스트레인 센서 작동 원리

스트레인은 하중을 받는 구성요소나 구조물의 상대적인 길이 변화입니다. 이것은 연장(늘어남) 또는 단축(압축)일 수 있습니다. 팽창은 기계에 가해진 힘 또는 토크(기계적 팽창)에 의해 발생하지만 온도 변화 시 열 팽창에 의해서도 발생합니다. 스트레인 센서를 사용한 간접 힘 측정 시 기계적 팽창이 측정됩니다.

이러한 상대적 길이 변화는 팽창 [m/m]으로 설명되고 총길이 l0에 대한 절대적 길이 변화 l의 비율로 정의됩니다. 팽창에는 차원이 없습니다. 팽창을 나타내는 기호는 ɛ입니다. 구성품 모니터링 시에는 일반적으로 작은 팽창이 발생하기 때문에 팽창은 [µm/m]로 표시됩니다(1µm = 10-6m). 유럽 지역에서는 팽창이 주로 [µm/m]로 표시되지만 영미 지역에서는 마이크로스트레인 또는 마이크로엡실론 [µɛ]으로 표시됩니다. 구성품이 연장되는 경우 포지티브 팽창이라고 합니다. 구성품이 교환되는 경우 팽창은 네거티브입니다.

대부분의 경우 팽창은 응력 정도와 기계적 부하에 의한 소재의 장력을 특정하기 위해 측정됩니다. 그러나 팽창의 측정을 통해 팽창을 유발하는 힘 역시 유추할 수 있습니다. 이로 인해 팽창 측정은 큰 힘의 특정에 대한 현명한 대안을 제공합니다. 실험실 환경에서는 종종 팽창 측정 스트립이 구성품에 부착됩니다. 그러나 시리즈 제조 중에는 간접 힘 측정을 위해 일정하면서 품질에 좋은 상태를 조성하기 위해 간단한 나사 체결식 스트레인 센서를 사용해야 합니다.

스트레인 센서는 큰 힘 범위 및 견고한 구조에서는 힘 센서에 대한 적합한 대안입니다. 스트레인 센서는 힘 센서와 달리 힘 흐름 안에 직접 설치되지 않고 해당 구성품의 표면에 설치됩니다. 기계 구조물의 부하에 의해 변형이 발생합니다. 스트레이너 센서를 사용하면 측정된 표면 팽창을 통해 작용하는 힘을 간단하게 유추할 수 있습니다. 스트레인 센서를 사용한 간접 힘 측정 시에는 큰 힘을 작은 스트레이너 센서를 통해 비용 효율적으로 측정할 수 있습니다.

외부 나사 체결식 스트레이너 센서 외에 팽창을 보어에서 감지하는 버전도 있습니다. 이는 각 시스템 구조에 따라 합리적일 수 있습니다.

각 구성품에는 힘(F)이 가해짐과 동시에 특정 연신력()이 발생합니다. 이 연신력은 선형 탄성 영역에서 항상 재료의 소재와 E 단면 A 그리고 힘에 따라 결정됩니다. 이 세 가지 매개변수를 이용하여 다음과 같이 연신력을 계산할 수 있습니다.

스트레인 센서는 예상되는 연신율이 포함되는 다양한 측정 영역을 가집니다.

알루미뉸의 E 모듈은 약 70000N/mm²이며, 경질 고무의 E 모듈은 5N/mm²입니다.

F= 400mm² x 210000N/mm² x 240 x 10-6m/m = 20160N

전기 신호에 관한 기계적 힘 크기 처리는 DMS를 기반으로 하는 스트레인 센서에서 네 단계로 이행됩니다. 출발점은 힘 작용에 의해 변형이 발생한 구성품입니다. 이러한 변형은 힘이 전달되는 연결을 통해 스트레인 센서로 전달됩니다. 스트레인 센서에는 외부 부하에 의해 재료 표면이 팽창하는 열처리강 소재의 스프링 본체가 있습니다. 스프링 본체의 표면에 적용된 DMS를 통해 이러한 팽창이 터치됩니다. 이때 DMS는 기계적 팽창을 전기 저항 변화로 전환시키고 기계-전기식 컨버터로 작용합니다. 이러한 저항 변화를 통해 팽창에 비례하는 전압 변화를 발생시킵니다. 휘트스톤 측정 브리지를 형성하기 위한 개별 스프레인 게이지의 지능형 상호 연결을 통해 매우 작은 팽창도 파악할 수 있습니다.

변환기 구성용 금속 DMS에는 다양한 형상이 있습니다. 일반적인 선형 DMS 외에 T 로제트 DMS, 로제트 DMS, 전단 DMS가 있습니다. 기타 일반 형상:

동일한 전압원에 의해 전압을 공급받습니다.

휘트스톤 브리지 회로를 사용하면 매우 작은 저항 변화도 정밀하게 파악할 수 있습니다. 개별 저항의 변화는 간단하게 측정할 수 있는 브리지 디튠 UA로 이어집니다. 브리지의 측정 신호는 비율 계량적이며 공급 전압에 비례합니다. DMS 스트레인 센서의 일반적인 측정 신호는 0,4~3,0mV/V입니다.

기계적으로 Baumer 스트레인 센서는 +/- 전체 팽창 범위(예: +/- 500µm/m)에서 1천만 사이클에 대해 내구성을 가지도록 설계되었습니다. 이를 통해 사이클 수가 큰 공정과 양의 방향 및 음의 방향 부하를 모니터링할 수 있습니다. 

Baumer의 스트레이너 센서 제품 포트폴리오는 거의 무제한적인 사용 가능성을 제공합니다. 제한된 공간 상태, 일반적인 산용 분여, 거친 옥외 사용을 위한 스트레이너 센서가 있습니다.