[질문]
토오크무게중심이나 어떠한 중심을 잡을때 가장 중요한 말중 하나가 아닐까 생각된다. 많은 물리량 중에서 토크는 물리량의 한 부분을 이룹니다...!!토크(Torque)란 회전력이라고도 표현할 수 있는데, 물체를 이동 또는 회전동작을 시키려 할 때에 필요로 하는 힘을 토크라 한다. 토크 측정은 과거 부터 현재까지 다양한 방법이 개발되고 있으며,현재는 컴퓨터의 발달로 토크센서와 인터페이스를 거처 다양한 값으로 표시함은 물론 사용자가 원하는 제어 값으로 설정할 수도 있다.토크의 측정은 기기계측에서는 중요한 것으로 토크를 동력, 마찰저항, 압력 등의 물리량으로 측정하는 경우가 많다. 토크는 직접 샤프트의 비틀림으로 측정되는 수도 있고, 길이와 힘의 연산 형태로 측정하는 경우도 있다.토크는 상태에 따라 정적인 것과 동적인 것으로 나눌 수가 있고, 정적토크의 측정은 시스템의 동 특성은 문제가 되지 않으므로 저울과 같은 하중을 적용하는 방법을 이용할 경우가 많다. 동적토크의 측정은 변환 주기가 빠르면 빠를수록 높은 강도의 구조를 요구 한다.일정 진폭과 주기의 정현파로 변화하는 토크의 측정은 가속도로 취급하면 된다. 충격파의 토크를그대로 재현하는 것은 불가능하며 지진을 연구하는 학자들에 의해 많이 연구되고 있다. 토크의 측정원리 토크의 측정은 기구의 역학적인 관계를 이용하여 그림과 같이 수동식으로 할 수 있으나 스트레인 게이지(Sfrain Gauge)를 이용하여 측정하는 방식을 채택하고 있다. 측정 시스템의 진동이 낮은 주파수의 공명을 가지기 때문에 회전식기기, 다이나모 등 동적 측정에는 적합치 않다.스트레인 게이지를 이용한 토크센서는 0.1~ 100,000Nm의 측정범위 및 0.05%까지의 정확도를 가질 수 있으며, 일반적으로 풀 브리지(Full Bridge)가 이용되어 4개의 스트레인 게이지가 장착된다. 스트레인게이지의 풀게이방식으로는 굽힘력과 횡력이 함께 측정되지는 않기 때문에 최소한 규격으로 토크센서를 장착한다. 힘의 분산과 균형이 맞도록 적합한 커플링을 선택하여야 한다.토크센서의 전기적 특성을 보면, 토크센서의 출력신호는 보통 mV/V로 표시되며, 범위는 0.5, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0 및 2.2mV/V로 나눠지고, 입력전원은 5V 또는 10V가 인가된다. 따라서 센서별로 2.5∼22mV가 출력신호로 이용된다. 토크센서의 선정은 정격 토크에 의해서 이루어지는 것이 아니라 작동시 최대로 나타나는 토크를 고려해야 한다. 회전력이 제동이나 가속시 큰 토크로 변화하고 센서에 부하가 걸리기 때문에 선정시 주의해야 한다. 즉, 동적인 회전체의 측정은 전체 측정범위의 70%를 넘지 않도록 해야 한다. 가장 많이 사용되고 있는 SAW 기술 SAW(Surface Acoustic Wave)는 로드 레이리에 의해 1985년 이론적으로 파장이 전기적 자장과 진폭이 급속하게 감소하는 진공이나 순수 정화된 공기 사이에서 영역으로 퍼져 나간다는 것을 보여 주었다. 이러한 파장은 전자기적 특성보다는 기계적인 특성의 청음파이다. 지진의 파괴력은 바로 이러한 파장에 의하여 수반된다. 표면파장은 SAW기술이 군사용의 레이더 장비에 폭넓게 사용되기 전까지도 RF 적용에는 그렇게 많지 않았다. 현재에는 이러한 RF 신호처리 적용을 위한 새로운 신기술이 계속적으로 개발되고 있다. 단순한 형태로 SAW 트랜스듀서는 수정체와 같은 극도로 섬세 가공된 압전물질 위에 위치한 2개의 얇은 금속전극의 디지털 판으로 이뤄져 있으며, 이러한 판을 구성하는 그 전극은 극성을 변화시켜 인가되는 적정파수의 RF 신호가 크리스털 표면을 확장시키거나 수축시킨다. 이러한 현상이 레이리 파장이라고 일컫는 표면파장을 발생시킨다. 마주 보는 전극은 대체로 작동하는 중심주파수 파장의 1/2 또는 1/4에 위치하고 있으며, 표면파장 또는 청음속도는 빛의 10-5이다. 예컨대, 3m 파장인 100MHz 주파수에서 CW 신호는 청음파장 약 30μm을 가지게 된다. SAW 기술은 많은 양의 신호를 빠르게 처리하며, 대체적으로 10MHz에서 약 3GHz까지 사용된다. 스트레인 측정용 SAW 트랜스듀서 구현은 스트레스를 받게될 물질에 부착되는 압전물질의 선택에 따른다. 스트레인은 인장력이나 압축력으로 나타나며, 센서의 반응축은 파장의 수평방향이다. 발생주파수 500MHz의 경우에 100μm의 인장력이 500kHz까지 주파수를 감소시키며, 반대로 압축력은 같은 양으로 주파수를 증가시킨다. 스트레인 게이지 자체가 오실레이터 기능을 함으로써 트랜스듀서의 Q팩터는 전형적인 수치보다 높은 10-4이 되며, 진폭시 회로는 1/10-9의 높은 안정성으로 증폭된다. 이러한 기술을 통하여 출력신호가 주파수 도메인으로 나타나게 되는 것이다. 저주파 신호의 기술응용 장점은 전자 노이즈가 쉽게 발생하는 여러 가지 속도의 전기기계에서 효율적으로 사용할 수 있다는 것이다. 그림에서 보여지듯이 SAW 트랜스듀서가 비틀림이 생기는 샤프트에 장착되며 가압전압과 픽오프 신호는 RF-Couple에 의하여 출력을 컨트롤하고, 데이터를 표시하는 전자 인터페이스로 송신된다. 종합적으로 이러한 기술은 작동 모터의 샤프트에 연결되어 회전하면서 발생되는 물리적인 힘을 센서를 통해 감지하여 RF를 거쳐 ASIC의 전자제어를 통한 증폭이나 필터링을 통해 데이터를 전송하기 때문에 효율적으로 측정할 수 있는 것이다. 새롭게 떠오르는 EMD 기술 EMD(Embedded Magnetic Domain) 기술은 마그네틱 인덕션과 전자제어의 결합으로 순간적으로 정확하게 가혹한 환경조건하에서도 정현도를 유지하여 회전 샤프트에 토크를 측정하도록 지원한다. 정해진 마그네틱 패턴에 따른 샤프트 주위에 자장을 형성시키고, 회로와 토크가 가해질 때, 샤프트의 회전에 의해 발생되는 자기장의 변화를 측정하는 독자적인 회로와 신호처리 기술을 채용했다. 샤프트로부터 약 10mm 떨어져 토크가 측정되며, 먼지나 액체 등 기타 비자성 물질이나 어떤 샤프트 속도에서도 최소의 히스테리시스를 갖는다. 전통적인 회로와 전자제어에서의 스트레인 게이지가 이상적으로 많이 적용되지만, 샤프트가 회전할 때 스트레인 게이지는 금속에 가해지는 비틀림(Twist)을 측정할 수 있다. 그러나 스트레인 게이지는 가혹한 환경조건하에서 토크를 실시간으로 측정하는 데에는 완전치 못하다고 할 수 있다. 시스템 단점으로는 샤프트가 마그네틱화 할 수 있으며, 강력한 마그네틱 환경에 노출되어서는 안 되지만 많은 적용분야를 가지고 있는 EMD 솔루션을 낮게 평가할 수는 없다. 시스템은 마그네틱 샤프트와 샤프트 특성에서의 토크변화를 인식하는 감지 헤드 및 전자제어 부문으로 구성된다. EMD는 다른 비접촉식 회전 센서에 비해 가격적인 측면에서 경쟁력을 갖추고 있고, 장착이 쉬우면서도 자동보정 및 추가조정이 필요 없으며, 에너지 소모가 적고, 토크 측정은 물론 각도와 위치 측정도 가능하다. 비접촉식으로 감지 샤프트, 신호감지부, 전자신호처리부가 하우징에 내장되어 컴팩트한 EMD 토크센서의 출력은 아날로그나 디지털로 처리된다. 전류소모가 낮고 내구성도 뛰어나지만, 장시간 샤프트부의 마그네틱화와 자기장의 전자영역에서는 사용을 피하는 것이 좋다. 토크센서의 응용 토크센서는 모터 등의 토크력, 각도 및 속도를 직접 측정하거나 공정제어를 위한 수치를 응용함으로써 시험, 인증, 검사 등 여러 산업분야에 적용할 수 있다. 아래에 주요 응용분야를 나타냈다. - 공작기계의 토크나 각도측정：절단기, 프레스, 성형기 등 - 각종 모터(AC/DC/Servo 등)의 토크 측정기 - 펌프. 터빈 등 기어나 감속기의 토크 - 자동차용 TM/AXLE/Steering 제어 - 클러치의 마찰력에 따른 토크 및 각도변화율 - 가정용：세척기, 건조기, 냉장고 - 광산용 드릴, 진공파쇄기 - 우주항공 및 해상선박용 - 섬유, 화학. 식품 공정제어 - 토크 렌치용 - 컨베이어 Pulley Belt의 장력 측정 등 특수용 - 모터 테스터 등 시험 및 측정기용 - 유공압 설비 - 펄프, 제지나 의약 및 화학산업의 교반기：Viscosity 측정 - 설비나 플랜트 설치용 스핀들 - 자동차 와이퍼 로드 측정 - 다양한 스프링 테스터 - 크랭크 위치에 따른 마찰측정 - 프레스 공정의 Solidity 측정 - 변환 스위치, 코일 스프링, 스테핑 모터, 레블 기어 등의 토크 및 각도 - 기어박스의 2영역 토크 및 속도 측정 - 볼트나 스크류 체결기술로서 토크나 압축 또는 인장력 측정 - 압연, 압출기의 토크측정 및 제어 - 발전기의 권선 및 간격 확인을 위한 토크 측정 - 시멘트의 유동력 측정 와이어 토크 측정 시스템 새로운 소재와 기계적인 측정을 이용한 신기술로서 게이지 팩터가 1,000인 철선과 RF 수신기를 사용한다. 네 군데로 연결된 철선을 통해 기계적인 비틀림이나 변형으로 인하여 주파수 발생을 시키며, 이를 수신하는 RF 모듈은 약 1.33GHz에서 25mW정도로 수 미터, 2.54GHz에서는 더 멀리까지 측정치를 전송할 수 있다. 이러한 방법으로 토크뿐 아니라 속도 및 출력을 함께 측정할 수도 있으며, 모터 등 다이나모 테스트에도 응용된다.
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