1. 서 론

스트레인 게이지 센서는 도체의 저항 변화를 통해 힘, 압력 및 기타 외부 변형을 감지하는 센서로, 다양한 산업 분야에서 핵심적으로 활용되고 있다^[1-7]. 이러한 센서의 작동 원리를 활용하여 힘 및 압력을 측정하는 다양한 응용 분야에서 실시간 데이터 획득과 모니터링이 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 군사 응용 분야에서는 4축 스트레인 게이지 센서가 장갑차, 탱크, 헬리콥터 및 전투기와 같은 무기 시스템에서 핵심적인 역할을 수행하며 사수가 무장 조준 기능을 실시간으로 수행하는 데 필수이다. 그러나 이러한 군사 응용에서 주위 온도와 진동과 같은 환경 요소로 인한 오차의 증가는 실제로 오작동을 초래할 수 있다. 스트레인 게이지의 오차에 대한 연구는 이러한 문제를 극복하기 위해 진행되어 왔으며, 재료 및 회로 구성, 그리고 자체 발열과 같은 열 해석과 관련된 연구가 수행되었다^[8,9], 더 최근에는 오차를 보상하기 위한 소프트웨어 처리 기법에 대한 연구가 진행되고 있다^[10,11]. 스트레인 게이지의 오차를 보상하기 위한 소프트웨어 처리 기법에 대한 연구는 오동작을 방지하기 위한 오프셋 영역과 불감대 영역 설정과 관련이 있으며, 주변 온도의 변화에 따라 오프셋과 불감대 영역이 커질 수 있는 단점이 있다. 이러한 문제는 결국 센서의 민감도 성능저하로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 오차 보상과 동시에 민감도 성능을 향상시키기 위한 연구가 필요하다.

본 논문에서는 주위 온도 변화로 인한 스트레인 게이지의 오차를 보상하기 위해 임베디드 프로세서와 신호 처리 회로, 그리고 온도 센서에 대한 회로를 설계하고 회로 기판을 제작하였다. 또한, 임베디드 프로세서에 장착된 소프트웨어 알고리즘을 제안하고, 온도 변화에 따른 오차 보정과 민감도를 분석하여 시스템의 정상 작동 여부를 실증하였다. 이러한 연구는 스트레인 게이지를 활용한 시스템의 정확도를 향상하는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

2. 4축 스트레인 게이지 신호처리회로를 위한 시스템 설계

4축 스트레인 게이지는 전원회로로부터 +5Vdc를 공급받으며, 사수의 엄지손가락으로 상단의 노브를 조정함으로써 조절된다. 이 노브의 힘의 방향과 세기에 따라서 중간전압인 2.5Vdc에서 변화된 X축과 Y축의 전압이 출력된다. 스트레인 게이지 센서의 출력신호는 ADC(Analog Digital Converter)로 입력되어 디지털 신호로 변환된다. ADC는 Texas Instruments사의 ADS1115B를 사용하였다. 마이크로컨트롤러에도 ADC가 내장되어 있으나 10-bit로 분해능이 낮으므로 16-bit로 분해능이 우수한 ADC를 사용하였다. 마이크로컨트롤러는 Microchips사의 ATmega1280을 사용하였으며 ADC와 I2C(Inter-Integrated Circuit)통신하여 데이터를 입력받는 구조로 설계하였다. 그리고 마이크로콘트롤러에 내장된 ADC에서 온도센서의 출력을 입력받을 수 있도록 설계하였다. 온도센서는 부저항 온도계수의 특성을 가진 NTC (Negative Temperature Coefficient Thermistor)로 Murata사의 NCP 18XH103F03RB를 사용하였으며 –40℃에서 110 ㏀ 그리고 +125 ℃에서 500Ω의 성능을 갖는다.

이를 시스템 블록도로 도식화하면 그림 1과 같다.

그림 1. 신호처리 시스템 블럭도

Fig. 1. Signal Processing System Block Diagram

2.1 스트레인 게이지 동작 원리

스트레인 게이지는 외부의 힘에 의해 변형이 발생하는데, 인장되는 힘에 의해 길이가 늘어나고 동시에 굵기는 가늘어진다. 이러한 변형은 전기저항의 변화로 나타나며 이를 도식화하면 그림 2와 같다^[1].

그림 2. 스트레인 게이지의 기계적 변형

Fig. 2. Mechanical Deformation of Strain Gauge

금속선의 저항변화는 식 (1)과 같이 표현할 수 있으며, R은 금속선의 전기저항, L은 전체 길이, A는 단면적 그리고 ρ는 고유 비저항값이다.

(1)

$R=\rho\dfrac{L}{A}$

2.2 스트레인 게이지 선정

4축 스트레인 게이지는 성진테크윈의 SD-7221-5를 사용하였으며 규격은 표 1과 같고 형상은 그림 3과 같다.

그림 3. SD-7221-5의 형상

Fig. 3. Shape of the SD-7221-5

표 1 SD-7221-5의 규격

Table 1 Specification of the SD-7221-5

Description	Specification
Rated Voltage	+5 Vdc
Null output @ 25 °C	± 0.05 V at ± 5V DC
Hysteresis	± 0.5 %
Output Range	± 0.5 V
Resistance of Strain-gauge	120 Ω
Axis	4 Axis
Circuit

2.3 스트레인 게이지 상세 신호처리회로 설계

스트레인 게이지의 X축과 Y축의 출력은 ADC인 ADS1115B로 입력되며, ADC의 기준전압을 입력하기 위해 R2와 R3로 전압을 분배하여 중간전압인 +2.5Vdc가 입력된다. 공급전압은 +5Vdc이나 전원공급회로의 오차와 환경조건에 따라서 오차가 발생되므로 ADC reference 신호로 이용하여 오차에 대한 보상용으로 사용한다. 스트레인 게이지의 최대 출력은 ± 0.5 V이며, ADS1115 내부에는 PGA(Programmable Gain Amplifier)가 내장되어 있어 Full Scale Range를 최대화할 수 있도록 설계한다.

온도센서 RT1과 저항 R1으로 전압이 분배되어 마이크로콘트롤러의 ADC로 입력되며, 노이즈로 인한 영향성을 최소화하기 위하여 C1 100nF으로 RC핕터로 설계한다. ADC로 입력되는 전압은 다음의 수식과 같이 계산할 수 있다.

(2)

$ADC \;input \;voltage =\dfrac{R1}{RT1+R1}\times 5.0(V)$

NTC(Negative Temperature Coefficient Thermistor)인 Murata사의 NCP18XH103F03RB는 온도에 따라서 부저항 온도 계수의 특성을 가지며, 온도에 따른 ADC전압은 표 2와 같이 –40℃에서 0.41V부터 +72℃에서 4.16V까지의 범위로 입력된다. 상세 신호처리 회로도는 그림 4와 같다.

그림 4. 상세 신호처리 회로도

Fig. 4. A Detail Signal Conditioning Circuit Diagram

표 2 온도센서의 ADC 입력전압

Table 2 ADC input voltage of the temperature sensor

주위 온도 (℃)	온도센서의 저항(㏀)	ADC 입력 전압(V)
72	2	4.16
60	2.6	3.96
40	5	3.33
20	10	2.5
0	28	1.31
-20	60	0.71
-40	110	0.41

2.4 회로기판 설계 및 제작

회로기판은 Mentor Graphics사의 PADS Layout 프로그램을 사용하여 설계하였으며 그림 5와 같다.

그림 5. 회로기판 설계

Fig. 5. PCB layout design

회로기판에 부품이 장착된 시제작 사진은 그림 6과 같다.

그림 6. PCB 조립체 사진

Fig. 6. Picture of the PCB Assembly

2.5 조종간 통합 시제작

조종간은 엄지손가락으로 조종할 수 있는 스트레인 게이지 센서, 회로카드 조립체, 몸체, 누름식 스위치, 패널 등 약 16종의 부품으로 제작하였고, 분해도와 시제작 사진은 그림 7과 같다.

그림 7. 분해도와 시제작 사진

Fig. 7. A exploded view and prototype photo

2.6 임베디드 소프트웨어 구조

소프트웨어 구조는 그림 8과 같이 버튼핸들러, I2C핸들러, ADC 핸들러 그리고 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 핸들러로 구성하였다. 버튼핸들러는 스위치의 GPIO(General Purpose Input Output)입력을 처리한다. I2C핸들러는 I2C통신을 사용하여 스트레인 게이지의 출력신호를 입력받고 처리한다. ADC핸들러는 마이크로콘트롤러 내부의 ADC를 사용하여 온도센서의 신호를 입력받아 처리한다. UART핸들러는 버튼의 입력신호와 온도센서의 신호를 기반으로 스트레인 게이지의 출력신호를 재처리한 정보와 버튼신호를 30Hz주기로 카메라에 전송한다.

그림 8. 소프트웨어 구조

Fig. 8. A Software Structure

2.7 임베디드 소프트웨어 알고리즘 설계

온도센서를 사용하여 스트레인 게이지의 출력오차를 보정할 수 있는 소프트웨어 알고리즘은 아래와 같다.

MCU의 레지스터를 초기화한다. I2C통신으로 스트레인 게이지의 출력신호를 입력받는다. 그리고 마이크로콘트롤러내부의 ADC로부터 온도센서의 신호를 입력받는다. 온도별 오차의 데이터는 마이크로콘트롤러 내부의 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)에 look up table로 저장되어 있으며, 현재 온도의 오차를 참조하여 스트레인 게이지 출력신호를 보정한다. 제로 켈리브레이션은 5회를 읽어서 평균값으로 0점을 적용하고 오프셋과 불감대영역을 설정한다. 스트레인 게이지의 출력신호에 대한 보정값이 불감대 영역을 초과하면 해당값을 출력한다. 본 내용에 대한 소프트웨어 순서도는 그림 9와 같다.

그림 9. 소프트웨어 순서도

Fig. 9. A Software flowchart

2.8 PC 시험 프로그램 설계

C++ 기반의 MFC(Microsoft Foundation Classes)를 사용하여 PC 시험 프로그램을 개발하여, 조종간의 스트레인 게이지와 스위치 입력을 검증하였다. 이 시험 프로그램은 X축과 Y축의 스트레인 게이지 출력신호를 확인할 수 있으며, 이에 대한 예시는 그림 10과 같다.

그림 10. PC 시험 프로그램

Fig. 10. PC test program

3. 주위온도 변화에 따른 스트레인 게이지의 오차실험 결과

주위온도 변화에 따른 4축 스트레인 게이지의 출력신호 오차를 실험하기 위하여 온도/진동 복합시험챔버를 사용하였으며 그림 11과 같이 구성하였다.

온도시험은 MIL-STD-810G Method 501.5 /502.5, Procedure II 의 조건으로 –40 ℃ ~ +72 ℃ 범위에서 수행하였으며 시료는 3대를 사용하였다. 온도센서의 사용유무에 따른 스트레인 게이지 출력오차의 실험 결과는 표 3과 표 4 그리고 그림 12와 그림 13과 같다.

그림 11. 온도변화에 따른 스테레인 게이지 출력신호 오차 실험 구성도

Fig. 11. Experimental setup for strain gauge signal output tolerance based on temperature variation

그림 12. 온도센서를 사용하지 않은 스트레인 게이지 출력신호 오차율

Fig. 12. Experimental results of strain gauge output signal tolerance without using temperature sensor

그림 13. 온도센서를 사용한 스트레인 게이지 출력신호 오차율

Fig. 13. Experimental results of strain gauge output signal tolerance using temperature sensor

온도센서의 사용유무에 따라서 스트레인 게이지의 주위온도변화에 따른 오차를 비교하면 표 5와 같다.

스트레인 게이지 출력오차는 온도센서 미사용으로 주위온도 미보정 조건에서 +20℃에서 +72℃까지 약+ 6.5%의 오차를 갖는 것으로 나타났고, 20℃에서 -40℃까지의 저온구간에서는 약 -15%의 오차를 갖는 것으로 2.3배 크게 차이가 있는데 이것은 스트레인-게이지가 자체발열이 되고 주위온도와의 온도구배가 클수록 오차가 커지기 때문이며, 주위온도를 온도센서를 사용하여 보정시에는 최대 약 ± 3% 수준으로 오차가 획기적으로 줄어들었다. 이러한 스트레인 게이지의 주위온도에 따른 출력신호 오차는 오프셋 영역과 불감대 영역의 설정에도 큰 영향을 주는데 이것은 민감도 성능의 저하로 이어진다. 여기에서 오프셋 영역은 스트레인 게이지에 +5Vdc 전원이 제공되며 0점에서의 출력이 일반적으로 +2.5Vdc의 중간값으로 나타난다. 그러나 회로 부품의 오차로 인해 공급전압에 일정한 오차가 발생할 수 있다. 또한, 스트레인 게이지는 저항체이므로 자체 발열이 발생하며, 스트레인 게이지가 부착된 축의 열전달 조건에 따라 오차가 발생할 수 있다. 이러한 다양한 요인들로 인해 오차가 누적되며, 이를 보정하기 위해 영점 조정 및 오프셋 영역 설정이 필요하다. 전원을 인가한 후 초기 상태에서 오프셋 영역 내에 있으면 제품이 정상으로 간주되며, 오프셋 영역을 초과하면 불량으로 간주하고 출력이 차단되도록 하는 영역 설정이 필요하다. 그리고 불감대 영역이란 헬기나 탱크에는 운용중에 진동이 발생되며, 이로 인하여 스트레인-게이지의 출력에는 진동에 대한 출력이 나타난다. 이러한 진동조건의 출력을 방지하기 위하여 소프트웨어에서 불감대 영역을 설정이 필요하다. 따라서, 불감대 영역 이내의 스트레인게이지 출력은 진동으로 인한 것으로 간주하여 0으로 처리하여 출력하지 않으며, 불감대 영역을 초과하면 실제 운용자가 노브를 조종하는 것으로 간주하여 출력한다.

주위온도 보정으로 스트레인 게이지 출력신호 오차가 줄어들었으므로 오프셋 영역은 ± 20%에서 ±10%로 적용하고, 불감대 영역은 ±15%에서 ±7.5%로 적용을 한 후 주위온도 변화와 사용조건에서 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 주변 온도 변화에 따른 스트레인 게이지의 출력 오차를 보상하기 위해 온도 센서를 활용하는 방법을 제안하였다. 스트레인 게이지의 출력 오차를 확인하기 위해 조종간을 시제작하고, 실험 환경을 구성하여 주변 온도 변화에 따른 스트레인 게이지의 출력 오차를 측정하였다. 온도 센서를 적용하고, 온도 변화에 대한 오차를 미리 저장한 후 이를 기반으로 보정하는 소프트웨어 알고리즘을 개발하였다.

실험 결과, 주변 온도에 따른 스트레인 게이지의 출력 오차가 약 ±15%에서 약 ±3%로 획기적으로 감소한 것을 확인하였다. 또한, 오프셋과 불감대 영역도 약 100%의 성능 향상을 보였으며, 이는 스트레인 게이지의 민감도가 향상되었음을 나타낸다.

이 논문에서 제안한 온도 센서를 사용한 4축 스트레인 게이지 출력신호의 성능향상은 오작동을 방지하고 민감도를 향상시킬 수 있기 때문에 비슷한 센서를 사용하는 시스템 개발에 유용한 정보가 될 것으로 예상된다. 향후의 연구 방향으로는 스트레인 게이지 센서 자체에 온도 센서를 추가하여 4축 스트레인 게이지 출력 신호의 오차를 더욱 감소시키는 연구를 진행할 예정이다.