각도 센서를 사용한 토크 측정

고정된 금속 샤프트에 적용되는 토크를 측정하는 것은 비교적 간단합니다. 샤프트의 탄성 한계를 초과하지 않는 경우, 샤프트의 비틀림 정도는 가해진 토크에 비례합니다. 비틀림 정도를 측정합니다. 샤프트 재질의 영률을 찾습니다. 기술 지침서의 수학 공식을 적용해보십시오. 토크를 제법 정확하게 측정할 수 있습니다.

계속 회전하고 있는 샤프트의 토크 측정은 매우 까다롭습니다. 몇 가지 방법이 있지만, 가장 일반적인 방법으로는 샤프트를 회전시키는 데 필요한 동력에서 토크를 추정하는 것입니다. 이것은 일반적으로 움직임을 구동하는 모터에 공급되는 전류를 측정한다는 것을 의미합니다. 전류 소비는 속도, 전압 공급, 베어링 상태, 온도 등과 같은 다른 요인에 의존하기 때문에 이 방법은 간단하고 우아하지만 정확하지 않습니다.

변형율 게이지를 사용한 토크 측정

보다 정확한 방법은 변형율 게이지 또는 표면 탄성파(SAW) 장치를 사용하여 샤프트의 비틀림을 측정하는 것입니다. 이 방법은 정확하지만 샤프트의 변형율 게이지와 외부 세계 사이에 슬립 링 또는 신호를 전송하는 무선 방식이 필요한 복잡한 단계가 있습니다. 불편함을 감수하면서 변형율 게이지를 사용해야만 했던 기술자라면 다음과 같이 말을 해 줄 것입니다. 변형율 게이지 이론과 변형율 게이지를 실제 사용하는 것 사이에는 큰 차이가 있습니다. 변형율 게이지는 온도 계수가 매우 큰 경향이 있으며 극한 조건에서는 벗겨지는 매우 좋지 않은 특성이 있습니다. 실험실에서 변형율 게이지 또는 SAW 장치를 사용하여 토크를 측정하는 것은 종종 괜찮지만, 많은 산업 분야에서는 현실적인 제안이 아닙니다.

각도 센서를 사용한 토크 측정

다른 방법이 있습니다. 완전히 새로운 것은 아니지만, 거의 잊혀졌던 방법입니다. 이 기술은 1950년대에 처음 엔진의 토크를 측정하는 데 사용되었습니다. 특히 Hercules/C-130 화물기의 터보프롭 엔진에 사용되었습니다. 이 기술은 샤프트에 정렬된 2개의 ‘다중 속도’ 리졸버 사이의 위상 변화를 측정하여 샤프트의 비틀림 및 토크를 측정합니다. (‘다중 속도’는 리졸버 출력을 나타냅니다. 2개의 속도 리졸버는 180도 이상의 절대 출력을 가지며, 36개 속도 리졸버는 10도 이상의 절대 출력을 갖습니다.)

샤프트가 회전함에 따라 각 리졸버는 2개의 신호를 생성하며, 그 중 하나는 사인 곡선으로 변하고 다른 하나는 코사인 곡선으로 변합니다. 단순화를 위해, 아래 그림 2는 복조된 사인 신호를 보여줍니다.

그림 1 – 다중 속도 리졸버를 사용한 토크 측정

제로 토크가 적용될 때, 2개 리졸버의 신호는 제로 위상 변이를 나타냅니다. 토크가 적용되면, 한쪽 출력 위상이 다른 쪽의 위상에 대해 상대적으로 이동하는 것처럼 보입니다. 따라서, 위상 변이는 가해진 토크에 정비례합니다. 사이클 수가 많은 다중 속도 리졸버(예를 들어, 128)를 사용하면 소량의 비틀림으로도 상당한 위상 변이가 생성됩니다. 즉, 이는 매우 민감한 기술이며 1도 미만 심지어 0.1도 미만의 비틀림을 측정하는 데 적합합니다. 이것은 샤프트가 반드시 길어야 할 필요가 없다는 의미입니다. 실제로 이 방법에 필요한 샤프트 길이는 25mm 미만이 될 수도 있습니다. 이 방법은 의도적으로 유연한 샤프트를 사용하거나 리졸버를 동심원으로 배열하여(하나를 다른 하나의 내부) 배치하고 (매우) 딱딱한 비틀림 스프링을 사용하여 샤프트의 내부와 외부를 연결하여 수행합니다.

변형율 게이지와 달리 리졸버는 내구성이 높고 신뢰할 수 있으며 정확합니다. 따라서 항공 우주, 군사, 오일 및 가스 장비의 모든 고강도 작업에서 선택됩니다. 비접촉식 장치이므로 슬립 링이나 무선 주파수 신호 전송은 필요하지 않습니다.

그렇다면, 이 기술은 왜 낡은 방식이 되었습니까? 그 한 가지 이유로는, 리졸버 역시 낡은 방식이기 때문일 것입니다. 팬케이크 또는 슬래브 리졸버(중간에 큰 구멍이 있는 평면형)는 토크를 측정하기 위한 이상적인 모양이지만 고가로 악명이 높습니다. 또한, 리졸버 드라이브를 지정하고 전자 장치를 처리하는 것은 까다로울 수 있습니다. 대부분의 현대 엔지니어는 디지털 전자 장치에 익숙하기 때문에, 아날로그 전자 장치를 파악하고 AC 신호 위상 변화를 측정하는 것을 꺼려합니다.

차세대 유도형 센서

요즘에는 리졸버가 점점 더 현대적인 대체품인 유도형 엔코더 또는 ‘인코더’로 대체되고 있습니다. 인코더는 리졸버와 동일한 유도 원리를 사용하지만, 부피가 크고 고가인 권선 변압기 구조가 아닌 인쇄 회로를 사용합니다. 이는 측정 성능을 극대화하는 동시에 인코더의 크기, 무게 및 비용을 최소화하는 데 중요합니다. 인코더는 또한 간단하고 사용하기 쉬운 전기적 인터페이스를 제공합니다. DC 전원 입력 및 직렬 데이터 출력입니다. 인코더는 리졸버와 동일한 기본적인 물리학을 기반으로 하기 때문에, 가혹한 환경에서 높은 정밀도와 신뢰할 수 있는 측정 등의 운영 상의 장점이 있습니다. 이에 더하여, 각도 측정을 위한 완벽한 폼 팩터를 지니고 있습니다. 중간에 큰 구멍이 있는 평면 형태입니다. 이로써 회전하는 샤프트에 회전자를 부착한 상태에서 샤프트는 인코더의 고정자 중앙을 관통할 수 있습니다. 이는 리졸버와 같은 방식으로 슬립 링이 필요하지 않습니다.

그림 2 – 유도형 인코더를 사용한 토크 및 절대 각도 측정

모든 인코더의 전자 부품이 고정자 내부에 이미 있는 상태이므로, 별도의 전자 부품을 지정하고 공급할 필요가 없습니다. 또한 편리하게도, 인코더는 회전당 최대 4백만 카운트가 가능하므로 소량의 비틀림만으로도 고해상도의 토크 측정이 가능합니다.

인코더의 열 계수는 최고의 변형율 게이지 구성에서 얻을 수 있는 것보다 낮으며, 높은 각속도를 가진 샤프트의 동적 왜곡 효과는 동일한 클록 신호를 사용하여 2개의 인코더에서 판독값을 트리거함으로써 제거할 수 있습니다.

변형율 게이지 기술과 달리, 과도한 토크 또는 충격을 가하여 장비를 손상시킬 위험성이 없습니다. 또한, 이 기술은 변형율 게이지로 토크를 측정하는 비용보다 더 적은 비용으로 각도와 토크 2가지를 측정합니다.

이는 리졸버가 낡은 기술이기 때문에 마찬가지로 낡게 된 오래 전의 기술입니다. 현대의 유도형 인코더는 각도 측정을 위해 유도 물리학을 재충전하여, 토크 및 각도 감지를 위해 유용하고 강력하며 효과적인 방법을 다시 사용하게 합니다.