NI DAQ 로드 셀 또는 압력 트랜스듀서 측정 방법

개요

본 문서는 “가장 일반적인 측정을 위한 How-To 가이드” 리소스 입문의 일부입니다.

 

1. 로드 셀 및 압력 트랜스듀서 – 작동 원리 개요

로드 셀은 기계적인 힘을 전기 신호로 변환하는 트랜스듀서입니다.

여러 방식으로 작동하는 여러 형태의 로드 셀이 있지만 가장 보편적으로 사용되는 로드 셀은 스트레인 게이지 로드 셀입니다. 이름에서도 알 수 있듯이 스트레인 게이지 로드 셀은 한 어레이의 스트레인 게이지를 이용하여 구조적인 변형을 측정하고 이를 전기 신호로 변환합니다.

 

압력 트랜스듀서도 동일한 법칙으로 작동합니다.

압력이 적용되는 격판(diaphragm)에 탑재되는 스트레인 게이지는 압력과 비례하는 격판의 변형을 측정합니다.

다음 섹션에서는 스트레인 게이지 로드 셀 작동 원리와 측정방법을 살펴보겠습니다.

참고로, 스트레인 게이지 압력 트랜스듀서에도 동일한 법칙이 적용됩니다.

 

로드 셀이 어떻게 작동하는지 이해하려면 작동 원리에 대한 기본 이론를 이해할 필요가 있습니다.

앞에서 설명하였듯이 스트레인 게이지는 적용된 힘 (로드)을 측정하기 위해 변형 즉, 스트레인을 측정합니다.

스트레인이란 길이에서 아주 작은 변형을 의미합니다. 더욱 구체적으로 스트레인은 길이 변화를 원래 길이(L)에서 나뉘어진 길이 변화를 dL로 나타내며, 적용된 로드에 비례합니다.

그림 1은 이에 대한 개념 설명입니다. 스트레인을 감지하고, 로드가 가해진 구조적인 일부의 물리적 특징을 파악한다면 정확하게 힘을 계산할 수 있습니다.

그림 1. 스트레인

 

스트레인을 측정하는 여러 방법이 있지만 가장 보편적인 방법은 스트레인 게이지로 측정하는 것입니다.

스트레인 게이지는 디바이스의 스트레인 양에 비례하여 전기 저항이 달라지는 디바이스입니다.

가장 널리 사용되는 게이지는 금속 결합 스트레인 게이지입니다. (그림 2)

그림 2. 금속 결합 스트레인 게이지

 

스트레인 및 그로 인한 저항의 변화는 극소량이므로 저항의 변화를 증폭할 수 있는 추가 회로를 사용해야 합니다.

로드 셀에서 가장 보편적인 회로 구성은 휘트스톤(Wheatstone) 브리지입니다.

그림 3에 설명된 일반적인 휘트스톤 브리지는 여기 전압(VEX, t)이 있는 4개의 저항성 암(resistive arms)으로 구성되며,

여기 전압은 브리지에 적용됩니다.

 그림 3. 휘트스톤 브리지

 

브리지의 출력 전압인 VO는 다음과 같습니다.

로드 셀은 보통 휘트스톤 브리지 구성에서 4개의 스트레인 게이지를 사용하며, 이는 회로의 각 부분이 활성화되었다는 의미입니다. 본 구성은 풀 브리지(full-bridge)라고 합니다. 풀 브리지구성을 사용하면 스트레인의 변화에 대해 회로의 민감도가 대폭 향상되므로 더욱 정확한 측정을 제공하게 됩니다.

휘트스톤 브리지에 대한 더욱 심도 있는 이론이 있지만, 로드 셀은 보통 여기 (0 V 및 Vex)를 위한 두 개의 와이어와 출력 신호 (AI+ 및 AI-)를 위해 두 개의 와이어가 있는 “블랙 박스”이기 때문에 심도 깊은 이론을 신경 쓰지 않아도 됩니다.

로드 셀 제조업체들은 모든 로드 셀에 대한 교정 곡선(calibration curve)를 제공하기 때문에 출력 전압을 특정양의 힘에 연계할 수 있습니다.

 

2. 로드 셀/압력 측정하는 방법

다음 섹션은 효율적인 로드 셀/압력 트랜스듀서 측정을 위해 필수적인 데이터 수집 및 신호 컨디셔닝 기기를 설명합니다. 로드 셀/압력 트랜스듀서 측정을 위해 기본적인 요구 조건에는 여기, 신호 증폭, 및 브리지 균형 등이 있습니다.

브리지 여기
로드 셀 신호 컨디셔너는 보통 브리지에 전원을 공급하기 위해 일정한 전압 소스를 제공합니다.

업계에서 인정하는 표준 전압 레벨이 정해져 있는 것은 아니지만 여기 전압 레벨은 보통 3 ~ 10 V이 일반적입니다.

높은 여기 전압일수록 그에 비례해 높은 출력 전압을 생성하지만, 높은 전압은 자가 발열로 인해 더 많은 에러를 유발합니다. 여기 전압은 매우 정확하고 안정적이어야 합니다.

 

신호 증폭
로드 셀 및 브리지의 출력은 상대적으로 작습니다. 실제로, 대부분의 로드 셀 및 로드 기반의 트랜스듀서는 10 mV/V이하 (여기 전압의 전압당 10 mV 출력)의 출력을 냅니다.

10 V 여기 전압이면 출력 신호는 100 mV입니다. 따라서 로드 셀 신호 컨디셔너에는 측정 해상도를 높이고 신호 대 노이즈 비율을 향상시키기 위해 신호 레벨을 증대하는 증폭기가 있습니다.

 

브리지 균형, 오프셋 영점(Offset Nulling)
브리지가 설치되었을 때, 적용된 스트레인이 없다 하더라도 브리지 출력이 정확히 0 V가 될 가능성은 적습니다.

그 대신, 브리지 및 리드 저항간의 미세한 저항 변화로 인해 0이 아닌 초기 오프셋 전압을 생성하게 됩니다.

이 같은 초기 오프셋 전압을 시스템에서 처리할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다.

 

1. 소프트웨어 보상 – 첫 번째 방식은 소프트웨어의 초기 전압을 보상하는 것입니다. 본 방식을 사용하면, 스트레인 입력을 적용하기 전에 초기 측정을 수행할 수 있습니다. 이는 또한 auto-zero라고 알려져 있습니다. 본 방식은 간단하면서도 신속하고, 수동으로 조정을 할 필요가 없습니다. 소프트웨어 보상의 단점으로는 브리지 오프셋이 제거되지 않는다는 점입니다. 오프셋이 충분히 클 경우 출력 전압에 적용할 수 있는 증폭기 게인이 제한되므로, 측정의 다이나믹 레인지가 제한됩니다.
2. 오프셋-영점 회로 – 두 번째 균형 방식은 조정 가능한 저항 또는 전위차계를 사용하여 브리지의 출력을 0 V로 조정하는 방식입니다. 전위차계의 위치를 다양하게 변화시킴으로써 브리지 출력의 레벨을 컨트롤할 수 있습니다. – 초기에 출력을 0 V으로 설정합니다.
3. 버퍼링된 오프셋 영점 – 세 번째 방식은 소프트웨어 방식과 마찬가지로 브리지에 직접적인 영향을 주지 않습니다. 버퍼링된 영점으로 영점 회로는 조정 가능한 DC 전압을 계측 증폭기의 출력에 추가합니다.

로드 셀 또는 압력 트랜스듀서를 인스트루먼트에 연결

본 섹션에서는 NI cDAQ-9172 섀시 및 NI 9237 C 시리즈 스트레인 게이지 모듈 (그림 4)을 사용한 예제를 보겠습니다. 이와 같은 과정은 다른 측정 인스트루먼트를 사용할 때에도 적용됩니다.

그림 4. NI CompactDAQ 시스템

 

필요한 기기는 다음과 같습니다.
- NI CompactDAQ용 cDAQ-9172 8-슬롯 고속 USB 섀시
- NI 9237 4-채널, ±25 mV/V, 24-비트 동시 브리지 모듈
- 풀 브리지(full-bridge) 로드 셀

 

NI 9237에는 4개의 RJ-50 소켓을 갖추고 있어 네 개의 하프 또는 풀 브리지를 제공합니다. 그림 5는 각 커넥터용 터미널의 신호 이름 목록이며, RJ-50 10-포지션/10-도체 (10p10c) 모듈형 플러그와 NI 9237 소켓간의 관계를 나타냅니다. NI 9237에는 또한 4-포지션 커넥터가 있어 외부 여기 전압 소스를 모듈에 연결할 때 사용할 수 있습니다. 그림 6은 NI 9237 모듈의 아랫부분에 커넥터가 위치한 그림입니다. 그림은 또한 풀 브리지 구성을 위해 필요한 연결을 나타냅니다.

그림 5. NI 9237 터미널 이름

 그림 6. 풀 브리지 구성에서 와이어링

 

측정 결과 보기: NI LabVIEW

이제 로드 셀을 측정 디바이스에 연결하였으므로 그래픽 기반 프로그래밍 소프트웨어인 LabVIEW를 사용하여 데이터를 컴퓨터로 전송한 후 시각화 및 분석을 진행할 수 있습니다.

그림 7은 LabVIEW 프로그래밍 환경 내의 차트 인디케이터상에 측정된 스트레인 데이터를 디스플레이합니다.

그림 7. 로드 데이터를 나타내는 LabVIEW프런트 패널