센서 공학 Sensor Engineering

1. 센서의 정의 센서(Sensor) - 외부자극(stimulus)을 받아 이것을 전기신호로 변환하는 소자 - 외부자극이란 우리가 검출 또는 측정하고자 하는 양(quantity), 특성(property) 또는 상태(condition)을 의미

제 1 장 센서의 개요 제 1 절 센서 개괄적 의미 세부적 의미 측정 대상물로부터 감지 또는 측정하여 그 측정량을 전기적인 신호로 변환하는 장치 세부적 의미 물리량, 화학량, 소리, 빛, 전파 강도를 감지하여 유용한 신호로 변환하는 소자

센서, 센서 시스템, 트랜스듀서 센서 시스템 (sensor system ) - 센서 및 그것과 관련된 신호처리 하드웨어 (signal processing hardware) 트랜스듀서(Transducer) - 에너지 형태(신호)를 다른 에너지 형태(신호)로 변환하는 소자를 총칭하는 용어 - 때때로 센서 시스템을 의미 센서 : 계측 대상의 상태에 관한 정조를 획득하는 장치 트랜스듀서 : 계측 대상의 상태량에 대응하여 측정가능한 물리량의 신호로 변환하는 장치 RTD 온도계

감각기관과 센서의 대비 동물의 오감 기관 센서의 종류 센서 소자 예 시각 (빛) 눈 광 센서 광도전 소자, 이미지 센서 포토다이오드 청각 (소리) 귀 음향 센서 마이크로폰, 압전소자, 진동자 촉각 (압력) (온도) (기타) 피부 압력 센서 온도 센서 진동 센서 변형, 게이지, 반도체 압력 센서 서미스터, 백금 마이크로폰, 다이어프램 미각(맛) 혀 바이오(맛) 센서 백금, 산화물, 반도체, 가스센서 입자 센서 취각 (냄새) 코 가스(냄새) 센서 바이오케이컬 소자 지르코니아 센서 오감이 아닌 센서 중력 센서, 자기센서

감각기관과 센서의 비교 감각기관 : 수용기에서 전기신호로 변환하고 신경세포를 통해 뇌에 전달 센서 : 트랜스듀서에 의해 적당한 에너지로 변환하고, 전송로(lead wire등)를 이용하여 컴퓨터와 같은 처리장치에 전달하여 제어나 감시에 사용되는 정보로 출력

2. 센서의 목적 생산성의 향상 및 근로환경 개선의 필요성 대두 자동화 기술의 도입 계측의 중요한 역할을 담당하는 것이 센서 각 시스템의 상태 정보를 제공하기 위해서는 어떤 형태로든 계측은 필수적 물리적/화학적 계측이 제어 기능과 연결됨으로써 생산공정의 자동화 계측의 중요한 역할을 담당하는 것이 센서

2. 센서의 목적 가. 정보 수집 계량 · 계측 탐지 · 탐사 감시 · 경보 · 보호 검사 · 진단 측정에 의한 정확한 정량적 수치정보를 제공 탐지 · 탐사 측정대상물의 상태를 탐지하여 정보화 감시 · 경보 · 보호 시스템/장치의 상태를 감시하여 이상의 검출, 위험의 예고 경보신호 및 보호장치를 가동함으로써 운전/안전관리 검사 · 진단 생산제품 특성의 적합성에 필요한 계측 정보의 수집 : 수치정보, 패턴정보, 지식정보의 수집을 목적

2. 센서의 목적 나. 정보의 변환 문자/기호, 코드 등의 형식으로 종이나 혹은 필름등에 기록된 정보를 재사용 가능(컴퓨터, 팩스 등)한 신호로 변환 정보의 저장 각종 정보매체에 기록된 정보를 저장 다. 제어 정보의 취급 제어정보를 검출하여 장치의 상태를 안정하게 제어 변화하는 목표 값에 접근

센서 시스템의 구성 시스템이란 여러 부품들이 조직적으로 결합 각각의 역할을 분담수행 일정의 원리, 법칙, 규칙, 순서에 따라 상호관계를 유지 센서는 시스템들의 외계, 내계의 인터페이스 역할을 하는 부 시스템(sub-system) 변환요소, 신호전송요소, 신호/정보 처리요소, 출력요소로 구성 정확한 정보를 출력할 수 있도록 노이즈, 온도등의 보상 및 보정기구 삽입 센서의 성능(측정범위, 감도, 응답속도, 정밀도)이 시스템의 가치를 좌우

센서 시스템의 구성

3. 센서의 분류 센서의 기본적 분류 공식표준으로 규정된 분류방법도 없음 원리/방식, 효과, 사용재료, 검출신호등에 의한 주관적인 분류 측정량에 따른 분류 측정 또는 검출하고자 하는 양에 따른 분류 물리센서, 화학센서 등 등가 회로적 분류 센서의 기능 및 작용을 전기회로의 요소(소자)와 대응한 분류 저항, 전원, 스위치 등으로 대응 현재 공식 표준으로 규정된 분류방법도 없음.

3. 센서의 분류 위치 검출용 센서 분류 공장 자동화에서 물체의 존재여부 및 물체의 운동상태를 감지하는 방법에 따른 분류 마그네틱 위치 센서, 광전형 위치 센서 등

3. 센서의 분류

3. 센서의 분류 가. 측정량에 따른 분류

3. 센서의 분류 나. 등가 회로적 분류 센서의 경우 대개 전지나 저항이나 스위치 중 하나로 나타낼 수 있음 태양전지(수광소자) : 전원 서미스터(감온소자) : 저항 응용범위(적용범위)가 넓은 센서의 경우는 필요에 따라 적절한 형태로 취급

3. 센서의 분류 다. 위치 검출용 센서 분류 센서의 감지 방법에 따른 분류 접촉식(리밋 스위치) 비접촉식 공압/전기 리밋 스위치 비접촉식 반향센서 : 압축공기 흐름의 특성을 이용 전기 신호를 발생시켜주는 유도형센서, 정전용량센서, 광전센서 등

3. 센서의 분류 다. 위치 검출용 센서 분류

4. 센서의 특성과 평가 물리적인 값에 반응하고 적정한 신호를 전달하는 응용 분야의 센서 선정 기준 정확성 신뢰성과 내구성 반응 속도 감지거리 단위 시간당 스위칭 회수 선명도 등

4. 센서의 특성과 평가 cond’t 가.센서의 요구 특성 센서는 외계와에 직접 노출 → 장시간 안정하게 동작을 요구 센서의 기본 요건 고안정성 고신뢰성 장수성 고내구성 등

4. 센서의 특성과 평가 cond’t

4. 센서의 특성과 평가 cond’t 나. 신호 형태 부 시스템(센서시스템) 내에서 처리되는 신호의 형태 [그림 1-5] 전기히터의 온도감지 시스템 내에서의 신호형태 전기 히터의 온도 변화 → 바이메탈을 기계적으로 변화 : 측정 변수 “온도”에 의한 최초 변형 온도의 한계치 도달 → 바이메탈은 전기회로를 폐쇄시킬 때까지 휘어짐 → 전류 도통 측정 변수 “온도”의 세 번째 변형 : 전류 → 빛 관찰자 신호 감지 점등 : 히터 온도가 상한 온도 이상임을 표시 소등 : 히터 온도가 상한 온도 이하임을 표시 이진 신호의 형태로 나타남

4. 센서의 특성과 평가 cond’t 다. 신호 변환 다른 형태로 신호 변환할 수 있는 시스템이 필요 아나로그 신호 → 디지털 신호로 변환이 요구 입력측의 아날로그 값을 등가의 비트 조합 값으로 변환하여 출력측에 전달하는 전자회로를 A/D 변환기라 함 변환속도 아날로그 신호의 변화가 빠를수록 데이터의 상실을 방지하기 위해 많은 분석횟수가 요구되지만, 샘플링 구간(분석주기)이 제한 신호의 신뢰성 출력측에서 표현 가능한 디지털 정보의 비트 수(표현길이)

4. 센서의 특성과 평가 cond’t

4. 센서의 특성과 평가 cond’t 신호 증폭 신호의 선형화 증폭기 사용 비선형 신호 → 선형신호 구동 기기를 직접 구동할 수 없을 정도로 작은 범위의 신호값을 출력 할 경우 센서의 신호를 증폭 변형이나 왜곡이 되지 않도록 신뢰성 있는 방법 사용 신호의 선형화 비선형 신호 → 선형신호 대부분의 센서는 비선형 신호를 출력하며, 따라서 시스템에 적용하기 위해서는 선형적 신호로 변환하는 것이 필요

5. 센서 재료 가. 반도체 재료 외계의 물리량이나 화학량을 측정가능한 전기적 신호로 변환할 수 있는 기능을 갖춘 물질 다른 재료의 센서에 비해 현대 기술사회에서 각광을 받음 응답 속도가 빠르다 소형, 경량화가 용이 고감도 실현이 가능 경제적 집적화 가능 지능화 가능

5. 센서 재료 반도체 재료는 1900년대 말부터 광도전 재료-황화은(Ag2S)등의 유화물, ZnO등의 산화물, ZnSe등의 셀렌화물이 광전재료나 전자감광재료로 개발 금속 반도체로서는 Ge, Si, Se등이 광센서, 자기센서, 온도센서, 최근에는 압력센서로 이용 PN접합기술, 미세가공기술, 표면처리기술, 전극형성 및 조립기술 등의 급속한 진보에 의해 포토다이오드, 포토트랜지스터, 고체촬상소자(CCD 이미지센서), 자동차 탑재용 압력센서 등으로 응용

5. 센서 재료 cond’t 나. 세라믹 재료 비금속 무기 물질이 재료로서 사용되고 내열, 내식, 내마모성이 우수 검출 정보 전기, 자기, 열, 위치(속도, 가속도 포함), 빛, 이온, 가습, 습도 등 다양 표 1-6 센서용 세라믹 재료 참조

5. 센서 재료 cond’t 다. 금속 재료 라 .복합 재료 전기저항재료, 도체재료, 접점, 초전도재료, 열전대재료 등 센서의 구성상 중요한 역할을 맡는 금속재료 표 1-7 센서용 금속 재료 참조 라 .복합 재료 다른 재료를 조합해서 만들어짐 만들어진 재료에서 원래 재료의 특성이 충분히 나타남 단일 재료가 가질 수 없는 새로운 기능을 갖게 함 표 1-8 복합 재료의 응용 예 참조

6. 센서 활용 효과 과학과 기술의 다양한 분야에서 이용 신뢰할 수 있는 기능과 무보수의 특징을 요구 연구 분야 실험을 목적으로 하여 고정도의 특수 센서들이 사용 자동화 기술 분야 표준형과 특정 목적의 센서가 모두 사용 일반 설비 분야 범용성 센서가 주로 사용

6. 센서 활용 효과 cond’t 자동화를 위한 센서의 주요 사용 기준 생산 원가의 절감 생산 공정의 합리화 생산 체제의 유연성 생산 설비의 자동화 작업자의 보호 및 안전

6. 센서 활용 효과 cond’t 센서가 자동화에 사용되는 이유 자동화 시스템의 고장 여부 진단 고장 발생 개소의 진단 및 표시 공구의 수명 계측 및 검출 제어 및 조정에 의한 생산 공정 최적화에 요구되는 측정값 제공 품질 제어 관련 자동화 작업 자재 관리 및 물류 작업 유연 자동화 생산 체제에서 제품의 판별 유해 환경에서의 작업