 있는 Dummy을 쓰게 된다. 그러면 각각의 경우에 대해서 알아보자.1) The Quarter Bridge앰프 내장형 더미 게이지를 쓸 경우에 2선 방식과 3선 방식이 있다.2선 방식의 경우는 간단한 실험의 경우나 교육용 실험의 경우에 사용하는 방식이며,3선 방식의 경우는 측정대상과 계측 장비 특히 앰프와의 거리가 멀 경우 즉 도선 저항을 무시할 수 없을 때 사용하며, 특별한 경우가 아니라면 이 방법을 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 게이지를 붙이는 과정이나 결선 과정, 도선 저항등에 의해 최초 게이지 사양에 명시된 저항 치를 초과하게 되는데, 이때 대부분의 앰프는 이러한 결과를 조정할 수 있도록 Balancing기능이 있어 어느 정도 조정할 수 있지만 이를 초과할 경우 즉, 측정시 측정대상의 변형 결과 값이 커 제품의 사양에 명시된 Range(보통 ±5V 아니면 ±10V)를 벗어나 초과된 측정치가 앰프상에서 잘려 나가는 결과를 초래할 수 있다. 그래서 조금이나마 최초 게이지 저항 값에 따른 평형이 될 때까지 유지한다.5. 작은 추 행거를 나이프 에지 행거에 건다. 작은 추 행거는 약10g이고, 4개의10g짜리 추를 걸어서 총 무게가 50g이 되도록 한다. 그리고 출력전압과 변형 눈금을 표에 작성한다.6. 그 후로50g씩 추가하여 총 무게가500g이 될 때까지 한다.50g씩 추가 할 때 마다 표에 출력눈금과 변형 눈금을 계속해서 표에 작성한다.(3) 비틀림, Full bridge 실험 (Tortion system)1. 버니어 캘리퍼스를 사용하여 정확하게 시편 빔의 규격을 측정하라. 측정값들을 결과표에 기록한다.2. 비틀림 장치 스트레인 게이지를 변형 디스플레이에 풀 브리지로 연결한다.3. 주의해서 나이프에지 행거를 빔에 420mm 위치에 밀어 넣는다.4. 장비를 안정하도록 약 1분 동안 내버려 두고, 디스플레이 눈금이 0이 될 때 까지 영의 버튼을 누르고 유지한다.5. 변형 눈금을 표에 적어 넣는다.6. 작은 추 행거를 나이프에지 행거에 걸고 출력 정압과 변형 눈금을 표에 적는다.7. 그 후로50g씩 추가하여 총 무게가500g이 될 때까지 한다.50g씩 추가 할 때 마다 표에 출력눈금과 변형 눈금을 계속해서 표에 작성한다.(4) 게이지 패턴 측정 실험1. 비틀림 장치에서 변형 게이지 패턴을 연구한다. 빔 아래에 있는 게이지는 빔 위에 있는 게이지와 동일 함에 주목한다. 그런데도 불구하고, 그것은 두 게이지의 로제트임을 주목한다. 로제트에 있는 각 게이지는 같은 크기의 변형을 측정하지만 그들의 극은 반대며, 하나가 압력 비틀림 변형을 측정하고 다른 것은 인장 비틀림 변형을 측정한다.2. 표를 만들어 청색 변형 게이지를 변형 디스플레이에 4분의 1 브리지로 연결한다( 게이지 인수= 2.04). 변형 디스플레이가 정확한 게이지 인수와 ACT=1를 보이도록 조정한다.3. 토크 암을 비틀림 장치 뒤에 구멍으로 나사를 돌리고 장비를 약 1분간 안정적이 되도록 내버려 두고, 영점 버튼을 눌러서 디스플레이 눈금이 0이 될 때 까지 유지한다.4. 작은 추 행거를 토크산된
