로드셀 (load cell)

힘(무게)을 전기 신호로 바꿔 주는 센서입니다. 주방저울부터 트럭 계량대까지, 전자식 저울은 사실상 전부 로드셀로 만듭니다. 내부는 탄성체(금속 몸체)에 스트레인 게이지 4개를 붙인 구조입니다.

막대형 로드셀 (TAL220, 10 kg). 사진: SparkFun Electronics, CC BY 2.0

동작 원리

1. 힘이 걸리면 금속 몸체가 탄성 한계 안에서 미세하게 휜다 (훅 법칙 — 변형 ∝ 힘)
2. 표면에 붙은 스트레인 게이지의 저항이 변형률에 비례해 변한다
3. 게이지 4개로 구성한 휘트스톤 브리지가 저항 변화를 전압으로 바꾼다
4. HX711 같은 증폭기가 mV 수준의 브리지 출력을 증폭해 숫자로 만든다

막대형(bar type)의 구조

취미·교육용으로 가장 흔한 것이 사진의 막대형(단일점, single point)입니다. 몸체 가운데에 안경 모양의 구멍이 뚫려 있는데, 이 구멍 때문에 하중이 걸리면 변형이 구멍 주위 네 지점에 집중됩니다. 그 네 곳에 게이지를 붙이면 두 개는 늘어나고(+\varepsilon) 두 개는 압축되어(-\varepsilon), 넷을 풀 브리지로 묶었을 때:

• 감도가 게이지 1개일 때의 4배가 되고
• 온도에 의한 저항 변화는 네 게이지에 똑같이 걸려 상쇄되며
• 하중을 막대의 어디에 올려도 출력이 (거의) 같아집니다 — "단일점"이라는 이름의 유래

설치 방향이 중요합니다: 한쪽 끝만 고정하고 반대쪽 끝에 하중판을 달아 막대가 휘도록 해야 하며, 몸체의 하중 방향 화살표가 아래를 향해야 합니다.

4가닥 전선의 의미

E(excitation)로 브리지에 전압을 걸고, A(신호)에서 좌우 중점의 전압 차를 읽습니다. 색은 제품마다 다를 수 있으니 데이터시트를 우선하세요. (체중계용 원판형은 하프 브리지 3선식이라 배선이 다릅니다.)

규격 읽는 법

• 정격 하중(rated load): 1 kg, 5 kg, 10 kg … 이 범위 안에서 출력이 하중에 비례합니다. 정격을 크게 넘기면 탄성 한계를 지나 영구 변형(고장)됩니다.
• 감도(sensitivity): 보통 "1 mV/V" 처럼 표기 — 여자 전압 1 V 당, 정격 하중에서 출력이 1 mV 라는 뜻입니다. 5 V 여자에 정격을 올리면 겨우 5 mV. 증폭기가 꼭 필요한 이유입니다.
• 크리프(creep): 하중을 계속 올려 두면 출력이 천천히 흐르는 현상. 정밀 저울에서 문제가 됩니다.

종류

• 막대형(단일점) — 저울류, 취미용. 위 사진.
• S자형 — 당기는 힘(인장)과 누르는 힘(압축)을 모두 측정. 장력 측정에 사용.
• 원판형/버튼형 — 큰 하중을 좁은 공간에서. 체중계(모서리 4개), 산업용 계량.
• 전단빔형(shear beam) — 산업용 플랫폼 저울, 트럭 계량대.

무게를 실제로 재는 과정은 로드셀·HX711 실험에서, 변형률의 물리는 응력과 변형률, 그리고 텐서에서 이어집니다.