Load Cell이란? 힘과 무게 측정 원리

Load Cell이란 물체의 힘이나 무게에 의해 발생하는 미세한 변형을 전기신호로 변환하는 센서입니다. Strain Gauge와 Wheatstone Bridge를 이용한 측정 원리와 산업현장 활용방법을 알아봅니다.

Load Cell이란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Load Cell은 물체에 가해지는 힘(Force)이나 하중(Load)을 측정하여 전기적인 신호로 변환하는 센서입니다. 산업현장에서는 전자저울, Hopper와 Tank의 중량측정, 자동포장기, 충전설비, 압입기, 인장·압축 시험기 등 다양한 장비에 사용됩니다. 가장 널리 사용되는 방식은 Strain Gauge Load Cell이며 금속으로 제작된 Elastic Element에 Strain Gauge를 부착하여 하중에 따른 미세한 변형을 저항변화로 검출합니다. Load Cell에 힘이 가해지면 금속구조물이 탄성범위 안에서 아주 조금 변형되고 표면에 부착된 Strain Gauge도 함께 늘어나거나 압축됩니다. 이때 발생하는 저항변화를 Wheatstone Bridge Circuit으로 검출하면 하중에 비례하는 작은 전압신호를 얻을 수 있습니다. 즉 Load Cell이 무게 자체를 직접 전기적으로 읽는 것이 아니라 힘에 의해 발생한 기계적인 변형을 전기신호로 바꾸는 것입니다. 정밀한 계량에서는 Load Cell뿐 아니라 Amplifier, Indicator, A/D Converter와 Calibration까지 전체 측정시스템의 성능이 중요합니다.

Strain Gauge는 힘을 어떻게 전기신호로 바꿀까?

Strain Gauge는 얇은 금속 Foil 형태의 저항체로 구성되며 측정대상의 표면에 단단하게 부착됩니다. Load Cell의 Elastic Element가 하중으로 인해 늘어나면 Gauge도 함께 늘어나면서 전기저항이 변하고 압축되면 반대방향의 변화가 발생합니다. 이러한 관계는 Gauge Factor를 이용하여 변형률(Strain)과 저항변화를 연결해 표현할 수 있습니다. 그러나 실제 Load Cell에서 발생하는 저항변화는 매우 작기 때문에 하나의 저항값만 직접 측정하는 방식으로는 안정적인 계측이 어렵습니다. 그래서 여러 개의 Strain Gauge를 Wheatstone Bridge 형태로 구성합니다. 일반적인 Full Bridge 구조에서는 인장되는 Gauge와 압축되는 Gauge를 적절하게 배치하여 하중에 따른 신호변화는 크게 만들면서 온도와 같은 공통적인 영향을 줄이도록 설계합니다. Bridge에 안정적인 Excitation Voltage를 공급하면 하중이 없는 상태에서는 출력차가 매우 작고 하중이 증가하면 Bridge Balance가 변하면서 Differential Voltage가 발생합니다. 이 미세한 신호가 Load Cell의 기본적인 전기출력이 됩니다.

mV/V 출력은 무엇을 의미할까?

Strain Gauge Load Cell의 출력사양에서는 mV/V라는 단위를 자주 볼 수 있습니다. 이는 Load Cell에 공급하는 Excitation Voltage 1V당 정격하중에서 몇 mV의 출력이 발생하는지를 나타내는 감도(Sensitivity)입니다. 예를 들어 정격출력이 2mV/V인 Load Cell에 10V의 Excitation을 공급하면 정격하중에서 이상적으로 약 20mV 수준의 출력차가 발생한다는 의미입니다. 이처럼 원신호가 매우 작기 때문에 PLC의 일반적인 Voltage Input에 그대로 연결하기보다는 Load Cell Amplifier나 Weight Indicator를 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 장치는 작은 Differential Signal을 증폭하고 Filtering과 A/D Conversion을 수행하여 중량값으로 표시하거나 0-10V, 4-20mA, Digital Communication 등의 신호로 상위 Controller에 전달합니다. 측정정확도를 높이려면 안정적인 Excitation Supply와 Shield Cable, 올바른 Grounding도 중요합니다. 장거리 배선에서는 전압강하의 영향을 보상하기 위해 Excitation과 Sense 선을 분리한 6-wire Load Cell이 사용되기도 합니다.

Load Cell에는 어떤 종류가 있을까?

Load Cell은 측정방향과 기계구조에 따라 다양한 형태로 제작됩니다. Single Point Load Cell은 플랫폼 저울이나 소형 계량장비에서 많이 사용되며 일정 범위의 편심하중을 고려하도록 설계된 제품이 있습니다. S-Beam Type은 S자 형태의 Elastic Element를 사용하며 인장과 압축력을 측정하는 시험장비와 Hopper 계량 등에 활용됩니다. Shear Beam과 Bending Beam Type은 Tank, Hopper, Conveyor Scale 등 산업용 계량설비에서 널리 사용됩니다. 높은 압축하중을 측정하는 분야에서는 Canister 또는 Compression Type이 사용되기도 합니다. 중요한 것은 Load Cell의 외형만 보고 선택하는 것이 아니라 Rated Capacity, 허용 Overload, Accuracy Class, Creep, Hysteresis, Repeatability, Temperature Effect 등을 함께 확인하는 것입니다. 또한 여러 개의 Load Cell로 Tank를 지지하는 시스템에서는 하중이 각 센서에 균등하게 전달되는지와 배관에서 전달되는 외력, 구조물의 뒤틀림 등이 측정오차를 만들지 않는지도 고려해야 합니다.

Load Cell을 정확하게 사용하려면 무엇을 확인해야 할까?

Load Cell은 정격용량보다 큰 하중을 반복적으로 받거나 충격하중이 발생하면 Elastic Element가 영구변형되어 Zero Point와 측정특성이 달라질 수 있습니다. 따라서 정상운전 하중뿐 아니라 시작·정지 과정에서 발생하는 Dynamic Load와 충격까지 고려하여 Capacity를 선정해야 합니다. 설치할 때는 제조사가 지정한 방향으로 힘이 전달되도록 해야 하며 Side Load, Torsion, Bending Moment와 같은 불필요한 힘이 센서에 전달되지 않도록 구조를 설계하는 것이 중요합니다. 정확한 무게값을 얻기 위해서는 설치 후 Zero Calibration과 Span Calibration을 수행하고 알려진 표준분동이나 기준하중을 이용하여 측정시스템을 교정합니다. 온도변화와 Cable 상태, Junction Box, Amplifier의 설정도 측정값에 영향을 줄 수 있으므로 정기적인 점검이 필요합니다. 결국 Load Cell은 하중으로 발생한 미세한 기계적 변형을 Strain Gauge와 Wheatstone Bridge를 통해 작은 전압신호로 변환하고 이를 증폭·교정하여 힘과 무게를 정밀하게 측정하는 대표적인 산업용 계측센서입니다.