스트레인 게이지에 의한 변형률 및 하중 측정 실험

목차

1. 실험 목적
2. 실험 내용 및 이론적 배경
1) 실험내용
2) 이론적 배경
3. 실험장치
4. 실험방법
5. 실험 결과 및 고찰
6. 결 론

본문내용

용되는 금속, 플라스틱의 표면을 깨끗이 닦는다.
정확한 결과를 위해서는 스트레인게이지를 깔끔하게 접착시켜야
하기 때문이다.
2) 끝으로부터 80mm 떨어진 지점에 스트레인게이지를 핀셋을 이용, 올려놓고
(반짝이는 면을 앞으로하여) 투명테이프로 붙인다. 여기서 스트레인게이지와
테이프를 쉽게 떼어낼 수 있게 테이프의 한쪽끝을 약간만 떼어낸다.
3) 테이프를 스트레인게이지가 떨어질 만큼만 적당히 들어낸다.
스트레인게이지가 있던 자리에 접착제를 조심스럽게 바른다.
다시 테이프를 덮고 스트레인게이지를 손가락으로 누르면서 보에 스트레인게이지가
붙을때까지 기다린다.
4) 조심스럽게 테이프를 떼어낸다. 스트레인게이지가 보에 접착되었는지 확인하고,
아래그림과 같이 변화량 측정을 위한 저항을 납땜을 이용, 부착한다.
② 변형율-출력 관계 보정
=> Signal conditioning amplifier에서 가상적으로 설정한 1000με 에 대하여
적당한 전압출력이 나오더럭 증폭기의 Excitation voltage 및 Gain값을 조절
=> Data aquisition board와 PC를 연결한 후 Voltage range (±10V)
Samping rate (10Hz), Data file name과 형식 (Ascii file)을 결정
(PC와 Data aquision board, 실험대상을 연결하는 모습)
③ 분동을 이용하여 하중을 가함
=> 중량을 알고 있는 분동으로 각 외팔보에 일정시간 (약 3~4초) 하중을 가하며,
모든 분동으로 이 과정을 반복한다. (각 분동의 하중을 10회 반복)
(금속보 : 100g, 200g, 500g, 플라스틱보 : 5g, 10g, 20g, 및 미지분동)
④ 하중 - 스트레인 관계를 구함
=> 실험으로 얻은 DATA를 Excel 프로그램을 이용하여 분석하고, 하중-스트레인 그래프를 구하여 기울기를 구한다. (표준편차를 그래프에 표시)
⑤ 재료의 탄성계수 계산
=> 분동의 중량과 측정된 변형률로부터 식을 이용하여 재료의
탄성계수를 구함.
⑥ 미지분동의 중량 측정
=> 앞에서 구한 결과를 이용하여 중량을 알지 못하는 분동의 중량을 측정.
5. 실험 결과 및 고찰
① 굽힘 모멘트-응력 관계식 유도 재료역학 - A.C.Ugural 저, 손세원외 2인 공역, p170 ~ p175 참조함.
()
② 재료의 탄성계수 식 유도 위 보고서의 ‘실험내용및 이론적배경’ 과 2)의 동일한 도서의 p176 참조함.
()
③ 굽힘 모멘트를 받는 각 재료의 탄성계수를 계산, 미지분동의 중량을 추측
금속보
100g
200g
500g
미지분동
Strain
100,000μ
150,000μ
250,000μ
72,000μ
표준편차 : 76376.26
차트의 기울기 : 375
플라스틱보
5g
10g
20g
미지분동
Strain
144,000μ
276,000μ
490,000μ
740,000μ
표준편차 : 174672
차트의 기울기 : 23066.67
1) 금속보
- 100g 일때
- 200g 일때
- 500g 일때
- 미지분동의 중량을 추정
에서 E를 넣기위해 위 세가지 경우의 탄성계수 평균을 구하였다.
E = (104.64+139.519+209.28)/3=151.146Mpa
2) 플라스틱보
- 5g 일때
- 10g 일때
- 20g 일때
- 미지분동의 중량을 추정
에서 E를 넣기위해 위 세가지 경우의 탄성계수 평균을 구하였다.
E = (4.481+4.676+5.268)/3 = 4.808Mpa
④ 실험 결과에 대한 고찰
플라스틱보, 금속보 모두 하중-스트레인 그래프를 분석한 결과,
일정한 기울기의 직선을 그리며 올라가는 것을 확인 할 수 있었다.
완전하지는 않지만 하중이 높아짐에 따라 스트레인도 증가하는 정비례한
일차함수 직선이 그려졌다. 표준편차의 값이 큰 것으로 보아 데이터가
평균값과 차이가 있음을 알 수 있었다.
모멘트와 응력을 구하기 위해 중력가속도를 9.81m/s2 으로 두고
데이터를 계산해보았으나 일정해야 할 재료의 탄성계수가 각각 어느정도의
차이가 있지만 서로 다른 결과를 얻었다. 이는 금속보, 플라스틱 보 모두
마찬가지였다.
이러한 이유로 미지분동의 질량도 정확하지 않으리라 예상했는데
데이터를 계산해본 결과도 실제로 그랬다. 같은 무게의 미지분동을 사용했지만
금속보에서는 104g, 플라스틱보에서는 28g 으로 큰 오차가 발생하였다.
왜 이런 오차가 생겼는지 나름대로 분석해보았다.
5. 결 론
결과적으로 보면 이번 “스트레인 게이지에 의한 변형률 및 하중 실험” 은
썩 좋은 성과를 거두지 못한 실험이었다. 검산을 해보았어도 오차가 너무도
크게 났기 때문에 안타까웠다. 이런 결과의 원인을 생각해 보았는데
먼저, “처음 스트레인 게이지를 부착할 때 잘못되었을 가능성” 을 생각할 수
있었다. 스트레인 게이지가 민감한 물체이기 때문에 조심스럽게 다뤄야 함에도,
손으로 떼었다 붙였다 하는 어려움이 있었다. 접착제를 사용할 때도 스트레인
게이지가 정확히 보의 표면에 붙지 않아서 재접착을 시도했었다. 그 과정에서
이물질이나 본드자국이 정확한 실험에 방해가 되었을 수도 있었을 것이다.
전선을 납땜하는 과정에서도 잘못되었을 수 있으나, 조원들이 테스터기로 저항을
측정했을때는 만족할만한 값이 나왔기 때문에 큰 어려움은 없었을 것이라고
생각했다.
그 다음으로, 데이터를 측정하는 과정에 있어서, 하중을 주었을때 정확히 보의
끝부분에 가해지지 않았고 그냥 적당한 곳에 놓았기 때문이다는 가설도
생각해보았다. 이론적으로는 보의 말단에 집중하중을 가해야 했지만 우리가
사용한 분동은 어느정도 면적이 있었다. 위치도 정확한 편은 아니었는데 이것은 오히려 분포하중을 가한 것으로도 볼 수 있었을 것 같다는 생각이 들었다. 실험시 간이 모자랐기 때문에 급한마음에 적당히 하자는 생각도 원인으로 작용했을 것이 다. 그 외 자잘한 실수들이 실험에 영향을 미쳤다고 생각한다. 물론 사람이 실험하 는 것이기 때문에 꼭 정확한 값을 요구하는 것은 아니었으나, 작은 과정에서 큰 오차가 발생하는 이러한 실험에서는 조심하고 주의하는 것이 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다는 것을 느끼면서 이번 실험을 마쳤다.

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실험,   스트레인,   하중,   스트레인게이지,   변형률