Strain Gauge란? 변형과 저항 변화 원리

Strain Gauge란 물체가 늘어나거나 압축될 때 발생하는 미세한 변형을 전기저항의 변화로 측정하는 센서입니다. Gauge Factor와 Wheatstone Bridge를 이용한 측정 원리를 알아봅니다.

Strain Gauge란 무엇이며 무엇을 측정할까?

Strain Gauge는 물체에 힘이 가해졌을 때 발생하는 미세한 변형(Strain)을 전기저항의 변화로 검출하는 센서입니다. 한국어로는 스트레인 게이지 또는 변형률 게이지라고 하며 Load Cell, Torque Sensor, Pressure Sensor와 같은 다양한 힘·하중 계측장치의 핵심 검출소자로 사용됩니다. 여기서 Strain은 물체가 원래 길이에 비해 얼마나 늘어나거나 줄어들었는지를 나타내는 무차원 비율입니다. 예를 들어 금속구조물에 인장력이 작용하면 길이가 조금 증가하고 압축력이 작용하면 길이가 감소합니다. 이러한 변형은 육안으로 확인하기 어려울 정도로 작을 수 있기 때문에 Strain Gauge를 구조물 표면에 부착하여 전기적인 변화로 측정합니다. 일반적인 Metal Foil Strain Gauge는 얇은 금속저항체를 Grid Pattern으로 구성하고 절연 Backing 위에 형성한 구조입니다. 측정대상과 Gauge가 단단하게 접착되어 있으면 대상의 변형이 Gauge에 전달되고 그에 따라 저항값이 달라집니다.

변형되면 왜 전기저항이 달라질까?

전기저항은 도체의 비저항(Resistivity), 길이와 단면적에 영향을 받으며 기본적으로 R=ρL/A의 관계로 설명할 수 있습니다. 여기서 R은 저항, ρ는 비저항, L은 도체의 길이, A는 단면적입니다. Strain Gauge가 인장되어 길어지면 일반적으로 길이 L은 증가하고 단면적 A는 감소하는 방향으로 변하기 때문에 저항값이 증가합니다. 반대로 Gauge가 압축되면 길이는 감소하고 단면적은 증가하는 방향으로 변하면서 저항값이 감소할 수 있습니다. 실제 저항변화에는 재료의 비저항 변화도 영향을 미치므로 단순한 형상변화만으로 모든 특성을 설명할 수는 없습니다. Strain Gauge의 민감도는 Gauge Factor(GF)로 표현하며 상대적인 저항변화 ΔR/R과 변형률 ε의 관계를 나타냅니다. 일반적인 금속 Foil Gauge의 Gauge Factor는 대략 2 부근인 경우가 많지만 정확한 값은 제품과 재료에 따라 다르므로 제조사의 사양을 사용해야 합니다.

Wheatstone Bridge는 작은 저항변화를 어떻게 측정할까?

Strain Gauge에서 발생하는 저항변화는 매우 작기 때문에 일반적인 저항계로 단순 측정하는 것만으로는 정밀한 변형을 검출하기 어렵습니다. 그래서 산업용 계측에서는 Wheatstone Bridge Circuit을 널리 사용합니다. Bridge는 여러 개의 저항을 조합하고 Excitation Voltage를 공급한 뒤 두 중간지점 사이의 Differential Voltage를 측정하는 구조입니다. 변형이 없는 상태에서 Bridge가 균형을 이루면 출력전압은 매우 작지만 Strain Gauge의 저항이 변하면 균형이 깨지면서 변형량에 대응하는 전압차가 발생합니다. 하나의 Gauge를 사용하는 Quarter Bridge, 두 개를 사용하는 Half Bridge, 네 개의 Active Gauge를 사용하는 Full Bridge 등이 있습니다. Full Bridge는 구조에 따라 인장과 압축에 의한 저항변화를 효과적으로 결합하여 Sensitivity를 높이고 온도에 의한 공통적인 저항변화를 보상하는 데 유리할 수 있습니다. 출력신호는 보통 매우 작기 때문에 Instrumentation Amplifier로 증폭한 뒤 A/D Converter에서 Digital Data로 변환합니다.

Strain Gauge는 어디에 활용될까?

Strain Gauge의 대표적인 응용장치가 Load Cell입니다. Elastic Element의 적절한 위치에 여러 개의 Gauge를 부착하면 하중에 따른 변형을 측정하고 이를 힘이나 무게로 환산할 수 있습니다. Torque Sensor에서는 회전축 표면에 Gauge를 특정 각도로 배치하여 비틀림으로 발생하는 Shear Strain을 검출하고 Torque를 계산합니다. Pressure Transducer에서도 압력으로 Diaphragm이 변형되는 정도를 Gauge로 측정하는 구조를 사용할 수 있습니다. 이외에도 교량, 건축물, Crane, 항공기 구조물, 자동차 부품과 기계 Frame 등의 Stress Analysis와 Structural Testing에 활용됩니다. 다만 Strain Gauge가 직접 측정하는 것은 응력(Stress)이나 힘 자체가 아니라 설치된 위치의 변형률입니다. 힘과 응력을 계산하려면 구조물의 형상과 재료특성, 탄성계수 등의 추가정보가 필요합니다. 따라서 Gauge의 부착위치와 방향은 측정목적에 따라 결정해야 하며 원하는 변형방향과 Gauge Grid의 측정축을 정확하게 정렬하는 것이 중요합니다.

정확한 측정을 위해 무엇을 확인해야 할까?

Strain Gauge 측정에서는 Gauge 자체의 성능뿐 아니라 설치상태가 측정정확도에 큰 영향을 줍니다. 측정표면의 녹과 오염을 제거하고 적절하게 처리한 뒤 전용 Adhesive를 사용하여 Gauge와 구조물 사이에 변형이 정확하게 전달되도록 부착해야 합니다. 접착상태가 불량하면 실제 구조물의 Strain과 Gauge의 변형이 달라져 오차가 발생할 수 있습니다. 온도가 변하면 Gauge의 저항과 측정대상의 열팽창이 함께 변하므로 Temperature Compensation도 중요합니다. 장거리 배선에서는 Lead Wire Resistance가 영향을 줄 수 있어 3-wire Quarter Bridge 등의 보상방법을 사용하기도 합니다. 또한 미세한 mV 수준의 신호를 다루기 때문에 Shielding, Grounding, Cable Routing과 전기적 Noise 관리도 필요합니다. 측정 전에 Zero Balance와 Calibration 상태를 확인하고 예상되는 최대 Strain이 Gauge와 구조물의 허용범위를 넘지 않는지도 검토해야 합니다. 결국 Strain Gauge는 미세한 기계적 변형을 저항변화로 바꾸어 힘·하중·토크·압력 등을 정밀하게 계측할 수 있게 하는 핵심 센서소자입니다.