● Transducer(변환기)

◎ 기계식 Transducer
◎ 유압식 Transducer
◎ 공압식 Transducer
◎ 광학적 Transducer
◎ 전기적 Transducer


○ 전기저항식 Transducer (Strain Gage)

가. 원리
가장 널리 사용되는 트랜스듀서로 전도체의 전기 저항은 그 길이에 비례한다는 원
리, 즉



여기서, GF : GageFactor

=2.0 (bondedwire,bondedfoil)

=50～200 (semiconductor)
에 기초하여 저항의 변화를 측정함으로써 변형률을 측정한다.

나. 형식
전기저항식 트랜스듀서에는 bonded wire, unbonded wire, bonded foil, semiconductor와 weldable의 5가지의 형식이 있다.

1) Bonded Wire
얇은 종이 또는 플라스틱 mount에 [그림 3-9]와 같이 앞뒤로 왕복하는 구리-니켈 또는 니켈-크롬 wire를 부착하여 사용한다. 암반이나 콘크리트와 같은 상대적으로 긴 길이의 변형률을 측정할 필요가 있는 경우에 사용한다.

2) Unbonded Wire
전기적으로 절연된 post에 wire를 앞 뒤로 왕복시켜 사용한다. Bonding 기술이 발달되지 않았던 시기에 사용되던 기술로 bonded wire transducer보다 견고하지 못하다.

3) Bonded Foil
얇은 필림에 [그림 3-11]과 같이 constantan 또는 니크롬과 같은 합금 저항체의 얇은 foil을 접착시켜 사용한다. 대부분의 경우에는 120 또는 350Ω의 저항을 사용한다. 350Ω의 저항이 높은 전압의 input 전원을 사용할 수 있으며,lead선등 외부에 저항에 의한 효과를 감소 시킬 수 있으므로 선호된다.

4) Semiconductor
실리콘 또는 게르마늄의 반도체 결정을 도핑하여 특정한 Gage factor와 온도계수를 갖게하여 트랜스듀서로 사용한다. Gage factor가 50～200으로 전기저항식 트랜스듀스 중 Sensitivity가 가장 좋다. 이 형식의 트랜스듀서의 가장 큰 단점은 온도 변화에 따른 보정 절차가 복잡한 것이다. 따라서, 온도 변화폭이나 온도 변화 빈도가 잦은 조건에서의 사용은 바람직하지 않다. 또한, Linearity가 좋지 않아 100 microstrain 이하의 계측에 적합하다.

5) Weldable
bonded foil gage 또는 strain filament가 접착된 박편의 스테인레스 스틸을 대상 부재에 용접한다. 현장 설치용으로 가장 적절하다.

다. 수명
수명은 설치 방법, 방수 처리, 보호 방법에 의하여 결정된다. 내구성이 있는 gage의 선
택, 현장 경험이 풍부한 전문가에 의하여 설치, 방수 처리, 보호 장치의 설치가 이루어질
경우 5～10년까지도 사용한 사례가 있다. 그러나, 이 경우에도 장기간에 걸쳐 accuracy
는 ±5～±15 microstrain까지 감소한다.


○ LVDT

LVDT(Linear Variable Differential Trainsformer)는 변위를 측정하기 위한 계측기의 트랜스듀서로 사용된다.


○ Potentiometer

직선 변위를 측정하는 Linear Potentiometer 회전 변위를 측정하는 Rotary Potentiometer로 분류된다. 측정에 높은 전압을 사용할 수 있어 긴 리드선을 사용하여야하는 원격 측정이
가능하나, 빠르게 움직여서 sampling rate이 높은 동적 측정에는 사용은 바람직하지 않다.


○ VRT

VRT(Variable Reluctance Transducer)는 crack이나 extensometer와 같은 길이 변
환을 측정하는 계측기에 주로 쓰이는 트랜스듀서이다. 수중에서의 사용이 가능하다.


○ Vibrating Wire

가. 원리
양단이 고정된 현을 강제로 진동시키면 진동수는 현의 장력의 제곱근에 비례하며, 현의 장력은 현의 변형률과 비례한다.



여기서, f : 자유진동수
L : 현의 길이
E : 현의 탄성계수
σ: 현의 장력
g : 중력 가속도
ρ: 현의 밀도
ε: 현의 받은 변형률

그러므로 현재 현에 도입된 변형률은 현의 자유진동수의 제곱에 비례한다.



따라서 현의 자유진동수를 측정하여 현의 변형률 또는 현이 고정된 두 지점사이의 길이 변화를 측정할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 가는 현의 양단을 고정시킨 뒤 양단의 정착부를 변형을 측정하고자 하는 계측기 내의 부재 또는 양 지점에 부착시킨다. 현의 중앙에 위치한 전자석 코일의 자력으로 철선을 당겨 진동시킨다(이것을 plucking이라고 한다.) 잠시 후 자유 진동수이외의 모든 진동 모드가 감쇠 되면 전자석 코일 또는 별도의 코일로 현의 자유 진동수를 측정한다.

나. 용도
진동현식 트랜스듀서 (Vibrating Wire Transducer)는 현장 정적계측에 가장 많이 쓰이는 트랜스듀스이다. 강재나 콘크리트의 표면 또는 콘크리트네 매설하는 변형률계, 변위를 측정하는 Jointmeter나 Crack Gage, 하중을 측정하는 하중계, 수압을 측정하는 Piezometer, 압력을 측정하는 토압계, 수직 변위를 측정하는 Liquid level gage등에 사용된다.

라. 특징
전압 형태의 output이 전달되므로 리드선의 영향을 배제할 수 있어 원격 측정이 가능하며 열악한 환경에서 장기간 계측에 적합하다.

마. 오차의 발생 원인
진동현식 트랜스듀서는 현의 부식, 장기간 인장을 받아 발생되는 현의 creep과 현의 양단의 cramp에서 발생되는 미끄러짐에 의하여 진동수의 저하 또는 zero drift가 발생 할 수 있다. 대부분의 제작회사에서는 트랜스듀서를 조립한 뒤 고온을 가하거나 반복하중을 가하여 장기 계측을 위하여 Zero drift를 방지하거나 감소시킨다.

바. 주변 진동의 영향
주변의 진동은 트랜스듀서의 zero drift에 영향을 주지 못한다.

○ Forced Balanced 트랜스듀서

Forced Balanced 트랜스듀서는 기울어짐을 측정하거나 가속도를 측정할 때 사용된다.


○ Electrolytic Level

Electrolytic Level은 [그림 3-26]과 같이 공기 기포와 전도액이 들어 있는 폐쇄된 유리 vial과 이를 통해 흐르는 전류가 흐르도록 하는 장치로 구성된다.
이 트랜스듀서는 매우 정밀할 뿐 아니라 기계적으로 움직이는 부품이 없으므로 고장의 우려가 없고 장기 계측에 적합하다. 전압을 측정하므로 저가의 전압계를 측정장치로 사용할 수 있으며 리드선 효과가 없으므로 원격 계측에도 적합하다.

○ Magnetostrictive 트랜스듀서

○ Piezoelectric