저항식 변형게이지 선택 방법

저항 스트레인 게이지 (스트레인 게이지로 지칭됨)는 구조 부재의 기계적 변형을 저항 변화로 변환하는 핵심 민감 요소로, 로드셀 , 힘 센서, 구조 건강 모니터링, 항공우주 시험 및 기타 분야에서 널리 사용된다. 스트레인 게이지의 선택은 측정 시스템의 정확도, 안정성 및 수명에 직접적인 영향을 미친다. 핵심 원칙은 "변형 특성과 사용 환경의 양방향 매칭"이며, 이는 파라미터 중복으로 인한 비용 낭비를 피하고 성능 부족으로 인한 측정 실패를 방지하기 위함이다. 아래에는 기술적 파라미터, 환경 적응성 및 실무상 핵심 사항을 결합한 전 과정 선택 방법을 제시하여 정밀한 선정을 지원한다.

1단계: 핵심 측정 요구사항 및 적용 사례 명확히 하기 (선택을 위한 전제 조건)

선택 전에 향후 파라미터 선택의 기초가 되며, 과도한 고성능 파라미터 추구를 방지하기 위해 "어떤 변형을 측정할 것인지, 어떤 환경에서 측정할 것인지, 어떻게 설치할 것인지"를 정의해야 합니다.

1. 핵심 측정 요구사항의 정의

• 변형 유형 및 범위: 측정 대상 부품의 변형 특성(구조물 자중에 의한 정적 변형, 기계 진동 변형과 같은 동적 변형)과 최대 변형 값을 명확히 하고, 1.2~1.5배의 여유 범위를 확보해야 합니다. 예: 실제 최대 변형이 1000με인 경우, 1200~1500με 범위의 스트레인 게이지를 선택해야 하며, 동적 변형(예: 충격 하중)의 경우 순간적인 과부하로 인한 감지 격자 손상을 방지하기 위해 1.5~2배의 안전 계수를 확보하는 것이 권장됩니다.
• 정확도 요구사항: 정성적 모니터링(예: 구조 균열 조기 경보), 정량적 분석(예: 센서 캘리브레이션) 또는 정밀 측정(예: 실험실 응력 테스트) 중 어떤 목적입니까? 예를 들어, 로드셀용 변형게이지는 ±0.1%의 감도 오차를 충족해야 하며, 구조 건강 모니터링은 ≤±0.5%의 오차를 허용하고, 실험실 정밀 측정은 ≤±0.05% 이하의 오차가 요구됩니다.
• 하중 방향: 구성 부품이 단방향 하중(예: 외팔보 굽힘), 양방향 하중(예: 평면 응력 상태의 기계 부품) 또는 다방향 하중(예: 복합 구조 접합부)을 받는지 여부는 무엇입니까? 단방향 하중에는 단축 변형게이지를 선택하고, 양방향/다방향 하중에는 양축(직각, 스트레인 로제트) 또는 다축 변형게이지를 선택합니다.
• 측정 주파수: 동적 측정의 경우, 변형 신호의 주파수 범위를 명확히 해야 합니다. 스트레인 게이지의 응답 주파수는 측정 신호 주파수의 ≥3배 이상이어야 하며(신호 왜곡을 방지하기 위해) 예를 들어, 50Hz의 진동 변형을 측정하려면 응답 주파수가 ≥150Hz인 스트레인 게이지를 선택해야 합니다.

2. 설치 및 구조 조건

• 부품 표면 특성: 부품 표면이 평면인지, 곡면인지(곡률 반경은 얼마인지), 또는 특수한 형상인지 여부. 포일 타입과 같은 유연한 스트레인 게이지는 곡면 부품에 적합하며, 곡률 반경이 작을 경우(≤10mm) 짧은 그리드 길이의 스트레인 게이지가 필요합니다. 기판 접착력이 강한 제품은 거친 표면에 적합합니다.
• 설치 공간: 좁은 부품 영역(정밀 부품의 Chamfer 등)에는 소형화된 스트레인 게이지(격자 길이 ≤2mm)가 필요하며, 대형 부품의 경우 변형률 균일성에 따라 중간 또는 긴 격자 길이의 스트레인 게이지를 선택할 수 있습니다.
• 설치 방법: 상온 접착 설치, 고온 용접 설치 또는 일시적 페이스팅 방식 중 어떤 것이 필요한가요? 고온 환경에서는 용접 가능한 스트레인 게이지가 필요하며, 일시적인 모니터링에는 자석 흡착형 스트레인 게이지를 사용할 수 있습니다.

3. 환경 작동 조건

• 온도 범위: 작업 환경의 정상 온도(-20℃~60℃), 중온(60℃~200℃), 고온(200℃~1000℃), 저온(＜-20℃) 범위를 명확히 해야 합니다. 스트레인 게이지의 온도 보상 범위는 실제 온도 범위를 완전히 포함해야 하며, 온도 드리프트로 인한 정확도 저하를 방지해야 합니다.
• 중간 환경: 습도(수중, 습한 작업장 등)가 있는가, 부식성 물질(산-염기 가스, 화학 공장 내 오일 오염 등), 먼지 또는 강한 방사선이 존재하는가? 습기가 많은 환경의 경우 방수형 스트레인 게이지를 필요로 하며, 부식성 환경의 경우 내식성 재료(니크롬 합금 격자, 폴리이미드 기판 등)가 필요하고, 이에 밀봉 처리를 추가로 병행해야 한다.
• 간섭 요인: 강한 전자기 간섭(모터 근처, 고전압 장비 등) 또는 진동 충격이 존재하는가? 강한 간섭 상황에서는 차폐층이 있는 스트레인 게이지가 필요하며, 진동 및 충격 상황에서는 기판과 접착제의 인성이 우수한 종류가 요구된다.

단계 2: 핵심 기술적 파라미터 선택(요구사항과 정확히 일치)

요구사항을 명확히 한 후에는 스트레인 게이지의 핵심 기술적 파라미터에 집중해야 하며, 이는 선택 과정의 핵심 단계로서 측정 성능을 직접적으로 결정한다.

1. 민감한 그리드의 핵심 매개변수(기본 측정 성능 결정)

• 저항값: 스트레인 게이지의 일반적인 저항값은 120Ω이며, 대부분의 스트레인 게이지와 호환되며 가장 높은 범용성을 가집니다. 또한 350Ω 및 1000Ω 등의 사양도 있습니다. 고저항 스트레인 게이지는 저전력 소비 시스템에 적합하며, 산업 현장에서는 120Ω 스트레인 게이지가 비용 대비 성능 측면에서 가장 우수합니다. 선택 시 스트레인 게이지의 저항값이 계측 장치의 입력 저항과 일치하는지 확인하고(편차 ≤±5%) 신호 감쇠를 방지해야 합니다.
• 게이지 계수: 변형과 저항 변화 간의 비례 관계를 나타내며(일반적인 값 2.0±0.02), 이는 변형 값을 계산하는 데 중요한 파라미터입니다. 선택 시 게이지 계수의 일관성이 우수한 변형 게이지를 우선적으로 선택해야 하며(배치 편차 ≤±1%), 특히 복수의 게이지를 브리지 회로에 사용할 때(예: 로드셀의 풀 브리지 회로) 일관성이 낮으면 측정 오차가 증가하게 됩니다.
• 격자 길이 및 격자 폭: 격자 길이는 변형 게이지의 '평균 측정 범위'를 결정합니다. 작은 격자 길이(0.2~2mm)는 국부적인 변형(예: 균열 끝단 등) 측정에 적합하며, 중간 격자 길이(3~10mm)는 일반적인 부품에 적합하고, 큰 격자 길이(10~100mm)는 변형 기울기가 작은 대형 부품에 적합합니다. 격자 폭은 부품의 힘 방향과 일치해야 하며, 단방향 힘에는 좁은 격자 폭을, 양방향 힘에는 넓은 격자 폭 또는 변형 로제트 구조를 사용해야 합니다.
• 민감한 격자 재료:
  • 구리-니켈 합금(콘스탄탄): 일반 온도 환경(-20℃~150℃)에서 사용되며, 온도 계수가 작고 안정성이 우수하여 하중 측정기 및 구조물 모니터링에 적합함;
  • 니켈-크롬 합금(카르마): 중온 및 고온 환경(-50℃~400℃)용으로, 높은 감도를 가지며 엔진 및 고온 배관 모니터링에 적합함;
  • 백금-이리듐 합금: 고온 환경(400℃~1000℃)용으로, 내식성이 강하며 항공우주 및 제철 장비에 적합함;
  • 반도체 재료: 금속 대비 50~100배의 매우 높은 감도를 가지나 온도 안정성이 낮아 실험실 정밀 측정에 적합함.

2. 기판 및 접착제의 파라미터(환경 적응성 결정)

• 기판 재료:
  • 종이 기판: 비용이 저렴하고 부착이 쉬우며, 일반 온도 및 건조한 환경(≤60℃)에 적합하여 민간 장비의 일시적 모니터링 등에 사용됨;
  • 페놀 수지 기판: 120℃의 내열성, 우수한 내유성으로 일반 산업용 기계 장비에 적합함;
  • 폴리이미드 기판: 250℃의 내열성, 부식 및 내수성으로 화학, 습기 및 중고온 환경에 적합함;
  • 세라믹 기판: 1000℃ 이상의 내열성으로 고온 가마 및 항공 엔진과 같은 극한 환경에 적합함.
• 접착제 종류: 기판 소재 및 작동 온도와 일치해야 함. 상온 환경에는 시아노아크릴레이트 계(빠른 건조형) 접착제를 선택하고, 중온 환경에는 에폭시 수지 계(150℃ 내열성)를, 고온 환경에는 무기계 접착제(500℃ 이상 내열성)를 사용함. 접착제의 전단 강도는 게이지 탈착을 방지하기 위해 ≥2MPa여야 함.

3. 온도 보상 파라미터(측정 안정성 결정)

• 온도 보상 방법:
  • 자기 보상형 변형게이지: 감도 격자 재료를 선택함으로써 온도로 인한 저항 변화를 구성 부재의 열팽창으로 상쇄시켜, 단일 재료 부품(예: 강철, 알루미늄)에 적합하며 설치가 간편하고 산업용 시나리오에서 우선적으로 사용됨;
  • 보정 게이지 보상: 작동 게이지와 동일한 모델의 추가 변형게이지를 응력이 가해지지 않은 동일한 부재에 부착하고, 회로를 통해 온도 오차를 상쇄시키는 방식으로, 복잡한 온도장 또는 다중 재료 부품에 적합함.
• 온도 보상 범위: 실제 작동 온도 범위를 반드시 포함해야 함. 예: -10℃~80℃인 작업장 환경에서는 온도 여유를 확보하기 위해 -20℃~100℃의 보상 범위를 갖는 변형게이지를 선택해야 함.

4. 구조 및 리드 파라미터(설치 및 신호 전송 결정)

• 변형게이지 구조:
  • 단방향 스트레인 게이지: 외팔보, 견인봉과 같은 단일 방향 힘 작용 상황에 적합하며, 구조가 간단하고 비용이 낮음;
  • 이축 스트레인 게이지(직각 스트레인 게이지): 평면 응력 부재와 같은 양방향 힘 작용 상황에 적합하며, 두 수직 방향의 변형을 동시에 측정 가능;
  • 스트레인 로제트(45°, 60°): 구조 접합부, 복잡한 부품과 같은 다방향 힘 작용 상황에 적합하며, 주변형 및 주응력 방향을 계산할 수 있어 응력 분석에 적합함.
• 리드 사양: 리드 재료는 일반적으로 은도금된 구리선을 사용합니다. 일반 온도 조건에서는 PVC 절연선을 사용하고, 고온 조건에서는 PTFE 절연선을 사용합니다. 리드 길이는 측정 거리와 일치해야 하며, 장거리 전송(10m)의 경우 전자기 간섭을 방지하기 위해 실드층이 있는 리드를 사용해야 합니다.

단계 3: 적용 상황에 맞는 선택 및 선택 오류 회피

다양한 특성에 따라 스트레인 게이지를 선택하세요 응용 사용 사례에 따라 적절한 제품을 선택하고, 흔히 발생하는 선택 오류를 피하여 측정 시스템의 안정성과 신뢰성을 보장하십시오.

1. 대표적인 시나리오별 선택 사례

2. 일반적인 선택 오류 및 예방 방법

• 오류 1: 게이지 계수에만 주목하고 일관성은 간과하는 것 — 브리지 회로에 여러 개의 게이지를 사용할 때, 개별 게이지의 게이지 계수가 기준을 충족하더라도 배치 간 편차가 크면 (±1%) 브리지 불균형이 발생하여 측정 오차가 급격히 증가할 수 있습니다. 대응 방법: 동일 배치의 스트레인 게이지에 대해 공급업체로부터 게이지 계수 시험 보고서를 요구하고, 편차를 ±0.5% 이내로 관리하십시오.
• 오류 2: 격자 길이와 변형률 기울기의 불일치 — 균열 끝부분과 같은 국부적인 변형 집중 영역에 큰 격자 길이의 스트레인 게이지를 선택할 경우 측정값이 '평균화'되어 실제 변형률을 반영하지 못하게 됩니다. 대책: 변형률 기울기가 큰 지역에는 2mm 이하의 격자 길이를, 변형률이 균일한 지역에는 5~10mm의 격자 길이를 선택하세요.
• 오류 3: 온도 보상과 부품 재질 간의 적합성 무시 — 알루미늄 부품에 강철용 보상 스트레인 게이지를 사용하면 열팽창 계수의 차이로 인해 심각한 온도 오차가 발생합니다. 대책: 부품 재질(강철, 알루미늄, 구리 등)에 맞는 해당 보상 유형의 자기보상형 스트레인 게이지를 선택하세요.
• 오류 4: 환경 적응성 파라미터를 제대로 고려하지 않고 대충 사용하는 경우 — 습한 환경에서 봉제 처리 없이 일반 종이 기판 스트레인 게이지를 사용하면 수분 흡수로 인해 기판이 단기간 내에 손상될 수 있습니다. 대책: 사용 환경 등급(습기/부식/고온)에 맞는 적절한 기판 소재를 선택하고, 필요 시 방수 밀봉 코팅을 추가하십시오.

단계 4: 실용적 선정 시 추가 참고 사항

• 브리지 호환성: 여러 개의 게이지가 풀 브리지/하프 브리지 회로를 구성할 때, 각 스트레인 게이지의 저항값, 게이지 팩터 및 온도 특성이 일치하도록 해야 합니다. 브리지 오차를 줄이기 위해 동일 배치 제품을 선택하는 것이 권장됩니다.
• 교정 요구사항: 무게 측정기(로드셀) 또는 정밀 측정과 같은 거래 정산 목적으로 사용되는 스트레인 게이지의 경우, 계량 인증을 획득한 추적 가능한 브랜드 제품을 선택하여 이후 시스템 교정이 용이하도록 해야 합니다.
• 설치 공정의 매칭: 곡면 부품의 경우, 스트레인 게이지의 굽힘 성능을 사전에 확인하십시오 (굽힘 가능 곡률 반경 ≤ 부품의 곡률 반경). 용접 가능한 스트레인 게이지의 경우, 해당 용접 장비 및 공정과 일치시켜야 합니다.
• 공급업체 지원: 기술 지원을 제공하는 공급업체를 우선적으로 선택하십시오. 부품 재질, 하중 조건 및 환경 파라미터를 공급업체에 알려 정확한 선택 권장 사항을 받아 독자적인 선택의 비효율성을 피해야 합니다.

요약: 저항식 스트레인 게이지 선정의 핵심 로직

저항식 스트레인 게이지 선택의 핵심은 '요구사항 분해 → 파라미터 매칭 → 시나리오 검증'이라는 폐쇄 루프이다. 먼저 '스트레인 범위, 정확도, 환경, 설치'라는 네 가지 핵심 요구사항을 분해하고, 이후 감지격자, 기재, 온도 보상 등의 주요 파라미터를 대상에 맞게 매칭한 다음, 마지막으로 시나리오 예시와 오류 방지를 통해 선택의 타당성을 검증한다.

선택에 대해 여전히 확신이 서지 않는다면 다음 정보를 공급업체에 제공할 수 있다: ① 부품 재질 및 하중 유형(단축/양방향); ② 최대 스트레인 값 및 정확도 요구사항; ③ 작동 온도 및 매체 환경; ④ 설치 공간과 방법. 이를 통해 공급업체는 적합한 모델을 신속하게 선정할 수 있다.