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로드셀(load cell)의 정의
로드셀은 해상 구조물 및 대형 기계 구조물의 하중 측정, 고급 재료시험기의 하중 감지소자, 힘
자동제어 및 측정장치, 각종 하중 측정시스템, 원자재 강도시험 및 댐, 터널 등의 토목 구조물의
구조 해석용 하중 감지소자로 산업현장에 널리 응용되고 있는데 그것의 응용범위가 학장 되면
될 수록 사용목적 및 설치 환경에 적합한 형태 및 크기의 로드셀이 필요하게 된다.
특히 100 kgf 용량이상 정밀급 로드셀은 수입에 의존하고 있는 고가품목으로서 로드셀의
국산화로 그 수요가 산업의 고도화 및 공장자동화 추세에 발맞추어 급격히 증가할 전망에 있으며
최근들어 국내 건축물들의 기초공사 공정에서 지압을 감지하는 시스템 센서부분에 로드셀이 많이 응용되고 있어 국내 여건상 건축물의 안전성에 더욱 중요성이 강조되어 수요가 확대될 전망이다.
로드셀은 비직선성, 하중이력, 재현도, 크리프 및 온도특성에 의해 정확도 공급이 구분되어지며
고정밀급(1/5000)이상 로드셀 제작공법은 최첨단 기술로써 선진국 미국, 일본, 독일 등
몇나라에서만 개발되었으나 현재 국산화의 기술이 선진국과 어깨를 나란히 하고 있다.
특히 고정밀급 이상 로드셀을 제작하기 위해서는 로드셀 제작공정검사 및 최종 정확도를 시험할 수 있는 실화중 표준기등 고급시험장비 등이 필요하게 되며 로드셀 제작기술이 고도화되어야 할 뿐만 아니라 각종 성능시험장비가 필요하므로 고정밀급 로드셀 국산화를 통하여 국산 로드셀로 대처하여 염가에 공급할 경우 각 산업체에서는 생산성 향상을 꾀하기 위하여 각종 생산시스템 자동화를 서두르게 될 것이므로 더 많은 종류의 로드셀들이 필요하게 되며 현재 자동화된 산업체에서는 전체 자동화 공정중 로드셀만의 주문 교체(A/S)로 시스템의 유지 보수와 운영이 가능하게 되었다.
2. 로드셀의 원리 및 구조
로드셀은 힘을 받았을 때 생기는 로드셀 감지부의 탄성변형을 감지부 표면에 부착된 스트레인 게이지의 저항변화를 측정함으로써 힘의 크기를 전기적인 신호로 검출할 수 있도록 설계되어 있다. 즉, 후크의 법칙에 의하여 탄성체에 작용한 응력과 스트레인 ε는 서로 비례하고 또 스트레인 게이지의 저항변화율 ΔR/R과 스트레인 ε사이의 관계는 아래와 같이 나타낼 수 있기 때문이다.
ΔR
------ = K·ε
R
위에서 K는 게이지 상수라고 불리운다. 그러나 스트레인게이지를 한 개만 사용하여 힘을 측정하면 우선 출력이 아주 작을 뿐만 아니라 브리지 회로의 불평형에 의한 오차와 온도보상의 어려움이 따르므로 로드셀은 보통 감지부에 스트레인게이지를 인장 및 압축방향으로 각각 2씩 부착한 다음 표-1 (Wheatstone bridge circuit)과 같이 브리지회로를 형성하여 사용하는 것이 보통이다.
이때 브리지의 입력전압을 VⅠ라고 하고 출력전압을 VΟ라 하면 입,출력 전압비와 스트레인게이지의 저항값 R과의 관계는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
1
V0 /VⅠ = ---- (ΔR1 - ΔR2 + ΔR3 - ΔR4)
4R
여기에서 ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4 는 각각 스트레인게이지 1, 2, 3, 4 가 하중을 받아서 야기된 저항값의 변화량이다. 만약에 ΔR1 = ΔR3 = -ΔR2 = -ΔR4 이면 브리지회로의 입,출력 전압비 V0 / V1 는 아래와 같이 된다.
V0 ΔR
------ = ------
V1 R
그런데 스트레인게이지 게이지 상수 K는 아래와 같이 전기저항값의 변화율 ΔR/R 과
스트레인 ε과의 비로 정의된다.
ΔR / R
K = ------------
ε
따라서 브리지회로의 입,출력 전압비 V0 /V1 는 아래와 같이 스트레인게이지가
감지하는 스트레인 ε의 함수로 나타낼 수 있게 된다.
V0 /V1 = K·ε
스트레인게이지를 이용한 하중센서의 종류에는 로드셀, 토크셀, 압력셀, 가속도계 등이 있고
이중에서 로드셀이 가장 먼저 개발되어 현재 가장 광범위하게 응용되고 있다.
로드셀은 생산 라인 자동화를 위한 센서, 고온 또는 고압과 같은 가혹한 환경조건에서의 힘측정을 위한 센서 또는 힘측정기기, 피로시험기의 센서에 사용되고 있다. 이와 같이 로드셀의 사용범위가 광범위하기 때문에 각 용도에 다목적으로 사용할 수 있는 만능 로드셀의 설계는 매우 어렵고 사용목적에 따라 가장 적합한 로드셀의 형태를 선정하여야 한다. 로드셀의 구조를 기능에 따라 분류하여 보면 힘을 받아 역학적인 스트레인을 발생시키는 감지부, 발생한 스트레인을 전기적인 출력으로 감지하는 스트레인게이지, 온도 등의 주위환경에 따라 생기는 오차를 보상해 주는 보상회로, 가혹한 환경조건에서도 사용이 가능하도록 한 보호케이스 등으로 구성되어 있다.
따라서 로드셀을 설계하기 위해서는 이와같은 로드셀 구성 요소들의 특성을 잘 파악하여
사용목적에 부합되는 로드셀 형태를 선택하여야 한다.
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