Weight

Main Picture
ref) https://ajaxscientific.com/product/8-piece-brass-mass-set/?v=38dd815e66db
     Load Cell은 무게를 측정하기 위하여 가장 많이 사용하는 센서로 모양은 아래 그림과 같다. Load Cell의 모양은 다양하며 목적에 맞게 선택하여 사용한다.

Single Point and Tension Load Cell

ref) https://www.flintec.com/weight-sensors/load-cells/how-does-a-single-point-load-cell?__geom=%E2%9C%AA
Single Point Load Cell의 구조


     Load Cell을 사용하여 무게를 측정하기 위하여 위의 그림과 같이 Load Cell의 특정한 부분에 Strain Gauge를 붙혀 놓았다. Strain Gauge는 아래 그림과 같이 어느 한쪽 방향으로 변위가 일어날경우 내부에 있는 저항선의 길이 및 굴기가 변하고 이에따라 저항이 변하게 된다. 이러한 저항 변화를 측정하여변위를 알 수 있고 이러한 원리를 이용하여 물체의 뒤틀림, 물체의 진동, 다리의 안전성등 다양한 분야에서 사용한다.

  
Strain Gauge 및 사용 예


ref) https://www.michsci.com/what-is-a-strain-gauge/
Strain Gauge 사용법

     Load Cell이 외부의 힘을 받게되면 일정한 방향으로 휘게 되는데 이때 로드셀 표면은 압축되는 부분과 수축되는 부분이 생기게 되고 이러한 위치에 Strain Gauge를 붙혀 놓게되면 Load Cell이 외부에서 힘을 받게 될 경우 Strain Gauge의 저항 변화를 만들고 이를 휘스톤 브리지(wheatstone bridge) 회로(위 그림의 왼쪽)를 사용하여 전압의 형태로 측정하면 Load Cell에 주어진 힘의 세기를 알 수 있다.
  
ref) https://automationforum.co/load-cell/
Load Cell 동작원리


     아래는 기체 분자의 흡착에 따른 무게 변화를 측정 할 수 있는 QCM(quartz crystal microbalance)에 대한 것으로 기체 입자가 quartz 진동자 표면에 흡착되면 quartz가 가지고 있던 고유 진동수가 변하게 된다. 이러한 주파수의 변화를 측정하여 미량 기체의 흡착 량을 측정 할 수 있다. QCM은 박막 증착에서 증착 정도를 파악하기 위하여 많이 사용한다.

  
ref) https://www.youtube.com/watch?v=kzmBK9mONq8&ab_channel=openQCM
QCM (quartz crystal microbalance)의 동작 원리

     물체의 온도에따른 무게 변화는 화학 분석에서 물질의 상태 변화에 대한 중요한 정보를 제공한다. 아래 열중량분석법, TGA(thermogravimetric analysis)로 시료를 가열하면서 무게를 측정 함으로써 온도에 따른 물질의 무게 변화를 측정하고 이에 따라 물질의상태가 변화하는 온도를 찾을 수 있다.


ref) HX711 datasheet, p1
TGA (thermogravimetric analysis)의 구조

     Load Cell을 사용하기 위하여 가장 많이 사용하는 방법은 Wheatstone Bridge 회로를 이용하여 저항 변화를 전압으로 읽는 것이다. 일반적으로 Load Cell을 사용하기 위한 HX711과 같은 전용 IC가 상품으로 판매하고 있어 이러한 전용 IC를 사용하면 쉽게 Load Cell을 사용하여 장치를 꾸미고 사용할 수 있다. 아래 그림은 HX711을 사용하여 Load Cell과 연결한 회로이다. 신호의 출력은 디지탈 형식으로 직렬 방식의 통신에 의하여 정보를 주고 받을 수 있다.


ref) https://automationforum.co/load-cell/
Load Cell 사용 회로

     HX711은 내부에 PGA를 가지고 있어 프로그램으로 쉽게 증폭률을 바꿀 수있으며, 증폭률을 바꾸거나 자료를 HX711로 부터 읽기 위하여 위의 그림에서 보여 주듯이 반드시 MCU를 사용해야 한다.

무게 관련 웹 싸이트:

     1. Mass and weight
     2. Mass versus weight
     3. Weight or Mass?
     4. Weight and Mass
     5. What Is A Single-Point Load Cell, And How Does It Work?
     6. Strain gauges, How they Work, Applications, and Types
     7. Load cell, working, construction and Advantages
     8. The Thermogravimetric Analyzer TGA
     9. Quartz Crystal Microbalance (QCM)
     10. Wheatstone Bridge | Working, Examples, Applications
     11. Wheatstone Bridge Circuit Working Principle and Aplications
     12. Load Cell Interfacing