스트레인 게이지 (strain gauge)

물체가 늘어난 비율(변형률)을 전기 저항의 변화로 바꿔 주는 센서입니다. 로드셀을 비롯해 힘·무게·압력·토크를 재는 거의 모든 센서의 심장부에 들어 있습니다.

구조

얇은 플라스틱 필름 위에 금속 박(포일)을 지그재그 격자 무늬로 새긴 것입니다. 격자를 지그재그로 만드는 이유는 측정 방향의 저항선 길이를 최대한 길게 확보하기 위해서입니다 — 저항선이 길수록 같은 변형률에서 저항 변화가 커집니다.

금속 표면에 접착된 포일 스트레인 게이지. 가로로 촘촘한 지그재그 격자가 측정 방향이다 (원본 사진)

측정할 물체 표면에 순간접착제나 전용 접착제로 완전히 밀착시켜 붙입니다. 물체가 늘어나면 게이지도 정확히 같은 비율로 늘어나야 하기 때문에, 접착 품질이 측정 품질을 좌우합니다.

원리

저항선의 저항은 R = \rho L / A 입니다. 게이지가 변형률 \varepsilon 만큼 늘어나면:

• 길이 L 이 \varepsilon 만큼 늘어난다 → 저항 증가
• 푸아송 수축으로 단면적 A 가 줄어든다 → 저항 증가
• 재료의 비저항 \rho 자체도 변형에 따라 변한다 (압저항 효과)

세 효과를 합치면 저항 변화는 변형률에 비례합니다:

k 를 게이지 상수(gauge factor) 라고 하며 일반 금속 포일 게이지는 k \approx 2 입니다. 기하 효과만으로 1 + 2\nu \approx 1.6 이 나오고 나머지가 압저항의 기여입니다. 응력·변형률의 정확한 의미는 응력과 변형률, 그리고 텐서에서 다룹니다.

왜 브리지로 읽는가

금속의 탄성 변형률은 10^{-6} \sim 10^{-3} 수준이므로 \Delta R / R 은 커야 0.1% 정도입니다. 120 Ω 게이지라면 0.1 Ω 남짓의 변화 — 멀티미터로는 잴 수 없습니다. 그래서:

1. 게이지 여러 개를 **휘트스톤 브리지**로 연결해 저항의 "차이"만 전압으로 뽑고
2. 그 미소 전압을 증폭기(HX711 등)로 키워 읽습니다.

브리지에 게이지를 몇 개 쓰느냐에 따라 1/4 브리지(1개), 하프 브리지(2개), 풀 브리지(4개)로 부릅니다. 게이지가 많을수록 감도가 커지고, 온도에 의한 저항 변화(모든 게이지에 똑같이 걸리는 변화)가 서로 상쇄되는 장점이 있습니다. 로드셀이 게이지 4개짜리 풀 브리지를 쓰는 이유입니다.

사용할 때 주의할 점

• 방향성: 게이지는 격자 방향의 변형률 성분 하나만 잽니다. 붙이는 방향이 곧 측정 방향입니다.
• 온도: 저항은 온도로도 변합니다. 정밀 측정에서는 더미 게이지나 풀 브리지로 보상합니다.
• 한계: 게이지 자체가 견디는 변형률(보통 수 %)을 넘으면 격자가 끊어집니다.

어디에 쓰이나

전자저울·체중계(로드셀), 토크 렌치, 압력 센서, 교량·건물의 구조 안전 모니터링, 풍동 실험의 힘 측정(로드 밸런스) 등 — "힘을 재야 하는 곳"에는 거의 예외 없이 들어 있습니다.