1. 스트레인게이지 (Strain Gauge)

물체에 가해지는 변형률(Strain)을 측정하는 센서입니다.

외부 힘에 의해 물체가 늘어나거나 줄어들 때 그에 따른 미세한 길이 변화를 전기적인 신호로 변환해줍니다.

2. 작동 원리

스트레인 게이지의 핵심 원리는 금속 등의 저항체가 늘어나거나 줄어들면 전기 저항값이 변한다는 것입니다.

변형 발생: 측정 대상 물체에 힘이 가해지면 물체의 길이 변화(늘어나거나 줄어듦)가 발생합니다.
저항 변화: 스트레인 게이지는 얇은 금속선이나 박막으로 만들어진 격자(grid) 형태로, 측정 물체에 접착됩니다.

물체가 변형되면 스트레인 게이지도 함께 변형되어 길이와 단면적이 변하게 되고, 이에 따라 전기 저항값이 변합니다.
신호 변환: 이 미세한 저항 변화를 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로와 같은 회로를 이용하여 전압 변화로 변환하고 증폭하여 스트레인(변형률) 값을 측정합니다.

변형률(ϵ)은 원래 길이에 대한 길이 변화량의 비율로 나타냅니다:
ϵ= LΔ/L
여기서 ΔL은 길이 변화량, L은 원래 길이입니다. 스트레인 게이지의 저항 변화(ΔR)는 변형률에 비례합니다:
RΔ/R =GF⋅ϵ
여기서 R은 원래 저항값, GF는 게이지 팩터(Gauge Factor)라고 하는 스트레인 게이지의 감도를 나타내는 상수입니다.

3. 종류

1) 금속 박막형 스트레인 게이지 (Foil Strain Gauge): 가장 널리 사용되는 형태로, 얇은 금속 박막을 식각하여 격자 형태로 만듭니다.

높은 정확도와 안정성을 가지며 다양한 재질과 형태로 제작이 가능합니다.
2) 반도체형 스트레인 게이지 (Semiconductor Strain Gauge): 실리콘과 같은 반도체 재료를 사용하여 제작됩니다.

금속 박막형보다 게이지 팩터가 매우 커서 작은 변형에도 큰 저항 변화를 나타내므로 고감도 측정이 가능하지만, 온도 변화에 민감하고 선형성이 떨어지는 단점이 있습니다.
3) 선형 스트레인 게이지 (Linear Strain Gauge): 한 방향의 변형률만 측정하도록 설계된 가장 기본적인 형태입니다.
4) 로제트 스트레인 게이지 (Rosette Strain Gauge): 한 점에서 여러 방향의 변형률을 동시에 측정할 수 있도록 여러 개의 게이지가 특정 각도로 배치된 형태입니다.

응력의 주 방향을 모르는 복잡한 응력 상태 분석에 유용합니다.

종류로는 2축(T-로제트, 직각 로제트)과 3축(델타 로제트, 사각 로제트) 로제트 등이 있습니다.
전단 스트레인 게이지 (Shear Strain Gauge): 전단 응력으로 인한 변형률을 측정하는 데 특화된 형태입니다.
5) 브리지 회로 구성에 따른 분류:
- 1/4 브리지 (Quarter Bridge): 하나의 스트레인 게이지와 3개의 고정 저항으로 구성됩니다.
- 1/2 브리지 (Half Bridge): 두 개의 스트레인 게이지와 2개의 고정 저항으로 구성됩니다. 온도 보상 및 감도 향상에 유리합니다.
- Full 브리지 (Full Bridge): 네 개의 스트레인 게이지로 구성됩니다. 감도가 가장 높고 온도 변화 및 굽힘/비틀림 등의 영향에 대한 보상 효과가 뛰어납니다.

4. 적용분야

1) 구조물 건전성 모니터링: 교량, 건물, 댐 등의 구조물에 설치하여 응력과 변형을 측정하고 안전성을 평가합니다.
2) 토크 측정: 회전축에 설치하여 비틀림 모멘트(토크)를 측정합니다. 자동차 엔진, 모터, 터빈 등의 성능 평가에 필수적입니다.
3) 압력 측정: 압력 센서의 감지 소자로 사용되어 유체나 기체의 압력을 정밀하게 측정합니다.
4) 변위 측정: 간접적인 방법으로 변위를 측정하는 데 활용될 수 있습니다.
5) 항공우주 산업: 항공기, 우주선의 구조적 안전성 시험 및 비행 중 하중 측정에 중요한 역할을 합니다.
6) 자동차 산업: 자동차 부품의 강도 시험, 안전 시험, 엔진 토크 측정 등에 사용됩니다.
7) 의료 분야: 생체 역학 연구, 의료 기기 개발 등에 활용됩니다.
8) 재료 시험: 재료의 기계적 특성(탄성 계수, 항복 강도 등)을 평가하는 데 사용됩니다.