피에조 센서: 어떤 센서가 내 어플리케이션에 적합할까요?

피에조 센서는 기존의 Strain gauges와는 뚜렷하게 다른 특성을 가집니다.

피에조 센서 는 압력을 받으면 전하를 생성하는 압전(Piezo) 결정 슬라이스로 구성됩니다. 일반적으로 슬라이스 2개가 사용되며, 그 사이에 전극이 있습니다. 이 전극이 전하를 흡수합니다. 하우징도 전극의 역할을 합니다. 결정과 하우징의 표면 품질은 힘 센서의 품질(선형성, 응답 거동)에서 결정적인 역할을 하므로 그에 대한 요구사항 기준이 매우 높습니다.

피에조 힘 센서를 사용할지, 스트레인 게이지 기반 센서를 사용할지는 그 용도에 따라 결정합니다. :

  • 좁은 센서 설치 공간
  • 높은 초기 부하로 작은 힘 측정
  • 넓은 측정 범위
  • 고온에서 측정
  • 높은 역동성(Dynamics)

피에조 센서를 사용하기로 결정한 후에는 그에 맞는 힘센서를 정해야 합니다. 이제부터 일반적인 응용 분야를 좀 더 자세히 살펴보고 정확한 센서를 선택하는 방법을 알려드리겠습니다.

 

 

Thomas Kleckers, HBM

이 논문에서는 HBM의 힘 센서 제품 책임자인 Thomas Kleckers가 용도에 맞는 정확한 피에조 센서를 고르는 방법을 설명합니다.

 

 

피에조 센서가 필요한 어플리케이션 조건:

1. 좁은 센서 설치 공간

피에조 센서는 매우 작습니다. — 예를 들어 피에조 센서 중 CLP 시리즈 의 경우 높이가 3~5mm입니다(포스 와셔(force washer)의 용량에 따라 다름). 따라서 이런 센서는 기존 구조에 통합하기에 적합합니다. 이런 센서는 높이가 낮아 플러그를 장착할 수 없기 때문에 케이블이 통합되어 있습니다. M3부터 M14까지 모든 나사산 크기에 맞는 센서가 제공됩니다. 센서 높이가 낮아 표면에 가해지는 힘이 최대한 균일하게 분산되어야 합니다.

icon initial load

2. 높은 초기 부하로 작은 힘 측정

힘이 가해지면 피에조 센서에서 전하를 생성합니다. 그러나 실제 측정되는 힘보다 큰 힘이 센서에 가해집니다(예: 설치 시). 이때 생기는 전하가 단락될 수 있는데, 이 경우 전하 증폭기 입력 신호가 0으로 설정됩니다. 따라서 측정 범위를 실제 측정할 힘에 맞게 조정할 수 있습니다. 따라서 초기 부하 대 측정할 힘의 비율이 그렇게 좋지 않은 경우에도 높은 측정 해상도가 보장됩니다.CMD600 같은 첨단 전하 증폭기는 측정 범위의 연속 가변 조정이 가능해 이러한 용도에 적합합니다.

icon wide measurement range

3. 넓은 측정 범위

피에조 포스 트랜스듀서는 다단 공정에서도 장점을 발휘합니다. 다단 압축 공정의 경우 실제 압축 공정에서 강한 힘이 제일 먼저 가해지면  압전 측정 체인이 알맞게 조정됩니다. 두 번째 단계에서는 힘을 추적합니다. 즉, 미세한 힘의 차이를 측정합니다. 이 예에서도 압전 센서의 특징, 즉 전하 증폭기 입력에서 신호를 물리적으로 제거하는 장점이 발휘됩니다. 전하 증폭기 입력이 다시 0으로 설정되고 측정 범위를 조정하여 높은 해상도를 보장할 수 있습니다.

 

 

icon high temperature

4. 매우 높은 온도

일부 용도의 경우에는 매우 높은 온도에서 힘을 측정해야 합니다. 이런 용도에서는 스트레인 게이지 기반의 힘 센서가 그 물리적 한계에 도달합니다. 그러나 CHW series 의 피에조 힘 센서 는 이런 용도에 맞게 정밀하게 설계되어, 최고 섭씨 300도까지 측정할 수 있습니다.

icon overload stability

5. 매우 높은 과부하 안정성

몇 가지 예외가 있지만 모든 압전 센서의 감도는 동일합니다. 다시 말해, 주어진 힘에서 20kN 용량을 갖는 힘 센서의 출력 신호가 700kN 용량을 갖는 센서의 출력 신호와 같습니다. 따라서 해상도와 정확도의 측면에서 두 센서 중 어느 것을 사용할지는 중요하지 않습니다. 측정 체인을 최대 힘으로 설정해도 작은 힘까지 측정할 수 있습니다.

 

 

icon dynamics

6. High dynamics

피에조 센서는 변위가 매우 작기 때문에 강성이 매우 높습니다. 따라서 동적 용도에서 사용하기 적합합니다. 그러나 전체 측정 체인은 동적 특성에 영향을 줍니다. 부속 장치와 후속 전자장치의 강성도 고려해야 합니다. 일반적으로 피에조 측정 체인은 작은 힘의 동적 측정에 적합합니다. 반면에 스트레인 게이지 기반의 힘센서 는 큰 힘의 동적 측정에 적합합니다.

 

 

어떤 센서가 적합할까요?

위에서 언급한 측면 중 하나에 해당하는 용도에서는 피에조 트랜스듀서로 힘을 측정해야 합니다. 그런데 어떤 센서가 적합할까요? 일반적인 사용 사례를 토대로 선택 안내서를 편찬했습니다.


“피에조 센서를 내 어플리케이션에도 접목하여 활용할 수 있나요?”

대부분 사용자가 피에조 포스 와셔를 선호하는 이유는 기계적인 큰 변경 없이 측정 물체나 기기에 통합할 수 있기 때문입니다. 그러나 이런 센서는 항상 프리스트레싱(pre-stressing)으로 장착해야 합니다. 즉, 나사나 프리스트레싱 세트를 이용해 초기 부하를 가하여 손상을 방지하고 휨 모멘트 안정성을 보장해야 합니다. 그리고 센서 설치가 측정 지점의 감도에 결정적인 역할을 하므로 보정이 필요합니다. 다시 말해, 장착 후에 보정을 통해 측정 지점의 감도를 확인해야만 양질의 결과가 보장됩니다.



“통합하기 쉬운 센서가 필요합니다. 그런데 제 경우는 플러그 연결부가 필요합니다.”/“점부하가 발생할 수 있습니다.”/“매우 큰 힘을 고려해야 합니다."

HBM의 제안: CFW 시리즈의 소형 포스 와셔

CFW 포스 와셔의 높이는 비교적 높습니다. 즉, 힘 적용 부품과 측정 요소 사이에 더 많은 재료가 들어갑니다. CFW/700 KN은 내경이 36mm로 시리즈 내 포스 와셔 중 가장 큽니다. 따라서 불리한 장착 조건의 영향을 덜 받습니다. CFW 시리즈 포스 와셔는 플러그 연결부가 있어 매우 유연하게 사용할 수 있습니다. 센서 하우징에 O링으로 밀폐되는 연결부가 있는 내구성이 좋은 KAB145 충전 케이블 등 다양한 케이블을 연결할 수 있습니다. 거친 환경에서 사용하기 적합합니다.

 

 


“매우 높은 온도에서 힘을 측정해야 합니다."

HBM의 제안: PACEline CHW 시리즈 포스 와셔

CHW 시리즈 포스 와셔는 매우 높은 온도에서 사용하도록 설계되었습니다. CHW-2 모델은 최고 섭씨 200도에서 사용할 수 있으며, CHW-3은 최고 300도에서도 사용할 수 있습니다. 이 포스 와셔도 보정이 필요합니다. 온도 감도가 낮아 실온에서 보정할 수 있습니다.

 

 


“제 경우는 구조물 높이가 결정적인 요인인데 공간적인 제약이 있습니다."

HBM의 제안: CLP 미니어처 포스 와셔

CLP 시리즈는 포스 와셔 크기에 따라 센서의 높이가 3~5mm 밖에 안 되기 때문에 이런 용도에 매우 적합합니다. 그리고 이 센서는 높이가 매우 낮아 커넥터를 장착할 수 없기 때문에 케이블이 통합되어 있습니다. M3부터 M14까지 모든 나사산 크기에 맞는 센서가 제공됩니다. 센서 높이가 낮아 표면에 가해지는 힘이 최대한 균일하게 분산되어야 합니다.


“I cannot accommodate a force washer, and a sensor based on strain gauges also requires too much space.”

HBM의 제안: CST 시리즈의 피에조 스트레인 센서

CST 시리즈의 스트레인 트랜스듀서는 매우 작으며, 나사로 고정할 수 있습니다. 이 센서는 다음 원리에 따라 작동합니다. 구조물에 힘이 가해지면 변형(스트레인)이 발생하며, 이 변형은 대개 적용된 힘에 비례합니다. 이 센서는 변형을 측정합니다. 예를 들어, CST를 용접 건 또는 프레스 공구에 장착할 수 있습니다. 이러한 구성부품의 변형을 안정적으로 측정합니다. 이 트랜스듀서도 보정이 필요합니다. CST 시리즈 스트레인 트랜스듀서는 감도가 매우 높아 강성이 매우 높은 구조물에도 사용할 수 있습니다. 측정 정확도는 특히 센서가 장착된 재료에 좌우됩니다.

 

 

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