KR20170098541A - 비접촉 변위 센서의 크립 보상 방법 및 이를 이용한 저울 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저울 및 크립 보상 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 로드셀의 처짐을 비접촉 변위 센서로 측정하여 중량을 산출하는 저울 구조에서 로드셀의 크립을 보상하는 방법 및 이를 이용한 저울에 관한 것이다. 본 발명의 저울은 스트레인 게이지가 부착된 로드셀; 하중에 의한 상기 로드셀의 처짐 정도를 측정하기 위한 변위 센서; 및 상기 변위 센서로부터 측정되는 변위 데이터와 상기 스트레인 게이지의 저항 변화를 동기화하여 상기 스트레인 게이지의 저항 변화로부터 크립 발생시점을 추정하고, 상기 크립 발생 시점을 상기 변위 데이터에 적용하여 상기 변위 데이터로부터 상기 하중에 의한 변위량을 산출하는 중량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 저울 및 크립 보상 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 로드셀의 처짐을 비접촉 변위 센서로 측정하여 중량을 산출하는 저울 구조에서 비접촉 변위 센서의 측정 결과에 대해 로드셀의 크립을 보상하는 방법 및 이를 이용한 저울에 관한 것이다.
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. 또한 정격하중이 수 그램으로부터 수백 킬로그램으로 사용범위가 넓다. 이러한 이유로 해서 스트레인 게이지식 로드셀이 많이 이용되고 있다
스트레인 게이지식 로드셀은 금속탄성체를 스프링 요소로 하고 스트레인 게이지라고 하는 필름저항을 알루미늄탄성체에 접착을 해서 전기적으로 배선을 한 후 신호를 출력시켜 디지털표시기와 연결해서 중량값을 표시한다.
스트레인 게이지식 로드셀을 설계 및 제조 시에 여러가지 오차가 발생하고 있는데 로드셀의 완성후에는 품질보증을 위해서 성능시험을 한다. 이때 크립 (creep)오차는 그 허용오차를 벗어나면 즉시 로드셀을 폐기하고 다시 생산하여야만 하는 가장 치명적인 오차라 할 수 있다.
스트레인 게이지식의 로드셀 바의 재료는 알루미늄을 사용하고 있다. 기본적으로 알루미늄은 금속이기 때문에 하중을 일정시간 가했을 때 반드시 크립현상이 나타난다. 크립과 크립오차에 대한 정의는 분야에 따라서 조금씩 다른 의미로 해석할 경우도 있지만 기본적인 내용은 동일하다. 크립정의는 금속재료 분야에서의 정의라고 할 수 있는데 로드셀 센서에서 의미는 다음과 같다. 하중을 일정하게 하고 시간에 대해서 접착한 스트레인 게이지의 저항값 변화를 의미하며, 크립오차의 내용을 보면 최대허용오차라는 용어를 볼 수 있는데 로드셀 단독으로 사용할 경우 최대 허용오차와 전자저울용 센서로 해서 결합한 경우의 최대 허용 오차는 다르게 되어 있다.
도 1은 스트레인 게이지가 부착된 로드셀 바에 힘을 가하였을 때 로드셀 바가 휘어지는 모양을 나타낸다.
스트레인 게이지(strain gauge)는 금속이나 반도체에 응력을 가할 때 발생하는 변형으로 인해 그 저항값이 변화하는 성질을 이용한다. 도 1에 도시된 바와 같이 로드셀에 사용하는 게이지는 와이어 게이지, 박막 게이지 또는 호일 게이지(foil gauge)가 사용된다.
도 2는 스트레인 게이지의 구조도이다.
도 2의 스트레인 게이지는 호일 게이지를 사용한 예를 나타낸다. 도 2의 호일 게이지는 구리와 니켈합금으로 되어있고 보통 5∼10㎛ 정도로 얇게 만든 후에 베이스에 폴리미드라고 하는 것을 접착제로 접착한 후 노광 및 에칭과정을 거쳐 스트레인 게이지가 완성된다.
도 3은 로드셀에 접착되는 게이지의 접착부 구조도이다.
알루미늄 재질의 바를 가공해 제조되는 로드셀에서 스트레인 게이지가 부착되는 곳은 주로 로드셀에 하중이 가해졌을 때 스트레인이 가장 많이 발생하는 곳이다.
일반적으로 도 3에 도시된 바와 같은 4곳에 4장의 스트레인 게지이가 부착되어 사용되며, 이러한 스테레인 게이지를 이용해 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 정밀한 전기적 신호로 변환해 저항 값 변화를 검출한다.
하지만, 이러한 스트레인 게이지를 이용하는 로드셀에서, 스트레인 게이지의 저항값 변화는 대단히 미세하고 로드셀의 실제 사용 환경에서는 온도 변화, 습도 변화 등 다양한 종류의 오차가 발생하기 때문에 오차를 보상하기 위해 매우 복잡한 보상회로가 사용되고 있다는 문제가 있다.
[선행기술문헌]
대한민국 특허등록 제492659호
본 발명은 가장 보편적으로 이용되고 있는 2 힌지 구조의 스트레인 게이지식 로드셀을 대신하여, 로드셀의 처짐 정도를 광 간섭계와 같은 비접촉 변위 센서로 정밀하게 측정하는 저울에 대하여 로드셀의 크립 현상을 보상하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 저울에 있어서, 스트레인 게이지가 부착된 로드셀; 하중에 의한 상기 로드셀의 처짐 정도를 측정하기 위한 변위 센서; 및 상기 변위 센서로부터 측정되는 변위 데이터와 상기 스트레인 게이지의 저항 변화를 동기화하여 상기 스트레인 게이지의 저항 변화로부터 크립 발생시점을 추정하고, 상기 크립 발생 시점을 상기 변위 데이터에 적용하여 상기 변위 데이터로부터 상기 하중에 의한 변위량을 산출하는 중량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저울에 의해 달성될 수 있다. 여기에서, 상기 로드셀은 1 힌지 구조로서, 상기 스트레인 게이지가 상기 힌지에 1개 부착되는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 다른 양태에 따른 저울의 크립 보상 방법에 있어서, 스트레인 게이지가 부착된 로드셀 및 하중에 의한 상기 로드셀의 처짐 정도를 측정하기 위한 변위 센서를 마련하는 단계; 상기 변위 센서로부터 측정되는 변위 데이터와 상기 스트레인 게이지의 저항 변화를 동기화하여 상기 스트레인 게이지의 저항 변화로부터 크립 발생시점을 추정하는 단계; 상기 크립 발생 시점을 상기 변위 데이터에 적용하여 상기 변위 데이터로부터 상기 하중에 의한 변위량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저울의 크립 보상 방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 의해 비접촉 변위 센서 기반의 초정밀 로드셀 저울에 대한 크립 보상을 수행할 수 있다.
도 1은 스트레인 게이지가 부착된 로드셀 바에 힘을 가하였을 때 로드셀 바가 휘어지는 모양을 나타낸 도면;
도 2는 통상적인 스트레인 게이지의 구조도;
도 3은 로드셀에 접착되는 게이지의 접착부 구조도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저울의 대략적인 구성도;
도 5는 본 발명에 실시예에 따른 1 힌지 로드셀을 적용한 저울의 대략적인 구성도; 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지 저항의 변화 추이 및 변위 측정 데이터의 동기화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 통상적인 스트레인 게이지의 구조도;
도 3은 로드셀에 접착되는 게이지의 접착부 구조도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저울의 대략적인 구성도;
도 5는 본 발명에 실시예에 따른 1 힌지 로드셀을 적용한 저울의 대략적인 구성도; 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지 저항의 변화 추이 및 변위 측정 데이터의 동기화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저울의 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저울은 2개의 힌지를 갖는 스트레인 게이지식 로드셀(10), 로드셀(10)의 일단을 고정하는 고정부재(20), 로드셀의 타단을 가압하는 가압부재(30), 로드셀의 타단의 하부에서 로드셀의 처짐 변위를 측정하기 위한 광간섭계(40), 및 중량을 산출하기 위한 중량 산출부(50)를 포함하여 구성된다.
로드셀(10)은 가장 보편적으로 이용되고 있는 2 힌지 구조에 4개의 스트레인 게이지(11)를 부착하여 사용하는 로드셀(10)이나, 본 실시예에서는 4개 미만, 최소 1개의 스트레인 게이지(11)를 사용하여 크립 보상 데이터를 획득하도록 한다.
로드셀(10)의 일단(이하, '고정단'이라 함)은 고정부재에 연결되고, 로드셀(10)의 타단(이하, '자유단'이라 함)은 상부의 가압부재(30)에 의해 하중으로 가압된다. 로드셀(10)의 자유단 하부에는 영점 대비 하중에 의한 처짐 변위를 측정하는 광간섭계(40)가 마련되어 있다.
광간섭계(40)는 로드셀(10)의 자유단의 물리적인 변화에 의해 유도된 위상변화나 진폭 변화를 갖는 탐사 빛살(probe beam)을 기준 빛살(reference)과의 간섭을 통해 복조시킴으로써 자유단의 처짐 변위를 매우 높은 정밀도로 측정할 수 있도록 한다.
즉 광간섭계(40)는 광원(미도시)에서 출력되는 빛살을 탐사 빛살과 기준 빛살로 분리하고, 탐사 빛살은 로드셀(10) 자유단 하부에 조사하여 반사되도록 하고, 기준 빛살은 고정된 위치의 거울(미도시)에 반사되도록 하여 두 빛살의 간섭 신호를 생성하고, 간섭 신호의 프린지 카운팅으로 처짐 변위를 측정할 수 있도록 하는 것이다.
중량 산출부(50)는 광간섭계(40)를 통해 입력되는 간섭 신호 정보를 기초로 프린지 카운팅을 수행함으로써 처짐 변위를 중량으로 변환한다. 다만, 로드셀(10)의 크립 현상으로 인해 하중이 가해 진 후 로드셀(10)은 지속적으로 처짐 현상을 나타내고, 탐사 빛살 및 간섭 신호도 지속적으로 변화하게 된다. 따라서 중량 산출부(50)는 연속적으로 변화하는 간섭 신호 및 프린지 카운팅 결과를 얻게 되며, 연속적인 결과치에서 크립을 보상한 중량값을 선택해야만 한다.
이를 위해, 중량 산출부(50)는 로드셀(10)에 부착된 스트레인 게이지(11)의 저항 변화 추이를 산출하고, 스트레인 게이지(11)의 저항 데이터와 광간섭계(40)로부터 획득하는 변위 데이터를 연동하여 스트레인 게이지(11)의 저항 데이터의 변화 추이로부터 크립이 발생하는 시점을 추정한 후, 추정된 크립 발생 시점을 변위 데이터에 적용한다.
이에 따라, 중량 산출부(50)는 추정된 크립 발생 시점의 변위 데이터를 중량 데이터로 변환하여 최종적인 중량을 산출하게 된다. 변위 데이터를 중량으로 변환함에는 미리 저장된 변환 관계 테이블을 이용할 수 있다.
본 실시예에서는 로드셀(10)의 자유단의 처짐 변위를 측정하기 위해 광간섭계(40)를 사용했으나, 이는 예시적인 것이며 다양한 비접촉식 변위 센서, 예컨대 전자기 변위 센서를 이용하여 처짐 변위를 측정하고 무게로 변환하는 것이 가능하다.
이러한 변위 센서의 결과는 연속적으로 변화하고, 특히 로드셀(10)의 크립 현상에 의해 계속해서 변위가 증가하므로 그 보상이 필요한데, 그 기준을 가장 보편적으로 사용되어온 스트레인 게이지(11)를 이용하여 크립 시점 정보를 추정, 적용함으로써 보상하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 크립 현상을 최소로 하기 위한 1 힌지 구조의 로드셀을 적용한 저울의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.
도 4의 실시예에서는 다수의 스트레인 게이지(11)를 부착하고 이를 선택적으로 조합하여 크립 발생 시점을 추정하는 것이 가능하지만, 도 5와 같은 경우는 크립 현상을 최소화하도록 1 힌지 구조로 설계되었다. 따라서 미세한 크립 현상을 보상하기 위해, 스트레인 게이지(61)에서의 저항 변화 추이에 기반한 크립 발생 시점에 찾는 것이 중요하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지(61) 저항의 변화 추이 및 변위 측정 데이터의 동기화를 나타내는 그래프로서, 중량 산출부(50)가 스트레인 게이지(61)의 저항 데이터와 변위 측정 데이터를 동기화 처리하는 것을 개념적으로 설명하기 위한 그래프이다.
도 6에서, 측정물의 하중이 가해지면서 스트레인 게이지(61)의 저항은 감소하는 반면, 변위 측정 데이터는 증가하게 된다. 하중이 다 가해진 후 안정 상태에서 로드셀(60)의 크립 현상이 발생하기 시작하면서 스트레인 게이지(61) 저항값이 종전과는 다른 감소율을 나타내면서 감소하고, 변위 측정 데이터 또한 종전과는 다른 증가율로 증가하기 시작한다. 여기에서, 저항 변화 곡선에서의 기울기의 변화량을 고려하여 기울기의 변화량이 일정 기준 이하로 떨어질 때 그 시점을 크립 발생 시점(Ct)으로 추정하도록 한다.
스트레인 게이지(61)의 저항값을 기반으로 변위 측정 데이터의 크립 발생 시점(Rw-Cw)을 추정하고 이를 적용하여 무게(W)에 대응하는 변위 데이터(Dw)를 확정하는 것이다.
지금까지 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 당업자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 본 발명을 변형하는 것이 용이함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 실시예는 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물에 미치는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (3)
- 저울에 있어서,
스트레인 게이지가 부착된 로드셀;
하중에 의한 상기 로드셀의 처짐 정도를 측정하기 위한 변위 센서; 및
상기 변위 센서로부터 측정되는 변위 데이터와 상기 스트레인 게이지의 저항 변화를 동기화하여 상기 스트레인 게이지의 저항 변화로부터 크립 발생시점을 추정하고, 상기 크립 발생 시점을 상기 변위 데이터에 적용하여 상기 변위 데이터로부터 상기 하중에 의한 변위량을 산출하는 중량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저울.
- 제1항에 있어서,
상기 로드셀은 1 힌지 구조로서, 상기 스트레인 게이지가 상기 힌지에 1개 부착되는 것을 특징으로 하는 저울
- 저울의 크립 보상 방법에 있어서,
스트레인 게이지가 부착된 로드셀 및 하중에 의한 상기 로드셀의 처짐 정도를 측정하기 위한 변위 센서를 마련하는 단계;
상기 변위 센서로부터 측정되는 변위 데이터와 상기 스트레인 게이지의 저항 변화를 동기화하여 상기 스트레인 게이지의 저항 변화로부터 크립 발생시점을 추정하는 단계;
상기 크립 발생 시점을 상기 변위 데이터에 적용하여 상기 변위 데이터로부터 상기 하중에 의한 변위량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저울의 크립 보상 방법.
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160020583A Ceased KR20170098541A (ko) | 2016-02-22 | 2016-02-22 | 비접촉 변위 센서의 크립 보상 방법 및 이를 이용한 저울 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20170098541A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102167080B1 (ko) * | 2019-05-31 | 2020-10-16 | 아주대학교산학협력단 | 축대칭형 중량측정장치 |
| CN113694305A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-26 | 深圳市冠辰科技有限公司 | 称重传感动态补偿方法、装置、介质及电子设备 |
| KR20240073553A (ko) * | 2022-11-18 | 2024-05-27 | 한국전자기술연구원 | 나노 스트레인 센서를 이용한 로드 셀 구조 |
-
2016
- 2016-02-22 KR KR1020160020583A patent/KR20170098541A/ko not_active Ceased
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102167080B1 (ko) * | 2019-05-31 | 2020-10-16 | 아주대학교산학협력단 | 축대칭형 중량측정장치 |
| CN113694305A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-26 | 深圳市冠辰科技有限公司 | 称重传感动态补偿方法、装置、介质及电子设备 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20170209 Patent event code: PE09021S01D |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20171220 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20170209 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |