Strain Gages and Bridge-Based Sensors

스트레인 게이지는 압력, 하중, 토크 센서 등 다양한 트랜스듀서의 기본 구성 요소로 사용되는 핵심 센서이며,

구조 시험 및 모니터링 분야에서 폭넓게 활용됩니다. 스트레인 게이지는 널리 사용되는 센서이지만,

신호 컨디셔닝과 신뢰성 있는 데이터 취득이 가장 까다로운 센서 중 하나이기도 합니다.

스트레인 게이지 측정은 일반적으로 5 mm²보다 작은 표면에 가해지는 응력으로 인해 발생하는 금속 포일 길이의 매우 미세한 변화를 감지하는 방식으로 이루어집니다.

신호 컨디셔닝 문제, 전기적 노이즈, 온도 변화, 부적절한 보정 등 여러 요인이 스트레인 게이지의 측정 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 압력, 하중, 토크 센서는 대부분 풀 브리지(full-bridge) 스트레인 게이지 구성을 기반으로 하기 때문에,

이러한 요인들의 영향을 함께 받습니다.

다음은 브리지 기반 측정에서 발생하는 오차를 보정하고 정확도를 향상시키기 위한 권장 사항입니다.

신호 컨디셔닝 요구 사항

브리지 완성(Bridge Completion)

풀 브리지 센서를 사용하지 않는 경우에는, 기준 저항(reference resistor)을 사용하여 브리지를 완성해야 합니다.

따라서 브리지 기반 센서를 위한 신호 컨디셔너는 일반적으로 두 개의 고정밀 기준 저항으로 구성된 하프 브리지(half-bridge) 완성 네트워크를 제공합니다.

이때 완성 저항의 명목 저항값 자체보다는 두 저항 간의 정합도가 더 중요합니다.

이상적인 경우, 두 저항은 잘 매칭되어 측정 채널의 음(-) 입력단에 VEX/2의 안정적인 기준 전압을 제공합니다.

완성 저항의 저항값이 높을수록 여기 전압에서 소모되는 전류를 줄이는 데 도움이 됩니다.

다만, 저항값이 지나치게 큰 경우에는 바이어스 전류로 인해 노이즈와 측정 오차가 증가할 수 있습니다.

그림 1

여기(Excitation)

브리지 기반 센서는 브리지를 구동하기 위해 일정한 전압이 필요합니다. 브리지용 신호 컨디셔너에는 일반적으로 전압원이 포함되어 있습니다.

산업 전반에 걸쳐 통일된 표준 전압은 없지만, 약 3 V 또는 10 V의 여기 전압이 흔히 사용됩니다.

여기 전압을 높이면 출력 전압도 비례하여 증가하지만, 자가 발열(self-heating)로 인해 오차가 커질 수 있습니다.

또한, 불안정한 여기원으로 인한 미세한 전압 변동도 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.

다음 절에서는 자가 발열과 불안정한 여기원으로 인해 발생하는 오차를 최소화하기 위한 권장 사항을 설명합니다.

증폭(Amplification)

스트레인 게이지의 출력은 상대적으로 매우 작습니다.

예를 들어, 대부분의 스트레인 게이지 브리지는 여기 전압 1 V당 10 mV 미만의 출력(10 mV/V)을 제공합니다.

여기 전압이 10 V인 경우 출력 신호는 약 100 mV에 불과합니다.

따라서 브리지 기반 센서를 위한 신호 컨디셔너에는 일반적으로 증폭기가 포함되어 신호 레벨을 높이고,

측정 분해능을 향상시키며, 신호 대 잡음비(SNR)를 개선합니다.

하중, 압력, 토크 센서는 여기 요구 사항에 따라 저레벨 또는 고레벨 전압을 출력할 수 있습니다.

저레벨 센서는 보통 측정 장비에서 전원을 공급받아 밀리볼트 수준의 신호를 출력합니다.

반면, 고레벨 센서(또는 컨디셔닝이 적용된 센서)는 더 높은 외부 전원을 필요로 하며, ±5 V, ±10 V 또는 4–20 mA 신호를 출력합니다.

최적의 여기 전압 선택

최적의 여기 전압을 선택하는 것은 강한 신호 대 잡음비를 확보하는 것과 자가 발열의 영향을 최소화하는 것 사이의 균형 문제입니다.

이상적인 경우, 여기 전압이 높을수록 동일한 변형률에서 출력 전압 변화가 커지므로,

특히 노이즈가 많은 환경이나 노이즈에 취약한 긴 배선을 사용하는 경우 미세한 전압을 더 쉽고 정확하게 측정할 수 있습니다.

그러나 포일 스트레인 게이지는 기본적으로 저항성 전기 소자이기 때문에,

여기 전압이 높아질수록 자가 발열이 발생하며 여러 부정적인 영향을 초래합니다.

자가 발열은 브리지의 저항 특성과 감도, 그리고 변형을 전달하는 접착제의 성능을 변화시킬 수 있습니다.

과도한 여기 전압으로 인해 스트레인 게이지가 물리적으로 손상되는 경우는 드물며, 대부분은 게이지 고장보다는 성능 저하로 나타납니다.

최적의 여기 전압은 다양한 요인의 영향을 받기 때문에, 특정 크기나 유형의 스트레인 게이지에 대해 단일한 표준 여기 전압을 정하기는 어렵습니다. 일반적으로 여기 전압을 낮추면 자가 발열을 줄일 수 있지만, 최적의 값은 실험을 통해 결정하는 것이 가장 바람직합니다.

하중을 가하지 않은 상태에서 여기 전압을 점진적으로 높이면서 채널의 영점(zero point)을 관찰하고,

영점이 불안정해지기 시작하면 전압을 낮춰 안정성이 회복되는 지점을 찾는 방식이 권장됩니다.

이 실험은 측정을 수행하는 최고 온도 조건에서 진행해야 합니다. 노이즈가 많은 환경에서도,

배선을 적절히 차폐하고 측정 장비를 센서 가까이에 배치하면 낮은 여기 전압을 사용할 수 있습니다.

시험 구성에 따라, 시스템 배치의 유연성을 높일 수 있는 분산형 폼팩터의 측정 하드웨어를 고려하는 것도 도움이 됩니다.

최적의 여기 전압에 영향을 미치는 기타 요인

● 스트레인 게이지 격자 면적

활성 게이지 길이와 폭이 큰 스트레인 게이지를 선택하면 열 방출이 용이해져 자가 발열을 줄일 수 있습니다.

● 스트레인 게이지의 명목 저항값

120 Ω 대신 350 Ω와 같은 고저항 게이지를 사용하면, 단위 면적당 소모되는 전력이 감소하여 더 높은 여기 전압을 사용할 수 있습니다.

● 장착 표면의 방열 특성

구리나 알루미늄과 같이 열전도율이 높은 금속은 스트레인 게이지에서 발생한 열을 효과적으로 방출하는 우수한 히트싱크 역할을 합니다.

반면, 스테인리스강이나 티타늄과 같은 열전도율이 낮은 금속은 방열 성능이 떨어집니다.

플라스틱 표면에서의 스트레인 측정은 특별한 주의가 필요합니다. 대부분의 플라스틱은 히트싱크가 아니라 열 절연체로 작용하므로,

심각한 자가 발열을 방지하기 위해 매우 낮은 여기 전압이 필요합니다.

다만, 무기 충전재가 분말이나 섬유 형태로 많이 포함된 플라스틱은 열전도성이 향상되어 상대적으로 문제가 덜할 수 있습니다.

● 설치 및 배선 방법

설치 과정에서 게이지가 손상되었거나, 납땜 열로 인해 솔더 탭이 부분적으로 떨어졌거나, 접착층에 불연속이 발생한 경우에는 높은 여기 전압이 심각한 문제를 유발할 수 있습니다.

올바른 설치와 배선 기술은 모든 스트레인 게이지 측정에서 일관된 성능을 얻는 데 필수적이며, 특히 고여기 조건에서는 더욱 중요합니다.

불안정한 여기원 보정

브리지 기반 측정의 정확도는 여기원의 안정성에 직접적으로 비례합니다. 여기 전압이 변하면 브리지 출력도 함께 변하므로, 작은 여기 전압의 변동이라도 변형률 값이 잘못 표현될 수 있습니다. 불안정하거나 부정확한 여기원의 영향을 줄이기 위해 두 가지 방법을 사용할 수 있습니다.

소프트웨어에서 데이터를 스케일링할 때 실제로 공급된 여기 전압을 함께 측정하여 변동을 보정하는 방법입니다.
ADC의 측정을 여기 전압을 기준으로 참조하는 비율측정 방식입니다.

첫 번째 방법은 추가 측정이 필요하므로, 시스템의 비용과 복잡성이 증가할 수 있습니다.

그림 2

비율 측정 방식은 여기 전압의 절대적인 정확도에 대한 의존성을 제거하는 방법으로,

여기 전압을 지속적으로 감지하고 측정값을 하드웨어 단계에서 직접 스케일링합니다.

모듈 내부의 정밀 회로가 여기 전압을 연속적으로 감지하여 ADC의 기준 입력(reference input)으로 사용합니다.

그림 2에 나타난 것처럼 이 방식을 적용하면, 모듈은 브리지 출력 전압과 여기 전압의 비율 형태로 데이터를 반환합니다.

이 방법은 여기 전압의 정확도와 관련된 오차를 지속적이고 자동으로 보정해줍니다.

리드선 저항으로 인한 오차 최소화

브리지 완성 배선보다 저항이 큰 긴 리드선과 가는 게이지 와이어는 스트레인 게이지 측정에서 주요 오차 원인이 될 수 있습니다.

예를 들어, 2선식 연결 방식의 스트레인 게이지에서 각 리드선 길이가 15 m이고 리드 저항 이 1 Ω이라고 가정해보면,

리드 저항으로 인해 브리지 한 팔에 총 2 Ω가 추가됩니다. 이로 인해 오프셋 오차가 발생하고 브리지 출력의 감도가 감소합니다.

이 오차는 리드 저항 을 측정한 후, 스트레인 계산 시 이를 보정함으로써 줄일 수 있습니다.

하지만 더 복잡한 문제는 온도 변화로 인한 리드 저항의 변화입니다.

구리 리드선의 온도 계수는 일반적으로 스트레인 게이지의 온도 계수보다 약 두 자릿수 이상 큽니다.

따라서 아주 작은 온도 변화만으로도 수 마이크로스트레인(με) 수준의 측정 오차가 발생할 수 있습니다.

3선식 연결 방식을 사용하면, 리드선 저항 변화로 인한 영향을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

그림 3에서 볼 수 있듯이, 리드선 저항 의 변화는 브리지의 인접한 두 팔에 동일하게 영향을 미치므로, 브리지 다리 와 의 비율에는 변화가 없습니다. 결과적으로 온도 변화로 인한 저항 변화가 서로 상쇄되어, 브리지는 균형 상태를 유지하게 됩니다.

그림 3

원격 센싱(Remote Sensing)

스트레인 게이지 회로가 신호 컨디셔너와 여기원으로부터 멀리 떨어져 있는 경우,

여기 전압을 브리지로 전달하는 긴 리드선의 저항으로 인해 전압 강하가 발생할 수 있습니다.

이로 인해 센싱 소자에는 의도한 값보다 낮은 여기 전압이 인가되며, 이는 측정 오차의 또 다른 원인이 됩니다.

일부 신호 컨디셔너에는 이러한 오차를 보정하기 위한 원격 센싱(remote sensing) 기능이 포함되어 있습니다.

피드백 기반 원격 센싱 방식에서는, 그림 4과 같이 여기 전압이 브리지 회로에 연결되는 지점에 추가적인 센스 와이어를 연결합니다.

이 센스 와이어는 음의 피드백 증폭기를 통해 여기 전압을 제어하여,

리드선 손실을 보정하고 브리지 단자에서 필요한 여기 전압이 정확히 인가되도록 합니다.

그림 4

또 다른 원격 센싱 방식으로는, 별도의 측정 채널을 사용해 브리지에 실제로 인가되는 여기 전압을 직접 측정하는 대안적 원격 센싱 방법이 있습니다. 측정 채널의 리드선에는 매우 작은 전류만 흐르기 때문에, 리드선 저항이 측정값에 미치는 영향은 거의 무시할 수 있습니다.

이후 이 실제 여기 전압 값을 전압-변형률 변환 과정에 사용하여, 리드선 손실로 인한 오차를 보정할 수 있습니다.

신호 대 잡음비(SNR) 향상

스트레인 게이지와 브리지 기반 센서는 종종 전기적으로 노이즈가 많은 환경에서 사용됩니다.

신호 대 잡음비(SNR)는 신호의 진폭 대비 노이즈 진폭의 비율을 의미합니다. 일반적으로 SNR이 클수록 측정값에 포함된 노이즈가 적어지고,

전체적인 분해능이 향상됩니다. 스트레인 측정은 신호 자체가 매우 작기 때문에, 노이즈가 특히 큰 문제가 될 수 있습니다.

SNR을 향상시키는 방법은 두 가지입니다.

노이즈가 유입되기 전에 신호의 전체 진폭을 키우는 방법
노이즈의 진폭을 줄이는 방법

외부에서 유입되는 노이즈는 특정 주파수와 연관되는 경우가 많으므로,

노이즈 주파수가 예측 가능하고 관심 신호의 대역폭에 영향을 주지 않는다면 소프트웨어 필터를 사용해 제거할 수 있습니다.

가장 흔한 노이즈는 전원선 간섭으로, 측정 데이터에 50 Hz 또는 60 Hz 성분으로 나타납니다.

SNR 향상을 위한 외부 노이즈 억제 기법

● 리드선 길이 단축 및 트위스트 페어 사용

가능하다면 스트레인 게이지 리드선의 길이를 줄이고, 잠재적인 노이즈 발생원으로부터 멀리 배치해야 합니다. 트위스트 페어 및 매칭된 신호선을 사용하면, 환경 노이즈가 각 리드선에 거의 동일하게 유도되어 영향이 줄어듭니다.

● 적절한 차폐(shielding) 적용

차폐는 측정 장비의 기준 단자(COM 또는 EX-, 장비 매뉴얼 참조)에 연결하고, 케이블의 한쪽 끝에서만 접지해야 합니다. 접지가 떠 있는 절연형 장비의 경우, 차폐는 보드 신호와 동일한 전위로 떠 있어야 효과적입니다.

● 신호 진폭 증가

스트레인 측정에서는 더 민감한 스트레인 게이지를 선택하거나 여기 전압의 진폭을 높여 신호를 키울 수 있습니다. 단, 여기 전압을 과도하게 높이면 자가 발열로 인한 오차가 SNR 향상 효과를 상쇄할 수 있으므로 주의가 필요합니다.

SNR 향상에 도움이 되는 측정 장비의 기능

● 동적범위(Dynamic Range)

동적 범위는 측정 장비의 전체 입력 범위 대비 노이즈 수준을 의미하며, 일반적으로 dB 단위로 표현됩니다. 예를 들어, SFDR(Spurious-Free Dynamic Range)가 106 dB인 장비는 노이즈 수준이 전체 입력 범위의 약 0.0005%에 해당함을 의미하며, 장비 자체에서 추가되는 노이즈가 매우 적다는 뜻입니다.

● 공통 모드 제거비(CMRR)

외부 노이즈는 여러 선에 동일하게 유도되는 경우가 많으므로, CMRR이 높을수록 이러한 공통 모드 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있습니다

● 원격 센싱(Remote Sense)

원격 센싱을 사용하면, 데이터 샘플링 시 여기 케이블을 통해 유입되는 노이즈가 보정되어 측정값에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

● 안티앨리어싱 필터(Anti-alias Filter)

안티앨리어싱 필터는 고주파 노이즈가 저주파 영역으로 접혀(aliasing) 나타나는 것을 방지합니다.

이를 통해 장비의 전체적인 노이즈 성능이 향상되며, 특정 주파수를 제거하는 노치 필터나 특정 대역을 제거하는 저역/고역 통과 필터를 소프트웨어로 효과적으로 적용할 수 있습니다.

올바른 보정(Calibration)

브리지 밸런싱

브리지를 처음 설치했을 때, 변형을 가하지 않은 상태에서도 출력이 정확히 0 V로 나타나지 않는 경우가 일반적입니다.

이는 브리지 각 팔의 저항 편차, 리드선 저항, 그리고 초기 설치 시의 미세한 변형(prestrain)으로 인해 초기 전압 오프셋이 발생하기 때문입니다.

이 초기 오프셋 전압은 다음과 같은 방법으로 처리할 수 있습니다.

1. 소프트웨어 보정

변형을 가하기 전에 초기 측정을 수행하고, 이후 변형률 계산 시 이 오프셋 값을 반영하는 방식입니다.

간단하고 빠르며 별도의 수동 조정이 필요하지 않습니다. 다만, 브리지 자체의 오프셋을 제거하는 것은 아니기 때문에,

오프셋이 클 경우 적용 가능한 증폭기 이득이 제한되어 측정의 동적 범위가 줄어들 수 있습니다.

2. 오프셋 제거 회로(Offset-Nulling Circuit)

가변 저항(포텐셔미터)을 사용해 브리지 출력을 물리적으로 0으로 맞추는 방식입니다. 포텐셔미터의 저항 값을 조정함으로써 브리지 출력 레벨을 제어하고 초기 출력을 0 V로 설정할 수 있습니다.

3. 버퍼드 오프셋 널링(Buffered Offset Nulling)

이 방식은 소프트웨어 보정과 유사하게 브리지 자체에는 영향을 주지 않습니다.

대신, 널링 회로가 계측 증폭기 출력에 양(+) 또는 음(–)의 가변 DC 전압을 더해 초기 브리지 오프셋을 보정합니다.

사용 중인 측정 장비가 지원하는 하드웨어 널링 방식은 장비 매뉴얼을 참고해야 합니다.

그림 5

이득 조정(Gain Adjustment)

스트레인 게이지 측정 시스템의 출력을 검증하기 위해,

측정된 변형률을 사전에 정해졌거나 계산된 기계적 입력 또는 변형률 값과 비교할 수 있습니다.

이후 각 측정에서 계산된 변형률과 실제 측정된 변형률 간에 차이가 있다면, 이를 이득 조정 계수 또는 보정 계수로 사용할 수 있습니다.

이러한 절차를 션트 보정(shunt calibration)이라고 하며,

브리지의 센싱 암(sensing arm) 저항을 일정한 값만큼 변화시켜 변형률 입력을 모사하는 방식입니다.

그림 6에 나타난 것처럼, 브리지의 한쪽 암에 값이 알려진 큰 저항을 병렬로 연결(shunting)하여 의도적인 저항 변화를 만들어냅니다.

션트 저항의 값이 이미 알려져 있기 때문에, 해당 저항에서 발생하는 전압 강하에 대응하는 기계적 변형률을 계산할 수 있습니다.

이후 브리지 출력을 실제로 측정하여 기대되는 전압 값과 비교함으로써, 전체 측정 경로에서 발생하는 이득 오차를 보정할 수 있습니다.

그림 6

전기적 측정값을 공학 단위로 변환

측정 가능한 전압 값을 얻은 후에는, 이를 힘의 경우 파운드(lb), 압력의 경우 psi와 같은 실제 공학 단위로 변환해야 합니다.

센서가 측정하는 물리적 현상에 맞게 전기적 값을 스케일링하는 방법에는 다음과 같은 방식이 있습니다.

2점 선형 방식(Two-Point Linear)

두 쌍의 전기적 값과 이에 대응하는 물리적 값을 사용해 선형 방정식의 기울기와 y절편을 계산합니다.

이후 이 방정식을 사용해 전기적 값을 물리적 값으로 변환할 수 있으며,

기울기와 y절편을 계산할 때 사용한 범위를 벗어나는 측정값에도 적용할 수 있습니다.

테이블 방식(Table)

전기적 값과 이에 대응하는 물리적 값의 집합을 제공합니다.

이 방식에서는 측정 하드웨어와 함께 제공되는 소프트웨어가 각 전기적 값과 물리적 값 쌍 사이에서 선형 보간을 수행할 수 있어야 합니다.

입력 값은 테이블에 정의된 최소 및 최대 물리적 값 범위 내에 있어야 합니다.

다항식 방식(Polynomial)

다항식 방정식의 정방향 및 역방향 계수를 제공합니다. 소프트웨어는 해당 방정식을 사용해 전기적 값을 물리적 값으로 변환합니다.

한쪽 계수만 알고 있어도 다른 쪽 계수를 계산할 수 있는 기능을 제공하는 소프트웨어를 사용하는 것이 좋습니다.

센서 제조사의 데이터시트나 보정 성적서에는, 전기적 값과 물리적 값의 테이블 또는 스케일링을 위한 다항식 방정식이 포함된 경우가 많습니다.

만약 센서에 대한 테이블이나 다항식 방정식이 없다면, 2점 선형 스케일링을 사용하는 것이 일반적입니다.

이때 센서의 정격 출력과 센서 용량을 하나의 전기적/물리적 값 쌍으로 사용하고, 다른 한 쌍은 전기적 값과 물리적 값 모두 0으로 설정합니다.

예를 들어, 0–5 V 또는 4–20 mA 출력을 제공하는 컨디셔닝된 압력 센서의 경우, 0 V 또는 4 mA는 압력 0에 해당하며,

5 V 또는 20 mA는 센서의 최대 측정 압력(풀 스케일)에 해당합니다.

빠른 연결 및 설정을 위한 TEDS 기술 활용

앞서 설명한 것처럼, 로드셀, 압력 센서, 토크 센서와 같은 브리지 기반 트랜스듀서는 센서 출력 전압을 공학 단위로 정확히 변환하기 위해

데이터시트에 포함된 여러 입력 파라미터가 필요합니다.

기존의 측정 시스템에서는 이러한 중요한 센서 파라미터를 사용자가 직접 입력해야 합니다.

이러한 설정 시간을 줄이기 위해, 시스템에 IEEE 1451.4 또는 TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)를 지원하는 스마트 센서 및

액추에이터를 사용할 수 있습니다.

TEDS 센서는 제조사, 모델, 풀 스케일 범위, 감도와 같은 핵심 데이터를 센서 또는 센서 케이블에 포함된 EEPROM에 저장합니다.

이 설정 정보 덕분에 TEDS 호환 계측 장비는 센서와 직접 통신하여 프로그래밍 방식으로 자동 설정을 수행할 수 있습니다.

또한 TEDS 호환 소프트웨어는 센서 제조사나 보정 기관에서 제공한 다항식 함수를 기반으로 자동 스케일링을 수행할 수 있습니다.

IEEE 1451.4 표준이나 TEDS 스마트 센서의 동작 방식에 대한 자세한 내용은 본 문서의 마지막에 있는 TEDS 섹션을 참고하시기 바랍니다.

결론

스트레인 게이지와 비컨디셔닝 브리지 센서는 출력 전압이 매우 작기 때문에,

노이즈를 줄이고 분해능을 높이는 것이 정확한 측정을 위해 매우 중요합니다.

적절한 측정 장비를 선택하는 것만으로도 브리지 측정의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

이득과 여기 전압 수준뿐만 아니라, 넓은 동적 범위, 여기 전압 감지 기능,

그리고 비율 측정(ratiometric) 아키텍처를 갖춘 측정 장비를 고려해야 합니다.

또한 시스템에 유입되는 노이즈를 줄이기 위한 조치를 취하면,

여기 전압을 낮춰 자가 발열로 인한 오차를 줄이면서도 브리지 센서의 신호 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

스트레인 게이지는 물리적 특성 변화, 리드선 저항 변화, 그리고 측정 시스템의 불완전성을 보정하기 위해 주기적으로 보정(calibration)하는 것이 바람직합니다. NI 하드웨어를 활용한 정확한 브리지 측정 시스템을 살펴보시기 바랍니다.