피에조 일렉트릭 힘 센서: 원리는 간단합니다!

힘 센서의 종류는 다양합니다. 그 중에서도 가장 대표적인 것은 스트레인 게이지를 기반으로 하는 힘 센서 입니다. 하지만 이번 논문에서 다룰 주제는 스트레인이 아닌 피에조 일렉트릭을 기반으로 하는 힘 센서입니다. 이 논문을 위해 Thomas Kleckers가 피에조 센서의 작동 방식을 친절하게 설명해 주었습니다. 그는 공학 물리를 전공한 HBM 힘 센서 제품 관리자로 그의 표현을 빌자면 "피에조 센서의 원리는 단순하지만 그 가능성은 무궁무진합니다." 입니다. 

피에조 결정

피에조 힘 센서의 작동 방식을 이해하기 위해서는 먼저 그 내부를 살펴봐야 합니다. 센서 중심을 보면 항상 석영 같은 피에조 결정이 있습니다. 피에조 물질은 기계적 응력을 받을 때 전하를 발생시키는 물질입니다. 그 원리는 정말 단순합니다. 발생하는 전하는 가해지는 기계적 응력에 비례합니다. 전하 증폭기는 이 전하를 측정하기 쉬운 0…10V 신호로 변환할 수 있습니다. 결국 출력 전압이 기계적 응력에 비례하는 것입니다

피에조 힘 센서의 디자인과 작동 방식

결정에 가해지는 기계적 응력과 전하 변화의 관계는 서로 비례합니다. 다시 말해, 응력이 클수록 전하가 큽니다. 이 원리가 피에조 힘 측정 기술에서 사용됩니다. 그런데 결정이 센서가 되기 위해서는 필요한 것이 더 있습니다. Thomas Kleckers는 "출력 신호는 센서의 크기에 좌우되지 않는데 바로 이것이 특별한 장점입니다"라고 말합니다.

일반적으로 센서에는 두 개의 결정 소자가 있습니다. 이러한 결정 사이에 전극이 위치합니다. 전극은 결정의 안쪽에 있는 전하를 포집합니다. 전극은 케이블을 통해 전하 증폭기와 연결되어 있습니다. 그리고 금속 인클로저 안에 결정 디스크가 있습니다. 이것은 결정을 보호하는 것뿐만 아니라 케이블 실드를 통해 전하 증폭기와 연결되어 있어 결정과 닿는 제2의 접점이 됩니다.

"결정과 전극 그리고 결정과 인클로저의 접촉 상태가 매우 좋아야 합니다. 따라서 표면이 고르고 매끈하면서 정밀한 고급 재료를 써야 합니다. 전하가 잘 전달되기 위해서는 표면이 잘 접촉되어야 합니다."

피에조 센서의 특성

피에조 힘 센서의 특성은 측정 범위가 매우 넓다는 것입니다. 다시 말해, 이 센서로 매우 작은 힘과 매우 큰 힘을 모두 측정할 수 있습니다. 따라서 피에조 힘 센서는 유연성이 매우 좋으며, 몇 밀리미터 두께의 소형 크기로 사용할 수 있습니다. 강성이 높아 부하에 따른 변형도 거의 없습니다. 따라서 이 센서는 센서가 들어가는 구조물에 거의 영향을 주지 않습니다.

그런데 센서는 드리프트가 쉽게 생깁니다. Thomas Kleckers는 "전하는 늘 균형을 이루기 위해 여러 방법을 모색합니다"라고 말합니다. 따라서 측정에 필요한 전하 차이를 무한정 유지하는 것이 어렵습니다. 최대 10N/min의 드리프트가 발생한다고 추정할 수 있습니다. 사용 중에 측정망이 끊어지면 이 수치는 훨씬 더 작아집니다. 그러나 측정되는 힘과 상관없이 동일한 수치가 유지됩니다. 다시 말해, 큰 힘을 짧은 시간에 측정하는 경우보다 작은 힘을 장시간 측정할 경우에 드리프트의 영향이 더 큽니다.

피에조 힘 센서의 응용 분야

피에조 힘 센서는 용도에 따라 응력을 미리 가할 수도 있고 가하지 않을 수도 있습니다. 응력을 미리 가하는 프리스트레스(pre-stressed) 센서는 교정이 되어 있어 설치 후 바로 사용할 수 있습니다. 조립할 때 힘 와셔에도 응력을 미리 가해야 합니다. 이때 일반적으로 나사나 로드 핀을 사용합니다. 그래야만 서로 다른 재질의 표면이 최대한 잘 접촉하여 전하를 전달할 수 있습니다. 그러나 이러한 추가 구성 요소 때문에 측정 지점의 감도가 변경될 수 있어 프리스트레싱(pre-stressing) 과정 후에 조정 또는 교정이 이루어져야 합니다.

"특히 소형 피에조 센서는 기존 시스템에서 개량되는 경우가 많습니다. 따라서 치수는 문제가 되지 않지만 교정 상태에서 벗어나면 안 됩니다." Thomas Kleckers

센서는 특정 설치 환경에서 그리고 그 모든 주요 외부 조건에서 정량적으로 정확한 결과를 제공해야 합니다. Thomas Kleckers는 피에조 힘 센서는 특히 반복되는 순환 공정에서 유용하다고 설명합니다. 리베팅처럼 두 개의 구성요소가 정해진 힘으로 연결되는 경우가 이에 해당합니다. 센서와 전하 증폭기가 리베팅 공정의 힘 특성을 측정하여 매우 효과적으로 품질을 관리할 수 있습니다. 측정 후에 재설정되며 센서가 영점으로 복구됩니다. 그 뒤에 다음 리벳이 옵니다. 측정 시간이 짧아 드리프트가 결과에 아무런 영향도 미치지 않습니다. Thomas Kleckers는 프레스에서 사용할 때 특히 유용하다고 말합니다. "프레스는 50톤의 힘, 즉 500킬로뉴턴의 힘으로 누릅니다. 공정이 정체기에 들 때 약간의 미세 조정을 다시 실시해야 합니다. 이때는 약 100뉴턴의 힘이 들어갑니다. '재설정(RESET)'은 이 1단계와 2단계 사이에서 이루어지므로 2단계에서 높은 레졸루션(Resolution)으로 힘을 측정할 수 있습니다. 이런 방식으로 피에조 힘 센서의 넓은 측정 범위를 최대로 이용할 수 있습니다."

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