14. 센서 인터페이스 센서 센서의 분류 센서의 변환기능 센서사용 제어시스템 대한상공회의소 충북인력개발원 정보통신과 강 원 찬.

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1 14. 센서 인터페이스 센서 센서의 분류 센서의 변환기능 센서사용 제어시스템 대한상공회의소 충북인력개발원 정보통신과 강 원 찬

2 센서란? 센서(sensor)와 트랜스듀서(변환기, transducer) 센서 or 트랜스듀서 :
물리적/화학적 자극 → 취급이 간단한 양 (전기적 신호) 트랜스듀서 : 어떤 에너지를 다른 것으로 바꾸는(변환하는) 장치 Speaker , LED, Heater, 태양전지 센서 : 변환기능이 있어도 좋고 없어도 된다. ex) ECG(electrocardiograph, 심전도) electrode : S Pressure Transducer : S, T 결론적으로, 일반적으로 혼용하여 사용 측정하는데 관련되는 소자면 Sensor 에너지 형태를(A→B)로 변화시켜야만 Transducer

3 변환기라는 뜻인 트랜스듀서는 측정하고 싶은 양(예를 들면 밝기, 따뜻함, 소리의 크기 등)을 취급이 간단한 양(예를 들면 전기, 힘, 길이 등)으로 바꾸는 일을 한다. 현재는 이러한 의미가 축소되어 전기적인 신호로 바꾸는 것만을 따로 센서라 한다.

4 ※ 센서의 역할 : 달걀 선별시와 비교 (1) 달걀의 크기를 재고 ← 센서 (2) 크고 작은것을 비교해서
(1) 달걀의 크기를 재고 ← 센서 (2) 크고 작은것을 비교해서 어느 쪽인가를 결정하고 ← 비교기 (comparator) (3) 각기 별도의 장소로 옮긴다. ← 엑튜에이터 (구동장치)

5 센서의 검출원리 저항변화형: 저항 변화형 센서 용량변화형: 용량변화형 센서 인던턴스변화형: 인던턴스변화형 센서
전압변화형: 전압변화형센서

6 센서의 분류 측정대상에 따른 분류 광센서, 방사선센서, 역학량센서, 전자기센서, 음파·초음파센서,
측정대상에 따른 분류 광센서, 방사선센서, 역학량센서, 전자기센서, 음파·초음파센서, 온도센서, 습도센서 측정 방법에 따른 분류 접촉형, 비접촉형 기초가 되는 변환 원리에 따른 분류 전압 변화형 센서, 저항 변화형 센서, 인덕턴스 변화형 센서, 용량 변화형 센서 구성재료에 따른 분류 반도체센서, 금속센서, 세라믹센서, 고분자센서, 효소센서, 미생물센서 작용형식에 의한 분류 능동형센서, 수동형센서 검출량의 변환 원리에 따른 분류 물리센서, 화학센서, 생물센서

7 표. 대표적인 용도별(측정대상별) 센서 분류와 대표적 센서
포토 다이오드, 포토트랜지스터, 포토 IC, CdS셀, 이미지 센서, 태양전지 서미스터, 열전쌍, IC 온도센서, 바이메탈식 온 도 센서, 수정 센서, 초전형 온도 센서, 양자형 온도 센서 저항변화형 센서, 용량 변화형 센서, 전자파 흡수 형센서, 열전도 응용형 센서, 팽윤성 응용형 센서 홀 소자, 홀 IC, 자기 저항 효과 소자(MR), 자기 다이오드, 자기 트랜지스터 스트레인 게이지(로드 셀), 압전 소자, 감압폴리 머(PVDF) 광센서 온도센서 습도센서 자기센서 압력센서

8 온도센서 물질의 열팽창을 이용하는 온도센서 전기 저항의 변화를 이용하는 온도센서 열기전력을 이용하는 온도센서
유리제 온도계 바이메탈 온도 센서 압력식 온도 센서 전기 저항의 변화를 이용하는 온도센서 측온 저항체(백금) 서미스터(Thermistor) 열기전력을 이용하는 온도센서 자기특성을 이용하는 온도센서 전기용량을 이용하는 온도센서 반도체특성을 이용하는 온도센서

9 탄성을 이용하는 온도센서 물질의 색 및 변형을 이용하는 온도센서 열 잡음, NQR을 이용하는 온도센서 열 또는 광방사를 검출하는 온도센서

10 대표적 온도 센서 서미스터 IC 온도센서 정의 : 온도변화에 따라 내부 저항이 변화하는 감온저항센서
종류 : NTC, PTC, CTR 등 IC 온도센서 정의 : 실리콘 트랜지스터에서 베이스-이미터 간의 전압 VBE이 온도에 따라 거의 직선적으로 변한다는 현상을 적극적으로 이용한 것 특징 : 여러 신호 회로와 감온 소자가 일체화되어 선형화 기법 등 회로 조작을 따로 하지 않아도 된다.

11 광센서 검출 대상 : 가시광선, 자외선, 근적외선 등 서로 파장이 다르므로 그 성질도 달라서 각 대상에 따른 적절한 센서를 선택해서 사용 포토다이오드 정의 : 반도체의 PN 접합 부분에 광검출 기능을 부가한 일종 의 광기 전력 다이오드로서 가장 대표적인 광센서 특징 : 입사광에 대한 직선성이 양호 응답 속도가 빠름 광대역의 파장 감도를 가짐 잡음이 작다 출력전류가 작다 ←단점 ∴ 트랜지스터와 결합하여 사용하기도 한다. 그것을 상용화한 것이 바로 포토트랜지스터 이다.

12 포토트랜지스터 포토 IC CdS 광도전 셀 기타 광센서 정의 : 트랜지스터의 베이스 단자에 포토다이오드를 역접속한 것
정의 : 트랜지스터의 베이스 단자에 포토다이오드를 역접속한 것 특징 : 회로 구성이 비교적 간단 출력 전류도 크기 때문에 광범위하게 이용됨 포토 IC 정의 : 포토다이오드와 OP 앰프를 일체화한 것 특징 : 출력전압이 크고, 응답 특성도 뛰어남 CdS 광도전 셀 정의 : 황화카트뮴을 주성분으로 한 광도전 소자로 특징 : 빛에 따라 내부 저항이 변화하는 저항 변화형 센서 기타 광센서 태양전지, 칼라센서, 이미지 센서, 위치 검출 소자 PSD, 포토커플러, 광파이버 센서

13 자기 센서 홀 소자 홀 IC MR 소자 정의 : Hall 효과를 이용하여 자기의 양을 감지하는 센서
종류 : 갈륨비소, 게르마늄, 실리콘 등이 쓰임 홀 IC 정의 : 홀 소자와 OP 앰프를 일체화한 것 MR 소자

14 표. 십진코드화 측정대상별 센서분류표

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16 센서의 변환기능 물리현상을 이용한 변환기능 화학현상을 이용한 변환기능
광전변환(photoelectric conversion) 열전변환(thermoelectric conversion) 압전변환(piezoelectric conversion) 자전변환(magneto electric conversion) 화학현상을 이용한 변환기능 전기화학반응(electrochemical reaction) 산화환원반응(oxidation-reduction reaction) 촉매반응(catalytic reaction) 생물현상을 이용한 변환기능(원리적으로는 화학현상을 이용함) 효소반응(enzyme reaction) 면역반응(immune reaction) 미생물반응(microbial reaction)

17 광전변환 기능 외부광전효과 : 금속 광전자방출효과 외부광전효과 - 직접광전효과 광도전효과 광기전력효과 내부광전효과 광전효과
외부광전효과 - 내부광전효과 광전자방출효과 광도전효과 광기전력효과 간접광전효과 - 열형광전효과 광초전효과 광열전효과 외부광전효과 : 금속 광전자 방출 : 금속이나 고체 표면에 충분한 에너지의 빛이 쪼이게 되면 전자가 고체표면에서 외부로 방출되는 현상을 말함

18 내부광전효과 : 주로 반도체 간접광전효과 : 빛 → 열 → 전기
광도전효과 : 반도체 에너지대의 금지대폭보다 더 큰 에너지의 빛이 진성반도체나 불순물 반도체에 조사되면 가전자가 전도대로 여기되어서 전자 또는 정공이 생성되는데, 이렇게 광조사에 의하여 생성된 전자 및 정공의 증가에 의하여 반도체의 도전율이 변화(증가)하는 현상을 말함 광기전력효과 : 반도체 pn접합의 경우 공핍층에 전위장벽이 형성되고, 이 공핍층 부근에 빛이 쪼이면 광도전 효과와 같은 현상으로 전자 정공쌍이 생성되고 전자는 n 영역으로, 정공은 p 영역으로 이동하여 기전력이 발생하는데이러한 기전력을 말함 간접광전효과 : 빛 → 열 → 전기

19 센서 사용 계측시스템 (sensor based instrumentation system)
Excitation (if needed) Stimulus Sensor Input functions Signal processing Amplification Output Analog output Digital output Oscilloscope or paper recorder Visual display < A typical sensor-based instrumentation system>

20 Stimulus(자극) : 온도, 빛, 변위, 유체 또는 공기의 흐름, 전기 저항, 전위 등
Excitation : 센서가 제대로 작동하기 위해서 전원을 넣을 때 능동 센서 : 센서를 구동시키기 위해서 외부 전원이 필요 ex) resistive strain gage pressure sensor : 2, 7.5V 외부의 전위 자극이 없으면 센서 출력도 없다 수동 센서 : 센서를 구동시키기 위해서 외부 전원이 불필요 ← 에너지가 자체에서 생김 ex) 열전쌍(thermocouple)

21 Out functions : display 되기 전에 거치는 과정
Input functions : 목적 : 트랜스듀서로 부터 신호를 받아서 후속의 회로에서 필요한 형태(usu. voltage)로 변환 구성 : 증폭기(pre amplification) : 주로 포함됨 AC or DC 전원 (Wheatstone bridge sensor의 경우) DC level shift 후속의 회로와의 isolation (ex 의료용, 컴 보호 등)AMP : main amp Signal processing : filtering, 미분·적분, logging, anti-logging, A/D or D/A 변환, 선형화 Out functions : display 되기 전에 거치는 과정 종류 : power amplification (ex 모터구동 제어계) digitization (for input to a computer) voltage scaling(판독용이)

22 센서 사용 제어시스템 (sensor based control system)
Actuators : output function 의 구동을 받아서 힘, 열, 변위 등의 변화를 유발하는 것 ex) valve, injector, motor, lamp, speaker Input Signal processing Output function Actuators Sensor

23 전기요소와 센서응답 기본적인 전기요소 기전력 : 전기를 계속 흐르게 하는 능력, 예를 들면 전지나 발전기
저 항 : 전기의 흐름을 방해하는 성질, 예를 들면 저항 인덕턴스 : 전류의 변화에 대하여 역기전력을 발생하는 성질예를들면 코일 커패시턴스 : 전기를 축적하는 성질, 예를 들면 콘덴서

24 기본적인 센서응답 특성 센서가 어떤 자극에 대하여 기전력이 되는 센서 : 전압 변화형 센서
예) 태양전지 저항이 되는 센서 : 저항 변화형 센서 예) 더미스터 인덕턴스가 되는 센서 : 인덕턴스 변화형 센서 예) 자기유도형 근접스위치 커패시턴스가 되는 센서 : 용량 변화형 센서 예) 정전용량 액면 스위치 이러한 원리의 이해는 센서를 이용한 자동제어에 있어서 결정적 역할을 한다. 즉 어떤 측정 대상이 주어 졌을 때 그것이 온도이든 습도이든 그에 해당되는 센서는 여러 종류가 있을 수 있으며, 그 센서의 타입에 따라서 뒤에 이어지는 전기회로가 달라진다.

25 센서 주변기술 센서 입력측 : 외부 자극과 센서 사이에 넣는 것
광센서의 경우 : 렌즈, 반사경, 광파이버, 색필터 등의 광학 부품 온도센서 경우 : 히터파이프 ← 회로에는 나타내지 않음 센서 본체 : 센서 본체에 관한 것 대부분의 경우 : 실드(shield) ←전기·자기의 유도를 받지 않도록 반도체 센서 : 방열기 부착, 정온케이스 ←온도에 따른 방지 기타 : 내진동 설계(스프링 or 고무로 지탱)

26 센서 출력측 : 센서로부터의 전기신호를 이용하기 쉬운 형태로 하는것
증폭 회로 : 신호를 크게 한다. TR 또는 IC 사용(OP 앰프 IC) A/D변환회로 : 아날로그 신호를 디지탈 신호로 바꾼다. 비교 회로 : 신호의 대소를 구별한다 (볼티지) 콤퍼레이터 IC (뒤에 직접 전자버저나 소형 릴레이를 부착하는 경우가 많음) 논리 회로 : "또는", "∼이 아니다" 등의 경우를 구별한다 게이트 IC 브리지 회로 : 센서가 감지한 것중 알고 싶은 양 이외의 양을 지운다. 필터 회로 : 센서 출력에서 필요한 전기신호만을 빼낸다. 하이패스 필터, 로패스 필터, 동기 검파회로 등 리니어라이즈 회로 : 센서 입력과 출력에 직선의 선형성을 만든다.

27 센서 관련 용어 감도(Sensitivity)
정의 : 출력특성곡선에서의 기울기 or 감지할만한 출력의 변화가 생기기 위한 최소한의입력의 크기(more general def.) 표기예 : 표준출력변화를 유발하기 위한 입력인자의 변화량 주어진 입력인자에 대한 출력전압의 변화 ex) 혈압측정변환기(blood pressure transducer) S = 10 μV/V/mm Hg (해설 : 1V의 자극 전압에서 1 mmHg의 혈압변화에 대하여 10μV의 전압변화 발생)

28 < Ideal curve and sensitivity error >
좋은 센서 일수록 linear 하다.

29 감도오차(Sensitivity error)
정의 : 특성곡선의 이상기울기에서 벗어남의 정도 (그림에서 점선으로 표시) 범위(Range) 정의 : 측정 가능한 출력의 최대치와 최소치 (ymin, ymax) ex) 혈압변환기 : -50mmHg ∼+ (진공) 동적 범위(Dynamic range) 정의 : 최소부터 최대까지 센서의 전체 범위 Rdyn = ymax - |-ymin |

30 精(密)度(Precision) (정)확도(Accuracy)
정의 : 측정의 재현성의 정도 (degree of reproducibility of measurement), 한 값을 여러 번 측정시의 오차에 의함 (정확히 같은 값을 여러 번 측정시 이상적인 센서는 매 측정마다 같은 값을 나타내나 실제센서는 실제 값의 주위에서 분포된 값을 가짐) (정)확도(Accuracy) 정의 : 센서의 실제치와 계측치와의 최대차이 표시 : full scale에 대한 백분율 or 절대 크기

31 절단 오차(Offset error) 정의 : 출력이 0 이어야 할 때 실제로 나타나는 출력값 (앞의 그림에서 절편 b) or 어떤 특정한 조건에서, 실제 출력값과 정해진 출력값과의 차이(아래 그림-주변온도에 따라) Typical pH electrode characteristic curve showing temperature sensitivity

32 분해능(Resolution) 선형도(Linearity) 정의 : 출력신호의 변화로 감지될 수 있는 입력신호의 크기
표시 : full scale에 대한 백분율 or 절대 크기 선형도(Linearity) 정의 : 이상적 출력곡선에서 실제 측정곡선의 벗어난 정도 표시 : Nonlinearity(%) where, Din(max) : maximum input deviation IN f.s. : maximum, full-scale input *. 주변요소(온도, 진동, 소음, 습도 등)에 영향을 많이 받음

33 < Ideal versus measured curve showing linearity error >
선형성에 영향을 미치는 인자 주위의 온도, 진동, 소음의 정도, 습도 등 < Ideal versus measured curve showing linearity error >

34 < Hysteresis curve >
정의 : 자극의 변화 방향에 따라 출력이 달라지는 정도 (physical equilibrium의 문제) < Hysteresis curve >

35 응답시간(Response time), Tr
정의 : 어떤 주어진 오차 범위 내로 센서 출력이 처음의 상태에서 마지막 안정된 상태로 변화될 때까지 걸리는 시간(100%기준) Cf. (센서)시정수(sensor time constant), T : 70%에 도달하는데 까지 걸리는 시 Decay time, Td

36 < Rise-time definition >
< fall-time definition >

37 통상적으로 Z1 , Z2 , Z3 , Z4 중 하나를 제외한 세 개는 동일한 임피던스를 가짐
센서 구동회로 신호의 검출 센서 신호를 높은 효율로 검출하여 처리하기 위한 방법 1) 브리지 법 : 임피던스 변화형 센서에 이용되는 방법 Z1 Z2 Z3 Z4 V0 Vi 출력전압 통상적으로 Z1 , Z2 , Z3 , Z4 중 하나를 제외한 세 개는 동일한 임피던스를 가짐

38 입력 변화에 따른 출력의 변화 여기서, Let, Z1 Z2 Zt Z3 V0 V1 V2 V

39 감도의 조절 위에서 만약 Rt 가 일때 R1 이 이 되는 differential 동작을 한다면 출력 V0는 2배가 될 것이다.

40 브리지 회로에서 출력저항 Rt 의 역 계산 따라서 Let

41 -끝-