최근 포스 센서(Force transducer)는 높은 기술 표준에 도달했으며, 교정을 통해 높은 정확도를 만족시킵니다. 하지만 다수 사례에서 로드셀과 달리 포스 센서는 어플리케이션에서 교정이 불가능합니다. 따라서, 신뢰할 수 있는 양질의 계측 결과를 얻기 위해서는 실제 용도에서 가능한 교정 설치환경과 비슷하게 하고 유효 기술설명서에 명시된 편차만 허용되어야 합니다.

포스 센서의 계측 정확도는 설치환경에 따라 아주 많이 달라집니다. 불리한 설치환경은 계측 정확도뿐만 아니라 측쇄의 역동적 성질과 전자기장 효과에 대한 감도에도 악영향을 미칩니다.

1. 힘 방향의 효과

a. 힘의 간접적 어플리케이션

포스 센서 사용 설명서에서, 예를 들어 HBM 포스 센서 C2 의 경우, "…포스 센서에 작용하는 힘은 가능한 한 계측 방향으로 정확히 가해져야 합니다." 라고 기재되어 있습니다.

이에 대한 이유는 많습니다. 먼저, 계통 계측 오차는 포스 트랜스듀서가 계측 방향으로만 힘을 계측하기 때문에 발생합니다. 보통 수평력은 계측 대상이 아니기 때문에 계측 방향에 대해 비스듬히 작용한 힘은 상당히 보상될 수 있습니다.

 

이 예와 같이, 계측될 힘Fin은 α의 각도로 비스듬히 트랜스듀서에 작용합니다. 그러면 작용한 힘의 벡터량은 2개의 요소 Fz와 Fx로 분산되고, Z 방향의 힘만 센서에 계측되는데 작용한 힘보다 작습니다.

 

다음의 공식에 적용하면,

Fz = Fin ⋅ cos(α)

이 결과, 계수 cos(α)에 의해 계측 결과값은 아주 작아집니다.

또한, 이 경우에 한 개의 수평력이 가해지고, 다음 공식으로 산출됩니다.

Fx = Fin ⋅ sin(α)

힘이 최대 5도까지 비스듬히 작용할 때 계측 오차는 아래의 표와 같습니다. :

1° = 0.015 %

2° = 0.06 %

3° = 0.14 %

4° = 0.24 %

5° = 0.38 %

비교: 최신형 포스센서(S9M, S2M) 의 최대 개별 오차0.02 %입니다.

2. 수평력의 효과, 벤딩 모멘트와 토크

a. 수평력

수평력이란  센서의 계측 방향에 수직으로 작용하는 힘입니다. 독일 표준 VDI/VDE2638은 하중 어플리케이션에서 한 포인트에 작용하는 힘을 나타냅니다

가령, 이 수평력은 부속장치의 고유 중량이나 하중이 비스듬히 작용하기 때문입니다. 일반적으로 수평력은 스트레인 게이지(SG) 설치 높이에서 거의 작용하지 않기 때문에 항상 벤딩 모멘트를 유도합니다. 센서의 횡 방향 감도에 따라, 추가 계측 오차가 발생됩니다. 수평력이 Fz의 10 %이면, 이 계측 오차는 대부분 트랜스듀서에서 계측 방향(Fz)으로 작용하는 힘의 1% 미만입니다.

b. 벤딩 모멘트

포스 어플리케이션에서 발생하는 중대한 각도 오차로 인해 센서가 파손될 수 있으며, 벤딩 모멘트는 실행 중 측정될 수 있는 실제 힘을 종종 압도합니다.

위 그림은 상기 환경을 보여줍니다. 적용된 힘 이외에, 센서는 벤딩 모멘트에 의해 하중을 받습니다. 센서를 설치할 때 힘을 가하는 부품의 고유 하중 때문에 그 하중이 가해지는 포인트에서 수평력에 의해 벤딩 모멘트가 발생될 수 있습니다. 편심하중 어플리케이션 또한 벤딩 모멘트를 유발할 수 있습니다.

이 경우, 토크(상기 그림에서 시계방향으로 회전)는 트랜스듀서에 왼쪽으로 작용하는 하중을 완화, 오른쪽에 실어줍니다. 원주 전체에 분포한 다수 계측 포인트를 사용해 벤딩 모멘트에 대한 보상이 가능하기 때문에  회전-대칭적 포스 센서(C2, U2B or U10M)는 특히 벤딩 모멘트에 둔감합니다. 포스 센서 U10M와 U10S는 벤딩 모멘트 정렬을 가지고 있어 벤딩 모멘트를 0.01 %까지 줄일 수 있습니다. 이 같은 특징은 개별 계측 포인트를 결합할 때 발생하는 결과가 항상 평균값이라는 사실을 활용한 것입니다.

 

이것과 별개로, 벤딩 모멘트가 크면 포스 센서가 파손될 수 있습니다. 한편, 상기와 같이 벤딩 모멘트는 표시되지 않는다는 점에 주목해야 합니다.

다수의 경우, 벤딩 모멘트는 센서에 하중을 추가적으로 가하는 수평력을 동반한다는 점 역시 명심해야 합니다. 아래 그림을 참조하세요.

 

하중이 편심으로 작용하기 때문에 휨 모멘트는 왼쪽에서 발생합니다. 이 경우, 수평력은 발생하지 않습니다.

하중 어플리케이션의 고유 중량으로 레버가 생성되기 때문에 벤딩 모멘트는 왼쪽에 발생합니다. 무게 중심에서 포스 센서까지의 거리가 레버의 길이입니다. 이같이 간단한 경우, 중량은 힘으로 변환되며, 힘과 응력 중심 간 거리를 곱하여 모멘트를 구합니다. 또한, 센서에 작용하는 중량의 힘은 수평력입니다. 따라서, 두 가지 와류 영향(parasitic influences)을 반드시 고려해야 합니다

c. 토크

인장 압축 로딩용으로 고안된 힘센서는 암 나사 (S9, S2, U10) 또는 나사 볼트 (U15, Z4, U2B)와 함께 공급됩니다. 중요한 것은 센서를 설치하는 동안, 적당한 토크로 이 나사 조임 결합을 제자리에 고정시키는 것입니다. 설치하는 동안 최대 토크값을 초과하는 경우가 종종 있습니다. 주의해야 할 점은 센서를 통해 토크가 가해지지 않도록 나사 연결을 제자리에 고정시키는 것인데, 최대 토크의 극한값을 초과할 경우 센서를 영원히 못 쓰게 될 수 있기 때문입니다.

센서의 기하학적 구조와 SG 설치 장소에 의해 운전 중 토크에 대한 보상이 대부분 이뤄집니다.

d. 모멘트의 상호작용, 토크와 수평력

최대 하중 극한값은 센서에 공칭(정격) 힘 외에 와류 영향 중 하나가 가해질 수 있음을 알려 주기 때문에 항상 파악되어야 합니다. 몇 개의 효과가 동시에 포스 센서에 작용할 경우, 아래와 같은 현상이 발생합니다.:

  • 최대 허용치에서 몇 가지 요소가 동시에 작용하면 센서는 파손됩니다.
  • 다수 영향력이 동시에 센서에 작용하면, 이런 요소가 추가될 수 있습니다. 하지만 합계는100 %를 초과해서는 안 됩니다. 가령, 허용 토크의 50%, 허용 벤딩 모멘트의 40% 및 허용 수평력의 10%가 사용된다면 그 합계가 100 %가 됩니다. 그 결과, 센서는 최대 하중 상태에 있게 됩니다.

3. 볼록면 변형력과 인장력에 대한 포스 센서

단지 압력 방향의 힘 기록용으로 고안된 센서는 일반적으로 하중 어플리케이션용 볼록면 끼워맞춤부(convex fitting)를 갖추고 있습니다.

다수 모델에서 이용 가능한 하중 어플리케이션 보조 기구를 활용해 하중 버튼에 작용한 힘의 어플리케이션을 수행할 수 있습니다. 가령, 아래 그림과 같이 추력 부품(thrust pieces)이 이에 속합니다.

 

이런 유형의 추력 부품을 하중 어플리케이션 포인트 상에 간단히 설치합니다. 이때 추력 부품과 포스 센서 사이에 이물질이 없도록 반드시 주의해야 합니다. 추력 부품은 회전 베어링을 가지며, 벤딩 모멘트와 토크가 센서에 적용되지 않도록 센서에 대한 각도는 가변적입니다

이 유형의 추력 부품을 사용하지 않고 포스 센서를 설치할 경우, 볼록면 변형 어플리케이션 부위와 접촉하는 부품에 대한 요건은 아래와 같고 반드시 만족되어야 합니다. :

  • HBM은 최소한 43 HRC의 경도를 권장합니다.
  • 대상물은 접지 상태여야 합니다.
  • 짝이 되는 부품은 위로 올라가지 않게, 센서는 충격과 맞부딪칠 수 있게 설치해야 합니다.
  • 가능한 한 짝이 되는 부품은 회전이 가능하고 회전 베어링을 가지고 있어 벤딩 모멘트와 토크를 방지할 수 있어야 합니다.

포스 센서는 일반적으로 어플리케이션별로 구조물에 설치되는데, 이때 힘은 포스 센서 아래의 구조물로 향하게 됩니다. 하지만, 수평 설치 역시 가능한데, 이 경우 센서를 구조물과 단단히 연결해야 합니다.

어떤 경우든, 센서의 바닥 부분이 설치되는 구조 요소는 충분한 강성을 갖춰 변형이 경미하게 일어날 수 있게 고안되어야 합니다.

또한 표면은 평평해야 하고, 최대 허용 표면 요철값은 0.005 mm입니다. 기질 구조물도 포스 센서에 제조업체의 완벽한 계측 정확도를 만족할 수 있을 정도의 변형만 가해지게 해야 합니다

또한 기질 구조물은 변형에 대한 내성을 가질 뿐만 아니라 그 직경은 포스 센서보다 반드시 커야 합니다. 상당한 변형을 유발하는 하위 구조물의 경우, 힘 어플리케이션에서 표면 요철이 너무 경미해 트랜스듀서 설계에서 고려하지 않았던 변형 상태를 일으킬 수 있습니다. 이에 따라, 감도, 선형성 및 자기이력과 관련된 기술 데이터가 수정될 수도 있습니다.

포스 센서 표면 접촉에 대한 필수요건인 충분한 크기, 반반함 및 강도

4. 나사고정 어플리케이션과 인장 및 압축력에 대한 포스 센서

압축력에 더해 인장력이 계측된다면, 볼록 면 하중 어플리케이션은 자연히 부적절합니다.

인장 및 압축력에 적당한 인장 포스 센서나 포스 센서의 경우, 힘을 센서에 가하는 부품은 센서와 함께 나사로 고정됩니다. 예를 들어, 센서 Z4A 또는 U2B의 경우, 꼭지를 수나사, 바닥을 암나사로 고정시킵니다. 포스 센서 시리즈 U10M와 U10S의 경우, 양 연결부를 암나사로 고정시킵니다.

암나사(Internal threads)는 휠씬 더 소형이어서 평평해야 하는 포스 센서에 적절합니다. 수나사(external threads)에서 나사 연결부위와 SG 설치 간의 거리는 자연히 더 커지기 때문에 다양한 도량형 특징(자기 이력!)에 긍정적인 효과를 미칩니다. 따라서, 정확도와 반복 정밀도에 대한 요건이 높은 인장 및 압축 로딩용 트랜스듀서는 일반적으로 수나사를 가집니다. 암나사는 비 중요 측면에만 사용됩니다.

 

암 나사(internal thread):

포스 센서의 모든 볼트 연결부위들은, 반드시 너트로 포스 센서에 표면압력을 충분히 가해야 합니다. 이를 위해 두 가지 방법이 사용됩니다.  :

a. 최대 동작 힘보다 큰 힘의 어플리케이션과 볼트 연결

  • 연결 나사로 포스 센서의 양쪽을 고정시킵니다.
  • 운영량 이상 포스 센서에 하중을 싣습니다(최소 극한값을 초과해서는 안 됩니다)
  • 고정 나사를 손으로 조입니다.
  • 이제 센서는 힘을 받게 됩니다. 센서를 정확히 설치합니다.

필수 과부하에 대한 사항은 설치 설명서를 참조하세요.

b. 적절한 토크와 설치

  • 연결 요소를 나사로 조입니다.
  • 설치 설명서에 명시된 토크에 따라 고정나사를 고정시킵니다.

주의할 사항은 센서를 통해 설치에 필요한 토크를 가해서는 안 됩니다. 그럴 경우, 센서가 파손될 수도 있습니다.

수나사(external thread)를 가진 포스 센서:

연결될 부품은 반드시 최소한 한 개의 고정나사로 제자리에 고정되어야 합니다. 하지만 순수 정적 힘 계측의 경우 이 요건은 필요 없습니다. 토크는 포스 센서 동작 매뉴얼에 명시되어 있습니다.

 

Z4A (오른쪽)암나사로 고정되며, 너트 고정은 U2B (왼쪽)의 수나사에 항상 필요합니다.

HBM은 인장 및 압축력에 적절한 거의 모든 센서용 너클 아이(Knuckle eyes)를 제공합니다. 최소한 한 개의 너클 아이를 사용해 포스 센서를 설치할 경우, 비틀림 모멘트는 그 센서에 가해지지 않습니다.

두 개의 너클 아이를 사용할 경우, 벤딩 모멘트와 힘이 포스 센서에 비스듬히 가해져서는 안 됩니다.

 

500 kN의 최대 능력을 가진 U10M의 보정용으로 너클 아이 활용

시간 경과에 따라 베어링 운용이 증가하기 때문에 보통 너클 아이는 역동적 힘 계측에 적당하지 않습니다. 바로 계측 오차를 발생할 수 있기 때문입니다. 게다가, 너클 아이를 사용할 수 있는 진동수 범위는 약 10 Hz로 한정되어 있습니다. 


따라서, 역학 요건의 경우, 힘의 적용을 위해 유연한 부분을 활용할 것을 권장합니다..

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