먼저 알아둘 용어
컨덕턴스(conductance)·힘 센서(sensor) — 컨덕턴스는 저항의 역수인 1/R로 전류가 흐르기 쉬운 정도입니다. 저항형 힘 센서의 모델에 따라 특정 힘 구간에서 컨덕턴스 관계를 이용하면 읽기에 유리할 수 있습니다.
Vdrive·Rf·Rsensor·Vo — Vdrive는 센서를 구동하는 기준 전압, Rf는 출력에서 반전 입력으로 되먹이는 저항, Rsensor는 힘에 따라 변하는 센서 저항, Vo는 출력 전압입니다.
크리프(creep)·히스테리시스(hysteresis) — 크리프는 일정 하중을 유지해도 시간이 지나며 출력이 변하는 현상입니다. 히스테리시스는 같은 힘에서도 하중을 올리는 방향과 내리는 방향의 출력이 다른 현상입니다.
센서 저항을 입력 경로에 놓으면 컨덕턴스로 환산됩니다
센서 한쪽을 Vdrive에, 다른 쪽을 연산증폭기(operational amplifier)의 반전 입력에 연결합니다. 출력에서 피드백(feedback) 저항 Rf를 거쳐 반전 입력으로 연결하고, 비반전 입력은 GND(Ground)에 연결합니다. 선형 동작 범위에서 이상적인 식은 Vo=−Vdrive×Rf/Rsensor입니다.
Vdrive가 양수이면 계산상 출력은 음수이므로 GND 아래로 출력하지 못하는 단전원 증폭기는 포화될 수 있습니다. 음의 기준을 사용하면 양의 출력이 되지만 단전원 증폭기의 전원과 센서 구동 기준은 서로 다른 요구이므로 실제 입력 공통모드(common mode)·출력 범위와 전원 순서를 함께 검토합니다.
간단한 임계값 판정에는 센서 분압도 비교합니다
같은 저항형 힘 센서를 연산증폭기 없이 읽으려면, 기준 전압 VREF에서 힘 센서의 저항 Rs를 거쳐 출력 노드 VOUT에 도달하고, 그 노드에서 고정 저항 R1을 거쳐 아날로그 접지(AGND, Analog Ground)로 돌아오는 분압 회로를 검토할 수 있습니다. ADC가 노드 전류를 거의 빼앗지 않는 정상 상태라면 VOUT≈VREF×R1/(Rs+R1)입니다. 누를수록 Rs가 낮아지는 센서에서는 VOUT이 올라갑니다. Rs가 R1보다 훨씬 작아진 구간에서는 VOUT이 VREF에 가까워져 저항 변화가 출력에서 작게 보일 수 있으므로, 필요한 힘 범위의 실제 저항값과 ADC 분해능을 기준으로 R1을 고릅니다.
센서를 계속 켜 두지 않고 펄스로 구동한다면, 먼저 정확한 센서 모델의 허용 전압·전류·듀티를 확인합니다. 기준 전압을 켠 뒤 센서·배선·ADC 입력이 안정될 시간을 두고 매번 같은 구간에서 값을 읽어야 합니다. 펄스를 끈 구간의 0 V를 힘 측정값과 무심코 함께 평균하면 듀티 변화가 측정값에 섞일 수 있습니다. 안정 시간과 ADC 획득 시간은 실제 R1, 센서 저항 범위와 선택한 ADC의 입력 회로로 정하십시오. 자료 카드에 인쇄된 전압·듀티 숫자를 모든 FlexiForce 모델의 공통 허용치로 옮기지 않습니다.
작동 원리
반전 구조의 이상식은 Vo=−Vdrive×Rf/Rsensor입니다. 출력 전압이 센서의 컨덕턴스 1/Rsensor에 비례하므로, 해당 센서의 힘–컨덕턴스 특성에 따라 단순 분압 회로보다 넓은 범위를 측정하기에 유리할 수 있습니다. 음의 구동 기준을 사용하면 양의 출력이 됩니다. 센서 이름에 적힌 힘 범위만이 아니라 구동 전압과 피드백(feedback) 저항도 감도를 정합니다.
적용 순서
- 정확한 센서 모델과 제조사 권장 구동 회로를 확인합니다. 단전원 증폭기 전원과 센서의 음의 기준 전압은 서로 다른 요구입니다.
- 최대 힘에서 포화되지 않도록 구동 크기와 피드백 저항을 정합니다. 힘 범위를 넓히려면 감도를 낮추고 필요한 분해능을 다시 확인합니다.
- 센서가 실제로 닿을 기구·접촉 면적으로 알려진 힘을 가해 영점과 여러 점을 보정합니다. 힘이 센서의 유효 영역에 반복 가능하게 전달되도록 합니다.
- 하중을 올리고 내리는 두 방향, 일정 하중 유지 시간, 반복 횟수에 따른 출력을 기록합니다.
적용 조건과 한계
피드백 저항 100 kΩ이나 병렬 보상 커패시터(capacitor) 47 pF 같은 값은 모든 힘 범위의 확정값이 아닙니다. 구동 크기·최대 센서 컨덕턴스·출력 범위와 동적 안정성을 기준으로 정합니다.
회로를 맞춘 뒤에도 센서의 설치 방식과 접촉 면적, 크리프와 히스테리시스, 온도에 따른 오차는 따로 확인해야 합니다. “전압이 힘에 비례합니다”라는 설명만으로 정밀 로드셀과 같은 정확도를 기대하지 않고 실제 장착 조건에서 알려진 힘으로 보정합니다.
확인과 기록
전압이 한쪽 전원에 붙으면 센서를 불량으로 단정하기 전에 Vdrive의 부호, 출력 스윙(swing), 최대 감도를 확인합니다. 보정은 실제 기구 조립 상태에서 수행하고 전자 회로의 이득 변경 뒤 다시 합니다.