로드 셀 및 압력 트랜스듀서 – 작동 원리 개요

 

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 V_O는 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.

출처 : http://www.ni.com/tutorial/7138/ko/#toc1