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휘트스톤 브리지 회로의 원리에 대한 이해

Understanding the Principles of Wheatstone Bridge Circuit

화약·발파 = Explosives & blasting, v.35 no.2, 2017년, pp.9 - 17  

최병희 (한국지질자원연구원) ,  류창하 (한국지질자원연구원)

초록
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휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)는 변형률 게이지의 극도로 작은 저항 변화를 측정하는 데 널리 사용되는 중요한 전기회로의 하나이다. 변형률 게이지는 변형을 측정하고자 하는 구조물이나 시편에 부착한다. 휘트스톤 브리지는 다양한 공학재료에 대한 정적 혹은 동적 강도를 시험하는 분야에서 많이 사용되고 있다. 일례로, 스플릿 홉킨슨 압력봉(split Hopkinson pressure bar) 시스템에서 브리지 회로는 응력파가 전파되는 입사봉과 전달봉의 동적 변형률을 측정하는 데 필수적으로 사용된다. 본고에서는 암석동역학과 연관된 실험실 실험에서 쉽게 참고할 수 있도록 휘트스톤 브리지 회로의 원리를 상세히 설명하였다. 특히, 쿼터(quater), 하프(half) 및 풀(full) 브리지의 회로배열을 그 기본적인 용도와 함께 자세히 소개하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Wheatstone bridge is an important electrical circuit that is widely used to measure extremely small resistance changes in strain gages. The strain gages are attached to the structure or specimen whose deformation is to be detected. The Wheatstone bridge finds one of its major applications in the...

주제어

#휘트스톤 브리지 회로   #변형률 게이지   #강도시험   #SHPB 시스템   #응력파  

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 절에서는 앞에서 정의한 휘트스톤 브리지 회로가 어떻게 작동하는지 그 원리를 자세히 살펴본다.
  • 본고에서는 Khan 및 Wang(2001)의 측정과 해석에 관한 책을 토대로 암석의 정적 혹은 동적 시험에서 암석의 변형률을 정밀하게 측정하는 데 많이 사용되고 있는 휘트스톤 브리지의 작동원리를 상세하게 고찰함으로써 동 분야에 관심 있는 실무자들의 이해를 돕고자 하였다.
  • 특히, 암석 및 발파 분야에서는 암석의 정적시험에 많이 사용되는 것은 물론이고, 동적파괴 특성을 측정하는 SHPB 시험장치에서도 입력봉과 출력봉의 변형률을 측정하는 용도로 많이 사용된다. 본고에서는 이처럼 암석의 정적 혹은 동적 시험에서 암석의 변형률을 정밀하게 측정하는 데 많이 사용되는 휘트스톤 브리지의 작동원리를 자세히 살펴보고, 쿼터, 하프 및 풀 브리지의 구성과 특징, 출력전압, 변형률 및 감도 계산식의 유도과정 등을 상술함으로써 동 분야에 관심 있는 실무자들이 쉽게 참고할 수 있도록 하였다.

가설 설정

  • 이런 쿼터 브리지에서 능동 변형률 게이지의 저항을 Rg라 하면 이 저항기 한 개를 시편에 부착하여 변형률을 측정하는 것이다. 다만, 이 시험에서는 온도 등의 영향에 의한 변형은 없다고 가정한다.
  • 를 붙인 인장시험 모식도이다. 단, 이 시험에서는 봉에 순수하게 인장만 일어나고 굽힘(bending)은 일어나지 않는다고 가정한다. 이런 경우에는 그림 3(b)에 보인 바와 같이 능동게이지를 2개 (Ra와 Rt) 쓰는 하프 브리지(half bridge)를 구축할 수 있다.
  • )를 붙인 실험 모식도이다. 이 인장시험에서는 봉에 축방향 인장뿐만 아니라 굽힘도 일어날 수 있다고 가정하고 있다. 이런 경우에는 굽힘에 의한 변형률이 상쇄될 수 있도록 그림 4(b)에 보인 바와 같이 브리지의 두 분지에 능동게이지를 2개씩 쓰는 하프 브리지를 구성한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
휘트스톤 브리지에서 브리지의 종류는 어떻게 구분하는가? 휘트스톤 브리지에서는 이런 능동저항, 곧 능동 변형률 게이지(active strain gage)가 부착된 분지의 수에 따라 브리지의 종류를 구분한다. 따라서 능동 게이지가 붙은 분지의 수가 1개, 2개, 4개일 때를 각각 쿼터 브리지(quater bridge), 하프 브리지(half bridge),풀 브리지(full bridge)라 부른다.
휘트스톤 브리지가 가장 많이 사용되는 회로는 무엇인가? Wheatstone(1843)에 의해 제안된 소위 휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge circuit)는 극도로 작은 저항 변화를 정확하게 측정해야 하는 곳에 적용할 수 있다(Khan and Wang, 2001). 하지만 이 브리지가 가장 많이 사용되는 곳은 변형률, 온도, 압력과 같은 물리량을 측정하는 변환기와 관련된 자동화 회로이다(Floyd and Buchla, 2013). 변환기(transducer)란 어떤 물리량의 변화를 감지하여 저항의 변화와 같은 전기량으로 바꾸어주는 장치를 말한다.
휘트스톤 브리지란 무엇인가? 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)는 변형률 게이지의 극도로 작은 저항 변화를 측정하는 데 널리 사용되는 중요한 전기회로의 하나이다. 변형률 게이지는 변형을 측정하고자 하는 구조물이나 시편에 부착한다.
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참고문헌 (3)

  1. Floyd, T.L. and D.M. Buchla, 2013. DC/AC Fundamentals: A systems approach, Pearson Education, Inc., pp.236-242. 

  2. Khan, A.S. and X. Wang, 2001. Strain measurements and stress analysis, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 56-68. 

  3. Wheatstone, C., 1843. An account of several new instruments and processes for determining the constants of a voltaic circuit, Philos. Trans. R. Soc. (London), 133, 303. 

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