힘 센서 사용시 알아야 할 Tip

1. 스트레인게이지를 기반으로 하는 힘 센서

스트레인 게이지(SG) 기반의  HBM 힘 센서는 다양한 용도로 사용되고 있으며 측정이 힘든 환경에서도 정밀한 계측이 가능합니다.  힘 센서 설치 관련 내용은 'Installation of force transducers'에 대한 기사에서 이미 다루었습니다. 여기에서는 힘 센서의 전기적 연결 에 관해 다루려고 합니다.

스트레인 게이지(Strain gauge) 기반의 센서는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 를 사용합니다. 이 브릿지의 회로는 아래와 같이 연결 된 4개의 저항기로 구성되어 있습니다.

모든 스트레인 게이지 기반의 센서는 전압이나 브리지 여자 전압 Ub을 이용해 측정해야 합니다. 여기서 이 전압들의 일반적인 값은 

2.5 ~ 10 V사이 입니다. 힘 센서의 올바른 값은 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다('여자 전압 작동 범위' 참조).

위 회로도는 4개의 선이 휘스톤 브리지를 작동시키기에 충분하다는 것을 보여줍니다. 2개의 선은 센서에 전기 전압을 공급하고 다른 2개의 선은 앰프에 측정 전압을 공급합니다

 

정보:

참조 여가 전압(reference excitation voltage) 은 기술 데이터 실험을 하는 동안 사용하는 공급전압입니다. 브릿지 여가 전압의 가동 범위는 기술적 분석을 하는 동안 작동될 수 있는 센서의 여기 전압에 해당됩니다.

브릿지 여자 전압은 스트레인게이지와 다른 힘센서의 저항체를 한계치를 넘도록 가역시키기 때문에 각각의 파라미터들이 변질 될 수 있습니다. 여가전압의 가용 범위가 초과되지 않은 상태에서 이 변화들은 무시될 수 있습니다. 

높고 정밀한 측정 (참조 여가 전압), 센서의 교정 증명을 위해 여가 전압을 사용하라고 추천 하고 있습니다. 센서나 다른 전자제품들을 교정시스템에서 함께 사용하는 것이 더 바람직합니다.

2. 스트레인 게이지 센서의 정확한 출력 전압 이해

센서의 정확한 민감도(nominal sensitivity)는 시험 증명서에 기재되어 있습니다. 대부분의 경우 이 민감도에 힘을 가했을 때 감도는 대체로 2mV/V 입니다.

위에서 언급한 바와 같이, 앰프 시스템으로 부터 측정 브릿지 인가 전압을 공급 받습니다. 이 브릿지 인가 전압은 일반적으로 5V 입니다. 센서의 민감도(sensitivity) 값이 상당한 부하를 받는 경우에는 앰프의 입력 단계10mV가 됩니다. 예를 들어 S2M/100N에 대해 100N의 부하를 걸었을 때 당신은 10mV의 출력 전압을 얻게 됩니다.

일반적으로 측정 값은 반드시 100N이 되지는 않습니다. 더 작은 값을 측정할 수 있어야 합니다. 만약 0.1N의 측정 신호 해상도를 갖고 싶다면 입력 단계에서 10µV 이 가능해야 합니다. 

귀하의 앰프가 100,000 분할(divisions) 인 경우, 그 정밀도는 에펠 탑 (321미터)의 높이와 CD케이스의 두께 사이의 비율입니다. 그러나 HBM's DMP41같은 정밀 계측기는 비교할 수 없는 뛰어난 정밀도를 제공합니다.

측정 업무는 점점 복잡해지면서 뛰어난 수준의 성능이 요구 됩니다. 배선 부분의 품질이 좋으면 좋을수록 측정 결과는 신뢰할 수 있어 집니다.

3. 사선식(four wire) 회로 센서

스트레인 게이지 측정 기술은 최소 4개의 회로 센서의 연결을 필요로 합니다. 많은 센서들은 이 원리에 의해 작동 되며 이것은 사선식 회로 센서(four wire circuit) 라고 불립니다. 아래에 그 배치도가 나와 있습니다.

선저항은 충격을 흡수하도록 되어 있습니다. 이 저항들은 선저항이 무조건 적으로 방해만 하는것이 아님을 보여줍니다.

INFO:

힘 센서는 사선식 회로로 작동 합니다. 다음 매개변수가 제공됩니다:

  • Bridge resistance: 350 Ω
  • Copper cable: 0.14 mm² cross-section
  • Spec. resistance: ρ = 0.0178 Ω⋅mm²/m

이를 통해 구리 케이블의 저항을 계산할 수 있습니다.:
각각의 선 저항은 5m 길이의 연결 케이블(선 및 회귀선)에서 1.272ohm이고 50m에서는 12.72ohm입니다.

측정 브리지와 선은 분압기를 형성하며 결과적으로 케이블의 부분 전압을 감소시킵니다. 따라서 브리지 회로에 적용되는 전압이 줄어들고 그 결과 출력 신호가 작아집니다. 이는 민감도(sensitivity) 하락으로 이어집니다.

민감도(sensitivity) 하락은 5m에서는 0.36%이며 50m에서는 3.6%로 증가합니다. 이러한 편차가 허용되는 것은 보정인데, 예를 들어 테스트 보고서나 보정 인증서에 명시된 민감도는 항상 연결된 케이블을 포함한 센서에 적합합니다.

구리 케이블의 저항은 온도에 따라 다릅니다. 온도가 상승하면 저항도 상승하기 때문에 측정 브리지에 적용되는 전압이 감소합니다. 이 사실은 트렌스듀서의 균형을 맞추는 동안 고려되었으며 다양한 케이블 길이를 가진 센서도 마찬가지입니다.

 

사선식 회로로 작동하는 HBM 힘 트렌스듀서는 센서 케이블을 포함하여 보정되었습니다. 예를 들어, 민감도는 케이블 끝에서 정확하기 때문에 케이블을 자르면 민감도가 달라집니다. 보정 상태를 유지하려면 케이블을 자르지 않는 것이 좋습니다.

테스트 보고서에 명시된 민감도 입력:

 

테스트 보고서는 다양한 정보를 제공합니다. 민감도는 앰프를 설정할 수 있게 해주는 중요한 값입니다. 예: U93/1kn 힘 센서

앰프 입력에 연결된 케이블은 고려할 필요가 없습니다. 최신 앰프는 고저항 입력단을 사용하기 때문에 이러한 선의 전압 감소를 무시할 수 있습니다.

4. 육선식(six wire) 회로 센서

많은 센서가 육선식 회로(six wire circuit)를 사용합니다. 육선식 회로는 브리지의 여자 전압을 제어하는 2개의 선을 추가로 사용합니다. 온도의 영향이나 케이블 길이의 변화로 인해 케이블 저항이 달라지기 때문에 앰프는 설정값에 다시 도달할 때까지 내부 재조정을 수행합니다.

이 회로는 센서의 민감도에 영향을 받지 않고 매우 긴 케이블(최대 500m)을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 온도 변화에 따라 발생하는 선 저항 편차는 측정 결과에도 영향을 미치지 않습니다.

이러한 장점은 특히 케이블 온도와 힘 센서의 온도가 동일하지 않을 때 유용합니다.

 

INFO:

이미 위에서 언급했듯이, 사선식 회로로 작동하는 힘 센서에서는 케이블 길이를 변경해서는 안됩니다. 케이블 길이를 변경해야 할 경우 6선 확장 케이블을 사용하는 것이 좋습니다. 케이블을 확장할 때 센서선 2개뿐만 아니라 공급선 2개도 연결하여 앰프가 케이블 확장의 충격을 제어할 수 있도록 합니다.

5. 케이블 실드 (Shielding)

HBM 힘 센서를 사용하면 케이블 실드(shielding)를 항상 하우징에 연결할 수 있습니다. 패러데이 케이지가(Faraday cage) 전자기장을 차단하기 때문에 충돌을 피할 수 있습니다. 센서 케이블을 확장해야 할 경우 센서 케이블의 실드를 확장 케이블 실드에 연결하여 패러데이 케이지(Faraday cage)를 유지합니다. 실드 플러그와 광범위하게 접촉하도록 플러그를 연결합니다.

센서와 앰프가 서로 다른 포텐셜(potentials)을 가지고 있을 경우 주요 충돌을 일으키는 케이블 실드를 통해 보상 전류가 흐를 수 있습니다. 가장 좋은 방법은 저항이 낮은 연결을 구성하는 것입니다(퍼텐셜 균일화 선). 16mm2 단면도를 가진 케이블을 사용하는 것이 좋습니다.

실험적으로 이 방법이 불가능할 경우 플러그의 실드를 절단할 수 있지만 이 방법은 어디까지나 '차선책'입니다.

HBM은 다양한 범위의 측정 케이블을 제공하며 적합성은 이미 증명되었습니다. 측정 케이블은 저용량, 안정된 온도 및 대칭 같은 다양한 요구 사항을 반영하여 제작됩니다. 

 

 

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