실제로 세 가지 방법이 사용되고 있다.

포스 트랜스듀서를 사용하여 포스를 측정하는 방법은 정확도가 높은 점 등의 여러 가지 장점이 있다. 그러나 포스 션트에서 포스를 측정하는 것이 더 좋은 경우도 있다. 이 경우에는 어플리케이션에 정밀하게 매칭되는 특수 센서를 사용할 수 있다. 여기에서는 포스 션트에서 측정 작업에 사용되는 세 가지 방법을 설명한다.


보정된 포스 트랜스듀서는 보정 중 특성 곡선, 즉 가해진 포스와 출력 신호와의 비율이 정해진다는 장점이 있다. 이는 현장에 설치한 후에도 쉽게 재현될 수 있다. 이를 위해서는 포스 트랜스듀서가 반드시 포스 플로우에 부착되어야 하고 포스 션트가 없어야 한다. 그리고 전체 포스가 트랜스듀서를 통한 플로우를 측정할 수 있어야 한다.


이는 포스 트랜스듀서의 특성, 즉, 강성과 동특성이 전반적인 디자인에 영향을 끼친다는 것을 의미한다. 그 외에도 강한 포스용 포스 트랜스듀서는 스트럭쳐가 매우 크다.
그 밖에도, 포스 측정은 포스를 측정해야 하는 구조물의 변형을 바탕으로 수행할 수 있다. 여기에는 세 가지 방법이 있다.


다음 세 가지 방법을 사용할 수 있다.

• 스트레인 게이지 설치
• 스크류-온 타입 스트레인 트랜스듀서 사용, 통합 전기 장치의 경우에도 사용
• 스트레인 게이지 또는 피에조(piezo) 테크놀로지를 바탕으로 포스 와셔 사용


다음 표는 위 방법의 핵심 장단점이다.

스트레인 게이지 설치 스트레인 트랜스듀서 사용 포스 와셔 사용

장점 

 
  • 과도한 포스션트로 인헤 다른 방법을 사용할 수 없고 약한 포스가 가해지는 손상되기 매우 쉬운 구조물에 잘 맞음  
  • 최소공간 필요
 
 
  • 기존 구조물에 체결하여 쉽게 설치 가능, 빠른배치 가능
  • 여러 센서를 병렬로 연결했을 때 억제되어야 하는 스트레인 영향 보정
  • 통합 전자 장치 버전은 어플리케이션에 쉽게 보정 가능
 
 
  • 볼트 또는 스크류 사용에 이상적
  • 높은 보호 기능
  • 설치 준비가 완료된 상태로 배송
 
단점
 
 
  • 설치 작업(결합, 배선, 보호코팅)
  • 포스 션트의 보정
 
 
  • 포스션트의 보정 필요(통합 전자 장치로 영향을 줄일 수 있음)
 
 
  • 포스 션트 보정 필요
 

스트레인게이지를 사용하여 구조물 포스 측정하기

그림 1: VY41 스트레인 게이지. 이 스트레인 게이지는 전체 브리지 회로에 연결 준비가 되어 있어, 배선 작업에 들어가는 노력을 최소화한다. 이 경우 설치에 필요한 45도 얼라인먼트 마크를 확인

포스 측정을 위해 직접 스트레인 게이지(strain gauges)를 설치하면 여러 가지 장점이 있다.


결합된 스트레인 게이지(SG)는 실제로 테스트 시 물체의 구조에 거의 영향을 끼치지 않는다. 구조물의 강성과 동특성은 전체적으로 거의 변하지 않는다. 스트레인 게이지는 연약한 구조물에 사용해야 하는 경우에도 아주 작은 포스만 변형하면 되기 때문에 보다 그 장점이 뚜렷해진다.


이 설치 방법의 경우, 스트레인 게이지의 풀 브릿지(full bridge)가 사용되며, 제대로 선택한 경우, 이는 와류 효과(굽힘 모멘트 또는 토션)를 보정하거나 이러한 효과[1], [2]를 측정한다.


작업물에 굽힘 모멘트를 가하지 않는 신장/압축 하중을 가정했을 때, 스트레인 게이지의 풀 브릿지, 예를 들어 45도 각도로 설치된 HBM의 VY41은 이상적인 솔루션이 된다.


이러한 측정 브릿지의 출력 신호는 푸아송비(Poisson’s ratio)와 스트레인 레벨, 그리고 사용되는 스트레인 게이지의 게이지율(gauge factor)에 따라서만 달라진다. 이는 다음과 같이 계산할 수 있다.

  
 
여기에서:


U/U0      측정 브릿지의 출력 신호
k            스트레인 게이지의 게이지율
ε            스트레인 게이지의 스트레인 레벨
µ            푸아송비 (Poisson's ratio)


강철 구조물의 기계적인 스트레스가 20MPa이고, 그 결과 스트레인이 100µm/m, 게이지율이 2라고 했을 때, 위의 공식은 통해 출력 신호가 0.13mV/V임을 계산할 수 있다.


이 계산은 결합된 스트레인 게이지의 단점에 대해서도 보여준다. 구조물이 정해진 강성에 도달할 수 있으려면 도달될 수 있는 출력 신호가 아주 작아진다.


게다가, 스트레인 게이지는 현장에 설치해야 한다. 따라서 보호 코팅이 필요하다. 그 외에도 스트레인 게이지는 각별히 조심하면서 연결해야 하기 때문에 설치하는데 시간이 많이 소요된다. 스트레인 게이지의 설치 방법과 필요한 접착제 및 보호제는 제공된 설명서나 HBM 책자 및 사이트 또는 세미나 등에서 상세하게 설명한다.


구성요소의 제어된 약화는 측정하는 브릿지의 출력 신호를 높이는 손쉬운 방법을 제공한다. 그러나 이는 물체의 강성에 영향을 미친다. 따라서 동특성과 안정성에도 영향을 미친다.

스트레인 트랜스듀서를 사용하여 포스 측정하기

그림. 3: SLB 스프링 요소: 이 그림은 스트레인 게이지가 설치된 스트레인 영역을 분명하게 보여준다.
그림. 2: 스트레인 게이지 기반 SLB700 스트레인 트랜스듀서

스트레인 트랜스듀서는 기존 구조물에 설치할 수 있는 센서이다. 이 트랜스듀서는 스트레인 게이지의 풀 브릿지가 설치된 스프링 요소를 기반으로 한다.


그림에서 볼 수 있듯이, 이 스트레인 트랜스듀서에는 실리콘 코팅이 되어 있어(트랜스듀서의 백색 부분) 습기로부터 보호함과 동시에 기계적인 보호 기능도 어느 정도 제공한다.


스트레인 트랜스듀서는 스트레인 트랜스포머의 원리를 바탕으로 한다. 설치된 스트레인 게이지 영역의 스트레인은 두 개의 스크류 연결 사이의 스트레인 값보다 크다.


그림 3SLB 스프링 요소를 보여준다. 트랜스듀서에 가해진 스트레인은 스트레인 게이지가 설치된 구역에 집중된다. 그 이유는, 바로 여기에서 상당히 감소된 강성이 사용되기 때문이다. 스트레인의 대략적인 과도 증가분은 다음과 같이 계산할 수 있다:

 

여기에서:

εSG스트레인게이지 아래 존재하는 스트레인
εObject체결된 연결부 사이의 스트레인
lStrain sensor체결된 연결부 사이의 거리
lStrain zone구조적으로 약회된 영역의 길이

이 보기에는 몇 가지 이상화된 부뷴이 있다. 

먼저 스트레인 적용 구역에 스트레인이 없음을 가정하고 있다. 물론 이것은 엄격하게 말해서 사실이 아니다. 스트레인 트랜스듀서의 감도는 두 개의 스크류 체결 부 사이의 거리와 스트레인 구역의 길이 비율로 조절할 수 있다. 원칙적으로는 매우 높은 감도를 확보할 수 있지만, 실제로는 500 µm/m에서 1.5 mV/V의 출력 신호를 시험하는 것이 좋아. 그러면 위에서 설명했듯이, 스트레인 게이지의 풀 브릿지와 비교했을 때 감도가 230%까지 증가하게 된다.


구성요소의 온도 팽창은 알맞은 회로 방식으로 보정된다.


그 외에도, 통합 전자 장치가 있는 스트레인 트랜스듀서를 사용할 수 있는데, 이는 어플리케이션에서 보정 가능하기 때문에 훨씬 더 효율적인 측정 체인을 제공한다.


전자 장치가 없는 센서는 700 Ω의 높은 브릿지 저항을 갖는다. 이를 통해 여러 개의 스트레인 트랜스듀서를 과도하게 높은 증폭기 공급 전기 없이 병렬로 연결할 수 있다.


이 측정 방식은 억제해야 하는 스트레인 영향보정할 수 있게 한다. 예를 들어, 컬럼에 가해지는 미는 힘을 모니터링하기 위해서는 신장/압축 하중으로부터 관련되어 있는 스트레인 부분만을 얻게 된다.


두 개의 스트레인 트랜스듀서를 병렬로 연결했고, 같은 높이에서 서로 마주보도록 부착했다고 가정해보자. 굽힘 하중 하에서, 한 개의 트랜스듀서는 더 높은 스트레인을 경험하게 되고, 다른 한 개는 같은 양만큼 더 낮은 스트레인을 경험하게 된다. 전체적으로, 신장 또는 압축 하중에 의한 스트레인 부문만이 측정되는 것이다. 굽힘 하중은 보정된다.


HBM의 SLB 스트레인 트랜스듀서4개의 M6 스크류를 사용하여 구조물에 부착할 수 있다. 이를 위해서는 페인트나 다른 코팅제가 없는 평평한 표면만 있으면 된다. 권장되는 토크로 스트레인 트랜스듀서를 스크류로 부착할 때에는 ABM75 포일과 같은 부식 방지제를 사용하는 것이 좋다. 그 다음에는 센서를 사용할 준비가 된 것이다.

포스 와셔를 사용하여 포스 측정하기

그림. 5: CFW 압전기 포스 와셔, 20~700kN로 사용 가능. 여기에서는: 330 및 700 kN
그림. 4: KMR 포스 와셔, 초소형 디자인, 20 kN 공칭(정격) 포스
그림. 6: 툴 모니터링을 위해, 포스 와셔는 스크류 연결 부위에 작용하는 포스를 측정한다.

포스 와셔는 스트레인 게이지 또는 피에조 테크놀로지를 기반으로 할 수 있다. 선택한 원리에 상관 없이:


포스 와셔는 볼트스크류 모두에 사용될 수 있다. 따라서 포스 와셔의 내경은 주로 사용되는 나사산 외경(미터법)에 일치한다. KMR  포스 와셔의 데이터 시트에는 인치 치수도 명시되어 있다.


포스 션트는 포스 와셔가 설치된 볼트나 스크류에 의한 것으로, 병렬 스프링 요소로서의 기능을 하며 측정 장치의 감도를 줄이는 역할을 한다. 이 경우, 약 10%의 값이 예상되어야 한다.
그렇기 때문에 포스 와셔는 공장에서 보정될 수가 없다.

 이 경우, 위에 다른 두 가지 방법과 유사한, 포스 션트의 보정 작업이 항상 필요하게 된다.


좋은 재현성을 보장하기 위해서는 반드시 포스 와셔에 프리-스트레스를 가해야 한다. 이 힘의 크기는 센서의 공칭(정격) 포스와 측정할 포스에 따라 달라진다. 50%로 가했을 때 포스 와셔에 최대 굽힘 모멘트가 발생할 수 있다. 이상적으로 프리-스트레스는 총 프리-스트레스와 작용력이 평균적으로 포스 와셔의 공칭(정격) 포스의 50%가 되어야 한다. 이 권장사항은 특히 [3]의 압전기 포스 와셔(piezoelectric force washers) 에도 적용된다.


포스 와셔는 높은 보호 성능을 제공하며 부착 준비가 완료된 상태로 배송된다. 이 관점에서, 포스 와셔는 스트레인 트랜스듀서와 같은 장점을 제공한다고 할 수 있다. 포스 와셔는 공칭(정격) 포스와 상관 없이 압전기 트랜스듀서와 충분한 감도를 제공하기도 한다.


HBM 제품의 공급 범주에는 전체 환경에 균일한 포스 분포를 보장해주는 스트레인 게이지-기반의 트랜스듀서와 포스 적용을 위한 와셔가 포함된다. 이 와셔를 사용할 수 없는 경우에는 트랜스듀서와 닿는 표면이 딱딱하고(43HRC) 연마가 되어 있어야 한다. 자재의 비평탄성은 20 µm를 초과해서는 안 된다.

포스션트에서 측정체인 보정하기

제시된 세가지 방식은 모두 설치 후 측정 체인을 보정해야 한다. 이는 최소한 두 개의 알려진 포스지점에서 측정을 해야한다는 것을 의미한다. 그 다음에는 센서 출력 신호가 포스에 할당된다. 센서의 동작이 타이트하게 정해진 오류 한도 내에서 선형이고, 이러한 방식은 높은 정밀도의 측정 작업에 사용할 수 없다는 점에서, 일반적으로 투-포인트 보정은 충분하다고 할 수 있다.

스트레인 트랜스듀서의 통합 전자장치는 이러한 이론을 따른다. 보정을 위해서는 제로포지션(zero position)에서의 측정과 전자 장치에 컨트롤 임펄스(control impulse)가 전달되기만 하면 된다. 최대 포스가 가해진 경우에는 또 다른 컨트롤 임펄스가 필요하다. 그러면 전자 장치가 자동적으로 조절된다. 물론 개인팩터(gain factor)를 변경하지 않고 개별적으로 제로잉 (zeroing)도 할 수 있따.

제로 스트레인은 1v에 해당하고, 최대 스트레인은 9v로 변환된다. 그러나 출력 범위는 0에서 10v로 설정되어 오버로드  또는 네거티브 스트레인데 대해 각각 10%의 측정범위를 제공한다. 전자 장치는 네거티브 입력 스트레인을 포지티브 출력 전압으로 변환할 수 있다. 현재 버전에서는 4...20mA의 츨력 범위를 제공한다.

포스션트에서 포스 측정하기: 결론

여기에서는 포스 션트에서 포스를 측정하는데 다양하고 유용한 방법을 사용할 수 있음을 보여준다. 모든 방식은 공통적으로 미미하게(있다고 하더라도) 전체적으로 구조물의 기계적인 동작에만 영향을 끼친다.


그러나 SG 또는 피에조 테크놀로지 기반의 포스 트랜스듀서높은 정확도가 필수적인 경우 가장 먼저 선택해야 한다. 다음과 같은 이유 때문이다:

  • 트랜스듀서가 이미 높은 정밀도로 보정되어 있기 때문에 설치 후 포스 트랜스듀서를 조절할 필요가 없다. 포스 션트에서 포스를 측정할 때에는 항상 물체에서 직접 보정을 해야 한다.
  • 포스 트랜스듀서의 측정 불확실성이 알려져 있고 포스 트랜스듀서 모델의 선택으로 영향을 받을 수 있다.
  • 높은 품질의 트랜스듀서(예: HBM의 S9M는 0.02의 정확도 제공)를 사용하면 포스 션트에서 측정했을 때는 확보할 수 없는 높은 정확도를 확보할 수 있다.

    참고문헌

    [1]Karl Hoffmann, “Eine Einführung in die Technik des messens mit Dehnungsmessstreifen”, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 1989
    [2]Stephan Keil, “Beanspruchungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen”, Genius Verlag, 1995
    [3]T. Kleckers, „Piezoelektrische Kraftaufnehmer : 5 Regeln für Installation und Montage“, HBM Homepage, 2009

     

     

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