개요: 중량을 이용한 센서 캘리브레이션의 적절한 절차는 에러 증가의 원인이 되는 기본적인 오류를 설명하고 그림으로 보였다. 게이지 성능을 연구하고 장점을 향상시키는데 도움이 될 것이다.
MAX1452 및 MAX1455 정밀 센서 신호 컨디셔너 집적 회로를 이용한 인장 게이지 기반 중량 센서의 캘리브레이션과 온도 보상이 널리 보급되고 있다. 자동차 안전 용품 공급사들은 앉아 있는 사람의 체중과 에어백 전개 상황의 중대성에 적합한 에어백 전개력을 최적화하기 위해 포스(force) 센서를 사용하는 경우가 증가하고 있다.
비록 MAX1452 및 MAX1455가 16 비트 델타 시그마 디지털-아날로그 컨버터 (DAC)를 사용한 미세 조정 및 캘리브레이션 분해능을 채택하고 있지만 캘리브레이션 절차와 테스트 설정이 열악할 경우 이를 보상할 수는 없다. 중량 센서 캘리브레이션시 고려해야 할 중요한 점을 본고에서 강조하고 이와 함께 핵심 테스트 오퍼레이터 기능을 설명하고자 한다. 특성화 및 초기 시제품 제작을 위한 기본 사하중(dead weight) 테스트 시스템을 고찰한다. 이 시스템이 특성화 및 시제품 제작에 일반적으로 채택되는 유형이기 때문이다.
기본적인 중량 센서 특성화는 정확하고 반복 가능한 센서 부하를 얻기 위해 사하중 테스트 스탠드 (때로 크리프 테스터(creep-tester)로 지칭되기도 함)를 사용할 필요가 있다. 원하는 결과를 얻기 위해 몇 가지 사항을 관찰한다.
테스트 스탠드 상에서 (+) 및 (-) 포스 부하에 대한 고정 기구의 위치
센서 및 케이블 위치
센서 탑재 볼트의 토크
중량 넘버링
축-중량 제거(부하에서 중량을 제거하기 위해 자동 중량 리프트 사용시)
센서 탑재 후 센서 및 고정 기구의 사전 조건 설정
모노토닉 애플레케이션 및 중량 제거
골든 샘플 및 데이터 추적 (SPC)
안전
안전 문제를 우선적으로 고려한다. 중량 센서 캘리브레이션에 사용되는 중량물은 적절하게 취급되지 않으면 위험할 수 있다. 취급 시 다음과 같은 사항의 이행을 권고한다.
발 끝에 금속 보호대가 있는 신발을 착용하거나 금속성 신발 커버를 착용한다.
이 제품들은 산업용 의복 및 신발 공급 매장 어느 곳에서나 구입할 수 있다. 이들 중량물 및 고정 기구는 사고로 떨어질 경우 발 골절상을 일으킬 수 있을 정도로 무겁다.
중량물을 적재 시에는 항상 매 3~4 중량물마다 중량물 탑재 슬롯 방향을 엇갈리게 놓는다.
동일한 방향으로 중량물을 적재할 경우 중량을 제거하는 동안 적재물이 기울어져 행거에서 조작자의 발 위로 떨어질 수 있다. 중량물은 안전을 위해 항상 이러한 교차 방식으로 쌓도록 디자인되어 있다.
중량물을 들어올리거나 내릴 때는 항상 다리의 힘을 사용한다.
허리를 굽혀 20 파운드의 무게를 들어올리는 경우 동일 관절에 하중 이외에 약 720 IN-LB 토크가 요골 및 요근에 의해 작용한다.
항상 고정장치와 봉은 허용되는 최대치로 맞물리도록 한다.
나사 줄 연결부를 하나 또는 둘만 맞물리도록 하면 스크루 맞물림이 불충분하여 부하 이하로 닳게 되어 중량물과 고정기구가 떨어질 수도 있다.
바람직하지 못하게도 위에서 설명한 안전 예방 조치는 일반적으로 무시되어서 조작자 또는 주변 사람이 발에 심한 충격을 받고 응급 처치를 받게 된다. 주의를 기울여 이러한 사고를 당하지 말아야 할 것이다.
고정 기구 방향
그림 1은 양성 중량 하에서 기본적인 두개의 기구로 만든 S자형 중량 센서에 대한 적절한 고정 기구 방향을 예시하고 있다. “A” 표시가 있는 게이지는 인장 상태의 부하이며 “B” 표시 게이지는 압축 상태에 있다.
"무 부하" 조건은 실제로 0은 아니며 캔틸레버 처리된 센서의 중량과 행거 (나사로 맞물린 봉, 체인, 중량 플래터 포함)의 중량으로 인해 나타난 (+)의 값이다.
그림 1. (+)의 중량 애플리케이션의 고정 기구 방향
그림 2는 (-)의 중량에 대한 적절한 고정 기구 방향을 예시하고 있다. 이 경우 “A” 표시 게이지는 현재 압축 상태에 있고 “B” 표시 게이지는 인장 상태에 있다. 이를 통해 (-)의 센서 출력 신호가 발생된다. 그러나 고정 기구가 약 1 인치 더 길다. C 브라켓을 제거하여 세로로 세운 다음 이들은 수평 방향으로 회전시키면 이 고정 기구 방향을 얻을 수 있다.
그림 2. (-)의 중량 애플리케이션에 대한 고정 기구 방향
"무부하" 조건은 0이 아니며, 캔틸레버 처리된 센서의 중량과 행거 조립체 중량의 결과인 (-)의 값이다. 이 무부하 조건은 (+)의 무부하 조건과 정확하게 동일하지만 극성은 반대이다.
무부하에서 +부하까지의 순환에는 항상 4 종류의 부하조건이 존재한다. 실제로 무 부하 조건은 +무부하와 -무부하가 된다. 그림 3은 부적절한 고정 기구 상태를 보여주고 있는데 센서가 움직여 회전되었지만 고정 기구에는 변화가 없다. 처음 보기에 (-)의 중량이 나타난 듯 보이지만 "A" 및 "B" 게이지를 자세히 관찰해 보면 이들이 그림 1의 인장/압축 설정과 동일한 상태에 있으며 동일한 출력 신호 극성을 발생시키고 있다는 것을 알 수 있다.
그림 3. (-)의 중량 적용 시 부적절한 고정 기구 방향
센서 및 케이블 방향
몇 가지 이유로 모든 테스트에서 센서의 방향을 동일하게 유지하는 것은 매우 중요하다. 첫째, 센서의 몸체가 캔틸레버 처리된 부하이다. 비록 두개의 기구로 S자형 부하가 공통 모드의 캔틸레버 효과를 무효화하는 경향이 있지만 고정기구 방향에 약간의 주의를 기울여 문제점들을 모두 제거할 수 있을 때는 센서의 무효화 특성에 의존하지 않는 것이 최선이다.
둘째, 케이블에서의 케이블 중량과 인장도가 부하로 작용한다. 이것이 비록 무부하 조건에 사소한 에러를 유발하지만 케이블을 적절하게 제한하면 이 에러는 전혀 우려할 필요가 없다. 케이블을 매달거나 센서의 비활성 부하 측에서 지탱하면 적절한 제한이 이루어진다. 센서의 비활성 부하 측은 C 브라켓이 테스트 스탠드의 위쪽 마운트에 부착되는 쪽이다.
그림 4는 테스트에서 적절한 케이블 제한과 부적절한 경우를 예시하고 있다. 위쪽 축에 탑재된 간단한 옷핀 형태의 클립이 케이블 제한의 신속한 연결방식이다.
그림 4. 케이블 제한의 적절성과 부적절성, 적절한 케이블 제한 방식이 위쪽에 제시
중량물 번호 부여
모든 중량물이 동일하게 제작되지는 않는다. 일반적으로 사하중은 자격을 갖춘 캘리브레이션 실험실에서 이차 또는 삼차로 추적 가능한 표준을 통해 NIST 일차 표준으로 추적이 가능하다. 때로 저가 중량물의 경우 전혀 추적이 불가능하며 각기 10%의 중량 차이가 있을 수도 있다. 어떠한 경우든 중량물들은 가장자리와 상부에 고유 인식 번호를 표시하여 반복적인 순서로 적용 및 제거될 수 있어야 한다. 중량물의 무게가 동일하지 않을 경우 센서에 약간씩 다른 힘이 적용될 수 있다. 이러한 중량물들이 무작위로 적용될 경우 선형성과 관련하여 반복 불가능한 센서 곡선이 출력된다. 그림 5에 이것이 과장 형태로 예시되어 있다. 앞에서 기술한 바와 같이, 비록 불규칙적으로 변하는 에러는 적은 양일지라도, 매번 중량물이 동일한 순서로 적용된다면 전혀 우려할 필요가 없다.
그림 5. 동일하지 않은 중량물을 무작위로 적용하여 나타난 센서 출력 변화
축-중량 제거
자동 중량 리프트 메커니즘을 사용할 때 중량 슬롯 내의 축 위치를 주의하여 컨트롤할 필요가 있다. 그림 6은 행거 상에서 로딩 및 언로딩용 슬롯을 갖춘 중량물을 예시하고 있다. 중량물 리프트가 올려져서 행거에서 중량물을 제거할 때 맞물려 있는 봉의 축과 중량물 슬롯 사이에 접촉이 발생하면 히스테리시스 효과 및 무부하 조건 측정상의 오류가 발생한다.
그림 6. 행거 축에 접촉된 중량물
크리프 시험을 위해 사하중 테스터를 사용할 때도 이러한 측면은 중요하다. 포스 센서의 크리프 테스트 시행은 센서가 장시간 또는 극한 온도에서 주어진 방향으로 부하를 받을 때 발생하는 반 영구적 오프셋 시프트의 크기를 측정하기 위한 것이다. 그리프는 그림 7에 그래픽으로 예시되어 있다. 크리프 테스트에는 무부하 측정 (적절한 사전 조건 설정 후), 테스트 부하 측정의 지속적 모니터링, 최종 무부하 측정 및 나중에 늘어진 특성 등이 포함되어야 한다.
그림 7. 크리프 테스트 측정은 무부하 조건의 정확한 적용이 필요하다
센서 및 고정 기구 탑재 후의 사전 조건 설정
센서 장착, 고정 기구 볼트 조정, 작동 중지 후에 센서 및 고정 기구 조립체는 반드시 최고 부하와 무부하 적용을 3회 반복해야 한다. 그 이유는 각 기구 주변과 센서 접점 표면의 작은 마찰 분력이 센서 장착 위치에 관한 스트레스 프로파일을 근소하게 변경시킬 수 있기 때문이다. 부하 적용 시 이 마찰 구역은 무부하와 최고 부하 사이에서 가장 안정적인 점으로 미끄러져 이동한다. 센서 자체 역시 게이지를 도포하고 있는 보호 폴리머 코팅에서 스트레스 경감을 나타낸다. 부하 적용을 3회 반복하면 이러한 스트레스를 경감시키고 센서로부터 실질적인 무부하 0 출력이 설정되어 이를 기초를 테스트를 시작할 수 있게 된다.
관련 현상은 무부하에서 최고 부하로 순환될 때 인장 게이지 센서 조립체의 정상 히스테리시스이다. 비록 이 유형의 히스테리시스가 기본적으로 0.01% 미만의 에러를 유발하지만 이는 알려져 있는 에러 인자이므로 가능하다면 피해야 한다. 간헐적으로 특정 부하값에서 테스트가 중지되고 다시 시작될 때마다 위에서 간략하게 기술한 3회의 최고 부하 절차를 적용한다면 이 에러를 방지할 수 있다.
중량물의 모노토닉 애플리케이션 및 제거
테스트 과정에서 중량물은 로딩시 지속적으로 증가시키는 방식으로 적용되어야 하고 언로딩시에는 지속적인 감소 방식으로 제거되어야 한다. 이렇게 하면 위에서 설명한 3 사이클 사전 조건화에 의해 설정된 히스테리시스 루프의 혼란을 피할 수 있다. 이 과정은 그림 8에 예시되어 있다.
그림 8. 중량물의 적용은 항상 증가되거나 또는 감소되어야 한다
또한 중량물은 실수로 행거에 떨어지면 센서에 큰 힘이 유도되므로 이를 방지하기 위해 조심스럽게 적용되어야 한다. 30 파운드의 중량물이 행거에 떨어질 경우 수백 또는 수천 파운드의 힘을 발생시킬 수 있다. 중량물을 조심스럽게 적용하면 측정 결과 판독 전에 매달려 있는 중량물 안정화 역시 매우 간단하다.
골든 샘플 및 데이터 추적 (SPC)
테스트 그룹 및 품질 보장 그룹은 테스트 스탠드의 인가 및 비준용으로 사용하기 위해 여러 가지의 “골든 샘플” 센서(전자부품을 갖추고 있는 것과 전자부품이 없는 것)를 보유하고 있다. 이 샘플들은 주기적으로 테스트 스탠드 상에서 측정되어야 하며 데이터는 있는 운전 기록표에 기록된다. 장비의 사용을 위한 반출은 반드시 골든 샘플이 운전되고 데이터 결과가 수용 가능할 때만 허용되어야 한다. 이 기록표는 테스터의 수명 기간동안 장비 성능에 대해 추적 가능한 일차적 기록이 된다. 골든 샘플은 다음 조건 중 하나를 적용할 때마다 가동되어야 한다.
테스트 스탠드가 움직였을 때.
테스트 스탠드 또는 고정기구가 수정 또는 교체되었을 때.
중량물이 교체 또는 변경되었을 때.
고객의 사용, 디자인 또는 프로세스 검증 시험을 위해 센서 중 하나를 테스트 하기 전.
테스터 대 테스터의 재현성을 점검할 때.
결론
문서로 기록된 테스트 절차나 사하중 테스트 장비에 대한 조작자 교육을 통해 중량 센서 시제품 제작의 시간과 에너지를 절약할 수 있다. MAX1452 및 MAX1455 소자의 캘리브레이션 절차 및 온도 보상은 전반적인 캘리브레이션 시퀀스로 통합되어 있다. MAX1452EVKIT 및 MAX1455EVKIT는 센서에 대한 신속한 시제품 평가를 제공하는 평가 킷이다. 전체적인 절차를 따르면 신뢰할 수 있는 신형 센서 디자인의 특성화를 구할 수 있을 뿐 아니라 신뢰도와 재현 가능성이 향상되어 엔지니어링 디자인 및 개념 평가 시간이 개선된다. 가장 중요한 것은 중량물 및 고정 기구의 추락으로 인한 조작자 부상을 피할 수 있다는 것이다.
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