DAQ 브리지 기반 센서로 로드 및 토크 측정

개요

브리지 기반 로드 및 토크 측정의 기본적인 내용을 설명하며, 센서 스펙이 어플리케이션의 로드셀 및 토크 센서 성능에 미치는 영향을 이해할 수 있도록 다양한 정보를 제공합니다.

 

센서 특성은 물론, 로드 및 토크 측정을 적절히 컨디셔닝하고 측정치를 수집하는 데 필요한 하드웨어 역시 고려해야 합니다. 예를 들어 컨디셔닝되지 않은 센서는 전압 구동이 필요하며, 이 기능은 일부 측정 하드웨어에서만 제공됩니다. 

 

힘, 로드, 토크의 정의

힘은 객체 간의 상호작용에 대한 측정치이며 모든 동작에는 작용과 반작용이 존재합니다. 힘은 사물을 누르거나 당기는 행위로도 표현됩니다. 힘은 크기와 방향을 가진 벡터 양입니다.

로드는 주로 구조물 또는 신체에 가해진 힘을 나타내는 데 사용되는 용어입니다. 힘 또는 로드의 SI 인지 단위는 뉴턴(N)입니다. 로드셀은 힘 또는 무게를 직접 측정합니다. 이런 트랜스듀서는 힘 또는 무게로 인해 생기는 변형을 측정하여 기계적 힘을 전기적 신호로 변환합니다. 이러한 장치의 공통적인 적용 분야는 호퍼라는 용기에 담긴 건조 또는 액체 물질을 측정하는 경우입니다. 로드셀을 통해 무게를 측정하면 호퍼에 있는 물질량 측정값이 생성됩니다. 로드 측정하기는 이와 같은 과정을 통해 가능합니다.

그림 1. 로드셀은 힘 또는 무게를 측정하는 데 사용됩니다.

 

토크는 축을 중심으로 물체를 회전시키는 힘의 물리량입니다. 누름 또는 당김으로 표현하는 힘과 비슷하게 토크는 물체의 회전으로 표현될 수 있습니다. 토크의 SI 인지 측정 단위는 뉴턴 미터(Nm)입니다. 단순 정의를 사용하면 토크는 힘 곱하기 거리에 해당합니다. 보통은 시계 방향의 토크 또는 회전은 양수, 시계 반대 방향의 토크는 음수로 나타냅니다. 토크 센서는 토션 바(비틀림에 대하여 복원력을 가진 스프링용 봉)에 붙어있는 스트레인 게이지로 구성됩니다. 막대가 회전하면 게이지는 토크와 비례 관계에 있는 막대의 전단 응력(shear stress)에 반응합니다.

그림 2. 회전 슬립 링 토크 센서는 시동, 실행 및 스톨 토크 수준을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

 

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로드셀의 작동 방식

로드셀은 그 형태에 따라 서로 다른 방식으로 작동하지만, 가장 보편적으로 사용되는 로드셀은 스트레인 게이지 로드셀입니다. 일반적으로는 힘이 작용하면 스트레인 게이지에서 측정하는 어셈블리에 변형이 발생하도록 여러 개의 스트레인 게이지가 휘트스톤(Wheatstone) 브리지 설정에 장착된 빔 또는 요크 어셈블리를 사용합니다. 보통 이러한 장치는 교정을 실시하여 힘과 저항 변화가 직접적으로 연관되도록 합니다. 이보다는 적은 빈도로 사용되는 공기식 및 유압식 로드셀은 힘을 압력 측정치로 변환합니다. 피스톤 또는 가로막의 한 면에 힘이 작용하는 경우 힘이 측정되는 균형을 유지하기 위해 압력의 양(공기압 또는 유압)이 나머지 한 면에 작용합니다. 이 백서의 나머지 부분에서는 스트레인 게이지 또는 브리지 기반 로드셀을 집중적으로 다룹니다.

로드셀 또는 스트레인 게이지 트랜스듀서의 가장 중요한 기계적 구성요소는 구조(스프링 부분)입니다. 구조는 가해지는 로드에 반응하고, 로드 측정을 위해 스트레인 게이지가 배치되는 별도의 균일 스트레인 필드로 해당 로드를 집중시킵니다. 3가지 공통 로드셀 구조 설계(다중 굽힘 빔, 다중 열 및 전단 웹)는 사용 가능한 모든 로드셀 프로파일 및/또는 설정을 위한 기본적인 구성 요소가 됩니다.

 

 

그림 3. 로드셀 구조 설계에는 스트레인 게이지가 장착되어 다양한 방식으로 압축 및 장력을 측정합니다. [1]

 

다중 굽힘 빔 로드셀은 저용량(20 - 22K N)이며 로우 프로파일(low-profile) 트랜스듀서에 맞게 조정 가능한 바퀴 모양의 스프링 구성 요소가 특징입니다. 같은 방향 및 반대 방향으로의 압력(장력 및 압축) 측정을 위해 쌍으로 이루어진 브리지 암별 게이지 세트 또는 4개의 활성 게이지가 포함되어 있습니다.

다중 열 로드셀은 보다 높은 용량(110K - 9M N)을 위해 다중 열로 구성됩니다. 이 배치에서 각 브리지 암에는 4개의 활성 스트레인 게이지가 들어 있으며, 스트레인의 기본 축에 맞춰 2개가 정렬되고 나머지 2개는 포아송 효과를 보정하기 위해 반대 방향으로 정렬되어 있습니다.

전단 웹 로드셀은 중간 용량(2K - 1M N)이며 직접 전단을 위한 방사 웹이 있는 바퀴 모양을 사용합니다. 브리지 암당 4개의 활성 스트레인 게이지는 빔 축과 45도 각도로 웹의 측면에 부착됩니다.

 

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적합한 로드셀을 선택하는 방법

로드셀은 두 가지 기본 모드로 작동합니다. 계량 용기가 하나 이상의 로드셀에 붙어있는 동안 사용되는 압축 모드, 그리고 계량 용기가 하나 이상의 로드셀에 달려 있는 동안 사용되는 장력 모드입니다. 압축력 전용 설정을 사용하여 앞에서 설명한 여러 가지 로드셀 설정을 설계하거나 장력 및 압축력을 측정하도록 설계할 수 있습니다.

기본 측정 기능 이외에도 용량, 정확도, 물리적 장착 제약사항 또는 환경 보호를 고려하여 로드셀을 선택하게 됩니다. 한 가지 요인만으로는 성능을 파악할 수 없습니다. 시스템 내의 설계 방식을 조합하여 다양한 센서 파라미터와 로드셀의 특성을 정확히 파악해야 합니다. 다음 표를 참조하여 여러 가지 로드셀 유형의 측정 범위, 정확도, 민감도 및 가격을 비교해 보십시오.

 

로드셀 센서	가격	무게 범위	정확도	민감도	비교
빔 방식	낮음	4.5 - 2,268 kg	높음	중간	탱크, 플랫폼 저울에 사용됨 선형 구동력에 적합 스트레인 게이지가 노출되며 보호가 필요
S 유형 빔	낮음	4.5 - 2,268 kg	높음	중간	탱크, 플랫폼 저울에 사용됨 높은 측면 로드 제거 로드가 중앙에 위치하지 않아도 됨 굽힘 빔에 비해 차폐와 보호 기능이 우수
캐니스터	중간	최대 226.7 t	중간	높음	트럭, 탱크, 호퍼 저울에 사용 로드의 이동 처리 수평 로드 보호가 없음
팬케이크/ 로우 프로파일	낮음	2.3 kg - 226.7 t	중간	중간	스테인리스 스틸 탱크, 용기, 저울에 사용됨 로드 이동이 허용되지 않음
버튼(Button) / 워셔(Washer) 로드셀	낮음	0 - 22.7 t 또는 0 - 90.7 t	낮음	중간	로드가 반드시 중앙에 위치해야 함 로드 이동이 허용되지 않음

 

용량. 최소 및 최대 용량 요구사항을 정의합니다. 로드셀을 선택하기 전에 최대 작동 로드를 초과하는 용량을 선택하고 모든 추가 로드 및 모멘트를 결정하십시오. 로드 용량은 다음을 지원할 수 있어야 합니다.

측정 구조의 무게(고정 로드)

적용할 수 있는 최대 적재 로드(모든 정적 과부하 포함)

풍력 하중 또는 지진 활동과 같은 외부 요인에 따른 추가 과부하

 

측정 빈도. 로드셀은 일반적인 용도로 사용하도록 설계되었으며 성능에 영향을 주지 않으면서 수백만 번의 로드 주기를 견디는 피로도 등급이 적용되었습니다. 범용 로드셀은 정적 또는 저주기 빈도 로드 어플리케이션을 위해 설계되었습니다. 일반적으로 로드 수준 및 트랜스듀서 재질에 따라 최대 1백만 회의 주기를 소화합니다. 피로도 등급 로드셀은 일반적으로 로드 수준 및 진폭에 따라 5,000만 - 1억 번의 전체 역 로드 주기를 견디도록 설계되었습니다.

 

물리적 및 환경적 제약사항. 고려할 주요 특성 중 하나는 로드셀을 시스템에 통합하는 방법입니다. 크기를 제한하는 모든 물리적 제약사항(너비, 높이, 길이 등)을 확인하고 로드셀을 장착하는 방법을 파악하십시오. 대부분의 장력 및 압축 로드셀에는 상단 및 하단에 고정용 중앙 암 나사부가 있지만, 수 나사부와 두 가지 조합이 함께 사용될 수도 있습니다. 시스템의 작동 방식은 물론, 가장 넓은 온도 범위, 측정해야 하는 최소한의 무게 변화, 최악의 환경적 조건(홍수, 폭풍우, 지진 활동), 최대 과부하 조건 등 최악의 작동 조건을 고려하십시오.

 

토크 센서의 작동 방식

반응 토크 센서

반응 토크는 힘이 전달되거나 흡수될 때 회전부에 의해 장치의 고정부에 가해지는 회전력 또는 모멘트입니다. 구동 소스가 회전을 시도하는 동안 로드 소스가 견고하게 유지되는 경우 토크가 감지됩니다. 본체 또는 커버가 센서 요소에 고정되기 때문에, 반응 토크 센서는 케이블로 싸여있지 않은 경우에도 360도 회전하지 않습니다. 이런 센서들은 전후 운동형 모션의 토크를 측정하는 데 보편적으로 사용됩니다. 센서에 베어링, 슬립 링 또는 기타 회전 요소가 사용되지 않기 때문에 경제적인 비용으로 설치하여 사용할 수 있습니다.

 

회전 토크 센서

회전 토크 센서는 DDT와 함께 설치된다는 점을 제외하고 설계 및 적용 분야에서 반응 토크 센서와 비슷합니다. 토크 센서의 샤프트가 360도 회전하기 때문에, 이런 센서들에는 회전 요소에서 고정 표면으로 신호를 전송하기 위한 방법이 있어야 합니다. 이 문제는 슬립 링, 회전 변환기 또는 원격 측정기를 사용하여 해결할 수 있습니다.

 

슬립 링 방법

슬립 링 방식의 경우, 스트레인 게이지 브리지는 회전 샤프트에 장착된 4개의 은색 슬립 링에 연결됩니다. 은 흑연 브러시는 이 슬립 링들과 마찰을 일으키고 수신 브리지 구동과 송신 신호를 위한 전기적 경로를 제공합니다. AC 또는 DC를 사용하여 스트레인 게이지 브리지를 구동시킬 수 있습니다.

그림 4. 슬립 링은 구동 및 브리지 측정 신호를 위한 전기적 경로를 제공합니다. [1]

 

회전 변환기

회전 변환기 방법에서, 회전 변환기와 범용 변환기의 차이는 회전 변환기의 기본 또는 보조 날개 중 하나가 회전한다는 것뿐입니다. 하나의 변환기가 AC 구동 전압을 스트레인 게이지 브리지로 전송하는 데 사용되고, 두 번째 변환기는 신호 출력을 트랜스듀서의 비회전부로 전송하는 데 사용됩니다. 따라서 2개의 변환기로 4개의 슬립 링을 대체할 수 있으며 트랜스듀서의 회전부와 고정부 사이에 직접 접촉이 필요하지 않습니다.

그림 4. 구동 신호 전송을 위한 하나의 변환기와

브리지 출력 신호 전송을 위한 다른 하나의 변환기가 사용됩니다. [1]

 

디지털 원격 측정기

디지털 원격 측정기 방법에는 접촉 지점이 없습니다. 시스템은 송수신기 모듈, 커플링 모듈, 신호 처리 모듈로 구성됩니다. 트랜스미터 모듈은 토크 센서에 통합됩니다. 이 모듈은 센서 신호를 증폭 및 디지털화하여 캘리퍼 커플링 모듈(리시버)에 의해 취합되는 무선 주파수 캐리어 웨이브로 변조합니다. 그런 다음 신호 처리 모듈이 디지털 측정 데이터를 복구합니다.

 

적합한 토크 센서를 선택하는 방법

로드셀 선택과 마찬가지로 토크 센서 선택은 기본적으로 용량 요구사항과 물리적 또는 환경적 요구사항을 기준으로 결정됩니다.

용량. 올바른 용량을 선택하려면 예상되는 최소 및 최대 토크를 결정해야 합니다. 추가 토크 및 모멘트는 결합 스트레스를 증가시켜 피로도를 가속화하고 센서 정확도 및 성능에 영향을 줍니다. 축방향, 방사 또는 굽힘과 같이 토크 이외의 모든 로드는 추가 로드로 간주되고 사전에 결정되어야 합니다. 이러한 로드의 영향을 최소화하도록 장치를 설치할 수 없는 경우, 센서 문서를 참조하여 추가 로드가 센서의 등급 내에 속하는지 확인하십시오.

 

물리적 및 환경적 요구사항. 물리적 제한사항(길이, 지름 등)과 토크 센서를 시스템에 장착할 수 있는 방법을 파악합니다. 어떤 유형의 환경에서 센서가 작동되는지를 고려하여 폭넓은 온도 범위, 습도 또는 오염 물질(기름, 먼지, 분진)이 있는 상태에서 적절한 성능을 발휘하도록 해야 합니다.

 

분당 회전수(rpm). 회전 토크 센서의 경우, 얼마나 오랫동안 토크 센서가 회전하는 지와 어떤 속도에서 RPM이 결정되는지 파악해야 합니다.

 

로드 및 토크 센서의 신호 컨디셔닝

로드 및 토크 센서는 신호 컨디셔닝 과정을 거칠 수도, 그렇지 않을 수도 있습니다. 컨디셔닝 된 센서는 필터링과 신호 증폭에 필요한 구성요소뿐만 아니라 측정을 위한 구동 도선과 회로가 포함되어 있기 때문에 데이터 수집 장비에 직접 연결할 수 있습니다. 컨디셔닝 되지 않은 센서로 작업을 수행하는 경우, 효과적인 브리지 기반 로드 및 토크 측정 시스템을 구축하려면 몇 가지 신호 컨디셔닝을 고려해야 합니다. 다음 중 하나 이상이 필요할 수 있습니다.

휘트스톤 브리지 회로의 구동

긴 도선의 구동 전압 오류를 보정하기 위한 원격 감지 기능

측정 분해능을 증가시키고 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위한 증폭

외부 고주파수 노이즈를 제거하기 위한 필터링

스트레인이 적용되지 않는 경우 브리지를 출력 0 V와 균형을 맞추기 위해 오프셋 널링

브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 검증하기 위한 분기 교정