- 로드 셀 (Load cell)

(1)

7장 힘· 토크 · 촉각 센서 (B)

(2)

CNU EE ^7-2

힘· 토크 · 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서 (Tactile sensor)

(3)

7.4 로드 셀

- 로드 셀(load cell; 하중센서)은 물체의 하중을 측정하는 센서이다.

- 스트레인 게이지가 개발되기 이전에 사용되었던 기계식 로드 셀은 안전 및 청정(오염)을 최우선으로 생각하는 곳이나, 또는 전력이 요구되지 않는 곳에 서 일부 사용되고 있을 뿐, 현재는 스트레인 게이지 로드 셀(strain gage load cell)로 대체되었다.

- 로드 셀은 인가중량에 응답해서 일어나는 탄성체(spring element;

보통 beam이라고 부른다)의 변 형을 압축, 인장, 굽힘, 전단 등의 형태로 검출한다.

- 탄성체는 응답하는 응력에 따라 밴딩 비임(bending beam), 전단 비임(shear beam), 기둥(column) 또는 캔니스터(canister), 나선

(helical) 등으로 부르며, 이중 가 장 널리 사용되는 디자인은 밴딩 비임과 전단 비임이다.

(4)

CNU EE ^7-4

§ 밴딩 비임 로드셀

- 밴딩 비임 로드셀(bending beam load cell)은 간단하고 저가이기 때문에 가 장 널리 사용되는 로드 셀 구조 중의 하나이다.

- 밴딩 비임 구조 :

> (a) : 캔틸레버 비임(cantilever beam) : 최대 휨(deflection)는 자유단(free end)에서 일어나고, 최대 변형(strain) 위치는 고정단(fixed end)

> (b) : 비임 양단을 단순히 지지하는 구조 : 최대 휨과 변형은 힘을 인가하 는 위치에서 일어난다

> (c) : 비임의 양단이 고정된 구조 : 최대 휨은 힘의 인가 점에서 일어나지 만, 최대 변형은 힘의 인가점(+변형)과 고정된 양단(-변형)에서 일어난다.

(5)

- 밴딩 비임 로드 셀의 기본 구조와 원리:

> 빔에서 최대 변형이 발생하는 고정단 위치에 위 면에 2개의 스트레인 게 이지(1,3), 밑면에 2개의 게이지(2,4)를 부착한다.

> 하중 F가 x점에 인가되면, 게이지 1, 3에는 인장력이, 게이지 2, 4에는 압 축력이 작용한다. 그 결과 각 게이지가 받은 변형은 다음과 같다.

4 2 3

2 1

6 Ebh

= Fx -

=

= -

= e e e

e

⁽²⁴⁾

(6)

CNU EE ^7-6

> 따라서, 게이지 1,3의 저항은 증가하고, 게이지 2,4의 저항은 감소한다.

각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다.

2 4

4 3

3 2

2 1

1

6 Ebh Fx S

R R R

R R

R

_g

D = - D =

(25)

(24)

> 출력 전압 : 식 (23)으로부터

in g

o

V

Ebh Fx V 6 S

₂

=

> 이와 같이, 출력전압은 하중 F 에 비례한다.

> 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh), 하중인가점 의 위치(x), 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다.

(7)

• 밴딩 비임 로드 셀의 예

- 그림 (a), (b) : 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

> 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인

> 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다.

> 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로 써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는 장점을 가진다.

> 비임의 구조만 적절히 설계되면, 감도, 안정도, 직선성, 정밀도가 매우 우 수한 특성이 얻어진다.

- 그림 (c) : S자형 비임으로, 스트레인 게이지는 중심부의 센 싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다.

이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

(8)

CNU EE ^7-8

§ 전단 비임 로드셀

- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

> 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나, 전단 비임에서는 양 측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬.

> 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한 전단응력을 만든다.

> 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45° 방향에서 최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45° 방향으로 표면 양측에 부착됨

> 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면, 가공이 어렵다는 단점이 있다. 동일 용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사 용된다.

(9)

- 전단 비임 로드 셀의 예

> 그림 (a) : 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임 의 일부를 감소시키고, 이 부분(비임 양측에 있 음)에 45° 각도로 스트레인 게이지를 부착한다.

> 그림 (c) : 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가 하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다. 대용량에 사용되며, 안정 도가 우수하다.

> 그림 (b) : 중·대용량 로드 셀에 사용되는 것으로, 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에 덜 민감하다.

☜ (b) 사각형 전단 비임 (a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam ☞

(10)

CNU EE ^7-10

§ 기둥형 로드셀

- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

> 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게 이지를 종방향으로, 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방 식이다.

> 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

(11)

- 기둥형 탄성체의 종류

> 그림 (a) : 사각형(square), 그림 (b) : 원통형, 그림 (c) : 속이 빈 원통형

> 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다.

> 기둥형 탄성체에서, 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서, 최대 변형 은 횡방향 중심에서 일어나며, 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio; L/w)에 의해서 결정된다.

> 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다.

> 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된 다. (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

(12)

CNU EE ^7-12 - 기둥형 로드 셀의 예

> 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다.

> 트럭, 탱크, 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다.

> 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나, 정밀도가 낮으며, 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한 다.

(13)

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0.453592kg

(14)

CNU EE ^7-14

§ 링형 로드셀

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

> 그림 (a) : 프루빙 링(proving ring) 구조

> 그림 (b) : 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다.

> 그림 (c) : 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형 프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조

> 그림(a), (b)에서는 휨을 점선으로, 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검 은 점으로 강조해서 나타내었다.

> 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다. 그러나, 거 의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90°되는 방향에서도 일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

(15)

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조

> 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다.

> 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다.

> 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다.

> 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용 소형, 소하중 로드 셀에 적합하다. 방향도 인장형, 압축형 모두에 사용이 가능하지만, 대용량 제작이 어려운 단점이 있다.

(16)

CNU EE ^7-16

§ 로드 셀의 선택

(17)

§ 로드 셀 응용

Truck Scale Crane Scale

Electronic Scale

(18)

CNU EE ^7-18

7.5 토크 센서

- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의 해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용 되고 있다.

§ 토크 센서의 원리

- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l 에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) F_t는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다. 그와 같은 힘의 유효성은 F_t과 l 에 따라 증가하는데, 두 량의 곱 F_tl 를 모멘트(moment)라고 부르며, 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다.

l F

T =

_t

= ( cos b )

(19)

- 평형상태에 있는 강체(剛體; rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크 가 인가되었다면, 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다.

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고, 실제의 탄성체는 완전한 강체가 아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다. 축 표면에서 전단변형은 최대 로 되고 다음 식으로 주어진다.

G d

T

m 3

16 g = p

- 전단변형은 그림 7.25(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다. 이와 같이 토 크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다. 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는

다음의 관계가 있다.

G T d

L

4

32 q = p

(20)

CNU EE ^7-20 - 위 식으로부터

(a) 각도를 검출하거나,

(b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형 을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다.

- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고, 방법 (b)는 스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다.

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다.

그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고, 그림 (b), (c), (d)는 모두 감 도를 향상시키기 위한 구조이다.

(21)

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다.

- 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다. 축에 비틀림이 생기면 축에 대해 45° 방향에 압축력과 장력이 발생하므로, 4개의 스트레인 게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다.

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나, 외부에서 전 압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다.

→ 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다.

(22)

CNU EE ^7-22 스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

(23)

§ 광학적 방법에 의한 검출

- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다.

- 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다.

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern), 광원, 반사광을 검출하는 광센 서로 구성되어 있다.

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다.

그러므로, 패턴에 따라 광 센서에서 주기적인 신호가 출력된다.

- 이때, 비틀림 때문에 두 개의 출력신호 사이에는 위상차가 존재하고, 그 위상 차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의 수로 변환된다.

(24)

CNU EE ^7-24 - 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어, 비틀

림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로, 이것을 광센서로 검출하여 아날로그 신호로 출력한다.

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다.

또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다.

(25)

§ 각종 토크 센서 및 특성 예

(26)

CNU EE ^7-26

7.6 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서, 센 서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter), 즉 접촉에 의해 영향 받는 국 부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다.

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서, 촉 각 센서는 작은 영역에 국한된다.

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다.

§ 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) : 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정 한다. 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검 출한다.

② 촉각 센싱(tactile sensing) : 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적 분포를 측정하고, 이것을 해석하는 것을 의미한다.

③ 슬립(slip) : 슬립은 센서에 대한 물체의 이동을 검출하는 것을 의미하며, 특별히 설계된 슬립 센서(slip sensor)를 사용하거나, 또는 접촉센서나 촉 각센서에 의해서 얻어진 데이터를 해석해서 측정된다.

(27)

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며, 접촉센싱은 2차원, 촉각센싱(압각분포)은 3차원, 슬립은 이동으로 된다.

(28)

CNU EE ^7-28 - 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트

(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다.

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져 접촉 패턴이 얻어진다. 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러 먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

§ 촉각센서의 일반적 구성

(29)

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

§ 저항식 촉각센서

> 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은, 구리 알루 미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다.

> 도전성 고무의 저항은 10⁸ Ω·cm 이고, 압력을 가하면 10²[Ω·cm]까지 감 소한다고 보고되고 있다.

> 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무 판이 변형되고, 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감 소한다.

(30)

CNU EE ^7-30 - 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다.

- 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고, 하부전극은 포인트가드 링(dotand guard ring； ◉) 형태로 되어있다.

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극 간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다.

- 힘 F로 p점을 누르면, 점 pb 사이의 저항 값이 R_o에서 R로 감소하고, 이 변 화는 전류 i_b의 변화로 검출된다.

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에 저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다.

(31)

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다.

- 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며, 그 저항값 은 인가되는 힘에 따라 변한다.

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고, 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다.

(32)

CNU EE ^7-32 - 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면, 더 우수한 촉각

센서를 만들 수 있다.

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

§ 압전식 촉각센서

> 센싱 필름 : 3층으로 구성된다.

상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고, 중앙부의 압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며, 실리콘 고무가 자주 사용된다.

> 압축 필름의 유연성의 정도가 센서의 감도와 동작범위를 결정한다.

(33)

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다. 이 구동신호는 하부 PVDF 필름을 수축시키고, 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상 부 PVDF 필름에 전달된다.

- 압전현상은 가역적이므로, 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적 진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다. 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기 (synchronous demodulator)에 입력된다.

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다. 이제 압축력 F가 상부 필름 에 인가되면, 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호 의 진폭과 위상을 변화시킨다.

- 복조기는 이 변화를 인식하여 전압 변화로 출력한다.

(34)

CNU EE ^7-34

§ 광학식 촉각센서

- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례 - 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다.

- 탄성고무로 된 맴브레인은 유리판을 접촉 없이 덮고 있다.

- 외부에서 힘이 작용하지 않으면, 유리판의 한쪽 끝에서 도입된 빛은 내부 전 반사를 통해 유리판을 따라 진행한다.

- 만약 외부 물체가 접촉해서 힘 F 가 가해지면, 그 부분의 탄성 맴브 레인이 변형을 일으켜 그림과 같 이 유리판에 접촉된다.

- 따라서, 유리판 내부를 진행하던 빛은 맴브레인-유리 접촉부에서 산란되고, 유리판을 통과해 빠져 나온 빛은 포토다이오드 어레이 에 의해서 검출된다.

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리 되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로 변환한다.

(35)

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab. Tokyo University.).

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet.

§ 촉각센서의 응용

(36)

CNU EE ^7-36

힘· 토크 · 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

(37)

Sensor System Design

(38)

- 3주간 Team project 수행

- 최종 발표시 프로그램, 발표자료, 동영상 제출 - 발표 당일에 시연