스트레인 게이지(Strain Gauge) 계측 원리 및 방법

실험목적

 

이 실험을 통하여 스트레인 게이지 계측의 원리와 측정 방법 등의 기본 계측기법을 습득한다. 우리가 실험한(외팔보의 형태) 자유진동 응답 계측 결과를 기반으로 감쇠 계수 및 탄성계수를 측정하며 이러한 절차를 통하여 시스템의 동적 특성을 분석 예측하고 이들 실험 과정에서 외팔보형 동력계의 구성 및 보정방법을 이해한다. 그리고 외팔보에 걸리는 임의의 시변하중을 측정하여 데이터 처리하는 기법을 아울러 습득하게 된다.

 

 

실험이론

 

자유진동:진동체에 외력이 작용하지 않는 경우의 진동이다. 자유진동의 진동수는 진동체의 고유 진동수만 가지며 고유진동수가 여럿인 물체의 경우 기준진동이 중합된 진동수를 갖는다.

 

감쇠진동:감소진동이란 일정한 주기를 유지하면서 진폭이 점차 감쇠해 가는 진동으로 인접한 진폭의 극대값의 비는 언제나 일정하다

 

스트레인게이지:물체가 외력으로 변형될 때 등에 변형을 측정하는 측정기를 말하며, 물체에 부착시켜 측정한다. 합금선은 인장방향의 변형을 받으면 길이가 증가하여 단면적이 감소되어 전기저항이 증가하며, 그 증가분을 측정한다. 저항측정은 원리적으로는 전기저항 측정기(Wheatstone Bridge)를 사용한다.

 

 

 

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휘스톤브릿지:

 

전기 저항의 대표적인 측정기이다. 그림과 같이 4개의 저항이 접속되며, P, Q, R는 기지의 저항이고, X는 미지의 저항, G는 검류계일 경우, R을 조정하여 G에 전류 I가 흐르지 않게 하면, P와 Q 및 R과 X의 전압 강하는 각각 같으므로 I1P=I2Q, I1X=I2R에서 PR=QX가 되어 미지의 X값이 구해진다. 이 관계는 교류의 경우에도 성립되기 때문에 콘덴서의 용량이나 인덕턴스의 크기를 알고자 할 때도 사용된다.

 

 

탄성계수:비례 한도(탄성 한도) 안에서는 응력과 변형은 정비례하고 [훅(hook) 법칙], 그 때의 비례 정수를 말한다.

 

감쇠율:과도 현상이 진동형인 경우 진폭이 1주기마다 감소해 가는 비율.

 

실험기구

실험1: 고정된 외팔보, 전압계, 센서, 멀티미터

실험2: 스트레인 게이지, 증폭기, 오실로스코프, 고정된 외팔보, 필터, 파워서플라이

 

실험방법

1) 실험1

① 고정된 보와 전압계를 연결한다.

② 고정된 보에 아무런 외력을 가하지 않고 측정되는 저항을 측정한다.

③ 고정된 보에 5cm 인장되는 외력을 가하여 저항을 측정한다.

④ 고정된 보에 5cm 압축되는 외력을 가하여 저항을 측정한다.

⑤ 고정된 보에 10cm 인장되는 외력을 가하여 저항을 측정한다.

⑥ 고정된 보에 10cm 압축되는 외력을 가하여 저항을 측정한다.

2) 실험2

① 스트레인 게이지, 휘트스톤 브릿지, 증폭기, 오실로스코프, 고정된 보, 필터로 실험 장치 를 구성한다

② 필터를 사용하여 보에 외력을 가하여 오실로스코프로 보의 진동을 측정한다.

 

 

 

실험결과

 

실험1

 

R	120.95	120.75		121	120.6
R	0.15	-0.05		0.2	-0.2
	0.05m	-0.05m		0.1m	-0.1m
	0.00043	-0.00043		0.000860	-0.000860
Rn ( R/R)	0.00124	-0.000414		0.00165	-0.00165
Rn/ (게이지펙터)	2.88	0.963		1.918	1.918
외팔보의 조건 b : 3.28mm L : 700mm h : 60mm a : 100mm(센서까지 거리) c=b/2 =120.8			(-)은 압축, (+)은 인장

 

 

실험2

감쇠율

 

	1		2	3	4		5
진폭	0.258		0.212	0.182	0.156		0.138
	0.196		0.153	0.154	0.123		0.123
평균		0.15				0.024

 

실험고찰

 

이번 실험은 외팔보에 작용하는 하중에 따라 신장량이 변하면 센서가 신장량을 읽고 저항의 변화로 표시해 주는 실험과 외팔보가 진동하면서 발생하는 자유진동 응답 계측 결과를 기반으로 감쇠 계수 및 탄성계수를 측정하는 실험이었다. 첫 번째 실험에서는 신장되는 외력에 의한 변화되는 저항값을 측정하는 실험이었는데 외력에 의해 신장 될 때 마다 저항 값을 대략적으로 측정하는 값이기 때문에 정밀한 값을 측정하지는 못했다. 두 번째 실험에서는 충격이 가해질 때 필터가 주변의 잡음 등을 최대한 잡아주기 때문에 첫 번째 실험에 비해서는 비교적 정확한 실험결과 값을 얻을 수 있을 것이다.