KR920007630B1

KR920007630B1 - Mini-loadcell

Info

Publication number: KR920007630B1
Application number: KR1019900001188A
Authority: KR
Inventors: 권영하; 강대임; 김동진
Original assignee: 재단법인 한국 표준 연구소; 이충희
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1992-09-09
Also published as: KR910015845A

Abstract

The small type load cell includes a diaframe sensing part (1), a body (2), and a load button (4). If the external force were applied to the load button, the electrical output corresponding to the diaframe strain guage could be detected. The base plate is fastened to the body for excluding the environment effect, such as the humidity and the dust, of the strain guage. The special stainless steel is used as the material of sensing part for applying to the industrial field. This load cell is useful for measuring the force distribution of aircraft, automobile and tire.

Description

Small load cell

제1도는 다이아프램 구조의 로드셀 감지부 모델 선도.1 is a diagram of a load cell detector having a diaphragm structure.

제2도는 본 발명 다이아프램 구조의 변형도 분포선도.2 is a strain distribution diagram of the diaphragm structure of the present invention.

제3도는 일반 로드셀용 스트레인게이지의 형상도.3 is a shape diagram of a strain gauge for a general load cell.

제4도는 본 발명 로드셀에 사용된 다이아프램형 스트레인게이지의 형상도.4 is a shape diagram of a diaphragm type strain gauge used in the load cell of the present invention.

제5도는 본 발명 로드셀의 브리지 회로도.5 is a bridge circuit diagram of the load cell of the present invention.

제6도는 본 발명 로드셀의 단면도.6 is a cross-sectional view of the load cell of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 다이아프램 감지부 2 : 몸체1: diaphragm detection unit 2: body

3 : 베이스 플레이트 4 : 로드버튼3: base plate 4: load button

5 : 스트레인 게이지5: strain gauge

본 발명은 기존의 일반 로드셀과는 달리 지름이 20mm 내외이고 높이가 10mm 이하인 소형 로드셀로서 감지부는 다이아프램 구조로 되어 있으며 감지부의 재질은 방청처리를 하지 않고서도 산업현장에 사용할 수 있는 특수 스테인레스강이고 스트레인게이지도 일반 게이지가 아닌 다이아프램형 스트레인게이지를 사용하여 로드셀의 정확도를 높이도록 한 것이다.The present invention is a small load cell with a diameter of about 20mm and a height of 10mm or less, unlike a conventional general load cell, and the sensing part has a diaphragm structure. Strain gauges also use diaphragm type strain gauges rather than regular gauges to increase the accuracy of the load cell.

항공기, 자동차, 타이어등의 힘 분포의 측정, 인쇄 및 로보트의 힘 측정 등에는 기존의 일반 로드셀을 사용하기가 매우 힘들다. 그 이유는 로드셀 설치 공간의 제약과 로드셀 자체의 무게가 측정정확도에 큰 영향을 미치기 때문이다.It is very difficult to use the conventional general load cell for measuring force distribution of aircraft, automobiles, tires, etc., and for measuring force of robots. The reason is that the limitation of the load cell installation space and the weight of the load cell itself have a great influence on the measurement accuracy.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기존의 일반 로드셀에 비해서 크기 및 무게가 1/100 정도인 소형 로드셀로서 감지부의 구조가 다이프램형이다.In order to solve this problem, the present invention is a small load cell having a size and weight about 1/100 of that of a conventional general load cell, and has a diaphragm structure.

본 발명 로드셀 설계시에는 일반 로드셀에 적용되는 원리 및 이론 이외에 응력분포, 처짐, 스트레인게이지의 발열 영향등이 복합적으로 고려되어져야만 한다.In the load cell design of the present invention, in addition to the principles and theories applied to the general load cell, the stress distribution, the deflection, the exothermic effect of the strain gauge, etc. should be considered in a complex manner.

이하 본 발명의 요지를 첨부도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the gist of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

제1도는 다이아프램 구조의 로드셀 감지부를 모델화한 것으로서 원판의 주변이 고정되어 있고 중앙에 힘이 가해지는 모델로 형상화하였다. 일정한 특성을 가지는 로드셀을 제작하기 위해서는 이론적으로 해석을 하여야 한다. 소형 로드셀은 일반 로드셀에 비해서 크기가 매우 작기 때문에 기본적으로 설계상 많은 차이가 있다.FIG. 1 is a model of a load cell sensing unit having a diaphragm structure, and the shape of the load cell sensing unit is fixed to a model in which the periphery of the disc is fixed and a force is applied to the center. In order to manufacture a load cell with certain characteristics, it must be analyzed theoretically. Small load cells are very small in size compared to general load cells, so there are many differences in design.

스트레인게이지를 이용한 로드셀의 경우 탄성체로 이루어진 감지부의 변형을 정확히 파악하여야만 성능이 우수한 로드셀 제작이 가능하다. 그러므로 다이아그램 감지부 구조의 소형 로드셀의 이론해석을 위해서 다음과 같은 가정을 하였다. 감지부를 제1도와 같이 탄성체 원판으로 가정하고 원판주위를 고정하여 힘이 원판 중심에 가해지도록 하였다. 이때 실제로는 로드버튼(loading button)에 힘이 모여서 감지부에 전달되지만 전체적으로 감지부와 비교해서 로드버튼 크기가 작기 때문에 이론적으로 가정에서는 이를 무시하였다.In the case of a load cell using a strain gauge, it is possible to manufacture a load cell having excellent performance only when the deformation of the sensing part made of an elastic body is accurately understood. Therefore, the following assumptions were made for the theoretical analysis of a small load cell with a diagram sensor structure. The sensing unit is assumed to be an elastic disc as shown in FIG. 1 and the periphery of the disc is fixed so that a force is applied to the center of the disc. At this time, in fact, the load button (loading button) is gathered by the force transmitted to the sensing unit, but the load button size is smaller than the sensing unit as a whole, theoretically this assumption was ignored.

위와 같은 가정일 경우 감지부 처짐은 다음과 같은 식이 된다.Under the assumptions above, the deflection of the detector is as follows.

이때 ω : 처짐, F : 가하는 힘, a : 감지부의 반지름이며 D는 휨 강성계수로서

로 표현된다.Where ω is deflection, F is the applied force, a is the radius of the sensing part, and D is the bending stiffness coefficient.

It is expressed as

이때 감지부의 두께는 t이고 탄성계수와 프와송비는 E와 ν이다. 식 1로부터 탄성체 감지부의 반경방향 변형률 ε_r과 여현방향 변형률 ε_θ를 구하면 다음과 같은 식으로 표현되며 제3도와 같은 분포를 이루게 된다.At this time, the thickness of the sensing unit is t and the modulus of elasticity and Poisson's ratio are E and ν. When the radial strain ε _r and the cosine strain ε _θ are obtained from Equation 1, the elastic strain is expressed by the following equation and has a distribution as shown in FIG. 3.

제2도는 식(2), (3)으로부터 계산되는 변형도를 그래프화한 것으로서 원판 중심 주변에서는 인장변형이 양쪽 방향 모두 걸리게 되고 원주주변에서는 여현방향 변형률(ε_θ)은 o이며 반경방향 변형률 (ε_r)은 압축이 되는 것을 알 수 있다. 그러므로 변형도의 감지를 크게하고 로드셀의 성능을 극대화하기 위해서는 원판중심 주변에서 여현방향 변형률(ε_θ)을 감지해야 하고 원주주변에서 반경방향 변형률 (ε_r)을 감지할 수 있도록 스트레인게이지를 부착시켜야 한다.2 is a graph of the strain calculated from equations (2) and (3), where tensile strain is applied in both directions around the center of the disk, and the cosine strain (ε _θ ) is o and the radial strain ( ε _r ) can be seen to be compressed. Therefore, in order to increase the detection of the strain and maximize the performance of the load cell, the strain (ε _θ ) should be detected around the center of the disk and the strain gauge should be attached to detect the radial strain (ε _r ) around the circumference. do.

반경방향 변형률과 여현방향 변형률이 원판중심에서는 인장으로 작용하며, 원주주변에서는 여현방향 변형률은 0이 되고 반경방향 변형률은 압축임을 알수가 있다.It can be seen that the radial and cosine strains act as tensions at the disc center, and the peripheral strains are zero and the radial strains are compressive.

위와 같은 변형률 분포를 나타내고 있는 소형 로드셀의 감지부에서 일반 단축 스트레인게이지를 부착하여 힘의 크기에 대응하는 변형률을 감지할 경우 로드셀의 정격출력을 예측하기 어렵다. 그러므로 다이아프램 스트레인게이지를 이용하는 것이 변형률 감지량이 많고 정격출력 예측이 보다 정확하며 부착이 용이하므로 가장 바람직하다.It is difficult to predict the rated output of the load cell when detecting the strain corresponding to the magnitude of the force by attaching a general uniaxial strain gauge in the sensing unit of the small load cell exhibiting the above strain distribution. Therefore, the use of diaphragm strain gauges is most desirable because of the large amount of strain detection, more accurate prediction of rated output, and easier attachment.

제3도는 일반 로드셀의 변형도 감지용으로 많이 사용되는 스트레인게이지이다. 이와 같은 스트레인게이지는 본 발명의 다이아프램의 구조의 소형 로드셀에 사용할 경우 반경, 여현 방향의 변형도 정확하게 감지하기가 어려워 로드셀의 출력을 이론적으로 예측하기가 거의 불가능하다.3 is a strain gage widely used for detecting a deformation of a general load cell. When such strain gauge is used in the small load cell of the diaphragm structure of the present invention, it is difficult to accurately detect the deformation of the radius and the cosine direction, and thus it is almost impossible to theoretically predict the output of the load cell.

제4도는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서 사용한 다이아프램 타입의 스트레인게이지로서 원중심 주변에서는 여현 방향의 변형도를 감지하고 원주 주변에서는 반경방향의 변형도를 측정할 수 있도록 고안되어 있는 것이다. 이 스트레인게이지는 부착이 쉬울뿐만 아니라 부착위치를 특별히 선정할 필요가 없으므로 부착위치의 선정 및 부착오차에 의한 로드셀 특성의 저하를 방지할 수 있으며 넓은 영역의 스트레인을 감지하므로 높은 출력을 얻을 수 있고 로드셀의 방향성 특성이 매우 좋아진다.4 is a diaphragm type strain gauge used in the present invention to solve the above problems, and is designed to detect strain in the cosine direction around the center and measure radial strain around the circumference. . This strain gauge is not only easy to attach, but also does not require special selection of the attachment position, which prevents deterioration of load cell characteristics due to selection of attachment position and attachment error. The directional property of the is very good.

제5도는 본 발명 로드셀의 브리지 회로도로서 각각의 스트레인게이지의 저항을 R₁, R₂, R₃, R₄라 하고 입력전달을 Ei라 하면 감지부에 힘이 가해졌을 때 출력 전압은 식(4)와 같다.5 is a bridge circuit diagram of the load cell of the present invention. When the resistance of each strain gauge is R ₁ , R ₂ , R ₃ , and R ₄ , and the input transmission is Ei, the output voltage is expressed by the equation (4). )

여기서는, △R₁, △R₂, △R₃, △R₄는 힘이 가해졌을 때 변형에 의한 저항의 변화를 나타내며 △E는 출력 전압을 말한다. 그리고 Balco보상 게이지는 온도변하에 따르는 출력변화를 안정화시키기 위한 게이지이다. 여기에서 본 발명 로드셀의 경우 게이지 상수 k가 2이면

이며

이 된다.Here, ΔR ₁ , ΔR ₂ , ΔR ₃ , ΔR ₄ represent a change in resistance due to deformation when a force is applied, and ΔE denotes an output voltage. Balco compensation gauges are used to stabilize output variations with temperature changes. In the case of the load cell of the present invention, if the gauge constant k is 2

And

Becomes

그러므로 정격 출력

는 식(5)와 같다.Therefore rated power

Is the same as Equation (5).

제6도는 발명 로드셀의 단면도를 나타내고 있다. 감지부의 재질은 방청처리를 하지 않고서도 현장에서 쓸수 있도록 석출경화형 스테인레스강을 사용하였으며 다이아프램 감지부(1)의 몸체(2)와 베이스플레이트(3)은 접착제로 부착되어지며 힘 전달은 로드버틀(4)을 통하여 이루어지고 로드버튼과 감지부는 한몸체로 되어 있다.6 shows a cross-sectional view of the invention load cell. The material of the sensing part is made of precipitation hardening stainless steel so that it can be used in the field without rust prevention treatment. The body 2 and the base plate 3 of the diaphragm sensing part 1 are attached with adhesive, and the force transmission (4) is made through the load button and the sensing unit is made of one body.

다이아프램 감지부(1)는 일종의 스프링이다. 힘이 로드버튼(4)에 가해지면 다이아프램 감지부(1)는 탄성변형을 하게되고 이 탄성 변형은 감지부(1)에 부착된 다이아프램 스트레인게이지(5)에 의해 전기적인 출력으로 변환된다. 로드버튼(4)은 일정한 곡률을 갖는 만곡 구조로 되어 있으므로 외부에서 가해지는 힘이 감지부에 잘 전달되도록 하고 측정하고자 하는 방향(축방향) 이외의 굽힘이나 토오크의 영향을 최소화하는 기능을 갖게 된다. 몸체(2)는 외부에서 가해지는 힘을 지지하는 기능을 갖고 있으며 강성을 크게 함으로써 제1도의 감지부 모델 선도처럼 감지부 원판의 주변이 고정되도록 한다. 감지부(1), 몸체(2) 및 로드버튼(4)은 용접이나 나사등을 이용하여 체결되지 않고 완전한 한 덩어리로 만들어진다. 베이스플레이트(3)는 스트레인게이지(5)에 습기, 먼지 등이 부착되는 것을 방지하기 위하여 스트레인게이지 부착지역을 외부와 차단되도록 하는 기능을 갖고 있다. 몸체(2)의 6은 작은 구멍으로서 스트레인게이지(5)의 출력을 감지하고 스트레인게이지(5)에 입력전압을 인가할 수 있는 연결선(leadwire) 통로이며 연결선을 넣고 난 후 에폭시 등을 이용하여 구멍을 다시 메꾼다.The diaphragm detector 1 is a kind of spring. When a force is applied to the load button 4, the diaphragm sensing unit 1 is elastically deformed, and the elastic deformation is converted into electrical output by the diaphragm strain gauge 5 attached to the sensing unit 1. . Since the load button 4 has a curved structure having a constant curvature, the external force is well transmitted to the sensing unit and has a function of minimizing the influence of bending or torque other than the direction (axial direction) to be measured. . The body 2 has a function of supporting a force applied from the outside and increases the rigidity so that the periphery of the sensor disc is fixed as in the sensor model diagram of FIG. 1. The sensing unit 1, the body 2 and the load button 4 are made of a complete mass without being fastened by welding or screws. The base plate 3 has a function of blocking the strain gauge attachment region from the outside in order to prevent moisture, dust, and the like from being attached to the strain gauge 5. 6 of the body (2) is a small hole is a lead wire passage for sensing the output of the strain gauge (5) and apply an input voltage to the strain gauge (5). To reload.

그러므로 본 발명은 산업현장에서 실용화시킬 수 있는 소형 로드셀을 제조할 수 있는 것이다.Therefore, the present invention can manufacture a small load cell that can be put to practical use in the industrial field.

Claims

The diaphragm detecting unit 1, the body 2 and the load button 4 are made of one piece, and when a force is applied to the load button 4 from the outside, the diaphragm is elastically deformed and attached to the bottom. The base diaphragm strain gauge 5 detects the electrical output corresponding to the force, and the base plate 3 is attached to the body 2 so as to eliminate the environmental influence (humidity, dust, etc.) of the strain gauge. Small load cell, characterized in that the strain gauge attachment area is blocked from the outside.