Torque Sensor란? 회전축 토크 측정 원리

Torque Sensor란 회전축에 작용하는 비틀림 힘을 감지하여 전기신호로 변환하는 센서입니다. Strain Gauge와 비접촉 방식의 토크 측정 원리, 모터 시험과 산업설비 활용방법을 알아봅니다.

Torque Sensor란 무엇이며 무엇을 측정할까?

Torque Sensor는 Motor나 회전축(Shaft)에 작용하는 토크(Torque)를 측정하여 전기적인 신호로 변환하는 센서입니다. 한국어로는 토크센서 또는 회전토크센서라고 하며 Torque Transducer라고도 합니다. 토크는 축을 회전시키려는 힘의 효과를 의미하며 SI 단위로 N·m(Newton Meter)를 사용합니다. 같은 크기의 힘이라도 회전중심에서 힘이 작용하는 거리와 방향에 따라 발생하는 토크는 달라집니다. 산업현장에서는 Motor와 Gearbox의 성능시험, Electric Vehicle 구동계 시험, Pump와 Compressor의 부하측정, Bolt 체결력 관리, 생산설비의 회전부하 감시 등에 활용됩니다. Torque Sensor는 회전하지 않는 축이나 구조물의 Reaction Torque를 측정하는 Static 또는 Reaction Type과 실제 회전하는 Shaft의 Torque를 측정하는 Rotary Type 등으로 구분할 수 있습니다. 단순히 Motor Current를 이용해 토크를 추정하는 방법과 달리 실제 축에 전달되는 비틀림을 직접 계측할 수 있어 구동시스템의 성능과 효율을 평가하는 데 중요한 데이터를 제공합니다.

회전축의 비틀림은 어떻게 전기신호로 변할까?

대표적인 Torque Sensor는 Strain Gauge를 이용하여 회전축에 발생하는 미세한 비틀림 변형을 측정합니다. Shaft에 Torque가 가해지면 축에는 Shear Stress와 Shear Strain이 발생하며 축 표면에는 방향에 따라 인장과 압축 성분으로 나타나는 변형이 생깁니다. 이러한 변형을 효과적으로 검출하기 위해 여러 개의 Strain Gauge를 축 방향에 대해 특정 각도로 배치하고 Wheatstone Bridge Circuit으로 구성합니다. 축이 비틀리면 일부 Gauge의 저항은 증가하고 다른 Gauge의 저항은 감소하면서 Bridge Balance가 변하고 작은 Differential Voltage가 발생합니다. 이 전압을 Amplifier로 증폭하고 Calibration 값을 적용하면 N·m 단위의 Torque로 환산할 수 있습니다. Gauge의 배치와 Bridge 구성은 온도변화나 축에 작용하는 단순한 인장·압축·굽힘의 영향을 줄이고 비틀림 성분을 효과적으로 측정하도록 설계됩니다. 따라서 Torque Sensor의 핵심은 토크 자체를 직접 전기적으로 읽는 것이 아니라 토크가 Shaft에 만드는 미세한 Strain을 정밀하게 계측하는 것입니다.

회전하는 센서의 신호는 어떻게 전달할까?

Rotary Torque Sensor에서는 센서 자체가 Shaft와 함께 회전하기 때문에 회전부의 측정신호와 전원을 고정부로 전달하는 방법이 필요합니다. 전통적인 방식에서는 Slip Ring을 사용하여 회전부와 고정부 사이에 전기적인 접촉을 만들 수 있지만 접촉부의 마모와 Noise를 고려해야 합니다. 비접촉식 Rotary Torque Transducer에서는 Transformer Coupling이나 Inductive Coupling 등을 이용해 회전부에 전원을 공급하고 측정데이터를 무선 또는 비접촉 방식으로 전달하는 구조가 사용됩니다. 제품에 따라 Magnetoelastic Effect나 광학적 원리를 이용하여 Shaft의 비틀림을 측정하는 방식도 있습니다. 이러한 방식은 기계적인 Signal Contact를 줄일 수 있어 고속회전과 장시간 시험에 유리할 수 있습니다. 하지만 모든 비접촉 Torque Sensor가 같은 측정원리를 사용하는 것은 아니므로 제품의 구조와 Accuracy, Maximum Speed, Bandwidth 등을 확인해야 합니다. 고속 회전체에서는 센서의 정격 RPM뿐 아니라 회전체 Balance와 Coupling Alignment도 측정성능과 기계적 안전성에 영향을 줄 수 있습니다.

토크와 회전속도로 모터 출력을 어떻게 구할까?

Motor와 Engine 같은 회전기계의 Mechanical Power는 Torque와 Angular Velocity의 곱으로 계산할 수 있습니다. 따라서 Torque Sensor와 Encoder 또는 Speed Sensor를 함께 사용하면 축에서 실제로 전달되는 기계출력을 계산할 수 있습니다. 회전속도를 rpm으로 측정하는 경우 이를 각속도로 변환하여 Torque와 곱하면 Watt 단위의 Power를 얻을 수 있습니다. Dynamometer System에서는 이러한 원리를 이용하여 Motor의 Torque와 Speed를 동시에 측정하고 운전점별 Output Power와 Efficiency를 평가합니다. 전기모터에서는 Power Analyzer로 측정한 Electrical Input Power와 Torque Sensor로 계산한 Mechanical Output Power를 비교하여 Motor와 Drive System의 효율을 분석할 수도 있습니다. 또한 생산설비에서 동일한 속도로 운전하는데 Torque가 지속적으로 증가한다면 Bearing 상태, 기계마찰, 제품부하 등의 변화를 의심할 수 있습니다. 따라서 토크 데이터는 단순한 성능시험뿐 아니라 Condition Monitoring과 Predictive Maintenance에도 활용할 수 있습니다.

Torque Sensor를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

Torque Sensor를 선정할 때는 Rated Torque와 Maximum Torque, Overload Capacity, Accuracy, Repeatability, Hysteresis, Zero Drift와 Frequency Response를 확인해야 합니다. Rotary Type은 여기에 Maximum Rotational Speed도 반드시 검토해야 합니다. 정격범위가 너무 작으면 순간적인 충격토크로 센서가 손상될 수 있고 지나치게 큰 범위를 선택하면 작은 Torque 변화의 측정성능이 불리해질 수 있습니다. 설치할 때는 Shaft와 Sensor의 Alignment가 중요하며 Coupling의 편심이나 각도오차가 불필요한 Radial Load와 Bending Moment를 발생시키지 않도록 해야 합니다. 측정 전에는 Zero 상태를 확인하고 필요에 따라 알려진 기준 Torque를 이용하여 Calibration을 수행합니다. 출력은 mV/V, ±10V, 4-20mA 또는 Digital Communication 등 제품마다 다를 수 있으므로 PLC와 Data Acquisition System의 입력방식도 확인해야 합니다. 결국 Torque Sensor는 회전축의 미세한 비틀림을 전기신호로 변환하여 모터와 기계설비의 실제 회전력과 성능을 정량적으로 평가하는 핵심 계측센서입니다.