스트레인 게이지 로드셀은 정밀한 힘 측정을 위해 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 이러한 장치는 내부 브리지 회로에 의존하며, 정확한 측정을 위해 올바른 외부 배선이 필수적입니다. 본 문서에서는 스트레인 게이지 로드셀에서 사용되는 4선식 배선 방식과 6선식 배선 방식의 차이점을 살펴보고, 각각의 장점과 고려 사항을 설명합니다.
4선식 로드셀 구성
4선식 시스템은 스트레인 게이지 로드셀에서 가장 일반적으로 사용되는 배선 방식입니다.
이 구성은 다음과 같이 이루어집니다.
- 2개의 전원선: 휘트스톤 브리지에 전원을 공급하는 +입력, −입력 단자
- 2개의 신호선: 브리지의 +출력, −출력 단자
이 방식은 일반적으로 벤딩 빔(bending beam) 타입 로드셀에서 많이 사용됩니다.
교과서에서는 스트레인 게이지 휘트스톤 브리지를 집중 파라미터(lumped parameter) 모델로 단순화하여 표현하는 경우가 많지만, 실제 환경에서는 배선 자체가 무시할 수 없는 저항을 갖습니다. 이 저항으로 인해 전압 강하가 발생할 수 있으며, 이는 로드셀의 캘리브레이션 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.
따라서 로드셀과 연결된 케이블 길이는 사용 수명 동안 변경되지 않도록 유지하는 것이 매우 중요합니다.
특히 케이블을 절단하면 캘리브레이션 값이 변할 수 있지만, 동일한 길이의 케이블에 커넥터를 삽입하는 경우에는 캘리브레이션에 큰 영향을 주지 않습니다.
6선식 로드셀 구성
케이블이 길어지거나, 브리지 회로를 보다 정확하게 모델링해야 하는 경우에는 6선식 로드셀 구성이 선호됩니다.
6선식 구성은 4선식과 동일하게 전원선과 신호선을 포함하지만, 여기에 추가적인 +센스선과 −센스선이 포함됩니다. 이 방식은 연결 케이블의 다음과 같은 **분산 파라미터(distributed parameters)**를 고려합니다.
- 케이블 저항
- 케이블 길이
- 도체 단면적
- 온도 변화에 따른 저항 변화
센스선은 전원선과 동일한 노드에 연결되어 증폭기 입력단으로 전달됩니다. 이후 증폭기 출력은 다시 로드셀의 전원 단자로 연결되어 **폐루프(loop)**를 형성합니다.
이 구조를 통해 증폭기는 로드셀에 실제로 인가되는 전압을 감지하고, 필요에 따라 전압을 보정하여 설정된 동작 전압을 일정하게 유지할 수 있습니다. 케이블에서 발생하는 전압 강하(온도에 따라 변동 가능)를 보상함으로써, 시스템은 배선 변화에 덜 민감해지고 측정 정확도가 크게 향상됩니다.
즉, 6선식 시스템은 휘트스톤 브리지에 간단한 전압 제어 기능을 통합한 구조라고 볼 수 있습니다.
추가 배선 요소: 실드(Shield) 선
4선식과 6선식 구성 모두에서 **실드선(shield wire)**이 추가로 포함될 수 있습니다.
실드선은 스트레인 게이지 회로에는 직접 연결되지 않고, 트랜스듀서의 하우징 또는 구조물에 연결됩니다.
그 목적은 **전자기 간섭(EMI)**으로부터 내부 회로를 보호하여, 로드셀의 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 있습니다.
결론
스트레인 게이지 로드셀에서 다양한 배선 구성을 이해하는 것은 적절한 시스템 선택을 위한 핵심 요소입니다.
- 4선식 구성은 가장 널리 사용되며, 케이블 길이가 일정하게 유지되는 조건에서는 충분히 정확한 측정이 가능합니다.
- 6선식 구성은 케이블 전압 강하 및 배선 변화까지 보상할 수 있어 더 높은 정확도를 제공합니다.
- 실드선은 전자기 간섭을 줄여 전체 측정 시스템의 안정성을 높여줍니다.
스트레인 게이지 로드셀을 사용할 때는 케이블 길이, 저항, 사용 환경 등의 요소를 충분히 고려해야 하며, 적절한 배선 방식을 선택하고 모범 사례를 따르면 신뢰성 있고 정밀한 힘 측정 성능을 극대화할 수 있습니다.