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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

유도식 볼트 로드셀(Inductive Bolt Load Cell)

전자기 원리를 이용한 다양한 센서를 통칭하며, 유도식, 홀(Hall)식, 와전류(Eddy Current)식 볼트 로드셀을 포함합니다.

• 작동 원리:
  • 서로 다른 자성 재료와 투자율(permeability) 때문에, 볼트가 다이어프램(diaphragm)에 작용하면 공극(air gap) 크기가 변합니다.
  • 공극 변화는 코일 인덕턴스 변화를 일으키며, 처리 회로에서 이를 신호로 변환하여 볼트 하중 측정 가능
• 종류:
  1. 가변 리럭턴스(Variable Reluctance): 철심과 다이어프램 사이의 공극 변화를 이용
  2. 가변 투자율(Variable Permeability): 철심 대신 이동하는 자성 요소 사용, 볼트 작용에 따라 투자율 변화
• 장점: 높은 감도, 넓은 측정 범위
• 단점: 고주파 동적 환경에서는 사용 불가

홀식 볼트 로드셀(Hall Bolt Load Cell)

• 원리: 홀 효과(Hall Effect)를 이용
  • 도체에 전류가 흐르고 자기장을 수직으로 걸면, 로렌츠 힘(Lorentz Force)에 의해 전하가 한쪽으로 쏠리며 홀 전압(Hall Voltage) 생성
  • 전기력과 로렌츠 힘의 균형으로 전류 이동 확인 가능
• 특징: 교류 자기장에서도 높은 응답 주파수 가능, 이상적인 홀 소자는 높은 저항률과 캐리어 이동도 필요
• 재료: N형 실리콘(Si), 인듐 안티모나이드(InSb), 인듐 아르세나이드(InAs), 게르마늄(Ge), 갈륨 아르세나이드(GaAs) 등

와전류 볼트 로드셀(Eddy Current Bolt Load Cell)

• 원리:
  • 움직이는 자기장과 금속 도체의 교차 또는 도체의 움직임과 자기장의 수직 교차로 발생하는 전자기 유도 현상
  • 도체 내에 순환 전류 발생(와전류)
• 특징:
  • 정지(force static) 하중 측정 가능
  • 주파수 0 대응 가능

진동선 볼트 로드셀(Vibrating Wire Bolt Load Cell)

• 원리: 진동선의 자연 진동수가 인장력과 관계 있음
  • 인장력 변화 → 진동수 변화 → 진동수 신호를 4~20mA 전류 신호로 변환 가능
• 특징:
  • 고정밀, 외란 저항 강함, 작은 제로 드리프트, 온도 특성 우수
  • 구조 단순, 해상도 높음, 안정적 성능, 데이터 전송/처리/저장 용이
  • 기기 디지털화 용이
• 구조:
  • 상부: 알루미늄 케이스, 전자 모듈 및 단자 포함
  • 하부: 센서 요소 조합
• 출력 유형: 전류 출력(Current Output), 주파수 출력(Frequency Output) 선택 가능

즉, 볼트 로드셀 선택 시는 사용 환경, 하중 범위, 신호 출력 방식, 외란 및 온도 조건 등을 고려하여

• 유도식: 넓은 측정 범위, 정적 환경
• 홀식: 높은 응답 주파수, 전류·홀 신호 변환
• 와전류: 정지 하중 측정
• 진동선: 고정밀, 장거리 신호 전송, 디지털화 용이

등으로 나누어 선택하면 됩니다.

인장·압력 로드셀은 무게 센서(Weight Sensor)의 한 종류입니다.
물리적 데이터를 정확하게 측정 가능한 전자 신호로 변환하는 장치로, 산업용 계량 장비, 플랫폼 저울, 전자 저울, 훅 스케일, 배칭 저울 등에서 널리 사용됩니다.

로드셀의 종류에 따라 적용 분야와 사용 방식이 다릅니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

1. 일반 인장·압력 로드셀

• 특정 규격의 계량에 적합 (플랫폼 저울, 사일로 계량 시스템 소프트웨어 등)
• 정밀 계량이 필요한 산업용 시스템에 특히 적합
• 비율 안정성과 밀폐 설계로 극한 환경에서도 장기간 안정적 작동 가능

2. 컬럼형 인장 센서(Column-type Tension Sensor)

• 컬럼형과 S형의 장점을 모두 갖춤
• 구조가 콤팩트, 외관 미려, 측정 정확도 높음
• 자동 제어 시스템에서 편향에 강함

3. 인장·압력 로드셀의 일반 특징

• 고정밀, 저드리프트(low drift), 소형, 편향 저항 강함
• 세밀한 힘 측정 및 자동 제어 시스템에서 널리 사용됨

4. U형 인장·압력 로드셀

• 구조가 콤팩트하고 설치 용이
• 측정 정확도 높음, 편향에 강함
• 철도 신호 조작, 배칭, 기계 제작 등 정밀 계량 및 자동 제어 시스템에 사용

5. 소·중형 컬럼형 인장 센서

• 컬럼형과 S형 구조의 장점 모두 보유
• 콤팩트, 외관 미려, 측정 정확도 높음, 편향 저항 강함
• 배칭, 기계 제작, 인장 시험기 등 계량 검증 및 자동 제어 시스템에 사용

6. 샤프트 핀 로드셀(Shaft Pin Load Cell)

• 고정밀 인장·압력 센서
• 각종 구동 장치, 리프팅 장치, 철도 신호 제어 등에서 적합
• 계량 검증 작업에 널리 사용

7. 인장 센서(Tension Sensor)

• 컬럼형과 S형의 장점 보유
• 측정 정확도 높음
• 배칭, 기계 제작, 크레인, 강선, 로프 등 제어 시스템에 사용

8. 소·중형 인장 로드셀

• 콤팩트 구조, 설치가 간편하고 신속
• 측정 정확도 높음, 편향 저항 강함
• 배칭, 기계 제작, 인장 시험기 등 계량 검증 및 자동 제어 시스템에 사용

9. 캔틸레버 압력 센서(Cantilever Pressure Sensor)

• 낮은 프로파일 설계, 고품질 직선형 구조
• 측면 하중에 강하고 구조가 콤팩트
• 편향 저항 강함, 과전압 보호 기능 보유
• 다양한 전자 저울에서 사용 가능

샤클 로드셀은 산업용 제품 원스톱 구매 플랫폼에서 구매율이 높은 제품 중 하나입니다.
샤클은 리프팅 작업에서 널리 사용되는 연결 도구로, 주로 리깅(rigging)과 엔드 피팅(end fittings) 사이를 연결하는 데 사용됩니다.

리깅을 빔과 함께 사용할 경우, 샤클을 리프팅 링 대신 리깅 상단에 사용할 수 있으며, 빔의 하단은 러그 플레이트(lug plate)와 연결하여 설치 및 해체가 가능합니다.
샤클은 전력, 금속, 석유, 기계, 철도, 화학, 항만, 광업, 건설 등 다양한 산업 분야에서 리프팅 작업에 널리 사용됩니다.

사용 전 안전 점검의 필요성

리프팅 및 호이스트 작업을 수행할 때는 반드시 안전 작업 규칙을 준수해야 합니다.
사고가 발생하면 인명 피해와 재산 손실이 매우 큽니다.

샤클 로드셀은 호이스트 작업에 필수 도구 중 하나이므로, 느슨하거나 손상된 샤클로 인한 안전 사고를 예방하기 위해 사용 전 반드시 안전 점검을 수행해야 합니다.

샤클 안전 점검 단계

1. 설치 및 사용 전 점검
   • 샤클은 반드시 제조사 검사 증명서가 있어야 합니다.
   • 증명서가 없으면, 재료 화학 성분 검사 및 필요한 기계적 성능 테스트(인장력, 충격 시험 등)를 수행해야 합니다.
2. 표면 점검
   • 시각적 관찰 및 촉감을 통해 샤클 표면 점검
   • 표면은 매끄럽고, 버(burr)나 날카로운 모서리 없음
   • 균열, 접힘, 과열, 변형, 녹 등의 결함이 없어야 함
   • 결함이 있을 경우 하중이 걸리면 손상되고 사고 발생 가능성 증가
3. 내부 결함 점검
   • 필요 시 비파괴 결함 검사 장치로 샤클 내부 점검
   • 사용 안전에 영향을 주는 이물질이 없어야 함
4. 샤클 가로 볼트(horizontal bolt) 점검
   • 가로 볼트는 잠금의 핵심 부품
   • 전단부(threaded end)와 리프팅 링을 연결
   • 점검 시 나사 상태 확인: 미끄러움, 마모, 비틀림 등
   • 문제가 있으면 볼트가 미끄러지고 훅과 정상 고정 불가
5. 안전 장치(Safety device)
   • 조건이 허용되면, 물체가 실수로 떨어지지 않도록 안전 장치 설치

추가 주의 사항

• 폐기 기준에 따라 사용 불가 샤클은 즉시 폐기하고 새 샤클로 교체
• 샤클이 작다고 해서 안전 점검을 소홀히 하지 않음
• 모든 점검을 통해 리프팅 작업을 안전하게 수행

로드 핀은 사실 전단응력(shear stress)을 견디는 중공 단면 원형 축입니다.
중간 구멍 벽의 오목 홈 중앙에 더블 컷 저항 스트레인 게이지가 부착됩니다.
측정을 위한 브리지 회로 방식은 두 가지가 있습니다.

1. 두 오목 홈의 더블 컷 저항 스트레인 게이지를 함께 사용하여 위트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성
2. 각 홈의 스트레인 게이지로 개별 위트스톤 브리지를 구성한 뒤, 직렬 연결하여 정밀 측정

로드 핀의 특징

1. 탄성 요소: 전체가 중공 단면 원형 축으로, 구조가 콤팩트하고 기하학적 형상이 단순하여 생산과 가공이 매우 용이하며, 모양과 위치의 정밀도가 높음
2. 중공 단면의 강점: 비틀림(torsion)과 굽힘(bending)에 대한 저항력이 강하며, 핀 축의 중립 면(neutral axis)에서 발생하는 지면 응력(ground stress)이 상대적으로 큼
3. 수직/수평 굽힘 시: 굽힘 거리가 0인 단면은 항상 같은 단면에 위치
4. 대형 로드 핀 설계:
   • 방사형 중간 구멍에 설치 가능
   • 오목 홈에 더블 컷 저항 스트레인 게이지를 부착 가능
   • 유지보수가 용이하며, 진공 포장(Vacuum Packaging)과 희가스(sealed rare gas) 충전 처리 기술 적용 가능
5. 조립과 사용 용이: 관련 응력 부품과 쉽게 조립 가능
   • 단점: 생산 공정이 어려움, 일반적인 도구로 가공하기 어려움

현대 스마트 센서 개발 추세에 따라, 기계 장비의 힘 측정은 간접 측정에서 직접 측정으로 점차 이동하고 있습니다.
로드 핀은 이러한 즉시(force immediate) 측정 센서 중 하나로, 축에 가해진 힘을 4~50mA 또는 다양한 산업용 신호로 즉시 변환하며, 다양한 작업 조건에 맞춰 통합 가능

로드셀의 탄성체(탄성 요소, 감지 빔)는 외력이 작용하면 탄성 변형이 발생하며, 그 표면에 부착된 저항 스트레인 게이지(변환 요소) 또한 함께 변형됩니다. 저항 스트레인 게이지가 변형되면 저항값이 변화(증가 또는 감소)하게 되며, 이 저항 변화는 대응되는 측정 회로를 통해 전기 신호로 변환됩니다. 이로써 외력을 전기 신호로 변환하는 과정이 완성됩니다.

따라서 저항 스트레인 게이지, 탄성체, 검출 회로, 전송 케이블은 저항 스트레인식 로드셀을 구성하는 필수적인 핵심 요소입니다.

1. 검출 회로 (Detection Circuit)

검출 회로의 기능은 저항 스트레인 게이지의 저항 변화를 전압 출력으로 변환하는 것입니다.
위트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)는 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 온도 변화의 영향을 억제할 수 있음
• 횡방향 힘(lateral force)에 의한 간섭을 억제할 수 있음
• 로드셀의 보정 문제를 쉽게 해결할 수 있음

이러한 이유로 위트스톤 브리지는 로드셀에서 매우 널리 사용됩니다.

특히 풀 브리지(equal-arm full bridge) 방식은 감도가 가장 높고, 각 브리지 암의 파라미터가 동일하여 다양한 간섭 요소가 서로 상쇄되기 쉬우므로, 대부분의 로드셀은 풀 브리지 등암 구조를 채택합니다.

2. 탄성체 (Elastomer)

탄성체는 특수한 형상을 가진 구조 부품으로, 두 가지 주요 기능을 합니다.

1. 로드셀에 가해지는 외력을 지지하고, 이에 대한 반력을 발생시켜 상대적인 정적 평형 상태를 유지합니다.
2. 스트레인 게이지에 이상적인 변형 조건을 제공하여 변형 신호를 전기 신호로 변환하는 데 기여합니다.

3. 저항 스트레인 게이지 (Resistance Strain Gauge)

저항 스트레인 게이지는 유기 재질의 기판 위에 저항선을 기계적으로 배열한 소자입니다.
이 부품의 중요한 파라미터 중 하나는 감도 계수(K 값) 입니다.

스트레인 게이지의 양 끝에 힘 F가 작용하면 길이가 늘어나며(변형), 이로 인해 단면적이 감소하고, 결과적으로 단면의 반지름도 줄어듭니다. 이때 저항 변화율(저항의 상대 변화) 은 저항선의 신장률(길이의 상대 변화) 과 비례 관계를 가집니다.

여기서 주의할 점은 다음과 같습니다.

• 감도 계수 K 값은 저항선 금속 재료의 물성에 의해 결정되는 상수입니다.
• 스트레인 게이지의 형상이나 크기와는 무관합니다.
• 서로 다른 재질의 K 값은 일반적으로 1.7 ~ 3.6 범위에 있습니다.
• K 값은 무차원량입니다.

재료역학에서 ΔL / L 은 변형률(strain) 이라 하며, 기호 ε 로 표시합니다. 이 값은 매우 작기 때문에 실제로는 표현이 불편하여, 보통 백만 분의 1 단위(με, 마이크로스트레인) 로 사용됩니다.