측정 시 흔히 볼 수 있는 상황은 애플리케이션에 사용 된 힘센서가 이미 높은 초기 부하 조건에 놓여 있다는 점입니다. 실제 측정할 힘은 아주 미세한 부하인데도 말입니다.

대표적인 사례:

  • 볼트 아래에 있는 힘 워셔(force washer)는 프리스트레스(pre-stress)상태에 있으며, 이 상태에서도 극히 작응ㄴ 힘을 기록해야 합니다.
  • 상당한 힘을 받으면서 고정되어 있는 센서는 작은 부하 역시 감지해 내는 것이 필수적 입니다.

본 기사에서는 HBM의 피에조 일렉트릭센서스트레인게이지에 기반을 둔 힘센서 에 어떤 이점이 있는지에 대해 설명합니다.

피에조일렉트릭 측정 기술의 장점

피에조 일렉트릭 센서의 설계 디자인. 힘을 가하게 되면 전하의 중심이 이동. 힘에 비례하는 전하를 결정체 표면에서 측정 가능.

피에조일렉트릭센서에 힘을 가하면 전하 가 발생합니다. 위 그림은 작동 원리를 나타내는 다이어그램 입니다.

전하는 누르는 힘에 비례하여 발생합니다. 전하의 측정 단위는 pC (10-12 쿨롱, 즉 3.12* 10-6  기본 전하의 전하에 해당)입니다.

수정(quartz)을 사용하여 만드는 피에조일렉트릭 센서는 약 4.3 pC/N 의 민감도를 나타냅니다. 따라서 센서에 1 뉴턴(N)의 힘을 가했을 때 발생하는 전하는 4.3 pC입니다. 신형 센서 CFT/25kN 은 인화칼륨을 피에조일렉트릭센서로 사용합니다. 이 방법은 2배의 감도를 얻을 수 있다는 것이 장점입니다. 즉, 같은 힘으로 2배의 전하를 발생시킬 수 있습니다. 발생된 전하는 전하앰프(charge amplifier)로 송신되고, 전하앰프는 이를 0...10 V 의 시그널로 변화시킵니다..

이 기술의 장점은 재료가 같다면 공칭(정격) 힘과 상관 없이 센서의 감도가 동일하다는 점입니다. 따라서 아주 큰 센서를 사용해도 작은 힘 측정이 가능합니다. 이 기술을 선호하는 또 다른 이유는 전하를 물리적으로 제로(0)로 설정할 수 있다는 점입니다. 센서에 힘(HBM의 예에서는 프리스트레스)을 주어 부하를 가할 때 단락회로를 사용하면 입력값에 0 pC의 전하를 발생시킬 수 있습니다.

이 상태에서 측정범위가 현재 측정 중인 힘과 상응하도록 전하앰프의 감도를 더 높게 설정하면 됩니다. 프리스트레스와는 상관이 없습니다. 압전 센서를 초기 부하로 작동하든, 아니면 초기 부하가 아예 없든, 측정 정확성과 해상도에는 아무런 영향을 미치지 않습니다. RESET 기능을 사용하면 언제든지 전하앰프의 입력을 제로(0)로 맞출 수 있습니다.

초기 부하에서 반응하는 압전 센서: 초기 부하를 가한 후 리셋 기능을 사용하면 측정 체인(measuring chain)이 0으로 설정됨. 이 후 전하앰프는 (미세) 측정 범위에 맞도록 조정돼 완벽히 작동.

예:

볼트 아래에 힘 워셔를 설치합니다. 목적은 나사 연결부에 작용하는 인장력 측정입니다. 먼저, 프리스트레스를 가합니다. 힘 워셔가 설치된 상태에서 측정해도 프리스트레스 힘은 그 값을 알 수 있습니다. 전하앰프의 RESET 기능을 작동시키면 측정 체인의 영점 조정(zero balance)을 실행할 수 있습니다. 그 후로는 입력에 전하값이 나타나지 않습니다. 이제 전하앰프는 어떤 측정 범위로든 설정할 수 있습니다. 이로써 매우 작은 힘도 신뢰성 있는 측정이 가능합니다.

참고:

  • 첨단 디지털 앰프 CMD600 는 어떤 측정 범위든 설정이 가능하므로, 본 측정법이 특히 간편합니다. 여기서 보여주는 것은 힘 션트(force shunt) 측정 사례입니다. 힘을 정량적으로 측정하려면 설치 단계의 교정이 필수적입니다. 자세한 내용은 힘센서 설치법'을참조 바랍니다.
  • 압전 센서에는 항상 드리프트 문제가 뒤따릅니다.  이로 인해 주기적으로 압전 센서의 영점(zero)을 맞추거나 고역필터 사용이 요구됩니다. 두 방법 모두 여의치 않을 경우는 스트레인 게이지 기반의 센서를 사용해야 합니다.

스트레인게이지 기반 기술의 장점

왼쪽: 스프링 요소, 가운데: 측정 중인 힘이 변형의 원인이 돼, 스트레인 게이지가 이 변형을 저항 변화로 변환합니다. 오른쪽: 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로가 저항 변화를 측정 가능 전

스트레인 게이지(SG) 기반의 센서는 다음 원리에 따라 작동합니다.

·    스프링 요소에 힘을 가해 스프링 요소에 최소한의 변형을 유발시킵니다.
·    스트레인 게이지를 적절한 위치에 접착제로 붙여 스프링 요소의 변형을 전기 저항의 변화로 변환합니다.
·    결선을 튼튼히 하고(휘트스톤 브리지 회로) 적정 전압을 공급할 경우, 저항 변화는 결국 측정 가능 전압으로 변환이 가능합니다.
SG 센서의 장점은 영점의 온도 계수와 민감도, 휨모멘트 효과 및 선형성과 같은 여러 가지 상이한 특성량과 전기적으로 교정이 가능하다는 점입니다. 이 기술을 사용하면 요구에 따라 최상의 정확도를 달성할 수 있습니다.
SG 센서의 출력 신호는 전압입니다. 일반적으로 전압은 센서로 공급되는 인가전압에 따라 달라집니다. 오차 영향(온도, 기생 부하 등)에서 기인한 출력 신호는 고려에서 제외하면, 전체 신호를 결정하는 매개변수는 아래에 설명하는 두 가지뿐입니다.


·     "제로 신호 상대오차(relative zero signal error)"는 무부하 센서의 출력 신호를 말합니다.
·    앞서 언급한 것처럼 센서에 인가된 힘은 측정 가능한 전기적 출력 신호로 변환됩니다.
소프트웨어 또는 측정 브릿지 앰프에서 영점 조정을 실행할 경우, 출력 신호는 항상 위에서 설명한 두 전압을 더하거나 뺀 값이 됩니다. 이는 대개 앰프 또는 소프트웨어가 계산을 통해 실행합니다. 측정 체인의 출력전압은 바뀌지 않습니다. 전체 힘과 상응하는 센서의 측정 범위를 선택해야 인가된 프리스트레스 및 힘의 측정이 가능합니다.
위 예에서 전선을 지지하는 철사를 모니터링할 때, 장력의 변화는 기본 응력에 비해 매우 미미합니다. 폭넓은 측정 범위에서 미세한 신호 변화를 측정해야 하므로 당연히 고해상도의 계측 신호가 요구됩니다. 힘 측정 체인의 오차 또한 측정 중인 힘 변화보다 훨씬 작아야 합니다.

영향량(Influence quantities), 특히 측정이 불확실한 관측에서 전체 눈금값과 관련된 영향량이 여기서는 중요한 역할을 합니다. 이 주제에 관한 자세한 정보는 기사 정확성이 곧 효율: 정확도 높은 힘센서를 ㅌ롱한 신규 애플리케이션 분야 개척' 을 참고하시기 바랍니다.신뢰도 있는 측정 결과를 위해 가장 중요한 요인은 온도가 제로 신호에 미치는 영향이 크지 않고, 선형성 오차가 작고, 크리프(creep)가 낮아야 한다는 점입니다. 단, 공칭(정격) 힘이 큰 센서로 매우 작은 힘을 측정할 때와는 달리, 이 애플리케이션에서는 온도 감도 계수를 중요하게 고려해야 합니다. 위에서 설명한 바와 같이, 앰프가 영점 조정이 된 상태라 출력전압이 표시되지 않을 수 있지만, 부하가 가해진 센서는 출력전압을 발생합니다. 온도의 영향으로 센서 감도가 바뀌면, 이는 출력 신호에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 예에서 지속적으로 인가하는 초기 부하가 커지면서, 이와 같은 영향력이 로프의 장력을 증가시킵니다.

참고:

  • 방사대칭(radially symmetrical) 전단력 센서는 매우 정밀, 견고한 센서로서 특히 온도가 바뀌는 환경의 측정 수행에서 여러 차례 그 효과가 입증됐습니다. 이런 종류의 센서는 크리프특성이 매우 우수하고(30분당 250ppm) 온도 오차가 거의 미미합니다. 신형 C10 압축력 변환기(compressive force transducer)의 영점(zero point) 온도 의존특성(temperature dependency)은 75 ppm/10K에 불과합니다. U10M힘센서는 이와 유사한 뛰어난 특성값을 나타냅니다.
  • S-형 힘센서 (S2M, S9M) 는  작은 힘 측정에 적합한 제품입니다. S2M, S9M은 아울러 우수한 정확도를 자랑합니다. 다만, 방사대칭 전단력 센서와는 달리 동적 거동의 측면에서는 제한이 뒤따릅니다.

  • SG 센서는 드리프트가 적용되지 않기 때문에 주기적 RESET 또는 고역필터가 불가능할 경우에는 스트레인 게이지 기반 기술 외에는 대안이 없습니다.

Conclusion

작은 힘 측정 또는 작은 힘 변화의 측정에서는 고도의 정확성을 갖춘 센서가 요구됩니다.

압전 원리는 매우 작은 힘을 정확히 측정할 수 있도록 전하앰프의 측정 범위를 선택할 수 있다는 장점이 있습니다.

SG 기반의 센서로 이제 매우 뛰어난 정확성을 경험할 수 있습니다. 작동 원리상 온도의 영향을 덜 받고 선형편차가 작으며, 무엇보다도 드리프트가 없기 때문에 주기적 영점 조정이 불가능한 프로세스에서는 언제나 우선적으로 선택 받는 제품입니다.

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