로드셀의 원리

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서론

상거래가 시작된 이래로 어떤 방법이든 무게의 측정은 이루어져 왔다. 이런 측정은 일정해야 했을 뿐만 아니라 정확해야 했다. 무엇을 계량 또는 측 정하기 위해서 비교하기 위한 기준을 가지고 있어 야만 했다.

동등한 팔을 가진 양팔 저울이든 동등하지 않은 외팔 저울이든 수천년 전부터 비교를 위한 기준으 로서 사용되어져 왔으며, 지금도 무게를 결정하기 위한 가장 보편적인 기술로 훨씬 더 많이 사용되 고 있다. 그러나, 오늘날 전자 하중 변환기의 사용 은 일반화 되어있다. 약 40년전에 스트레인 게이지 식 로드셀이 개발 되었으며, 이 새로운 기술로 신 뢰할 수 있고 실질적으로 경제적인 전기적 무게 측정이 발명 되었으며, 그 당시 기계 장치의 개선 을 위하여 제일 먼저 이용되었고, 그 때 하중이 10 톤이었다.

초기 단계 로드셀의 정밀도와 신뢰성을 향상 시 키기 위해서 몇가지 문제가 해결 되어져야만 했다.

그 첫째가 재료의 선정으로 안정적이고 히스테리 시스가 좋은 금속을 선정해야만 했다. 현재 일반적 인 경우 로드셀의 특성이 0.02%/R.O보다 정확한

로드셀 제작을 위하여 꾸준히 연구되어져 왔다.

로드셀의 형상은 사용법에 따라 광범위하게 연 구 되어져 왔으며, 전기적 신호는 사용자가 오차를 줄이는데 대단히 중요하고, 스트레인 게이지식 로 드셀은 물리적인 변형없이 하중을 전기적인 신호 로 직접 변환시켜 준다.

로드셀은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성 체와 이를 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지를 이용한 하중감지센서(Sensor)로써 상업용 전자저울에서 부터 산업용 대용량 전자식 계량기 에 이르기까지 각종 산업분야의 공장제어, 자동화 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다.

스트레인 게이지식 로드셀의 기술은 핵심소자인 스트레인 게이지의 기술혁신과 함께 발전했다. 로 드셀은 스트레인 게이지를 부착한 탄성 소재로 구 성되어 있다. 질량이 가해지면 소재는 탄성 거동을 하고, 스트레인 게이지는 가해진 질량에 직접적으 로 상응하는 저항변화를 일으킨다. 결국 로드셀은 하중 변화를 저항의 변화로 변화 시켜주는 전기적 인 장치이다. 로드셀은 4개의 스트레인 게이지를 사용하고, 4개의 팔을 휘스톤브릿지(Wheststone Bridge)로 배선한다.

온도 영향을 보상하기 위해서 회로내의 다른 위

로드셀의 원리

양 창 영 /

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치에 정밀급 저항들이 첨가되며, 전형적으로 로드 셀에 대한 기준 온도 보상은 출력의 온도 보상일 경우 온도 1℃증가마다 0.0015% 이상을 벗어나면 안되고, 영점의 온도보상의 경우 온도 1℃ 증가마 다 0.0027% 이내에 들어와야 한다.

스트레인 게이지의 기원은 17세기로 거슬러 가 서 시작된다. 1666년 영국의 대화재 사건으로 인하 여 재건축붐이 일어나고, 이때부터 건축물의 구조 및 재료의 강도 보고서에 나타난다. Robert Hook의 보고서에 의하면 재료는 탄성 한계 내에서 가해준 하중에 비례적인 변형을 한다.

즉, 변형율은 초기 길이분에 변형 길이의 비로서 정의된다.

STRAIN = dL/L dL : 변형 길이, L : 초기 길이

스트레인의 단위는 Micro Strain이고 1/1,000mm 이다. 후에 Thomas Young 에 의해서 아래의 관계 식이 나왔다.

STRESS/STRAIN = Em Em : Toungs Modulus

19세기 Lord Kelvin은 스트레인과 저항체의 저항 변화 관계를 아래와 같이 정의 하였다.

dR/R : dL/L(STRAIN) R : 초기 처항값, dR : 변화된 저항값

Simnons와 Ruge박사팀이 1937년에 최초의 스트 레인 게이지 생산에 의해서 두식이 결합될 수 있 었다.

e = k×STRAIN×E e = 로드셀의 출력

= dR/R×E E : 인가 전압 k : 상수

이 스트레인 게이지는 1940년도에 들어와 상품 화가 이루어졌으며, 1942/43년도에 산업용 하중 측 정에 사용되었다. 그 당시 압력과 비틀림 측정용 변환기에 사용되었으며, 최초변환기(로드셀)의 정 밀도는 0.25%(1/400)정도였다.

스트레인 게이지를 금속 시편에 부착하고 금속 에 하중이나 외력을 가하면 스트레인 게이지의 저

항은 금속시편에 가해진 하중이나 외력에 직접 관 련되어 변화한다. 그 당시 스트레인 게이지는 직경 이 0.02mm의 가느다란 선을 사용하였으나, 1960년 대 0.005mm 두게의 금속 박막을 Photo Etching에 의해서 제작된 포일 스트레인 게이지(Foil Strain Gage)의 개발을 통한 균질화된 제품의 획기적인 양산성 증대, 70년대 이후 스트레인 게이지의 베이 스 재질(Backing Material)과 탄성체와의 접착이 로드셀의 특성에 결정적 영향을 미친다.

전형적인 접착층의 두께는 0.005~0.01mm이다.

스트레인 게이지

1. 스트레인 게이지의 원리와 구조

스트레인 게이지(Strain Gage)는 물리적인 변형 량(Strain)을 전기적인 신호로 바꾸어 피측정물의 변형량을 측정하는 저항센서이다.

(1) 기본원리

금속저항체를 당기면 길어지는 동시에 가늘어져 전기 저항값이 증가하고 반대로 압축되면 전기저 항이 감소한다는 것으로 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 L은 저항체의 길이. A는 단면적, ρ는 비 저항이다. 따라서 같은 소재의 저항체인 경우 길이 가 길어지고 단면적이 좁아 질수록 큰 저항값을

그림 1. 스트레인 게이지의 원리

R1>R2>R3

L/2 L

2L : R1

: R2

: R3 A/4

A

2A

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가진다.

<그림 1>과 같은 저항체를 측정하고자 하는 물 체에 부착시켜 길이 방향으로 이완, 수축시킬 경우 그 변형량에 비례하여 저항값의 변화가 생긴다. 특 히 부착시키는 저항체가 얇고 가늘수록 피측정물 과 같이 거동할 것이므로 물체의 변형량을 충분히 전달해 줄 것임을 예상할 수 있다.

(2) 구조 및 기능

<그림 2>는 스트레인 게이지의 구조와 피측정물 체에 부착시킨 상태에서의 단면도이다.

중요한 부분의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

① 변형량 감지 저항체

스트레인 게이지의 가장 주요한 부분이다. 보통 여러 가닥의 세선을 한 방향으로 배열하여 직렬 연결함으로써 감지량을 증대시킨다. 용도에 따라 Constantan, Karma, Nichrome등 금속 합금이 쓰이 고 있으나 구리와 니켈의 합금인 Constantan을 가 장 많이 쓰며 두께는 대략 5㎛정도로 사용한다.

② 보호재

변형량 감지 저항체를 물리적, 화학적인 손상으 로부터 보호하기 위하여 Backing소재와 같은 소재 로 보호(Encapsulation)를 하거나 전용의 Coating재 료를 이용하여 보호한다.

2. 스트레인 게이지의 용도

스트레인 게이지의 용도는 크게 응력해석용과 변화기용으로 나뉘어 진다.

(1) 응력해석용

측정하려고 하는 장소에 게이지를 붙이고, 그 장 소에서 외력에 의해 발생하고 있는 변형을 측정하 여, 그것에 가해진 힘(응력)을 알고, 그 재료, 구조 물 등의 성질을 알려고 하는 것

① 기계 요소의 설계 및 Test 부문

② 항공기, 자동차, 선박, 열차, Cable Car등 수송 기계의 설계 부문

③ 교량, 댐, 빌딩, 가드 레일, 산업용 구조물 등 에서 구조 해석

④ 금속, Plastic, 시맨트 등의 소재 산업

⑤ 스포츠와 의학 부문

⑥ 진동 등의 측정을 통한 환경 부문 (2) 변환기용

미리 정해진 재질, 치수에 해당하는 게이지를 붙 이고, 여러가지 물리량을 측정하기 위한 변환기용

① 로드셀(하중 변환기)

② 압력 센서

③ 토크(Torque)변환기

④ 가속도 변환기

⑤ 기타 물체에 변형을 줄 수 있는 여러가지 물 리량 변환기

로드셀

1. 로드셀의 기본원리

(1)원리

변형량 감지 저항체

게이지의 길이

BACKING TAB

그림 2. 스트레인 게이지의 구조

탄성체의 변형

하중

그림 3. 변형률 발생 원리

(4)

로드셀(Load Cell)은 힘(Force)이나 하중(Load) 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 힘이나 하 중을 측정하는 하중감지센서(Transducer)이다. 물 체는 힘이나 하중에 의하여 이에 비례하는 변형이 발생하며 단위길이당 발생하는 변형량을 변형률 (Strain)이라고 한다. 이때 발생되는 변형률은 힘이 나 하중의 크기에 직선적으로 변화하는 특징을 가 지고 있다.

공학적 필요에 의하여 변형률의 측정이 요구되 었으며 이를 위하여 개발된 측정소자(Sensor)가 스 트레인 게이지이다. 스트레인 게이지는“물체의 전 기 저항값은 길이와 단면 변화에 의하여 변화한 다.”는 원리를 기초로 한다.

로드셀은 힘이나 하중에 대하여 구조적으로 안 정된 변형을 발생시키는 탄성 변형체(Elastic Strain Member)의 수감부에서 발생하는 물리적 변형을 스트레인 게이지를 이용하여 전기저항 변화로 변 환시키고 Wheatstone Bridge라는 전기회로를 구성 하여 정밀한 전기적 신호로 변환시키는 원리를 가 지고 이루어져 있다(로드셀의 작동 원리 참조).

<그림 3>은 하중에 의한 탄성변형체의 변화와 여기에 부착된 스트레인 게이지 거동을 도식적으 로 나타낸 그림이다.

2. 로드셀 원리에 대한 공학적인 접근

앞에서 설명한 로드셀의 원리를 간단한 수식으 로 정리하여 나타내면 다음과 같다.

인장 혹은 압축을 받고 있는 재료에서 발생하는 응력과 변형률에 대한 관계는 아래의 식으로 간단 하게 나타낼 수 있다.

재료에서 발생하는 저항은 재료의 길이에 비례 하고 단면적에 반비례하게 나타난다. 스트레인 게 이지의 저항변화와 변형률 사이의 관계는 대부분 의 재료에서 선형적으로 나타나므로 다음과 같이

사용할 수 있다.

로드셀에 하중이 작용하여 변형률이 발생한 경 우 스트레인 게이지의 저항변화량 Wheatstone Bridge에 의해서 전압변화량의 값으로 환산하여 나 타난다. 이 관계는 아래의 식으로 나타낼 수 있다<

그림 4>.

여기서 R : 스트레인 게이지 저항값 R : 스트레인 게이지의 저항변화 K : 스트레인 게이지의 Gage Factor ε: 변형률(STRAIN)

σ: 응력(STRESS) E : 물체의 탄성계수 VOUT : 출력전압 VIN: 입력전압

3. 로드셀의 작동원리

그림 4

전형적인 로드셀 회로도 Wheatstone Brige

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(1) 로드셀 측정 시스템<그림 5>

(2) Load Cell Certificate(로드셀 검사 성적서) 로드셀의 성능시험은 제조 공정중 최종단계로서 각각의 로드셀에 대해서 행해지게 되며 그 특성은

<표 1>과 같다.

4. 로드셀 구조

로드셀은 크게 전기적 회로와 탄성변형체로 구 성되어 있으며 전기회로부는 일반적으로 <그림 6>

에 나타나 있는 Wheatstone Bridge회로로 구성되 어 있다.

로드셀의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 탄성변형체의 구조이며, 이 구조는 측정하고자 하 는 하중 특성, 용량 그리고 정밀도 등에 의해 결정 된다. 탄성변형체는 가해진 하중에 반응하여 스트 레인 게이지를 부착한 지점에 집중적으로 균일한 변형률을 발생시킬 수 있어야 한다. 변형률은 하중

힘/하중에 의한 탄성체 변형

하중데이타 출력부 전기회로 증폭 및 A/D변환 전기회로(Wheatstone Bridge) 스트레인 게이지의 저항변화

로드셀의 변형

데이터 출력 Software/Hardware

로

로드드셀셀 측측정정 시시스스템템

증폭 A/D변환 저항변화 Wheastone Bridge

그림 5

그림 6. 탄성체의 종류

① 굽힘형

② 인장, 압축형

③ 전단형

CALIBRATION CERTIFICATE 1996. 04. 13

MODEL DSB-25B SERIAL NO. S96041201 RATED CAPACITY 25tf EXCITATION 10V DC INPUT RESISTANCE 797.5Ω OUTPUT RESISTANCE 702.0Ω ZERO BALANCE -0.0102㎷/V

INSULATION RESISTANCE 2000M Ω at 50 V DC

TEMPERATURE EFFECT ON ZERO BALANCe 0.015% R.O./10℃

TEMPERATURE EFFECT ON RATED OUTPUT 0.015% R.O./10℃

COMPENSATED TEMPERATURE RANGE -10~+40℃

CATACITY OUTPUT(㎷/V)

0 0

50 0.9996

100 2.0004

50 0.9996

0 0

RATED OUTPUT 2.004㎷/V NONLINEARITY 0.030% R.O.

HYSTERESIS 0.005% R.O.

CREEP

0.030% R.O. for 20min

RED - +INPUT

WHITE - -INPUT

GREEN - +OUTPUT

BLUE - -OUTPUT

WIRING LIST COMPRESSION POSITIVE TESTED BY K H Kyun CERTIFIED BY J I Ryou

표 1

(6)

에 비례하여 직선적으로 변화하여야 하며 이 직선 성은 탄성체요소의 형상설계, 재료, 제조공정 등에 의하여 좌우된다.

탄성체의 형상에는 다음 3가지의 기본적인 유형 이 있다.

① 굽힘형(Bending Type)

② 인장, 압축형(Direct Stress Type)

③ 전단형(Shear Type)

<그림 6>은 ①, ② 그리고 ③에 대한 유형을 대 략적으로 나타내었다.

문의전화 : (02)2225-3500( ) www.cas.co.kr

용 어 해 설

5.1채널 스피커는 홈시어터나 게임분야에서 최근 보편화되고 있는 스피커 시스템 구성방식이다. 전방 에 3개의 스피커와 후방에 2개, 중저음 재생을 위한 우퍼를 배치해 현장감있는 사운드를 재생해준다. 5개 의 메인채널과 1개의 저음채널을 갖고 있는 형태기 때문에 5.1채널이라고 한다. ‘.1’이라는 말은 저음채 널의 경우 메인채널의 사운드 중 일부인 저음에 해 당하는 부분만을 담당하기 때문에 이같이 표시한다.

DVD에서 쓰이는 대표적인 5.1채널 디지털 포맷으로 는 돌비디지털(Dolby Digital)과 디지털시어터시스템 (DTS:Digital Theater System)이 있다.

돌비디지털은 DVD의 표준사운드 포맷으로 약자로 DD라고 하기도 한다. 대부분의 극장과 영화에서 기 본으로 채택하고 있는 사운드 포맷이며 디지털방송 의 표준 사운드기도 하다. DTS도 돌비디지털과 같은 5.1채널의 사운드 포맷이지만 재생방식과 압축방법에 있어서 차이가 있다. 음의 손실이 적으며 극장에서는 별도로제작된 CD에 따로 사운드가 담겨 재생된다.

DVD타이틀에서는 돌비디지털을 기본으로, DTS를 옵션으로 사용하고 있으며 DTS타이틀과 포맷에 대한 수요가 점점 늘면서 돌비디지털과 함께 양대 사운드

포맷으로 정착되는 추세다.

CNS(Car Navigation System)는 전자수치지도와 지 상위치탐색시스템(GPS) 위성을 이용한 차량항법시스 템을 말한다.

CNS는 GPS 위성으로부터 전파를 받아 차량 내부 의 전자지도상에 차량의 현재 위치 및 진행방향을 표시자의 위치를 표시, 목적지까지의 최단경로를 나 타내준다.

자동차 운전자의 편의를 위한 이 시스템을 통신망 과 연결하면 사고 및 도난차량 감지를 위한 차량위 치추적시스템(AVLS:Auto Vehicle Location System)으 로도 활용할 수 있다. 또한 물류회사 등에서는 직원 들 간의 연락망으로 사용하는 등 사내 자체 통신망 으로도 이용할 수 있다.

CNS는 해외에서는 고급 차종을 중심으로 서서히 시장이 확산되고 있으며 특히 일본에서는 이 시스템 이 94년부터 3년간 연속 10대 히트상품으로 선정될 만큼 좋은 반응을 얻고 있다.