로봇 구동 체인부터 공급망 운영의 컨베이어 벨트, 풍력 터빈 타워의 흔들림에 이르기까지 위치 감지는 광범위한 응용 분야에서 매우 중요한 기능입니다. 위치 감지 방식은 선형, 회전, 각도, 절대, 증분, 접촉 및 비접촉 센서 등 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 3차원 위치를 측정할 수 있는 특수 센서도 개발되었습니다. 위치 감지 기술에는 전위차계, 유도계, 와전류계, 정전용량계, 자기변형계, 홀 효과계, 광섬유계, 광학계 및 초음파계 등이 있습니다.
이 FAQ는 다양한 위치 감지 방식에 대한 간략한 소개와 함께, 설계자가 위치 감지 솔루션을 구현할 때 선택할 수 있는 다양한 기술들을 검토합니다.
전위차식 위치 센서는 고정된 저항 트랙과 위치를 감지해야 하는 물체에 부착된 와이퍼를 결합한 저항 기반 장치입니다. 물체의 움직임은 트랙을 따라 와이퍼를 움직입니다. 물체의 위치는 레일과 와이퍼로 구성된 전압 분배기 네트워크를 사용하여 측정되며, 이 네트워크는 고정된 직류 전압을 이용하여 선형 또는 회전 운동을 측정합니다(그림 1). 전위차식 센서는 저렴하지만 일반적으로 정확도와 반복성이 낮습니다.
유도형 위치 센서는 센서 코일에 유도되는 자기장의 특성 변화를 이용합니다. 구조에 따라 선형 또는 회전 위치를 측정할 수 있습니다. 선형 가변 차동 변환기(LVDT) 위치 센서는 속이 빈 튜브에 감긴 세 개의 코일(1차 코일 1개와 2차 코일 2개)을 사용합니다. 코일은 직렬로 연결되며, 2차 코일의 위상은 1차 코일과 180° 차이가 납니다. 튜브 내부에는 전기자라고 하는 강자성 코어가 배치되어 측정 대상 위치에 연결됩니다. 1차 코일에 여자 전압이 인가되면 2차 코일에 전자기력(EMF)이 유도됩니다. 2차 코일 사이의 전압 차이를 측정하여 전기자와 전기자가 연결된 대상의 상대적인 위치를 파악할 수 있습니다. 회전 전압 차동 변환기(RVDT)는 동일한 기술을 사용하여 회전 위치를 추적합니다. LVDT 및 RVDT 센서는 우수한 정확도, 선형성, 해상도 및 높은 감도를 제공합니다. 또한 마찰이 없고 밀폐형으로 제작되어 열악한 환경에서도 사용할 수 있습니다.
와전류 위치 센서는 전도성 물체를 이용하여 작동합니다. 와전류는 변화하는 자기장이 존재할 때 전도성 물질에 유도되는 전류입니다. 이러한 전류는 닫힌 루프를 따라 흐르면서 2차 자기장을 생성합니다. 와전류 센서는 코일과 선형화 회로로 구성됩니다. 교류 전류가 코일에 흐르면서 1차 자기장을 생성합니다. 물체가 코일에 접근하거나 멀어지면, 와전류에 의해 생성된 2차 자기장과 코일의 임피던스 변화를 이용하여 물체의 위치를 ​​감지할 수 있습니다. 물체가 코일에 가까워질수록 와전류 손실이 증가하고 진동 전압은 감소합니다(그림 2). 이 진동 전압은 정류되어 선형화 회로를 거쳐 물체와의 거리에 비례하는 선형 직류 출력으로 변환됩니다.
와전류 소자는 견고하고 비접촉식이며 일반적으로 근접 센서로 사용됩니다. 이 소자는 전방향성을 가지며 물체까지의 상대적인 거리를 측정할 수 있지만, 물체까지의 방향이나 절대적인 거리는 측정할 수 없습니다.
이름에서 알 수 있듯이, 정전 용량 위치 센서는 정전 용량의 변화를 측정하여 감지 대상 물체의 위치를 ​​파악합니다. 이러한 비접촉식 센서는 선형 또는 회전 위치를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이 센서는 유전체 재질로 분리된 두 개의 판으로 구성되며, 물체의 위치를 ​​감지하는 데 다음 두 가지 방법 중 하나를 사용합니다.
유전 상수의 변화를 유도하기 위해, 위치를 측정하려는 물체를 유전체에 부착합니다. 유전체가 움직이면 유전체의 면적과 공기의 유전 상수의 조합으로 인해 커패시터의 유효 유전 상수가 변화합니다. 또는, 물체를 커패시터의 한쪽 판에 연결할 수도 있습니다. 물체가 움직이면 판들이 서로 가까워지거나 멀어지고, 이때 발생하는 정전 용량의 변화를 이용하여 상대적인 위치를 측정합니다.
정전 용량 센서는 물체의 변위, 거리, 위치 및 두께를 측정할 수 있습니다. 높은 신호 안정성과 해상도 덕분에 정전 용량 변위 센서는 실험실 및 산업 환경에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, 자동화 공정에서 필름 두께 및 접착제 도포량을 측정하는 데 사용됩니다. 산업 기계에서는 변위 및 공구 위치를 모니터링하는 데 사용됩니다.
자기변형은 강자성 물질이 자기장을 받으면 크기나 모양이 변하는 성질입니다. 자기변형 위치 센서에서는 측정 대상 물체에 이동 가능한 위치 자석이 부착됩니다. 이 센서는 전류 펄스를 전달하는 전선으로 이루어진 도파관과 도파관 끝에 위치한 센서로 구성됩니다(그림 3). 도파관을 통해 전류 펄스가 전달되면 전선에 자기장이 생성되고, 이 자기장은 영구 자석(실린더 피스톤 내부의 자석, 그림 3a)의 축 방향 자기장과 상호 작용합니다. 이러한 자기장 상호 작용은 전선에 변형을 일으키는 비데만 효과(Wiedemann effect)에 의해 발생하며, 이로 인해 도파관을 따라 전파되는 음향 펄스가 생성되어 도파관 끝에 있는 센서에서 감지됩니다(그림 3b). 전류 펄스 발생 시점과 음향 펄스 감지 시점 사이의 경과 시간을 측정함으로써 위치 자석, 즉 측정 대상 물체의 상대적인 위치를 측정할 수 있습니다(그림 3c).
자기변형 위치 센서는 선형 위치를 감지하는 데 사용되는 비접촉식 센서입니다. 도파관은 일반적으로 스테인리스강 또는 알루미늄 튜브에 내장되어 있어 오염되거나 습한 환경에서도 사용할 수 있습니다.
얇고 평평한 도체를 자기장 내에 놓으면, 흐르는 전류는 도체의 한쪽에 집중되어 홀 전압이라고 하는 전위차를 발생시킵니다. 도체에 흐르는 전류가 일정하면, 홀 전압의 크기는 자기장의 세기에 비례합니다. 홀 효과 위치 센서에서 물체는 센서 샤프트에 내장된 자석에 연결됩니다. 물체가 움직이면 자석의 위치가 홀 소자에 대해 상대적으로 변하고, 그 결과 홀 전압이 변화합니다. 홀 전압을 측정함으로써 물체의 위치를 ​​파악할 수 있습니다. 3차원 위치를 측정할 수 있는 특수 홀 효과 위치 센서도 있습니다(그림 4). 홀 효과 위치 센서는 비접촉식 장치로 높은 신뢰성과 빠른 감지 속도를 제공하며, 넓은 온도 범위에서 작동합니다. 이러한 센서는 다양한 소비재, 산업, 자동차 및 의료 분야에 사용됩니다.
광섬유 센서는 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다. 내장형 광섬유 센서는 광섬유 자체를 감지 소자로 사용합니다. 외부형 광섬유 센서는 광섬유를 다른 센서 기술과 결합하여 신호를 원격 전자 장치로 전달하고 처리합니다. 내장형 광섬유 센서의 위치 측정에는 광 시간 영역 반사계(OTDR)와 같은 장치를 사용하여 시간 지연을 측정할 수 있습니다. 파장 변화는 광 주파수 영역 반사계(OFDR)를 사용하는 장비를 통해 계산할 수 있습니다. 광섬유 센서는 전자기 간섭에 영향을 받지 않고, 고온에서도 작동하도록 설계할 수 있으며, 비전도성이므로 고압 환경이나 가연성 물질 근처에서도 사용할 수 있습니다.
광섬유 브래그 격자(FBG) 기술을 기반으로 하는 또 다른 광섬유 센싱 방식도 위치 측정에 사용될 수 있습니다. FBG는 광대역 스펙트럼의 빛이 조사될 때 브래그 파장(λB)을 중심으로 하는 빛의 일부만을 반사하는 노치 필터 역할을 합니다. FBG는 광섬유 코어에 미세 구조를 식각하여 제작됩니다. FBG는 온도, 변형률, 압력, 기울기, 변위, 가속도 및 하중과 같은 다양한 매개변수를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.
광학 위치 센서(광학 엔코더)에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 센서 반대편에 있는 수신기로 빛을 보내는 방식이고, 다른 하나는 방출된 빛 신호가 감지 대상 물체에 반사되어 광원으로 되돌아오는 방식입니다. 센서 설계에 따라 파장, 강도, 위상 또는 편광과 같은 빛의 특성 변화를 이용하여 물체의 위치를 ​​측정합니다. 엔코더 기반 광학 위치 센서는 선형 및 회전 운동에 모두 사용 가능합니다. 이러한 센서는 크게 투과형 광학 엔코더, 반사형 광학 엔코더, 간섭형 광학 엔코더의 세 가지 범주로 나뉩니다.
초음파 위치 센서는 압전 결정 변환기를 사용하여 고주파 초음파를 방출합니다. 센서는 반사된 소리를 측정합니다. 초음파 센서는 단순한 근접 센서로 사용될 수 있으며, 더욱 복잡한 설계를 통해 거리 측정 정보도 제공할 수 있습니다. 초음파 위치 센서는 다양한 재질과 표면 특징을 가진 대상 물체에 적용 가능하며, 다른 유형의 위치 센서보다 더 먼 거리에서 작은 물체를 감지할 수 있습니다. 또한 진동, 주변 소음, 적외선 및 전자기 간섭에 대한 내성이 뛰어납니다. 초음파 위치 센서를 사용하는 응용 분야의 예로는 액체 레벨 감지, 고속 물체 계수, 로봇 내비게이션 시스템 및 자동차 센싱 등이 있습니다. 일반적인 자동차용 초음파 센서는 플라스틱 하우징, 추가 멤브레인이 있는 압전 변환기, 그리고 신호 송수신 및 처리를 위한 전자 회로와 마이크로컨트롤러가 있는 인쇄 회로 기판으로 구성됩니다(그림 5).
위치 센서는 물체의 절대 또는 상대적인 선형, 회전 및 각도 운동을 측정할 수 있습니다. 또한 액추에이터나 모터와 같은 장치의 움직임을 측정할 수 있으며, 로봇이나 자동차와 같은 모바일 플랫폼에도 사용됩니다. 위치 센서에는 환경 내구성, 비용, 정확도, 반복성 및 기타 속성을 고려하여 다양한 기술이 적용됩니다.
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