단점으로는 저항 온도 계수가 크고, 변형의 폭이 좁으며, 작은 반경의 곡면에 접착시키기가 곤란하다. 반도체형 스트레인 게이지는 용도에 따라 두 가지로 분류한다.
① 측정하려는 장소에 게이지를 부착시켜 그 장소의 외력에 의해 발생하는 변위를 측정, 그것에 가해진 응력, 변형 등을 알기 위한 수단으로 사용되는 것. 예를 들어 중량의 구조물, 기계 등의 응력 또는 강도를 측정, 안정성 및 경제성을 고려한 설계 시
② 기지의 정해진 차수 재료에 부착시켜 힘, 하중, 압력, 가속도, 변위 등의 물리량을 측정하는 검출단으로서 응용
스트레인 게이지 종류별 특성
| 검출소자 | Type | 측정범위 (kg/㎠) |
정도 (% fo FS) |
온도 사용한도 (℃) |
주파수 (Hz) |
| 부르돈관 및 벨로우즈 | 접착형 | 0 ~ 0.7 0 ~ 3500 |
± 0.25 | 120 | 300 2000 |
| 벨로우즈 및 다이아프램 | 비접착형 | 0 ~ 0.003 0 ~ 700 |
± 0.5 | -50 ~ 120 | 270 1000 |
| 벨로우즈 및 빔 경사도 | 접착형 | 0 ~ 0.7 0 ~ 175 |
± 0.25 | - | - |
| Ring type | 접착형 | 0 ~ 1.75 0 ~ 700 |
± 1.0 | -45 ~ 95 | 1500 |
| 다이아프램 | 접착형 | -1 ~ 7 -1 ~ 700 |
± 1.0 | -180 ~ 3300 | 45000 |
정전 용량형 압력 센서 : 정전 용량형 압력 센서는 정압이나 동압 측정에 널리 쓰이며, 크게 두 가지 형식이 있다. 평판 용량형에 의한 압력 검출은 주로 다이아프램이 이용되며 이는 또한 캐피 시티의 한쪽 전극으로도 사용된다. 다이아프램이 압력을 받으면, 이에 상응하는 위치의 변화가 일어나며, 이로 인해 전기용량의 변화가 생기게 된다. 변환기 자체의 가격은 싸며, 만들기 쉽고 유지가 편리한 장점이 있지만 이의 출력 값을 받아 전기적인 신호로 바꾸어 주는 신호 변환기는 비교적 고가이다. 용량형 변환기로 측정 가능한 변위는 2.5x1-6 cm이다. 평판 캐피 시티는 쌍곡선으로 나타난다. 그러나 평판 사이의 간격보다 사용 변위를 작게 하고 적당한 두께의 유전체를 삽입하면 거의 직선에 가까운 식을 얻을 수 있다. 또한 유전체의 삽입은 유전상수를 변화시킴으로 변환기 감도를 증가시킬 수 있다. 실제 운모의 경우는 공기보다 7배 큰 유전상수를 가지고 있다. 두 평판 사이의 전기용량은 다음 식으로 주어진다. C = 0.0885 ε A/L ε : 유전체의 유전율, A : 평판의 면적(㎠), L : 두 평판(전극) 사이의 거리 (cm)
정전 용량형 압력 센서를 사용한 예는 현장에서 압력 또는 유량 검출을 위한 차압 측정용으로 많이 사용되는 측정 소자로 2개의 양측 금속 다이아프램이 본체 중심부를 관통한 연결 축에 연결되어 있고, 그 연결축 중앙부에는 원판상의 금속판인 가동 전국이 있으며, 이 가동 전극 양쪽에는 세라믹 소재의 고정 전극이 있어 양 전극 사이의 정전 용량을 발생하고 있다. 압력이 다이아프램에 가해지면 양측 압력차에 의해서 이동 전극이 좌로 이동, 양측 고정 전극의 좌측 용량은 증가, 우측은 감소됨으로써 이것을 측정하면 차압 또는 압력이 구해지는 것이다.
① 축력 비 △C/C가 큰 것으로써 감압 다이아프램과 고정 전극의 간격은 0.15 mm, 전극 용량은 120 pF 정도이다.
② 측정범위가 진공압으로부터 500 kg/㎠ 정도로 광범위하고, 사용 차압 범위 내에서 다이아프램 변위는 0.1 ~ 0.02 mm 정도이다.
③ 캡슐(Capsule) 내부의 고정 전극, 가변 전극은 평판 구조이므로 비 직선성 요소가 없고, 따라서 직선화 보정이 필요 없다.
④ 고신뢰성, 고내구성을 갖고 있으며, 다이아프램 중심부는 온도 보상을 한 설계로 온도 변화에 의한 제로(zero)점 이동을 방지한다.
⑤ 방폭 구조는 일반용, 본질 방폭용, 내압 방폭용이 있다.
압전식 압력 센서. 압전 효과 개요 : 수정 및 롯셀염 등의 결정체는 특정한 방향으로 압력을 받게 되는 자체 내에 전압이 유기되는 성질을 갖고 있으며, 이와 같이 전압이 유기되는 현상을 압전 효과라고 한다. 이런 현상의 역상태로 결정체에 전압을 가하면 결정이 신축하며 기계적인 변형을 일으키는데 이는 압전 효과의 반대 현상으로 역 압전이라 하고 일반적으로 두 가지 효과를 총칭해서 압전 효과라고 한다. 압전형 압력 센서는 이러한 압전 효과를 이용하여 입력 압력에 대응된 전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 것으로, 압전체들은 외부의 여기 전원 없이 사용되기도 하나, 이 경우에는 출력 신호가 작기 때문에 증폭이 필수적이며 대부분 경우에는 외부 전원과 연결하거나 또는 병렬로 압전체를 여러 개 연결하여 이용하고 있다. 측정 매질에 따라 결정되는 일정한 주파수에서 압전체들을 동작시켜 압력을 측정할 수 있는 출력은 발생 저하인 Q인자에 따라 달라진다. Q인자는 결정체에 평균적으로 저장되는 에너지의 사이클 당 발산되는 에너지의 비로써 정의되며, 이 값은 결정체의 종류 및 부하 조건에 따라 변한다. 따라서 높은 강도를 갖기 위해서는 내부 마찰에 의한 에너지 손실이 가장 작은 결정체를 사용하는 것이 필요하다. 실험치에 의하면 수정은 고주파용으로 적합하며 적당한 처리를 하면 진공에서 Q값이 500,000 정도가 된다.
압전형 압력 센서의 응용 : 수정 및 압력 세라믹에 전극을 부착하고 기계적인 압력을 가해서 변형을 일으키면 결정의 표면에 전하가 발생하는 것이 압전효과이고, 역으로 결정체에 전하를 주면 결정이 신축해서 기계적인 변형을 일으키는 것이 역 압전 효과이고, 또한 역 압전 효과와 유사하면서 가해진 전계의 2승에 비례하는 2차의 효과로서, 변형이 강유전체에서 발생하는 현상을 전해 효과(electrostrictive effect)라고 한다. 실측 시 종래의 계측 방법으로는 전극 간의 발생 전하를 정확히 측정하기 위해서는 압전체와 임피던스 매칭에 따라 입력 임피던스가 높은 증폭기를 사용해야 했고, 이에 따라 완만한 변동 압력 측정은 곤란한 문제가 있어 이를 개선하는 방법으로 발진자로부터 교번 전압을 압전 세라믹 소자에 가하면 소자는 그 전압의 극성에 따라서 신축 운동을 반복한다. 이때 가해진 교번 전압의 주파수는 물체가 갖고 있는 거유 진동수에 일치하면, 소자는 공진함으로 소자에 흐르는 전류는 급격히 최대를 이루는 것이다. 즉, 외부 영향인 힘, 압력에 따라서 가장 민감한 반응을 일으키는 상태에 이르게 되고, 외부로부터 소자를 신장 및 압축시키는 방향의 압력을 가해 그 크기에 비례하여 출력 전압이 증감하므로 이것을 이용하여 특정 압력을 구하게 되는 것이다. 응용되는 것으로서 압력 변환기와 디지털 압력 측정 센서가 있다. 압력 변환기는 압전 소자 크기가 측정 압력과 비례되면 출력 전압 또한 커짐을 알 수 있다. 압력센서의 중추는 복합 음차 진동차로서 압력 접속구를 통해 압력이 가해지면, 복합 음차 진동차가 일정한 상태로 진동하고 있는 상태에서 내부의 다이아프램 유효 면적과 작용 힘이 축방향으로 발생, 진동수가 변화하게 된다.
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