브리지 기반 센서로 토크 측정하기

토크란? 

힘은 물체 사이의 상호 작용을 측정한 것입니다. 모든 작용에는 똑같은 반작용이 있습니다. 힘은 또한 물체를 밀거나 당기는 것으로 설명됩니다. 크기와 방향이 모두 있는 벡터입니다. 

토크는 축을 중심으로 물체를 회전시키는 힘입니다. 힘이 밀기 또는 당기기로 설명되는 것과 유사하게, 토크는 물체에 대한 비틀림으로 설명될 수 있습니다. 토크에 대한 SI 측정 단위는 뉴턴 미터(Nm)입니다. 간단한 정의를 사용하면, 토크는 힘 곱하기 거리와 같습니다. 여기서 시계 방향 토크 또는 비틀림은 일반적으로 양수이고 반시계 방향 토크는 일반적으로 음수입니다. 토크 센서는 토션 바에 부착된 스트레인 게이지로 구성됩니다. 막대가 회전함에 따라 게이지는 막대의 전단 응력에 반응하며, 이는 토크에 비례합니다.

토크 측정하기

토크를 측정하는 데는 두 가지 일반적인 방법이 있습니다: 반력 토크 센서와 회전 토크 센서입니다. 주요 차이점은 테스트 중인 디바이스와 함께 회전할 수 있는지 여부입니다.

반력 토크 센서

반력 토크는 동력이 전달되거나 흡수될 때 회전 부분이 디바이스의 고정 부분에 가하는 회전력 또는 모멘트입니다. 드라이브 소스가 회전을 시도하는 동안 로드 소스가 고정된 상태로 유지되면 토크가 감지됩니다. 반력 토크 센서는 하우징 또는 커버가 센서에 고정되어 있기 때문에 케이블이 둘러싸지 않은 상태로 360도 회전할 수 없도록 구속되어 있습니다. 이 센서는 일반적으로 앞뒤로 흔드는 동작의 토크를 측정하는 데 사용됩니다. 이 센서는 베어링, 슬립 링 또는 기타 회전 요소를 사용하지 않기 때문에 설치 및 사용이 매우 비용 효율적입니다.

회전 토크 센서

회전 토크 센서는 토크 센서가 테스트 중인 디바이스와 정렬되어 설치된다는 점을 제외하고는 반력 토크 센서와 설계 및 적용면에서 유사합니다. 토크 센서의 샤프트가 360도 회전하기 때문에 이러한 센서는 신호를 회전 요소에서 정지된 표면으로 전달할 수 있는 방법이 있어야 합니다.

세 가지 일반적인 장착 방법인 슬립 링, 회전 변압기 또는 원격 측정 중 하나를 사용하여 이를 수행할 수 있습니다.

슬립 링 방식:

 

슬립 링 방식의 경우, 스트레인 게이지 브리지가 회전축에 장착된 4개의 은색 슬립 링에 연결됩니다. 은 흑연 브러시가 이 슬립 링을 문질러 들어오는 브리지 구동 전압과 나가는 신호에 전기 경로를 제공합니다. 스트레인 게이지 브리지 구동에는 AC나 DC를 사용할 수 있습니다.

회전 변압기 방식:

변압기 방식의 경우, 회전 변압기는 주요 또는 보조 권선이 회전하는 부분에서만 일반적인 변환기와 차이점이 있습니다. 하나의 변압기는 AC 구동 전압을 스트레인 게이지 브리지로 전송하는 데 사용되며, 두 번째 변압기는 신호 출력을 트랜스듀서의 회전하지 않는 부분으로 전송하는 데 사용됩니다. 따라서 2개의 변압기가 4개의 슬립 링을 대체하며 트랜스듀서의 회전하는 부품과 고정된 부품 사이에 직접 접촉이 필요하지 않습니다.

디지털 원격 측정 방식:

디지털 원격 측정 방식에는 접점이 없습니다. 이 시스템은 수신기-송신기 모듈, 커플링 모듈 및 신호 처리 모듈로 구성됩니다. 송신기 모듈은 토크 센서에 통합되어 있습니다. 이는 센서 신호를 증폭, 디지털화 및 변조하여 캘리퍼 커플링 모듈(수신기)에서 수집되는 무선 주파수 반송파로 변조합니다. 그런 다음 디지털 측정 데이터는 신호 처리 모듈에 의해 수집됩니다.

적합한 토크 센서 선택하기

토크 센서 선택은 주로 성능 요구 사항과 물리적 또는 환경적 요구 사항에 따라 달라집니다.

성능—적합한 성능을 선택하려면 예상되는 최소 및 최대 토크를 결정하십시오. 외부 토크와 모멘트는 합산된 응력을 증가시켜 피로를 가속화하고 센서 정확도와 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 축 방향, 방사 방향 또는 굽힘과 같은 토크 이외의 모든 하중이 외부 힘으로, 사전에 계산되어야 하는 것입니다. 이러한 하중의 영향을 최소화하도록 설치할 수 없는 경우, 센서 문서를 참조하여 외부 하중이 센서의 정격 범위 내에 있는지 확인하십시오.

물리적 및 환경적 요구 사항—물리적 제약 조건(길이, 직경 등)과 토크 센서를 시스템에 장착할 수 있는 방법을 평가하십시오. 광범위한 온도 범위, 습도 또는 오염(기름, 오물, 먼지) 환경에서 적절한 성능을 보장하려면 센서가 어떤 환경에서 작동할 것인지 고려하십시오.

분당 회전수(rpm)—회전 토크 센서의 경우, 토크 센서가 얼마나 많이 회전할지 및 어떤 속도로 회전할지를 이해하여 RPM를 결정해야 합니다.

토크 센서의 신호 컨디셔닝

토크 센서는 컨디셔닝하거나 하지 않을 수 있습니다. 컨디셔닝된 센서는 필터링, 신호 증폭, 구동 도선에 필요한 구성요소와 측정을 위한 일반 회로가 포함되어 있기 때문에 DAQ 디바이스에 직접 연결할 수 있습니다. 컨디셔닝되지 않은 센서로 작업하는 경우, 효과적인 브리지 기반 토크 측정 시스템을 구축하려면 몇 가지 신호 컨디셔닝 요소를 고려해야 합니다. 다음 항목 중 하나 이상이 필요한 경우가 많습니다.

• 휘트스톤 브리지 회로에 전원을 공급하는 구동 전압—변형률 측정 리소스에서 자세히 알아보기
• 긴 도선으로 인한 구동 전압 오차를 보상하는 원격 감지
• 측정 분해능을 높이고 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 증폭
• 외부 고주파 노이즈 제거를 위한 필터링
• 스트레인이 적용되지 않을 때 0V를 출력하도록 브리지 균형을 맞추기 위한 오프셋 널링
• 브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 확인하기 위한 분기 교정

이러한 에러를 보정하는 방법과 브리지 기반 토크 측정에 대한 기타 하드웨어 고려 사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 안내서를 다운로드하십시오.

토크 센서 NI 하드웨어에 연결하기

센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다. 

NI는 토크 데이터를 수집하도록 설계되고 다양한 토크 브리지 기반 센서와 호환되는 여러 힘 및 브리지 측정 하드웨어를 제공합니다.