광전자 공학 센 서 일 반 론 2015. 09..

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1 광전자 공학 센 서 일 반 론

2 센서 (Sensor) 센서란 물리적, 화학적, 기계적 측정신호(정보)를 전기신호로 변환한 후 이를 측정자가 알 수 있도록 표시(display) 하는 장치를 말한다

3 초음파를 이용한 물체의 식별 초음파를 이용한 교란(재밍)

4 적외선 감지를 통한 물체의 식별 인간과 벌과 새의 가시파장 비교

5 센서의 정의 센서(Sensor)란 단어는 라틴어의 “지각하다” “느 낀다”라는 “Sens-"에서 유래된 말로 측정 대상물 로부터 정보를 검지 또는 측정하여 그 측정량을 인식 가능한 유용한 신호 로 변하는 장치 물리, 화학량 등의 외계의 정보를 감지하여 신호 처리하기 쉬운 전기나 빛의 신호로 변화하는 기능 을 지닌 소자 신호나 자극에 반응하고 수신하는 장치 모든 정보 및 에너지의 검출 장치

6 센서의 구성

7 센서 시스템의 구성 감각기 Sense organ 자극 Stimulation 수용기 Receptor 신경 Nerve 뇌
Brain Sensor 작용 Action Detector (Transducer) 신호 전송로 Transmission 수신 장치 및 정보 처리 장치 일반적 Sensor 블록 Module System

8 센서 시스템

9 센서의 특징 ㅇ 센서는 독립적인 기능은 없지만 다수의 변환기, 신호조절장치, 신호처리 장치, 기억장치, 자료기록장치, 작동장치와 같은 커다란 시스템의 일부가 된다. 장치에서 센서의 역할은 본질적이거나 부분적이다. - 센서는 외부영향과 외부자극의 변화에 대한 신호 시스템을 감지하는 입력 장치에 속한다. 센서는 항상 다른 종류의 자료수집 장치의 일부분이다. 종종 각각의 시스템은 다양한 신호 반송 장치를 포함하고 있는 큰 제어 시스템의 일부가 되고 있다. ㅇ 인간의 감각과 지각, 지능에 의한 판단만으로는 도저히 대처할 수 없이 발전해 가는 산업에의 대응을 위해서 필연적으로 센서는 태어나고 있다. 센서 기술 또한 대처해야 할 대상의 특성에 맞춰 발전하여 왔으며, 앞으로도 확장되는 대처 대상을 따라서 한 없이 발전할 것이다. - 센서는 인간의 5감(시각, 미각, 청각, 후각, 촉각) 대신에 그 역할을 대신하고 정확성을 주는 기기로 발전해왔으며, 현재는 인간의 5감으로 느낄 수 없는 현상, 예를 들면 적외선 등의 전자파, 에너지가 작은 초음파 등을 검출할 수 있는 미세 분야의 현상을 감지하는 기기로 지속적으로 발전.

10 센서의 특징 오감이 아닌 센서 : 중력센서, 자기센서

11 센서의 이용과 역할 정보수집물리적으로 변하는 상태를 측정하고 이의 정보를 전달하기 위해서 센서를 이용
① 계측 ㆍ계량: 과학, 일상생활 등과 같이 물리적인 양의 계측 또는 계량이 주 목적인 것으로 정량적인 수치를 요구하고 있다. ② 탐지ㆍ탐사: 우주탐사, 지질탐사, 자원탐사등과 같이 검색을 목적으로 이용 하는 경우는 대부분 원격으로 이루어지는 것이 보통이다.이와 같이 탐사된 자료를 정보화하여 사용하기 위해 센서를 이용한다. ③ 감시ㆍ경보ㆍ보호: 시스템이나 인물, 또는 장비에 대해 변화상태를 감시하고 위험을 방지하기 위해 이용 ④ 검사ㆍ진단: 의료, 농산물, 생체 등의 상태를 검사하고 진단하기 위한 것으로 정보화 사회로 급격히 변함에 따라 이들을 이용한 센서도 많아지고 있다.

12 센서의 이용과 역할

13 글_이대성 | 전자부품연구원 스마트센서사업단 수석연구원

14 Sensor 종류 (측정대상에 따른 분류) 열 온도 Sensor Sensor 전자기 Sensor 화학 Sensor
생물(bio) Sensor 방사선 Sensor 역학 Sensor 음향 Sensor 접촉식 : 센서 검출부가 측정대상에 집적적으로 접촉하여 계측하는 방식 비접촉식 : 측정대상에서 방출되는 양을 검출하여 계측하는 빙식

15 센서 측정 대상

16 센서의 분류 구성 방법에 의한 분류 구성 재료별 분류 기본센서 : 가장기본이 되는 단일 소자로 구성이 된 것
2) 조립센서 : 다른 종류의 소자 또는 변환장치를 조립해서 구성된 것 으로 많은 센서가 이 형태를 취하고 있다. 3) 응용센서 : 기본센서 또는 조립센서와 다른 여러 종류의 장치를 조합시켜 구성한 센서이다. 센서의 구성 재료별에 따라 검출하는 대상과 능력이 차이를 보이게 된다. 따라서 센서에 주로 사용되는 재료를 기준으로 분류하면 크게 반도체, 세라믹, 유기재료 (고분자), 금속재료, 복합재료 등으로 분류할 수 있다.

17 센서의 분류 신호형식에 의한 분류 1) 아날로그형
센서의 신호가 아날로그 신호로 나오는 것으로 대부분의 센서는 이 종류이다. 이 신호는 전자회로를 이용해 디지털 신호로 변환하여 사용할 수 있다. 2) 디지털형 센서에서 나오는 신호가 주기적 또는 펄스 등과 같이 디지털 신호로 나오는 것으로 바이메탈 온도 스위치 등과 같은 것을 들 수 있으나 센서자체의 신호는 아날로그 신호로 볼 수 있고 여기에 전자회로를 첨부 한 것이 많다.

18 센서의 분류 작용형식에 의한 분류 1) 능동형 센서
대상물에 가해지는 전압, 전류, 열자극 등에 의한 에너지 상태변화를 검출하는 방식으로 레이더, 레이저를 이용한 형광 분석장치, 음향 분석장치, 초음파를 이용한 물체인식 또는 레벨 계측 등을 들 수 있다. 2) 수동형 센서 ㅇ 피검 대상의 물체에서 방출하는 정보를 그대로 이용하는 것으로써 외부의 입력신호를 받아서 센서 자신이 직접 에너지 변환되어 다른 에너지 형태로 출력하는 기능을 가진 센서를 말하며 적외선 온도계, 적외선 촬상장치, 자외선 검출기, 광 센서 등이 이에 속한다.

19 능동, 수동형 광 원격 센서 LiDAR

20 센서 시스템의 구성 트랜스듀서 : 기계적 자극을 전기적 출력으로 바꾸는 장치를 말하는 것이었으나 현재는 열·복사선·소리·변형·진동·압력·가속도 등 자극의 모든 형태를 감지하여 전기적 신호나 기압이나 유압 등과 같은 비전기적 신호로 출력하는 장치들까지 포함하게 되었다. - 에너지 변환장치를 일컫음. 액추에이터 : 에너지를 사용하여 기계적인 일을 하는 기구를 말하는 것

21 센서의 구비요건 ㅇ 센서는 외부로부터의 자극이나 신호를 선택적으로 감지해야 하는 본질적 기능과 이 감지된 원초적 신호를 유용한 전기적 신호로 변환하는 기능을 갖추고 있어야 하며, 기본적으로 우수한 감도(sensitivity), 선택도(selectivity), 안정도(stability), 복귀도(reversiblity)를 갖추어야 한다. ㅇ 센서의 감도는(sensitivity) 측정치의 정밀도 (precision) 혹은 정확도(accuracy)의 기초가 된다. 용액이나 기체중의 특정 이온이나 특정 가스를 검출하고자 할 때 공존하고 있는 다른 이온이나 가스들의 간섭효과를 최대한 피해야 하는데 이러한 경우 센서의 선택도는 특히 중요하다. ㅇ 센서의 동작이 측정환경의 변화에도 안정되어 있어야 하며 또 센서가 작동을 하고 난 후에는 즉시 원상태로 복귀 (reversiblity) 하여 다음 작동 태세에 들어가야 한다. 그러나 보통은 센서가 작동 후 원상 복귀하는데 어느 정도의 시간을 요한다.

22 센서의 성능지표 위의 자료 중 특성은 센서의 성능과 직접적으로 관련

23 센 서 일반론 II

24 센서의 특성 정특성 : 입력이 시간적으로 변하지 않을 때의 특성
- 감도(sensitivity), - 직선성(linearity), - 히스테리시스(hysteresis), - 선택성(Selectivity) 동특성 : 입력이 시간적으로 변할 때의 특성 응답시간 - 주파수 특성

25 센서의 특성 Accuracy: 측정값과 참값 사이의 오차 Resolution: 장치가 측정할 수 있는 최소입력변화
Sensitivity: 미소입력신호변화에 대한 미소출력 변화의 비율 Repeatability: 반복되는 동일한 입력값에 대하여 동일한 출력을 낼 수 있는 능력

26 Accuracy vs. Resolution
True value measurement

27 Accuracy vs. Precision (정확 vs. 정밀)
Precision without accuracy Accuracy without precision Precision and accuracy

28 정확도(accuracy)와 정밀도(precision)
- 센서 출력이 참값(true value)에 얼마나 가까운가를 나타내는 척도 - 실제로, 오차는 정격출력(FSO)의 백분율로 나타낸다 정도(precision) - 측정의 반복성이나 재현성의 척도 : 즉 연속 측정값들 사이의 일치성

29 정확도(accuracy)와 정밀도(precision)
참값 측정 결과의 평균값 정확도는 정밀도는 정확도는 정밀도는

30 Sensitivity and Dynamic Range
LOD : limit of Detection, LOQ : limit of Quantification LOL : limit of linearity

31 전달함수 (transfer function)
센서의 입력과 출력 사이의 함수적 관계를 말하며, 이 관계는 그림과 같이 입력신호와 출력신호의 관계를 보여주는 그래프로 나타낼 수 있다. 센서 전달함수 이상적인 센서의 입출력 특성

32 감도 (sensitivity) : S 미소입력신호변화에 대한 미소출력 변화의 비율
감도가 크다

33 Dynamic Range 의미 있는 출력값을 얻을 수 있는 최대입력과 최소입력 사이 범위
풀 스케일 입력 (full scale input : FS), 스팬 (span), 풀-스케일 레인지 (full-scale range)라고도 한다. *입력에 대한 출력의 선형변화가 유 의미할 때

34 풀 스케일 출력(full-scale output；FSO) :
최대 입력 시 출력과 최소 입력 시 출력 사이의 대수적인 차 정격입력 또는 정격출력이란 용어도 함께 사용된다

35 직선성 (linearity) - 이론적인 직선성 (theoretical linearity) : 센서의 특성곡선이 이상적인 직선관계로부터 벋어남의 정도. 이 이상직선은 센서를 설계할 때 이론적인 예측에 의해서 결정된다. 예를 들면 그림과 같이 이상적인 직선( )을 가정하면, 이 센서의 이론적 직선성은 실측치가 이상적인 직선으로부터 벋어난 정도이다. - 센서의 직선성은 자주 비직선성(nonlinearity)의 백분율로 나타낸다

36 - 센서입력이 허용한계를 초과하면 출력이 포화(saturation)되기 시작하여 응답의 직선성을 상실하기 때문에 동작범위의 상한 또는 정격을 정한다.
- 센서소자 자체의 특성이나 변환원리 자체가 직선으로 되지 않는 경우에는(즉 1차함수가 아닐 때) 변환회로를 사용해서 센서를 포함한 회로 전체의 입출력이 직선성을 갖도록 한다. 센서소자를 직선성이 우수한 범위에서 사용하여도, 변환회로나 증폭기의 직선성이 좋지 않으면 센서 전체의 직선성은 나빠진다.

37 감도오차와 오프셋 오차 감도오차 (sensitivity error) 또는 감도변동(sensitivity drift)
- 센서의 입출력 특성의 기울기가 이상적인(정상적인) 직선의 기울기로부터 벗어나는 것을 의미한다. 감도오차 (sensitivity error) 또는 감도변동(sensitivity drift) - 입력(x)이 0일 때 센서출력(y)이 0로 되지 않는 것 오프셋(offset) 또는 영점 변동(zero or null drift) - 감도변동과 영점변동이 동시에 발생하면 아래 그림과 같이 오차는 더 커진다.

38 히스테리시스(hysteresis) - 입력 x를 증가시켜가면서 출력을 측정할 때와 감소시켜가면서 출력을 측정하였을 때 동일한 입력에서 출력이 같지 않는 현상 - 히스테리시스 차 ( )는 입력변화의 크기에 의존 - 센서의 히스테리시스 특성은 FSO에 대한 비율로 나타낸다. 히스테리시스 - 히스테리시스는 센서에 사용되는 각종 재료가 갖는 물리적 성질에 따라서 나타난다. 특히, 센서에서는 탄성재료, 강자성체, 강유전체에 생기는 히스테리시스가 중요하다.

39 분해능 (resolution) - 검출할 수 있는 최소 증분(smallest increment) 분해능을 제한하는 원인
입력의 변화분이 센서내부에서 흡수되어 출력으로 나타나지 않는 경우 및 센서내부에서 발생하는 잡음(noise) 분해능은 작을수록 좋다. FS:Full scale의 백분율로 표시 아날로그 센서(analog sensor)에서는 0.1%정도 디지털 센서(digital sensor)에서는 비트(bit)로 정해진다. 예를 들면, 12 bit의 경우 분해능 :

40 선택성(selectivity) 센서에 입력되는 여러 변수 중에서 원하는 변수만을 선택적으로 검출하는 성질.
센서는 원하는 물리(화학)현상만을 검출하고, 다른 현상의 영향을 받지 않는 것이 바람직하다. 일반적으로 대부분의 센서는 온도나 습도의 영향을 받기 때문에, 센서 구조를 변경하거나 전자회로로 보상하여 센서의 선택성을 향상시키기도 하고, 또는 습도센서와 가스센서 등에서처럼 특정한 화학물질에 의해 선택성을 실현하기도 한다.

41 재현성(reproducibility )
동일한 양을 같은 방법으로 장기간에 걸쳐 측정하거나 다른 사람에 의해서 측정되거나 또는 다른 실험실에서 측정될 때 측정값 사이에 일치하는 정도를 나타냄 재현성을 좋게 유지하기 위해서는 센서를 정기적으로 검사, 교정, 보수해야 한다 반복성(repeatability) - 동일한 양을 동일조건(환경, 사람 등)하에서 동일방법으로 단기간(short time interval)에 연속 측정할 때 측정값들이 서로 얼마나 일치하는가를 나타내는 것

42 신뢰성 센서가 명백히 규정된 기간 동안 규정된 조건하에서 고장(failure) 없이 동작할 때 그 센서는 신뢰성이 있다고(reliable) 말한다. 신뢰성(reliability)은 통계적으로 기술된다. 높은 신뢰성(high reliability)이란 원하는 성능을 수행할 확률이 1에 가까운 것을 의미한다. 즉 규정된 기간 동안 센서가 고장 날 확률이 거의 없다. 고장율(failure rate)은 다음과 같이 정의한다. dt : time interval Nf(t) : N개의 센서 중 고장 난 센서 수 Ns(t) : 살아남은 센서 수 N = Ns(t) + Nf(t)

43 환경 영향 센서가 사용되는 환경 조건, 특히 온도, 습도 등은 센서의 정․동특성에 매우 큰 영향을 미친다.
센서의 성능에 영향을 미치는 이러한 외부 변수들을 환경 파라미터(environmental parameter)라고 부른다. 예 : 온도 영점오차 : 센서입력을 0으로 했을 때 온도변화에 기인한 센서의 출력 레벨 변화 온도 스팬 오차: 입력을 정격입력(100%FS)으로 설정했을 때 온도변화에 기인한 센서의 출력레벨 변화

44 동특성 시간응답특성(과도특성) 입력의 크기를 갑자기 변화시킬 때의 센서의 응답-> 과도특성
응답시간 (response time) - 새로운 입력에 대한 출력이 변화되기까지의 시간 입력에 계단함수 (step function)을 인가시켜 측정 상승시간, 감쇠시간, 시정수 (지수함수인경우) 로 표현 계단응답의 예

45 주파수 특성 정현파 입력에 대한 센서 특성 입력 주파수에 대해서 출력이 -3dB로 될 때의 주파수 범위를 응답 주파수

46 잡음 (noise) 원하지 않는 불규칙한 신호
센서소자나 변환회로로부터 불규칙적으로 변동하는 잡음이 발생한다. 잡음은 원리적으로 제거할 수 없는 것이 있으며, 또한 전원의 리플(ripple)이나 진동 등 환경의 변동에 의한 것도 포함된다 센서의 입력변화에 대한 응답이 잡음레벨 이하로 되면 오차가 발생한다. 센서의 감도가 높으면, 미소입력신호도 검지할 수 있다 센서에 유입되는 잡음이 증대되면, 감도가 높더라도 미소입력신호의 검출이 불가능해져 측정 하한치는 크게 된다. 그러므로, 센서의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio；S/N ratio)를 향상시킴으로써 검출 하한치를 작게 할 수 있다. 신호 대 잡음비를 개선하기 위해서는 필터(filter)등을 사용한다.

47 출력 임피던스 출력 임피던스(output impedance)란 출력 측에서 본 센서의 임피던스를 말하며, 센서에 필요한 인터페이스 회로의 입력 임피던스를 결정한다. 출력신호의 일그러짐(distortion)을 최소화하기 위해서는, 전압출력 센서 (그림 a) : V =Vs로 되기 위해서는 센서의 출력 임피던스(Zo)는 가능한 한 작아야 하고, 회로의 입력 임피던스(Zi)는 가능한 한 커야 한다. 전류출력 센서 (그림 b) : I =Is로 되기 위해서는 센서의 출력 임피던스는 가능한 한 커야 하고, 회로의 입력 임피던스는 가능한 한 작아야 한다. 전압 출력 전류 출력

48 교정 (calibration) - 알려진 입력값(standard)을 이용하여 출력을 도출하는 과정
- 교정곡선 calibration curve : 센서의 표준 입력값과 이에 의해 얻어진 출력과의 관계를 도식화한 곡선 - 전달함수 : 입력과 출력의 관계를 나타내는 함수 Good calibration curve Bad calibration curve

49 Specifications of Sensor
Dynamic Range: the ratio of maximum recordable input amplitude to minimum input amplitude, i.e. D.R. = 20 log (Max. Input Ampl./Min. Input Ampl.) dB Linearity: the deviation of the output from a best-fit straight line for a given range of the sensor Transfer Function (Frequency Response): The relationship between physical input signal and electrical output signal, which may constitute a complete description of the sensor characteristics. Bandwidth: the frequency range between the lower and upper cutoff frequencies, within which the sensor transfer function is constant gain or linear. Noise: random fluctuation in the value of input that causes random fluctuation in the output value

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