로드셀이란 무엇이고 어떻게 작동하나요?
로드셀은 힘 또는 무게를 측정하는데 사용되는 전기적 기계 센서입니다. 적용된 힘, 재료의 변형량 및 전기 흐름사이의 상호작용 및 법칙에 따라, 간단하지만 효과적인 디자인을 가지고 있습니다. 로드셀은 매우 다양한 응용분야에서 정확하고 견고한 성능을 제공하는 장치입니다. 자동화된 자동차제조 공정에서부터 쇼핑계산대에 이르기까지 많은 산업 및 상업분야에 필수적인 요소가 되었습니다. 또한 기술의 발전에 따라 로드셀이 적용됨으로써 더욱 빛을 발하는 새롭고 흥미로운 응용분야가 많이 생겨나고 있습니다. 짧은 예로 로봇분야 및 촉각검사(햅틱)의 새로운 발전과 첨단 의료용 인공장치는 힘과 무게를 효과적으로 측정하는 방법을 필요로 합니다. 때문에 새로운 형태의 로드셀이 끊임없이 변화하는 시장의 필요를 충족하기 위해 지속적으로 개발되고 있습니다.
로드셀 작동방식
로드 셀을 사용할 때일반적으로 한쪽 끝은 프레임이나 받침대에 고정되며, 다른 쪽 끝은 하중 또는 하중지지요소를 부착할 수 있도록 불구속 상태를 유지합니다.
로드셀의 몸체에 힘이 가해지면 하중방향으로 본체가 약간 구부러집니다. 이것은 어부가 고기를 낚을 때 낚싯대에 일어나는 현상과 유사합니다.
물고기가 낚싯줄의 다른 쪽 끝에 당기는 힘을 가하는 동안 어부는 손에 낚싯대를 고정합니다. 이 힘의 경과로 낚싯대가 휘어지고 더 크고 강한 힘이 작용하면 휘어짐을 더욱 심해지게 됩니다.
이러한 힘이 로드센서에 적용된다면 변형의 크기는 매우 작아서 육안으로는 쉽게 분간할 수 없습니다. 변형을 측정하기 위해 스트레인 게이지는 미리 결정된 위치에서 로드셀 본체에 단단히 결합되어 본체의 변화와 같이 변형됩니다. 변형량은 적용된 하중에 따라 비례하여 스트레인 게이지의 전기 저항을 변화시킵니다.
신호처리 전자장치를 사용하여 적용된 힘에 비례하는 전기적 출력신호를 구해낼 수 있습니다.
로드셀에 적용되는 기술
일반적으로 로드 셀은 본체(바디)와 부착된 전기회로의 두 부분으로 크게 구성됩니다. 본체(바디)는 무게와 힘을 직접 받으며 대부분 로드셀 자체의 크기를 차지합니다. 일반적으로 기계적인 신뢰성을 보증하고 예측 가능하고 균일한 변형률 분포를 보장하는 고급강재(스테인리스스틸) 또는 알루미늄으로 만들어집니다.
전기적 회로는 본체에 단단히 결합되어 로드셀에 내장됩니다. 회로는 본체의 변형을 감지하도록 설계된 회로의 특수장치인 스트레인게이지(Strain-gauge)를 포함합니다.
이 스트레인게이지는 얇게 지그재그패턴으로 배열된 전도성 와이어 또는 호일로 구성됩니다. 이 패턴은 길이방향에 따른 인장과 압축에는 민감하게 반응하지만, 넓이방향을 가로지르는 힘에는 반응하지 않습니다. 따라서 특정 축을 따라 움직이는 힘을 민감하게 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 전단형 빔타입 로드셀에는 힘을 받는 축을 기준으로 45도 각도로 스트레인게이지가 부착이 되어 로드셀을 통과하는 전단변형량 감지를 극대화합니다.
-
환경 조건에 따른 보호
설치조건에 따라 로드셀 종류의 사용은 매우 다른 환경에서 발견될 수 있습니다. 당연히 제약 실험실의 클린룸 환경은 노천 광산용 트럭의 하부환경과 크게 다르고, 또 다른 형태의 로드셀이 사용됩니다.따라서 외부적인 환경으로부터 적합하게 보호되어 사용 목적에 맞는 지속적인 성능을 보장하는 것이 매우 중요합니다.
대부분의 로드셀 종류는 포트형태입니다. 이것은 노출부위가 전자회로를 완전히 덮는 에폭시 또는 수지재질재료로 채워진다는 것을 의미합니다. 이는 외부의 충격 및 습기로부터 회로를 보호하는데 도움이 되며, 열 방출에도 도움이 됩니다.
또 다른 형태의 로드셀은 가장 완벽한 외부 환경으로부터의 보호를 위해 밀폐 봉인된 형태를 갖습니다. 완전히 용접되어 가장 까다로운 환경에 부합하도록 회로가 견고히 밀봉되고 밀폐되어집니다.
ATEX와 FM, IECEx인증도 로드셀에 적용됩니다. 이러한 인증은 로드셀이 다양한 폭발 환경하에서 점화의 위험없이 안전하게 사용될 수 있음을 의미합니다. 이러한 제품군은 차량용 도료분사 또는 목재나 곡물가루와 같은 미세 유기먼지를 처리하는 인화성 가스, 분진 또는 증기를 방출하는 작업장에서의 사용에 이상적입니다.
-
로드셀 정밀도
각기 다른 작업에는 각기 다른 정도의 정밀도가 요구됩니다. 제약 조제목적의 의료용 스케일은 대용량의 자갈이나 모래의 양을 측정하는 산업용 저울보다 더 높은 등급의 분해능이 필요합니다. 따라서 이러한 다양한 어플리케이션에 적용하기 위해, 다양한 등급의 정밀도, 용량의 다양한 유형의 로드셀이 요구되어집니다.
계량 및 힘 측정 장비에는 이에 대한 품질관리기준을 제공하는 국제적인 표준과 협약이 존재합니다. 이러한 규약은 다양한 관할지역간의 조화를 만들고 무역 및 경제적인 활동을 촉진하는데 협력하자는 공통목적으로 발전되어왔습니다.
국제적으로는 국제계량기구(OIML), The International Organization of Legal Metrology,이 이러한 계량 규정을 관할하고, 미국의 NTEP, The National Type Evaluation, 위원회도 같은 역할을 수행합니다.
제품이 중량기준으로 판매되는 많은 상업거래 활동에는 교역법에 따른 계량장치가 필수적으로 요구됩니다. 이러한 장치는 관련기관인 OIML, NTEP 또는 각 국가별 표준기관에 의해 인증되며, 이 후 상거래 목적으로 판매 및 사용이 가능해집니다. 일반적으로 상업용 계량 저울의 경우 OIML기준 C3등급의 인증을 받아야 합니다.
OIML 또는 NTEP인증된 로드셀은 상거래기준의 활용에 적합합니다. 때로는 OIML과 NTEP에 모두 인증되어 있을 수 있고, 판매되는 시장 또는 지역에 따라 다른 인증이 요구되기도 합니다.
이러한 인증 외에 범용사용으로 인증된 라벨(GP)가 붙어 있는 경우도 있습니다. 이러한 제품의 경우 인증되지는 않았지만 동일한 수준의 정밀도를 제공합니다. 때문에 상거래 목적이 아니거나 상거래법에 저촉되지 않는 모든 어플리케이션에 적합하게 적용이 가능합니다.
-
설치 및 사용
로드셀의 성능은 여러가지 요소에 의해 영향을 받습니다. 이 중 가장 주요한 부분은 알맞은 설치와 힘의 정렬 여부입니다. 흔히 로드셀 스케일값은 올바르게 설치한 만큼 올바르게 작동한다고 합니다. 따라서 장치에서 최상의 결과를 얻고 안전하고 오해 사용할 수 있도록 제조사의 권장 사항을 주의 깊게 따르는 것이 매우 중요합니다. 이러한 권장 사항에는 로드셀의 올바른 마운팅 및 정렬, 적절한 고정 및 고정장치의 선택, 전기 전자장치 및 교정 절차에 대한 정보가 포함되어 있습니다.
로드 셀 공급사와 긴밀히 협력은 특정 요구사항에 맞는 최선의 구성과 제품을 선택하고 지속적인 지원을 통해 선택한 솔루션을 효과적이고 오래 지속할 수 있는 필수 요소입니다.
로드셀의 종류
로드셀은 다양한 형태와 여러가지 다양한 활용분야에서 적용될 수 있는 다양한 구성으로 제공됩니다. 일반적으로 로드셀은 크게 네가지 분류의 범주로 분류되지만 핵심 기술은 동일합니다.
로드셀의 네가지 큰 범주는 아래와 같습니다.:
빔타입
빔타입로드셀은 일반적으로 한쪽 끝이 외팔보 형식으로 고정되고 다른 쪽 끝단에서 받는 힘으로 인해 굽힘이 생기는 현상을 통해 작동하는 폭넓게 사용되는 센서입니다.
일부 빔 로드셀은 더블 엔드 빔 타입으로 구성될 수 있으며, 이는 양쪽 끝이 고정되고 중앙에서 힘을 받는 방식으로 작동합니다.
싱글포인트 타입
일반적으로, 로드셀은 센서 본체의 중심점에 가해지는 힘을 기준으로 합니다. 중심을 벗어난 힘일수록 정확도의 손실을 초래합니다.
싱글포인트 로드셀은 정밀도를 유지한 채로 중심에서 벗어난 힘의 적용을 허용합니다. 이러한 구조로 어느정도 배치 가변성과 함께 힘이 적용되는 활용에 이상적인 선택이 될 수 있습니다.
압축형 타입
이름에서 알 수 있듯이 압축형로드셀은 압착 또는 미는 힘을 측정합니다. 일반적으로 형태는 고용량의 정적응용분야에서 사용되기 위해 센서에 추가적인 강도를 고려한 컬럼타입의 모양을 갖습니다.
인장형 타입
인장형 로드셀은 주로 당기는 힘을 측정하는데 사용되며, 이에 따라 하중이 센서의 하부에 작용하여 매달려 있는 형상을 취합니다. 인장형 로드셀은 영문자 “S”와 비슷한 형태 때문에 S형 또는 S셀이라고도 합니다. 많은 인장형 로드셀은 압축력을 측정하는 데에 공통적으로 사용되기도 합니다.
