힘 측정 센서는 크게 세 부분으로 구성됩니다.
힘을 받으면 변형이 발생하는 하나 이상의 탄성체, 이 변형을 감지하는 스트레인 게이지, 그리고 브리지 회로입니다. 이 외에도 스트레인 게이지를 탄성체에 고정하고 변형을 전달하는 접착제, 전자 회로를 보호하는 실링용 수지(봉지재) 등이 포함됩니다.
아래에서는 힘 측정 센서의 안정성에 영향을 미치는 주요 요인들을 간략히 소개합니다.
힘 측정 센서의 구조
힘 측정 센서의 탄성체, 하우징, 다이어프램, 상부 가압 헤드, 하부 지지 패드 등의 구조 설계는 하중이 가해진 후에도 성능 변화가 없거나 최소화되도록 해야 합니다.
따라서 센서 설계 시 스트레인 영역에서 응력과 변형이 균일하고 일관되게 분포되도록 해야 하며, 스트레인 게이지가 부착되는 면은 가능한 한 평탄해야 합니다. 또한 구조적으로 편심 하중 및 측방 하중에 대한 저항 능력을 어느 정도 갖추어야 합니다.
설치 시 가해지는 힘은 스트레인 영역에서 멀리 떨어지도록 해야 하며, 측정 중 하중 지점의 이동이 발생하지 않도록 해야 합니다.
비록 힘 측정 센서가 조립형 제품이지만, 우수한 기술 성능과 장기 안정성을 확보하기 위해 가능한 한 일체형 구조로 설계하는 것이 바람직합니다.
힘 측정 센서 탄성체의 금속 재질
탄성체의 금속 재질은 힘 측정 센서의 종합 성능과 장기 안정성에 핵심적인 영향을 미칩니다.
다음과 같은 특성을 가진 재료를 선택해야 합니다.
- 높은 극한 강도와 탄성 한계
- 탄성계수의 시간 및 온도 안정성이 우수할 것
- 탄성 히스테리시스가 작을 것
- 기계 가공 및 열처리 시 발생하는 잔류 응력이 적을 것
힘 측정 센서 탄성체의 기계 가공 및 열처리
기계 가공 과정에서 탄성체는 표면 변형이 불균일하여 큰 잔류 응력이 발생합니다.
절삭량이 클수록 잔류 응력도 커지며, 특히 연마 공정은 더 큰 잔류 응력을 유발합니다. 따라서 합리적인 가공 공정과 적절한 절삭 조건을 설정해야 합니다.
열처리 과정에서는 냉각 온도의 불균일성과 금속 조직의 상변태로 인해, 탄성체 내부와 표면에 방향이 다른 잔류 응력이 발생합니다. 일반적으로 내부는 인장 응력, 표면은 압축 응력을 받게 됩니다.
이러한 잔류 응력은 템퍼링(풀림) 공정을 통해 반대 방향의 내부 응력을 유도하여 상쇄함으로써 그 영향을 최소화해야 합니다.
힘 측정 센서의 제조 공정
스트레인 기반 힘 측정 센서는 작동 원리와 구조 특성상 일부 공정이 수작업으로 진행될 수밖에 없으며, 이로 인해 인적 요인이 제품 품질에 큰 영향을 미칩니다.
따라서 과학적이고 합리적인 표준 제조 공정을 수립해야 하며, 전자 컴퓨터로 제어되는 자동화 또는 반자동 공정을 적극 도입하여 인적 요인이 품질에 미치는 영향을 최대한 줄여야 합니다.
힘 측정 센서 회로의 보상 및 조정
스트레인 기반 힘 측정 센서는 조립 완료 후 하나의 제품이 됩니다. 그러나 내부 결함이나 외부 환경의 영향으로 인해 일부 성능 지표가 설계 요구 사항을 만족하지 못하는 경우가 발생할 수 있습니다.
이를 보완하기 위해 회로 보상 및 조정을 수행하여 센서 자체의 안정성과 외부 환경 변화에 대한 안정성을 향상시켜야 합니다.
정교하고 완성도 높은 회로 보상 공정은 힘 측정 센서 안정성 향상의 핵심 요소입니다.
힘 측정 센서의 보호 및 밀봉
보호와 밀봉은 힘 측정 센서 제조 공정에서 매우 중요한 단계로, 센서가 외부 환경 및 유도 환경의 영향을 견디며 안정적이고 신뢰성 있게 작동하도록 하는 기본 조건입니다.
밀봉이 불충분할 경우, 탄성체에 부착된 저항 스트레인 게이지 및 접착층이 공기 중 수분을 흡수하여 연화(가소화)됩니다. 그 결과 접착 강도와 강성이 저하되어 영점 드리프트, 출력 불규칙 변화가 발생하고, 심한 경우 센서 고장으로 이어질 수 있습니다.
따라서 효과적인 보호 및 밀봉은 힘 측정 센서의 장기 안정 운용을 위한 필수 조건이며, 그렇지 않으면 앞선 모든 공정의 성과가 무의미해질 수 있습니다.
힘 측정 센서의 안정화 처리
위에서 언급한 요인들에 대한 대응 외에도, 힘 측정 센서의 안정성을 향상시키는 중요한 방법은 각종 기술적 조치와 공정 기법을 적용하여 실제 사용 조건을 모사하고 인공 시효(Aging) 시험을 수행하는 것입니다.
이를 통해 잔류 응력을 최대한 방출하고, 성능 변동을 최소 수준으로 억제할 수 있습니다.