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
- 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
- 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