두 가지 원리(압전(Piezoelectric) 센서와 스트레인 게이지(SG) 기반의 포스 트랜스듀서)가 힘 계측에 있어 주요한 것이 되었습니다. 언제 어느 원리가 적정할까요?

1. 기술적 기본사항

스트레인 게이지 기반의 포스 트랜스듀서는 언제나 어느 힘이 적용되는지에 대한 스프링 요소를 구성하고 있습니다. 이 힘은 스프링 요소의 최소 변형을 초래합니다. 적정 지점에 설치된 스트레인 게이지는 확대되며, 따라서 저항 상의 변화를 보여줍니다. 최소 네 개의 스트레인 게이지는 휘스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge circuit)로 연결됩니다. 전압이 이 계측 브리지로 공급될 때, 그 결과로 초래된 출력 전압이 적용된 힘에 비례합니다.

스트레인 게이지 센서의 작동 원리. 스프링 요소의 크기가 계측 범위를 결정하고 있습니다

압전 센서는 사이에 장착된 전극 박(electrode foil)이 포함된 두 개의 크리스탈 디스크를 구성합니다. 힘을 적용할 때, 이것은 충전 증폭기를 사용하여 계측될 수 있는 전하를 초래하게 됩니다. 전하는 적용된 힘에 비례합니다

압전 센서의 디자인. 크리스탈 디스크(녹색)이 적용된 힘을 센서 사이의 전극을 통해 구한 전하로 전환시킵니다.

2. 어느 센서 원리가 어느 어플리케이션에 적합합니까?

정적 모니터링 업무

스트레인 게이지 기반의 센서는 드리프트(drift)가 거의 없으며 따라서 특히 장기간의 모니터링 태스크에 적합합니다. 하지만 소위 크리프(끊임 없이 적용된 힘 하에 출력 신호의 시간 의존적, 가역적 변화)가 극히 적은데, 그 이유는 스트레인 게이지 배치를 신중히 선택하여 최소화될 수 있기 때문입니다. 예를 들어, HBM의 요즘 센서인 S2M 는 계측된 값(여러 어플리케이션에서 무시될 수 있을 정도의 오류)에 관련된 200 ppm 미만의 크리프 값을 달성하게 됩니다.

작동 원리로 인해, 압전 포스 센서에는 드리프트(추정된 1 N/분은 계측 체인이 실행되었을 때 예측되어야 함)가 있습니다. 이 값이 변경 없는 상태를 유지하기 때문에 계측된 힘과 상관 없이, 드리프트에서 발생된 상대적 계측 오류는 적은 힘이 장시간 동안 계측되는 중일 때 특히 좋지 않습니다..

크고 작은 힘이 있는 드리프트의 영향: 5000 N을 계측할 때, 더 장시간의 계측이 가능합니다. 더 작은 힘으로도 드리프트의 영향은 상당합니다. 다음을 보면 분명해집니다. 계측 기간은 요구되는
동적 힘 계측

압전 센서는 힘이 적용될 때 매우 작은 변형을 나타냅니다 –높은 경도를 제공합니다. 이것은 높은 공진 주파수(resonance frequency)를 발생시키게 되며, 이는 원칙적으로 동적 어플리케이션에 있어 매우 적합합니다. 하지만, 전체 계측 체인은 동적 속성에 대해 매우 중요합니다. 여기서, 장착 부품추가 질량이 있는 센서를 설치하는데 사용되었다는 점은 중요하며, 이는 물론 시스템의 전반적 질량에 영향을 미치고 따라서 차단 주파수(cut-off frequency)에 영향을 미칩니다. 더욱이 여러 충전 증폭기에는 전하에 따라 달라지고 따라서 계측된 힘에 따라 달라지는 대역폭이 있습니다. 큰 힘은 차례로 대역폭을 제한하는 높은 전하를 초래합니다.

스트레인 게이지 기반의 시스템더 큰 공칭(정격) 힘을 보이는 트랜스듀서가 사용될 때마다 더 높은 차단 주파수를 달성합니다. 원칙적으로, 작은 힘의 경우에 포스 트랜스듀서는 완만한 스프링 요소입니다 – 즉 트랜스듀서의 공명 주파수는 이에 대응하여 낮습니다. 하지만 각각의 경우에 데이터 시트를 참조하는 것이 필수적입니다: 스트레인 게이지 기반의 포스 트랜스듀서가 큰 힘이 연관될 때 종종 월등한 반면 압전 센서는 작은 힘을 빠르게 계측하는데 있어 우선 선택하는 센서입니다.

교정 업무

스트레인 게이지를 연결하는데 사용된 회로 덕분에 수많은 오류 영향이 보상될 수 있습니다. 제로 포인트 및 민감도에 대한 온도 영향 외에도, 여기에는 트랜스듀서의 선형성이나 굽힘 모멘트의 영향이 포함됩니다. 더욱이, 스트레인 게이지 센서는 매우 정밀한 정적 교정을 가능하게 합니다. 스프링 요소는 최적의 재현성을 달성할 수 있도록 설계될 수 있습니다. 그 결과, 스트레인 게이지 기반의 포스 트랜스듀서는 기준 힘 계측의 분야에서 독점적으로 사용됩니다.

높은 초기 부하

힘이 적용될 때, 압전 센서는 필요한 경우 단락될 수 있는 전하를 생성합니다. 그러면 충전 증폭기 입력 상태는 ‘제로’ 힘의 상태와 같아집니다. 그 결과, 충전 증폭기의 입력 범위는 높은 초기 부하에도 영향을 받지 않습니다. 따라서 압전 트랜스듀서 기술 덕분에 적합하지 않은 환경에서조차 최대 해상도에서 계측할 수 있습니다.

극한환경에서

일부 스트레인 게이지 기반의 트랜스듀서는 IP68 보호등급(케이블 옵션이 포함된 S9MU10M )을 제공하고 있습니다. 밀봉된 인클로저는 민감한 스트레인 게이지를 보호합니다. 이는 적합하지 않은 환경에서 이러한 트랜스듀서를 사용할 수 있게 허용합니다.

압전 트랜스듀서용 충전 케이블은 센서 하우징에 대한 연결이 밀봉되어 있어 높은 작동 안전성을 보장하는지 확인할 수 있도록 특별한 (seal)을 사용하는 것이 가능합니다. (KAB145-3)

높은 정확도 요구사항 포함

요즘 포스 트랜스듀서는 매우 높은 정확도를 보입니다. 즉, 특히 200 ppm의 개별 오류 정보보를 제공하는 스트레인 게이지 기반의 트랜스듀서를 참조합니다. 압전 센서에는 전체 스케일에 비해 일반적으로 0.5%인 약간 더 높은 선형성 오류가 있습니다. 이 센서는 또한 높은 드리프트로 제한됩니다. 계측이 이후에 이뤄진다는 점에서 힘 범위 내 교정으로 인해 확연하게 더 높은 정확도가 달성될 수 있습니다.

공간이 제약되는 곳에서

압전 포스 센서는 매우 소형입니다 – 예: 4mm 미만 높이의 CLP  시리즈 . 이러한 센서는 기존 시스템의 통합이 필요할 때 최적 솔루션이 됩니다. 달성될 수 있는 정밀도 면에서 절충이 이뤄져야 하지만 매우 작은 치수에 대한 요구사항은 여러 어플리케이션에서 가장 중요합니다.

HBM Force Transducers

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