로드셀의 탄성체(탄성 요소, 감지 빔)는 외력이 작용하면 탄성 변형이 발생하며, 그 표면에 부착된 저항 스트레인 게이지(변환 요소) 또한 함께 변형됩니다. 저항 스트레인 게이지가 변형되면 저항값이 변화(증가 또는 감소)하게 되며, 이 저항 변화는 대응되는 측정 회로를 통해 전기 신호로 변환됩니다. 이로써 외력을 전기 신호로 변환하는 과정이 완성됩니다.
따라서 저항 스트레인 게이지, 탄성체, 검출 회로, 전송 케이블은 저항 스트레인식 로드셀을 구성하는 필수적인 핵심 요소입니다.
1. 검출 회로 (Detection Circuit)
검출 회로의 기능은 저항 스트레인 게이지의 저항 변화를 전압 출력으로 변환하는 것입니다.
위트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)는 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 온도 변화의 영향을 억제할 수 있음
- 횡방향 힘(lateral force)에 의한 간섭을 억제할 수 있음
- 로드셀의 보정 문제를 쉽게 해결할 수 있음
이러한 이유로 위트스톤 브리지는 로드셀에서 매우 널리 사용됩니다.
특히 풀 브리지(equal-arm full bridge) 방식은 감도가 가장 높고, 각 브리지 암의 파라미터가 동일하여 다양한 간섭 요소가 서로 상쇄되기 쉬우므로, 대부분의 로드셀은 풀 브리지 등암 구조를 채택합니다.
2. 탄성체 (Elastomer)
탄성체는 특수한 형상을 가진 구조 부품으로, 두 가지 주요 기능을 합니다.
- 로드셀에 가해지는 외력을 지지하고, 이에 대한 반력을 발생시켜 상대적인 정적 평형 상태를 유지합니다.
- 스트레인 게이지에 이상적인 변형 조건을 제공하여 변형 신호를 전기 신호로 변환하는 데 기여합니다.
3. 저항 스트레인 게이지 (Resistance Strain Gauge)
저항 스트레인 게이지는 유기 재질의 기판 위에 저항선을 기계적으로 배열한 소자입니다.
이 부품의 중요한 파라미터 중 하나는 감도 계수(K 값) 입니다.
스트레인 게이지의 양 끝에 힘 F가 작용하면 길이가 늘어나며(변형), 이로 인해 단면적이 감소하고, 결과적으로 단면의 반지름도 줄어듭니다. 이때 저항 변화율(저항의 상대 변화) 은 저항선의 신장률(길이의 상대 변화) 과 비례 관계를 가집니다.
여기서 주의할 점은 다음과 같습니다.
- 감도 계수 K 값은 저항선 금속 재료의 물성에 의해 결정되는 상수입니다.
- 스트레인 게이지의 형상이나 크기와는 무관합니다.
- 서로 다른 재질의 K 값은 일반적으로 1.7 ~ 3.6 범위에 있습니다.
- K 값은 무차원량입니다.
재료역학에서 ΔL / L 은 변형률(strain) 이라 하며, 기호 ε 로 표시합니다. 이 값은 매우 작기 때문에 실제로는 표현이 불편하여, 보통 백만 분의 1 단위(με, 마이크로스트레인) 로 사용됩니다.