트랜스듀서를 만들 때 스트레인 게이지를 선택하려면 기술적 요구사항, 사용 환경, 적용 목적을 종합적으로 고려해야 합니다. 아래는 단계별로 정리한 방법입니다.
1. 적용 요구사항
- 측정 종류
정적인 힘인지, 동적인 힘인지, 압력, 토크, 가속도 등 무엇을 측정할 것인지 결정합니다. - 민감도 요구
아주 작은 변형을 측정해야 하면 고감도(반도체 게이지)를 사용하고, 일반적인 범위에서는 와이어/포일 게이지가 적합합니다. - 주파수 응답
진동처럼 빠르게 변하는 신호를 측정할 경우, 고주파 응답이 가능한 게이지가 필요합니다. - 피로 수명
반복 하중이 있는 경우에는 피로에 강한 재질(콘스탄탄, 카르마 합금 등)을 사용합니다.
2. 스트레인 게이지 종류
- 포일 게이지
가장 많이 사용됨. 내구성이 좋고 설치가 쉬우며, 정적 또는 저주파 측정에 적합합니다. - 와이어 게이지
고온 환경에서 사용 가능하지만 깨지기 쉬워 거친 환경에 사용됩니다. - 반도체(피에조저항식) 게이지
매우 민감하고 작지만, 온도 변화에 약하고 노이즈에 민감합니다.
3. 재질 특성
- 게이지 팩터(GF)
변형 대비 저항 변화 비율입니다. 값이 높을수록 민감도가 높습니다.
(금속: 약 2~5, 반도체: 100 이상) - 온도 계수
측정 대상 재질과 열팽창 특성이 맞는 게이지를 선택해야 합니다.
(온도 보상형 게이지 사용 권장) - 인가 전압
보통 DC 5~10V를 사용하며, 전압이 높을수록 신호는 좋아지지만 발열에 주의해야 합니다.
4. 환경 조건
- 온도
온도 보상형 게이지나 휘트스톤 브리지를 사용합니다. - 습기 / 화학물질
에폭시나 폴리이미드 코팅 등 보호 코팅이 필요합니다. - 진동 / 충격
접착력이 강한 포일 게이지를 사용하는 것이 좋습니다.
5. 브리지 구성 방식
- 쿼터 브리지
구조는 단순하지만 감도가 낮고 외부 저항이 필요합니다. - 하프 브리지
2개의 게이지를 사용하여 온도 보상이 더 좋습니다. - 풀 브리지
감도와 안정성이 가장 뛰어나며, 로드셀에 가장 많이 사용됩니다.
6. 크기와 설치
- 게이지 크기
변형이 발생하는 영역에 맞춰 길이와 폭을 선택합니다.
(예: 좁은 공간 → 1mm 게이지) - 접착제
고온 경화형 접착제(M-Bond 610 등)를 사용합니다.
표면 세척과 연마가 매우 중요합니다.
7. 신호 처리
- 증폭
공통 모드 제거비(CMRR)가 높은 계측 증폭기를 사용합니다. - 노이즈 필터링
저역통과 필터로 고주파 노이즈를 제거합니다. - 교정
정확도를 유지하기 위해 정기적인 교정이 필요합니다.
8. 비용과 수급
성능과 예산의 균형이 중요합니다.
포일 게이지는 대부분의 용도에서 경제적이며, 반도체 게이지는 고감도가 필요한 특수 용도에 적합합니다.
9. 제조사 및 규격
- 주요 제조사: HBM, Vishay, Top Sensor 등
- 규격: ISO / IEC 등 관련 산업 표준 준수 여부 확인
예시 선택 절차
- 측정할 물리량 정의 (예: 축의 토크)
- 예상 변형률 계산 (ε = ΔL / L)
- 게이지 종류 선택 (정적 → 포일, 동적 → 반도체)
- 온도 보상 방식 결정
- 휘트스톤 브리지 설계 (로드셀 → 풀 브리지)
- 실제 조건에서 테스트 및 교정