스트레인 게이지는 구조 테스트 및 모니터링 어플리케이션에서 무궁무진하게 사용됩니다. 스트레인 앰프에서 가장 많은 신호를 얻고 있습니까? 이 블로그에서는 데이터 수집 시스템에 적합한 스트레인 게이지 증폭기를 선택하는 데 도움이 되는 8가지 팁을 공유합니다.

스트레인 게이지 측정은 어떤 어플리케이션에 사용할 수 있습니까?

스트레인 게이지 기술은 자동차 및 철도 차량 산업의 구조 구성 요소의 내구성 테스트와 같은 구조 테스트 및 모니터링 어플리케이션에서 거의 무제한으로 사용됩니다. 항공, 군사 및 우주 응용 분야에서 스트레인 게이지 기술의 사용은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 스트레인 게이지는 구조적 하중을 지지하는 부품에 직접 결합되어 부품과 하위 어셈블리의 정적 및 피로 시험을 수행합니다. 재생 가능 풍력 에너지 산업에서는 스트레인 게이지 기술을 적용하여 풍력 터빈 블레이드 및 베어링의 구조적 성능을 테스트하고 현장에서 풍력 터빈의 구조적 상태를 모니터링합니다. 스트레인 게이지는 토목 공학 구조물(교량, 터널, 철도, 댐), 석유 및 가스 파이프라인 또는 원자력 발전소를 모니터링하는 데에도 사용할 수 있습니다.

올바른 스트레인 앰프를 선택하는 것이 왜 그렇게 중요한가요?

스트레인 측정의 가장 일반적인 방법은 3-와이어 쿼터 브리지 구성에서 단일 스트레인 게이지를 사용하는 것입니다. 이 쿼터 브리지 구성은 적절한 신호 컨디셔닝에 대한 특정 문제를 야기합니다. 스트레인 앰프를 선택할 때 주의를 기울이는 것의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않으며, 잘못된 선택은 미래에 더 많은 시간과 비용을 소모할 수 있습니다.

다음은 데이터 수집 시스템을 위한 스트레인 게이지 증폭기를 선택하는 데 도움이 되는 8가지 팁입니다.

1. 스트레인 앰프에서 최대한의 신호 얻기

쿼터 브리지 회로는 단일 종단 입력 측정으로, 입력 신호와 아날로그 접지 사이의 전압이 측정됨을 의미합니다. 이 차이는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통해 공급되기 전에 증폭됩니다. 단일 종단 입력은 신호를 전달하는 와이어가 전기적 배경 잡음을 포착하기 때문에 잡음이 발생할 수 있습니다. 단일 종단 입력의 신호에도 접지 루프가 적용될 수 있습니다. 모범 사례는 스트레인 게이지에 배선하기 위해 포일 차폐, 트위스트 페어 케이블을 사용하는 것입니다. 한쪽 끝의 케이블 쉴드를 시그널 컨디셔너의 섀시 접지에 연결합니다. 여기 전압의 진폭을 늘리는 것이 좋습니다. 그러나 절충안은 여기 전압 진폭을 증가시키는 것과 관련이 있으며, 이에 대해서는 이 블로그의 뒷부분에서 설명합니다. 마지막으로, 24비트 시그마-델타 A/D 컨버터가 있는 스트레인 증폭기를 선택하십시오 - 분해능이 높을수록 양자화 노이즈가 낮아져 신호 대 잡음비(SNR)가 높아집니다. 또한 시그마-델타 ADC는 오버샘플링, 필터링 및 잡음 형성을 사용하여 최고의 분해능을 달성합니다. 작은 신호 전압 레벨도 정확하게 증폭할 수 있습니다.

2. 측정 범위 문제

측정 증폭기는 신호 컨디셔닝 프로세스에 정확성과 안정성을 모두 제공합니다. 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지의 저레벨 측정 신호를 ADC에 공급하기 전에 증폭하기 위해 측정 증폭기가 필요합니다. 증폭기 이득을 조정하여 ADC의 전체 범위에서 스트레인 게이지의 풀 스케일 출력을 제공해야 합니다. 정확도는 측정 범위와 증폭기의 이득 정확도에 영향을 받습니다. 보다 현대적인 측정 증폭기는 ± 0.05%의 이득 정확도로 조정 가능한 측정 범위를 제공합니다. ± 2000 μm/m의 측정 범위는 1 μm/m에 불과한 전체 오차를 초래합니다. 또한 균열 감지를 위한 ± 20,000 μm/m의 넓은 측정 범위는 10 μm/m에 불과한 전체 오차를 갖습니다. 따라서 조정 가능한 측정 범위와 결합된 이득 정확도는 스트레인 증폭기를 선택할 때 주의해야 할 사양 중 하나입니다.

3. 온도가 아닌 변형률 측정

실온에서 측정하여 얻은 변형률은 변하지 않은 환경 조건에서 수행되는 경우 정확한 것으로 간주됩니다. 그러나 온도가 변하면 시편 재료가 팽창하여 원치 않는 변형률 판독이 발생합니다. 온도 변화는 금속 그리드와 스트레인 게이지의 열 계수에도 영향을 미치며, 이를 열 출력 또는 온도 유도 겉보기 변형률이라고 합니다. 시편 재료의 팽창 계수와 일치하도록 게이지의 열 계수를 조정하도록 설계된 자체 온도 보상(STC) 스트레인 게이지를 선택하면 열 출력을 보상할 수 있습니다. 스트레인 오프셋 형태의 잔류 겉보기 변형률이 남아 있습니다. 게이지 온도와 겉보기 변형률 특성을 알고 있는 경우 이 오프셋을 계산하고 그에 따라 변형률 값을 보정할 수 있습니다. 열 출력으로 인한 오류를 수정하거나 보정하는 두 가지 일반적인 기술은 (a) 보정을 위해 변형되지 않은 더미 게이지를 사용하거나 (b) 측정된 게이지 온도를 기반으로 계산 보정을 적용하는 것입니다.

4. 최적의 브리지 여기 전압 선택

스트레인 게이지 자체 발열로 인한 열 드리프트는 실제로 시편의 변형으로 인한 것이 아닌 변형률의 명백한 변화를 일으킵니다. 게이지에 공급되는 여기 전압이 높을수록 전력이 많을수록 전선을 통해 흐르는 전류에 의해 더 많은 열이 발생합니다. 복합 재료와 같이 열전도율이 낮은 시편 또는 매우 작은 스트레인 게이지를 사용하는 경우, 여기 전압을 낮추거나 저항이 더 높은 스트레인 게이지를 사용하는 것이 가장 중요합니다. 적절한 브리지 여기 전압 레벨을 선택할 때 두 가지 상반된 고려 사항이 있습니다: 1) 브리지 여기 전압이 높을수록 게이지의 신호 대 잡음비가 향상되고, 2) 브리지 여기 전압이 낮을수록 스트레인 게이지 측정에서 열 유도 오류가 감소합니다. 여기 전압은 게이지 및 게이지가 결합되는 재료와 조정되어야 합니다. 대부분의 스트레인 게이지 제조업체는 최적의 여기 수준을 결정하기 위한 일반적인 권장 사항 또는 시작점을 나타내는 데이터 곡선을 제공합니다. 저온 또는 극저온 환경에서 변형률을 측정할 때 센서 열 발산을 방지하기 위해 과도한 에너지를 최소화하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 여기를 절대 최소값으로 줄이는 것만으로는 신호 대 잡음비가 낮기 때문에 해결책이 될 수 없습니다. 이 경우 펄스 브리지 여기를 제공하는 스트레인 증폭기는 센서 자체 발열로 인한 오류를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

5. 완성 저항의 안정성에주의하십시오

피로 테스트이든 구조 상태 모니터링 응용 프로그램이든 변형률 측정 캠페인은 몇 주에서 최대 몇 달 동안 실행할 수 있습니다. 종종 낮과 밤에. 주변 온도의 변화는 쿼터 브리지 회로를 사용할 때 측정 오류의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다. 액티브 스트레인 게이지와 패시브 브리지 완성 저항이 직렬로 전환되기 때문에 저항 드리프트는 측정 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 온도 관련 저항 변화가 0.1%에 불과해도 연신율은 500μm/m가 될 수 있습니다. 저항 온도 계수(TCR)는 브리지 완성 저항기의 안정성을 특성화하는 데 사용되는 주요 매개변수 중 하나입니다. TCR은 저항의 변화를 주변 온도의 함수로 정의합니다. TCR을 표현하는 일반적인 방법은 ppm/K로, 온도 변화 1켈빈당 백만분의 일을 나타냅니다. TCR이 높은 저항기가 비용 절감을 위해 사용되는 경우가 너무 많기 때문에 원치 않는 오류가 발생하거나 복잡한 온도 보정 곡선을 프로그래밍해야 합니다. 변형률 측정이 온도 측정으로 바뀌는 것을 피하고 싶습니다!

6. 긴 케이블 실행으로 측정 오류 방지

긴 케이블 길이는 때때로 불가피합니다. 스트레인 게이지를 휘트스톤 브리지에 연결하는 리드선의 저항은 브리지 출력을 감쇠시키거나 게이지를 '둔감하게' 합니다. 감쇠는 브리지 와이어 길이의 함수이므로 케이블 길이가 증가함에 따라 더 큰 영향을 미칩니다. 기존 스트레인 증폭기의 경우 측정을 시작하기 전에 수동 션트 교정 프로세스를 수행해야 합니다. 션트 교정 프로세스는 리드선 저항과 후속 보정 계수를 결정합니다. 널리 적용되지만 이 방법은 실제 측정 중 주변 온도 변동으로 인한 리드선 저항의 변화를 보상하지 않습니다. 리드선 저항을 지속적으로 보정하는 입증된 방법은 내부 브리지 완성 저항을 비율계량적으로 감지하여 측정 중에도 리드선 저항으로 인한 측정 오류를 자동으로 수정하는 것입니다. 수동 션트 교정이 필요하지 않으므로 작업자 오류도 제거됩니다.

7. 반송파 주파수 기술로 소음 제거

설정에 근처에 소음 간섭이 있습니까, 전기 또는 AC 모터가 있습니까? 이는 스트레인 게이지 또는 스트레인 기반 센서와 같은 저전압 신호를 측정할 때 발생하는 중요한 전기 노이즈 소스입니다. 스트레인 게이지 측정은 노이즈와 측정 시간이 길어질수록 증가하는 오프셋 드리프트로 인해 어려움을 겪습니다. 반송파 주파수 증폭기는 이러한 시나리오에서 많은 이점을 제공합니다. 직류 전압 증폭기에 비해 제공되는 장점은 모든 주파수를 제거하고 반송파 주파수 대역폭 외부의 고조파를 따른다는 것입니다. 이것은 열전 전압 노이즈, 전력선 주파수 및 주변 모터의 공진 주파수를 제거합니다. 이는 측정 엔지니어가 분석 전 초기 후처리 과정에서 데이터 세트에서 필터링하는 모든 주요 노이즈 신호입니다. 데이터가 실시간으로 수집될 때 이를 제거하면 측정 중 보기 신호의 품질이 향상되고 제어 신호에 사용되는 경우 신호 무결성이 향상됩니다.

8. 극한 환경에서 광학 스트레인 게이지 사용

광섬유 브래그 격자(FBG)를 기반으로 하는 광학 스트레인 게이지 또는 광섬유 스트레인 센서는 저항성 스트레인 게이지에 적합하지 않은 열악한 환경에서 고품질 스트레인 측정값을 수집할 수 있는 대체 방법을 제공합니다. 부착된 물체에 하중이 가해질 때 광 투과율의 변화를 감지합니다. 광학 스트레인 게이지의 주요 특징은 작동하는 데 전기나 여기 전압이 필요하지 않아 높은 수준의 전자기 간섭이 발생하는 환경에서 사용하기에 적합하다는 것입니다. 광학 스트레인 게이지는 본질적으로 전기적으로 절연되어 있어 고전압 위치 스트레인 측정에 이상적입니다. 광학 스트레인 게이지는 장기적인 신호 안정성과 시스템 내구성을 제공합니다. 높은 수준의 진동 부하에서도 기계적 고장이 훨씬 적습니다. 광학 센서는 최소한의 신호 감쇠만 경험하기 때문에 데이터 수집 시스템이 몇 킬로미터 떨어져 있더라도 데이터의 무결성이 높게 유지되므로 광학 센서는 민간 및 철도 인프라 모니터링에 널리 사용됩니다. 광학 스트레인 센서에서 나오는 신호를 측정하려면 광학 센서에서 반사된 빛과 관련된 파장을 측정한 다음 이해할 수 있는 엔지니어링 단위로 변환하는 광학 인터로게이터가 필요합니다.