기계공학실험 - 힘 측정

소개글

기계공학실험 - 힘 측정에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

R3
118.7Ω
R4
118.8Ω
- 검류계를 통해 1,2 점간의 전압 측정 결과 0.02V의 전압 발생.
- 가변 저항을 돌려 0V로 맞춘 후 가변 저항 R2 측정 결과 120.4Ω 측정됨.
- 가변저항 R2를 임의로 조정하여 나온 전압 값과 그 때 가변저항 R2의 측정값
측정된 전압 값
가변저항 R2의 측정 값
0.08V
57.3Ω
1.01V
55.6Ω
1.60V
32.1Ω
2.40V
2.5Ω
- 실제 측정 전압과 이론 치 전압과의 오차
실제 측정 전압
이론치 전압
오차율
0.80V
0.87V
-8.05%
1.01V
0.91V
+10.99%
1.60V
1.44V
+11.11%
2.40V
2.40V
0%
ex) 이론값 : V13 = 57.3Ω/(118.8+57.3)Ω *5V = 1.63V
V23 = 118.8Ω/(118.7+118.8)Ω *5V = 2.50V
1,2 간의 전압차 : 2.50V - 1.63V = 0.87V
실제값 : 0.80V
오차율 : (0.80/0.87)*100 = 91.95% , ∴ 91.95%-100% = -8.05%
가변저항의 온도와 전압의 변화 관계 실험
환경의 변화
전압의 변화
손
거의 변화 없음
휘이트스톤 브릿지 밸런스 실험
- 가변저항 R2를 임의로 조정하여 나온 전압 값과 그 때 가변저항 R2의 측정값
실제 측정 전압
가변저항 R2
0.10V
110.6Ω
0.20V
102.1Ω
0.30V
94.4Ω
0.35V
90.6Ω
0.40V
87.1Ω
- 실제 측정 전압과 이론 치 전압과의 오차
실제 측정 전압
이론 치 전압
오차율
0.10V
0.10V
0%
0.20V
0.20V
0%
0.30V
0.30V
0%
0.35V
0.35V
0%
0.40V
0.40V
0%
ex) 이론값 : V13 = 110.6Ω/(120+110.6)Ω *5V = 2.40V
V23 = 120Ω/(120+120)Ω *5V = 2.50V
2.50V - 2.40V = 0.1V
실제값 : 0.10V
힘 측정 실험(영점 조절)
- 데이터 창에서도 볼 수 있듯이 0.000V 측정됨.
6. 고찰
○ 휘이트스톤 브릿지의 첫 번째 실험에서는 오차 값이 어느 정도 발생했는데 그 원인으로 3가지 정도를 들 수 있다. 첫 번째는 외부 전원 5V의 불안정을 들 수 있다. 이 전압 값이 불안정하게 되면 결국 V12, V23의 값이 달라 질 수 있다. 두 번째는 가변저항을 측정하려고 브레드 보드에서 분리했다 결합 하는 과정에서 가변저항에 변화가 들어 갈 수 있다. 마지막으로 휘이트스톤 브릿지를 구성함에 있어 필요 없는 전선을 사용한 회로를 구성하게 되면 전선에 의한 손실을 발생 시킬 수 있다. 따라서 위의 3가지 요소 때문에 어느 정도의 오차가 발생했다고 분석하고 있다.
○ 휘이트스톤 브릿지 밸런스 실험에서는 오차율이 0%가 나왔다. 이 실험의 분석 결과는 가변저항이 생산될 때부터 어느 정도의 오차를 포함하고 있다. 따라서 회로 구성에 있어 이미 이 오차를 알고 보정을 해준 것이다. 따라서 실제 118.7Ω로 측정된 고정 저항이라고 할 지 라도 이미 보정이 들어갔기 때문에 계산을 해줄 때 120Ω으로 계산해준다. 따라서 실제 전압과 이론 전압이 같아진다.
○ 휘이트스톤 브릿지 기본 회로 실습
- 오차 원인
스트레인 게이지의 제작공차에 따르는 0.2 ~ 0.5% 정도의 오차를 들 수 있다.
똑같은 실험에서 전압을 측정할 때마다 조금씩의 데이터값 차이를 보였다. 이는 측정장치
인 멀티미터 자체의 오차도 있겠지만, 멀티미터의 접촉부위의 미세한 변화에 따른 측정오
차로도 보인다.
브레드 보드 자체에 전선의 연결이 바르게 돼있지 않은 것이 있었다. 이로보아 브레드보드
자체의 연결부위의 접촉 불량이나 미세한 저항 차이가 실험 결과값에 영향을 주었을 것이
다.
저항들을 브레드 보드에 꼽을 때 역시 매 실험마다 접촉 부위의 상태가 미세하게 변하여
전류의 흐름에 영향을 주었을 것이다.
고정 저항값이 120으로 정확하지 않았던 것이 초기 영점 보정에 큰 영향을 미친 것 같
다.
실험을 할 때 손에서 땀이 많이 났었는데, 전기 기구로 실험을 하느니만큼 저항 변화등 실
험값에 영향을 주었을 것이다.
- 고정 저항값이 120으로 정확하지가 않아서 실험이 간단한 수치로 결과가 나오지는 않았
지만, 실험값이 이론값과 거의 일치했다.
- 온도변화에 따른 저항값의 변화실험에서 온도가 증가하면 저항체의 저항값은 증가함을 알
수 있다. 그러나 정확한 온도변화를 측정할 수가 없어서 온도와 저항과의 정확한 상관관계
를 알 수가 없었다.
○ 휘이트스톤 브릿지 회로의 밸런스 실습
- V의 전압값을 0으로 조정해야 되는데, 가변저항의 값을 변화시켜도 더 이상 좁혀지지가
않았다. 그래서 정확한 0점 조정을 못하고 그대로 실험을 했다. 오차의 한 원인으로 생각된
다. 기자재의 문제가 원인으로 추정된다.
○ 힘 측정 보정
- 오차의 가장 큰 원인은 주변의 진동에 의한 영향으로 보인다. 이를 없애기 위해 주변의 진
동을 없애는 것도 중요하겠지만, 기자재의 접지면에 진동 흡수장치를 하여 주변 진동의 영
향을 최소화 하는 것이 중요할 것 같다.
7. 결론
○ 이번 실험의 목적은 궁극적으로 미지의 무게를 혹은 이미 알고 있는 물체의 무게를 측정하는데 있다. 그 과정에서 물체의 무게를 알아내기 위해 전기신호의 출력을 값을 얻어내는데 스트레인 게이지를 이용하여 랩뷰상에서 분석할 수 있었다. 이 스트레인 게이지 힘 측정 장치의 회로 구성에 휘이트스톤 브릿지가 사용되었기에 실험 수행에 앞서 먼저 휘이트스톤 브릿지의 특성에 대해 실험하고 공부하는 기회를 가졌다. 모든 실험에는 오차가 발생하게 되는데 그 오차를 어느 정도 줄이면서 실험을 수행하느냐가 좋은 실험의 결과가 아닐까 생각한다. 매년 실험에서 데이터 값이 정확히 안 나오는 관계로 힘 측정 보정까지만 이루어졌다. 하지만 보정 단계까지 실험하면서 휘이트스톤 브릿지의 특성에 대해 많은 것을 알게 되어 의미 있는 실험이 될 수 있었다.
8. 부록
계산 실례(sample calculation)
- 휘트스톤 브릿지 측정 실험에서 전압값의 계산은 (식8)을 이용하여 다음과 같이 계산한다.

키워드

힘 측정,   휘이트스톤 브릿지,   스트레인 게이지,   휘이트스톤 브릿지