본문내용
1. 서론
경북대 전자공학실험 보고서는 다양한 센서의 작동 원리와 실험 결과를 다룬다. 이 보고서는 광센서, 근접센서, 로드셀 센서, 홀센서, 초음파 센서, 온도센서를 실험하고 그 특성을 분석한다. 또한 RLC 직렬 회로와 RLC 병렬 회로에서의 공진 특성을 확인한다. 이를 통해 센서와 회로의 작동 원리를 이해하고 이론과 실험 결과의 관계를 파악할 수 있다. 본 보고서는 전자공학 분야의 기초 지식을 쌓는 데 도움이 될 것이다.
2. 실험 목적 및 배경 이론
2.1. 광센서 실험
투과형 광센서는 빛을 내보내는 투광부와 빛을 받아들이는 수광부로 이루어져 있다. 두 부분이 마주보는 상태에서 광축을 맞추고 이 사이를 물체가 통과하면 빛의 차단과 전달이 이루어져 출력신호를 만들어낸다. 투명한 물체의 검출이 곤란하며 여러 개의 센서를 배치할 때는 빛의 확산에 의한 오류가 발생할 수 있다.
실험에서는 투과형 광센서의 특성을 확인하기 위해 다양한 색상의 아크릴판을 시편으로 활용하였다. 실험 결과, 흑색 아크릴판만 감지되었고 나머지 색상의 아크릴판은 감지되지 않았다. 이는 광센서가 빛의 차단 여부에 따라 물체를 감지하기 때문인데, 흑색 아크릴판은 빛을 모두 흡수하여 수광부로 전달되는 빛이 없어져 감지된 반면, 다른 색상의 아크릴판은 빛을 투과시켜 수광부로 전달되어 감지되지 않은 것이다. 즉, 투과형 광센서는 빛의 투과 여부에 따라 물체를 감지하는 원리를 가지고 있다.
이러한 실험 결과는 이론적으로 예상한 바와 일치하였다. 광센서는 빛을 이용하여 물체의 유무를 감지하는 센서이므로 물체의 색상이나 재질에 따라 감지 여부가 달라질 수 있다. 실험에서는 아크릴판의 색상과 빛의 투과 특성에 따라 감지 결과가 달라진 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 투과형 광센서의 동작 원리와 특성을 이해할 수 있었다.
2.2. 근접센서 실험
<근접센서 실험>
근접센서는 물리적 접촉 없이 주변 물체의 존재를 감지할 수 있는 센서이다. 전자기장이나 전자기파를 방출하며 그 전기장과 돌아오는 신호를 찾는 방식으로 작동한다. 근접센서는 신뢰성이 높고 장기적인 기능적 수명을 자랑하는데, 이는 센서와 감응을 받는 물체 사이의 물리적 접촉이 없고 기계적 부분이 존재하지 않기 때문이다.
본 실험에서는 유도형 근접센서의 특성을 이해하고 원리를 파악하고자 한다. 유도형 근접센서는 금속물체의 검출에 사용되며, 자성체에 대해서는 우수한 검출감도와 긴 검출거리를 갖는다. 페라이트코어에 감긴 검출코일이 고주파 발진회로의 일부를 구성하고 있으며, 검출코일에 교류전류를 흘려 자계를 발생시키고 이 자계 내부로 금속물체가 들어오면 와전류가 발생하여 검출코일의 손실저항과 인덕턴스가 변화하게 된다. 이를 통해 금속물체의 검출이 가능하다.
실험에서는 총 6개의 시편(황동, 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 검정 플라스틱, 투명 플라스틱)을 이용하여 센서의 색상과 재질에 따른 감지 여부 및 인식거리를 확인하였다. 그 결과, 금속 시편은 모두 감지되었지만 비금속 시편인 플라스틱은 감지되지 않았다. 또한 금속 시편들 간에 인식거리의 차이가 나타났는데, 스테인리스스틸이 가장 긴 거리(5.5mm)를 나타냈고 구리와 황동이 가장 짧은 거리(4mm)를 나타냈다. 이는 각 금속 시편의 자성 정도에 따라 근접센서의 검출 특성이 달라졌기 때문이다.
이를 통해 유도형 근접센서가 금속 물체 검출에 효과적이며, 물체의 자성 정도에 따라 검출 거리가 달라진다는 것을 알 수 있다. 또한 비금속 물체에 대해서는 감지가 되지 않는다는 한계점도 확인하였다. 이러한 근접센서의 특성을 이해하면 금속 물체 감지가 필요한 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
2.3. 로드셀 센서 실험
로드셀은 금속재질의 탄성체에 스트레인 게이지를 부착하여, 하중에 따른 탄성체의 변형률을 전기적 신호로 변환시켜 출력하는 센서이다. 상용화된 로드셀은 인장과 압축이 발생하는 4개의 스트레인 게이지를 휘트스톤 브리지 형태로 결선하여 구성한다. 각 접합점에는 영점보상, 온도보상 및 영(Young)율 보상용 저항을 부가한다. 대부분의 로드셀에는 초기저항이 350Ω인 스트레인 게이지가 사용되며 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 설계한다. 고유진동수는 대부분 300Hz 미만이다. 로드 버튼에 가해지는 하중이 변형체에 수직방향이 아닌 경우에는 편 하중으로 인한 오차가 0.05~1%/deg 정도로 발생한다.
로드셀의 주요 종류로는 기둥형, 환상형, 휨형, 전단형이 있다. 기둥형은 원통형으로 위에서 아래로 하중을 가하며 2장의 스트레인 게이지를 부착하여 측정한다. 대용량의 로드셀 제작에 유리하지만 정밀도가 낮다. 환상형은 4장의 스트레인 게이지를 부착하여 원통형 내면에서 측정하며, 정밀도가 높고 인장과 압축 모두 사용이 가능하다. 휨형은 한쪽이나 양쪽을 지지하여 바를 휘게 하여 변형을 측정하며 부착이 쉽고 정밀도가 높다. 전단형은 45도 방향으로 스트레인 게이지를 부착하여 전단응력을 측정한다.
실험에서는 함수 발생기, 오실로스코프, 로드셀이 포함된 M-3 회로-4 모듈을 사용한다. 엠프 모듈의 적색 스위치를 모두 OFF로 설정하고 오프셋 조정 볼륨을 이용하여 기본 출력전압을 5V로 설정한다. 하중세트를 이용하여 로드셀 장치에 1kg 단위로 하중을 올려놓고 출력전압의 변화를 관찰한다. 측정 결과, 인가 하중이 증가함에 따라 출력전압도 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 Hooke의 법칙에 따라 하중과 변형률이 비례하며, 변형률과 출력전압도 비례하기 때문이다.
실험을 통해 로드셀의 원리와 특성을 이해할 수 있다. 하지만 실험 과정에서 스트레인 게이지의 정밀도 한계, 초기 전압 설정의 어려움, 하중 인가 방법의 부정확성 등으로 이론값과의 차이가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 오차 요인을 해결하기 위한 개선 방안이 필요하다.
2.4. 홀센서 실험
홀센서는 반도체 물질에 직류 전류를 흘려보내고 수직 방향의 자기장을 가했을 때, 전류의 흐름과 자기장의 방향에 수직한 방향으로 발생하는 전압을 이용하여 자기장의 크기와 방향을 검출하는 센서이다. 자기장의 세기에 비례하여 발생하는 홀 전압을 이용하여 자기장의 크기와 방향을 감지할 수 있다.
실험에서는 자석의 극성 변화와 자기장의 세기 변화에 따른 홀센서의 출력 특성을 확인하였다. 실험 결과, 자석의 극성이 N극일 때는 홀센서 출력 전압이 증가하고 S극일 때는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 자석과 홀센서의 거리가 가까워질수록 출력 전압이 증가하고, 거리가 멀어질수록 출력 전압이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다.
이는 홀센서의 동작 원리에 부합하는 결과이다. 홀센서는 자기장의 세기에 비례하여 홀 전압이 발생하기 때문에, 자석의 극성 변화와 자석과의 거리 변화에 따라 홀 전압이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. N극 자석은 홀센서 내부의 전류와 자기장의 방향이 같아 홀 전압이 증가하고, S극 자석은 반대 방향이어서 홀 전압이 감소한다. 또한 자석과의 거리가 가까워질수록 자기장의 세기가 증가하므로 홀 전압이 높아지는 것으로 볼 수 있다.
실험 결과는 이론적 예상과 잘 부합하였으나, 정확한 측정을 위해서는 주변 자기장의 영향, 회로의 내부 저항 등 오차 요인을 더 고려해야 할 것으로 보인다. 홀센서는 자기장 감지, 전류 감지, 근접 센싱 등 다양한 분야에 활용되는 중요한 센서이므로 이러한 오차 요인을 최소화하고 정확한 측정이 가능하도록 하는 것이 중요할 것이다.
2.5. 초음파 센서 실험
초음파센서는 음파의 메아리 현상을 이용하여 물체의 유무를 감지하거나 대상물의 거리를 측정할 수 있다. 초음파센서는 기본적으로 음파를 발생시키는 송신 부분과 음파가 되돌아온 시간차를 분석하여 물체의 유무나 거리를 감지하는 수신부로 구성된다. 초음파는 매초 2만회 이상으로 진동하는 인간이 들을 수 없는 높은 주파수의 음파이다. 센서에서 발사된 초음파 펄스가 측정물의 표면에서 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하고, 공기 중에서 초음파의 온도에 따른 음속을 보상하여 거리를 산출한다.
실험에서는 초음파센서와 스핀들 드라이브를 직렬로 연결하고, 모터 제어 모듈을 이용해 스핀들 드라이브의 거리를 변화시키며 초음파센서의 출력 값을 관찰하였다. 스핀들 드라이브의 거리가 가까울수록 초음파가 반사되어 되돌아오는 시간이 짧고 반사신호가 크기 때문에 초음파센서의 출력 전압이 낮게 나타났다. 반대로 거리가 멀어질수록 반사시간이 길어지고 반사신호가 약해져 센서의 출력 전압이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
이론적으로도 초음파센서와 물체 사이의 거리가 가까울수록 반사시간이 짧고 반사신호의 세기가 크므로 출력 전압이...
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