스트레인(변형률)이란?
스트레인(Strain, 변형률)은 물체가 힘을 받아 형태가 변하는 정도를 나타내는 무차원 량입니다.
원래 길이 L 에서 변화량 ΔL 이 발생했을 때 변형률 ε 은:
ε = ΔL / L [단위: μm/m 또는 με]
1 με(마이크로스트레인) = 1 μm/m = 1×10⁻⁶
스트레인을 일으키는 원인은 크게 3가지입니다:
⚙️
기계적 하중
Mechanical Loads
🌡️
온도 변화
Temperature Changes
🔩
잔류응력
Released Residual Stresses
스트레인게이지 측정 원리
스트레인게이지는 재료와 함께 변형되면 전기 저항이 변화하는 성질을 이용합니다.
게이지 팩터(Gauge Factor, GF) 는 저항 변화율과 변형률의 비로 정의됩니다:
GF = (ΔR / R) / ε → ΔR / R = GF × ε
금속 포일 게이지 GF ≈ 2.0 / 반도체 게이지 GF = 50~150
이 저항 변화는 매우 미세하므로 Wheatstone 브릿지 회로 를 사용해 고정밀 측정합니다.
1/4 브릿지(단일 게이지), 하프 브릿지(2개), 풀 브릿지(4개) 구성에 따라 감도와 온도 보상 특성이 달라집니다.
스트레인게이지 변형-저항 변화 원리 및 Wheatstone 브릿지 회로 구성
스트레인게이지 종류 비교
크게 3가지 방식이 있으며, 산업 현장에서는 금속 포일 스트레인게이지 가 가장 널리 사용됩니다.
금속 포일 (Metal Foil)
가장 일반적인 타입
소재 콘스탄탄·카르마·니켈 합금
게이지 팩터 약 2.0
감도 중간
가격 저렴
특징 설치 용이, 반복성 우수
단점 온도·습기 민감
반도체 (Semiconductor)
고감도 특수 용도
소재 실리콘·게르마늄
게이지 팩터 50 ~ 150
감도 매우 높음
가격 고가
특징 고감도, 빠른 응답
단점 취성, 전용 장비 필요
광섬유 (Fiber Optic)
열악 환경·장거리용
소재 실리카 유리·플라스틱 광섬유
측정 방식 광 강도/위상 변화
감도 높음
가격 매우 고가
특징 EMI 내성, 장거리 측정
단점 전용 인터로게이터 필요
게이지 형태와 측정 목적
스트레인게이지는 측정하려는 응력 방향과 상태에 따라 형태를 선택합니다.
LINEAR · 1축
단축(리니어) 스트레인게이지
한 방향으로만 변형이 발생하는 경우에 사용. 보, 로드, 단순 인장·압축 측정에 적합. 가장 기본적인 형태.
DOUBLE · 1축 2중
더블 스트레인게이지
동일 축 2개 게이지 배열. 온도 보상이 필요한 단방향 측정에 사용. 하프 브릿지 구성 시 유리.
ROSETTE · 2축 (T형)
T형 2축 로제트 (티로젯)
45° 배열 2축 게이지. 전단 응력·토크 측정에 사용. T자형 배치로 주응력 방향이 알려진 경우에 적합. 잔류응력 측정(ASTM E837) 전용 2축 로제트도 있음.
ROSETTE · 3축
3축 로제트 (0°/45°/90°)
응력 방향을 모를 때, 복잡한 구조물에서 주응력 방향·크기를 동시에 구할 때 사용. 잔류응력 홀드릴링(ASTM E837)에도 사용.
SHEAR · 전단
전단 스트레인게이지 (Shear)
±45° 방향으로 배열된 2엘리먼트 게이지. 전단 변형률(γ)을 직접 측정하며, 토크 측정·전단력 계측에 특화. 하프 브릿지 구성으로 온도 자기보상이 가능하고 굽힘·축력 성분을 소거할 수 있어 순수 전단 계측에 유리.
스트레인게이지 선정 기준
① 저항값 선택
저항값
주요 용도
특징
120 Ω 일반 구조 시험, 실험실 측정
가장 보편적, 신호 크기 적당
350 Ω 로드셀·토크센서 등 센서 제작
자가발열 적음, 센서 정밀도 유리
700 Ω 이상 텔레메트리, 배터리 구동 장비
저전력 소비 필요 시 사용
1,000 Ω 의료·항공 등 특수 저전력 용도
고저항 → 소전류, 낮은 자가발열
② 사용 환경 및 대상물 조건
조건
고려 사항
대응 제품 예
고온 환경 (250°C+)
고온용 게이지 + 점용접 또는 고온 접착제
TML WFLA, MM EP 시리즈
저온 환경 (극저온)
저온용 게이지 선정, 저온 전용 접착제
TML WK 시리즈
수중·옥외 방수
밀봉 처리 또는 방수형 게이지
방수 코팅 + Nitrile Rubber 실링
콘크리트·거친 표면
그리드 길이 긴 타입 (30mm+)
TML PL-90 이상
고변형 측정 (1% 이상)
High-Elongation 타입
TML YEFLA, MM EP-xx-350BF
스트레인게이지를 이용한 센서
스트레인게이지는 단순한 변형률 측정을 넘어 다양한 파생 센서 의 핵심 부품으로 사용됩니다.
탄성체(Elastic Body)에 게이지를 부착해 힘·무게·압력·토크를 전기 신호로 변환합니다.
⚖️
로드셀 (Load Cell)
무게·힘 측정. 변형체 변형 → 저항 변화 → kg/N 출력. 계량·시험기에 광범위 사용.
🔧
토크센서 (Torque Sensor)
비틀림 측정. 45° 배열 2축 로제트 사용. 회전축·체결 토크 측정에 적용.
💨
압력센서 (Pressure Sensor)
다이어프램 변형을 게이지로 감지. 유압·기압·수압 측정에 사용.
📏
변위센서 (Displacement)
캔틸레버 보에 게이지 부착해 처짐량을 변위로 환산. 소형 고정밀 변위 측정.
로드셀 측정 원리: 무게(kg) → 로드셀 바디 변형(μm/m) → 스트레인게이지 저항 변화 → 신호 조절(앰프/인디게이터) → 무게값 출력(kg)
주요 적용 분야
스트레인게이지는 기계적 응력과 변형 측정이 필요한 거의 모든 산업 분야에 적용됩니다.
구조물·교량
항공우주
자동차
선박·해양
철도
PCB·전자
압력용기
원자력
잔류응력 측정
로드셀·센서 제작
관련 기술 자료:
자주 묻는 질문 (FAQ)
스트레인게이지란 무엇인가요?
재료의 변형률(Strain)을 전기 저항 변화로 감지하는 센서입니다. 측정 대상물 표면에 접착 부착하면 변형과 함께 게이지 저항이 변하고, Wheatstone 브릿지 회로로 이 변화를 측정해 응력을 계산합니다.
120Ω과 350Ω 게이지 중 어떤 것을 선택해야 하나요?
일반 구조 시험·실험실 환경에는 120Ω을 사용합니다. 로드셀·토크센서 등 센서 제작 시에는 자가발열이 적고 정밀도가 유리한 350Ω을 선택합니다. 텔레메트리 등 저전력 특수 목적에는 700Ω 이상을 사용합니다.
로제트 스트레인게이지는 언제 사용하나요?
응력 방향을 미리 알 수 없거나 복잡한 응력 상태를 측정할 때 사용합니다. 2축 로제트(45° 배열)는 전단·토크 측정에, 3축 로제트(0°/45°/90°)는 주응력 방향과 크기를 동시에 구할 때 적합합니다. 잔류응력 홀드릴링 측정(ASTM E837)에도 전용 로제트 게이지가 필요합니다.
게이지 팩터(Gauge Factor)란 무엇인가요?
GF = (ΔR/R) / ε 로 정의되는 감도 지수입니다. 금속 포일 게이지는 GF ≈ 2.0, 반도체 게이지는 GF = 50~150입니다. GF가 클수록 감도가 높지만 비선형성도 커집니다.
부착 전 표면 처리가 왜 중요한가요?
이물질·산화층·유분이 남아 있으면 게이지가 피측정물과 함께 정확히 변형되지 않습니다. 연마 → 세척 → 중화 → 건조 순서의 표면 처리가 측정 정밀도를 결정하는 가장 중요한 단계입니다. 자세한 부착 절차는
10단계 부착 가이드 를 참조하세요.
