Transcript Chapter 09-1 힘 토크 센서

센서 전자 공학
제9장
힘⋅토크 센서
내용
9.1 개요
9.2 탄성체의 변형
9.3 스트레인 게이지
9.4 로드 셀
9.5 토크 센서
9.6 촉각 센서
제 9 장 힘 토크 센서
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힘⋅토크 센서
힘은 우리 일상을 지배하는 대표적인 물리적 양이다. 힘은 정지하고 있는
물체를 움직이고, 움직이고 있는 물체의 속도나 운동방향을 바꾸거나 물
체의 형태를 변형시키는 작용을 한다.
우리 주위에는 여러 종류의 힘이 존재하지만, 어느 경우라도 물체에 힘이
작용한다는 것은 물체의 운동 상태, 즉 속도가 변하는 것에 의해 판단되며,
그 크기는 운동법칙과의 관련에 입각하여 정의된다.
일반적으로 힘을 검출하는 센서는 힘이 탄성체에 작용할 때 발생되는 물
체의 변형을 이용한다. 작용한 힘의 크기를 미소한 변위(변형)으로 변환하
고, 그 변위(변형)를 다시 전기적 양으로 변환하는 방식이 사용되고 있다.
제 9 장 힘 토크 센서
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9.1 개요
 힘(force)
• 힘을 간단히 정의하면, ‘힘은 밀고(push) 당김(pull)’이라고 할 수 있다.
• ‘정지하고 있는 물체를 움직이게 하고, 또 움직이고 있는 물체의 속도를 변화시키
거나 아주 정지시키는 작용’이다.
• 힘은 방향과 크기를 모두 갖는 벡터량이며, 국제 단위계에서 N(newton)으로 측정
된다.
• 중량(weight)은 중력에 기인하는 힘이다. 질량(mass)은 물체에서 물질 양(quantity)
에 대한 척도이다.
• 힘이 질량에 작용할 때, 질량을 가속시킨다. 힘(F), 질량(m), 가속도(a) 사이의 관계
는 운동에 대한 뉴턴의 제2법칙으로 주어진다. 즉,
F=ma
• 힘과 관련된 다른 물리량을 보면
𝐹
𝑚
𝐹
P=
𝐴
가속도: 𝑎 =
압력:
토크:
𝜏 = 𝐹𝑙
가속도, 압력, 토크 등의 측정은
힘의 측정과 관련된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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개요
 힘을 측정하는 센서의 기본 구성
• 일반적으로 힘을 검출하는 센서는 그림과 같이 구성된다.
• 탄성체(彈性體; spring element)를 이용하여 작용한 힘의 크기를 미소한 변위(또
는 변형)으로 변환하고, 그 변위(또는 변형)를 다시 전기적 양으로 변환하는 방식
이 사용되고 있다.
• 이때, 사용하는 탄성체를 1차 변환기, 그 변형을 검출하는 센서를 2차 변환기라고
부른다.
• 본 장에서는
- 1차 변환기인 탄성체의 변형
- 스트레인 게이지(strain gage)
- 로드 셀(load cell)
- 토크 센서
- 촉각 센서
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9.2 탄성체의 변형
 응력
• 단면이 일정한 원통 모양의 시료 양단에 크기 F의 인장하중(引張荷重)을 가하면,
축방향에 수직인 단면 ab에는 인장력에 저항하는 내력(耐力; internal resisting
force)이 발생한다.
• 이 내력이 단면에 균일하게 분포한다고 가정하면, 그 총합은 인장하중 F와 같다.
• 이 경우 단위면적당 내력을 응력(應力; stress)이라고 부르며, 일반적으로 응력은
σ의 기호로 표시하며, ab단면의 면적을 A라고 하면
𝜎=±
𝐹
𝐴
+ : 인장응력(tensile stress)
(normal stress)
-: 압축응력(compressive stress)
제 9 장 힘 토크 센서
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탄성체의 변형
• 응력의 단위
-
SI 단위계: Pa(pascal; 파스칼)
EGS(English Gravitational System) 단위계 : psi(pounds per square inch)
1 Pa = 1 N/m2
1 psi = 6.89 × 103 Pa
제 9 장 힘 토크 센서
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탄성체의 변형
 변형률
• 구조물이나 기계를 구성하는 재료는 강체가
아니므로 응력에 의해서 변형된다.
• 이 변형의 크기는 응력의 크기가 동일하더라
도 물체의 크기에 따라 다르며, 응력이 클수록
큰 변형이 생긴다.
• 그림과 같이, 길이 L인 시료에 하중 F를 가할
tensile strain
때 시료 길이가 축방향으로 ΔL만큼 늘어나거
나 줄어든다고 가정하면, 이때 축방향 변형률
(變形率; strain)은 다음과 같이 정의된다.
∆𝐿
𝜀=±
𝐿
변형율의 단위는 mm/mm와 같이 되므로, ε는 차원
이 없는 양이다.
일반적으로 변형률의 값은 0.005 이하로 매우 작기
때문에, 자주 마이크로스트레인(microstrain)이라는
단위를 사용해서 나타낸다. 즉
microstrain=strain×106
compressive strain
• 인장변형(+)과 압축변형(-)을 총합하여 수직변형률(normal strain) 또는 종변형
률(longitudinal strain)이라고 부른다.
제 9 장 힘 토크 센서
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탄성체의 변형
• 횡변형률(lateral strain)
∆𝑑
𝜀𝑡 = ±
𝑑
∆𝑑 = 𝑑 − 𝑑 ′
tensile strain
• 포아손 비(Poisson's ratio)
𝜀𝑡
𝜈=±
𝜀𝑎
 후크의 법칙(Hooke's law)
• 하중이 작은 범위에서는 응력와 변형률은 비례
한다는 사실이 1678년 후크(Robert Hooke)에
의해서 실험적으로 증명되었다.
𝜎 = 𝐸𝜀
비례정수 E를 종탄성계수(modulus of longitudinal elasticity),
또는 이 관계를 최초로 도입한 토마스 영(Thomas Young)을
따서 영률(Young's modulus)이라고 부른다.
compressive strain
제 9 장 힘 토크 센서
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탄성체의 변형
 전단응력과 변형율
• 전단력(shear force)
물체의 단면에 평행으로 서로 반대방향인 한 쌍의 힘을 작용시키면 물체가 그
면을 따라 미끄러져서 절단되는 것을 전단(剪斷;shear)이라고 하며, 이때 받는
작용을 전단작용, 이와 같은 작용이 미치는 힘을 전단력(剪斷力)이라고 함
• 전단응력(shearing stress)
𝜏=
𝐹
𝐴
• 전단변형률(shearing strain)
𝜏=
𝑏
𝑎
변형이 작은 경우에는
𝜏 = 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 𝛿
제 9 장 힘 토크 센서
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탄성체의 변형
 평면응력
실제로 많은 경우 그림과 같이 평면응력(2차원) 상태로 된다.
평면응력(plane stress)에서 각 방향으로의 변형률과 응력은 다음과 같다.
• 변형률
1
𝜎 − 𝜈𝜎𝑦
𝐸 𝑥
1
𝜀𝑦 =
𝜎 − 𝜈𝜎𝑥
𝐸 𝑦
𝜈
𝜀𝑧 = − 𝜎𝑥 + 𝜎𝑦
𝐸
𝜀𝑥 =
• 응력
𝐸
𝜎𝑥 =
𝜀 + 𝜈𝜀𝑦
1 − 𝜈2 𝑥
𝜎𝑦 =
𝐸
𝜀 + 𝜈𝜀𝑥
1 − 𝜈2 𝑦
𝜎𝑧 = 0
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9.3 스트레인 게이지
 스트레인 게이지(strain gage)의 정의
• 스트레인 게이지는 금속 또는 반도체로 만들어지는 일종의 전기저항이며, 응력을
가할 때 발생하는 변형으로 인해 그 저항값이 변화하는 성질을 이용하는 센서이다.
• 현재 물체의 변형 측정에 가장 널리 사용되고 있는 센서이다.
 스트레인 게이지(strain gage) 이론
• 물질의 전기저항
𝑅=𝜌
𝐿
𝐴
𝜌 = 물질의 비저항(고유저항)
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-이론
• 저항 양단에 인장력을 가하면,
𝐿 → 𝐿 + ∆𝐿
𝑑 → 𝑑 − ∆𝑑
𝑑𝑅
1 𝜕𝐿 1 𝜕𝐴 1 𝜕𝜌
𝑑𝐿 𝑑𝐴 𝑑𝜌
=
−
+
𝑑𝜀 =
−
+
𝑅
𝐿 𝜕𝜀 𝐴 𝜕𝜀 𝜌 𝜕𝜀
𝐿
𝐴
𝜌
• 원형 단면을 갖는 금속 도선
𝑑′
𝑑𝐿
=𝑑 1−𝜈
𝐿
𝑑 2 𝑑𝐿 𝑑 2 𝜈 2 𝑑𝐿
𝑑𝐴 = − 𝜈
+
𝜈
2 𝐿
4
𝐿
F
2
𝜋
F
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-이론
• 구형 단면을 갖는 금속 도선
𝐴=𝑏×𝑡
𝑑𝐿
𝑑𝐿
𝑑𝐴 = 𝑏𝑡 1 − 2𝜈
+ 𝜈
𝐿
𝐿
2
− 𝑏𝑡
• 원형, 구형 단면에 관계없이 단면적의 변화율은
𝑑𝐿
𝑑𝐿
𝑑𝐴 ≈ −2𝜈
+ 𝜈
𝐿
𝐿
F
2
≈ −2𝜈
𝑑𝐿
𝐿
F
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-이론
• 따라서 저항 변화율은
𝑑𝑅 𝑑𝐿 𝑑𝐴 𝑑𝜌
=
−
+
𝑅
𝐿
𝐴
𝜌
𝑑𝐿
𝑑𝐿
𝑑𝐴 ≈ −2𝜈
+ 𝜈
𝐿
𝐿
2
≈ −2𝜈
𝑑𝐿
𝐿
𝑑𝐿
𝑑𝐿 𝑑𝜌
+ 2𝜈
+
𝐿
𝐿
𝜌
𝑑𝐿 𝑑𝜌
= 1 + 2𝜈
+
𝐿
𝜌
=
• 스트레인 게이지에 사용되는 재료의 스트레인 감도(strain sensitivity) 또는 게이지
율(gauge factor)은 다음과 같이 정의한다.
𝑆𝑔 = 𝐺𝐹 =
𝑑𝑅 𝑅 𝑑𝑅 𝑅
𝑑𝜌 𝜌
=
= 1 + 2𝜈 +
𝑑𝐿 𝐿
𝜀
𝜀
저항체의 기하학적 변형에 의한 영향
재료의 물성의 변화에 의한 영향
제 9 장 힘 토크 센서
스트레인 게이지-이론
• 금속 스트레인 게이지의 게이지 율 : 약 2의 전후
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제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
• 금속 스트레인 게이지의 종류
- 선 게이지(wire-type strain gage)
- 박 게이지(foil-type strain gage)
- 박막 게이지(thin film strain gage)
 선 게이지(wire-type strain gage) 이론
• 최초의 스트레인 게이지
• 가는 금속 저항선을 가공하여 변형에 민감하게 반응하도록 베이스에 부착
• 베이스 재료로는 종이, 에폭시, 베이크라이트, 폴리이미드 등을 사용한다.
• 저항선 게이지는 여러 가지 결점이 있어 현재는 용도가 제한되어 있다.
그림 9.7 저항선 게이지
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
 박(薄) 게이지
• 약 30～70um 두께의 베이스에 3～10um 두께의 금속 박을 코팅한 후 포토리소그
래피 기술을 이용해 원하는 패턴으로 에칭하여 만든다.
• 금속 박: NiCu 합금, NiCr 합금 등이 사용됨
• 베이스: 종이, 에폭시, 베이크라이트, 폴리이미드 등을 사용
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
• 박게이지는 선 게이지와 비교해서 게이지 치수가 정확하고 균일성 우수
• 또, 아주 소형으로도 가능하고 여러 가지 용도에 대해서 최적의 형상으로, 그리고
복잡한 것까지도 동일 공정으로 제작된다.
• 선 게이지 길이는 1 mm 정도가 한계였지만, 박 게이지에는 0.2 mm인 것도 있으
며 집중 응력측정 등에 유용하다.
• 저항소자는 장방형 단면 내에 표면적이 크고 방열 효율이 우수하여 선 게이지보다
허용전류가 높다.
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
• 베이스 두께가 얇고 저항소자 자체도 얇은 금속 박이므로 유연성이 있으며, 격자가
구부러지는 부분(end loop)의 단면적이 크므로 이 부분의 저항값이 작고, 선 게이
지에 비해서 횡감도 계수가 작아진다.
• 박 게이지는 통상, 접착제로 피측정물에 부착하지만 고온 게이지 등 베이스에 금속
을 사용한 경우에는 점용접으로 부착하여 사용한다.
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
 박막 게이지
• 금속 박막 게이지 패턴은 박 게이지와 동일하다.
• 금속 다이어프램(diaphragm) 위에 절연층을 만들고, 그 위에 금속저항재료를
증착한 후 포토리소그래피 기술에 의해 임의 형태로 패터닝하여 게이지를 형
성한다.
• 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 박막 게이지는 박 게이지와는 달리 접착제를
필요로 하지 않기 때문에, 박 게이지의 장점 이외에도 크리프 현상이 적고 안
정성이 우수하며, 동작온도 범위가 넓은 등의 장점을 갖는다.
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
 횡감도
• 실제의 스트레인 게이지에서는 게이지 길이를 짧게 유지하기 위해서 그림과
같이 그리드(grid) 형태로 패터닝한다.
• 또한 도체는 게이지 전 길이에 걸쳐 균일하지도 않다.
• 따라서 스트레인 게이지는 저항소자의 형상에서 축 방향 뿐만 아니라 축과 직
각방향으로도 어느 정도의 감도를 갖는데, 이것을 횡감도(transverse sensitivity)
라고 부른다.
편에도 축과 직각방향으로 포아손비 만큼의 변
형이 발생하므로 엄밀하게 말하면 식 (9.22)로
정의된 게이지 율 Sg는 그러한 영향을 내포한
값이다.
𝑑𝑅 𝑅
𝑑𝜌 𝜌
𝑆𝑔 = 𝐺𝐹
= 1 + 2𝜈 +
𝜀
𝜀
축 방향
• 또 게이지 율을 측정하기 위해서 사용하는 시험
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-금속
• 따라서 게이지 율은 스트레인 게이지 저항의 총 변화를 나타낸다. 즉,
0
Δ𝑅
= 𝑆𝑎 𝜀𝑎 + 𝑆𝑡 𝜀𝑡 + 𝑆𝑠 𝛾𝑎𝑡
𝑅
𝜀𝑎 = 축방향 변형율
𝑆𝑎 = 축방향 감도
𝑆𝑡 = 횡방향 감도
𝑆𝑆 = 전단변형에 대한 감도
𝜀𝑡 = 횡방향 변형율
횡 방향
• 실제의 게이지에서 축 방향 게이지 율은
𝑆𝑎 =
𝑆𝑔
1 − 𝜈𝐾𝑡
축 방향
𝛾𝑎𝑡 = 축방향 및 횡방향과 관련된 전단 변형율
𝑆𝑡
= 횡감도 계수
𝑆𝑎
(𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟)
𝐾𝑡 =
• 횡감도 계수는 게이지 길이, 그리드의 구부러지는 부분의 형상에 밀접한 관계가 있으
나, 게이지 길이가 1mm 이하에서는 2～3%로 작으며, 특별한 경우를 제외하면 큰 문
제가 되지 않는다. (박 게이지의 경우 베이스의 재질이나 사용하는 접착제의 종류에
따라서 횡감도 계수의 실측치가 (-)부호로 되는 경우도 있다. )
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지-반도체
• 반도체 스트레인 게이지는 압저항 효과(壓抵抗效果; piezoresistive effect; 제 10장
에서 설명)를 나타내기 때문에 금속 게이지에 비해 수십 배 더 큰 게이지 율과 감
도를 갖는다.
Δ𝑅
𝑑𝜌
= 1 + 2𝜈 𝜀 +
𝑅
𝜌
= 1 + 2𝜈 𝜀 + 𝜋𝜌
= 1 + 2𝜈 𝜀 + 𝜋𝐸𝜀
= 1 + 2𝜈 + 𝐸𝜋 𝜀 →
Δ𝜌
= 𝜋𝜎
𝜌
𝜋 = 압저항 계수
금속 ∶ 𝑆𝑔 = 1 + 2𝜈
𝑆𝑔 = 1 + 2𝜈 + 𝐸𝜋
실리콘의 경우 100
이상으로 된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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스트레인 게이지 측정회로
• 스트레인 게이지를 이용하여 힘을 측정하는 경우 휘스토운 브리지(Wheatstone
bridge)로 결선
𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅𝑔 = 𝑅
- 게이지를 1개 사용
𝑉𝑜
1 ∆𝑅 1
=
= 𝑆𝑔 𝜀
𝑉𝑖𝑛 4 𝑅
4
- 게이지를 2개 사용
𝑉𝑜
1 ∆𝑅
=
𝑉𝑖𝑛 2 𝑅
- 게이지를 4개 사용
𝑉𝑜
∆𝑅
=
𝑉𝑖𝑛
𝑅
스트레인 게이지의 수를 증가시키면
회로의 감도도 증가하지만, 가격은
고가로 된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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9.4 로드 셀
 로드 셀(load cell)
• 물체의 하중을 측정하는 센서이며, 하중 센서라고도 함
• 스트레인 게이지를 센서로 사용한 스트레인 게이지 로드 셀(strain gage load
cell)이 주로 사용
• 종류
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-밴딩 빔
 밴딩 빔 로드셀(bending beam load cell)의 구조와 원리
• 간단하고 저가이기 때문에 가장 널리 사용되는 로드 셀 구조
• 캔틸레버 빔(cantilever beam)에서 최대 휨(deflection)은 자유단에서, 최대 변형
은 고정단에서 일어난다.
• 게이지 부착 : 빔의 윗면에 부착된 2개의 스트레인 게이지(1,3 게이지)는 인장력
을, 밑면에 부착된 2개의 게이지(2,4 게이지)는 압축력을 측정한다.
• 4개의 게이지는 그림 (b)와 같이 휘스토운 브리지로 결선
제 9 장 힘 토크 센서
로드 셀-밴딩 빔
• 각 게이지가 받은 변형은
6𝐹𝑥
𝜀1 = −𝜀2 = 𝜀3 = −𝜀4 =
𝐸𝑏ℎ2
• 각 게이지의 응답은
∆𝑅1
∆𝑅2 ∆𝑅3
∆𝑅4 6𝑆𝑔 𝐹𝑥
=−
=
=−
=
𝑅1
𝑅2
𝑅3
𝑅4
𝐸𝑏ℎ2
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제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-밴딩 빔
• 출력 전압은
𝑉0 =
6𝑆𝑔 𝐹𝑥
𝑉
𝐸𝑏ℎ2 𝑖𝑛
출력 전압은 하중(F)에 비례
출력범위와 감도는 빔의 단면적(bh), 하중 인가 점의 위치, 탄성체 재질의 피로강도
(fatigue strength)에 의해서 결정된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-밴딩 빔
 밴딩 빔 로드셀의 예
• 그림 (a) : 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체
소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인이며, 스트레인 게이지
는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다.
이 구조는 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 빔 전체의 두께를 두껍게 함으
로써 감도 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는 장점을
가진다.
이 빔의 구조는 적절히 설계되면, 감도, 안정도, 직선성이 매우 우수한 특성이 얻
어진다.
S자형 빔으로, 스트레인
게이지는 중심부의 센싱
영역에 휘트스토운 브리지
의 형태로 부착된다.
이 빔을 사용한 로드 셀 흔
히 S형 로드 셀이라고 부
른다. 밴딩 빔 로드 셀은
중하중 용량으로 정밀도
높은 로드 셀이다.
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-전단 빔
 전단 빔 로드 셀(shear beam load cell)의 기본구조와 동작
• 동작원리는 밴딩 빔과 동일
• 전단형 빔 구조의 일 예: 밴딩 빔에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나, 전단 빔
에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬.
• 이와 같은 I빔 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한 전단응력
을 만든다.
• 스트레인 게이지는 수직으로부터 45° 방향으로 웹 표면 양측에 부착된다.
• 게이지가 45°각을 이루는 것은 빔의 끝에 하중을 가하면, 금속판(web)에 발생하는
전단응력의 크기가 45° 방향에서 최대로 되기 때문이다.
• 전단 비임 구조는 내력이 강한 반
면, 가공이 어렵다는 단점이 있지
만, 동일 용량의 밴딩 빔에 비해 더
작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로
드 셀에 사용된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-전단 빔
 전단 빔 로드 셀(shear beam load cell) 예
• 그림 (a): 전단 효과를 최대로 하기 위해서 빔의 일부를 감소시키고, 이 부분(빔
양측에 있음)에 45° 각도로 스트레인 게이지를 부착한다.
• 그림 (b): 중․대용량 로드 셀에 사용되는 것으로, 직선성이 우수하고 비스듬히
가해지는 하중에 덜 민감하다.
• 그림 (c): 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 빔(double-
ended shear beam) 로드 셀이다. 대용량에 사용되며, 안정도가 우수하다.
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-기둥형
 기둥형 로드 셀(columntype load cell)의 기본 구조와 동작
• 기둥형 탄성체의 종류에는 사각형, 원통형, 또는 속이 빈 원통형 등이 있다.
• 기둥형 로드 셀를 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라 부른다.
• 기둥형 로드 셀의 구조 예:
- 기둥형 탄성체에 있어서, 최대 휨(deflection)은 수직방향
중심에서, 최대 변형은 횡방향 중심에서 일어나며, 그 특성
은 주로 높이폭 비(heightto-width ratio; L/w)에 의해서 결
정된다.
- 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레
인 게이지를 종방향으로, 다른 2장은 횡방향으로 부착하여
하중을 측정한다.
• 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드 셀의 출력전압은
4개의 스트레인 게이지가 동일하다고 가정하면 다음 식
으로 된다.
𝑆𝑔 𝐹(1 + 𝜈)
𝑉0 =
𝑉𝑖𝑛
2𝐴𝐸
• 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나,
정밀도가 낮으며, 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오
차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다.
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-기둥형
 기둥형 로드 셀(columntype load cell)의 예
• 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다. 이 로드 셀은 트럭, 탱크, 호
퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀-링형
 링형(ring-type load cell)의 기본 구조와 동작
• 링형 로드 셀의 구조 예:
- 링의 내외면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착
- 탄성체의 변위는 다음 식으로 주어진다.
𝑃𝑅3
𝛿 = 1.79
𝐸𝑤𝑡 3
• 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용 소형, 소하중
로드 셀에 적합하다.
• 방향도 인장형, 압축형 모두에 사용이 가능하지만, 대용량 제작이 어려운 단점이
있다.
𝑉𝑖𝑛
그림 9.18 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로
제 9 장 힘 토크 센서
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로드 셀 응용
식품점에서 사용하는 전자저울(electronic scale)과 가정에서 사용하는 전자 체중계
크레인 스케일(crane scale), 트럭 스케일(truck scale), 펠릿 트럭 스케일(Pallet truck scale)
제 9 장 힘 토크 센서
539
로드 셀 응용
적교(suspension bridge)의 케이블이나 다리 기둥 밑에 설치한 예. 이 경
우 로드 셀은 여러 차량 통행 조건하에서 케이블에 가해지는 장력과 응력
을 측정하거나, 다리가 경험하는 압축력을 측정한다.
제 9 장 힘 토크 센서
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9.5 토크 센서
 토크 센서
• 토크(torque), 모멘트(moment), 힘의 모멘트(moment of force) :
주어진 회전축을 중심으로 회전시키는 능력.
𝛕=𝐫×𝐅
𝛕
𝜏 = 𝑟𝐹sin𝜃
𝐹sin𝜃
𝜃
𝐫
𝐅
𝐫
𝐹sin𝜃
𝐅
• 토크 센서
- 토크의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의해 발생되는
변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다.
- 일반적으로 토크 센서는 회전부(rotor)와 고정부(stator)로 구성된다.
회전부: 탄성체를 사용해 토크를 변형으로 변환하여 측정하는 부분
고정부: 하우징(housing)
제 9 장 힘 토크 센서
541
토크 센서
 토크 변환요소
• 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의
힘 Ft는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다. 이때, 회
전축에 관한 모멘트는 토크를 발생시킨다.
𝑇 = 𝑙𝐹𝑡 = 𝑙(𝐹cos𝛽)
• 평형상태에 있는 강체(剛體; rigid body)의 한 부분에 외부로
부터 임의 토크가 인가되면, 이 토크는 크기가 같고 방향이
반대인 내부 토크에 의해서 균형을 이루어야 한다.
• 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생
하고, 실제의 탄성체는 완전한 강체가
아니므로 전단변형을 일으킨다.
• 이때 축 표면에서 전단변형은 최대로
되고 다음 식으로 주어진다.
16𝑇
𝛾𝑚 =
𝜋𝑑 2 𝐺
G =재료의 횡탄성 계수
토크 에 의해서 축은 각 만큼 비틀린다.
전단변형은 그림 (b)와 같이 양 단면 사이에서 확대된다.
제 9 장 힘 토크 센서
542
토크 센서
• 토크 T에 의해서 축에는 각 θ만큼 비틀림이 발생하고, 토크 T와 비틀림 각(twist
angle) θ사이에는 다음의 관계가 있다.
𝜃=
32𝐿
𝑇
𝜋𝑑 4 𝐺
토크 에 의해서 축은 각 만큼 비틀린다.
• 이와 같이 토크를 변형으로 변환하는 탄성체
를 토션 바(torsion bar), 측정체 축(measuring
body shaft) 등 다양하게 불린다.
• 토션 바(torsion bar) 예
(a) 간단한 원주
(b) 감도향상 구조
제 9 장 힘 토크 센서
543
토크 센서
• 요약: 토크 T를 측정하기 위해서는
16𝑇
𝛾𝑚 =
𝜋𝑑 2 𝐺
32𝐿
𝜃=
𝑇
𝜋𝑑 4 𝐺
: 토크에 의해서 생기는 토션 바의 변형을 검출: 스트레인
게이지식 토크 센서(strain gage torque sensor)
: 각 θ를 검출 : 비틀림각 식 토크 센서(twist angle type
torque sensor)
제 9 장 힘 토크 센서
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토크 센서-스트레인 게이지식
 트레인 게이지식 토크 센서의 기본구조와 원리
• 토션 바의 표면 변형을 스트레인 게이지로 검출한다.
• 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다. 축에 비틀림이
생기면 축에 대해 두 45° 방향(그림에서 SG1과 SG2의 방향)으로 압축력(SG1)
과 장력(SG2)이 발생하므로, 4개의 스트레인 게이지를 이용하여 브리지를
형성하면 토크를 검출할 수 있다.
𝛾𝑚 =
16𝑇
𝜋𝑑 2 𝐺
𝑇
𝑉𝑜
𝑇
𝑉𝑆
제 9 장 힘 토크 센서
545
토크 센서-스트레인 게이지식
• 예 : 각종 토션 바에 부착한 스트레인 게이지있다. .
• 스트레인 게이지를 사용한 토크 센서는 사용목적 또는 측정하려는 토크가
정적 또는 동적인가에 따라 다양한 종류의 토크센서가 사용되고 있다.
제 9 장 힘 토크 센서
546
토크 센서-스트레인 게이지식
 회전식 토크센서
• 종류
- 접촉식(slip ring type) :
신호출력을 위한 슬립 링(slip ring)과 브러시(brush) 사용
- 무접촉식(contactless torque sensor
회전부와 고정부(신호처리부)가 회전 트랜스포머(rotary transformer)를
통해 결합
제 9 장 힘 토크 센서
토크 센서-스트레인 게이지식
• 접촉식 회전 토크센서
- 센서가 있는 회전부
(rotator)와 정지부
(stator)가 슬립링(slip
ring)에 의해서 접속
된다.
- 따라서 전압공급과
센서출력신호 전송은
이 슬립 링을 통해서
이루어진다.
- 이 방법은 축의 휨을
회로적으로 소거할
수 있는 장점은 있으
나, 외부에서 전압을
공급하고 출력을 외
부로 끌어내는데 슬
립링(slip ring)이 필
요하다.
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제 9 장 힘 토크 센서
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토크 센서-스트레인 게이지식
• 무접촉 토크센서(contactless torque sensor) 또는 회전 트랜스포머 토크 센서
(rotary transformer torque sensor)
- 슬립 링의 결점을 극복하기 위해서
회전 트랜스포머(rotary transformer)
를 사용
- 회전 트랜스포머의 1차 권선은 정지
해 있고, 회전부에 위치한 2차 권선
은 회전한다.
- 제1(전원) 트랜스포머를 통해서 외부
로부터 센서(스트레인 게이지 브리지)
에 교류전압이 공급된다.
- 브리지로부터 측정된 토크 신호는 제
2(신호) 트랜스포머를 통해서 고정부
로 전송된다.
제 9 장 힘 토크 센서
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토크 센서-광학식
 광학식 토크센서
• 광학적 토크 센서는 비틀림 각을 검출하는 방식이다.
• 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법
• 그림 (a)
- 토션 바의 양단에 새긴 패턴
(pattern), 광원, 반사광을 검출하는
광센서로 구성
- 토션 바는 부하에 의해 생긴 토크로
비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전
한다.
- 따라서 패턴에 따라 광 센서에서
주기적인 신호가 출력된다.
- 이때, 비틀림 때문에 두 개의 출력
신호 사이에는 위상차가 있고, 그
위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록
펄스의 수로 변환한다.
32𝐿
𝜃=
𝑇
𝜋𝑑 4 𝐺
제 9 장 힘 토크 센서
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토크 센서-광학식
• 그림 (b)
- 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어, 비틀림이 발생하면
두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로, 이것을 광 센서로 검출하여 아날로그
신호로 출력한다.
- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다.
- 또 광 검출 시스템은 매우 높은 대역폭을 갖는다.
제 9 장 힘 토크 센서
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토크 센서
 토크센서 비교
토크 측정에 가장 공통적으로 사용되는 방법은 스트레인 게이지 토크 센서이다.
이 방식의 장점은 높은 확도와 작은 크기이다. 접촉 브리지 기술은 공통 모드 잡음
을 효과적으로 제거할 수 있다.
두 번째로 가장 자주 사용되는 방법이 비틀림 각 형 센서로, 높은 확도와 무접촉
구조의 장점을 가진다. 일반적으로 두 방법은 토션 바를 필요로 한다.