브리지 기반 센서로 로드 측정하기

이 문서는 로드 측정의 기본 원리와 다양한 센서 스펙이 어플리케이션의 로드 셀 성능에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다. 센서를 결정한 후에는 로드 측정을 적절하게 컨디셔닝, 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 고려할 수 있습니다. 또한 필요한 추가 신호 컨디셔닝을 고려할 수도 있습니다.

힘과 로드란?

 

 

은 물체 사이의 상호 작용을 측정한 것입니다. 모든 작용에는 똑같은 반작용이 있습니다. 힘은 또한 물체를 밀거나 당기는 것으로 설명됩니다. 크기와 방향이 모두 있는 벡터입니다.

 

로드는 구조 또는 본체에 가해지는을 나타낼 때 자주 사용되는 용어입니다. 힘 또는 하중의 SI 단위는 뉴턴(N)입니다. 로드 셀은 힘 또는 무게를 직접 측정합니다. 이 트랜스듀서는 힘 또는 무게에 의해 생성된 변형을 측정하여 기계적 힘을 전기 신호로 변환합니다. 이러한 디바이스의 일반적인 어플리케이션은 호퍼 내 건조 또는 액체 재료를 측정하는 것입니다. 로드 셀을 통해 무게를 측정하면 호퍼에 있는 재료의 양을 측정할 수 있습니다.

Figure 1. Load cells are used to measure force or weight.

로드 측정하기

 

로드를 측정하는 방법은 로드 셀을 사용하는 것입니다. 로드 셀은 종류마다 작동 방식이 다르지만 가장 일반적으로 사용되는 로드 셀은 스트레인 게이지 로드 셀입니다. 일반적으로, 여러 개의 스트레인 게이지가 휘트스톤 브리지 구성으로 장착된 빔 또는 요크 부품을 사용하여 힘이 가해지면 부품에 스트레인이 발생하고 이를 스트레인 게이지가 측정합니다. 일반적으로 이러한 디바이스는 힘이 저항 변화와 직접적으로 관련되도록 교정됩니다. 덜 일반적으로 사용되는 공압 및 유압 로드 셀은 힘을 압력 측정값으로 변환합니다. 피스톤 또는 격막의 한 쪽에 힘이 가해질 때, 힘의 균형을 맞추기 위해 다른 쪽에 가해지는 압력의 양(공압 또는 유압)이 측정됩니다. 이 백서의 나머지 부분은 스트레인 게이지 또는 브리지 기반 로드 셀에 중점을 둡니다.

 

로드 셀 또는 스트레인 게이지 트랜스듀서의 가장 중요한 기계적 구성요소는 구조(스프링 요소)입니다. 이 구조는 적용된 로드에 반응하고 해당 하중을 하중 측정을 위해 스트레인 게이지를 배치할 수 있는 격리되고 균일한 스트레인 필드에 집중시킵니다. 세 가지 일반적인 로드 셀 구조 설계(다중 굽힘 빔, 다중 기둥 및 전단 웹)는 가능한 모든 로드 셀 프로파일 및/또는 구성의 기본을 구성합니다.

 

 

다중 굽힘 빔

다중 기둥

전단 웹

그림 2. 로드 셀 구조 설계는 스트레인 게이지를 장착하여 다양한 방식으로 압축과 장력을 측정합니다. [1].

 

 

 

다중 굽힘 빔 로드 셀은 낮은 범위(20 - 22K N)이며 로우 프로파일 트랜스듀서에 적용할 수 있는 바퀴 모양의 스프링 요소가 특징입니다. 브리지 암당 4개의 활성 게이지 또는 게이지 세트가 포함되어 있으며, 각 쌍은 같은 세기의 반대되는 변형률(인장 및 압축)을 받습니다.

 

다중 기둥 로드 셀은 더 높은 범위(110K - 9M N)를 위해 다중 기둥으로 구성됩니다. 이 배열에서 각 브리지 암은 4개의 활성 스트레인 게이지를 포함합니다. 두 개는 스트레인의 주축을 따라 배치되고 다른 두 개는 포아송 효과를 보상하기 위해 횡방향으로 정렬됩니다.

 

전단 웹 로드 셀은 중간 범위(2K - 1M N)를 가지며 직접 전단을 받는 방사상의 웹이 설치된 바퀴 형태를 사용합니다. 브리지 암당 4개의 활성 스트레인 게이지가 빔의 축에 대해 45도 각도로 웹의 측면에 결합됩니다.

다중 굽힘 빔 다중 기둥 전단 웹

로드 셀 구조 설계는 스트레인 게이지를 장착하여 다양한 방식으로 압축과 장력을 측정합니다.

 

로드 셀 구조 설계는 스트레인 게이지를 장착하여 다양한 방식으로 압축과 장력을 측정합니다.

로드 셀 구조 설계는 스트레인 게이지를 장착하여 다양한 방식으로 압축과 장력을 측정합니다.

올바른 로드 셀 선택하기

 

로드 셀은 두 가지 기본 모드로 작동합니다. 하나 이상의 로드 셀에 무게 측정 용기가 장착되는 압축 모드와 하나 이상의 로드 셀에 무게 측정 용기가 매달리는 장력 모드입니다. 이전 섹션에서 설명한 다양한 로드 셀 구조 설계를 활용하면 압축 전용 로드 셀을 설계할 수도 있고, 인장력과 압축력을 모두 측정하도록 설계할 수도 있습니다.

 

기본 측정 외에도 주로 측정 범위, 정확도, 물리적 장착 제약 또는 주변 환경에서의 보호를 기반으로 로드 셀을 선택합니다. 한 가지 요인으로 기대 성능을 결정할 수는 없습니다. 다양한 센서 파라미터의 조합과 시스템에 로드 셀을 통합한 방식을 통해 정확히 찾아내야 합니다. 다양한 로드 셀 유형의 범위, 정확도, 감도 및 가격을 비교하려면 테이블을 참조하십시오.

 

 

범위—최소 및 최대 범위 요구 사항을 정의합니다. 로드 셀을 선정하기 전에 반드시 최대 동작 로드 이상의 용량을 선정하고 모든 외부 로드와 모멘트를 결정하십시오. 로드 범위는 다음을 지원할 수 있어야 합니다.

 

  • 무게 측정 구조물의 무게 (고정 하중)
  • 적용할 수 있는 최대 활하중 (정적 과하중 포함) 
  • 풍력 하중 또는 지진 활동과 같은 외부 요인으로 인해 발생하는 추가적인 과하중

 

측정 주파수—로드 셀은 범용으로 설계되었거나 성능에 영향을 미치지 않고 수백만 번의 로드 사이클을 견딜 수 있도록 피로 등급이 지정되어 있습니다. 범용 로드 셀은 정적 또는 낮은 주기의 로드 어플리케이션을 위해 설계되었습니다. 일반적으로 로드 레벨과 트랜스듀서 재질에 따라 최대 100만 사이클을 견딜 수 있습니다. 피로 등급이 있는 로드 셀은 일반적으로 로드 레벨과 진폭에 따라 5천만에서 1억 번의 완전 역방향 로드 사이클을 견딜도록 설계됩니다.

 

물리적 및 환경적 제약—고려해야 할 주요 특성 중 하나는 로드 셀을 시스템에 통합하는 방법입니다. 크기(너비, 높이, 길이 등) 또는 로드 셀 장착 방식을 제한하는 물리적 제한 사항을 확인하십시오. 대부분의 인장 및 압축 로드 셀은 고정을 위해 상단과 하단 중앙에 암 나사 홈이 있지만, 수 나사가 있거나 두 가지의 조합이 있을 수도 있습니다. 가장 넓은 온도 범위, 가장 작은 무게 변화, 가장 나쁜 환경 조건(홍수, 폭풍우, 지진 활동), 최대 과하중 조건과 같은 최악의 작동 조건은 무엇이며 시스템이 어떻게 작동할지 고려하십시오.

 

로드 셀 센서 가격 무게 범위 정확도 민감도 비교
빔 스타일 낮음

10 –

5k lb

높음 중간
  • 탱크, 바닥 저울과 함께 사용
  • 선형 힘에 최적
  • 스트레인 게이지가 노출되어 보호가 필요
S 빔 낮음

10 –

5k lb

높음 중간
  • 탱크, 바닥 저울과 함께 사용
  • 높은 측 로드 제거
  • 로드 중심을 맞추지 않아도 됨
  • 굽힘 빔보다 우수한 밀봉 및 보호
캐니스터 중간

최대

500k lb

중간 높음
  • 트럭, 탱크 및 호퍼 저울과 함께 사용
  • 로드 이동 처리
  • 수평 로드 보호 없음
팬케이/로우 프로파일 낮음

5 –

500k lb

중간 중간
  • 모두 스테인리스 스틸
  • 탱크, 통, 저울과 함께 사용
  • 로드 이동이 허용되지 않음
버튼 및 와셔 낮음

0 – 50k lb

또는 0 –

200k lb

낮음 중간
  •  로드는 중심에 위치해야 함
  • 로드 이동이 허용되지 않음

로드 셀용 신호 컨디셔닝

 

로드 셀은 컨디셔닝하거나 하지 않을 수 있습니다. 컨디셔닝된 센서는 필터링, 신호 증폭, 구동 도선에 필요한 구성요소와 측정을 위한 일반 회로가 포함되어 있기 때문에 DAQ 디바이스에 직접 연결할 수 있습니다. 

 

컨디셔닝되지 않은 센서로 작업하는 경우, 효과적인 브리지 기반 로드 측정 시스템을 구축하려면 몇 가지 신호 컨디셔닝 요소를 고려해야 합니다. 다음 중 하나 이상이 필요할 수 있습니다.

 

  • 휘트스톤 브리지 회로에 전원을 공급하는 구동 전압—변형률 측정 리소스에서 자세히 알아보기
  • 긴 도선으로 인한 구동 전압 오차를 보상하는 원격 감지
  • 측정 분해능을 높이고 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 증폭
  • 외부 고주파 노이즈 제거를 위한 필터링
  • 스트레인이 적용되지 않을 때 0V를 출력하도록 브리지 균형을 맞추기 위한 오프셋 널링
  • 브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 확인하기 위한 분기 교정

 

이러한 에러를 보정하는 방법과 브리지 기반 로드 측정에 대한 기타 하드웨어 고려 사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 안내서를 다운로드하십시오.

로드 셀을 NI 하드웨어에 연결하기

 

센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다.

 

NI는 로드 데이터를 수집하도록 설계되고 다양한 로드 브리지 기반 센서와 호환되는 여러 스트레인 및 힘 하드웨어를 제공합니다.

간단한 하드웨어 설정

로드 셀과 권장 하드웨어의 결합

CompactDAQ Strain and Load Measurement Bundle은 스트레인/브리지 입력 모듈 번들과 CompactDAQ 섀시를 사용하여 로드 셀을 간편하게 연결할 수 있도록 합니다.

로드 측정용 기타 제품

 

다음 제품은 로드 셀과 인터페이스할 수 있습니다. 이 제품은 또한 압력, 힘 및 토크 측정도 수행합니다. 브리지 기반 또는 기타 압력 센서를 사용한 압력 측정, 스트레인 게이지를 사용한 스트레인 측정 또는 브리지 기반 센서를 통한 토크 측정에 대해 자세히 알아보고 NI 제품과 사용할 적절한 센서를 선택하십시오.

방법 주파수 한계
휴대용 500 Hz
자성 2,000 Hz
점착 2500 - 5000 Hz
스터드 > 6000 Hz

 

 

참조 문헌

  • FUTEK Advanced Sensor Technology, Inc., “How a Load Cell Works.” [온라인] 링크: https://www.futek.com/how-a-load-cell-works [Accessed 6 Oct 2022]
  • PCB Piezotronics, Inc., http://www.pcb.com/linked_documents/force-torque/catalog/sections/ftq200g_0107_6.pdf
  • S. Himmelstein And Company, “Choosing the Right Torque Sensor.” [온라인] 링크: https://www.himmelstein.com/sites/default/files/2018-10/B705.pdf. 2013.