제 2 장 물리량 센서

제 1 절 근접 센서 장점 근접 센서(=근접 스위치) 위치센서로서 접근하는 물체의 위치 검출 비접촉식으로 스위칭 동작 기계적으로 동작하는 리밋 스위치나, 마이크로 스위치와는 별개 장점 비접촉식 감지 → 기계적 마모없음 비접촉식 감지 → 기계적 작동력 불필요 수명이 길고 신뢰성이 높음 물, 기름, 먼지에 대한 내환경성이 높다 빠른 스위칭 주기 및 센서 설치가 용이

근접 센서의 종류 동작원리에 따른 분류 유도형(고주파 발진형) 정전 용량형 자기형 리드 스위치 광전형 광전 스위치

근접 센서의 종류 모양에 따른 분류 각형, 원통형, 주형, 관통형, 다점형 등 원통형을 가장 많이 사용 센서의 설치 부위가 작고 금속내에 매입 가능한 기종이 많다 외부에 가공된 나사에 의해 미소한 위치 결정 조작이 용이 사용 용도별로 다양한 기종과 설계조건에 따른 호환성이 높다 단일형상을 사용함으로 기종 선택성이 높다

1. 유도형 근접 센서 동작원리 검출코일에서 발생되는 고주파 자계중에 검출물체(자성물체)가 접근 전자유도 현상에 의해 근접 물체 표면에 유도전류(와전류) 발생 유도전류에 의한 검출물체(자성금속) 내에 열손실 발생 유도전류에 의해 열손실이 발생하게 되면 검출코일에서 발생하는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 발생 내부 발진회로의 발진 진폭이 감쇠 또는 정지 이 상태를 이용하여 검출체의 유/무를 2진으로 검출

1. 유도형 근접 센서 주요 구성요소는 발진회로, 변조회로, 트리거 회로, 출력회로 LC 발진회로에서 고주파 자장 검출면 → 발진 시작 → 일정 전류 발생 → 검출면에 접근 시 와전류가 도체내 발생 → 발진 에너지 감소 → 변조회로(감쇠 포착) → 트리거회로(2진 출력)

자속이 통과하는 방향과 직각인 평면상에 자속을 중심으로 동심원상으로 전류가 흐름 와전류 금속 등의 도체판에 변화하는 자속을 투과 자속이 통과하는 방향과 직각인 평면상에 자속을 중심으로 동심원상으로 전류가 흐름 오른나사의 법칙 철심 온도 상승의 원인 해결책 성층철심 사용 얇은 철판을 절연하여 겹쳐서 사용

1. 유도형 근접 센서 (cont’d) 센서 동작 원리 검출물체 고주파 자계 영역 검출면 공진 회로 코일 고주파 자계영역에서 에너지를 끌어 당김 V[v] OFF 비검출 OFF 도체가 검출면 접근 OFF 비검출 OFF 도체가 검출면 접근 OFF 비검출 t[s] 발진회로 출력신호

2. 용량형 근접 센서 전계 중에 검출체(금속, 유전체)가 접근하면검출전극과 검출체 표면에 전하 이동, 분리에 따른 대지간 정전용량의 변화를 검출 절연물, 액체 검출 가능 센서의 검출 거리 영향 요소 검출 면과 검출체 사이의 거리 검출체 크기 검출체 재질의 유전율

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 가. 구조 및 동작 원리 대지와 센서 사이 전계 형성 → 검출체 센서 접근 → 충전 전하 증가 → 정전용량 증가 → 이하 유도형과 동일한 동작

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 비검출 물체검출대지 발진회로 출력 신호 대지 대지 (Earth) (Earth) 발 진 OFF 비검출 OFF 도체가 검출면 접근 ON 검출 t[s] 발진회로 출력 신호

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 커패시터(콘덴서)의 원리 전하를 축적하는 전기적 기능을 갖는다 커패시터는 절연물질에 의해 분리된 두 개의 평행한 도전판으로 구성된다 두 개의 평행한 금속판에 전압(Vs)을 인가하면 금속판 사이의 공간에는 전기장(El)이 발생한다 평행한 두 도전판 사이에 채우는 절연물질을 절연체라 하며, 절연체의 성질에 따라 충전될 전하의 양이 결정된다

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 전기장에는 전기력선이 있어 상판의 원자구조 내에 있던 최외각 전자들이 이동하여 전원의 (+)극에 흡수된다 상판은 전자를 빼앗겨 (+) 극성을, 전원의 (-)극에서 유출된 전자는 하판에 집적되어 (-) 극성을 나타낸다 커패시터에 전하가 축적되는 과정을 충전이라 한다 커패시터가 완전히 충전되면 더 이상 회로내에 전류가 흐르지 않는다 인가한 전압을 제거해도 전하는 그대로 남게된다

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 정전용량(C)의 정의 C : 정전용량 K : 유전체의 유전율 A : 전극판 면적(LXW) N : 전극판수 S : 두 극판 거리

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 물질의 비유전율 재질에 따른 보정 계수

2. 용량형 근접 센서 (cont’d) 용량형 근접 센서 사용 예 근접센서 전극판 밑에서 유전체 변화를 주면 전기력선이 증가하여 정전용량을 크게 변화 시킬 수 있어 인체(승객)나 물건 감지 전선, 전극판 센서 전기력선 승객

3. 광전 스위치 접촉하지 않고 광전효과에 의해 검출 대상의 반사광 또는 복사광을 검출 물체에 의한 빛 차단 → 전기적으로 변환 검출용 스위치 = 센서 기능 + 개폐 기능 광센서 (photo sensor) 광전자 센서, 광전센서 센서 기능에 중점 광 스위치(photo switch) 광전 스위치 개폐 기능에 중점

3. 광전 스위치 (cont’d) 특징 비접촉으로 검출 검출 길이가 길다 대부분의 대상물을 검출 응답 시간이 빠름 물체의 대/소, 색상, 명암 등 검출 가능 빛은 수광의 넓이와 굵기 설정이 용이 렌즈의 먼지 등으로 인해 투 · 수광에 방해

3. 광전 스위치 (cont’d) 구조 및 동작 원리 수광부와 발광부가 일체형 수광부와 발광부 분리형 광전 스위치 = 발광부 + 수광부 수광부와 발광부가 일체형 확산 반사형 센서(=반사형), 회귀 반사형 센서(=리플렉터) 수광부와 발광부 분리형 투과형 센서

3. 광전 스위치 (cont’d) 발광부 수광부 적색광 또는 적외광 방출 광학적 현상(직진,굴절,투과,간섭등) 발생 발생부에서 발생한 빛에 의한 반사, 투과, 흡수, 차광 등의 변화를 받아들임 이진 전기 신호로 변환 ON/OFF

3. 광전 스위치 (cont’d) 광학현상 직진 : 빛이 반듯이 진행하려는 성질 굴절 : 빛 또는 전자파가 매질 중을 통과할 때 진행 하는 방향이 변경되는 현상

3. 광전 스위치 (cont’d) 광학 현상 투과 : 빛이 매질을 통과하는 현상으로 감쇠 발생 간섭 : 2개 이상의 빛이 어느 한 지점에서 충돌시 발생하는 상호 작용으로, 보강간섭시는 밝아지고, 상쇄간섭시는 어두워 짐

3. 광전 스위치 (cont’d) 반사 : 서로 다른 경계면에서 빛이 에너지의 일부 또는 전부를 본래의 매질로 돌리는 것 반사 : 서로 다른 경계면에서 빛이 에너지의 일부 또는 전부를 본래의 매질로 돌리는 것 산란 : 다수의 입자, 분자, 원자 등에 부딪혀 반사하여 그 진행 방향이 다방향으로 변하는 것

3. 광전 스위치 (cont’d) 회절 : 장애물에 의한 반사 또는 매질의 불균일성에 의해 파면이 변화하는 현상 회절 : 장애물에 의한 반사 또는 매질의 불균일성에 의해 파면이 변화하는 현상 편광 : 빛의 진행 방향과 진동 방향이 수직인 관계로 변경되는 현상

3. 광전 스위치 (cont’d) 광 센서의 구조

3. 광전 스위치 (cont’d) 나. 검출 방식에 따른 분류 투과형 센서, 회귀 반사형 센서 확산 반사형 입광 스위칭 동작 빛이 검출체에 의해 차단되지 않을 때 출력 차광 스위칭 동작 빛이 검출체에 의해 차단될 때 출력 확산 반사형 입광 스위칭 검출체가 검출 영역 내에 들어 왔을 때 출력차단 차광 스위치 검출체가 검출 영역 내에 들어오지 않았을 때 출력

3. 광전 스위치 (cont’d) 투과형 센서 발광부와 수광부가 분리 비교적 넓은 감지 범위 검출 거리가 길고 검출 정도도 높음 투명 물체의 검출은 곤란 광축이 일치 검출체가 발광부와 수광부 사이의 빛을 차단시 출력 용도 물체의 통과, 안전, 침입 방지

3. 광전 스위치 (cont’d) 투과형 센서의 검출 원리

3. 광전 스위치 (cont’d) 투과형 센서의 응답 범위 발광부와 수광부의 광학렌즈 크기에 의해 범위 결정

3. 광전 스위치 (cont’d) 회귀 반사형 센서(=미러 반사형) 발광부와 수광부 일체형 반사경을 이용(편광미러) 반사경보다 반사율이 낮은 물체가 광차단시 출력 광축 조정이 용이 검출체 투명체, 반사률이 좋은 경우 검출 곤란 확산 반사형과 비교 검출 거리가 길다 배경에 의한 오동작 방지 투과형에 비해 비용 저렴

3. 광전 스위치 (cont’d) 확산 반사형 발광부와 수광부가 일체형 발광부의 빛이 수광부에 도달시 출력 무접점 출력과 유접점 출력으로 구분 감지 거리(30Cm 이내) 검출체의 반사률에 따라 달라짐 검출체의 크기, 모양, 표면 광택도, 색깔 등에 따라 검출체의 배경에 영향을 받음 빛을 흡수, 난반사에 의한 센서 오동작 발생

3. 광전 스위치 (cont’d) 확산반사형 센서의 감지 거리 코닥 그레이 카드 CAT 152 7795의 백색면을 표준 검출체로 이용(빛의 90%의 반사율을, 회색면은 18%의 반사율) 재질에 따른 감지 거리 보정

4. 광파이버 광섬유 케이블(optical fiber cable) 지름의 굵기가 0.1mm 정도인 석영(유리 섬유 또는 플라스틱)을 케이블 안에 넣어 사용 빛의 통로를 곡선으로 유지 시키거나 수광부 또는 외부에 노출시켜 설치 공간을 확보하기 어려운 경우 레이저광의 전반사 현상을 이용해 데이터를 전송하는 원통형 선로 굴절률이 높은 중심의 코어를 굴절률이 낮은 클래딩(유리 또는 플라스틱)이 감싸는 구조

4. 광파이버 (cont’d) 광 케이블 구조 광 코아(optical core) 광 코아는 광섬유의 가장 안쪽 부분에 위치 굴절률이 큰 유리나 플라스틱으로 만든 하나 이상의 매우 가는 가닥 광 클래딩(optical cladding) 굴절률이 적은 유리 또는 투명 플라스틱 자켓(jacket) 플라스틱의 외부로 코팅된 절연막(plastic coating) 외적인 위험 요소(습기, 파손, 마모)로부터 보호하는 역할

4. 광파이버 (cont’d) 광섬유를 이용한 전송 광섬유를 이용하여 빛을 전하는 원리는 전반사(total reflection)를 이용하여 에너지를 전달 전반사 : 광학적으로 밀한 매질(굴절률이 큰)에서 소한 매질(굴절률이 작은)로 빛이 진행할 때, 특정 임계각보다 큰 입사각으로 입사한 빛이 굴절하지 않고 100% 반사되는 현상

4. 광파이버 (cont’d) 2진수의 0과 1을 실현하는 데 있어서 광섬유가 빛을 켰다 껐다 하여 캐리어(carrier) 역할을 함

4. 광파이버 (cont’d) 파이버 세 가지 형식 모드(mode) Step index, Multi mode 광파이버 케이블 내에서 빛이 전파하는 특정 형태 각 케이블에 따라 전파 방향이 달라짐을 의미 Step index, Multi mode Step index, Mono mode 하나의 광만이 통과 → 출력 펄스는 입력펄스 형태를 그대로 유지 Gradient index, Multi mode 굴절률이 연속적으로 변화하는 구조

4. 광파이버 (cont’d) 가. 스텝 인덱스 파이버 스텝 인덱스 서로 다른 입사각의 빛 → 서로 다른 거리로 전달 코어와 클래딩 사이에 분명한 굴절률의 차이 빛은 파이버 내에서 여러 방향으로 전파 가능 서로 다른 입사각의 빛 → 서로 다른 거리로 전달

4. 광파이버 (cont’d) 나. 그래디언트 인덱스 파이버 굴절률이 연속적으로 변화하는 구조 코어의 굴절률이 중심에서 가장 큼 코어 중심부의 빛 : 전파길이 짧고 속도 느림 코어 가장자리의 빛 : 전파길이 길고 속도 빠름 빛의 속도 → 굴절률에 반비례 분산모드 여러 개의 전송모드가 존재 → 전송속도 서로 다름

4. 광파이버 (cont’d) 단일 모드와 다중 모드 광섬유의 특징 비교 광 전송 형태 단일 모드(single mode) 발광기에서 발생된 광선이 한 개의 전파 경로 단일 모드는 장거리 대용량 전송, 광 해저 케이블 통신 등에 이용 다중 모드(multi mode) 여러 각도의 광 신호 경로 여러 경로의 광 신호에 따라 여러 주파수 요소가 시간에 따라 각각 다르게 퍼지므로 전송에 장애가 되는 왜곡(distortion)을 일으킬 수 있음

4. 광파이버 (cont’d) 다. 사용 예 광센서의 설치 공간이 부족시 사용 가능 폭발 위험성이 있는 곳 작은 물체의 검출에도 높은 정확도를 나타냄

4. 광파이버 (cont’d) 광센서 + 광파이버 사용시 장점 플라스틱 재질의 광파이버 사용시 장점 유리 재질 광파이버 사용시 제한된 공간에서 검출 가능 검출체가 작은 경우에도 정확한 검출 가능 센서의 부착 시 진동과 무관 플라스틱 재질의 광파이버 사용시 장점 유리 재질에 비해 기계적 강도가 크다 광파이버 케이블의 절단이 용이 가격이 저렴 유리 재질 광파이버 사용시 높은 온도에서 사용 가능 긴 전송 거리 적외광에 가까운 파장에 의한 감쇠 적음 수명이 길다

5. 리드 스위치 사용 온도 범위가 높음 내 전압 특성 우수 동작 수명이 길다 소형·경량 가격 저렴 응답 속도가 빠르고 반복 정밀도 우수 접점의 동작·복귀가 빠름(1 [ms]) 유리에 봉입되어 접촉 신뢰성이 높음 가스, 액체, 고온 고습 환경 사용 온도 범위가 높음 내 전압 특성 우수 동작 수명이 길다 소형·경량 가격 저렴 자석과 같이 조합하여 외부 전원 인가없이 사용 가능 자동기기의 스위칭 소자로 활용 전자 제어 장치, 기계 제어 장치

5. 리드 스위치 (cont’d) 가. 구조 및 동작 원리 접점의 재질 접점이 불활성 가스를 충전한 유리관 속에 봉입 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 접점이 불활성 가스를 충전한 유리관 속에 봉입 수소, 질소 접점 형식에 따른 분류 노멀 오픈형 노멀 크로즈드형 바이어스용 영구 자석을 부가해서 접점을 닫은 상태로 유지 트랜스퍼형 고정 접점을 2개를 설치

5. 리드 스위치 (cont’d) 동작 원리 막대 자석을 리드 스위치에 접근 → 연질 강 자성 재료의 리드 편은 자계의 방향에 따라 자화(N, S극을 갖음) → 접점부에 인력 작용 → 접점 폐로 구성 → 전류 흐름 외부 자계 제거 → 초기화

5. 리드 스위치 (cont’d) 주의점 동작 특성 유리관 사용 → 강한 외부 응력 피할 것 과도한 충격 가하지 말 것 부하 조건에 따라 수명이 좌우 사용 조건의 검토 필요 동작 특성 자극의 설치 면에 따라 검출 특성이 달라짐 자석의 올바른 부착으로 해결

6. 용어 설명 가. 검출 거리 표준 검출체를 이동시켰을 때 근접 센서의 검출 면에서 검출 동작이 일어나는 곳까지의 거리 근접센서 → IEC 규격으로 제정 검출 거리

6. 용어 설명 (cont’d) 검출 거리 측정시 허용 조건 정격 또는 공칭 검출 거리 : Sn 정미 검출 거리 : Sr 센서를 표시하는데 사용하는 검출 거리 제조 공정, 온도, 공급 전압에 의한 허용차 고려하지 않음 정미 검출 거리 : Sr 정격 전압과 정격 주위 온도 일때 측정 0.9 Sn ≤ Sr ≤ 1.1 Sn 유효 검출 거리 : Su 공급 전압과 주위 온도의 허용한도 내에서 측정 0.9 Sr ≤ Su ≤ 1.1 Sr 실 검출 거리 : Sw 전압 변동 또는 온도 변화와 관계없이 표준 검출체를 검출할 수 있는 영역 신뢰 가능한 사용범위 0 < Sw ≤ 0.9 X 0.9 X Sn

6. 용어 설명 (cont’d) 실무 적용을 위한 실 검출 거리 측정 검출 대상의 재질, 크기, 측정 환경 고려 검출체의 재질에 따른 보정 계수 적용

6. 용어 설명 (cont’d) 나. 응답 주파수 검출 물체를 반복하여 접근시켰을 때 1초 사이에 검출하는 횟수의 최대 값 센서의 검출면이 클수록 응답 주파수 낮아짐 직류 전원용 센서 > 교류 전원용 센서 응답 주파수 측정

6. 용어 설명 (cont’d) 근접 센서의 금속 고정체 장착할 경우 다. 플러쉬형 라. 논-플러쉬형 금속면과 센서 평면 유지 센서가 금속 보다 낮으면 안됨 직렬 연결 : d 거리 유지 오동작 방지 배경체와 거리를 Sn의 3배 이상 유지 라. 논-플러쉬형 센서의 전면과 측면에서 모두 자장 형성 플러쉬형에 비해 검출거리 길다 금속체 내장시 : 지름의 3배이상 공간 확보

6. 용어 설명 (cont’d) 마. 출력 형식 센서모듈의 출력회로가 트랜지스터 방식일 경우 PNP Tr 출력형 출력단자와 (-)(접지)간에 부하를 연결 NPN Tr 출력형 출력단자와 (+)전원 단자간에 부하를 연결

6. 용어 설명 (cont’d) 근접 센서 출력 접점 전원 공급 단자 PNP, NPN 출력에 관계없이 BN:갈색(brown, +), BU:청색(blue, -) 출력단자 BK : 검정색(black)

6. 용어 설명 (cont’d) 바. 응답시간 빛의 입력이 단속적으로 계속될 때 제어출력이 동작 또는 복구하기까지 늦어지는 시간 광전 스위치 동작 시간(T ON) ≒ 복귀 시간 ( T OFF)

6. 용어 설명 (cont’d) 사. 동작 모드 입광동작 차광 동작

6. 용어 설명 (cont’d) 아. 광전 스위치 용어 광축 직류광 변조광 외란광 지향각 광망의 중심 축 빛이 향하는 방향, 수광 시야의 중심 직류광 시간적으로 명도가 변화하지 않는 광 태양 광, 백열 전구 변조광 일정 시간 주기로 변화를 계속하는 광 변조된 LED, 형광등(가정용 60Hz), 수은등 외란광 광전 스위치와 무관하게 외부에서 광전 스위치에 영향을 주는 광 지향각 투과형과 회귀 반사형 광전 스위치에서 동작 가능한 각도