센서 전자 공학

제 11 장 속도 센서

물체에 힘을 가하면, 물체는 운동을 시작하고, 그 빠르기의 정도를 속도(velocity)와 속력(speed)으로 나타낸다. 속도는 속력과 같은 단위를 쓰지만, 속력이 단위시간당 이동거리를 측정하여 계산하는 반면, 속도는 단위시간당 이동한 변위를 측정함으로써 그 크기가 결정된다. 즉 속력이 스칼라 양임에 반해 속도는 크기와 방향을 갖는 벡터 량이며, 그 방향은 위치변화의 방향과 동일하다. 물체의 운동에는 직선운동과 각운동이 있으며, 흔히 직선속도를 그냥 속도라고 부른다. 직선속도는 항상 어떤 기준 물체에 대해서 측정된다. 본 장에서는 직선속도와 각속도를 측정하는 여러 센서에 대해서 설명한다.

11.1 속도센서의 기초 직선 속도(linear velocity) 𝑣= lim ∆𝑡→0 ∆𝑆 ∆𝑡 = 𝑑𝑆 𝑑𝑡 = 𝑆 직선속도는 물체 위치의 시간적 변화율로 정의되는 벡터 량이며, 그 방향은 위치변화의 방향과 동일하다. 𝑣= lim ∆𝑡→0 ∆𝑆 ∆𝑡 = 𝑑𝑆 𝑑𝑡 = 𝑆 직선속도는 항상 어떤 기준 물체에 대해서 측정된다. speedometer (예) 자동차의 스피도미터(speedometer)는 자동차의 속력(속도의 크기)을 알려준다. 스피도미터는 대지에 대해서 우리가 얼마나 빠르게 움직이고 있는가를 말해준다. 회전 속도(rotational velocity) 또는 각속도 물체의 회전속도 또는 각속도(angular velocity)는 각 위치(angular position)의 시간적 변화율로 정의된다. 𝜔= 𝑑𝜃 𝑑𝑡 = 𝜃 우측으로 직선속도 v로 움직이는 자동차의 타이어는 각속도 ω로 회전한다.

11.2. 전자기식 직선속도센서 전자기 직선속도센서(electromagnetic linear velocity sensor)의 기본원리 코일을 통해 길이 l인 영구자석이 속도 v로 이동할 때 코일에 발생하는 기전력의 크기는  𝑒 𝑜 =𝐵𝑙𝑣 여기서, B는 자속밀도이다. 이와 같이 코일에 발생하는 기전력은 영구자석의 직선속도에 비례한다. 이 원리를 이용한 직선속도 센서를 산업체에서는 LVT(linear velocity transducer)라고 부른다. LVT는 변위 측정이라는 중간 단계를 거치지 않고 물체 의 속도가 직접 전기신호로 변환되는 센서이다. LVT의 종류 - 가동코일형(moving coil) - 가동코어형(moving core)

전자기식 직선속도센서 가동코일형 직선속도 센서 그림은 가동코일형 직선속도센서(moving coil linear velocity sensor)의 구조를 나타낸 것으로, 스피커(loudspeaker)와 매우 유사하다. 가동코일은 피측정 속도에 따라 고정된 영구자석 사이에서 움직인다. 도체의 길이, 즉 감도를 증가시키기 위해서 매우 얇은 전선이 사용되는데, 이 경우 출력저항이 증가하므로 높은 입력 임피던스를 갖는 계기가 요구된다. 가동코일형 직선속도센서

전자기식 직선속도센서 가동코어형 직선속도 센서 가동코어형 직선속도 센서(moving core linear velocity sensor)의 구조와 코일 결선도. 스테인레스 스틸 케이스에 영구자석을 넣고 그 외측에 두 개의 코일을 감는다. 자석의 양단은 코일 내부에 위치한다. 만약 단일 코일을 사용하면, 출력은 0으로 된다. 이것은 자석의 한 쪽 끝에 의해서 발생된 전압은 다른 끝에 의해서 발생된 전압에 의해서 상쇄되기 때문이다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위해서 코일을 1과 2로 나누어 설치한 것이다. 가동코어형 직선속도센서

전자기식 직선속도센서 동작 자석의 N극은 하나의 코일 1에 전류를 유기하고, S극은 또 다른 코일 2에 전류를 유기한다. 코일 1과 2는 그림과 같이 코일에 유기되는 전압의 극성이 반대가 되도록 하여 직렬로 접속되어 있기 때문에, 이 센서의 출력전압은 자석의 속도에 비례하는 출력이 얻어진다. 이 센서는 전술한 가동코일형에 비해 측정 범위가 확대된다. 가동코어형 직선속도센서

전자기식 직선속도센서 전자기식 직선속도 센서의 특성 전자기식 직선속도 센서의 특징 가동코일형 속도센서의 감도는 보통 약 10[mV/mm/s]이고, 대역폭은 10[Hz]～1000[Hz] 이다. 가동코어형 직선속도센서의 동작범위는 0.5[in.]～24[in.]이고, 전형적인 감도는 40[mV/in/s]～600[mV/in/s] 이다. 전자기식 직선속도 센서의 특징 전자기식 속도 센서의 가장 큰 특징은 자기 스스로 직류전압을 출력하기 때문에 외부 전원이 불필요하다는 점이다. 감도가 우수하고 사용 주파수가 높다. 이 센서의 최대 검출가능 속도는 주로 인터페이스 회로의 입력단에 의해서 결정된다. 최소 검출 속도는 잡음에 의해서 결정된다. 직선속도센서는 센서 크기에 의해서 제약을 받는 거리를 따라 속도를 검출한다. 그러므로 대부분의 경우 이 속도센서는 진동속도 측정에 사용된다.

11.3 각속도와 회전속도 센서 각속도(angular velocity)와 회전속도의 정의 각속도 측정은 펌프, 엔진, 발전기 등과 같은 회전기기에서 자주 요구된다. 회전체에서 단위시간당 변위하는 각을 각속도, 각속도가 일정할 때 단위시간당 회전수를 회전속도로 구분한다. 일반적으로 회전속도를 단순히 회전수라고 부르며 보통 1분간의 회전수(revolution per minute; rpm)로 나타낸다.

회전속도 센서-전기식 타코미터 전기식 타코미터의 원리 𝑒 𝑜 =− 𝑑𝜙 𝑑𝑡 전기식 타코미터(electrical tachometer generator;간단히 tachogenerator라 함)는 회전축의 회전속도를 측정하는 발전기로, 회전속도에 비례하는 전압을 출력한다. 타코미터의 원리인 패러데이(Faraday) 법칙을 나타낸다. 자속 Φ내에 놓여있는 코일을 회전시키면 코일에는 다음 식으로 주어지는 전압이 유기된다. 𝑒 𝑜 =− 𝑑𝜙 𝑑𝑡 이 원리를 이용해서 회전수를 계측하는 방법이 전기식 타코미터이다. 타코미터에는 출력전압에 따라 dc와 ac로 분류한다.

회전속도 센서-전기식 타코미터 직류 타코미터 직류(DC) 타코미터의 구조는 일종의 직류발전기로써, 자계의 세기를 일정하게 유지키 위해 고정자에 영구자석을 사용하고, 회전자와 접촉하고 있는 브러시를 통해 직류전압을 얻는다. 출력전압은 회전수에 비례하며, 회전방향이 변하면 출력전압의 극성이 변함. 직류 타코미터는 브러시의 마찰이 측정대상에 영향을 주는 결점이 있으나, 회전방향의 구별이 가능하고, 여자전원이 필요하지 않는 특징이 있다. 일반적으로 감도(전압정격)은 5[V]/1000[rpm]～10[V]/1000[rpm] 범위이며, 측정범위는 8000[rpm] 이다. 온도가 증가하면 영구자석의 세기가 감소하여 오차의 원인이 되므로 온도보상이 필요하며, 이 경우 자속 변화는 0.005[%/K] 이하로 된다.

회전속도 센서-전기식 타코미터 교류 타코미터 교류(AC) 타코미터는 영구자석의 회전자(rotor)와 두 개의 고정자 코일로 구성된다. 두 코일은 90°로 위치해 있으며, 한 코일은 여자(excitation)를 위한 것이고, 다른 하나는 속도 검출을 위한 것이다. 회전자 드럼 주위에 배치된 모든 권선은 단락회로로 된다. 어떤 모델은 권선 없이 단지 알루미늄 드럼으로만 되어 있는 것도 있다. 여자코일

회전속도 센서-전기식 타코미터 𝑒 𝑜 =𝑘𝜔𝑛sin(𝜔𝑡+𝜙) 여자코일에 일정 진폭과 주파수를 갖는 교류 전압(eex)을 인가하여 자속밀도 B를 만들고, 이 자속이 패러데이의 전자유도법칙에 따라 회전자에 전압 er를 유기한다. 회전자는 단락회로이기 때문에 이 전압은 전류 ir를 흐르게 하고, 이 전류에 의해 회전자 주위에는 다시 자속밀도 Br이 발생한다. 상대적 위치 때문에 검출코일은 자속 B하고는 쇄교하지 않지만, 자속 Br의 일부와는 쇄교해서 출력전압 eo을 발생시킨다. 회전자가 속도 n으로 회전할 때, 검출코일에 발생하는 출력전압은 다음 식으로 된다. 𝑒 𝑜 =𝑘𝜔𝑛sin(𝜔𝑡+𝜙) 𝑘=상수𝜔𝑛sin(𝜔𝑡+𝜙) 𝜔=각주파수, 𝜙=위상각 출력전압은 여자전압과 동일 주파수이나, 그 진폭은 각속도에 비례한다. 여자코일

회전속도 센서-전기식 타코미터 회전방향은 신호의 위상차가 180° 이상(異相)이 되는 것에 의해서 결정된다. AC 타코미터의 전형적인 감도(전압정격)은 3[V]/1000[rpm]～10[V]/1000[rpm] 범위이다. 권선저항이 온도에 따라 변하기 때문에 감도는 온도에 의존한다. 이것을 보상하기 위해서 일부 모델은 보상용 NTC 써미스터가 사용되고 있다. 출력전압은 여자전압과 동일 주파수이나, 그 진폭은 각속도에 비례한다. 여자코일

회전속도 센서-광학식 광전식 타코미터(optical tachometer) 광전식 타코미터의 동작원리는 변위센서에서 설명한 증가식 인코더(incremental encoder)와 동일하다. 그림 (a) : 반사식으로, 회전축에 설치되어 있는 반사판으로부터 반사된 빛은 광센서에 들어가 회전속도에 비례하는 펄스열(pulse train)을 발생시키며, 이것을 전자 계수기(electronic counter)로 계수하여 속도를 검출하거나 전압으로 변환한다. 반사식은 구성이 간단하고 측정이 용이하므로 현장 측정에 많이 이용된다. 그림 (b) : 회전원판(disc)에 일정간격으로 슬롯(slot)을 만들고 광원으로부터 나온 빛이 슬롯을 통과할 적마다 광센서가 펄스를 발생시킨다. 이 펄스를 계수하거나 주파수­전압 변환기(frequency to voltage converter;FVC)를 사용하여 전압으로 출력한다.

회전속도 센서-톱니바퀴식 톱니바퀴식 회전속도센서(gear­tooth sensor) 자동차에서 캠샤프트(cam­shaft)와 크랭크샤프트(crankshaft) 등의 위치 및 회전속도 측정에 널리 사용되는 센서. 검출용 센서에 따라 다음과 같이 분류한다. 자기식 톱니바퀴 센서(magnetic gear­ tooth sensor) 홀 효과 톱니바퀴 센서(Hall­ effect gear­ tooth sensor) 자기저항식 톱니바퀴 센서(magetoresistive gear­ tooth sensor)

회전속도 센서-톱니바퀴식 자기식 회전속도 센서 자기유도센서(magnetic inductive sensor) 또는 가변 릴럭턴스 센서(variable reluctance sensor; VR)이라고도 부른다. 영구자석과 전압 발생용 코일(pickup coil)로 구성된다.

회전속도 센서-톱니바퀴식 측정 대상의 회전축에 부착된 타깃(target;톱니를 가진 회전체)이 회전하면, 톱니의 돌기부분이 센서 바로 밑에 올 때(그림 b)와 벗어 날 때(그림 c) 자로(磁路; magnetic path) 길이와 자속의 변화가 생겨 코일에 기전력이 유기된다. 자기식 회전속도 센서의 동작원리

회전속도 센서-톱니바퀴식 센서홀 소자식 회전속도 센서(Hall­ effect gear­tooth sensor) 홀 소자(제4장)를 이용한 회전속도 센서의 기본구조와 동작원리를 나타낸 것으로, 자성체로 만들어진 톱니바퀴와 홀 소자로 구성된다. 이것은 자기식 회전속도 센서에서 코일대신에 홀 소자를 사용한 것과 같다. 자성체 톱니가 회전하면서 톱니가 홀 센서에 가까이 올 때마다 영구자석으로부터 자속을 모아 센서의 출력을 발생시킨다. 출력신호는 정현파이며, 이것의 주파수는 자성체 휠의 rpm×톱니수 로 주어진다. 홀 소자식 회전센서도 캠샤프트와 크랭크샤프트의 속도 및 위치검출, 트랜스미션의 속도검출, 타코미터 등에 응용된다. 홀 소자식 회전속도센서

회전속도 센서-톱니바퀴식 자기자항식 회전속도 센서 (magetoresistive geartooth sensor) 그림은 자기저항소자(MR)를 사용한 회전속도센서이다. 자성체 톱니가 센서를 통과할 적마다 그림 (b)와 같이 MR 센서를 통과하는 자속의 변화가 주기적으로 일어나므로, 이것에 의해서 MR소자의 저항이 변하여 출력이 발생한다. 이 신호의 주파수는 회전체의 회전속도에 비례한다. MR 소자식 회전속도센서

회전속도 센서-톱니바퀴식 또 다른 구성 예 - 톱니바퀴 대신 회전체에 N극과 S극 자석을 교대로 배치하여 회전체가 회전하면 센서에 들어오는 자속이 주기적으로 변하여 센서의 출력을 얻고 있다.

회전속도 센서-톱니바퀴식 톱니바퀴식 회전속도 센서의 특징 장점 ① 기존의 타깃(target)을 사용할 수 있다. ② 기존의 시스템에 추가하기가 용이하다. ③ 타깃의 선택성 단점 ① 회전속도센서 중 가장 고가 ② 타깃에 약간의 토크가 요구됨 ③ 어떤 타깃은 검출하기가 곤란하다 ④ 펄스를 아날로그 신호로 변환하기 위한 신호처리회로가 요구된다.

회전속도 센서-회전날개식 기본 구조와 동작원리 홀 소자를 이용한 회전날개식 회전속도센서의 구성 - 영구자석 - 자성체 회전날개(vane) - 홀 소자 - 자속을 모으는 집자강(集磁鋼)이 사용되기도 한다. 그림 (b) : 홀 센서와 영구자석 사이에 회전날개가 없으면, 영구자석으로부터 나오는 자속이 홀 소자를 통과하게 되므로 홀 소자의 출력이 발생한다.

회전속도 센서-회전날개식 그림 (c) : 회전체가 회전하여 날개가 홀 소자와 영구자석 사이에 들어오면 영구자석으로부터 자속이 홀 소자를 통과하지 못하므로 홀 소자의 출력은 0으로 됨. 이와 같이 회전날개에 의해 자계를 on/off하면 진폭이 일정한 거의 구형파 신호가 출력된다. 전자식에 비해 홀 소자식의 사용이 점점 증가하고 있다. 홀 소자식 회전센서도 캠샤프트와 크랭크샤프트의 속도 및 위치검출, 트랜스미션의 속도검출, 타코미터 등에 응용된다.

회전속도 센서-회전날개식 특징 날개식 회전속도 센서의 장단점을 요약하면 다음과 같다. 장점 단점 설치하기가 용이하다 저가격 특별한 타깃(target)이 필요하다. 타깃에 큰 토크가 요구됨. 단위회전 당 펄스 수(pulses/rev)가 작다.