Month: May 2020

인장 센서는 코일이 이동할 때 발생하는 인장 변화(tension change)를 감지하고, 이를 인장 컨트롤러에 입력 신호로 전달하는 장치입니다.
시장에서는 주로 세 가지 유형이 사용됩니다.

1. 수평형(Horizontal) 인장 센서

• 두 개 한 세트로 구성
• 가이드 롤러(guide roller)가 인장 센서에 고정되어 있음
• 재료 무게를 감지하여 신호를 컨트롤러에 전달
• 컨트롤러가 자동으로 자력 제어(magnetic powder)를 통해 인장 조절
• 설치 예시는 아래 그림 참조

2. 샤프트 관통형(Shaft-through) 인장 센서

• 아이들 롤러(idler roller)나 라이브 롤러(live roller)에 설치 가능
• 기계 브래킷(machine bracket)이나 하부 판(bottom plate)에 직접 고정 가능
• 회전 샤프트를 통과하는 구조로 인장을 감지

3. 캔틸레버형(Cantilever) 인장 센서

• 캔틸레버 롤러(cantilever roller)에 장착되도록 설계
• 코일 인장 변화에 따라 실시간 감지 및 신호 전달
• 코일 위치에 영향을 받지 않음

인장 센서의 역할 – 힘 제어(Force Control)

와이어 및 케이블 제조 인장 제어

• 일관된 인장 유지 → 반복 가능한 품질 확보, 다운타임 최소화, 작업 효율 향상
• Lijing 인장 센서는 폐회로(closed-loop) 인장 컨트롤러와 결합 가능 → 자동 인장 제어 솔루션 제공
• Lijing 소형 로드셀(Miniature Load Cell)과 케이블 인장 센서(Wire Rope Tension Load Cells)는 맞춤 제작 가능 → 케이블, 와이어, 광섬유, 로프 인장 측정에 적합

장점

1. 제조 중 인장으로 인한 늘어남이나 파손 최소화
2. 제조 속도 최적화
3. 엉킴(Tangling) 사고 감소 → 다운타임 최소화
4. 기존 기계 및 작업자 능력 활용 → 다양한 제품 제조 가능
5. 일관된 품질 확보

1. 정전용량형(Capacitive) 인장 로드셀

• 원리: 측정된 인장을 정전용량(Capacitance) 변화로 변환
• 일반적으로 원형 금속막 또는 금속 도금막을 전극으로 사용
• 인장으로 막이 변형되면 막과 고정 전극 사이의 정전용량이 변하며, 회로를 통해 전압/출력 신호로 변환
• 분류: 단일 정전용량형(Single Capacitive) / 차동 정전용량형(Differential Capacitive)

1-1. 단일 정전용량형

• 구성: 원형 막과 고정 전극
• 작동: 인장 시 막이 변형 → 커패시턴스 변화 → 전기 신호 출력
• 특징:
  • 민감도 ≈ 막 면적 × 인장 / (막 장력 × 막-전극 거리)
  • 저인장 측정용: 오목 구면 전극 + 주변 고정 막
  • 고인장 측정용: 피스톤 이동 극(Piston moving pole) 사용 → 막 면적 감소 → 얇은 막 사용 가능 → 민감도 향상
  • 내장 보상 및 보호 회로 포함 → 방해 신호 방지 가능
• 응용: 동적 고인장 측정, 항공기 원격 측정
• 기타 유형: 마이크형, 청진기형

1-2. 차동 정전용량형

• 구성: 인장 수용 막이 두 개의 고정 전극 사이에 위치 → 두 개 커패시터 형성
• 작동: 인장 시 한쪽 커패시턴스 증가, 다른쪽 감소 → 차동 회로로 측정 결과 출력
• 특징:
  • 단일형 대비 민감도 높음, 선형성 우수
  • 제작 난이도 높음 (특히 대칭 유지)
  • 가스/액체 격리 불가 → 부식성 환경, 불순물 있는 유체에는 부적합

2. 압전형(Piezoelectric) 인장 로드셀

• 원리: 압전 효과(Piezoelectric Effect) 활용 → 인장을 전기 신호로 변환
• 응용: 정밀 계측기, 인장 트랜스미터 등
• 특징:
  • 정적 측정 불가: 외부 힘 후 생성된 전하는 무한 입력 임피던스(loop)가 필요
  • 따라서 동적 측정 전용
• 주요 압전 재료:
  • 인산이수암모늄(Ammonium Dihydrogen Phosphate)
  • 타르타르산 칼륨-나트륨(Potassium Sodium Tartrate)
  • 석영(Quartz)
• 재료 특성:
  • 석영: 압전 효과 우수
  • 칼륨-나트륨 타르타르산염: 민감도 높으나 저습/저온 환경에 적합
  • 인산이수암모늄: 고습/고온 환경에서 넓은 응용 가능
  • 기술 발전으로 세라믹 압전소재 사용 증가 (Piezoelectric ceramics, Mg-Niobate, BaTiO3 등)

압전 효과 유형

1. 정(양) 압전 효과(Positive Piezoelectric Effect)
   • 결정에 외부 힘 → 내부 전기 분극 발생, 양극성 전하 생성
   • 힘 제거 → 결정 원래 상태
   • 힘 방향 변화 → 전하 극성 변화
   • 생성 전하량 ∝ 외부 힘 크기
   • 대부분 센서는 이 효과 사용
2. 역압전 효과(Inverse Piezoelectric Effect)
   • 결정에 교류 전기장 → 결정 기계적 변형
   • 전기 → 기계 변환 가능
   • 응용: 전음향, 초음파 공학

• 센서 변형 유형: 두께 변형, 길이 변형, 부피 변형, 두께 전단, 평면 전단
• 모든 결정이 다섯 가지 변형 모두에서 압전 효과를 내지는 않음
  • 예: 석영 → 부피 변형 없음, 두께·길이 변형 가능

인장 로드셀은 측정된 인장력을 다양한 전기 신호 형태로 직접 변환할 수 있어, 자동화 시스템의 중앙 집중식 감지 및 제어 요구를 충족하기에 편리합니다.
따라서 산업 생산 현장에서 널리 사용됩니다.

• 인장 로드셀은 단순한 인장 측정 외에도, 액체/가스 유량, 속도, 수위, 고도 등 다른 물리량을 간접적으로 측정하는 데 활용될 수 있습니다.
• 또한, 고속 변화하는 인장을 동적으로 측정하도록 설계된 인장 로드셀도 있습니다.
  • 예: 엔진 실린더의 연소 인장 모니터링, 터빈 엔진 내 가스 인장 측정
  • 이런 센서는 보통 석영 등 압전 재료로 제작됨
• 일부 인장 로드셀은 **이진 동작(Binary Mode)**으로 작동합니다.
  • 인장이 특정 값에 도달하면 회로를 켜거나 끄는 방식
  • 이런 형태를 **인장 스위치(Tension Switch)**라고도 함

주요 적용 분야

1. 유압 시스템(Hydraulic System)

• 인장 로드셀은 **힘의 폐루프 제어(Closed-loop Control)**에 사용
• 제어 스풀(Control Spool)이 급작스럽게 이동하면, 시스템 작동 인장의 수배에 달하는 피크 인장이 순간적으로 발생
• 일반 유압 장치에서 이러한 극한 조건을 고려하지 않으면 로드셀 파손 가능
• 해결 방법: 충격 방지형(Shock-resistant) 인장 로드셀 사용
  • 방법 1: 변형률계(Strain Gauge) 칩 변경
  • 방법 2: 외부 코일 연결
  • 유압 시스템에서는 주로 첫 번째 방법 사용 (설치 용이, 펌프의 지속적 인장 맥동 대응 가능)

2. 안전 제어 시스템(Safety Control System)

• 공기 압축기(Air Compressor) 등 장치의 안전 관리 시스템에서 사용
• 장점:
  • 소형, 저가, 시스템 테스트 정확도 향상
  • 설치 후 공기 배출관 등에서 인장을 제어하여 과부하 방지
• 동작 원리:
  • 압축기 시작 → 인장이 상한선 도달 전까지 컨트롤러가 공기 유입 조절 → 최대 출력 달성

3. 사출 금형(Injection Mold)

• 사출기 노즐, 핫 러너 시스템, 콜드 러너 시스템, 금형 캐비티에 설치 가능
• 캐비티 사이의 플라스틱 인장 측정

4. 광산 인장 모니터링(Mine Tension Monitoring)

• 광산 환경 특수성을 고려한 인장 로드셀 적용
• 종류:
  • 반도체 압저항형(Piezoresistive)
  • 금속 변형률계(Strain Gauge)
  • 차동 변압기(Differential Transformer)
• 선택은 광산 환경 및 요구 조건에 따라 달라짐

5. 공기 압축기, 냉난방 장치(Compressors, HVAC)

• 소형, 설치 용이
• 인장 가이드 포트(Tension Guide Port)에는 특수 밸브 니들 설계 사용

인장 로드셀은 액체와 가스의 인장(장력)을 측정하는 센서입니다.
다른 센서와 마찬가지로, 인장 로드셀은 작동 시 인장을 전기 신호 출력으로 변환합니다.

1. 인장 로드셀의 종류

인장 로드셀은 기술, 설계, 성능, 작업 조건, 가격에서 큰 차이가 있으며, 전 세계적으로 60종 이상, 약 300개 회사에서 생산됩니다.

• 분류 기준: 측정 가능한 인장 범위, 작동 온도, 인장 종류
• 가장 중요한 기준: 인장 종류

인장 종류별 분류

1. 절대 인장 로드셀(Absolute Tension Load Cell)
   • 진공 대비 실제 인장을 측정
   • 해수면 기준 절대 대기압: 101.325kPa (14.7 PSI)
2. 게이지 인장 로드셀(Gauge Tension Load Cell)
   • 특정 장소 대기압 대비 인장 측정
   • 예: 타이어 인장 게이지
   • 0 PSI 표시 → 내부 인장 = 대기압 (14.7 PSI)
3. 진공 인장 로드셀(Vacuum Tension Load Cell)
   • 1기압 미만 인장 측정
   • 일부 산업용 제품은 대기압 기준 음수 표시, 일부는 절대 인장 기준
4. 차동 인장 게이지(Differential Tension Gauge)
   • 두 지점 인장 차이를 측정
   • 예: 오일 필터 양쪽 끝 인장 차이, 유량 측정, 용기 액면 측정 가능
5. 밀폐형 인장 로드셀(Sealed Tension Load Cell)
   • 게이지형과 유사하지만, 해수면 기준으로 특별 보정됨

2. 구조와 원리에 따른 분류

• 변형률형(Strain Type)
• 압저항형(Piezoresistive Type)
• 정전용량형(Capacitive Type)
• 압전형(Piezoelectric Type)
• 진동주파수형(Vibration Frequency Type)
• 그 외: 광전, 광섬유, 초음파 인장 로드셀 등

3. 변형률계(Strain Gauge) 인장 로드셀

• 원리: 탄성 요소의 변형을 측정하여 인장을 간접 측정
• 재질: 금속 또는 반도체
• 작동 원리:
  • 도체와 반도체는 기계적 변형 시 저항값 변화
  • 인장 → 길이 증가, 단면적 감소 → 저항 증가
  • 압축 → 길이 감소, 단면적 증가 → 저항 감소
• 저항 변화 측정 → 인장 신호 산출

4. 압저항형(Piezoresistive) 인장 로드셀

• 단결정 실리콘과 IC 기술 사용
• 원리: 힘 작용 시 실리콘 저항 변화 → 회로에서 전기 신호 출력
• 특징:
  • 변형률계와 달리 탄성 요소를 거치지 않고 직접 실리콘 다이어프램에서 인장 감지
  • 금속 대비 반도체(실리콘)에서 압저항 효과가 훨씬 큼
  • N형 실리콘: 캐리어 재분포와 이동도 변화 → 저항 변화
  • P형 실리콘: 캐리어 이동과 유효 질량 변화 복합 작용
• 신호 변환:
  1. 센서 연결 → 위트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)
  2. 초기(무부하) → 브리지 균형 상태(Zero Position)
  3. 압력 가해지면 저항 변화 → 브리지 불균형
  4. 일정 전류/전압 공급 → 인장에 비례하는 전압 출력
  5. 증폭 및 전압-전류 변환 → 4~20mA 표준 출력
  6. 비선형 보정 루프 적용 → 온도 변화에도 정확도 유지
• 온도 보상:
  • 제로 드리프트, 감도, 선형성, 안정성 향상