압력 트랜스미터는 사용되는 센서 재료와 구조에 따라 작동 원리와 특성이 달라집니다. 대표적인 유형을 아래와 같이 설명할 수 있습니다.
1. 스트레인 게이지(피에조저항식) 압력 트랜스미터
피에조저항식 압력 트랜스미터를 이해하려면 먼저 **스트레인 게이지(Strain Gauge)**를 알아야 합니다.
- 스트레인 게이지는 **측정 대상(DUT)에 발생하는 변형(스트레인)**을 전기 신호로 변환하는 민감한 소자입니다.
- 피에조저항식 압력 센서의 핵심 구성 요소입니다.
스트레인 게이지의 종류
- 금속 저항 스트레인 게이지
- 와이어(선형) 스트레인 게이지
- 금속 포일 스트레인 게이지
- 반도체 스트레인 게이지
스트레인 게이지는 특수 접착제를 사용해 측정 대상에 부착됩니다.
기판에 가해지는 압력이나 응력이 변하면, 스트레인 게이지도 함께 변형되고 그 결과 저항값이 변화합니다.
이 저항 변화로 인해 인가된 전압이 변하며, 이를 통해 압력을 전기 신호로 변환합니다.
2. 세라믹 압력 트랜스미터
작동 원리
세라믹 압력 트랜스미터는 액체 충진 구조가 없는 방식의 내식성 압력 센서입니다.
- 압력이 세라믹 다이어프램 전면에 직접 작용
- 다이어프램이 미세하게 변형됨
- 다이어프램 후면에 인쇄된 **후막 저항(Thick Film Resistor)**이 변형을 감지
- 저항들은 **휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)**로 연결됨
피에조저항 효과에 의해 브리지는 압력에 비례하는 매우 선형적인 전압 출력을 생성하며,
이 출력은 인가 전압에도 비례합니다.
특징
- 출력 신호: 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V 등 (압력 범위에 따라 보정)
- 스트레인 게이지 센서와 호환 가능
- 레이저 보정으로 높은 정확도 확보
- 우수한 온도 안정성 및 장기 안정성
- 자체 온도 보상 범위: 0 ~ 70 ℃
- 대부분의 측정 매체와 직접 접촉 가능
세라믹 소재의 장점
- 높은 탄성
- 우수한 내식성
- 뛰어난 내마모성
- 충격 및 진동에 강함
- 작동 온도 범위: -40 ~ 135 ℃
- 전기 절연성: 2 kV 이상
- 장기 출력 안정성 우수
고성능·저비용 세라믹 압력 트랜스미터는 향후 발전 방향으로 평가됩니다.
3. 확산 실리콘(Diffused Silicon) 압력 트랜스미터
- 측정 매체의 압력이 센서의 **다이어프램(스테인리스 또는 세라믹)**에 직접 작용
- 다이어프램이 압력에 비례하여 미세하게 변형
- 실리콘 센서의 저항값 변화 발생
- 전자 회로가 이 변화를 감지하여
- 압력에 대응하는 표준 전기 신호로 변환 출력
산업 현장에서 가장 널리 사용되는 압력 센서 방식 중 하나입니다.
4. 압전(Piezoelectric) 압력 트랜스미터 센서
압전 센서는 **압전 효과(Piezoelectric Effect)**를 이용합니다.
사용되는 주요 압전 재료
- 석영(Quartz, 실리카)
- 천연 결정
- 특정 온도 범위 내에서만 압전 특성 유지
- 임계 온도(큐리 온도)를 초과하면 압전 특성 소실
- 압전 계수가 낮아 점차 다른 재료로 대체됨
- 로셀염(소듐 포타슘 타르트레이트)
- 압전 성능은 매우 우수
- 저온·저습 환경에서만 사용 가능
- 인산이수소염(Dihydrogen Phosphate)
- 인공 결정
- 고온·고습 환경에서도 사용 가능
- 현재 널리 사용됨
압전 세라믹 소재
압전 효과는 현재 다결정 재료에도 적용됩니다.
대표적인 압전 세라믹:
- 바륨 타이타네이트(BaTiO₃)
- PZT(지르콘산 티타늄 납)
- 니오베이트계 압전 세라믹
- 마그네슘 니오베이트 기반 압전 세라믹 등
압전 압력 센서는 동적 압력, 충격, 진동 측정에 특히 적합합니다.
정리
| 종류 | 주요 특징 | 적합한 용도 |
|---|---|---|
| 스트레인 게이지형 | 구조 단순, 안정적 | 일반 산업용 압력 측정 |
| 세라믹 | 내식·내마모, 고온 안정 | 화학·식품·부식 환경 |
| 확산 실리콘 | 높은 정확도, 범용 | 산업 공정 전반 |
| 압전 | 고속 응답 | 충격·진동·동압 측정 |
압력 트랜스미터는 사용 환경, 측정 대상, 정밀도 요구에 따라
적절한 재료와 센서 원리를 선택하는 것이 핵심입니다.