제 4 장 센서 위덕대학교 에너지전기공학부 이 수 형

2절. 신호처리 물리량의 절대값이나 변화량을 검출한 후 시스템에 정보로 제공 (신호처리 필요) 신호처리 대상으로부터 측정, 검출 사용, 전송이 용이한 신호로 변환 정보의 전송, 지시, 기록 미약한 신호의 확대, 증폭

1. 측정대상 대표적인 센서 기타 온도센서 : 대상 (기체, 액체, 고체, 플라즈마, 생체), 종류 (접촉식, 비접촉식) 광센서 : 광 에너지의 검지 (자외광에서 적외광까지의 영역) 광기전력 효과형, 광도전 효과형, 광전자 방출형 자기센서 : 자계를 이용 기타 압력센서 습도센서 속도센서 음파센서 화학센서

2. 신호형태 신호 : 정보를 담고 있는 물리량 시간영역 정보량 아날로그 신호 (analog signal) 연속 연속 신호 (continuous signal) 불연속 이산시간 신호 (discrete-time signal) 디지털 신호 (digital signal)

2진신호 (binary signal) 아날로그 신호 신호의 유/무, 1과 0, ON/OFF, 이상/이하 경계의 입력전압, 문턱전압(threshold voltage) 부근처리 곤란 히스테리시스를 두어 두 상태 유지 아날로그 신호 센서의 출력 정보가 연속적인 값을 가지는 것 2진 신호로의 변환시 : 경계전압에서 슈미트 트리거를 사용 (히스테리시스)

3. 신호 변환 처리 : 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 디지털 변환 증폭, 선형화, 필터, 브리지 회로 등이 필요할 수 있음 디지털 변환 하나의 2진 신호로 0~10[V] 아날로그 신호 처리시 0 ~ 4.9[V] : 0 5.0 ~ 10 [V] : 1 2개의 2진신호 사용시 0.0 ~ 2.4[V] : 0 0 5.0 ~ 7.4[V] : 1 0 2.5 ~ 4.9[V] : 0 1 7.5 ~ 10.[V] : 1 1 조합의 개수 = 2n (n : 2진신호의 개수) 최소 정보 단위 : 2진신호 (1 bit) 8개 사용시 : 8 bit = 1 word

Analog/Digital Converter 아날로그 입력을 등가의 비트조합으로 변환 샘플링 주기 : 데이터를 수집하는 시간간격 입력 신호의 주파수보다 2배이상 설정 특성 : 변환 속도 (보통 ms), 신뢰성 (보통 8bit, 16bit사용)

신호 증폭 센서는 구동기기를 구동시킬 수 없는 신호 출력 : 증폭 필요 트랜지스터 또는 연산 증폭기 필요 온도에 따른 변화가 적은 연산 증폭기 많이 사용 신호의 변형이나 왜곡이 되지 않도록 신뢰성 확보

선형화 기타 신호변환 일반적으로 센서는 비선형 신호 출력 : 선형화 필요 필터 회로 : 불필요한 신호 제거 브릿지 회로 : 저항값의 변화량을 전압으로 변환 기어, 레버 등의 기계적 변환

물리량 또는 변화를 전기적으로 변화하는 센서의 종류 저항형 : 물리량의 변화가 센서의 저항값의 변화로 나타나는 것 측온 저항계, 서미스터, CdS, 조도센서 등 (브리지 회로 이용) 기전력형 : 물리량의 변화가 전원과 같은 기전력의 값으로 표현 열전쌍, 태양 전지 스위치형 : 물리량의 변화에 의해 스위치 동작의 역할 리드 스위치, 감열 페라이트, 바이메탈 스위치

3절. 물체 감지 및 검출 센서 물체의 유무를 판별하는 센서 전기 리밋 스위치 : 상시 개방 접점, 상시 폐쇄 접점 공압 리밋 스위치 : 공압시스템에서 신호전달요소로 사용

공압 근접 센서 : 작은 출력이므로 압력 증폭기 필요 배압 노즐 : 소모성 장치 감지 거리 (0 ~ 0.5 mm) 반향 노즐 : 송신 노즐을 통해 일정하게 공기 분출, 접근시 에어제트 방해, 수신 노즐의 배압신호 형성, 감지 거리 (2~15 mm) 에어 베리어 : 직접 충돌하는 2개의 에어제트, 감지시 배압신호 없어짐

1. 유도형 센서 100~1000[kHz]의 고주파 전자계를 센소 표면에서 방출 금속이 근처에 오는 경우 유도에 의한 와전류 발생 → 발진 진폭의 감쇄 와전류 : 자계가 변화하는 경우 렌쯔의 법칙에 의하여 유도기전력 발생 → 금속 도체도 자석 방향으로 회전

유도형 센서의 장점 유도형 센서의 감지거리 특징 빠른 신호 변환 : 스위칭 주파수 1000 ~ 2000 Hz 적은 소모 전력 (수 mW) 자석 효과는 없다 간섭 없음 물체의 온도 상승 없음 유도형 센서의 감지거리 강(steel)의 경우 지름의 ½, 대략 4~5[mm] 특징 코일의 사용으로 소형화가 곤란

2. 용량형 센서 전극판에서 고주파 전계 생성 : 물체 접근시 물체 표면과 전극판 표면에서 분극현상 발생 → 정전용량 증가, 진폭 증가 금속 뿐만 아니라 비금속 물질 검출 가능

용량형 센서의 발진 물의 경우 유전율이 높음 : 물체의 수분 함유율 검출 일반적인 감지거리 : 8~20 [mm]

3. 광센서 광센서 빛을 이용하여 물체의 유무를 검출 속도, 위치의 결정에 응용 레벨, 검출, 특정 표시의 식별에 이용 포토 센서 또는 광학적 센서 광기전력 효과형, 광도전 효과형, 광전자 방출형 광도전 효과형 : 황화카드뮴 센서 (CdS) 반도체에 빛이 닿으면 자유전자와 정공 증가하고 저항 변화에 의해 전류증가 광기전력 효과형 : 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 등 광전자 방출형 : 미약광 검출, 빠른 응답속도 종류 : 일체형, 분리형 (투광부와 수광부의 구성 여부에 따라)

종류 분리형(투과형) 직접 반사형(확산형) 투광부와 수광부 사이의 물체 통과 여부 탐지 추명한 물체 검출 곤란 투, 수광부가 한 몸체에 존재 대상물체 표면에서 반사되는 빛 검출

종류 (계속) 거울 반사형 투, 수광부가 한 몸체에 존재 투광부의 빛을 수광부로 되돌리는 거울 존재

복합형 광센서 포토 인터럽터 투광부에 LED, 수광부에 포토 다이오드 사용 광학적으로 연결, 전기적으로 절연된 광학 스위치 적외광 또는 가시광(센서 동작상태 체크) 사용 회전 속도의 제어, 위치 제어, 계수 등 응용 VTR, 레코드 플레이어, 복사기 프린터, 타코미터, 마우스

포토 아이솔레이터 발광 (GaAs 적외 LED), 수광 (Si 포토 Tr) 광로 비노출

4. 리드 스위치 물체에 비접촉한 상태에서 위치 검출 자석과 조합한 자기센서 : 광범위하게 사용 (a) : 일반적이 형태 (b) : 정상상태에서 ON (c) : 2개의 고정 접점 (트랜스퍼형)

동작 방법용 제어기, 실린더 위치감지 등 다용도로 사용 특징 접점부 밀폐 : 안정된 동작 짧은 스위칭 시간 ( 1 ms 이내) 높은 반복정밀도 (0.2 [mm]) 넓은 온도범위 (-270 ~ 150 ℃) 긴 동작 수명, 소형, 경량, 저가격 간단한 회로 구성

고려사항 사용온도 범위 : 사용되는 자석의 종류에 따라 변함 예] 알코니계 (800도), 페라이트계 (450도) 강한 외부 응력 및 충격 금지 부하조건에 수명 좌우 자극 배치에 따른 감지 특성의 변화