3선식 strain gauge를 사용하는 이유

 

Half - bridge 구성에서의 Dynamic disturbance

Double-SENSE 구성은 Half-bridge 구성에서 치명적인 불량 접점이나 supply line의 동적인 간섭 현상과 커플링 현상으로 인한 "좋지 않은" 환경에서 사용할 수 있습니다. 하프-브리지 구성에서만 이러한 문제가 발생하는 이유는 무엇일까요?

Single SENSE의 비대칭과 대조적으로 Double SENSE의 대칭성으로 Dynamic error를 줄인다.

Half-Bridge 구성에서 단순히 Single-SENSE를 사용하는 경우, 대칭적으로 내부 Half-Bridge 구성은 항상 internal +/- VB 노드에 연결됩니다. 이렇게 연결되면 불균형적이고 Dynamic한 에러는 Wheatstone bridge에서 외부(active) 회로에만 영향을 미치고 내부의 나머지 Half-bridge에는 영향을 주지 않습니다. 이것은 여전히 매우 작은 Gain error를 유발하지만 그래도 "느껴질만한" offset error 또는 signal jump(spike)를 유발할 수 있습니다.

 

이러한 현상은 본질적으로는 동적이기(Dynamic) 때문에 산술 보상(다소 느린)으로는 억제할 수 없습니다.

Double-SENSE를 사용하면 대칭 +/- SENSE 신호 피드백이 가능하고 내부적인 HB(Half-bridge) completion 구성이 되어 동적인(아날로그) 잡음 제거에 완벽합니다.

 

Quarter Bridge 구성

쿼터 브리지 측정을 위해서는 wheatstone bridge에서의 수동적인 half-bridge와 옆에 있는 하위 quarter-bridge가 모두 증폭기(Amplifier)에서 구성됩니다. 실제(active) 요소이자 저항이자 센서인 strain gauge는 2wire 또는 3wire(single SENSE)으로 연결됩니다.

 

아래와 같이 2 wire로 연결된 quarter bridge 구성의 경우, 이전에 배운 offset error 및 drift 문제가 있기 떄문에 실제 계측에서는 가급적이면 사용되지 않습니다.

 

2 Wire

아래 그림에서와 같이 센서 케이블 양단의 저항은 wheatstone bridge 상단 부분과 연관이 있습니다.

이전 글에서와 같이 실제적인 예를 들어 보면,

- 케이블 저항 ( 2 * 10m, 130 mΩ/m = 2.6Ω )

- Gain error : 2.6 Ω /120 Ω = 2%, 수긍할만하지만

- Offset error : 1/4 * Rk/Rb = 1/4 * 2% = 1/4 * 20mV/V = 5 mV/V, 눈에 띄는 오차가 생기고

- Offset drift : with Cu-Drift 4000 ppm / °C * 5 mV/V = 20 µV/V / °C, 로 오차는 눈덩이처럼 불어납니다.

이 정도면 거의 Thermocouple 수준의 변화량입니다. 50°C의 변화량이면 거의 1mV/V 를 넘는 값입니다.

 

2 wire quarter bridge 케이블 저항에 의한 wheatstone bridge의 비대칭성

이와는 대조적으로, quarter bridge에서 거의 무조건적으로 사용되는 3선식 strain gauge는 wheatstone bridge 상부 및 하부 사이의 대칭 구조로 인해 Offset error를 방지합니다.

 

3 Wire

- 상부 및 하부 wire의 균등한 분배

- Offset & Thermal drift : 보상

- Gain error : (ex. 10m) 2.6 Ω /120 Ω = 2%, 이 에러는 보상되지 않고 아직 남아 있습니다.

 

그림으로 확인하는 3 wire quarter bridge 내부의 대칭성

위의 구성회로의 경우 Bridge impedance와 케이블 저항의 비율로 인한 Gain error는 일반적으로 여전히 남아 있게 됩니다. 이러한 상태의 측정 회로로 구성된 계측 장비의 경우, " Shunt Calibration " 과 같은 방식으로 이 오차를 보정할 수 있습니다.

하나의 Cable을 추가하여 대칭성을 만든 것만으로도 많은 오차를 줄인 3 wire quarter bridge

 

Gain error 보상을 위한 3 Wire 계측

3선식 스트레인 게이지 회로의 offset 보상 기술은 일반적이고 최신의 기술이지만, 여기에 추가로 모든 Gain 보상을 제공하는 기술이 있습니다.  ADC가 있는 별도의 보조 증폭기(Amplifier)를 사용하여 전압 강하의 크기를 측정합니다. 이 값은 총 전력 손실의 절반에 해당하므로 2배의 값을 Gain error 보정 값으로 사용합니다.

 

약간 복잡하지만 Gain error를 보상하기 위해 추가로 Cable loss를 측정하여 보정한다.

이 회로를 사용하면 사실상 더이상의 복잡하고 힘든 "Shunt Calibration" 기능을 테스트 사전에 수행할 필요가 없습니다. 하지만 많은 스트레인 게이지 계측 시험에서는 아직도 전통적인 Gain error 보정 방식으로 의식처럼 사용됩니다.