스트레인 센서로 힘을 측정할 때의 장단점

1. 스트레인 센서의 기본 원리, 장점 및 한계점

SLB와 같은 HBM의 스트레인 센서는 열 측정 작업에서 그 가치가 입증된 바 있습니다. 나사를 이용해 기존 구조물에 간단하게 부착할 수 있습니다. 일반적으로 프레스, 용접 기계, 사일로 등에서 사용됩니다. 예를 들어, 스트레인 센서가 장착된 프레스에서 프레스 스트로크가 시작될 때 압력에 비례하는 변형이 프레스 프레임에 가해집니다. 스트레인 센서가 이 변형을 측정 가능한 전기 신호로 변환하면, 전기 신호를 이용해 힘(이 경우는 프레스가 가하는 힘)을 끌어낼 수 있습니다.

스트레인 센서는 다음과 같은 명확한 장점을 갖고 있습니다.

  • 스트레인 센서는 힘 센서보다 가격이 훨씬 저렴합니다. 특히 큰 힘이 필요한 용도에서 힘 센서와 비교할 때 더욱 그렇습니다.
  • 스트레인 센서는 시스템 강성에 영향을 주지 않습니다. 따라서 기계의 동적 특성에 영향이 가지 않습니다.
  • 매우 큰 힘이 필요한 용도에서 힘 센서를 사용할 때는 공간이 더 필요하며 측정 시스템의 구조를 수정해야 하기 때문에 문제가 됩니다. 하지만 스트레인 센서를 사용하면

하지만 이러한 장점 외에 몇 가지 단점도 있습니다.

  • 스트레인 센서는 힘 센서에 비해 정확도가 떨어집니다. 생산 시 더 높은 정확도에 대한 요구가 증가하고 있어 정확도는 매우 중요한 요소입니다.
  • 스트레인 센서는 설치 후 교정(Calibration)이 필수적입니다. 교정이란 측정할 힘을 C6A 같은 힘 센서로 먼저 측정 후, 스트레인 센서의 신호와 비교한 다음 변형률을 힘으로 변환하는 것을 말합니다. 밝혀진 무게를 사용하여 교정을 실시할 수도 있습니다. 이 경우는 추후 측정의 정확도가 교정 공정의 정확도보다 낮을 수 있습니다.

2. 앰프가 내장된 스트레인 센서

HBM의 SLB 스트레인 센서에는 뛰어난 앰프가 자체 내장되어 있어 4...20mA 출력과 0...10V 출력이 모두 제공됩니다. 제품 이름의 추가 코드인 “VA” (SLB700A/06VA)로 출력타입을 결정할 수 있습니다.

특히 여러 스트레인 센서를 병렬로 연결하면 안 될 경우에 SLBVA를 사용하는 것이 좋습니다. 병렬연결이 불가피한 경우에는 앰프가 내장되지 않은 SLB700A 스트레인 센서 를 선택하는 편이 좋습니다.

스트레인 센서의 병렬연결

대부분의 용도에서는 잠재적 굽힘 변형을 측정하지 않는 것이 좋습니다. 굽힙 변형은 스트레인 센서 2개를 사용하여 간단하게 보상할 수 있습니다. 이때 스트레인 센서를 정확히 반대쪽에 있고 전기로 병렬연결된 대칭 구성요소에 장착해야 합니다. SLB700A 패시브 스트레인 센서는 출력 저항과 감도의 균형이 조절되었기 때문에 이 용도에 적합합니다. SLB 스트레인 센서의 또 다른 장점은 1000Ω의 높은 입력 저항입니다. 센서 4개를 병렬로 연결해도 브릿지 앰프의 저항이 대부분의 앰프가 쉽게 공급할 수 있는 부하인 250Ω에 불과합니다.

전자장치가 내장된 스트레인 센서를 사용할지, 내장되지 않은 센서를 사용할지는 신호 조절이 필요한지에 따라 결정합니다. 필터 알고리즘, 한곗값 전환 또는 전산 채널 같은 산업용 측정 앰프의 기능이 필요한지를 확인하는 것이 좋습니다.

병렬연결 없이 측정값을 수집해야 하고, 산술 기능이 필요하지 않으며(또는 제어 장치에 구현되지 않았으며), 비용 효과가 뛰어난 솔루션을 원할 때는 앰프가 내장된 스트레인 센서를 선택하는 것이 좋습니다.

3. HBM의 “Teach” 방법: 모든 용도에서 최대 출력 신호 구현

앰프 모듈이 내장된 일반 스트레인 센서는 비-조절식 증폭 기능이 있습니다(예를 들어, 500µm/m은 10V의 출력 신호에 해당합니다). 그러나 최대 출력 신호는 변경할 수 없는 정해진 증폭 기능에 좌우됩니다. 위 사례에서 언급한 센서에 200µm/m의 변형이 가해질 경우 출력 전압은 4V가 됩니다(500µm/m = 10V, 즉 100µm/m당 2V). 특히 기존 구성요소를 사용해야 하기 때문에 해상도가 낮거나 잡음이 큰 모듈이 측정망에서 그다음 요소이면 결과가 만족스럽지 않은 경우가 많습니다.

앰프 전자장치가 내장된 HBM의 SLBVA 능동 스트레인 센서는 용도와 상관없이 항상 최대 출력 신호를 제공하기 때문에 이 문제를 피할 수 있습니다.

이 센서 유형은 입력 및 출력 수가 총 5개(전류 버전) 또는 6개(전압 버전)입니다.

전류 버전은 공급 전압의 0V 입력(검은색 와이어)을 통해 측정 회로가 닫힙니다. 이제 "Teach2" 입력, IN2에 대해 살펴보겠습니다. 이 입력을 통해 센서를 거의 모든 측정 범위에 맞게 조절할 수 있습니다. 이를 위해 HBM은 매우 편리한 방법인 "Teach" 방법을 개발했습니다.

ConnectorSLB700A/06VA with a voltage outputSLB700A/06VA with a current outputWire color
Supply voltage19…30 V19…30 Vblue
Supply voltage0 V0 Vblack
Output signal0…10 V4…20 mAwhite
Output signal0 Vnot in usegray
Control input IN1 (zero balance)  red
Control input IN2 (‘Teach’ input)  green

 

4. "Teach" 방법에 관한 추가 도움말

"Teach" 방법은 측정 범위의 상위와 하위에 항상 10%의 버퍼가 있습니다. 예를 들어, 고장이 발생할 경우 상위 스트레인 신호가 증폭되어 전송됩니다. 따라서 전자장치가 0~10V가 아니라 1~9V 사이로 설정됩니다.

특성 곡선, 즉 스트레인 신호 대 출력 신호의 비율이 음수가 될 수도 있습니다. 단축과 연장 둘 다 양의 신호로 변환할 수 있습니다. 따라서 내장된 전자장치가 두 변형 모두 양의 출력 신호로 변환할 수 있기 때문에 단축(음의 변형)이든 연장(양의 변형)이든 차이가 없습니다. 결정적 요소는 먼저 수집하여 영점으로 정의되는 지점입니다. 내장된 측정 앰프가 낮은 잡음과 2kHz의 대역폭을 제공하므로 동적 공정에 적합합니다.

간격, 즉 최솟값(영점)과 최댓값(가해진 최대 힘) 사이의 차이를 영구적으로 저장하는 것이 매우 중요합니다. 이와 달리 영점은 영구적으로 저장되지 않아 정전 시 소실됩니다. 따라서 정전 후 영점으로 재설정해야 합니다. 그러나 다시 교정할 필요는 없습니다.

센서를 교정할 수 있는 변형률 하한이 있다는 점도 주목해야 합니다. 이 한계가 없으면 전자장치의 잡음이 너무 강해질 수 있습니다. 힘이 최대로 가해질 때의 변형률과 영점 위치는 항상 50µm/m의 차이가 있어야 합니다. 차이가 이보다 작을 경우 전자장치가 티치인(teach-in) 공정을 완료하지 못합니다. 강철 구조물의 경우는 재료의 응력이 약 10N/mm2에 해당하여 변형률이 매우 낮은, 즉 강성이 매우 높은 구조물에서도 사용할 수 있습니다.

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