[논문]Strain Gauge를 이용한 핀형 로드셀 개발

이동욱; 박민혁; 이계광; 김인환; 이석순

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.4.075

문제 정의

본 논문에서는 핀형 로드셀을 설계하였다. 로드셀의 형상은 유한요소 해석의 결과를 통하여 구조를 결정하였고 결과값에서 전단응력이 규칙적으로 나타나는 곳에 전단형 스트레인 게이지를 부착하였다.
실험에 앞서 신호 전달이 잘 되는지 확인하기 위하여 Digital Weighing Indicator를 이용하여 로드셀에 힘을 가하여 보았다. 스트레인 게이지의 결선이상유무와 압력을 가했을 때 스트레인의 변화량이 생기는지 관찰을 해보기 위함이다. 이 장비는 여타 장비와는 달리 컴퓨터와 같은 디스플레이 시스템 없이도 스트레인 변화량을 바로 확인 가능다는 장점이 있다.
이를 응용하여 본 논문에서는 스트레인 게이지를 이용한 핀형 로드셀을 개발하는 것으로 선박의윈치에 사용되는 와이어 장력을 측정하고자 하는 목적으로 접근하였다.

가설 설정

또한 설치와 운용이 적합하고 제작의 편리성과 실용성이 향상될 수 있도록 하는 것이 중요하다.^[3] 로드셀의 형상은 본 논문의 목적에 맞게 와이어 장력 측정을 위한 구조에 맞게 설계되어야 한다. Fig.
하나의 게이지가 양 갈래로 나눠져 있는 것을 표현하는데 결국한 쪽 방향을 측정하기 위해서는 4개의 게이지가 필요하며 두 방향의 측정을 위해서는 8개의 게이지가 필요하다.^[7]게이지 사이의 연결은 되도록이면 저항이 적은 선을 이용해야 한다. 결선을 완료하고 나서 멀티미터를 이용하여 결선 한 곳에 이상이 없는지 확인하였다.
앞서 유한요소 해석에서 실시한 로드셀을 제작하고 재료시험기를 이용하여 로드셀 성능 실험을 실시하였다. 와이어 장력을 측정한다는 가정하에 핀형 로드셀에 압력을 가할 실험 구조를 설정하였다. 실험에 앞서 신호 전달이 잘 되는지 확인하기 위하여 Digital Weighing Indicator를 이용하여 로드셀에 힘을 가하여 보았다.

제안 방법

스트레인 값은 E-DAQ 장비와 연결 되어있는 노트북으로 확인하였다. E-DAQ장비와 결선 된 곳에 이상이 없는지 마지막으로 멀티미터를 이용하여 확인한 후 실험을 실시하였다. 실험은 각각 10kN, 20kN, 30kN, 40kN, 60kN, 80kN 으로 실시하였다.
17은 E-DAQ 장비와 Full Bridge 로드셀을 결선 한 전체 실험 구조모습이다. Full Bridge Method와 같이 센서 라인과 파워 라인을 구분하여 E-DAQ 장비와 결선하였다.
14는 P-3500 장비의 매뉴얼을 참고한 스트레인 게이지 결선방법이다. 각각의 로드셀을 구성하는 스트레인 게이지들을 Fig. 14와 같이 완전 결선회로를 구성하여 로드셀을 제작하였다.^[8] 이 장비는 영점 조절 및 스트레인을 몇 배수로 증가하여 나타낼 수 있는 기능도 있어 아주 작은 스트레인에도 실험자가 확인 가능하다.
^[7]게이지 사이의 연결은 되도록이면 저항이 적은 선을 이용해야 한다. 결선을 완료하고 나서 멀티미터를 이용하여 결선 한 곳에 이상이 없는지 확인하였다. 총 저항 값은 병렬로 연결하였기 때문에 센서라인에서 측정할 때와 파워라인에서 측정할 때가 동일하게 700Ω 으로 나타난다.
10은 Wheatstone Bridge와 유한요소 해석의 결과 값을 토대로 결선을 완료한 모습이다. 결선을 위해서 핀형 로드셀의 각 스트레인 게이지 부착부분 사이에 Hole을 만들어 결선이 용이하도록 결선에 이상이 없는지 확인하였다. 로드셀을 제작한 후 성능 실험을 위해 재료시험기 장비에 맞게 지그를 제작하였다.
로드셀의 형상은 유한요소 해석의 결과를 통하여 구조를 결정하였고 결과값에서 전단응력이 규칙적으로 나타나는 곳에 전단형 스트레인 게이지를 부착하였다. 그리고 Wheatstone Bridge를 참조하여 각각의 게이지를 결선하였다.
총 8개의 채널을 사용 가능하도록 되어 있으며 여러 시스템의 자동 데이터 수집 및 네트워킹이 모두 가능한 장비이다. 그리고 피로시험기에서 압력을 가하며 스트레인의 변화를그래프 및 수치로 확인하는 실험을 실시하였다. 본 논문에서는 임의로 채널 1을 선택하여 Full Bridge를 결선하였다.
스트레인 게이지와 장비 사이를 결선하고 실행하여 실험을 실시해 보았다. 기준은 영점을 맞춘 후 실험을 진행하니 스트레인 게이지의 저항 값이 변화하는 것을 확인하고 본격적인 실험을 시작했다.
다음 구조로 스트레인 측정 실험을 실시하였다. 스트레인 값은 E-DAQ 장비와 연결 되어있는 노트북으로 확인하였다.
13은 Digital Weighing Indicator를 이용하여 실험 한 모습이다. 또 다음은 P-3500 이라는 장비를 사용하여 스트레인 게이지저항을 관찰해 보았다. Fig.
본 실험구조의 Calibration 은 SOMAT 프로그램 상에서 설정하였다. 로드셀에 힘을 가하지 않아도 스트레인 게이지에 가해지는 힘은 0이 될 수 없기 때문에 프로그램 상으로 영점을 설정 하였고 각 센서의 범위 및 감도, 스트레인 게이지 종류, Bridge Type 등을 설정한 후 실험을 진행하였다. Fig.
결선을 위해서 핀형 로드셀의 각 스트레인 게이지 부착부분 사이에 Hole을 만들어 결선이 용이하도록 결선에 이상이 없는지 확인하였다. 로드셀을 제작한 후 성능 실험을 위해 재료시험기 장비에 맞게 지그를 제작하였다. 지그의 물성치는 SS400을 사용하였다.
그림에서 화살표로 표시한 부분에 핀형 로드셀이 위치할 곳이다. 본 구조의 와이어에 텐션이 발생하게 되면 중앙에 위치한 핀형 로드셀에 응력을 가하게 되고 이를 실시간으로 측정하기위해 구조개발을 실시하였다.
그리고 피로시험기에서 압력을 가하며 스트레인의 변화를그래프 및 수치로 확인하는 실험을 실시하였다. 본 논문에서는 임의로 채널 1을 선택하여 Full Bridge를 결선하였다. 본 실험구조의 Calibration 은 SOMAT 프로그램 상에서 설정하였다.
^[8] 이 장비는 영점 조절 및 스트레인을 몇 배수로 증가하여 나타낼 수 있는 기능도 있어 아주 작은 스트레인에도 실험자가 확인 가능하다. 스트레인 게이지와 장비 사이를 결선하고 실행하여 실험을 실시해 보았다. 기준은 영점을 맞춘 후 실험을 진행하니 스트레인 게이지의 저항 값이 변화하는 것을 확인하고 본격적인 실험을 시작했다.
앞서 유한요소 해석에서 실시한 로드셀을 제작하고 재료시험기를 이용하여 로드셀 성능 실험을 실시하였다. 와이어 장력을 측정한다는 가정하에 핀형 로드셀에 압력을 가할 실험 구조를 설정하였다.
^[4] 핀형 로드셀의 형상파일을 이용하여 모델링 하고 Hypermesh 프로그램으로유한요소 격자를 나눈 뒤 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석은 핀형 로드셀의 양쪽을 고정 한 후 고정되는 부분에서 중앙 부위에 와이어 장력을 받을 것으로 가정하여 고정되는 부분에는 변위를 0으로 중앙 부분에는 로드셀의 축방향을 기준으로 직각 방향 일정 압력을 가하였다.
11이다. 지그의 형상은 피로시험기의 핀과 결합이 가능하도록 제작하였고 압력이 가해지는 부분은 로드셀의 원형부분과 동일한 크기로 라운드를 주었다. 지그의 형상을 제작한 후 피로시험기에 설치하였다.
1 은 핀형 로드셀이 장착 될 윈치의 전체모델이다. 핀형 로드셀을 장착하여 장력을 측정 할 수 있도록 로드셀 전체를 설계하였다. Fig.
하중측정이 가능한 핀형 로드셀을 설계하기 위하여 핀형 로드셀의 형상에 따른 측정부의 응력상태를 분석하였다.^[4] 핀형 로드셀의 형상파일을 이용하여 모델링 하고 Hypermesh 프로그램으로유한요소 격자를 나눈 뒤 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 스트레인 게이지는 전단형의 FCT-2-350-11로서 저항값 350Ω, Matrix Size 9.6L&7.9W를 사용하였다.
본 논문에서 선택한 스트레인 게이지는 보통 저항값에서 120Ω과 350Ω이 주로 사용되고 있고 저항값이 크면 더 안정적이기 때문에[5] 일반적으로 로드셀 제작에 많이 쓰이는 제품 FCT-2-350 보다 열 특성이 더 강하며 내구성이 뛰어난 장점을 고려하여 선택하게 되었다.
2에서 확인할 수 있다. 실험에 사용된 피로시험기는 Fig. 12의 Instron 8516 테스트 시스템으로서 로드 프레임, 액추에이터, 로드셀, 각종 유압파워 컨트롤로 구성되어 있으며 최대하중이 10톤이다.
E-DAQ장비와 결선 된 곳에 이상이 없는지 마지막으로 멀티미터를 이용하여 확인한 후 실험을 실시하였다. 실험은 각각 10kN, 20kN, 30kN, 40kN, 60kN, 80kN 으로 실시하였다.
로드셀을 제작한 후 성능 실험을 위해 재료시험기 장비에 맞게 지그를 제작하였다. 지그의 물성치는 SS400을 사용하였다. 지그를 피로시험기에 설치한 모습이 Fig.

데이터처리

[4] 핀형 로드셀의 형상파일을 이용하여 모델링 하고 Hypermesh 프로그램으로유한요소 격자를 나눈 뒤 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석은 핀형 로드셀의 양쪽을 고정 한 후 고정되는 부분에서 중앙 부위에 와이어 장력을 받을 것으로 가정하여 고정되는 부분에는 변위를 0으로 중앙 부분에는 로드셀의 축방향을 기준으로 직각 방향 일정 압력을 가하였다.
로드셀 유한요소 해석의 조건은 ABAQUS 프로그램을 이용하여 Fig. 4와 같이 나타내었다. Fig.
3 은 핀형 로드셀을 모델링 한 모습이다. 핀형 로드셀은 상용 설계프로그램인 CATIA V5를 이용하여 모델링을 실시하였다.

이론/모형

8 에서 Wheatstone Bridge를 확인할 수 있다. Fig. 8의 게이지 결선 방법은 Double Full Bridge 방법이며, 통상 일반적인 경우의 스트레인 측정에는 Quarter Bridge를 사용하며 온도 보정 및 잡음 제거 혹은 측정 전압 증폭의 경우에는 Half Bridge를 사용한다. 또한 이 두 경우를 동시에 구현 하는 데는 Full Bridge를 사용한다.
본 논문에서는 임의로 채널 1을 선택하여 Full Bridge를 결선하였다. 본 실험구조의 Calibration 은 SOMAT 프로그램 상에서 설정하였다. 로드셀에 힘을 가하지 않아도 스트레인 게이지에 가해지는 힘은 0이 될 수 없기 때문에 프로그램 상으로 영점을 설정 하였고 각 센서의 범위 및 감도, 스트레인 게이지 종류, Bridge Type 등을 설정한 후 실험을 진행하였다.
와이어 장력을 측정한다는 가정하에 핀형 로드셀에 압력을 가할 실험 구조를 설정하였다. 실험에 앞서 신호 전달이 잘 되는지 확인하기 위하여 Digital Weighing Indicator를 이용하여 로드셀에 힘을 가하여 보았다. 스트레인 게이지의 결선이상유무와 압력을 가했을 때 스트레인의 변화량이 생기는지 관찰을 해보기 위함이다.

성능/효과

19는 각각의 스트레인 실험값 평균과 최소 그리고 최대값을 연결한 그래프로서 절대값으로 표현하였다. 각 케이스에서의 최대값과 최소값의 차이가 노이즈로 인하여 그리고 피로시험기의 유압이 일정하지 못한 이유 및 여러 가지 이유로 인하여 발생하는 것을 확인할 수 있었지만 결과의 평균값을 확인하면 그래프의 기울기에서 오차율이 낮은 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과, 스트레인 값은 가한 압력에 비례하도록 나타나는 것을 확인하였고 그래프의 결과 값을 비교해 더 정확히 알 수 있었다. 각각의 오차율은 5% 미만으로 나타나는 것을 확인하였으며 이는 스트레인을 측정하는 것에 있어서 정확성이 매우 뛰어나다 할 수 있다. 따라서 처음 목적에 맞게 윈치의 와이어 장력을 측정하는 장치로는 문제가 없을 것으로 판단된다.
실험 결과, 스트레인 값은 가한 압력에 비례하도록 나타나는 것을 확인하였고 그래프의 결과 값을 비교해 더 정확히 알 수 있었다. 각각의 오차율은 5% 미만으로 나타나는 것을 확인하였으며 이는 스트레인을 측정하는 것에 있어서 정확성이 매우 뛰어나다 할 수 있다.

후속연구

본 연구는 윈치의 와이어에 가해지는 텐션을 실시간으로 측정할 수 있는 구조로서 현장산업의 문제를 조기에 판단 할 수 있을 것이라 판단된다. 또한 이는 윈치 발전에 크게 기여할 것으로 보인다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기적으로 물건의 무게를 검출하는 방법의 종류는?	디지털중량제어기 및 전자저울용 센서로 사용하고 있는 스트레인 게이지식 로드셀은 물건의 무게 즉 하중을 전기신호로 변환하는 트랜스듀서이다. 전기적으로 물건의 무게를 검출하는 방법으로는 마그네틱을 이용하는 자기식, 스트레인 게이지식, 음파식, 진동식 그리고 정전용량식 등이 있는데 대부분 스트레인게이지를 사용한 트랜스듀서를 로드셀이라고 부르고 있다. 이러한 로드셀의 특징으로는 비교적 소형으로 가벼워서 조립성이 좋고, 센서성능은 최대가 1/10,000 정도이며 구조가 간단하며 경시변화가 적다.
	로드셀을 설계하기 위해서 고려항 사항은?	로드셀을 설계하기 위해서 고려할 사항은 첫째, 측정하고자 하는 최대 하중을 고려한 로드셀의 용량 설정, 둘째, 로드셀의 정밀도와 정확도를 높이기 위하여 가해지는 하중에 대하여 최적의 로드셀 형상 선택이라고 할 수 있다. 또한 설치와 운용이 적합하고 제작의 편리성과 실용성이 향상될 수 있도록 하는 것이 중요하다.[3] 로드셀의 형상은 본 논문의 목적에 맞게 와이어 장력 측정을 위한 구조에 맞게 설계되어야 한다.
	스트레인 게이지식 로드셀이 많이 사용되고 있는 이유는?	전기적으로 물건의 무게를 검출하는 방법으로는 마그네틱을 이용하는 자기식, 스트레인 게이지식, 음파식, 진동식 그리고 정전용량식 등이 있는데 대부분 스트레인게이지를 사용한 트랜스듀서를 로드셀이라고 부르고 있다. 이러한 로드셀의 특징으로는 비교적 소형으로 가벼워서 조립성이 좋고, 센서성능은 최대가 1/10,000 정도이며 구조가 간단하며 경시변화가 적다. 또한 정격하중이 수 그램으로부터 수백 킬로그램으로 사용범위가 넓다. 이러한 이유로 해서 스트레인 게이지식 로드셀이 많이 사용되고 있다.

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