비틀림 로드셀은 토크(비틀림 힘)를 전기 신호로 변환하는 센서로, 인터페이스 회로와 신호 처리 회로의 설계가 측정 정확도와 안정성에 결정적인 영향을 미칩니다. 최근 마이크로전자 및 전자정보기술의 발전으로 센서와 측정 회로, 신호 처리 회로의 집적화가 빠르게 진행되고 있습니다. 이에 따라 비틀림 로드셀의 하드웨어 회로는 다음과 같은 요구사항을 충족해야 합니다.
1. 비틀림 로드셀 인터페이스 전원 공급 회로 요구사항
비틀림 로드셀의 인터페이스 회로는 안정적인 전원 공급과 함께 신호 처리 및 보호 기능을 수행해야 하며, 다음과 같은 요구사항을 가져야 합니다.
(1) 시스템 전체 동작 효율 향상
센서와 인터페이스 회로가 유기적으로 작동하여 비틀림 로드셀 측정 시스템 전체의 작업 효율을 높여야 합니다.
(2) 신호 처리 기능 확보
신호 증폭, 필터링, 버퍼링 등 기본적인 신호 처리 기능을 수행할 수 있어야 하며, 이를 통해 안정적인 출력 신호를 확보해야 합니다.
(3) 센서 구동(여자) 신호 제공
비틀림 로드셀의 종류에 따라 필요한 구동 신호를 제공해야 합니다.
- 에너지형(자기발전형) 센서
출력 신호가 전압, 전류, 전하 형태로 직접 생성되는 센서로, 압전 센서, 광전 센서 등이 이에 해당합니다. - 전기 매개변수형 센서
저항, 커패시터, 인덕터, 상호 인덕턴스 센서 등으로, 외부 구동 신호가 있어야 정상적으로 동작합니다.
(4) 항간섭 및 고전압 보호 기능
완전한 보호 메커니즘을 갖추어야 하며, 다음 요소를 포함해야 합니다.
- 입력단 보호 회로
- 전단과 후단 회로 간 절연
- 아날로그 및 디지털 필터링
- 고전압 충격 및 전자기 간섭(EMI) 보호
센서 인터페이스 집적 회로(IC)를 적용하면 계측 시스템의 설계와 제작이 단순화되고, 측정 정확도와 시스템 전체 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
2. 비틀림 로드셀 신호 처리 회로 요구사항
신호 처리 회로는 비틀림 로드셀에서 출력되는 전기 신호를 입력, 필터링, 전송, 연산 등의 방식으로 처리하여 신호 특성을 복원하고 잡음 및 간섭을 억제하는 역할을 합니다.
주요 기능
- 신호 증폭 및 필터링
- 노이즈 및 간섭 억제
- 신호 비교 및 특성 복원
- 신호 연산 및 분석
연산 증폭기(Op-Amp)의 적용
연산 증폭기는 모든 계측 장비에서 필수적인 기본 회로 요소이며, 장비의 기능 및 기술 사양에 따라 적절히 선택해야 합니다.
주요 종류:
- 선형 증폭기
- 차동 증폭기
- 프로그래머블 증폭기
- 저전력 증폭기
특정 용도에 최적화된 전용 증폭기 IC 또는 특수 설계된 연산 증폭기도 사용할 수 있으며, 적절한 선택을 위해서는 연산 증폭기의 DC 및 AC 특성에 대한 이해와 회로 설계 경험이 필요합니다.
3. 비틀림 로드셀 신호 변환 회로 요구사항
비틀림 로드셀 측정 회로에서는 신호 처리 효율과 전송 안정성을 높이기 위해 신호 변환 회로가 필요합니다.
(1) 전압·전류 신호 변환
전압 신호는 측정과 처리가 용이하며 높은 정확도를 제공합니다.
반면, 장거리 전송이나 강한 전자기 간섭 환경에서는 전압 신호를 전류 신호(예: 4–20mA)로 변환하여 전송하는 것이 유리합니다.
(2) 절연 및 간섭 억제
공통 모드 전압이 높은 환경에서는 절연 증폭기가 매우 효과적입니다. 일반적으로 다음과 같은 방식이 사용됩니다.
- 전압 신호 → 주파수 신호 변환
- 광절연 또는 자기 절연 수행
- 주파수 신호 → 전압 신호 재변환
(3) 선형성 및 시스템 호환성
신호 변환 회로는 다음 조건을 충족해야 합니다.
- 높은 선형성 유지
- 충분한 감도 확보
- 입력·출력 임피던스 매칭
- ADC(아날로그-디지털 변환기) 및 I/V 변환 회로와의 호환성
신호 변환 기술은 고정밀 비틀림 로드셀 측정 회로의 핵심 요소로, 측정 정확도와 시스템 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.
결론
비틀림 로드셀의 하드웨어 회로는 다음 요소들이 종합적으로 설계되어야 합니다.
- 안정적인 전원 공급 및 센서 구동
- 정밀한 신호 처리 회로
- 강력한 절연 및 보호 기능
- 정확하고 선형적인 신호 변환 기술
이러한 요소들이 결합될 때, 높은 측정 정확도, 우수한 항간섭 성능, 장기적인 신뢰성을 갖춘 비틀림 로드셀 측정 시스템을 구현할 수 있습니다.