로드셀 원리

상거래가 시작된 이래로 어떤 방법이든 무게의 측정은 이루어져 왔다. 이런 측정은 일정해야 했을 뿐만 아니라 정확해야 했다. 무엇을 계량 또는 측 정하기 위해서 비교하기 위한 기준을 가지고 있어 야만 했다. 동등한 팔을 가진 양팔 저울이든 동등하지 않은 외팔 저울이든 수천년 전부터 비교를 위한 기준으 로서 사용되어져 왔으며, 지금도 무게를 결정하기 위한 가장 보편적인 기술로 훨씬 더 많이 사용되 고 있다. 그러나, 오늘날 전자 하중 변환기의 사용 은 일반화 되어있다. 약 40년전에 스트레인 게이지 식 로드셀이 개발 되었으며, 이 새로운 기술로 신 뢰할 수 있고 실질적으로 경제적인 전기적 무게 측정이 발명 되었으며, 그 당시 기계 장치의 개선 을 위하여 제일 먼저 이용되었고, 그 때 하중이 10 톤이었다. 초기 단계 로드셀의 정밀도와 신뢰성을 향상 시 키기 위해서 몇가지 문제가 해결 되어져야만 했다. 그 첫째가 재료의 선정으로 안정적이고 히스테리 시스가 좋은 금속을 선정해야만 했다. 현재 일반적 인 경우 로드셀의 특성이 0.02%/R.O보다 정확한 로드셀 제작을 위하여 꾸준히 연구되어져 왔다. 로드셀의 형상은 사용법에 따라 광범위하게 연 구 되어져 왔으며, 전기적 신호는 사용자가 오차를 줄이는데 대단히 중요하고, 스트레인 게이지식 로 드셀은 물리적인 변형없이 하중을 전기적인 신호 로 직접 변환시켜 준다. 로드셀은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성 체와 이를 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지를 이용한 하중감지센서(Sensor)로써 상업용 전자저울에서 부터 산업용 대용량 전자식 계량기 에 이르기까지 각종 산업분야의 공장제어, 자동화 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 스트레인 게이지식 로드셀의 기술은 핵심소자인 스트레인 게이지의 기술혁신과 함께 발전했다. 로 드셀은 스트레인 게이지를 부착한 탄성 소재로 구 성되어 있다. 질량이 가해지면 소재는 탄성 거동을 하고, 스트레인 게이지는 가해진 질량에 직접적으 로 상응하는 저항변화를 일으킨다. 결국 로드셀은 하중 변화를 저항의 변화로 변화 시켜주는 전기적 인 장치이다. 로드셀은 4개의 스트레인 게이지를 사용하고, 4개의 팔을 휘스톤브릿지(Wheststone Bridge)로 배선한다. 온도 영향을 보상하기 위해서 회로내의 다른 위치에 정밀급 저항들이 첨가되며, 전형적으로 로드 셀에 대한 기준 온도 보상은 출력의 온도 보상일 경우 온도 1℃증가마다 0.0015% 이상을 벗어나면 안되고, 영점의 온도보상의 경우 온도 1℃ 증가마 다 0.0027% 이내에 들어와야 한다. 스트레인 게이지의 기원은 17세기로 거슬러 가 서 시작된다. 1666년 영국의 대화재 사건으로 인하 여 재건축붐이 일어나고, 이때부터 건축물의 구조 및 재료의 강도 보고서에 나타난다. Robert Hook의 보고서에 의하면 재료는 탄성 한계 내에서 가해준 하중에 비례적인 변형을 한다. 즉, 변형율은 초기 길이분에 변형 길이의 비로서 정의된다. STRAIN = dL/L dL : 변형 길이, L : 초기 길이 스트레인의 단위는 Micro Strain이고 1/1,000mm 이다. 후에 Thomas Young 에 의해서 아래의 관계 식이 나왔다. STRESS/STRAIN = Em Em : Toungs Modulus 19세기 Lord Kelvin은 스트레인과 저항체의 저항 변화 관계를 아래와 같이 정의 하였다. dR/R : dL/L(STRAIN) R : 초기 처항값, dR : 변화된 저항값 Simnons와 Ruge박사팀이 1937년에 최초의 스트 레인 게이지 생산에 의해서 두식이 결합될 수 있 었다. e = k×STRAIN×E e = 로드셀의 출력 = dR/R×E E : 인가 전압 k : 상수 이 스트레인 게이지는 1940년도에 들어와 상품 화가 이루어졌으며, 1942/43년도에 산업용 하중 측 정에 사용되었다. 그 당시 압력과 비틀림 측정용 변환기에 사용되었으며, 최초변환기(로드셀)의 정 밀도는 0.25%(1/400)정도였다. 스트레인 게이지를 금속 시편에 부착하고 금속 에 하중이나 외력을 가하면 스트레인 게이지의 저항은 금속시편에 가해진 하중이나 외력에 직접 관 련되어 변화한다. 그 당시 스트레인 게이지는 직경 이 0.02mm의 가느다란 선을 사용하였으나, 1960년 대 0.005mm 두게의 금속 박막을 Photo Etching에 의해서 제작된 포일 스트레인 게이지(Foil Strain Gage)의 개발을 통한 균질화된 제품의 획기적인 양산성 증대, 70년대 이후 스트레인 게이지의 베이 스 재질(Backing Material)과 탄성체와의 접착이 로드셀의 특성에 결정적 영향을 미친다. 전형적인 접착층의 두께는 0.005~0.01mm이다.