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.

Strain gauges are at the core of Baumer force and strain sensors and are used to detect the strain on material surfaces. They usually consist of a supporting film (polyimide), a meander-shaped measuring mesh made of constantan, and a cover layer. The strain gauges convert the mechanical strain into an electrical resistance change and act as mechanical-electrical converters. The resistance change of the strain gauges takes place proportionally and is described as the k factor. 

Designs
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Metal strain gauges for sensor construction are available in various designs. In addition to the typical linear strain gauges, other typical designs include T rosette strain gauges, rosette strain gauges, and shear strain gauges:

The Wheatstone bridge circuit is a special circuit of electrical resistors that can help in precisely measuring electrical resistance changes. In the full-bridge circuit used in sensor construction, four strain gauges are always connected in a specific formation. The bridge circuit consists of two voltage dividers that are switched in parallel and are provided with the bridge power supply U_B as a common source of power.

With the help of the Wheatstone bridge circuit, the smallest resistance changes can be precisely detected. Changes in the individual resistances lead to a bridge imbalance U_A, which can be easily measured. The measuring signal of the bridge behaves ratiometrically and is proportional to the supply voltage. The typical measuring signal of strain gauge strain sensors ranges from 0.4 … 3.0 mV/V.

Mechanically, Baumer strain sensors are fatigue endurable for at least 10 million cycles at +/- for the entire strain range (e.g. +/- 500 µm/m). This way, processes with a high number of cycles and loads in the positive and negative direction can be monitored.

The Baumer product portfolio of strain sensors offers a nearly unlimited application potential. There are strain sensors for confined areas, standard industrial applications, as well as for rough outdoor applications.