인장 로드셀(Tension Load Cell) 사용 방법 및 종류

인장 로드셀은 액체와 가스의 인장(장력)을 측정하는 센서입니다.
다른 센서와 마찬가지로, 인장 로드셀은 작동 시 인장을 전기 신호 출력으로 변환합니다.

1. 인장 로드셀의 종류

인장 로드셀은 기술, 설계, 성능, 작업 조건, 가격에서 큰 차이가 있으며, 전 세계적으로 60종 이상, 약 300개 회사에서 생산됩니다.

• 분류 기준: 측정 가능한 인장 범위, 작동 온도, 인장 종류
• 가장 중요한 기준: 인장 종류

인장 종류별 분류

1. 절대 인장 로드셀(Absolute Tension Load Cell)
   • 진공 대비 실제 인장을 측정
   • 해수면 기준 절대 대기압: 101.325kPa (14.7 PSI)
2. 게이지 인장 로드셀(Gauge Tension Load Cell)
   • 특정 장소 대기압 대비 인장 측정
   • 예: 타이어 인장 게이지
   • 0 PSI 표시 → 내부 인장 = 대기압 (14.7 PSI)
3. 진공 인장 로드셀(Vacuum Tension Load Cell)
   • 1기압 미만 인장 측정
   • 일부 산업용 제품은 대기압 기준 음수 표시, 일부는 절대 인장 기준
4. 차동 인장 게이지(Differential Tension Gauge)
   • 두 지점 인장 차이를 측정
   • 예: 오일 필터 양쪽 끝 인장 차이, 유량 측정, 용기 액면 측정 가능
5. 밀폐형 인장 로드셀(Sealed Tension Load Cell)
   • 게이지형과 유사하지만, 해수면 기준으로 특별 보정됨

2. 구조와 원리에 따른 분류

• 변형률형(Strain Type)
• 압저항형(Piezoresistive Type)
• 정전용량형(Capacitive Type)
• 압전형(Piezoelectric Type)
• 진동주파수형(Vibration Frequency Type)
• 그 외: 광전, 광섬유, 초음파 인장 로드셀 등

3. 변형률계(Strain Gauge) 인장 로드셀

• 원리: 탄성 요소의 변형을 측정하여 인장을 간접 측정
• 재질: 금속 또는 반도체
• 작동 원리:
  • 도체와 반도체는 기계적 변형 시 저항값 변화
  • 인장 → 길이 증가, 단면적 감소 → 저항 증가
  • 압축 → 길이 감소, 단면적 증가 → 저항 감소
• 저항 변화 측정 → 인장 신호 산출

4. 압저항형(Piezoresistive) 인장 로드셀

• 단결정 실리콘과 IC 기술 사용
• 원리: 힘 작용 시 실리콘 저항 변화 → 회로에서 전기 신호 출력
• 특징:
  • 변형률계와 달리 탄성 요소를 거치지 않고 직접 실리콘 다이어프램에서 인장 감지
  • 금속 대비 반도체(실리콘)에서 압저항 효과가 훨씬 큼
  • N형 실리콘: 캐리어 재분포와 이동도 변화 → 저항 변화
  • P형 실리콘: 캐리어 이동과 유효 질량 변화 복합 작용
• 신호 변환:
  1. 센서 연결 → 위트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)
  2. 초기(무부하) → 브리지 균형 상태(Zero Position)
  3. 압력 가해지면 저항 변화 → 브리지 불균형
  4. 일정 전류/전압 공급 → 인장에 비례하는 전압 출력
  5. 증폭 및 전압-전류 변환 → 4~20mA 표준 출력
  6. 비선형 보정 루프 적용 → 온도 변화에도 정확도 유지
• 온도 보상:
  • 제로 드리프트, 감도, 선형성, 안정성 향상