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스트레인 게이지 브리지 계산기

스트레인 게이지의 휘트스톤 브리지 출력 전압을 계산합니다.구조 모니터링 및 로드셀 설계를 위한 쿼터, 하프 및 풀 브리지 구성을 지원합니다.

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공식

V_{out} = V_{in} \cdot \frac{GF \cdot \varepsilon}{4} \cdot N

V_out— 브리지 출력 전압 (V)

V_in— 자극 전압 (V)

GF— 게이지 팩터

ε— 적용 스트레인 (m/m) (m/m)

N— 활성 암 수 (1, 2 또는 4)

작동 방식

이 계산기는 적용된 변형률로부터 스트레인 게이지 브리지 출력 전압을 계산합니다. 이는 응력 해석 및 하중 측정을 수행하는 구조 엔지니어, 테스트 기술자 및 항공 우주 설계자에게 필수적입니다.스트레인 게이지는 게이지 인자 (dR/R = GF epsilon) 를 통해 기계적 변형을 저항 변화로 변환합니다. 여기서 GF (게이지 계수) 는 일반적으로 금속 호일 게이지의 경우 2.0-2.2, 반도체 게이지의 경우 제조업체 Vishay 및 HBM의 경우 100-200입니다.휘트스톤 브리지는 이 미세한 저항 변화 (0.01-0.1%) 를 측정 가능한 전압으로 변환합니다. Vout = Vex GF 엡실론 N/4, 여기서 N은 활성 게이지의 수 (1, 2 또는 4) 입니다.2.1 GF 및 1000 마이크로스트레인을 사용하는 쿼터 브리지 (N=1) 는 Vout = 5V 2.1 0.001/4 = 2.625mV를 생성합니다.풀 브리지 (N=4) 는 감도를 10.5mV로 4배 증가시키고 ASTM E251에 따라 자동 온도 보상 기능을 제공합니다.5000 마이크로스트레인 미만의 균주의 경우 브리지 비선형성은 0.1% 미만입니다.산업용 로드 셀은 OIML R60 요구 사항에 맞는 350옴 포일 게이지를 사용하여 +/ -0.02% 의 정확도를 달성합니다.

계산 예제

문제: 항공기 날개 스파의 0-2000 마이크로스트레인을 측정하는 풀 브리지 스트레인 게이지 회로를 설계하십시오.게이지는 비셰이 EA-06-125AD-120 (GF = 2.095, 120옴) 입니다.자극은 5V입니다.3.3V ADC에 필요한 출력 전압과 필요한 증폭기 게인을 결정합니다.

해결 방법: 1.풀 브리지 구성: N = 액티브 게이지 4개 2.최대 스트레인: 엡실론 = 2000 마이크로스트레인 = 0.002 3.출력 전압: 볼트 = 벡스 GF 엡실론 N/4 = 5 2.095 0.002 1 = 20.95 mV 4.감도: 20.95mV/2000 마이크로스트레인 = 10.48 UV/마이크로스트레인 5.필요한 앰프 게인: G = 3300mV/20.95mV = 157.5V/V 6.Rg = 50k/ (G-1) = 50k/156.5 = 319옴 (316옴, 0.1% 사용) 인 INA128 사용 7.12비트 ADC를 사용한 해상도: 3300mV/4096/157.5 = 5.1 uV = 0.49 마이크로스트레인/LSB

결과: 풀 브리지는 2000 마이크로스트레인에서 20.95mV를 출력합니다.게인이 157.5인 경우 ADC 분해능은 카운트당 0.5 마이크로스트레인입니다.

실용적인 팁

✓구조 테스트의 경우 350옴 게이지를 사용하여 적절한 신호 레벨을 유지하면서 자체 발열 (5V 자극 시 0.7mW) 을 최소화합니다. 120옴 게이지는 52mW를 소산시켜 ASTM E251에 따른 열 드리프트를 유발합니다.
✓Vishay 설치 게시판에 따라 실온의 경우 M-Bond 200 (시아노아크릴레이트) 또는 -269 ~ +260C 범위의 경우 M-Bond 610 (에폭시) 이 포함된 게이지를 적용하십시오. B-127
✓4선 차폐 케이블을 사용하여 리드 저항 오류를 제거하십시오. 10m의 24AWG에서는 1.7ohm이 추가되어 감지 리드가 없는 120Ohm 쿼터 브리지에서 1.4% 게인 오류가 발생합니다.

흔한 실수

✗온도 보상 무시: 게이지 및 리드선 TCR로 인해 보정되지 않은 쿼터 브리지 출력이 10-50uV/c 편차가 발생합니다. Vishay Tech Note TN-504 기준 표본 소재에 맞는 자체 온도 보정 (STC) 게이지를 사용하십시오.
✗잘못된 게이지 계수 사용: GF는 금속 포일의 경우 2.0 (상수) 에서 3.2 (등탄성) 까지, 반도체 게이지의 경우 100-175까지 다양합니다. 10% GF 오차는 10% 스트레인 측정 오류를 직접 유발합니다.
✗브리지 자극 안정성 무시: 0.1% 공급 변동으로 인해 0.1% 출력 오류 발생 (1000 마이크로스트레인에서 1 마이크로스트레인). 정밀 전압 레퍼런스 (REF5050, +/ -0.05%) 또는 비율 측정 ADC 측정 사용

자주 묻는 질문

게이지 팩터란 무엇이며 왜 중요할까요?

게이지 팩터 (GF) 는 변형률에 대한 상대 저항 변화의 비율입니다. GF = (dR/R) /엡실론입니다.금속 호일 게이지의 GF = 2.0-2.2 (기하학적 변화가 지배적) 인 반면 반도체 게이지의 GF = 100-200 (압저항 효과) 입니다.GF가 높을수록 마이크로스트레인당 출력 전압이 높아지지만 반도체 게이지는 온도에 더 민감합니다 (포일의 경우 +/ -10% /50C vs +/ -1% /50C).정밀 측정의 경우 ASTM E251에 따라 제조업체 교정당 GF 불확도가 +/ -0.5% 미만인 포일 게이지를 사용하는 것이 좋습니다.

저항을 직접 측정하는 대신 휘트스톤 브리지를 사용하는 이유는 무엇일까요?

GF=2.1인 1000 마이크로스트레인에서는 저항이 0.21% 에 불과합니다 (120옴 게이지에서 0.252옴).저항계를 직접 측정하면 온도 편차와 리드 저항에 대한 이 문제를 해결할 수 없습니다.휘트스톤 브리지는 0.21% 의 저항 변화를 2.625mV 차동 출력으로 변환하며, 이는 쉽게 증폭됩니다.또한 브리지 구성은 더미 게이지가 동일한 온도를 경험하지만 변형은 없을 때 자동으로 온도를 보상하여 VDI/VDE 2635에 따른 공통 모드 열 드리프트를 제거합니다.