압전형 힘 트랜스듀서의 설치와 마운팅에 관한 5가지 규칙

피에조 힘 센서는 산업 환경에서의 어플리케이션에 유용하게 사용됩니다.

  • 피에조 일렉트릭 힘센서는 초소형의 콤팩트한 사이즈 센서입니다.
  • 피에조 일렉트릭 측정 체인은 높은 오버로드 범위를 지님과 동시에 형태 변형성이 매우 작습니다.
  • 덕분에 높은 강도와 뛰어난 측정 정확도를 자랑합니다.

1. 초기 응력이 꼭 필요한가요 ?

HBM이 제공하는 압전형 힘 트랜스듀서 설계는 두 가지가 있습니다.

CFT 힘 트랜스듀서는 보정을 거치며 시험 확인서와 함께 전달됩니다.

이러한CFT 힘 트랜스듀서들은 내부적으로 이미 응력을 받은 상태이므로 이를 즉각적 어플리케이션에 이용할 수 있습니다.

갱신한 측정 보정 체인은 필수적 요소가 아닙니다. 

CFW 힘 와셔는 상당히 평평하게 설계되었으며 응력을 받지 않은 상태입니다. 마운팅 단계에서 응력을 가하도록 합니다.

이러한 트랜스듀서들은 설치 상태에서 설정을 보정해야 합니다.

트랜스듀서의 선형성과 구조적 안정성을 확보하기 위해 힘 와셔의 응력 압축이 필요합니다.

여기서 응력 압축이란 다른 기계적 요소가 힘 트랜스듀서에 평행하도록 마운트되는 것을 뜻합니다.

당사에서는 힘 와셔를 정격 힘의 최소 10%까지 응력 압축하는 것을 권장합니다. 힘 와셔 자체는 초기 응력을 결정하는 데에 사용할 수 있습니다.

이제 응력 압축 요소를 통해 측정하는 힘의 일부가 이동됩니다. 응력 압축과 힘의 이동은 설치 상황에서 결정됩니다. 그러므로 마운팅이 완료된 후 힘 와셔를 설정 보정하는 것이 중요한데 이는 즉 트랜스듀서의 출력 신호를 알려진 힘과 비교하기 위해서입니다. 측정 결과의 정확도는 주로 설정 보정의 정확도에 기반합니다.

 

 

2. 출력 신호의 품질 높이기

차지 앰프의 블록 다이어그램

차지 앰프의 블록 다이어그램

압전형 트랜스듀서의 차지 출력은 차지 앰프로 인해 비례 전압으로 곧바로 변환됩니다.

압전형 센서는 동력, 즉 제로 이외의 점 관련 측정에 이상적인 센서입니다. 압전형 측정 체인으로 발생한 드리프트 매우 낮아 높은 필요조건에도 정확도에 영향을 미치지 못합니다.

드리프트는 차지 앰프의 영향입니다. 마운팅과 연결이 올바르게 시행되었다면 트랜스듀서에서 드리프트가 나타나지 않습니다. 석영 및 13mN/s의 갈륨 인산염을 센서 소재로 사용했을 경우 측정 체인의 최고 드리프트는 0.1 pC/s 또는 25 mN/s입니다.

드리프트를 낮게 하려면 다음 두 가지를 기억하세요.

 

1. 차지 앰프의 작동 도중 움직임

차지 앰프는 측정이 시작되기 최소 한 시간 전에 작동해야 합니다.

2. 깔끔한 연결

트랜스듀서와 차지 앰프 사이 케이블의 절연 저항이 지나치게 낮다면 낮은 절연 저항으로 인해 차지가 방출되듯이 측정 체인이 드리프트를 일으킵니다. 압전형 측정 체인 드리프트를 낮게 유지하려면 플러그와 소켓을 항상 깨끗하게 관리해야 합니다.

개방 접촉기의 표면을 손으로 건드리면 필요 절연 저항을 감소시킬 수 있으므로 주의하도록 합니다.

또한 센서와 차지 앰프를 완전히 연결할 때까지 센서와 차지 앰프의 소켓에 보호 캡(전달 범위)를 씌울 것을 권장합니다. 연결이 해제되면 보호 캡을 조여 다시 고정합니다.

압전 트랜스듀서는 훌륭한 품질의 동축 케이블을 이용해 차지 앰프와 연결하도록 합니다. 이러한 이유로 HBM에서는 1-KAB143/3 케이블을 기본 제공합니다. 이 경우에 케이블이 손상을 입게 되면 수리하지 않고 교체하도록 합니다.

측정 체인을 항상 연결된 케이블과 안전 캡으로 보호된 센서로 작동시킬 경우 대부분의 오염 접촉 발생을 막을 수 있습니다.

 

 

3. 오염된 소켓 관리

그러나 모든 가능한 관리를 하고도 소켓이 오염되었다면 다음 방법을 통해 위생적인 관리가 가능합니다.

  • 우선 소켓을 해제합니다.
  • 소켓의 하얀 면을 청소용 패드(예: HBM 주문 번호 1-8402.0026)로 마른 상태에서 닦습니다.
  • 소켓에 이소프로판올(예: RS 구성요소 중 IPA200)을 분사합니다.
  • 새 청소용 패드로 닦아냅니다.

케이블 플러그는 케이블이 오염된 경우에도 닦을 수 없습니다. 대신 교체가 필요합니다.

청소용 패드 RMS1은 변형계의 설치 지점을 청소할 때에 사용하며 압전 센서를 닦는 데에는 적합하지 않습니다.

 

 

4. 측정 주변 환경 최적화

트랜스듀서 온도가 특성 곡선에 미치는 영향:

온도가 트랜스듀서의 감도에 미치는 영향은 0.2%/10K로 매우 낮으며 대부분의 어플리케이션에서 큰 지장을 주지 못하는 수준입니다.

온도 변화는 열 응력으로 이어집니다. 이에 더해 응력 압축 요소의 E 계수는 온도에 의지하는 경향이 있습니다.

출력 신호가 온도가 변화하는 경우에만 변화한다는 사실은 중요합니다. 정지 상태에서는 차지가 생성되지 않으며 온도 변화는 측정에 아무런 영향을 주지 못합니다.

다음 사항을 준수하면 온도의 영향을 최소화할 수 있습니다.

 

  • 센서는 어플리케이션 온도에서 적정 시간 동안 보관합니다.
  • 손의 열이 센서의 온도를 고르지 못하게 할 수 있으므로 측정 직전에는 센서와 접촉하지 않습니다.
  • 매 측정 주기마다 리셋을 가동합니다

드리프트와 온도 변화의 영향력은 특히 측정 시간이 분 단위로 들어가고 힘이 더 강해질 때 극도로 미미하며, 따라서 측정 시에 관련 부정확을 불러올 수 있습니다.

5. 하중 한계값 주의

압전형 힘 트랜스듀서에서 수정을 힘의 방향대로 배치하고 있습니다. 측정 요소(석영이나 갈륨인산염)는 최대 수직항력의 각 트랜스듀서를 고려해 설계합니다.

적용된 휨 모멘트는 수정이 한쪽으로 더 강하게 부하될 수 있으며 부하가 다른 쪽에서 약해질 수 있으므로 트랜스듀서의 과부하로 이어질 수 있습니다.

최대 기계적 응력은 수정의 휨 모멘트와 축력의 부하 응력이 유발하는 응력을 더해 계산합니다. 허용되는 최고 표면 압력은 어떤 상황에서도 초과해서는 안 됩니다.

압전형 트랜스듀서에서 출력 신호가 수직(정격)항력에 의존하지 않을 때 이러한 경우 과부하를 피하기 위해 더 높은 수직항력의 트랜스듀서를 고르는 것이 가능합니다. 다음 다이어그램은 최대 허용 가능 휨 모멘트를 제시하고 있으며 이는 과정 힘에 의존합니다. 가장 높은 허용 가능 휨 모멘트는 부하 응력 50%의 힘 와셔로 수용 가능합니다.

만약 사이드의 힘으로부터 휨 모멘트가 발생할 경우, 횡력 또한 발생하면서 최대값을 감소시킵니다.

수정 한쪽 면의 더 높은 자재 응력이 다른 쪽의 더 낮은 응력으로 상쇄될 때 낮은 휨 모멘트로 인한 측정 오류가 발생합니다.

압전형 힘 와셔(1-CFW/50kN)가 100Nm의 휨 모멘트로 부하될 때 이는 -2.3N의 출력 신호를 발생시킵니다. 데이터 시트마다 최대 횡력을 체크하세요.

 

 

구성 요소의 선택

압전형 측정 체인은 실제 트랜스듀서, 차지 앰프, 각 요소 간 연결 케이블로 이루어져 있습니다.

만약 측정할 최대 힘이 알려진 상태라면 CMA 시리즈의 적합한 아날로그 차지 앰프를 선택할 수 있습니다.

HBM 디지털 차지 앰프 CMD600으로 자유롭게 측정 범위를 선택할 수 있습니다. 이와 더불어 CMD600은 스트립 차트, 측정값 저장, 필값/극한값, 측정 범위 자동 티치인(“센서 티치 기능”)등의 기능을 지원합니다.

출력 신호가 공칭하중에 의존하지 않으므로 트랜스듀서는 최고 부하 및 기하학적 측면에서의 요구사항을 따라 설계할 수 있습니다.

CMD600은 모든 측정 범위에 사용 가능하므로 특정 범위 설정이 불필요합니다.

 

 

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