KR20240011019A - 출력특성과 영점온도보상 및 탄성변형체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 제1 실시예 에 따르면, 하중 측정 장치에 있어서, 대상물의 하중에 따라 변형되는 변형탄성체; 상기 탄성체의 상하면 중 적어도 일면에 부착되고, 브릿지 회로의 형태로 연결되는 N(2 이상 의 정수)개의 금속 스트레인 게이지; 상기 탄성체의 상하면 중 적어도 일면에 부착되고, 상기 N개의 금속스트레인게이지 각각과 병렬로 연결되는 N개의 반도제스트레인 게이지가 구비된 하는 하중 측정 장치가 제공된다.

Description

출력특성과 영점온도보상 및 탄성변형체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치{A load measuring device capable of the compensation of output characteristics and zero temperature, and temperature compensation of elastic deformable bodies}
본 발명의 실시예는 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 이용한 하중 측정장치에 관한 것으로서, 보다 정밀하게 출력특성과 제로점 및 변형탄성체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치에 관한 것이다.
스트레인 게이지(Strain Gauge)는 금속포일, 금속박막 또는 반도체등으로 이루진 기계적인 미세한 변화(Strain)를 전기신호로 변환해서 검출하는 센서로서 의미한다. 즉, 스트레인 게이지를 변형탄성체 또는 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 전자저울 및 계측기 등과 같이 하중을 측정하는 로드셀이 활용되고 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 하중 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 나탄 종래 기술을 살펴보면
로드셀은 하중에 따라 변형량이 변화하는 탄성변형체와 브리지 회로 100 과 주변회로 100 P를 구비한다. 브리지 회로 100은 단자 102~105와 변형계G1~G4와 제로 균형 조정 회로 20과 제로점 온도 보상회로 30과 구비해 주변 회로 100 P는 탄성변형체의 변형량의 온도 보상을 하는 탄성변형체 온도보상회로 10을 구비한다. 탄성변형체의 온도보상회로 10에는 서미스터 TH1 및 저항체 R11~R13가 이용되고, 탄성변형체의 변형량의 온도 특성을 보상한다. 또한 제로 균형 조정 회로 20에는 칩 저항 R21가 이용되어 영점 온도보상 회로 30에는 서미스터 TH2 및 칩 저항 R31,R32가 이용되는 중량측정 장치이다.
도 2에 나탄 종래 기술을 살펴보면 로드셀의 변형 검출 수단 7은 변형체에 접착된 4개의 수직용 스트레인 게이지 SG 1~SG4를 포함해 구성되는 휘트스톤 브리지 회로를 구비하고, 휘트스톤 브리지 회로의 한 변에 변형체의 측면에 접착되는 수직용 스트레인 게이지 SG1와 수직용 스트레인 게이지 SG1가 접착된 측면에 인접하는 측면에 접착되는 수직용 스트레인 게이지 SG2가 포함되어 휘트스톤 브리지 회로의 한 변 대변에 수직용 스트레인 게이지 SG1가 접착된 측면의 배면인 측면에 접착되는 수직용 스트레인 게이지 SG3와 수직용 스트레인 게이지 SG
2가 접착된 측면의 배면인 측면에 접착되는 수직용 스트레인 게이지 SG
4를 포함해 구성되어 있는 로드셀이다.
하나 상기 종래의 기술에 나타난 바와 같은 스트레인 게이지를 브리지 회로로 연결하여 브릿지 회로에서 출력되는 전압의 변화량으로 중량을 측정하는 브릿지 회로 기반 중량측정 장치에서는 브리지 회로에 전력을 공급하기 위해 지속적인 전압이 필요하다.
이를 여기 전압이라 하면 상기 도1에서는 Vdd단자에 공급되는 전압이며 도2에서는 "입력" 에 공급되는 전압으로 통상 "여기 전압" 이라한다 일반적으로는 여기 전압은 3V~10V가 통용되고 있다.
높은 여기 전압은 비례적으로 높은 출력 전압을 생성하지만, 발열로 인한 큰 에러를 초래하며 불안정한 여기 소스 때문에 발생하는 작은 변동은 측정의 정확성에 영향을 미칠 수 있다.
다라서 여기전압은 안정적이고 3V~10V범위 내에서 분해능을 해치지 아니하는 범위에서 낮게 유지하는 것이 바름직하다.
하나 상기한 도1의 경우를 보면 브릿지회로의 각 변에는 스트레인게이지(G1~G4)와 이들과 직렬로 다수의 저항이 연결됨으로 인하여, 스트레인게이지(G1~G4)의 자체저항과 직렬로 연결된 저항들의 합성 저항값에 적합한 여기전압이 필요하게 되고 이로 인한 스트레인게이지(G1~G4)에서의 발열문제가 상존하고 있다.
또한 도2에 나타난 바와 같이 하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계에서 하중 증가 시 출력값의 증가곡선과 하중감소 시 출력값의 하강곡선의 최대한 일치되도록 하는 것이 바람직하나 스트레인게이지 특성 일치하지 아니하는 문제점이 상존하고 있다.
도2의 종래 기술에서는 하중이 작용하는 방향이 다른 피측정 대상물의 수직방향과 수평방향의 변형율을 감지하는 스트레인게이지를 직렬로 연결한 로드셀이 제시되어있다. 이 역시 상기한 도1에 나타난 종래의 기술처럼 스트레인게이지가 직렬로 연결됨으로 인하여 저항 증가에 따른 여기전압이 커지는 문제점을 가지고 있다.
1. 선행특허 문헌1: 일본 공개 특허 공보 특개 2008-151596(2008.07.03.)
2. 선행특허 문헌2: 일본공개특허공보 특개2013-108792(2013.06.106)
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 하중 측정의 스트레인게이지에 인가되는 여기전압을 최소화 하면서 출력 특성을 보상할 수 있는 스트레인 게이지를 이용한 하중 측정 장치를 제안하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예 에 따르면, 하중 측정 장치에 있어서, 대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성변형체; 상기 탄성변형체의 상하면 중 적어도 일면에 부착되고, 브릿지 회로의 형태로 연결되는 N(2 이상 의 정수)개의 금속 스트레인 게이지; 상기 탄성변형체의 상하면 중 적어도 일면에 부착되고, 상기 N개의 금속 스트레인 게이지 각각과 병렬로 연결되는 N개의 반도체 스트레인 게이지가 구비된 하중 측정 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 하중 측정 장치는 하중 측정의 출력 특성을 보상 할 수 있고 탄성변형체의 온도 변형에 따른 보상 및 스트레인게이지의 온도 특성 보상 ,뿐 만 아니라 반도체스트레인게이지와 금속 스트레인게이지가 병렬로 연결됨으로 인하여 스트레인게이지가 포함된 브릿지부의 공급전압이 감소된다.
하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계에서 부하 증가 시 특성과 부하감소 시 특성간의 편차가 감소되어 하중측정 장치의 측정값에 대한 신뢰성을 향상 및 정밀 측정이 가능하다.
도 1 및 도 2는 종래의 하중 측정 장치의 스트레인 게이지의 연결 상태를 회로적으로 표시한 도면이다.
도3은 종래의 하중 측정 장치에서의, 하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계를 그래프로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 하중 측정 장치의 스트레인게이지 및 온도보상회로들 간의 연결 상태를 회로적으로 표시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 스트레인게이지들을 탄성변형체에 부착한 전면도(5a),평면도(5b) 저면도(5c)이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예을 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 종래의 기술과 중복되는 유사한 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으며 그 기능과 작용면에서 동일한 구성 요소에 대하여는 종래의 기술의 설명을 활용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 본 발명에서 설명하는 하중 측정 장치는 일례로 브릿지 회로의 네변에 스트레인게이지가 있는 것을 중심으로 설명하고, 2개인 것 또는 1개 것에서도 적용 할 수 있으며, 각각의 브릿지 회로의 입력전압과 스트레인게이지의 변형에 다른 저항값의 변화 등에 의하여 출력되는 전압의 크기를 연산하여 하중측정값을 추출하는 과정 및 수학적 수식은 종래의 기술과 동일 거나 본 분야에 관용적으로 사용되는 휘스톤 브릿지 원리와 동일함으로 그 설명을 생략 하였을 뿐이다.
또한 본 발명에서 도4에 나타난 바와 같은 탄성변형체의 상면과 하면에 스트레인게이지를 부착하는 구조를 제시하여 설명하고 있으나 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 본 분야에서 활용되는 탄성변형체라며 어떠한 형상에도 부착 될 수 있으며, 그 부착 위치 및 부착방법 역시 하중측정장치의 특성에 따라 변경 적용 될 수 있고 종래의 공지된 기술이 사용 될 수 있는 것임을 밝혀둔다.
이하에서는 도4에 나타난 본 발명의 하중 측정 장치의 스트레인 게이지 및 온도보상회로들 간의 연결 상태가 나타난 회로도의 각 구성요소에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 하중 측정 장치는 하중에 따라 변형되는 탄성 변형체(도시하지 아니함)와 상기 탄성변형체(300)의 온도 특성을 보상하는 탄성변형체온도보상회로(10)와 상기 탄성변형체온도 보상회로(10)를 통해 소정의 전압이 공급되고 상기 탄성변형체(300)의 변형량에 따른 전위차를 출력하는 브리지 회로(100)를 구비하고, 상기 탄성변형체온도 보상회로(10)는 서미스터(TH1)과 직열 또는 병렬로 연결된 저항들(R13,R12,R11,R14)이다.
또한 탄성변형체온도보상회로(10)는 저항인 R11과 써미스터(TH1)은 병렬로 접속되며 일단은 저항 R12와 직렬접속 되며, 저항 R12의 일단은 전원장치와 저항 R13과 연결 된다.
또한 저항 R13의 타단은 병렬 접속된 저항인 R11과 써미스터(TH1)의 타단과 연결되고 저항 R14를 통하여 브릿지회로부의 제1전원입력단자(102)에 연결된다.
상기와 같은 서미스터(TH1)과 직열 또는 병렬로 연결된 항들(R13,R12,R11,R14)에 의하여 온도에 변화는 탄성 변형체(300)의 온도 특성의 보정이 가능 하다. 즉 탄성 변형체(300)의 온도에 따라 탄성변형체온도 보상회로(10)의 저항값이 변하게 되고, 탄성변형체온도 보상회로(10)의 저항값의 변화량에 비례하여 변하게 된다.
도시하지 아니하나 하중측정치의 동작을 위하여 전력을 공급하는 전원공급장치로 부터 탄성변형체온도 보상회로(10)를 통하여 브리지회로(100)에 인가되는 즉 제1전원입력단자(102)와 제3전원입력단자(103)사이에 공급되는 여기전압이 변하게 된다.
여기전압이 변하게 됨으로 브리지회로(100)의 제1출력단자(104)와 제2출력단자(105)사이의 전압인 브리지회로(100)의 출력 전압이 변하게 되어 탄성변형체(300)의 온도에 따른 특성이 브리지회로(100)의 출력 전압에 반영됨으로서 탄성변형체(300)의 온도특성이 보상 된다.
본 발명에서 탄성변형체온도 보상회로(10)는 탄성변형체(300)에 부착위치는
탄성변형체(300)가 측정 하고자 하는 하중 즉 외력에 의하여 변형 되지 아니하는 부위에 부착 되어야 한다. 이는 순수하게 탄성변형체온도 보상회로(10)가 탄성변형체(300)의 온도 변화에 의한 특성을 반영하기 위함이다.
다음은 본 발명에서의 브릿지회로(100)는 여기전압을 공급받는 제1전원입력단자(102)와 제3전원입력단자(103) 그리고 스트레인게이지들의 변형량에 대응하여 입력된 여기전압의 변화량을 출력하는 제1출력단자(104)와 제2출력단자(105)를 구비한다.
브릿지회로(100)는 도시하지 아니하는 전원공급장치로 부터 탄성변형체온도 보상회로(10)를 통하여 제1전원입력단자(102)와 제3전원입력단자(103)를 통하여 여기전압을 공급받게 된다.
브릿지회로(100)의 제1전원입력단자(102)와 제2출력단자(105) 사이에는 탄성변형체에 하중이 가하여지지 아니하는 상태의 특정온도에서 브릿지 출력이 영(Zero) 되도록 하는 온도특성을 보상하는 제1게이지온도보상부(30A)가 직렬로 연결된 제1스트레인게이지(G1)는 금속 박막 등으로 이루어진 금속 스트레인게이지(Gf1)와 반도체스트레인게이지(Gs1)가 병렬로 연결된다.
제1스트레인게이지(G1)가 금속스트레인게이지(Gf1)와 반도체스트레인게이지(Gs1)가 병렬로 연결됨으로 인하여, 금속스트레인게이지(Gf1)과 반도체스트레인게이지(Gs1)에 공급되는 전압을 직렬접속 일 때 보다도 낮에 유지함으로 소비되는 전력이 감소됨으로 저항들에서 발생하는 열을 억제하는 효과 있다.
또한 합성 게이지율(gauge factor)에 의하여 게이지율의 차이가 동종의 스트레인게이지를 직렬 결합한 것에 비하여 금속스트레인게이지(Gf1)와 반도체스트레인게이지((Gs1))의 병렬 결합에 의한 제1스트레인게이지(G1)의 하중 증가 시 저항 변화 곡선과 하중 감소 시 저항 변화 곡선이 차이가 감소되는 현상을 나타낸다.
다음은 본 발명에서 제1게이지온도보상부(30A)는 탄성변형체(300)에 하중이 가하여지지 아니 하였을 경우 특정온도(통상 20 ℃)에서의 브릿지 회로(100)에서의 제1출력단자(104)와 제2출력단자(105)에서 출력이 영(Zero)이 될 수 있도록 하는 회로이다.
제1게이지온도보상부(30A)는 서미스터 TH2a와 각 서미스터 TH2a에 직렬로 접속된 저저항의 칩 저항R31a와 서미스터 TH2a와 칩 저항 R31a의 합성 저항에 병렬로 저항 R32a가 연결된다. 서미스터 TH2a는 음의 온도 계수를 가지는 NTC서미스터이며 칩 저항 R31a~R32a는 양의 온도 계수를 가진다. 칩 저항으로서는 카본 피막 저항기,금속 피막 저항기 및 산화금속피막 저항기 중 하나를 이용할 수 있다.
또한 서미스터 TH2a와 직렬로 접속되는 저항 R3a1는 서미스터 TH2a로 흐르는 전류를 제어하는 기능을 가진다. 저항 R32a의 저항값을 고정하고 저항 R31a의 저항값을 크게 하면 서미스터 TH2a로 흐르는 전류가 감소하는 한편, 이 저항값을 작게 하면 서미스터 TH2a로 흐르는 전류가 증가한다. 또한 저항 R31a는 서미스터 TH2a로 흐르는 전류를 제한해 미세 조정하는 기능을 가진다.
제1게이지온도보상부(30A)는 전체적으로 음의 온도 계수를 가지는 감온 저
항체로서 기능하고, 이것에 의해 변형계 G1~G4의 온도특성을 보상함과 동시에, 후술하는 제1균형조정저항(20A), 제2균형조정회로(20B) 내의 각 저항 R21a,R21b의 온도 특성을 보상한다. 즉 스트레인게이들(G1,G2,G3,G4) 및 저항 R21a,R21b의 각 온도 특성은 양의 온도 계수를 가지기 때문에, 제1게이지온도보상부(30A)와 제2게이지온도보상부(30B)이 전체적으로 음의 온도 계수를 가지도록 제1게이지온도보상부(30A)와 제2게이지온도보상부(30B)의 서미스터 및 각 저항의 저항값을 조정함가능 하다. 즉 온도가 변화했을 경우에도 탕성변형체가 무하중 상태에서 단자 102와 단자 105 간,단자 105와 단자 103 간, 단자 103과 단자 104 간, 단자 104와 단자 102간을 연결하는 브리지 회로를 평형상태로 유지하는 것이 가능해진다.
브릿지회로(100)의 제2전원입력단자(103)와 제2출력단자(105) 사이에는 탄성변형체에 하중이 가하여지지 아니하는 상태의 특정온도에서 브릿지 출력이 영(Zero) 되도록 하는 온도특성을 보상하는 제2게이지온도보상부(30B)와 직렬로 연결된 제2스트레인게이지(G2)는 금속박막 등으로 이루어진 금속 스트레인게이지(Gf2)와 반도체스트레인게이지(Gs2)가 병렬로 연결된다.
제2게이지온도보상부(30B)와 제2스트레인게이지(G2)는 모든 기능과 이들을 구성하는 부품의 사양 등이 상기한 제1게이지온도보상부(30A)와 제1스트레인게이지(G1)동일 함으로 그 설명을 생략한다.
브릿지회로(100)의 제1전원입력단자(102)와 제2출력단자(104) 사이에는
제4스트레인게이지(G4)는 금속 박막 등으로 이루어진 금속 스트레인게이지(Gf4)와 반도체스트레인게이지(Gs4)가 병렬로 연결되어 일단이 제1전원입력단자(102)접속되며, 타단은 브릿지회로의 제1출력단자(105)와 제2출력단자(104)의 출력을"0"으로 조정하는 저항인 제1균형조정저항 (20A)와 연결되고 제1균형조정저항 (20A)의 타단은 제2출력단자(104)에 연결된다.
브릿지회로(100)의 제2전원입력단자(103)와 제2출력단자(104) 사이에는
제3스트레인게이지(G3)는 금속박막 등으로 이루어진 금속스트레인게이지(Gf3)와 반도체스트레인게이지(Gs3)가 병렬로 연결되어 일단이 제2전원입력단자(103)접속되며, 타단은 브릿지회로의 제1출력단자(105)와 제2출력단자(104)의 출력을"0"으로 조정하는 저항인 제2균형조정저항(20B)와 연결되고 제2균형조정저항 (20B)의 타단은 제2출력단자(104)에 연결된다.
상기와 같이 하중측정 장치의 브릿지 회로에서 브릿지 회로에서 금속스트레인게이지와 반도체스트레인게이지를 병렬로 접속함으로서, 하중 측정의 출력 특성을 보상 할 수 있고 탄성변형체의 온도 변형에 따른 보상 및 스트레인게이지의 온도 특성 보상 ,뿐 만 아니라 반도체스트레인게이지와 금속 스트레인게이지가 병렬로 연결됨으로 인하여 스트레인게이지가 포함된 브릿지부의 공급전압이 감소된다.
하중의 크기와 휘스톤 브리지 회로의 출력값의 관계에서 부하증가시 특성과 부하감소시 특성간의 편차가 감소되어 하중측정장치의 측정값에 대한 신뢰성을 향상 및 정밀 측정이 가능 하다.
브릿지회로 출력전압과 탄성변형체온도보상회로의 연산을 통하여 최종적으로 탄성변형체 가하여 지는 중량을 연산하는 것은 일본등록특허 제3352006호(2002.09.20.), 일본특허공개공보2013-108792호(2013.06.06.)등에 공지된 바와 같은 본 분야의 관용화 된 공지기술을 활용하는 것이어서 그 설명을 생략 한다.
10 : 탄성변형체온도보상회로
20A: 제1균형조정저항 20B: 제1균형조정저항
30A : 제1게이지온도보상부 30B:제21게이지온도보상부 30C:제3게이지온도보상부 30D:제4게이지온도보상부
100: 브리지 회로
300: 탄성 변형체 101: 전원 입력단
G1: 제1스트레인게이지 G2: 제2스트레인게이지 G3: 제3스트레인게이지 G4: 제4스트레인게이지

Claims (3)

  1. 하중 측정 장치에 있어서,
    대상물의 하중에 따라 변형되는 탄성체;
    상기 탄성체에 부착되고, 브릿지 회로의 형태로 연결되는 N(2 이상의 정수)개의 출력용 스트레인 게이지; 및
    상기 탄성체에 부착되고, 상기 N개의 출력용 스트레인 게이지 각각은 반도체스트레인게이지와 금속형 스트레인게인지가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 출력특성과 영점온도보상 및 변형탄성체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    브릿지 회로에 공급되는 여기전압은 탄성변형체온도 보상회로를 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는 출력특성과 영점온도보상 및 변형탄성체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    탄성변형체온도 보상회로는 하중에 의하여 변형되지 탄성변형체 부위에 부착되는 것을 특징으로 하는 출력특성과 영점온도보상 및 변형탄성체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치.

KR1020220088511A 2022-07-18 2022-07-18 출력특성과 영점온도보상 및 탄성변형체의 온도보상을 할 수 있는 하중측정 장치 KR20240011019A (ko)

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