로드셀(load cell)은 힘(중력)을 전기 신호로 변환하는 장치로, 전자식 계량기의 핵심 부품입니다. 힘-전기 변환을 구현하는 센서에는 여러 종류가 있으며, 대표적으로 저항 스트레인식, 전자기력식, 정전용량식이 있습니다.
전자기력식 로드셀은 주로 **전자 저울(정밀 저울)**에 사용되며, 정전용량식은 일부 전자 크레인 저울에 적용됩니다. 그러나 대부분의 계량 장비에서는 저항 스트레인식 로드셀이 사용됩니다. 이 타입은 구조가 단순하고, 정확도가 높으며, 적용 범위가 넓고 비교적 열악한 환경에서도 사용 가능하다는 장점이 있어 계량기 제조사에서 널리 채택되고 있습니다.
저항 스트레인식 로드셀의 구조와 원리
저항 스트레인식 로드셀은 주로 탄성체, 저항 스트레인 게이지(반도체 스트레인 게이지), 보상 회로로 구성됩니다.
- 탄성체: 힘을 직접 받는 부품으로, 고급 합금강 또는 고급 알루미늄 소재로 제작됩니다.
- 스트레인 게이지: 금속 박막을 격자 형태로 부식 가공한 것으로, 4개의 스트레인 게이지가 브리지(휘트스톤 브리지) 구조로 탄성체에 부착됩니다.
하중이 가해지지 않은 상태에서는 네 개의 저항값이 동일하여 브리지가 평형 상태를 이루고 출력은 0입니다.
하중이 가해지면 탄성체가 변형되고, 이에 따라 스트레인 게이지도 변형됩니다.
- 두 개의 게이지는 인장되어 저항값이 증가
- 나머지 두 개는 압축되어 저항값이 감소
이로 인해 브리지의 평형이 깨지고 전압 차가 발생하며, 이 전압 차는 탄성체에 가해진 힘에 비례합니다.
계측기는 이 전압 신호를 검출·연산하여 최종적으로 무게 값을 산출합니다.
1. 디지털 로드셀의 기능
- 높은 신뢰성, 강력한 노이즈 및 간섭 억제 능력, 우수한 낙뢰 보호 성능
- 전원 서지 및 낙뢰 간섭을 제거하기 위한 다양한 보호 회로와 낙뢰 보호 설계 적용
- 연속 운전 가능 (작업 중단 없음)
- 보정(캘리브레이션) 면제
- 개별 비밀번호(보안 기능) 지원
2. 디지털 로드셀과 아날로그 로드셀의 차이
본질적으로 디지털 로드셀과 아날로그 로드셀의 차이는 신호 처리 방식에 있습니다.
디지털 로드셀 시스템은 다음의 세 가지 핵심 요소에서 아날로그 시스템과 차이가 납니다.
(1) 신호 강도
디지털 로드셀에서는 스트레인 게이지에서 발생한 아날로그 전압 신호를 로드셀 내부의 마이크로프로세서가 즉시 디지털 신호로 변환합니다.
이 디지털 신호는 일반적으로 2~6V 범위를 사용하므로, 약 0.03V 수준의 아날로그 신호보다 외부 변동에 훨씬 강합니다.
👉 즉, 디지털 신호가 더 강하고 안정적입니다.
(2) 신호 내용
아날로그 시스템은 로드셀에서 출력되는 전압 크기를 기준으로 무게를 계산합니다.
반면 디지털 시스템은 각 로드셀에서 데이터 자체를 전송합니다.
디지털 신호는 컴퓨터에서 사용하는 **이진 데이터(0과 1)**로 구성되어 있으며, 이는
- 전자기 간섭
- 고주파(RF)
- 온도 변화
등의 영향을 덜 받습니다.
👉 따라서 디지털 데이터 전송 방식이 더 안정적이며 계량 오차 발생 가능성이 낮습니다.
(3) 데이터 샘플링 속도
데이터 샘플링 속도는 로드셀이 무게 정보를 얼마나 빠르게 전송하는지를 나타냅니다.
- 아날로그 로드셀: 실시간으로 연속적인 무게 신호 제공
- 디지털 로드셀: 초당 여러 차례 비트 단위 데이터로 무게 정보를 전송
👉 디지털 로드셀은 고속 처리와 데이터 분석에 유리합니다.