로봇 구동 체인부터 공급망 운영의 컨베이어 벨트, 풍력 터빈 타워의 흔들림까지 위치 감지는 광범위한 응용 분야에서 중요한 기능입니다. 선형, 회전, 각도, 절대, 증분, 접촉 및 비접촉 센서를 포함한 여러 형태가 있습니다. 3차원에서 위치를 결정할 수 있는 특수 센서가 개발되었습니다. 위치 감지 기술에는 전위차식, 유도식, 와전류식, 용량성, 자기변형, 홀 효과, 광섬유, 광학 및 초음파가 있습니다.
이 FAQ에서는 다양한 형태의 위치 감지에 대한 간략한 소개를 제공하고, 설계자가 위치 감지 솔루션을 구현할 때 선택할 수 있는 다양한 기술을 검토합니다.
전위차 위치 센서는 저항 기반 장치로, 위치를 감지해야 하는 물체에 부착된 와이퍼와 고정된 저항성 트랙을 결합합니다. 물체가 움직이면 와이퍼가 트랙을 따라 움직입니다. 물체의 위치는 레일과 와이퍼로 형성된 전압 분배기 네트워크를 사용하여 고정된 DC 전압으로 선형 또는 회전 운동을 측정하여 측정합니다(그림 1). 전위차 센서는 비용이 저렴하지만 일반적으로 정확도와 반복성이 낮습니다.
유도 위치 센서는 센서 코일에 유도된 자기장의 특성 변화를 활용합니다. 구조에 따라 선형 또는 회전 위치를 측정할 수 있습니다. 선형 가변 차동 변압기(LVDT) 위치 센서는 중공 튜브 주위에 감긴 세 개의 코일, 즉 1차 코일과 2차 코일을 사용합니다. 코일은 직렬로 연결되고 2차 코일의 위상 관계는 1차 코일에 대해 180° 위상이 다릅니다. 전기자라고 하는 강자성 코어가 튜브 내부에 배치되고 측정할 위치의 물체에 연결됩니다. 1차 코일에 여기 전압을 인가하면 2차 코일에 전자기력(EMF)이 유도됩니다. 2차 코일 간의 전압 차이를 측정하여 전기자의 상대적 위치와 부착된 물체를 확인할 수 있습니다. 회전 전압 차동 변압기(RVDT)는 동일한 기술을 사용하여 회전 위치를 추적합니다. LVDT 및 RVDT 센서는 우수한 정확도, 선형성, 분해능 및 높은 감도를 제공합니다. 마찰이 없으며 혹독한 환경에서 사용하도록 밀봉할 수 있습니다.
와전류 위치 센서는 전도성 물체와 함께 작동합니다. 와전류는 변화하는 자기장이 있는 전도성 물질에서 발생하는 유도 전류입니다. 이 전류는 폐쇄 루프에서 흐르고 2차 자기장을 생성합니다. 와전류 센서는 코일과 선형화 회로로 구성됩니다. 교류는 코일에 전원을 공급하여 1차 자기장을 생성합니다. 물체가 코일에 접근하거나 코일에서 멀어지면 와전류에 의해 생성되는 2차 자기장의 상호 작용을 사용하여 위치를 감지할 수 있으며, 이는 코일의 임피던스에 영향을 미칩니다. 물체가 코일에 가까워질수록 와전류 손실이 증가하고 발진 전압이 작아집니다(그림 2). 발진 전압은 선형화 회로에서 정류되고 처리되어 물체의 거리에 비례하는 선형 DC 출력을 생성합니다.
와전류 장치는 견고하고 비접촉식 장치로, 일반적으로 근접 센서로 사용됩니다. 이 장치는 전방향성이며 물체와의 상대적 거리는 측정할 수 있지만, 물체의 방향이나 절대 거리는 측정할 수 없습니다.
이름에서 알 수 있듯이, 정전용량형 위치 센서는 감지 대상의 위치를 ​​확인하기 위해 정전용량의 변화를 측정합니다. 이러한 비접촉 센서는 선형 또는 회전 위치를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이 센서는 유전체로 분리된 두 개의 판으로 구성되며 두 가지 방법 중 하나를 사용하여 대상의 위치를 ​​감지합니다.
유전율의 변화를 일으키기 위해 위치를 검출하려는 물체를 유전체에 부착합니다.유전체가 움직이면 유전체의 면적과 공기의 유전율의 조합으로 인해 커패시터의 유효 유전율이 변합니다.또는 물체를 커패시터 판 중 하나에 연결할 수 있습니다.물체가 움직이면 판이 가까워지거나 멀어지고, 정전용량의 변화를 사용하여 상대적 위치를 결정합니다.
정전용량형 센서는 물체의 변위, 거리, 위치 및 두께를 측정할 수 있습니다. 높은 신호 안정성과 분해능으로 인해 정전용량형 변위 센서는 실험실 및 산업 환경에서 사용됩니다. 예를 들어, 정전용량형 센서는 자동화 공정에서 필름 두께와 접착제 도포를 측정하는 데 사용됩니다. 산업용 기계에서는 변위와 공구 위치를 모니터링하는 데 사용됩니다.
자기변형은 자기장이 가해졌을 때 재료의 크기나 모양이 변하는 강자성체의 특성입니다.자기변형 위치 센서에서 이동 가능한 위치 자석은 측정 대상에 부착됩니다.이는 전류 펄스를 전달하는 와이어로 구성된 도파관으로 구성되며 도파관 끝에 있는 센서에 연결됩니다(그림 3).전류 펄스가 도파관을 통해 전송되면 와이어에 자기장이 생성되어 영구 자석(실린더 피스톤에 있는 자석, 그림 3a)의 축 자기장과 상호 작용합니다.자기장의 상호 작용은 와이어를 비틀어 변형시켜 도파관을 따라 전파되는 음향 펄스를 생성하고 도파관 끝에 있는 센서에서 감지합니다(그림 3b).전류 펄스가 시작된 후 음향 펄스가 감지될 때까지 경과 시간을 측정하여 위치 자석과 대상의 상대적 위치를 측정할 수 있습니다(그림 3c).
자기변형 위치 센서는 선형 위치를 감지하는 데 사용되는 비접촉 센서입니다. 도파관은 종종 스테인리스 스틸이나 알루미늄 튜브에 들어 있어 이러한 센서를 더럽거나 습한 환경에서 사용할 수 있습니다.
얇고 평평한 도체를 자기장에 놓으면 흐르는 전류는 도체의 한쪽 면에 축적되어 홀 전압이라고 하는 전위차를 생성합니다. 도체의 전류가 일정하면 홀 전압의 크기는 자기장의 강도를 반영합니다. 홀 효과 위치 센서에서 물체는 센서 샤프트에 있는 자석에 연결됩니다. 물체가 움직이면 홀 소자에 대한 자석의 위치가 바뀌어 홀 전압이 변합니다. 홀 전압을 측정하면 물체의 위치를 ​​결정할 수 있습니다. 3차원에서 위치를 결정할 수 있는 특수 홀 효과 위치 센서가 있습니다(그림 4). 홀 효과 위치 센서는 높은 신뢰성과 빠른 감지 기능을 제공하며 넓은 온도 범위에서 작동하는 비접촉 장치입니다. 이러한 센서는 다양한 소비자, 산업, 자동차 및 의료 응용 분야에 사용됩니다.
광섬유 센서에는 두 가지 기본 유형이 있습니다. 내장형 광섬유 센서에서 광섬유는 감지 요소로 사용됩니다. 외부 광섬유 센서에서 광섬유는 다른 센서 기술과 결합되어 신호를 원격 전자 장치로 전달하여 처리합니다. 내장형 광섬유 위치 측정의 경우, 광 시간 영역 반사계와 같은 장치를 사용하여 시간 지연을 확인할 수 있습니다. 파장 이동은 광 주파수 영역 반사계를 구현한 장비를 사용하여 계산할 수 있습니다. 광섬유 센서는 전자기 간섭에 영향을 받지 않고 고온에서 작동하도록 설계할 수 있으며 비전도성이므로 고압이나 가연성 물질 근처에서 사용할 수 있습니다.
또 다른 광섬유 브래그 격자(FBG) 기술을 기반으로 한 광섬유 감지 기술도 위치 측정에 사용할 수 있습니다. FBG는 노치 필터 역할을 하여 광범위한 스펙트럼 빛이 조사될 때 브래그 파장(λB)을 중심으로 하는 빛의 작은 부분을 반사합니다. FBG는 광섬유 코어에 미세 구조를 에칭하여 제작됩니다. FBG는 온도, 변형률, 압력, 기울기, 변위, 가속도 및 하중과 같은 다양한 매개변수를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.
광학 위치 센서에는 광학 인코더라고도 하는 두 가지 유형이 있습니다. 한 가지 경우, 빛은 센서의 반대쪽 끝에 있는 수신기로 전송됩니다. 두 번째 유형에서는 방출된 빛 신호가 모니터링 대상에 의해 반사되어 광원으로 돌아갑니다. 센서 설계에 따라 파장, 강도, 위상 또는 편광과 같은 빛 속성의 변화를 사용하여 대상의 위치를 ​​결정합니다. 인코더 기반 광학 위치 센서는 선형 및 회전 운동에 사용할 수 있습니다. 이러한 센서는 투과형 광학 인코더, 반사형 광학 인코더, 간섭형 광학 인코더의 세 가지 주요 범주로 나뉩니다.
초음파 위치 센서는 압전 결정 변환기를 사용하여 고주파 초음파를 방출합니다. 센서는 반사되는 소리를 측정합니다. 초음파 센서는 간단한 근접 센서로 사용할 수도 있고, 더 복잡한 설계로 거리 정보를 제공할 수도 있습니다. 초음파 위치 센서는 다양한 재료와 표면 특성을 가진 대상 물체와 함께 작동하며, 다른 많은 유형의 위치 센서보다 더 먼 거리에서 작은 물체를 감지할 수 있습니다. 초음파 위치 센서는 진동, 주변 소음, 적외선 및 전자기 간섭에 강합니다. 초음파 위치 센서를 사용하는 응용 프로그램의 예로는 액체 수위 감지, 물체의 고속 계산, 로봇 내비게이션 시스템 및 자동차 감지가 있습니다. 일반적인 자동차 초음파 센서는 플라스틱 하우징, 추가 멤브레인이 있는 압전 변환기, 신호를 전송, 수신 및 처리하기 위한 전자 회로와 마이크로컨트롤러가 있는 인쇄 회로 기판으로 구성됩니다(그림 5).
위치 센서는 물체의 절대적 또는 상대적 선형, 회전 및 각도 운동을 측정할 수 있습니다. 위치 센서는 액추에이터나 모터와 같은 장치의 움직임을 측정할 수 있습니다. 또한 로봇이나 자동차와 같은 모바일 플랫폼에도 사용됩니다. 환경적 내구성, 비용, 정확도, 반복성 및 기타 속성의 다양한 조합을 갖춘 다양한 기술이 위치 센서에 사용됩니다.
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