버니어
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1. 개요
버니어는 정밀도를 높이기 위해 보조 눈금을 사용하는 측정 장치로, 1631년 프랑스 수학자 피에르 버니어에 의해 발명되었다. 버니어는 주 눈금과 보조 눈금의 상대적인 위치를 이용하여 미세한 길이 또는 각도를 측정하며, 버니어 캘리퍼스와 같은 다양한 형태로 사용된다. 버니어의 작동 원리는 주 눈금과 버니어 눈금의 간격 차이를 활용하며, 최소 눈금(버니어 상수)은 두 눈금의 간격 차이로 정의된다. 버니어는 직접 버니어와 역진 버니어의 두 가지 주요 유형이 있으며, 정밀 측정, 로켓의 자세 제어, 철도 차량의 저항 제어, 과학 분야 등 다양한 분야에서 응용된다.
눈금이 없는 측경 양각기는 고대 중국 신나라(AD 9년) 초기에 탄생하였다.[9][10] 1631년 프랑스의 수학자 피에르 버니어가 정확도가 강화된 두 번째 자를 발명하였다.
2. 역사
2. 1. 버니어의 발명
눈금이 없는 측경 양각기는 고대 중국 신나라(AD 9년) 초기에 탄생하였다.[9][10] 1631년 프랑스의 수학자 피에르 버니어가 정확도가 강화된 두 번째 자를 발명하였다.
정밀도를 높이는 보조 눈금이 있는 최초의 버니어는 1631년 프랑스 수학자 피에르 베르니에(1580–1637)에 의해 발명되었다.[1] 이의 사용법은 수학자이자 역사가인 존 바로우가 영어로 상세히 기술한 ''Navigatio Britannica'' (1750)에 수록되었다.[2] 오늘날 버니어 캘리퍼스가 가장 일반적인 용도이지만, 원래는 천문 사분원과 같은 각도 측정 기기를 위해 개발되었다.
일부 언어에서 버니어는 포르투갈 수학자이자 우주학자인 페드루 누네스(라틴어 ''Petrus Nonius'', 1502–1578)의 이름을 따서 ''노니우스''라고 불린다. 영어에서는 18세기 말까지 이 용어가 사용되었다.[3] ''노니우스''는 현재 누네스가 개발한 초기 기기를 지칭한다.
"버니어"라는 이름은 프랑스 천문학자 제롬 라랑드(1732–1807)가 그의 저서 ''Traité d'astronomie'' (2권) (1764)를 통해 대중화시켰다.[4]
3. 작동 원리
대부분 주척(메인 스케일)은 9/10 또는 19/20 간격으로 눈금이 매겨져 있으며, 측정 지점에 버니어의 0점을 맞추고 주척의 눈금과 버니어의 눈금이 일치하는 지점을 읽어 1/10 또는 1/20 단위를 측정한다.
통신기나 측정기의 미동 다이얼 기구에서 눈금에 부척이 붙은 것을 버니어 다이얼이라고 한다.
3. 1. 버니어 눈금의 원리
버니어 눈금은 고정된 주 눈금의 일정한 비율로 간격이 맞춰져 있다. 예를 들어 상수가 0.1인 버니어의 경우, 버니어의 각 눈금은 주 눈금의 9/10 간격으로 배치된다. 두 눈금을 0점에 맞추면 버니어 눈금의 첫 번째 눈금은 주 눈금의 첫 번째 눈금보다 1/10 짧고, 아홉 번째 눈금까지 9/10만큼 어긋난다. 열 번째 눈금이 주 눈금의 아홉 번째 눈금과 정렬된다.
버니어를 조금 움직이면, 원래 어긋났던 눈금 쌍 중 하나가 정렬되며, 이 정렬되는 눈금 쌍이 주 눈금 사이의 값을 나타낸다. 예를 들어 버니어를 주 눈금의 1/10만큼 움직이면, 첫 번째 쌍이 정렬된다. 5/10만큼 움직이면 다섯 번째 쌍이 정렬된다.
대부분 주척(메인 스케일)은 9/10 또는 19/20 간격으로 눈금이 매겨져 있으며, 측정 지점에 버니어의 0점을 맞추고 주척의 눈금과 버니어의 눈금이 일치하는 지점을 읽음으로써 1/10 또는 1/20의 단위를 측정한다.
3. 2. 최소 눈금 (버니어 상수)
버니어의 최소 눈금은 버니어 상수라고도 하며, 주 눈금 한 칸의 값과 버니어 눈금 한 칸의 값의 차이로 정의된다. 주 눈금의 가장 작은 눈금(두 개의 연속된 눈금 사이의 거리)을 ''피치''라고도 하며, 이 값을 ''S''라고 한다. 그리고 두 개의 연속된 버니어 눈금 사이의 거리를 ''V''라고 한다. 이때, (''n'' − 1)개의 주 눈금의 길이가 ''n''개의 버니어 눈금의 길이와 같다면, 다음과 같은 관계가 성립한다.
:( ''n'' − 1)개의 주 눈금의 길이 = ''n''개의 버니어 눈금의 길이
:( ''n'' − 1)''S'' = ''nV''
:( ''nS'' − ''S'' = ''nV''
대부분 주척(메인 스케일)의 9/10 또는 19/20 간격으로 눈금이 매겨져 있으며, 측정 지점에 버니어의 0점을 맞추고 주척의 눈금과 버니어의 눈금이 일치하는 지점을 읽음으로써 1/10 또는 1/20의 단위를 측정한다.
통신기나 측정기의 미동 다이얼 기구에서 눈금에 부척이 붙은 것을 버니어 다이얼이라고 한다.
3. 3. 버니어 시력
버니어 눈금은 대부분의 사람들이 어떤 선이 정렬되었는지, 정렬되지 않았는지를 감지하는 데 특히 뛰어나고, 이러한 능력은 연습을 통해 향상되기 때문에 매우 효과적이다. 실제로 눈의 광학적 능력을 훨씬 능가한다. 이러한 정렬 감지 능력을 ''버니어 시력''이라고 한다.[5] 역사적으로, 다른 기술들은 이러한 또는 다른 초시력을 활용하지 못했기 때문에, 버니어 눈금은 경쟁자들보다 우위를 점했다.[6]
3. 4. 영점 오차
영점 오차는 측정 기기가 영점 위치에서 0이 아닌 값을 나타내는 현상이다. 버니어 캘리퍼스의 경우, 주 눈금의 0이 버니어 눈금의 0과 일치하지 않을 때 발생한다. 영점 오차에는 양수와 음수 두 가지 유형이 있다.
영점 오차가 있는 버니어 캘리퍼스를 사용할 때는 다음 공식을 이용한다.
: 실제 값 = 주 눈금 + 버니어 눈금 - (영점 오차)
영점 오차는 턱이 완벽하게 닫히거나 서로 닿았을 때 0.00 mm 표시가 정렬되지 않게 하는 충격이나 손상으로 인해 발생할 수 있다.
영점 오차가 양수이면 기기가 읽는 평균 판독값에서 오차를 뺀다. 예를 들어 기기가 4.39 cm를 읽고 오차가 +0.05 cm이면 실제 길이는 4.39 cm - 0.05 cm = 4.34 cm이다.
영점 오차가 음수이면 기기가 읽는 평균 판독값에 오차를 더한다. 예를 들어 기기가 4.39 cm를 읽고 오차가 -0.05 cm이면 실제 길이는 4.39 cm + 0.05 cm = 4.44 cm이다.
영점 오차(ZE)는 다음 공식으로 계산할 수 있다.
: 영점 오차 (ZE) = ±n × 최소 눈금 (LC)
4. 종류
버니어는 주척(메인 스케일)의 9/10 또는 19/20 간격으로 눈금이 매겨져 있으며, 측정 지점에 버니어의 0점을 맞추고 주척의 눈금과 버니어의 눈금이 일치하는 지점을 읽음으로써 1/10 또는 1/20의 단위를 측정한다.
통신기나 측정기의 미동 다이얼 기구에서 눈금에 부척이 붙은 것을 버니어 다이얼이라고 한다.
4. 1. 직접 버니어
직접 버니어는 가장 일반적인 형태이다. 지시 눈금은 눈금의 0점이 데이터 눈금의 시작점과 일치하도록 구성되어 있으며, 눈금 간격은 데이터 눈금의 간격보다 약간 좁아서 마지막 눈금을 제외하고는 어떤 눈금도 데이터 눈금의 눈금과 일치하지 않는다. 지시 눈금의 ''N''개의 눈금은 데이터 눈금의 ''N'' − 1개의 눈금을 덮는다.[7]대부분 주척(메인 스케일)의 9/10 또는 19/20 간격으로 눈금이 매겨져 있으며, 측정 지점에 버니어의 0점을 맞추고 주척의 눈금과 버니어의 눈금이 일치하는 지점을 읽음으로써 1/10 또는 1/20의 단위를 측정한다.
4. 2. 역진 버니어
역진 버니어는 측량 기기 등 일부 장치에서 사용된다.[7] 역진 버니어는 직접 버니어와 유사하지만, 눈금 간격이 주 눈금 간격보다 약간 더 넓다. 지시 눈금의 ''N''개 눈금은 데이터 눈금의 ''N'' + 1개 눈금을 덮는다. 역진 버니어는 데이터 눈금을 따라 뒤로 확장된다.5. 응용 분야
버니어는 통신기나 측정기의 미동 다이얼 기구에 사용되는데, 눈금에 부척이 붙은 것을 버니어 다이얼이라고 한다.
5. 1. 정밀 측정
대부분 버니어는 주척(메인 스케일)의 9/10 또는 19/20 간격으로 눈금이 매겨져 있으며, 측정 지점에 버니어의 0점을 맞추고 주척의 눈금과 버니어의 눈금이 일치하는 지점을 읽음으로써 1/10 또는 1/20의 단위를 측정한다.통신기나 측정기의 미동 다이얼 기구에서 눈금에 부척이 붙은 것을 버니어 다이얼이라고 한다.
5. 2. 로켓
로켓의 자세 제어용 추력기 중 미세 조정을 위한 소출력 추력기를 버니어 추력기라고 한다. 예를 들어 우주왕복선의 자세 제어 시스템은 38개의 주 추력기(추력 3870N)와 6개의 버니어 추력기(추력 106N)를 갖추고 있다.5. 3. 철도 차량
전동차나 전기 기관차에서 저항 제어 방식으로 저항기의 제어 단수를 늘리고 각 제어 단 사이의 토크 변동을 작게 하여 가속 시의 충격이나 동륜의 공전을 줄인 제어 방식을 "버니어 저항 제어"라고 한다. 이를 통해 승차감 향상 및 구동력의 유효한 활용을 통한 견인력 증가를 꾀할 수 있다.[1]5. 4. 과학
버니어 분광법은 미량 기체에 특히 민감한 종류의 공동 강화 레이저 흡수 분광법이다. 이 방법은 주파수 빗살 레이저를 고정밀 광학 공동과 결합하여 고도로 병렬적인 방식으로 흡수 스펙트럼을 생성한다. 또한 광학 공진기가 유효 광학 경로 길이에 미치는 증폭 효과로 인해 매우 낮은 농도의 미량 기체도 감지할 수 있다.[8]참조
[1]
서적
La Construction, l'Usage et les Propriétéz du Quadrant Nouveau de Mathématique
https://books.google[...]
Francois Vivien
1631
[2]
서적
Navigatio britannica: or a complete system of navigation
https://books.google[...]
W. and J. Mount and T. Page
1750
[3]
서적
Scientific Instruments of the Seventeenth and Eighteenth Centuries and Their Makers
Portman Books
1989
[4]
서적
Astronomie
https://books.google[...]
Desaint & Saillant
1764
[5]
웹사이트
Vernier acuity definition
http://cancerweb.ncl[...]
[6]
논문
Vernier scales and other early devices for precise measurement
2011
[7]
서적
Surveying, Theory and Practice
McGraw-Hill Book Company
1966
[8]
논문
Near infrared frequency comb vernier spectrometer for broadband trace gas detection
[9]
서적
The Shorter Science and Civilisation in China: 4
https://books.google[...]
Cambridge University Press
1994-06-24
[10]
웹인용
Bronze Caliper of the Wang Mang Regime
http://history.cultu[...]
2013-11-26
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