로드셀(load cell)에 대해 이야기하면, 많은 사람들이 단순히 물체의 무게를 측정하는 센서라고 생각합니다. 그러나 이는 완전히 정확한 설명은 아닙니다. 로드셀은 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 로드셀의 원리는 앞서 설명한 압력 센서와 유사하지만, 구조와 형태는 서로 다릅니다. 현대 과학기술 산업에서 로드셀은 거의 모든 곳에서 사용되고 있습니다. 여기에서는 로드셀 공급업체의 관점에서 로드셀의 작동 원리와 분류에 대해 소개합니다.
1. 로드셀의 정의
로드셀은 질량(하중) 신호를 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 장치로 정의됩니다.
로드셀의 주요 기술 지표에 대한 기본 개념과 평가 방법은 구(舊) 국가 표준과 신(新) 국가 표준 사이에 질적인 차이가 존재합니다.
대표적인 로드셀 형식에는
S형, 캔틸레버형, 스포크형, 플레이트 링형, 벨로우즈형, 브리지형, 컬럼형 등이 있습니다.
2. 로드셀의 작동 원리
로드셀의 작동 원리는 크게 선형(리니어) 타입과 회전형(디스크 타입) 두 가지 구조로 나뉩니다.
로드셀은 서로 상대적으로 이동 가능한 **슬라이딩 스케일과 고정 스케일(선형 타입)**로 구성됩니다. 이 두 가지 형태의 로드셀 동기기는 동일한 제조 공정을 사용하여 생산됩니다.
로드셀은 먼저 비자성 재료(저탄소강 또는 유리 등)의 기판 위에 절연 접착제를 사용해 두께 0.04~0.05mm의 전도성 동박을 부착합니다. 이후 설계 요구에 따라 포토리소그래피 또는 화학적 에칭 공정을 통해 동박을 다양한 형태의 평면 와인딩으로 가공합니다. 이를 일반적으로 **인쇄 회로 와인딩(Printed Circuit Winding)**이라고 합니다.
고정 스케일과 슬라이딩 스케일, 로터와 스테이터에 분포된 와인딩의 구조는 서로 다릅니다.
- 고정 스케일과 로터의 와인딩은 연속 와인딩
- 슬라이딩 스케일과 스테이터의 와인딩은 분할 와인딩
분할 와인딩은 두 개의 그룹으로 나뉘며, 공간상에서 위상 차이가 π/2(90°) 나도록 배열됩니다. 이러한 구조로 인해 로드셀의 작동 원리는 사인(Sine) 및 코사인(Cosine) 와인딩 원리라고도 불립니다.
유도 동기기의 연속 와인딩과 분할 와인딩은 변압기의 1차 및 2차 권선에 해당하며, 교류 전자기장과 상호 인덕턴스 원리에 의해 작동합니다.
3. 로드셀의 분류
(1) 저항 스트레인 게이지형
가장 널리 사용되는 로드셀 유형입니다.
저항 스트레인 게이지가 변형될 때 저항값이 변화하는 원리를 이용합니다.
주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
- 탄성체
- 저항 스트레인 게이지
- 측정 회로
- 신호 전송 케이블
(2) 유압식
유압식 로드셀은 구조가 단순하고 견고하며 측정 범위가 넓지만, 정확도는 일반적으로 1/100을 넘지 않습니다.
(3) 정전용량식
콘덴서 발진 회로의 발진 주파수 f와 전극 간 거리 d의 비례 관계를 이용해 작동합니다.
전력 소모가 적고 비용이 낮으며, 정확도는 1/200~1/500 수준입니다.
(4) 디지털형
디지털 로드셀은 중력을 전기 신호로 변환하는 힘-전기 변환 장치입니다.
저항 스트레인 로드셀, 전자 증폭기, A/D 변환 기술, 마이크로프로세서를 통합한 신형 센서를 의미합니다.
디지털 로드셀과 디지털 계측 기술의 발전으로,
간편한 설정, 높은 현장 적응성이라는 장점을 바탕으로 계량 기술 분야에서 새로운 트렌드로 자리 잡고 있습니다.
(5) 플레이트 링형
플레이트 링형 로드셀은 다음과 같은 장점을 가집니다.
- 응력 흐름이 명확함
- 출력 감도가 높음
- 탄성체가 일체형 구조
- 구조가 단순하고 응력 상태가 안정적
- 가공이 용이함
현재까지도 센서 생산에서 상당한 비중을 차지하고 있으나, 이 구조에 대한 설계 공식은 아직 완전히 정립되지 않은 상태입니다.
(6) 진동형
탄성체에 하중이 가해지면 자연 진동수는 하중의 제곱근에 비례합니다.
자연 진동수의 변화를 측정하여 작용하는 힘을 구하고, 이를 통해 질량을 계산합니다.
진동형 센서에는
- 진동선형
- 튜닝 포크형
두 가지가 있습니다.
(7) 자이로형
자이로 센서는
- 빠른 응답 속도(약 5초)
- 히스테리시스 없음
- 우수한 온도 특성(약 3ppm)
- 진동 영향이 적음
- 고주파 측정 정확도 우수
라는 특징을 가지고 있어 고분해능·고정밀 측정이 가능합니다.
(8) 광전식
그레이팅형과 코드 디스크형을 포함합니다.
광전 센서는 주로 기계·전기 결합형 저울에 사용되었습니다.