HBM 힘 센서, 정확도가 더욱 향상되다!

다양한 기능과 세부적인 부분까지 개발함으로써, HBM은  U10M 힘 센서 의 정확도를 더욱 높였습니다.

그렇다면, 이러한 기술 향상으로 얻을 수 있는 이점에는 어떤 것들이 있을까요? 기존의 U10M도 어떠한 환경에서도 정확하고 견고한 센서입니다. 보호등급 IP69를 충족할 만큼 다양한 환경에서도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있습니다. 즉, 녹이 슬지 않고, 휨 모멘트에 영향을 받지 않으며, 모듈형 시스템을 통해 다양하게 구성할 수 있습니다. 이와 더불어 이제는 선형성이나 히스테리시스, 상대적 가역성 오류와 같이 센서 정확도에 영향을 미치는 요소들까지 최적화되었습니다. 그 결과, 계측 불확도가 낮아져 더욱 의미 있는 테스트 결과를 얻을 수 있게 되었으며, 사용자는 라인 테스트 최종 단계에서 불필요한 작업 활동을 줄여 투자 비용을 절약할 수 있게 되었습니다.

힘 센서를 이용한 계측 오류 분석

힘 센서를 이용해 계측을 할 때에 두가지 오류가 발생합니다. 첫번째 오류는 가해지는 힘에 관계 없이 특정한 output signal로 발생되며, 또 다른 오류는 관찰 모멘트에 가해지는 힘 크기에 비례하여 발생합니다.

제로값에 가해지는 온도의 영향 load-independent error 의 예시로 볼 수 있습니다. 이 계측 편차는 측정된 힘과 별개로 특정 결과값을 도출해냅니다. 만일 이와 같은 오류를 output signal로 고려해버린다면, nominal force가 조금이라도 사용될 시 TC0의 영향이 매번 특별하게 부각되어 보일 수도 있습니다. 그 절대값은 항상 같지만, 이런 상황에서 상대적으로 작은 비율이라도 유용한 신호가 있다면 그 값은 증가하게 됩니다. TC0와 더불어, 선형성 오류 또한 최종값과 비례하여 나타납니다.

실제값과 비례하는 오류들(actual-value dependent error)은 실제로 적용되는 신호와 비례하여 계산됩니다. 예를 들어 sensitivity의 온도의존성(TCS), 변동값 또는 교정값의 허용오차가 나타날 경우가 바로 이런 경우에 해당합니다.

오류 계산

오류는 다음과 같은 원리에 따라 계산됩니다:

  • 각각의 오류 는모두 제조사의 기술 정보를 바탕으로 계산됩니다. (TC0,  linearity 영향, 히스테리시스 등) 최대 스케일 파라미터 및 실제 측정값 여부, 즉 최대값과 관계된 것인지 실제값과 관계된 것인지를 반드시 중요하게 고려해야 하며, 공정 파라미터 또한 꼭 확인해야 합니다.

  • 오류는 분류 타입에 따라 결과를 도출해내는 통계적 요소로 파악해야 합니다. 그래야만 계측 불확도를 감소시킬 수 있으며 평가에서 면제될 수 있습니다. 오류에 대해 더 이상 걱정할 필요가 없어지는 것입니다.

  • 서로 합쳐지고 곱해진 각각의 오류들은 최종 결과값의 제곱근으로 계산되며, 그 결과는 계측 불확도 계산 가능성을 확보하기 위한 요소로 사용될 수 있습니다.

 위에 설명한 바와 같이, 최대 스케일값에 영향을 주는 수량 정보들은 특히 중요합니다. 그러나 가장 큰 개별 오류에 유의하는 것 또한 중요합니다. 위에 언급한 절차 중에서 가장 큰 영향을 미치는 요소들이 목표 형식에 최적화되었을 경우, 이를 해결할 방법은 오류 자체를 개선하는 방법 밖에 없습니다. 이 때 오직 한 가지 요소만 개선하는 것은 의미가 없습니다. 좋은 힘 센서는 전체적으로 적절한 요소들을 골고루 갖추어야 하기 때문입니다.

어떤 parameter(파라미터) 가 최적화 되었을까요?

실제로 U10M의 모든 특징 요소들이 개선되었습니다. 아래에 그 내용을 간단히 설명해 놓았습니다.

반복성 오류

힘 센서 사용 시 반복적으로 오류가 나타난다면, 그것은 센서의 재현성(reproducibility) 정확도를 확인해 보세요. 만일 힘 센서가 반복적으로 동일한 하중을 받는다면 계측 결과의 분산값은 얼마나 클까요? 상대적 반복성 오류는 이런 상황에 대한 정보를 제공합니다. 이 값이 낮을수록, 센서는 더 좋은 기능을 실현해내며 실제 상황에도 적용시킬 수 있는 더욱 신뢰성 있는 결과값을 도출해냅니다.

Linearity (선형성)

Linearity(선형성)는 센서의 이상적 곡선과 측정된 값(곡선) 사이의 편차를 말합니다. 선형성이 낮을수록 측정값들 간의 힘을 더욱 정확하게 확인할 수 있습니다.

Hysteresis (히스테리시스)

만일 센서가 nominal force 까지 하중을 받은 후에 그 힘이 사라질 경우, 또다시 같은 힘으로 테스트를 시행 하였을 때 작은 차이를 발견할 수 있습니다. 이 차이를 힘 센서의 상대적 가역성 오류(히스테리시스)라고 합니다. 계측해야 하는 힘의 범위가 크고, 그와 더불어 역동적인 환경에서 힘 계측을 수행할 경우, 상대적 가역성 오류는 중요한 영향을 미치는 요소가 됩니다.

변동값 (Creep)

 

 

 

힘센서가 신축성 있는 재료(스프링 재료 및 스트레인 게이지)로 구성되어 있어 힘을 지속적으로 가하는 아웃풋 신호에는 별다른 변동이 일어나지 않습니다. 이렇게 낮은 변동값은 다양하게 계측해야 하는 업무에는 적절하지 않지만, 장기간 모니터링 해야 하는 업무에는 매우 중요한 역할을 합니다.

제로 시그널의 온도 계수(TC0)

TC0은 가장 중요한 사례들 중에서도 손에 꼽을 만큼 중요한 기술 요소로서, 온도 변화 시 힘 센서에서 제로 신호가 얼마나 중요한지를 알려줍니다. 이 정보는 매번 결정적인 영향을 미치기 때문에 어떤 힘이 계측되든 간에, 특히 작은 힘을 계측해야 할 때 굉장히 중요한 역할을 합니다. 영향 정도가 높아질수록 측정값은 낮아집니다.

최적화된 힘 센서(U10M)로 부터 얻는 이점은 무엇일까요 ?

위에 설명된 각종 오류들은  테스트벤치에서 발생 한 것들이며 모두 계측 불확도를 측정할 때 영향을 주는 수량 값들입니다.

Repeatability error in an unmodified mounting position (% of measured value)

Creep (% of measured value)

Linearity (% of full-scale value)

 

Hysteresis (% of full-scale value)


 

기존 TC0의 값인 150ppm 10K도 굉장히 우수하지만, 약간의 변화만으로도 더욱 개선될 수 있습니다. 그러기 위해서 옵션 '200% 교정(Calibration)'이 적용될 수 있는지 확인해야 합니다. 이것은 U10M 힘 센서가 정격 힘을 두 배로 측정함을 의미합니다. 가령 50kN의 정격 힘을 가한 센서는 100kN으로 측정되는 것입니다. 이를 통해 두 배의 결과값까지 얻어낼 수 있습니다. 이와 같이 통합된 개선과 본 옵션 덕분에, TC0를 75ppm 10K로 줄일 수 있게 되었습니다. U10의 기술 사양 덕분에 아무 문제 없이 개선될 수 있었습니다.

그러나 유념해야 할 두 가지 사항이 있습니다.

  • 앰프의 입력 범위가 적당해야 합니다. 총 교정 힘(Calibration force)을 이용하기 위해서는 반드시 5mV/V이어야만 합니다(위의 100kN 예시에서). 만일 더 적은 힘이 측정되어야 할 경우, 선형 형식에 따라 적절하게 값을 낮출 수 있습니다.

  • 허용 가능한 진동 밴드폭이 낮습니다. 즉, 동적인 하중 간의 피크값(peak-peak value)은 오로지 교정 힘(Calibration force)과 정확하게 일치할 것입니다.

어플리케이션의 이점

일반적으로 힘을 측정할 때, 질문에 따라 그 정확도 등급이 결정됩니다. 힘 계측의 정확도는 사용된 센서뿐 아니라 측정될 힘에 따라 달라집니다. 즉, 작은 힘을 측정할수록 계측 불확도가 높아지는 것입니다. 다시 말하면, 정확도가 정해졌을 경우 힘 센서의 측정 범위가 그 정확도에 따라 넓어진다는 의미입니다.

 향상된 힘 센서 사용 시 이점:

  • 측정 범위 연장: 고용량 센서로 인해 규정된 정확도 안에서 더 작은 힘을 측정할 수 있게 되었습니다. (일부 로드 범위 내에서 계측)
  • 테스트의 요구사항이 많아지면서 계측 기술의 필수 요소 또한 늘어나고 있습니다. 힘 센서의 사용 수명을 생각해볼 때, 현재의 정확도 및 주변 조건에 대한 둔감성을 통해 미래 보장성을 판단하는 것이 옳습니다.
  • 예비 수용력 추가 통합. 센서의 범위가 낮을수록 계측 체인을 더 보수적으로 설계할 수 있습니다. 만일 오버로드에 대한 리스크가 우려될 경우 약간 더 큰 센서를 선택하기만 하면 됩니다. 일반적으로, 정확도에서의 수용력은 목표한 정확도를 달성하기에 충분하지 않습니다.

  • 불필요 작업을 줄이세요. 처리 과정을 평가하기 위해서는 센서의 계측 정확도를 파악해야 합니다. 좋은 평가 또는 나쁜 평가를 시행하기 위해서는, 구성요소가 계측 허용오차보다 낮은 설정값 범위 내에 있을 때 그것이 적절한지만이 판단될 것입니다(도표에서 청색 곡선으로 표시). 도표에서와 같이, 계측 정확도가 올라가면 관용 파트(tolerable parts)의 수도 증가합니다. 다른 식으로 표현하자면, 부적절한 파트들의 수 또한 힘 계측 체인의 계측 정확도에 의해 결정된다는 것을 알 수 있습니다. 
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