KR20150112756A - 출력 특성을 보상할 수 있는 하중 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

출력 특성을 보상할 수 있는 하중 측정 장치가 개시된다. 개시된 하중 측정 장치는 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체; 상기 탄성체에 부착되고, 브릿지 회로의 형태로 연결되는 N(2 이상의 정수)개의 제1 스트레인 게이지; 상기 탄성체에 부착되고, 상기 N개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되는 N개의 제2 스트레인 게이지; 및 상기 N개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되고, 상기 N개의 제2 스트레인 게이지 각각과 병렬 연결되는 N개의 저항;을 포함한다.

Description

출력 특성을 보상할 수 있는 하중 측정 장치{LOAD MEASURING DEVICE　CAPABLE OF OUTPUT CHARACTERISTIC COMOENSATION}
본 발명의 실시예들은 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 이용한 하중 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 하중 측정의 출력 특성을 보상할 수 있는 하중 측정 장치에 관한 것이다.
스트레인 게이지(Strain Gauge)는 기계적인 미세한 변화(Strain)를 전기신호로 변환해서 검출하는 센서를 의미한다. 즉, 스트레인 게이지를 기계나 구조물의 표면에 부착시키면, 그 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화, 즉, 스트레인을 측정하는 것이 가능하고, 측정값으로부터 강도나 안전성을 확인을 하는데 중요한 응력을 알 수 있다. 이러한 스트레인 게이지를 이용해 전자 저울 및 계측기 등과 같이 하중을 측정하는 로드셀이 종래에 이용되었다.
도 1 및 도 2는 종래의 하중 측정 장치인 로드셀의 구성을 도시한 도면이다.
보다 상세하게, 도 1은 하중이 가해지지 않을 때의 로드셀(100)의 구성을 도시한 도면으로, 도 1의 (a)는 로드셀(100)의 단면도, 도 1의 (b)는 로드셀(100)의 상부 평면도, 도 1의 (c)는 로드셀(100)의 하부 평면도를 각각 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 로드셀(100)은 탄성체(110)로 이루어지며, 탄성체(110)의 내부에는 홀(111)이 구비되어 있다. 그리고, 로드셀(100)의 상면 및 하면에는 스트레인 게이지(120)가 부착되어 있다. 이 때, 스트레인 게이지(120)는 전기적으로 연결되어 있으며, 하중이 가해질 경우 탄성체(110)의 변형에 상응하여 스트레인 게이지(120)가 변형된다.
도 2는 하중이 가해질 때의 로드셀(100)의 단면도를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 대상물에 의해 하중이 가해질 경우, 탄성체(110)는 변형을 일으키게 되고, 이에 따라 로드셀(100)에 부착된 스트레인 게이지(120) 역시 변형을 일으킨다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 스트레인 게이지(120)의 연결 상태를 회로적으로 표시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 스트레인 게이지(120)는 휘스톤 브리지 회로가 되도록 연결되어 있다. 즉, 스트레인 게이지(120)는 휘스톤 브리지 회로에서 저항 성분으로 작용한다.
이 때, 초기 상태에서는 출력값이 0이 되도록 설정되어 있다. 따라서, 하중이 가해지지 않은 경우, 휘스톤 브리지 회로의 출력값은 0으로 설정된다.
그러나, 하중이 가해진 경우, 로드셀(100)에 부착된 스트레인 게이지(120)는 팽창 또는 수축하게 되는데, 스트레인 게이지(120)에 상응하는 저항 성분은 도선의 단면적 및 길이에 대한 함수이므로, 스트레인 게이지(120)가 팽창 또는 수축함에 따라 저항값에 변화가 생기며, 이는 휘스톤 브리지 회로의 평형 상태를 깨뜨리게 된다. 따라서, 휘스톤 브리지 회로에는 출력값이 발생하게 되며, 로드셀(100)은 하중이 가해질 때 발생하는 전기적인 신호의 양을 측정하여 하중을 측정한다.
정리하면, 로드셀(100)은 탄성체(110)의 변형 시 단위 길이당 변위인 변형률을 측정하여 하중을 측정하는 원리를 사용한다.
한편, 종래의 이상적인 로드셀(100)의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계가 선형성(실선으로 표시)을 이루어야 한다.
그러나, 종래의 실제적인 로드셀(100)은 하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계가 하강 곡선(점선으로 표시) 내지 상승 곡선(일점쇄선으로 표시)의 관계를 가지며, 이에 따라 하중의 크기를 정확하게 측정하지 못하는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 하중 측정의 출력 특성을 보상할 수 있는 스트레인 게이지를 이용한 하중 측정 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 하중 측정 장치에 있어서, 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체; 상기 탄성체의 상하면 중 적어도 일면에 부착되고, 브릿지 회로의 형태로 연결되는 N(2 이상의 정수)개의 제1 스트레인 게이지; 상기 탄성체의 상하면 중 적어도 일면에 부착되고, 상기 N개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되는 N개의 제2 스트레인 게이지; 및 상기 N개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되고, 상기 N개의 제2 스트레인 게이지 각각과 병렬 연결되는 N개의 고정 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 하중 측정 장치는 하중 측정의 출력 특성을 보상할 수 있게 된다.
도 1 및 도 2는 종래의 하중 측정 장치인 로드셀의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 스트레인 게이지의 연결 상태를 회로적으로 표시한 도면이다.
도 4는 종래의 로드셀에 있어, 하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계를 그래프로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 하중 측정 장치의 연결 회로도를 도시한 도면이다.
도 7는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치의 하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계를 그래프로 도시한 도면이다.
도 8는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하중 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 9은 도 8의 하중 측정 장치의 연결 회로도를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하중 측정 장치의 평면도를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 하중 측정 장치의 평면도를 도시한 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 하중 측정 장치의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 본 발명에서 설명하는 하중 측정 장치는 일례로 로드셀일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 하중 측정 장치의 연결 회로도를 도시한 도면이다.
보다 상세하게, 도 5은 하중이 가해지지 않을 때의 하중 측정 장치(500)의 구성을 도시한 도면으로, 도 5의 (a)는 하중 측정 장치(500)의 단면도, 도 5의 (b)는 하중 측정 장치(500)의 상부 평면도, 도 5의 (c)는 하중 측정 장치(500)의 하부 평면도를 각각 도시한 도면이다. 이하, 각 구성요소 별로 그 기능을 상술한다.
탄성체(510)는 대상물의 하중에 따라 변형되며, 탄성체(510)의 내부에는 구멍, 즉 홀(511)이 형성되어 있다.
제1 스트레인 게이지(520)는 형상 변화 스트레인 게이지로서, 기본 출력용 스트레인 게이지이다(종래 기술의 스트레인 게이지(120)와 동일한 스트레인 게이지임). 도 5에서는 제1 스트레인 게이지(520)가 4개인 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 스트레인 게이지(520)의 개수는 N(2 이상의 정수)개일 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 제1 스트레인 게이지(520)의 개수를 "4개"로 가정한다.
세부적으로, 4개의 제1 스트레인 게이지(520)는 도 6에 도시된 바와 같이 브릿지 회로(일례로, 휘스톤 브리지 회로)의 형태로 연결된다. 이는 앞서 설명한 종래의 로드셀(100)의 스트레인 게이지(120)로 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 4개의 제1 스트레인 게이지(520)는 탄성체(510)의 상하면 중 적어도 일면에 부착될 수 있다. 일례로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 탄성체(510)의 상면과 하면에는 각각 2개의 제1 스트레인 게이지(520)가 부착될 수 있다. 한편, 도 5에 도시되지 않았지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 4개의 제1 스트레인 게이지(520) 중 적어도 일부는 홀(511)에도 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 스트레인 게이지(520)는 홀(511)과 가장 가까이 위치하는 탄성체(511)의 상하면 중 적어도 일면의 지점에 부착될 수 있다. 이는 탄성체(511)의 변형 즉, 제1 스트레인 게이지(520)의 변형을 보다 효율적으로 측정하기 위함이다.
제2 스트레인 게이지(530)는 출력 특성을 보상할 수 있는 기능을 수행하는 스트레인 게이지로서, 하중 측정 장치(500)의 정밀도 보상용 스트레인 게이지이다. 도 5에서는 제2 스트레인 게이지(530)가 4개인 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제2 스트레인 게이지(530)의 개수는 제1 스트레인 게이지(520)의 개수와 동일(N개)할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 제2 스트레인 게이지(530)의 개수를 "4개"로 가정한다.
세부적으로, 4개의 제2 스트레인 게이지(530)는 도 6에 도시된 바와 같이 4개의 제1 스트레인 게이지(520) 각각과 직렬 연결된다. 일례로, 제1 스트레인 게이지 A(520-1)는 제2 스트레인 게이지 A(530-1)와, 제1 스트레인 게이지 B(520-2)는 제2 스트레인 게이지 B(530-2)와, 제1 스트레인 게이지 C(520-3)는 제2 스트레인 게이지 C(530-3)와, 제1 스트레인 게이지 D(520-4)는 제2 스트레인 게이지 D(530-4)와 각각 직렬 연결된다.
또한, 4개의 제2 스트레인 게이지(530) 역시 탄성체(510)의 상하면 중 적어도 일면에 부착될 수 있다. 일례로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 탄성체(510)의 상면과 하면에는 각각 2개의 제2 스트레인 게이지(530)가 부착될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 스트레인 게이지(530)는 홀(511)과 가장 가까이 위치하는 탄성체(511)의 상하면 중 적어도 일면의 지점에 부착될 수 있다. 이는 탄성체(511)의 변형 즉, 제2 스트레인 게이지(530)의 변형을 보다 효율적으로 측정하기 위함이다.
고정 저항(540)은 출력 특성을 보상할 수 있는 기능을 수행하는 저항이다. 즉, 고정 저항(540)은 제2 스트레인 게이지(530)와 함께 하중 측정 장치(500)의 정밀도를 보상하기 위한 구성요소이다. 또한, 고정 저항(540)은 탄성체(510)의 상하면 중 적어도 일면, 홀(511)의 내부 등 다양한 위치에 부착될 수 있다. 도 5에서는 고정 저항(540)이 4개인 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 고정 저항(540)의 개수는 제1 스트레인 게이지(520)의 개수 및 제2 스트레인 게이지(530)와 동일(N개)할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 고정 저항(540)의 개수를 "4개"로 가정한다.
또한, 4개의 고정 저항(540)은 4개의 제1 스트레인 게이지(520) 각각과 직렬 연결되고, 4개의 제2 스트레인 게이지(530) 각각과 병렬 연결된다. 일례로, 고정 저항 A(540-1)는 제1 스트레인 게이지 A(520-1)와 직렬로 연결되고, 제2 스트레인 게이지 A(530-1)와는 병렬로 연결되되, 나머지 고정 저항 B, C, D(540-2, 540-3, 540-4)에 대해서도 동일하게 적용된다.
정리하면, 하나의 제1 스트레인 게이지, 하나의 제2 스트레인 게이지 및 하나의 고정 저항이 직병렬로 연결되어 저항부를 구성하되, 4개의 저항부가 결합하여 휘스톤 브릿지 회로를 구성한다. 즉, 각 저항부는 변형률의 민감도가 높은 "제1 스트레인 게이지"와 변형률의 민감도가 낮은 "출력 특성 보상용 구성요소"(즉, 병렬 연결된 제2 스트레인 게이지 및 고정 저항)로 구성된다.
따라서, 소정의 알고리즘을 통해 출력 특성을 높일 수 있는 4개의 고정 저항(540)의 저항값을 찾고, 이 저항값들을 이용하여 휘스톤 브릿지를 도 5 및 도 6에 따라 구성하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 "하중의 크기/휘스톤 브리지 회로의 출력값"의 관계가 거의 선형성을 나타냄을 확인할 수 있다(이상적: 실선, 실제: 점선 및 일점쇄선). 이에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치(500)는 하중의 크기를 정확하게 측정하는 장점이 있다.
도 8는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하중 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 9은 도 8의 하중 측정 장치의 연결 회로도를 도시한 도면이다.
보다 상세하게, 도 8은 하중이 가해지지 않을 때의 하중 측정 장치(800)의 구성을 도시한 도면으로, 도 8의 (a)는 하중 측정 장치(800)의 단면도, 도 8의 (b)는 하중 측정 장치(800)의 상부 평면도, 도 8의 (c)는 하중 측정 장치(500)의 하부 평면도를 각각 도시한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 하중 측정 장치(800)는 제2 스트레인 게이지(830) 및 제1 저항(840)(도 5 및 도 6의 고정 저항(540)과 대응)의 개수가 제1 스트레인 게이지(820)의 개수보다 적은 것을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치(500)와 동일하다.
즉, M(1 이상의 정수)개의 제2 스트레인 게이지(830)는 N개의 제1 스트레인 게이지(820) 중 일부인 M개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되며, M개의 제1 저항(840)은, M개의 제1 스트레인 게이지(820) 각각과 직렬 연결되고 M개의 제2 스트레인 게이지(840) 각각과 병렬 연결되는 것을 제외하고는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치(500)와 동일하다(도 8 및 도 9에서는 "하나의" 제2 스트레인 게이지 및 제1 저항(도 8에서는 미도시)을 도시함).
더불어, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하중 측정 장치(800)는 브릿지 회로의 평형을 맞추기 위해 M개의 제1 스트레인 게이지(820) 각각과 직렬 연결되는 M개의 제2 저항(850)을 더 포함할 수 있다(도 8에서는 미도시, 도 9에서는 "하나의" 제2 저항을 도시함). 이 때, 제2 저항(850)은 온도 보상 저항으로도 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하중 측정 장치(800)는 N개의 제1 스트레인 게이지(820) 중 일부인 M개의 제1 스트레인 게이지 각각과 연결되는 "출력 특성 보상용 구성요소"만으로 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치(500)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하중 측정 장치의 평면도를 도시한 도면이다.
보다 상세하게, 도 10은 하중이 가해지지 않을 때의 하중 측정 장치(800)의 구성을 도시한 도면으로, 도 10 (a)는 하중 측정 장치(1000)의 단면도, 도 10의 (b)는 하중 측정 장치(1000)의 상부 평면도, 도 10의 (c)는 하중 측정 장치(1000)의 하부 평면도를 각각 도시한 도면이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 하중 측정 장치(1000)는 N개(일례로, 4개)의 제2 스트레인 게이지(1030)가 홀(1011)에 부착되고 있음을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치(500)와 동일하다. 이 때, N개의 제2 스트레인 게이지(1030)는 탄성체(1010)의 상하면 중 적어도 일면과 가장 가까이 위치하는 홀(1011)의 지점에 부착될 수 있다.
보다 상세하게, 홀(1011)은, 탄성체(1010)의 내부 상단에 위치하는 제1 홀(10111), 및 탄성체(1010)의 내부 하단에 위치하는 제2 홀(10112) 및 제1 홀(10111)과 제2 홀(10112) 사이에 위치하는 제3 홀(10113)을 포함한다.
이 때, N개(일례로 4개)의 제2 스트레인 게이지(1030) 중 적어도 일부(일례로, 2개)는 제1 홀(10111)에 부착되고, 나머지 일부(일례로, 2개)는 제2 홀(10112)에 부착될 수 있다. 여기서, 적어도 일부의 제2 스트레인 게이지는 제3 홀(10113)과 가장 가까이 위치하는 제1 홀(10111)의 지점에 부착되고, 나머지 일부의 제2 스트레인 게이지는 제3 홀(10113)과 가장 가까이 위치하는 제2 홀(10112)의 지점에 부착될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제3 실시예에 따른 하중 측정 장치(1000)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하중 측정 장치(500)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 하중 측정 장치의 평면도를 도시한 도면이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 하중 측정 장치(1100)는 제2 스트레인 게이지(1130) 및 고정 저항(1040)과 대응되는 제1 저항(1140)의 개수가 제1 스트레인 게이지(1120)의 개수보다 적은 것, 및 브릿지 회로의 평형을 맞추기 위해 M개의 제1 스트레인 게이지(1020) 각각과 직렬 연결되는 M개의 제2 저항(1150)을 더 포함할 수 있는 것을 제외하고는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하중 측정 장치(1000)와 동일하다(도 9 참조). 이하, 상세한 설명은 생략한다.
요컨대, 본 발명의 실시예들에 따른 하중 측정 장치(500, 800, 1000, 1100)을 일반화하면 다음과 같은 구성을 가진다. 즉, 탄성체는 내부에 위치한 홀을 포함하고, N개의 제1 스트레인 게이지는 탄성체의 상면, 탄성체의 하면 및 홀 중에서 적어도 하나 이상에 부착되고, M개의 제2 스트레인 게이지는 N개의 제1 스트레인 게이지 중 "적어도" 일부인 M개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되며, M개의 제1 저항(고정 저항)은 M개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되고, M개의 제2 스트레인 게이지 각각과 병렬 연결될 수 있다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 하중 측정 장치의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
보다 상세하게, 도 12에서는 Shear 타입의 로드셀의 적용예(여기서, 4개의 제1 스트레인 게이지 및 4개의 제2 스트레인 게이지(8-strain gauge)가 사용됨)를 도시하고 있고, 도 13에서는 Column 타입의 로드셀의 적용예(여기서, 4개의 제1 스트레인 게이지 및 4개의 제2 스트레인 게이지(8-strain gauge)가 사용됨)를 도시하고 있다. 또한, 도 14에서는 Pan Cake 타입의 로드셀의 적용예(여기서, 8개의 제1 스트레인 게이지 및 8개의 제2 스트레인 게이지(16-strain gauge)가 사용됨)를 도시하고 있고, 도 15에서는 Diaphragm 타입의 로드셀의 적용예(여기서, 4개의 제1 스트레인 게이지 및 4개의 제2 스트레인 게이지(8-strain gauge)가 사용됨)를 도시하고 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (1)

  1. 하중 측정 장치에 있어서,
    대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체;
    상기 탄성체에 부착되고, 브릿지 회로의 형태로 연결되는 N(2 이상의 정수)개의 제1 스트레인 게이지;
    상기 탄성체에 부착되고, 상기 N개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되는 N개의 제2 스트레인 게이지; 및
    상기 N개의 제1 스트레인 게이지 각각과 직렬 연결되고, 상기 N개의 제2 스트레인 게이지 각각과 병렬 연결되는 N개의 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 측정 장치.
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KR102314191B1 (ko) * 2020-08-21 2021-10-18 공주대학교 산학협력단 자기유변탄성체를 이용한 가변형 로드셀

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