1. 로드셀 개요
로드셀(load cell)은 인가된 힘에 대해 측정 가능한 전기적인 출력으로 변환시킬 수 있는 트랜스듀스이다. 로드셀에는 여러 가지 종류가 있는데, 이 중에서 포일형 스트레인게이지를 이용한 로드셀이 가장 많이 사용되고 있으며, 스트레인게이지가 나오기 이전에는 공압(pneumatic)과 수압(hydraulic) 방식의 기구학적인 게이지가 주로 사용되었다. 로드셀로 사용되는 트랜스듀스들의 비교는 표 1과 같다.
표 1. 로드셀 종류에 따른 장단점 비교
포일형 스트레인게이지를 이용한 로드셀의 동작 프로세스는 그림 1과 같다. 힘(force) 또는 하중(Pressure)에 대하여 구조적으로 안정된 변형을 발생시키는 탄성체(또는 수감부)와 탄성체에서 발생하는 스트레인의 변화량을 측정하는 스트레인게이지가 로드셀의 핵심 부품이다. 따라서 로드셀 내부에는 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체, 스트레인을 감지하는 스트레인게이지, 스트레인게이지의 저항변화를 측정하는 휘스톤브리지 회로, 미세한 출력전압을 증폭 및 A/D 변환을 하여 출력하는 전기 출력부로 구성되어 있다.
그림 1. 로드셀 동작 프로세스
포일형 스트레인게이지가 부착된 로드셀은 금속 탄성체로 되어 있는데, 로드셀에 물체를 올려놓으면 금속 탄성체는 물체의 하중에 따라 스트레인이 발생한다. 물체의 하중에 따라 금속 탄성체에는 스트레인이 생성되고, 이에 비례하여 스트레인게이지에서는 저항변화가 일어난다. 통상적으로 스트레인게이지에서의 저항변화는 매우 작기 때문에 증폭회로를 통해 약 100 ~ 200배 정도로 증폭해서 측정한다. 탄성체는 인가된 스트레스에 대해 일정한 스트레인이 발생해야 하는 매우 중요한 부품이다. 따라서 시간에 따라 특성이 변하지 않아야 하고(creep 현상이 없어야 함), 탄성의 한계점이 높아야 하며, 히스테리시스가 적은 탄성체이어야 한다. 로드셀의 금속 탄성체는 사용 목적과 측정해야 할 무게의 범위에 따라 다양한 형태가 있으며, 주변 환경에 따라 다양한 종류의 금속을 사용한다. 적은 하중인 경우에는 베릴륨강이나 듀랄루민 금속을 사용하며, 큰 하중의 경우에는 특수강 종류인 경강(탄소가 0.4~0.5% 함유된 강철, hard steel)을 사용한다. 그리고 부식이 많이 발생하는 장소에는 주로 스테인리스강 소재를 사용하며, 스테인리스강의 가격이 일반 금속에 비해 가격이 비싸기 때문에 일반 금속에 도장 또는 도금처리를 하여 종종 사용하기도 한다.
로드셀은 하중 전달방식에 따라 그림 2와 같이 압축방식(compression type)과 인장방식(tension type)으로 크게 구분한다. 보통 압축방식은 약 400 톤 이상까지의 무게 측정도 가능하지만, 인장방식은 약 10 톤 정도의 무게가 한계이다. 압축방식은 로드셀을 바닥 또는 힘이 인가되는 위치보다 낮은 곳에 고정하여 위에서 아래로 힘을 인가하여 압축에 의한 수감부의 변형을 측정하는 원리이고, 인장방식은 로드셀을 천정 또는 힘이 인가되는 위치보다 높은 곳에 설치하여 힘을 아래 방향으로 인가하여 인장에 의한 수감부의 변형을 측정하는 원리로 사용된다. 그리고 로드셀 탄성체의 기본적인 형상에 따라 휨형(bending type), 전단형(shear type), 기둥형(column type), 환상형(ring type)의 4가지로 구분된다.
그림 2. 압축형과 인장형 로드셀의 기본 개념
로드셀을 선택할 때에는 측정하고자 하는 하중을 고려해서 용량을 결장해야 한다. 만일 큰 용량의 로드셀을 사용하게 되면 미세한 측정이 어렵게 되고, 용량에 딱 맞는 로드셀을 선택하면 예기치 않은 충격에 로드셀이 파괴될 수가 있기 때문이다. 로드셀의 다양한 형상과 크기를 이용해서 그림 3과 같이 식품점에서 사용하는 전자저울, 가정이나 병원에서 사용하는 전자 체중계, 크레인 스케일(crane scale), 트럭 스케일(truck scale), 펠릿 트럭 스케일(Pallet truck scale) 등에서 하중을 측정하는 용도로 널리 이용되고 있다.
그림 3. 로드셀의 다양한 응용 분야
2. 휨형 로드셀
휨형 로드셀은 간단하고 저가이기 때문에 가장 널리 사용되고 있으며, 동작원리는 그림 4와 같다. 켄틸레버 빔에서 최대 휨은 자유단에서 일어나고, 최대 변형은 고정단에서 일어난다. 따라서 스트레인게이지는 그림과 같이 고정단에 가까운 위치에 부착하며, 빔의 윗면에 부착된 2개의 스트레인게이지(1, 3 게이지)는 인장력을 측정하고, 밑면에 부착된 2개의 스트레인게이지(2, 4 게이지)는 압축력을 측정한다. 그리고 스트레인을 측정하기 위한 휘스톤브리지의 회로는 그림(b)와 같다. 이 경우 각 게이지가 받은 변형과 저항 변화율, 이에 따른 휘스톤브리지에서의 출력전압 은 각각 다음과 같다. 여기서 Y는 영률(Young's modulus) 또는 종탄성계수(modulus of longitudinal elasticity)이며, x는 힘이 가해지는 위치이다.
그림 4. 휨형 로드셀의 동작 원리
대표적으로 휨형 로드셀의 원리를 이용한 것이 그림 5와 같은 바이노큘러(binocular) 로드셀과 S형 로드셀이다. 특히 바이노큘러 로드셀은 소용량 상용 로드셀에서 가장 많이 사용되고 있는 디자인이며, 스트레인게이지는 최대변형이 일어나는 지점인 중간 부분에 부착된다. 이 구조는 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고, 나머지 빔 전체의 두께를 두껍게 함으로써 감도 희생없이 고유 주파수를 최대화 할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 높은 안정성과 우수한 직선성이 특징이다. 힘이 위에서 아래로 인가되어 압축에 의한 스트레인의 변형을 측정하는 방식이다. S형 로드셀은 중심부에 스트레인게이지를 부착하여 측정하며, 압축과 인장 두 가지 방식 모두에 사용되는 방식이다.
그림 5. 바이노큘러 로드셀과 S형 로드셀 외관
3. 전단형 로드셀
전단형 로드셀의 기본원리는 휨형 로드셀과 동일하며, 구조에 있어서 약간의 차이가 있다. 휨형 로드셀에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하도록 디자인이 되어 있는 반면, 전단형에서는 그림 6과 같이 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만들고, 여기에 스트레인게이지를 수직으로 45도 방향으로 웹표면의 양측에 부착하여 전단응력을 측정하도록 디자인이 되어 있다. 게이지를 45도의 각도를 만든 것은 빔의 끝에 하중을 가하면 금속판에 발생하는 전단응력의 크기가 45도 방향으로 최대로 되기 때문이다. 동일 용량의 휨형에 비해 더 작게 만들 수 있으며, 동일 크기로 더 큰 용량의 로드셀 제작이 가능하다. 또한 하중 위치에 대해 덜 민감하여 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 작으며, 이런 장점으로 무게를 측정하는 응용분야에 많이 활용되고 있다. 그러나 저용량의 전단형 로드셀을 제작하는 것은 대용량 제작에 비해 작은 양의 스트레인을 감지하기 위해 금속판을 더 얇게 만들어야 하기 때문에, 전단형의 구조는 휨형에 비해 가공이 약간 어려운 단점이 있다.
그림 6. 전단형 로드셀의 내부구조 및 외관 형태
4. 기둥형 로드셀
기둥형 로드셀의 종류에는 사각형과 원통형이 있으나 원통형을 많이 사용하며, 기둥형 원통형 로드셀을 캐니스터(canister) 로드셀이라고 부른다. 캐니스터 로드셀의 내부구조와 대표적인 외관은 그림 7과 같다. 내부 기둥이 하나만 있는 싱글형(single column)과 멀티로 된 멀티형(multiple column)이 있다. 싱글형은 15% 이상 비스듬하게 인가되는 하중에 대해서는 많은 오차를 발생한다. 이런 단점을 보완한 것이 멀티형이다. 기둥형 로드셀은 대용량 제작이 가능한 장점은 있으나, 정밀도가 낮고, 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크다는 단점이 있다. 압축방식으로 동작을 하기 때문에 기둥의 크기에 따라 100 lbs ~ 500,000 lbs 범위의 하중 측정이 가능하며, 트럭이나 탱크 등의 큰 물체의 중량을 측정하는 용도로 사용된다.
그림 7. 캐니스터 로드셀의 내부구조 및 대표적인 외관 형태
탄성체에 있어서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 발생하며, 최대변형은 횡방향 중심에서 일어난다. 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인게이지는 종방향으로, 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하며, 그 특성은 높이와 폭의 비에 의해 결정된다. 4개의 스트레인게이지 출력전압이 동일하다고 가정하면, 캐니스터 로드셀의 출력전압은 다음과 같다. 여기서 A는 수직방향의 단면적이다.
5. 환상형 로드셀
환상형 로드셀의 내부구조와 종류는 그림 8과 같다. 그림에서 T의 의미는 인장 스트레인(tensile strain)을 측정하는 스트레인게이지를 의미하고, C는 압축 스트레인(compressive strain)을 측정하는 스트레인게이지를 의미한다. 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용 소형 및 작은 하중 측정에 적합하다. 방향도 인장방식과 압축방식 모두 사용이 가능하지만, 대용량 제작이 어려운 단점이 있다. 링의 내외면에 4개의 스트레인게이지를 부착하여 탄성체의 변위를 측정하며, 탄성체의 변위는 다음과 같다.
그림 8. 링형 로드셀 내부구조 및 종류에 따른 하중 방향