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계량용 로드셀을 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 요소는 실제 작업 환경입니다. 작업 환경은 센서가 정상적으로 작동할 수 있는지 여부뿐만 아니라, 센서의 수명, 나아가 전체 장비의 신뢰성과 안전성에도 영향을 미칩니다. 그렇다면 로드셀에서는 어떤 오차가 발생할 수 있을까요? 로드셀 및 힘 센서 제조사의 관점에서 그 원인을 설명합니다.

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1. 계량용 로드셀의 오차에 영향을 미치는 요인

(1) 특성 오차

이 오차는 주로 센서 자체의 DC 드리프트 값, 기울기(감도) 불일치, 또는 비선형성에 의해 발생합니다.
흔히 “이론과 현실 사이에는 차이가 있다”는 말을 하는데, 로드셀 역시 이상적인 전달 함수 특성과 실제 센서의 특성 사이에는 일정한 차이가 존재합니다.

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(2) 적용 오차

이 오차는 주로 사용 및 조작 과정에서 발생합니다.
대표적인 원인으로는 센서 설치 오류, 센서와 측정 대상 사이의 절연 불량, 공기 또는 기타 가스 정화 과정에서의 오류, 그리고 다양한 잘못된 작업으로 인한 오차 등이 있습니다.

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(3) 동적 오차

이 오차는 센서가 정적 상태에서는 비교적 큰 저항 특성을 가지기 때문에 발생합니다. 그 결과 입력 값의 변화에 대한 반응 속도가 느려질 수 있으며, 심한 경우 몇 초가 지나서야 변화가 감지되기도 합니다.

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(4) 환경 오차

로드셀은 온도, 바람, 진동, 고도 등과 같은 외부 환경 요인에 의해서도 오차가 발생할 수 있습니다.

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2. 로드셀 성능에 영향을 주지 않는 설치 요령

로드셀은 실생활에서 매우 널리 사용되는 센서 중 하나로, 가정에서도 쉽게 접할 수 있습니다. 로드셀은 구조가 견고하고 내구성이 뛰어나지만, 설치 및 사용 과정에서 주의하지 않으면 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

소형 계량 센서는 충격에 특히 주의해야 하며, 충격은 향후 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 제품 자체에 대한 충분한 검사와 관리가 중요하며, 운반 시에는 전용 취급 공구를 사용하는 것이 좋습니다. 바닥에 내려놓을 경우에는 천천히 내려 진동으로 인해 내부 부품이 손상되지 않도록 해야 합니다.

또한 설치용 베이스는 수평을 유지하고 깨끗해야 하며, 이물질이 없어야 합니다. 로드셀은 사용 중 과부하 측정을 반드시 피해야 하는데, 이는 탄성체의 비가역적 변형을 초래하여 영구적인 손상을 일으킬 수 있습니다.

수평 조정 시에는 센서 전용 수평계를 사용하여 동일한 수평면에 설치하는 것이 바람직하며, 이를 통해 하중의 일관성을 확보할 수 있습니다. 센서는 볼트로 고정하되, 장기간 사용해도 풀리지 않도록 적절한 체결 토크를 유지해야 합니다.

로드셀은 출력 신호가 일반적으로 밀리볼트(mV) 수준으로 매우 약하기 때문에, 가능한 한 고출력 전기 장비로부터 멀리 설치해야 합니다. 또한 센서를 차폐하고, 출력 신호는 차폐된 트위스트 페어 케이블을 사용해 전송하면 성능이 향상됩니다. 케이블 포설 시 전원 케이블과 병렬로 설치하는 것은 피해야 하며, 부득이하게 병렬로 배치해야 할 경우에는 최소 50cm 이상의 거리를 유지해야 합니다.

로드셀(load cell)에 대해 이야기하면, 많은 사람들이 단순히 물체의 무게를 측정하는 센서라고 생각합니다. 그러나 이는 완전히 정확한 설명은 아닙니다. 로드셀은 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 로드셀의 원리는 앞서 설명한 압력 센서와 유사하지만, 구조와 형태는 서로 다릅니다. 현대 과학기술 산업에서 로드셀은 거의 모든 곳에서 사용되고 있습니다. 여기에서는 로드셀 공급업체의 관점에서 로드셀의 작동 원리와 분류에 대해 소개합니다.

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1. 로드셀의 정의

로드셀은 질량(하중) 신호를 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 장치로 정의됩니다.
로드셀의 주요 기술 지표에 대한 기본 개념과 평가 방법은 구(舊) 국가 표준과 신(新) 국가 표준 사이에 질적인 차이가 존재합니다.

대표적인 로드셀 형식에는
S형, 캔틸레버형, 스포크형, 플레이트 링형, 벨로우즈형, 브리지형, 컬럼형 등이 있습니다.

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2. 로드셀의 작동 원리

로드셀의 작동 원리는 크게 선형(리니어) 타입과 회전형(디스크 타입) 두 가지 구조로 나뉩니다.
로드셀은 서로 상대적으로 이동 가능한 **슬라이딩 스케일과 고정 스케일(선형 타입)**로 구성됩니다. 이 두 가지 형태의 로드셀 동기기는 동일한 제조 공정을 사용하여 생산됩니다.

로드셀은 먼저 비자성 재료(저탄소강 또는 유리 등)의 기판 위에 절연 접착제를 사용해 두께 0.04~0.05mm의 전도성 동박을 부착합니다. 이후 설계 요구에 따라 포토리소그래피 또는 화학적 에칭 공정을 통해 동박을 다양한 형태의 평면 와인딩으로 가공합니다. 이를 일반적으로 **인쇄 회로 와인딩(Printed Circuit Winding)**이라고 합니다.

고정 스케일과 슬라이딩 스케일, 로터와 스테이터에 분포된 와인딩의 구조는 서로 다릅니다.

• 고정 스케일과 로터의 와인딩은 연속 와인딩
• 슬라이딩 스케일과 스테이터의 와인딩은 분할 와인딩

분할 와인딩은 두 개의 그룹으로 나뉘며, 공간상에서 위상 차이가 π/2(90°) 나도록 배열됩니다. 이러한 구조로 인해 로드셀의 작동 원리는 사인(Sine) 및 코사인(Cosine) 와인딩 원리라고도 불립니다.

유도 동기기의 연속 와인딩과 분할 와인딩은 변압기의 1차 및 2차 권선에 해당하며, 교류 전자기장과 상호 인덕턴스 원리에 의해 작동합니다.

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3. 로드셀의 분류

(1) 저항 스트레인 게이지형

가장 널리 사용되는 로드셀 유형입니다.
저항 스트레인 게이지가 변형될 때 저항값이 변화하는 원리를 이용합니다.
주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 탄성체
• 저항 스트레인 게이지
• 측정 회로
• 신호 전송 케이블

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(2) 유압식

유압식 로드셀은 구조가 단순하고 견고하며 측정 범위가 넓지만, 정확도는 일반적으로 1/100을 넘지 않습니다.

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(3) 정전용량식

콘덴서 발진 회로의 발진 주파수 f와 전극 간 거리 d의 비례 관계를 이용해 작동합니다.
전력 소모가 적고 비용이 낮으며, 정확도는 1/200~1/500 수준입니다.

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(4) 디지털형

디지털 로드셀은 중력을 전기 신호로 변환하는 힘-전기 변환 장치입니다.
저항 스트레인 로드셀, 전자 증폭기, A/D 변환 기술, 마이크로프로세서를 통합한 신형 센서를 의미합니다.

디지털 로드셀과 디지털 계측 기술의 발전으로,
간편한 설정, 높은 현장 적응성이라는 장점을 바탕으로 계량 기술 분야에서 새로운 트렌드로 자리 잡고 있습니다.

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(5) 플레이트 링형

플레이트 링형 로드셀은 다음과 같은 장점을 가집니다.

• 응력 흐름이 명확함
• 출력 감도가 높음
• 탄성체가 일체형 구조
• 구조가 단순하고 응력 상태가 안정적
• 가공이 용이함

현재까지도 센서 생산에서 상당한 비중을 차지하고 있으나, 이 구조에 대한 설계 공식은 아직 완전히 정립되지 않은 상태입니다.

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(6) 진동형

탄성체에 하중이 가해지면 자연 진동수는 하중의 제곱근에 비례합니다.
자연 진동수의 변화를 측정하여 작용하는 힘을 구하고, 이를 통해 질량을 계산합니다.

진동형 센서에는

• 진동선형
• 튜닝 포크형
  두 가지가 있습니다.

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(7) 자이로형

자이로 센서는

• 빠른 응답 속도(약 5초)
• 히스테리시스 없음
• 우수한 온도 특성(약 3ppm)
• 진동 영향이 적음
• 고주파 측정 정확도 우수

라는 특징을 가지고 있어 고분해능·고정밀 측정이 가능합니다.

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(8) 광전식

그레이팅형과 코드 디스크형을 포함합니다.
광전 센서는 주로 기계·전기 결합형 저울에 사용되었습니다.

토션 로드셀(Torsion Load Cell)은 토크 센서, 토크 미터라고도 하며, 동적 토션 로드셀과 정적 토션 로드셀의 두 가지로 구분됩니다.
그중 동적 토션 로드셀은 토션 로드셀, 토크 속도 센서, 비접촉식 토션 로드셀, 회전형 토션 로드셀 등으로도 불립니다.

토션 로드셀은 회전하거나 회전하지 않는 다양한 기계 부품에 작용하는 토크를 검출하며, 토크의 물리적 변화를 전기 신호로 변환합니다.
토크 변환기는 점도계, 전동(공압·유압) 토크 렌치 제조 등에 사용되며, 높은 정밀도, 빠른 주파수 응답, 우수한 신뢰성, 긴 수명이라는 장점을 가지고 있습니다.

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일반적으로 토크는 외부 토크를 의미합니다.
예를 들어 공작기계 주축의 회전은 동력원에서 제공되는 외부 토크의 결과이며, 주축 내부에서는 내부 토크가 발생합니다. 주축이 작동할 때 공구의 절삭력이 주축에 작용하여 비틀림 탄성 변형이 발생하며, 이를 통해 토크의 크기를 측정합니다.

토크란 물체에 회전 효과 또는 비틀림 변형을 일으키는 모멘트로,
**힘 × 힘의 작용 거리(모멘트 암)**의 곱으로 정의됩니다.

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1. 토션 로드셀에서의 토크는 회전 동력 시스템에서 자주 사용되는 핵심 파라미터

회전 토크를 검출하기 위해 토션 로드셀이 가장 널리 사용됩니다.
토션 로드셀은 탄성축의 양쪽 끝에 치수, 형상, 설치 각도가 동일한 두 세트의 기어를 장착하고, 기어 외부에는 **근접 센서(자기식 또는 광학식)**를 설치합니다.

탄성축이 회전하면 두 개의 센서가 각각 펄스 파형을 감지하며,
두 펄스 파형의 선행·후행 에지 간 위상차를 비교하여 탄성축에 작용하는 토크 값을 계산합니다.

장점

• 토크 신호의 비접촉식 전송 가능
• 검출 신호가 디지털 신호

단점

• 장치 부피가 크고 설치가 불편함
• 저속 회전 시 펄스 에지가 느려 위상 비교가 어려워 저속 성능이 떨어짐

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2. 토션 로드셀에서 가장 성숙한 토크 검출 방식: 스트레인 전기 측정 기술

토션 센서는 높은 정밀도, 빠른 주파수 응답, 우수한 신뢰성, 긴 수명이라는 장점을 가지고 있습니다.
측정 대상이 되는 탄성축에 스트레인 게이지를 부착하여 스트레인 브리지를 구성하고, 브리지에 전원을 공급하면 탄성축의 비틀림 전기 신호를 측정할 수 있습니다.
이 방식이 토션 로드셀의 기본 구조입니다.

그러나 회전 동력 전달 시스템에서는 회전 부품과 고정부 사이에서
스트레인 브리지의 전원 입력 및 측정 신호를 안정적으로 전달하는 것이 비교적 어려운 문제입니다.

일반적으로 **슬립 링(도전 링)**을 사용하지만,
슬립 링은 마찰 접촉 방식이기 때문에 마모와 발열이 발생할 수밖에 없으며,
이로 인해 토션 로드셀의 회전 속도와 슬립 링의 수명이 제한됩니다.

또한 접촉 불량이 발생할 경우 신호 변동, 측정 오차 증가,
심한 경우 측정 실패로 이어질 수 있습니다.

과학기술의 발전과 함께 산업 제품도 지속적으로 고도화되고 있으며, 장력 센서는 다양한 산업 분야에 점점 더 널리 적용되고 있습니다. 아래에서는 장력 센서의 정의와 작동 원리를 소개합니다.

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Ⅰ. 장력 센서의 정의

장력 센서는 말 그대로 장력 신호를 수집하는 센서입니다.
장력 센서는 장력 제어 과정에서 코일(롤)의 장력 값을 측정하는 계측 장비로 사용됩니다.

외부에서 힘이 가해지면, 센서 내부에 부착된 스트레인 게이지의 저항값이 변화하며, 이 변화량은 가해진 장력의 크기에 비례합니다.

마이크로 변위형 장력 센서는 외력을 통해 하중을 가하면 리프 스프링(판 스프링)이 미세하게 변위되고, 이 변위를 트랜스포머로 감지하여 장력을 측정합니다.
이때 리프 스프링의 변위량은 약 ±200μm 수준으로 매우 작기 때문에 이를 마이크로 변위형 장력 검출기라고 합니다.

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Ⅱ. 장력 센서의 작동 원리

장력 로드셀은 **결정체(crystal)**로 만들어지며, 결정체는 이방성(anisotropic) 특성을 가지고 있는 반면, 비결정체(amorphous)는 등방성(isotropic) 특성을 가집니다.

일부 결정 재료는 특정 방향으로 기계적 힘을 받아 변형되면 **분극 현상(polarization effect)**이 발생합니다.
이후 외력이 제거되면 다시 무전하 상태로 돌아가게 됩니다.

즉, 이러한 결정체는 장력이나 압력을 받을 때 전기적 신호를 발생시키며, 이를 **압전 효과(분극 효과)**라고 합니다.
과학자들은 이 원리를 기반으로 장력 센서를 개발하였습니다.

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Ⅲ. 장력 센서의 적용 분야

1. 와이어·케이블·협폭 밴드 장력 검출 및 제어

• 와이어 및 케이블 장력 측정 및 제어
• 신축성 직물 장력 제어
• SF 협폭 벨트 장력 센서 적용
• 협폭 밴드 장력 측정 시스템

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2. 제지·필름·인쇄·섬유 가공 산업의 장력 제어

• 섬유 직물 장력 측정
• 인쇄 공정에서 캔틸레버 방식 라이브 휠 적용
• 종이 코팅기 장력 검출
• 블로운 필름 생산 라인 장력 제어 및 증폭기
• 장력 센서 기반 폐루프(Closed-loop) 제어 시스템
• 리와인더 장력 제어

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3. 피벗 테이블 장력 검출 및 제어

• 피벗형 장력 로드셀을 이용한 코일 장력 검출
• 산세·어닐링 공정에서 스풀형 장력 로드셀을 이용한 장력 제어

장력 센서(장력 로드셀)의 주요 기능은 운전 중인 케이블의 장력을 감지하는 것입니다.
장력 센서는 직경 15~115mm의 케이블에 적용할 수 있으며, 최대 500톤까지의 장력 측정이 가능합니다. 케이블의 기존 힘 구조를 변경하지 않으면서 정적 및 동적 장력을 동시에 측정할 수 있습니다.

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1. 장력 센서의 구조 구성

대부분의 장력 로드셀은 3륜(Three-wheel) 구조를 채택하고 있습니다.
케이블의 정상적인 운전에 영향을 주지 않도록 설계되었으며, 구조적으로 견고하고 컴팩트한 설계 원칙을 구현하고 있습니다. 또한 중앙 휠의 이동성은 설치 및 운용을 더욱 용이하게 합니다.

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2. 장력 센서의 용도

장력 로드셀은 제지 산업, 제약 산업, 화학 산업, 식품 산업 등 배치 공정 산업에서 고품질 유압 부품 및 계측기와 함께 널리 사용됩니다.

특히 인쇄 산업에서는 종이 장력 센서가 종이의 장력 신호를 수집하여 컨트롤러로 전달하고, 컨트롤러는 이 신호를 기반으로 권출·권취 속도를 자동 조절하여 장력 균형을 유지합니다. 이를 통해 원가 절감과 생산성 향상을 동시에 달성할 수 있습니다.

인쇄기에서는 다음과 같은 다양한 검출이 필요합니다.

• 인쇄물의 레지스터(정합) 검출
• 잉크 및 수분량 제어
• 종이 파손 감지

이러한 시스템에는 주로 변위형 장력 센서가 사용됩니다.

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3. 장력 센서의 설치 방법

장력 센서의 설치 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다.

1. 베어링 하우징 고정 볼트 홀을 이용하여 베이스에 직접 고정
2. 옵션 플레이트를 사용하여 베어링 하우징을 고정

설치 시 장력 측정 오차의 원인이 될 수 있는 요소에 주의해야 합니다.
신호선, 스위치, 출력 단자와 같은 약전류 배선은 전원선과 같은 강전류 배선으로부터 충분히 이격하여 설치해야 하며, 이는 전자기 간섭(EMI)으로 인한 장력 측정 오류를 방지하기 위함입니다.

또한 실제 적용 시 다음과 같은 요소들도 측정 정확도에 영향을 미칩니다.

• 출력 감도
• 온도 보상 범위
• 영점 온도 영향
• 정격 하중
• 한계 하중

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결론

장력 센서는 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있으며, 신뢰성 높은 품질의 장력 센서가 정상적으로 기능하기 위해서는
반복성(Repeatability), 크리프(Creep), 입력·출력 임피던스와 같은 주요 파라미터를 충분히 고려해야 합니다. 이러한 요소들은 일정한 장력을 유지하는 장력 제어 시스템의 핵심 목적이기도 합니다.

로드셀(load cell)은 질량 신호를 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 장치입니다. 센서를 사용할 때는 먼저 센서의 실제 사용 환경을 고려해야 하며, 이는 로드셀을 올바르게 선택하는 데 매우 중요합니다. 이는 센서의 정상 작동 여부뿐만 아니라 안전성, 수명, 그리고 전체 계량 시스템의 신뢰성과 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. 아래에서는 로드셀을 구성하는 주요 요소들을 소개합니다.

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1. 로드셀의 민감 요소(Sensing Element)

민감 요소는 측정 대상(질량)을 직접 감지하고, 측정 대상과 일정한 관계를 갖는 다른 물리량을 출력하는 요소입니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

• 저항 스트레인 방식 로드셀: 탄성체가 측정 대상의 질량을 변형으로 변환
• 정전용량 방식 로드셀: 탄성체가 측정 질량을 변위로 변환

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2. 로드셀의 변환 요소(Conversion Element)

변환 요소는 민감 요소의 출력을 측정하기 쉬운 신호로 변환하는 역할을 하며, 센서 요소라고도 합니다.

예시:

• 저항 스트레인 로드셀의 스트레인 게이지: 탄성체의 변형을 저항 변화로 변환
• 정전용량형 마이크로 로드셀의 커패시터: 탄성체의 변위를 정전용량 변화로 변환

일부 부품은 민감 요소와 변환 요소의 기능을 동시에 수행하기도 합니다.
예를 들어 압전 재료는 외부 하중에 의해 변형되면서 동시에 전류(또는 전압)를 출력하므로, 전압형 로드셀에서는 하나의 요소가 두 가지 기능을 수행합니다.

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3. 로드셀의 측정 요소(Measuring Element)

측정 요소는 변환 요소의 출력을 전기 신호로 처리하여, 전송·처리·표시·기록 또는 제어가 가능하도록 합니다.

예시:

• 저항 스트레인 방식 저울 센서의 브리지 회로
• 계량 센서의 전하 증폭기(Charge Preamplifier)

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4. 로드셀의 보조 전원(Auxiliary Power Supply)

보조 전원은 센서가 전기 신호를 출력하는 데 필요한 에너지를 제공합니다.
일반적으로 마이크로 로드셀은 외부 전원이 필요하며, 제품 사양에 전원 요구 조건이 명확히 표시되어야 합니다.

다만, 보조 전원은 로드셀의 필수 구성 요소는 아닙니다.
예를 들어 자기유도식 속도 센서와 같이 출력 에너지가 큰 일부 센서는 외부 전원 없이도 동작할 수 있습니다. 따라서 모든 로드셀이 보조 전원을 필요로 하는 것은 아닙니다.

마이크로 힘 센서(마이크로 로드셀)는 기계 작동 중 발생하는 다양한 정보를 신속하게 포착하여, 이후 의사결정을 위한 기술적·이론적 근거를 제공합니다. 또한 제품 설계와 파라미터 연구를 위한 정확한 기술적 지원을 제공합니다. 과학기술의 발전과 함께 센서의 적용 범위는 점점 확대되어 현재는 다양한 산업 분야 전반에 활용되고 있습니다. 아래에서는 마이크로 힘 센서의 기본 요구 사항을 살펴봅니다.

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1. 마이크로 힘 센서의 기본 요구 사항

기계에 사용되는 센서에는 여러 종류가 있으나, 그중 저항식 센서가 가장 많이 사용됩니다. 저항 변형식 마이크로 로드셀의 내부 회로는 일반적으로 브리지 회로 구조를 가지며, 저항체가 변환 소자로서 역할을 합니다. 저항값의 변화가 곧 신호 출력이 됩니다.

이 방식은 구조가 단순하고 선형성이 우수하며, 안정성이 좋고 출력 정밀도가 높아 실제 적용에서 점점 더 주목받고 있습니다. 마이크로 힘 센서에 사용되는 민감 소자는 탄성 시험 소자이며, 센서의 본체는 탄성체로 구성됩니다.

이때 탄성체의 구조 형상과 관련 치수는 마이크로 로드셀의 성능에 매우 큰 영향을 미칩니다. 만약 탄성체의 설계가 합리적이지 않다면, 가공 정밀도가 아무리 높고 부착된 저항 스트레인 게이지의 품질이 아무리 우수하더라도 높은 응력 측정 성능을 달성하기 어렵습니다. 따라서 탄성체 구조 설계는 마이크로 힘 센서 선택 과정에서 매우 중요한 요소입니다.

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2. 마이크로 힘 센서의 정적 특성

센서의 정적 특성이란 정적 입력 신호에 대한 출력과 입력 간의 관계를 의미합니다. 입력과 출력은 시간에 의존하지 않으므로, 이 둘의 관계는 시간 변수를 포함하지 않는 대수 방정식으로 표현할 수 있으며, 입력 값을 가로축으로 하여 특성을 설명할 수 있습니다.

마이크로 로드셀이 외력을 받으면, 탄성체에 부착된 스트레인 게이지가 변형되고 이에 따라 저항값이 변화합니다. 저항 변화로 인해 브리지 회로가 불균형 상태가 되며, 출력되는 전기 신호는 외력에 비례하여 선형적으로 변화합니다. 특히 마이크로 힘 센서는 측정 대상에 이상이 발생했을 때 이를 감지하고 해결 방안을 찾는 데 중요한 역할을 합니다.

센서를 선택할 때 완전한 선형성을 보장하는 센서는 존재하지 않으며, 선형성은 상대적인 개념입니다. 요구되는 측정 정확도가 낮은 경우에는 비선형 오차가 작은 마이크로 힘 센서를 일정 범위 내에서 선형 근사하여 측정할 수 있어 사용이 편리합니다.

마이크로 힘 센서는 최소 한 변의 크기가 1mm 이하인 초소형 센서를 의미합니다. 이러한 마이크로 힘 센서는 기존의 일반 센서에 비해 다음과 같은 장점을 가집니다.

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마이크로 힘 센서의 주요 장점

1. 자기 보상 기능
   신호 검출 비선형 오차, 온도 변화로 인한 신호 영점 드리프트 및 감도 변화, 응답 지연, 노이즈 및 상호 유도에 대한 보상 기능을 갖춤.
2. 자기 진단 기능
   시스템 전원 자체 점검, 시스템 동작 점검, 시스템 이상 자동 진단, 고장 부품 및 구성 요소 판별 기능.
3. 자기 교정 기능
   마이크로 로드셀 시스템의 파라미터 설정 및 검사, 시험 중 자동 범위 전환, 측정 파라미터의 자동 계산 등.
4. 데이터 자동 저장·분석·처리 및 전송 기능
5. 양방향 통신 기능
   마이크로프로세서, 마이크로컴퓨터 및 기본 센서 간의 양방향 통신이 가능함.

힘 측정을 위한 새로운 로드셀 제품의 등장과 함께, 마이크로 센서 기술의 발전은 별도의 분석 장비 없이도 공학적 비용 절감을 가능하게 하고 있습니다.

기계 동력 장비의 토크 변화는 장비의 운전 상태를 판단하는 데 매우 중요한 정보입니다. 토크 시험의 핵심이자 중요한 구성 요소로서 토크 센서 또한 지속적으로 발전해 왔습니다. 그렇다면 토크 센서는 어떻게 분류될까요?

토크 센서는 주로 토크, 회전 속도, 기계 효율을 측정하는 데 사용되며, 토크의 변화를 전기 신호로 변환합니다. 그 정확도는 시험 시스템 전체의 정확도와 밀접한 관련이 있습니다. 주요 특징으로는 다음과 같은 점들이 있습니다.

• 정적 토크뿐만 아니라 회전 토크 및 동적 토크 측정 가능
• 검출 정확도가 높고, 안정성이 우수하며 내간섭성이 강함
• 반복적인 영점 조정 없이 정·역방향 토크를 연속 측정 가능
• 슬립 링과 같은 마모 부품이 없어 고속 장시간 운전 가능
• 컴퓨터로 직접 전송 가능한 고레벨 주파수 신호 출력

아래에서는 일반적으로 사용되는 토크 센서의 종류를 간단히 소개합니다.

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1. 비접촉식 토크 센서 (Non-contact Torque Sensor)

비접촉식 토크 센서는 동적 토크 센서에 속하며, 토크 센서, 토크·속도 센서, 회전형 토크 센서 등으로도 불립니다.
입력축과 출력축은 **비틀림봉(토션 바)**으로 연결되어 있으며, 입력축에는 스플라인, 출력축에는 키홈이 형성되어 있습니다. 두 축 사이의 상대 변위 변화는 비틀림봉의 비틀림에 의해 발생합니다.

이 과정에서 스플라인의 자기 유도 강도가 변화하고, 이는 코일을 통해 전압 신호로 변환됩니다.
비접촉식 토크 센서는 수명이 길고 신뢰성이 높으며, 마모가 적고 응답 지연이 작으며, 축의 영향이 적다는 장점이 있어 널리 사용되고 있습니다.

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2. 스트레인 게이지식 토크 센서 (Strain Gauge Torque Sensor)

스트레인 게이지식 토크 센서는 스트레인 게이지 기술을 이용합니다. 탄성축에 스트레인 게이지를 부착하여 측정 브리지를 구성하며, 토크에 의해 탄성축이 미세하게 변형되면 브리지의 저항값이 변화하고, 그에 따라 전기 신호가 변하여 토크를 측정합니다.

이 방식의 특징은 분해능이 높고 오차가 작으며, 측정 범위가 넓고 가격이 비교적 저렴하여 선택이 쉽고 대량 적용에 적합하다는 점입니다.

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3. 위상차식 토크·속도 센서 (Phase Difference Torque Speed Sensor)

위상차식 토크 센서는 자기·전기 위상차 토크 측정 기술을 기반으로 합니다. 탄성축의 양쪽 끝에 치수, 형상, 설치 각도가 동일한 두 세트의 기어를 설치하고, 기어 외부에는 근접 센서를 장착합니다.

탄성축이 회전하면 두 센서에서 검출되는 파형 사이에 위상차가 발생하며, 이 위상차를 통해 토크를 계산합니다.

이 방식의 주요 특징은 토크 신호의 비접촉 전송, 디지털 신호 출력, 고속 응답입니다. 또한 최근에는 무선 통신 기술과 결합된 고성능 무선 토크 측정 센서가 널리 사용되며, 이를 통해 토크 데이터를 무선으로 전송할 수 있습니다.

자동화 기술의 발전에 따라 산업 장비에 사용되는 압력 센서는 액주식 압력계나 탄성식 압력계를 제외하고, 주로 압력 트랜스미터와 감지 장치를 사용하여 압력을 전기 신호로 변환합니다.
압력 센서란 압력을 전기 신호 출력으로 변환하는 센서를 의미합니다. 일반적으로 센서는 감지 소자(민감 소자)와 신호 변환 회로의 두 부분으로 구성됩니다.

감지 소자는 측정 대상에 직접 반응하거나 감지하는 부분으로, 측정된 변형(스트레인)을 전송이나 측정에 적합한 전기 신호로 변환합니다. 센서의 출력 신호는 보통 매우 미약하기 때문에 변조 및 증폭이 필요합니다. 집적 회로 기술의 발전으로 이러한 회로와 전원부를 센서 내부에 통합하게 되었으며, 그 결과 센서는 처리와 전송이 용이한 신호를 직접 출력할 수 있게 되었습니다.

일반적으로 압력 센서는 변화하는 압력 신호를 민감 소자에 전달하여 저항 신호 또는 정전용량 신호의 변화를 발생시키는 방식을 의미합니다.

현재 널리 사용되는 압력 센서로는 세라믹 압저항식 압력 센서, 스퍼터링 박막 압력 센서, 정전용량식 압력 센서, 고온용 사파이어 압력 센서 등이 있습니다. 이 중에서도 압저항식 압력 센서가 가장 널리 사용되며, 가격이 저렴하고 정확도가 높으며 선형성이 우수하다는 장점을 가지고 있습니다. 아래에서는 압력 센서의 분류를 자세히 소개합니다.

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1. 압저항식 압력 센서 (Piezoresistive Pressure Sensor)

저항식 스트레인 게이지는 압저항식 스트레인 센서의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 금속 저항체에 기계적 변형이 가해지면 저항값이 변화하는데, 이를 저항 스트레인 효과라고 합니다. 압저항식 압력 센서는 이 원리를 이용해 압력을 전기 신호로 변환합니다.

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2. 세라믹 압력 센서 (Ceramic Pressure Sensor)

세라믹 압력 센서는 압저항 효과를 기반으로 작동합니다. 압력이 세라믹 다이어프램 전면에 직접 작용하면 다이어프램이 미세하게 변형되고, 후면에 인쇄된 후막 저항이 이에 따라 변화합니다.
휘트스톤 브리지 회로를 구성하면, 바리스터(압저항) 효과에 의해 압력과 여기 전압에 비례하는 전압 신호가 출력됩니다.

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3. 확산 실리콘 압력 센서 (Diffused Silicon Pressure Sensor)

확산 실리콘 압력 센서의 작동 원리 역시 압저항 효과에 기반합니다. 측정 대상 매질의 압력이 센서(스테인리스강 또는 세라믹)에 직접 작용하면, 다이어프램이 매질 압력에 비례하여 미세 변위를 일으키고 이로 인해 센서의 저항값이 변화합니다. 전자 회로는 이 변화를 감지하여 해당 압력에 대응하는 표준 측정 신호로 변환합니다.

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4. 압전식 압력 센서 (Piezoelectric Pressure Sensor)

압전식 센서는 압전 효과를 기본 작동 원리로 합니다. 그러나 외력이 가해졌을 때 발생하는 전하는 회로의 입력 임피던스가 무한대에 가까울 때만 유지되므로, 실제 환경에서는 이를 만족하기 어렵습니다.
이러한 특성 때문에 압전식 압력 센서는 정적 측정에는 적합하지 않으며, 동적 압력(변동 응력) 측정에만 사용됩니다.

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5. 사파이어 압력 센서 (Sapphire Pressure Sensor)

사파이어 압력 센서는 스트레인 저항 방식을 기반으로 하며, 실리콘-사파이어(SOS)를 민감 소자로 사용합니다. 이로 인해 뛰어난 측정 특성을 가지며, 실리콘-사파이어로 제작된 반도체 감지 소자는 온도 변화에 거의 영향을 받지 않고, 고온 환경에서도 우수한 성능을 유지합니다.
또한 사파이어는 탁월한 내방사선 특성을 갖추고 있어 극한 환경에서도 안정적인 측정이 가능합니다.

반도체 스트레인 게이지는 반도체 단결정 실리콘의 압저항 효과(piezoresistive effect)를 이용해 만든 민감 소자로, 반도체 스트레인 게이지라고도 합니다.
압저항 효과란 반도체 결정 재료가 특정 방향으로 힘에 의해 변형될 때 저항률이 변화하는 현상을 말합니다.

반도체 스트레인 게이지는 시험편에 직접 부착하여 시험편의 변형률을 측정하거나, 탄성 감지 소자에 부착하여 측정 대상 외력을 간접적으로 감지합니다. 서로 다른 구조의 탄성 감지 소자를 사용하면 응력, 변형률, 압력, 토크, 가속도 등 다양한 기계적 물리량을 측정할 수 있습니다.

저항식 스트레인 게이지와 비교했을 때, 반도체 스트레인 게이지는 감도 계수가 매우 높고(약 50~100배), 기계적 히스테리시스가 작으며, 크기가 작고 소비 전력이 낮다는 장점이 있습니다.

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1. 반도체 스트레인 게이지의 특성

반도체 재료에 응력이 가해지면 저항값이 변화하며, 이 저항 변화는 주로 치수 변화와 저항률 변화에 의해 발생합니다. 그중에서도 상대적인 변화는 주로 저항률의 상대 변화에 의해 결정됩니다.

반도체 스트레인 게이지는 감도가 매우 높지만, 저항의 온도 계수가 크고, 감도 또한 온도 변화에 따라 달라집니다. 이로 인해 **열 영점 드리프트(thermal zero drift)**와 **열 감도 드리프트(thermal sensitivity drift)**가 발생하기 쉽습니다.

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2. 반도체 스트레인 게이지의 온도 오차 발생 원인

스트레인 게이지에 응력이 가해지지 않은 상태에서도, 사용 환경의 온도가 변하면 저항의 상대 변화가 발생합니다. 측정 회로(일반적으로 휘트스톤 브리지 사용)에서는 이로 인해 출력이 발생하게 되며, 이것이 반도체 스트레인 게이지의 온도 오차를 유발합니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.

(1) 저항 온도 계수의 영향

반도체 스트레인 게이지는 저항 온도 계수가 크기 때문에, 온도 변화에 따라 저항값이 크게 변하여 측정 오차를 발생시킵니다.

(2) 시험편 재료와 스트레인 게이지 재료의 선팽창 계수 차이에 의한 영향

스트레인 게이지는 시험편에 부착하여 사용합니다. 이때 시험편 재료와 스트레인 게이지 재료의 선팽창 계수가 서로 다르면, 주변 온도가 변할 때 스트레인 게이지에 추가적인 변형이 발생하고 그에 따른 추가 저항 변화가 생깁니다.

반도체 스트레인 게이지로 변형률을 측정할 때는 일반적으로 브리지 회로를 사용합니다. 초기에는 브리지가 평형 상태(즉, 영점 상태)에 있지만, 온도가 변하면 스트레인 게이지의 저항 온도 계수와 시험편 및 스트레인 게이지 재료 간 선팽창 계수 차이로 인해 저항값이 변화하면서 브리지가 평형을 벗어나게 됩니다. 이때 실제 변형이 없는데도 출력이 발생하는 현상을 열 영점 드리프트라고 합니다.

따라서 온도 변화로 인해 발생하는 이러한 가상 변형(허위 변형)은 반드시 보상되어야 합니다.

(3) 온도가 반도체 스트레인 게이지 감도에 미치는 영향

온도 변화는 반도체 스트레인 게이지의 감도 자체에도 영향을 미쳐, 측정 정확도에 추가적인 오차를 발생시킵니다.