본문내용
1. 서론
경북대학교 전자공학실험은 다양한 센서 기술을 학습하는 실험이다. 이를 통해 센서의 동작 원리와 특성을 이해하고, 센서 기술의 응용 분야를 탐구할 수 있다. 본 보고서에서는 제공된 실험 자료를 바탕으로 광센서, 근접센서, 로드셀, 홀센서, 초음파 센서, 온도센서 등 6가지 센서에 대한 실험 내용과 결과를 정리한다. 아울러 전기전자적 측면에서의 센서 변환과정, 센서의 부적합 적용분야, 센서별 적절한 ADC 방식 매칭 등 센서 기술과 관련된 심화 내용도 다루고자 한다. 이를 통해 센서 기술에 대한 깊이 있는 이해와 활용 방안을 모색할 수 있을 것이다. 이와 같은 실험과 분석을 통해 센서 기술의 원리와 응용 방안을 체계적으로 살펴보고자 한다.
2. 실험 목적
광센서 실험의 목적은 여러 가지 시편의 변화에 따른 투과형 광센서의 특성을 이해하고 원리를 파악할 수 있다.
광센서는 빛 자체를 정량적으로 검출하기보다는 빛을 이용하여 물체의 유무를 검출하거나, 속도나 위치의 결정에 이용하기도 하며, 레벨검출, 특정 표시의 식별 등을 하는 곳에 많이 이용된다. 투과형 광센서는 빛을 내보내는 투광부와 빛을 받아들이는 수광부가 서로 다른 몸체로 구성되어 있으며, 투광부와 수광부가 서로 마주한 상태에서 광축을 맞추어 놓고 이 사이를 물체가 통과함에 따라 빛의 차단과 전달이 이루어지게 하여 출력신호를 만들어내는 센서이다. 실험에서는 투과형 광센서를 이용하여 5가지 색상의 아크릴 시편을 센서에 접근시켜 색상에 따른 광센서의 검출특성과 동작특성을 확인하였다. 실험 결과 흑색 아크릴만 감지되었는데, 이는 다른 색상의 아크릴이 빛을 투과시켜 수광부에 전달되었기 때문이다. 반면 흑색은 빛을 모두 흡수하여 수광부로 도달하지 않았기 때문에 감지가 된 것이다. 따라서 투과형 광센서의 감지 여부는 시편의 색상과 빛의 투과 정도에 따라 달라진다.근접센서 실험의 목적은 여러 가지 시편의 변화에 따른 유도형 근접센서의 특성을 이해하고 원리를 파악할 수 있다.
근접센서는 물리적 접촉 없이 주변 물체의 존재를 감지할 수 있는 센서이다. 유도형 근접센서는 전자기 유도현상을 이용하여 금속 물체를 검출할 수 있다. 실험에서는 금속 시편들과 비금속 시편인 플라스틱을 사용하여 유도형 근접센서의 감지 특성을 확인하였다. 실험 결과 금속 시편들은 감지되었지만 플라스틱 시편은 감지되지 않았다. 이는 유도형 근접센서가 전자기 유도현상을 이용하기 때문에 금속 물체에만 반응하기 때문이다. 또한 금속 시편들 간에도 자성의 정도에 따라 인식거리에 차이가 있었는데, 자성이 강한 스테인리스강의 인식거리가 가장 길었다. 따라서 유도형 근접센서를 사용할 때는 검출 대상의 물질과 자성 정도를 고려해야 한다.
3. 실험 관련 이론
3.1. 광센서
광센서는 빛 자체를 정량적으로 검출하기보다는 빛을 이용하여 물체의 유무를 검출하거나, 속도나 위치의 결정에 이용되며, 레벨검출, 특정 표시의 식별 등을 하는 곳에 많이 이용된다. 광센서는 투과형, 직접 반사형, 거울 반사형의 세 가지 종류로 나눌 수 있다.
투과형 광센서는 투광부와 수광부가 서로 마주한 상태에서 광축을 맞추어 놓고 이 사이를 물체가 통과함에 따라 빛의 차단과 전달이 이루어지게 하여 출력신호를 만들어내는 센서이다. 투과형 광센서는 투명한 물체의 검출이 어렵고, 여러 개의 센서를 상하로 배치할 경우 빛의 확산에 의한 오류가 발생할 수 있다.
실험 결과, 투과형 광센서에서 5가지의 시편 중 흑색 아크릴판만 감지가 되었다. 이는 아크릴판이 빛을 투과시켜 색을 띄는데, 청색과 적색 아크릴판의 경우 해당 파장의 빛만 투과시켰고, 백색 아크릴판은 모든 가시광선을 투과시켰기 때문에 감지되지 않았다. 반면 흑색 아크릴판은 빛을 모두 흡수하여 수광부로 빛이 도달하지 않았기 때문에 감지된 것이다. 실험 결과는 이론적으로 예상한 결과와 동일하였다.
광센서 실험을 통해 투과형 광센서의 동작 원리와 시편의 색상 및 재질에 따른 감지 특성을 확인할 수 있었다. 광센서는 빛을 이용하여 물체의 유무를 감지하는 센서로, 광센서가 적용되는 마우스, 엘리베이터, 자동차 등의 제품에 대해서도 이해할 수 있었다.
3.2. 근접센서
근접센서는 물리적 접촉 없이 주변 물체의 존재를 감지할 수 있는 센서이다. 근접센서는 전자기장이나 전자기파(예: 적외선)를 방출하며 그 전기장과 돌아오는 신호를 찾는다. 감응을 받는 물체는 근접 센서의 대상으로 간주된다. 각기 다른 근접 센서는 각기 다른 센서를 사용하는데, 예를 들어 정전식 감응 센서나 광전감지 센서는 플라스틱 형태의 대상에 적합할 수 있고, 유도형 센서는 금속물질에 적합하다. 근접 센서는 신뢰성이 높으며 장기적인 기능적 수명을 자랑하는데, 이는 센서와 감응을 받는 물체 사이의 물리적 접촉이 없고 기계적 부분이 존재하지 않기 때문이다.
유도형 또는 고주파 발진형 근접센서는 금속물체(Metallic object)의 검출에 사용된다. 특히 자성체(Ferrous target)에 대해서는 검출감도가 양호하고, 검출거리도 길다. 페라이트코어에 감긴 검출코일이 고주파 발진회로(Oscillator circuit)의 일부를 구성하고 있다. 검출코일에 교류전류를 흘려 고주파 자계를 발생시키고, 이 자계내부로 금속물체가 들어오면, 전자유도 작용에 의해 금속도체 내부에 와전류(Eddy Current)가 흐르고, 열손실이 발생한다. 그로 인해 검출코일의 손실저항과 인덕턴스가 변한다. 이 변화를 발진회로의 발진 주파수 또는 발진진폭의 변화로 출력한다. 고주파 발진형 근접센서에 전원을 투입하면 약 80ms 이내에 전압의 진동폭이 일정한 주파수대로 올라가며, 이때 전기적인 자장이 형성된다. 이후 검출물체가 접근하면 검출물체 표면에 와전류가 증가하여 전압의 진동폭이 작아지게 되고 완전히 검출된 상태가 되면 0V에 가깝게 된다. 이 미소한 전압의 진동 폭 변화를 통해 시편의 검출거리를 알 수 있다.
3.3. 로드셀
로드셀(LOAD CELL) 센서 실험
금속재질의 탄성체에 스트레인 게이지를 부착하여, 하중에 따른 탄성체의 변형률을 전기적 신호로 변환시켜 출력하는 센서를 로드셀이라 한다. 상용화된 로드셀은 인장과 압축이 발생하는 4개의 스트레인 게이지를 휘트스톤 브리지 형태로 결선하면서 각 접합 점에 영점보상, 온도보상 및 영(Young)율 보상용 저항을 부가하여 구성하며, 방습 및 기밀을 유지할 수 있는 구조로 제작한다.
대부분의 로드셀에는 초기저항이 350Ω인 스트레인 게이지가 많이 사용되고 있으며, 정밀도는 1/1000 ~ 1/5000 정도이다. 브리지 인가전압 1V에 대하여 최대하중에서 1~4mV의 감도를 나타내며, 인가전압은 10~20V 정도가 일반적이다. 정격부하에서의 변형량은 0.2mm 이내가 되도록 설계하고 있으며, 고유진동수는 대부분 300Hz 미만이다. 로드 버튼에 가해지는 하중이 변형체에 수직방향이 아닌 경우에는 편 하중으로 인한 오차가 발생하게 되며, 이때 각도에 따른 측정오차는 0.05~1%/deg 정도로 나타난다.
로드셀의 종류로는 기둥형, 환상형, 휨형, 전단형이 있다. 기둥형은 대용량의 로드셀 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮고 비스듬하게 가해지는 하중에 대한 오차가 크다. 환상형은 정밀도가 높고 인장, 압축형 모두 사용이 가능하지만 대용량 및 소용량의 제작이 어렵다. 휨형은 부착하기가 용이하고 정밀도가 높은 장점이 있으나 대용량의 제작이 어렵고 주조상 밀봉하기 어려워 사용환경의 제약을 받는다. 전단형은 횡 하중측정이 좋고 내력이 강하지만 가공이 어렵다는 단점이 있다.
실험에서는 로드셀에 원판모양의 하중 1kg을 일정하게 증가시키면서 출력되는 전압의 변화를 측정하였다. Hooke's Law에 따르면 인장변형률(ε)이 수직응력(σ)에 비례하며, 이 때 질량과 인장변형률이 비례관계를 가진다. 따라서 스...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13