Lecture 7 4장: Motion and Dimensional Measurement

Lecture 74장: Motion and Dimensional Measurement Jeong Wan Lee 계측기기론

학습 내용 • Fundamental of Standard • Relative Displacement, Rotational and Transnational (I) • Calibration • Resistive Potentiometer • Strain Gages

Fundamental of Standards • 4개의 기본 양 • length(L), time(t), mass(M), temperature(T) • Motion Measurement  length, time • Length Standard • Before 1960: 1m = platinum-iridium bar at France • In 1960: 1m = (1,650,763.73)*(l of Kr86) in vacuum • In 1983: 1m = (light speed in vacuum)*(1/299,792,458sec) • Time Standard • Until 1956: 1sec = (1 tropical year) * (1/31,566,925.9747) • In 1964: 1sec = (Atomic resonant frequency of Cs133) • *(9,192,631,770 cycles)

Relative Displacement, Transnational and Rotational • 한점에서 다른점까지의 상대적 변위의 측정 • Calibration • dial indicator나 micrometer에 의한 calibration: 0.0001 in 혹은 0.01mm 까지 가능 • Gage Block Calibration • master grade: 2m in • reference grade: 4m in • working grade: 8m in • Circular Division Tester Calibration (Rotational) • 20 seconds of arc (microscope) • 2 seconds of arc (telescope, collimator)

Resistive Potentiometer • Types: Transnational, Rotational • 저항의 형태에 따라 • wire-wound형: 저항선을 감아서 만든다. Resolution은 한번 감은 간격 사이의 저항값에 의하여 결정된다. • conductive plastic 형: 밀링이나 레이져 가공을 통해 저항을 연속적으로 변화하게 만든 것, 이론적으로는 resolution의 한계는 없다.

Potentiometer의 Loading Effect • Potentiometer에 전압계를 연결한 경우 • Rp/Rm이 작을수록선형성이 좋아진다. • 너무 작은 Rp는전체계측의 sensitivity를 나쁘게 한다. Rp xt xi eex Rm ideal 1 Rp/Rm increasing 1

Potentiometer의 고려 사항 • 저항형에 따라 resolution이 다르고 가격이 다르다. • 예) 0.1% for1 in, 0.01% for 1in • Noise Problem • 저항선에 wiper가 움직일때 bouncing현상 발생에 의한 noise=> motion의 속도에 따라 주파수가 다르다. • 저항성과 wiper 접촉면의 먼지나 마모에 의한 noise • Potentiometer가 연결된 상황에 의한 noise • 동적 특성은 0차 계측기의 특성을 지닌다. • 그러나 wiper의 inertia와 마찰에 의한 기계적 loading이 있다. • 주변환경에 대한 고려 • 온도, 습도, 환경의 진동 특성 등: 계측성능의 나쁜 영향을 주는 입력으로 작용하고, 수명에 관련되어 있다.

Strain Gages • H.W.: 위의 저항식에 미분을 하면,이다. 다음의 관계를 이용하여, GF의 윗식을 유도하라 • V=AL, dV=AdL+LdA, 그리고, dV=L(1+e)A (1-en)2- AL여기서, e(strain) =dL/L이고, e의 작은 값에서는(1-en)2= 1-2en • 따라서, AdL(1-2n)=AdL+LdA, => -2nAdL=LdA  저항: Gage Factor: Length, L Resistivity, r n : Poisson Ratio Area, A Resistance change due to length change Area change Piezoresistance effect

Strain Gage의 종류 • Unbonded Metal-Wire Gage • 저항선을 Wheatstone 브리지에 연결하여 사용 • Bonded Metal-Wire Gage • 저항선을 물체에 접착하여 사용 • Bonded Metal-Foil Gage • 저항선을 photoetching 기법을 통하여 제조,가장 널리 사용. • Thin Metal Film Gage • 시간과 온도에 대한 특성이 우수하다. • Semiconductor Gage • P,N-type의 반도체를 이용한 게이지, GF가 크나, 온도에 대한 sensitivity 문제 존재 (보상이 필요)

Metal Foil Gage • 전형적인 ,게이지 저항: 120,150,1000Ohm • GF: 2~4, 게이지 허용전류: 5~40mA • 최대 측정 스트레인: 0.5~4% • 전형적인 Fatigue Life: 10 million cycle at 1500 m strain • 허용온도: -269도 ~ 816도 • stress의 크기, 방향, 둘다 측정할 수 있다. (45, 90, 60도) • Planar type: 각각의 게이지의 공간이 겹쳐지지 않는다. 좋은 열 발산이 이루어진다. • Stacked type: 한 점에 각각의 게이지를 겹쳐 만든다. 열의 문제는 있으나, 특정한 점에서의 정확한 측정가능 Gage Combination: Rosettes

Strain Gage의 온도 보상 • 온도의 영향 • 게이지의 저항값과 GF를 변화시킨다 • 게이지와 측정 물체를 형상을 변화시킨다. • 해결방법 • dummy gage를 Wheatston Bridge에 연결하여 측정한다. • 내부적으로 온도보상이 된 게이지를 사용한다. • Strain gage의 범위를 벗어나는 큰 변위를 측정하는데 사용한다. • 예) Beam의 끝단의 변위 측정 • 예)Strain Gage Extensometer Extensometer

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