토션 로드셀(Torsion Load Cell)은 토크 센서, 토크 미터라고도 하며, 동적 토션 로드셀과 정적 토션 로드셀의 두 가지로 구분됩니다.
그중 동적 토션 로드셀은 토션 로드셀, 토크 속도 센서, 비접촉식 토션 로드셀, 회전형 토션 로드셀 등으로도 불립니다.
토션 로드셀은 회전하거나 회전하지 않는 다양한 기계 부품에 작용하는 토크를 검출하며, 토크의 물리적 변화를 전기 신호로 변환합니다.
토크 변환기는 점도계, 전동(공압·유압) 토크 렌치 제조 등에 사용되며, 높은 정밀도, 빠른 주파수 응답, 우수한 신뢰성, 긴 수명이라는 장점을 가지고 있습니다.
일반적으로 토크는 외부 토크를 의미합니다.
예를 들어 공작기계 주축의 회전은 동력원에서 제공되는 외부 토크의 결과이며, 주축 내부에서는 내부 토크가 발생합니다. 주축이 작동할 때 공구의 절삭력이 주축에 작용하여 비틀림 탄성 변형이 발생하며, 이를 통해 토크의 크기를 측정합니다.
토크란 물체에 회전 효과 또는 비틀림 변형을 일으키는 모멘트로,
**힘 × 힘의 작용 거리(모멘트 암)**의 곱으로 정의됩니다.
1. 토션 로드셀에서의 토크는 회전 동력 시스템에서 자주 사용되는 핵심 파라미터
회전 토크를 검출하기 위해 토션 로드셀이 가장 널리 사용됩니다.
토션 로드셀은 탄성축의 양쪽 끝에 치수, 형상, 설치 각도가 동일한 두 세트의 기어를 장착하고, 기어 외부에는 **근접 센서(자기식 또는 광학식)**를 설치합니다.
탄성축이 회전하면 두 개의 센서가 각각 펄스 파형을 감지하며,
두 펄스 파형의 선행·후행 에지 간 위상차를 비교하여 탄성축에 작용하는 토크 값을 계산합니다.
장점
- 토크 신호의 비접촉식 전송 가능
- 검출 신호가 디지털 신호
단점
- 장치 부피가 크고 설치가 불편함
- 저속 회전 시 펄스 에지가 느려 위상 비교가 어려워 저속 성능이 떨어짐
2. 토션 로드셀에서 가장 성숙한 토크 검출 방식: 스트레인 전기 측정 기술
토션 센서는 높은 정밀도, 빠른 주파수 응답, 우수한 신뢰성, 긴 수명이라는 장점을 가지고 있습니다.
측정 대상이 되는 탄성축에 스트레인 게이지를 부착하여 스트레인 브리지를 구성하고, 브리지에 전원을 공급하면 탄성축의 비틀림 전기 신호를 측정할 수 있습니다.
이 방식이 토션 로드셀의 기본 구조입니다.
그러나 회전 동력 전달 시스템에서는 회전 부품과 고정부 사이에서
스트레인 브리지의 전원 입력 및 측정 신호를 안정적으로 전달하는 것이 비교적 어려운 문제입니다.
일반적으로 **슬립 링(도전 링)**을 사용하지만,
슬립 링은 마찰 접촉 방식이기 때문에 마모와 발열이 발생할 수밖에 없으며,
이로 인해 토션 로드셀의 회전 속도와 슬립 링의 수명이 제한됩니다.
또한 접촉 불량이 발생할 경우 신호 변동, 측정 오차 증가,
심한 경우 측정 실패로 이어질 수 있습니다.