스트레인 게이지의 출력을 증폭하는 방법은 무엇입니까?

스트레인 게이지는 항공우주, 자동차, 토목공학, 재료 테스트에 이르기까지 광범위한 산업에서 사용되는 필수 센서입니다. 이 장치는 전기 저항의 변화를 감지하여 기계적 변형을 측정하고 모니터링 및 제어 시스템에 귀중한 데이터를 제공합니다. 그러나 스트레인 게이지의 출력 신호는 매우 작은 경우가 많으므로 실제 응용 분야에서 유용하게 사용하려면 증폭이 필요합니다. 이 블로그 게시물에서는 스트레인 게이지 공급업체로서의 경험을 바탕으로 스트레인 게이지의 출력을 증폭시키는 몇 가지 효과적인 방법을 공유하겠습니다.

스트레인 게이지 출력의 기본 이해

증폭 기술을 살펴보기 전에 스트레인 게이지 출력의 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 스트레인 게이지에는 일반적으로 적용된 스트레인에 비례하여 변화하는 저항이 있습니다. 저항의 변화는 일반적으로 매우 작으며 종종 몇 옴 이하 정도입니다. 저항의 이러한 작은 변화는 스트레인 게이지가 회로의 일부일 때 그에 따라 전압의 작은 변화를 가져옵니다.

스트레인 게이지의 출력 전압은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
어디:

• (\Delta V)는 출력 전압의 변화입니다.
• (V_{exc})는 스트레인 게이지 브리지에 적용되는 여기 전압입니다.
• (G)는 스트레인 게이지의 게이지 인자입니다.
• (\epsilon)은 적용된 변형률입니다.

공식에서 볼 수 있듯이 출력 전압은 여기 전압, 게이지 계수 및 적용된 변형률에 정비례합니다. 그러나 상대적으로 높은 여기 전압과 큰 게이지 팩터에도 불구하고 출력 전압은 특히 작은 변형의 경우 여전히 매우 작을 수 있습니다.

증폭을 위한 브리지 구성

스트레인 게이지의 출력을 높이는 가장 일반적인 방법 중 하나는 브리지 구성을 사용하는 것입니다. 휘트스톤 브리지는 스트레인 게이지 애플리케이션에 가장 널리 사용되는 브리지 회로입니다. 이는 4개의 저항 요소로 구성되며, 스트레인 게이지는 이러한 요소 중 하나 이상입니다.

쿼터 브리지 구성

쿼터 브리지 구성에서는 휘트스톤 브리지에 있는 4개의 저항 중 하나만 스트레인 게이지입니다. 나머지 세 개의 저항은 고정 저항입니다. 이 구성은 간단하고 비용 효율적이지만 다른 브리지 구성에 비해 출력이 가장 낮습니다.

하프 브리지 구성

하프 브리지 구성은 두 개의 스트레인 게이지를 사용합니다. 이는 애플리케이션에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있습니다. 예를 들어, 하나의 스트레인 게이지는 스트레인을 측정하는 데 사용하고 다른 하나는 온도 보상 게이지로 사용할 수 있습니다. 하프 브리지 구성은 쿼터 브리지 구성보다 더 높은 출력을 제공합니다.

풀 브리지 스트레인 게이지

풀 브리지 구성은 4개의 스트레인 게이지를 사용합니다. 이 구성은 가장 높은 출력을 제공하고 변형에 가장 민감합니다. 또한 최고의 온도 보상을 제공합니다. 풀 브리지 구성에서는 휘트스톤 브리지에 있는 4개의 저항이 모두 스트레인 게이지입니다. 이를 통해 변형으로 인한 저항 변화를 최대한 활용할 수 있으며 쿼터 및 하프 브리지 구성에 비해 출력 전압이 훨씬 더 커집니다.

신호 컨디셔닝 증폭기

스트레인 게이지가 브리지 회로에 구성되면 다음 단계는 출력 신호를 증폭하는 것입니다. 신호 컨디셔닝 증폭기는 스트레인 게이지 및 기타 센서의 작은 출력 신호를 증폭하도록 특별히 설계되었습니다. 이러한 증폭기는 일반적으로 스트레인 게이지 브리지에 대한 로딩 효과를 최소화하기 위해 높은 입력 임피던스를 가지며, 정확한 신호 증폭을 보장하기 위해 낮은 잡음을 갖습니다.

계측 증폭기

계측 증폭기는 스트레인 게이지 신호 증폭에 널리 사용되는 선택입니다. 이 제품은 높은 이득, 높은 CMRR(공통 모드 제거비) 및 낮은 오프셋 전압을 제공하도록 설계되었습니다. 높은 CMRR은 입력 신호에 존재할 수 있는 공통 모드 노이즈를 제거하는 데 도움이 되므로 스트레인 게이지 애플리케이션에서 특히 중요합니다.

연산 증폭기

연산 증폭기(op-amp)를 사용하여 스트레인 게이지 신호를 증폭할 수도 있습니다. 연산 증폭기는 보다 범용적인 증폭기이지만 원하는 증폭을 달성하기 위해 다양한 방식으로 구성할 수 있습니다. 그러나 계측 증폭기에 비해 연산 증폭기는 CMRR이 낮고 오프셋 전압이 높을 수 있으며 이는 증폭된 신호의 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.

여기 전압 최적화

스트레인 게이지 브리지에 적용되는 여기 전압도 출력 전압을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 앞서 언급한 공식에 따라 여기 전압을 높이면 스트레인 게이지의 출력 전압이 직접적으로 증가할 수 있습니다. 그러나 여기 전압을 높이는 데는 몇 가지 제한 사항이 있습니다.

전력 소비

주요 제한 사항 중 하나는 전력 소비입니다. 여기 전압이 증가하면 스트레인 게이지에서 소비되는 전력도 증가합니다. 이로 인해 스트레인 게이지가 과열되어 정확성과 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 스트레인 게이지의 전력 정격 내에 있는 여기 전압을 선택하는 것이 중요합니다.

소음 및 간섭

또 다른 고려 사항은 소음과 간섭입니다. 여기 전압이 높을수록 스트레인 게이지가 전기 소음 및 간섭에 대한 민감도가 높아질 수도 있습니다. 이로 인해 신호 대 잡음비(SNR)가 저하되어 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 높은 여기 전압에 대한 요구와 잡음 및 간섭을 최소화해야 하는 요구 사이의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.

온도 보상

온도 변화는 스트레인 게이지의 출력에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 온도가 변하면 변형이 가해지지 않은 경우에도 스트레인 게이지의 저항이 변할 수 있습니다. 이로 인해 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 따라서 온도 보상은 스트레인 게이지 증폭의 중요한 측면입니다.

활성 온도 보상

능동 온도 보상에는 추가 센서나 회로를 사용하여 온도를 측정하고 이에 따라 스트레인 게이지의 출력을 조정하는 작업이 포함됩니다. 예를 들어 서미스터를 사용하여 온도를 측정할 수 있으며 스트레인 게이지의 출력은 온도 판독값을 기반으로 조정될 수 있습니다.

패시브 온도 보상

패시브 온도 보상은 브리지 구성을 사용하여 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 하프 브리지 또는 풀 브리지 구성에서는 하나 이상의 스트레인 게이지를 온도 보상 게이지로 사용할 수 있습니다. 이러한 게이지는 측정 스트레인 게이지와 동일한 온도 변화의 영향을 받지만 적용된 스트레인의 영향을 받지 않도록 배치됩니다. 이는 측정 스트레인 게이지에서 온도로 인한 저항 변화를 상쇄하는 데 도움이 됩니다.

신호 필터링

증폭 외에도 스트레인 게이지 출력의 품질을 향상시키기 위해서는 신호 필터링도 중요합니다. 전자기 간섭(EMI), 전원 공급 장치 소음, 기계적 진동 등 다양한 소스로부터 소음과 간섭이 신호에 유입될 수 있습니다.

로우패스 필터

저역 통과 필터는 일반적으로 스트레인 게이지 신호에서 고주파 노이즈를 제거하는 데 사용됩니다. 이러한 필터를 사용하면 저주파 신호(스트레인 유발 신호 포함)가 통과하면서 고주파 노이즈가 감쇠됩니다.

하이패스 필터

고역 통과 필터를 사용하여 DC 오프셋 및 느린 드리프트와 같은 저주파 잡음을 제거할 수 있습니다. 이 필터를 사용하면 저주파 신호를 감쇠하면서 고주파 신호를 통과시킬 수 있습니다.

결론

스트레인 게이지의 출력을 증폭시키는 것은 많은 응용 분야에서 중요한 단계입니다. 적절한 브리지 구성, 신호 컨디셔닝 증폭기를 사용하고 여기 전압을 최적화하고 온도 보상을 구현하고 신호 필터링을 적용하면 스트레인 게이지의 출력을 크게 높이고 측정 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

스트레인 게이지 공급업체로서 저는 고품질 스트레인 게이지 제공의 중요성과 증폭 및 신호 컨디셔닝에 필요한 지원을 이해하고 있습니다. 스트레인 게이지를 찾고 있거나 출력을 증폭하는 방법에 대한 조언이 필요한 경우 저에게 연락하여 자세한 논의를 받으시기 바랍니다. 우리는 함께 협력하여 귀하의 특정 응용 분야에 가장 적합한 솔루션을 찾을 수 있습니다.

참고자료

• Doebelin, EO (2003). 측정 시스템: 응용 및 설계. 맥그로힐.
• 키슬러 그룹. (2021). 스트레인 게이지 기술. [웹사이트 URL]에서 검색됨
• 오메가엔지니어링. (2021). 스트레인 게이지 핸드북. [웹사이트 URL]에서 검색됨