센서 기술

트랜스듀서

트랜스듀서란 비전기적 양을 전압이나 전류 형식의 비례적인 전기적 신호로 변환하는 장치입니다. 이는 다시 변위, 온도, 압력, 스트레인(변형), 기타 물리적 매개 변수로 측정될 수 있습니다. 액추에이터와 센서 모두 트랜스듀서의 일종이며, 작동 중인 모든 트랜스듀서는 주어진 순간에 센서 또는 액추에이터 역할을 합니다.

다양한 유형의 트랜스듀서가 있으며, 그 중 몇 가지는 온도, 압력, 변위, 유도, 저항, 정전 용량, 홀 이펙트 타입(Hall Effect type), 준위, 유량, 힘 등입니다. 트랜스듀서를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 매개 변수는 정적 응답, 동적 응답, 환경적 요인, 신뢰도 등입니다.

스트레인 게이지는 트랜스듀서 설계 내의 대응 출력이 측정 중인 매개 변수에 관련되는 트랜스듀서 유형에서 자주 사용됩니다. 스트레인 게이지는 로드셀(load cell)에 의해 측정된 힘을 판단하기 위해 자주 사용되며, 반도체 또는 금속 호일로 제작된 제품이 가장 인기가 있습니다. 금속 호일 장치는 일반적으로 격자 무늬 구조의 구리-니켈 합금 또는 니켈-크롬 호일로 제작되며, 호일 성분의 변형으로 인한 저항 변화를 활용합니다.

LVDT와 RVDT(선형 및 회전식 가변 차동 트랜지스터)를 로드셀 및 테스트 시스템과 함께 사용하여 선형 및 회전 변위를 측정합니다. LVDT는 물체의 직선 운동을 전기 신호로 변환할 수 있는 일반적인 형태의 전기 기계식 트랜스듀서입니다.

반도체 장치는 실리콘 또는 게르마늄 스트레인 게이지를 사용하며, 이들 재료의 압전 저항 특성을 활용합니다. 압전 트랜스듀서는 감지 및 액추에이션 분야에 폭넓게 사용되고 있습니다. 압전 재료가 수축되거나 팽창될 때 재료 간에 전하가 발생하는데, 이를 '정압전성(direct piezoelectricity)이라고 합니다.

압력 트랜스듀서는 압력을 디지털 또는 아날로그 신호로 변환합니다. 이를 위해 여러 기술이 사용될 수 있지만, 이러한 중요한 응용 분야에서는 스트레인 게이지를 선호합니다. 압력 트랜스듀서가 압력에 노출될 때, 이 압력에 비례하는 출력 전압을 공급합니다. 전압 출력은 반드시 압력 수준을 반영하도록 보정되어야 합니다.

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모션

모션 센서는 물체의 움직임을 감지하며, 대상의 존재 유무를 확인하여 동작을 일으키는 데 사용될 수 있습니다. 일상 생활에서 모션 센서의 역할이 점점 더 커지고 있습니다.

아마도 가장 잘 알려진 모션 센서는 가속도계일 것입니다. 가속도계는 가속력을 측정하는 전기 기계 장치입니다. 가속력은 발에 가해지는 일정한 중력처럼 정적일 수도 있고 가속도계를 움직이거나 진동시킬 때 발생하는 동적인 힘일 수도 있습니다. 일부 가속도계는 압전 효과를 사용하는데, 이 경우 가속력에 의해 변형력을 받는 미세한 결정 구조가 포함되며, 이를 통해 전압을 발생시킵니다. 또 다른 방법은 정전 용량의 변화를 감지하는 것입니다. 두 개의 미세 구조물이 나란히 있는 경우 그 사이에 일정한 정전 용량이 있습니다. 가속력이 구조물 중 하나를 이동하면 정전 용량이 변경됩니다. 일부 회로를 추가하여 정전 용량을 전압으로 변환하면 가속도가 됩니다.

P수동형 적외선(PIR) 센서와 반사형 적외선 센서 역시 일반적인 형태의 모션 센서입니다. PIR 센서는 따뜻한 물체의 유무를 감지할 수 있기 때문에 다양한 감지 영역을 커버하도록 설계할 수 있습니다. 이러한 형태의 센서는 빛을 발산하는 대신, 주변과 온도가 다른 물체가 움직일 때 발생하는 적외선의 변화량을 감지합니다. 반사형 적외선 센서는 LED로부터 적외선을 방출한 후 반사된 광선을 감지하여 물체까지의 거리를 판단합니다.

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위치

위치 센서는 위치에 관한 피드백을 제공하며, 많은 시스템에 정밀한 모션 제어, 카운팅, 암호 해독 기능을 제공할 수 있습니다. 위치 센서는 대상 물체, 사람, 물질, 자기장 또는 전기장의 교란을 감지하여, 이를 전기적 출력으로 변환하여 추후 조치를 취합니다

서로 다른 많은 감지 기술에 기반한 다양한 위치 센서가 있으며, 각각 고유의 장점과 한계가 있습니다. 그 유형에는 리미트 스위치, 저항성 위치 트랜스듀서 등의 접촉식 장치와 자기 센서(홀 이펙트 및 자기 저항성 센서), 초음파 센서, 근접 센서, 광전 센서 등의 비접촉식 장치가 있습니다.

자이로스코프(자이로 센서)는 지구의 중력을 이용하여 방향을 확인하는 데 도움을 주는 장치입니다. 로터라고 하는 자유롭게 회전하는 디스크로 이루어져 있으며, 이 디스크는 더 크고 더 안정적인 휠의 중심에 있는 회전축에 장착됩니다. 축이 회전하면 로터는 중심 중력을 나타내기 위해 정지 상태를 유지하며 어느 쪽이 아래 쪽인지 확인합니다. 자이로스코프는 특정 축을 중심으로 회전 속도를 측정할 수 있어 유효성 수준을 유지합니다.

위치 측정은 기기의 기준 위치에서 새로운 위치까지 이동한 거리를 각도 이동 및 회전을 통해 측정할 수 있으므로 위치 제어를 위한 피드백 루프에 자주 필요합니다. 위치 감지 기술에는 홀 이펙트, 저항성, 자기 저항성이 포함됩니다.

감지 기술이 발전할수록 위치 판단 장치는 더욱 작아지고 개선되므로, 그 어느 때보다 다양한 응용 분야에 사용될 가능성이 있습니다. 적합한 위치 센서 선택에 중요한 단계는 센서 크기, 측정 범위, 선형성, 분해능, 정확도, 반복성, 설치 제약, 환경적 내구성이라는 요구 사항을 이해하는 것입니다.

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근접

근접 센서는 물체가 센서 표면에 접근했을 때 이를 감지하는 개별 센서입니다. 이 센서는 물리적 접촉 없이도 근접한 물체의 존재를 감지할 수 있습니다. 근접 센서는 전자기파를 방출하고 자기장 또는 리턴 신호의 변화를 확인합니다. 근접 센서는 스마트폰에서 통화 중 귀에 가까이 할 때 우발적으로 터치 스크린이 눌리는 것을 감지하는 데 주로 사용됩니다. 일반적인 용도로는 자동화된 기계와 제조 시스템에서의 감지, 위치 확인, 검사 및 계수가 있습니다. 근접 센서에는 유도 근접 센서, 정전식 근접 센서, 초음파 근접 센서 및 광도계 센서 또는 광전자 센서의 네 가지 기본 유형이 있습니다.

유도 근접 센서는 철 및 비철 금속 물체에 반응합니다. 또한 비금속 재료의 층을 통해 금속을 감지합니다. 유도 근접 센서는 연철심 주변을 감고 있는 코일로 구성됩니다. 철 물체가 가까이 있으면 센서의 인덕턴스가 변합니다. 이 변화는 전압 트리거 스위치로 변환됩니다. 정전식 센서는 물리적으로 접촉할 필요 없이 활성 표면을 둘러싸고 있는 유전체 매체의 변화에 반응하므로 거의 모든 물질을 감지하도록 조정할 수 있습니다. 정전식 센서는 또한 유리, 플라스틱 또는 얇은 판지 상자 층을 통해 물질을 감지할 수도 있습니다.

광도계 센서는 최대 10미터 범위의 물체나 물질을 거의 접촉하지 않고 감지할 수 있습니다. 이 센서는 광원(일반적으로 적외선 또는 가시 광선 스펙트럼에 있는 LED, 발광 다이오드)과 감지기(광다이오드)로 구성됩니다. 초음파 센서는 고주파수(20kHz) 음파의 반사를 이용하여 부품 또는 부품과의 거리를 감지합니다. 초음파 센서는 대상이 투명한 경우 최선의 선택입니다.

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전류

전류 센서는 전류를 감지하여 측정 가능한 출력 전압으로 쉽게 변환하는 장치로, 출력 전압은 측정된 전류에 비례합니다. 특정 전류 범위 및 환경 조건에 적합한 다양한 센서가 있습니다. 전류 센서는 광도, 대역폭, 정확도, 견고성, 절연, 비용, 크기 등의 요구 사항에 따라 선택됩니다. 생성되는 전류 값은 제어 또는 모니터링 시스템에서 사용하기 위해 디지털 형식으로 변환될 수 있고, 아날로그 형태로 직접 전류 테스트 도구를 통해 표시되기도 합니다.

전류 감지 저항기는 가장 일반적으로 사용되는 전류 센서입니다. 전류 경로에 저항기를 삽입하면 전류가 선형 방식으로 전압으로 변환되는 전류-전압 컨버터로 간주할 수 있습니다. 다양한 응용 분야에서 센서마다 각기 다른 특성을 가질 수 있으므로 전류 센서에 사용되는 기술은 매우 중요합니다.

전류 센서는 개방형 또는 폐쇄형 루프 홀 효과 기술을 기반으로 합니다. 폐쇄형 루프 센서에는 감지되는 전류에 의해 생성되는 자기장에 반대되는 자기장을 생성하기 위해 능동적으로 구동되는 코일이 있습니다. 홀 센서는 영점 감지 장치로 사용되며, 출력 신호는 코일로 유도되는 전류에 비례하며, 이는 측정되는 전류에 비례합니다.

개방형 루프 전류 센서에서 1차 전류에 의해 생성되는 자속은 자기 회로에 집중되고 홀 장치를 사용하여 측정됩니다. 홀 장치의 출력은 1차 전류를 정확하게(순시) 표시하도록 조절된 신호입니다.

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광학 및 조명

광센서는 빛 에너지를 전기 신호 출력으로 변환하는 패시브 장치입니다. 광센서는 빛 에너지(광자)를 전자 신호(전자)로 변환하기 때문에 일반적으로 광도계 장치 또는 광 센서로 알려져 있습니다. 광트랜지스터, 포토레지스터 및 광다이오드는 가장 일반적인 유형의 광도 센서입니다.

광도계 센서는 물체의 존재 여부를 감지하기 위해 빛을 사용합니다. 이 센서는 발광 소자로부터 광선(가시 광선 또는 적외선)을 방출합니다. 반사형 광도계 센서는 대상에서 반사된 광선을 감지하는 데 사용됩니다. 광선은 발광 소자에서 방출되고 수광 소자에 의해 수신됩니다. 발광 소자와 수광 소자 모두 단일 하우징에 포함되어 있습니다. 센서는 대상으로부터 반사된 광선을 수신합니다.

반면에, 광트랜지스터는 감지하는 빛의 수준을 사용하여 회로를 통과할 수 있는 전류의 양을 결정합니다. 따라서 센서가 어두운 방에 있으면 소량의 전류만 흐르게 합니다. 밝은 빛을 감지하면 더 많은 양의 전류가 흐르게 합니다. 포토레지스터는 센서가 어두울 때 저항이 최대인 황화 카드뮴으로 만들어집니다. 포토레지스터가 빛에 노출되면 빛의 강도에 비례하여 저항이 떨어집니다. 회로와 접촉하여 포텐셔미터와 균형을 이루면 전압 변화에 따라 광도가 표시됩니다. 이러한 센서는 간단하고 안정적이고 저렴하며 광도 측정에 널리 사용됩니다.

광 섬유 센서 기술에서 시스템은 공기 대신 광 섬유 케이블을 사용하여 광원과 감지기 사이에 빛을 전송합니다. 광 섬유 센서는 내장 센서와 외부 센서 두 가지로 크게 분류할 수 있습니다. 내장 센서의 경우 광 섬유 케이블 자체가 센서인 반면, 외부 센서의 경우 광 섬유 케이블이 빛을 기존 센서로 안내하거나 그 반대로 안내하는 데 사용됩니다.

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습도

습도는 공기 중에 존재하는 수분입니다. 공기 중 수증기의 양은 다양한 산업의 수많은 제조 공정뿐 아니라 인간의 쾌적함에도 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 수증기는 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 과정에 영향을 미칠 수 있습니다.

습도 센서는 공기 중의 전류나 온도를 바꾸는 변화를 감지함으로써 작동합니다. 습도 센서에는 정전식, 저항식 및 열 유형이라는 세가지 기본 유형이 있습니다. 세 가지 유형 모두 공기 중의 습도를 계산하기 위해 대기 중의 미세한 변화를 모니터링합니다.

정전식 습도 센서는 두 전극 사이에 얇은 금속 산화물 스트립을 배치하여 상대 습도를 측정합니다. 금속 산화물의 전기 용량은 대기의 상대 습도에 따라 변합니다. 날씨, 상업 및 산업 분야가 주요 적용 분야입니다.

저항식 습도 센서는 염(salt)에 들어 있는 이온을 이용해 원자의 전기 임피던스를 측정합니다. 습도가 변함에 따라 염 매체의 양쪽에 있는 전극의 저항도 변합니다. 두 개의 열 센서가 주변 공기의 습도에 따라 전기를 전도합니다. 한 센서는 건조 질소 안에 들어 있고 다른 센서는 주변 공기를 측정합니다. 그 둘 사이의 차이로 습도를 측정합니다.

열 습도 센서는 주변 대기의 수분에 따라 전기를 전도하도록 설계됩니다. 이를 위해 습한 공기와 건조한 공기의 열 전도율 차이를 계산합니다.

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온도

온도 센서는 물체나 시스템에서 발생하는 열 에너지나 냉기의 양을 측정하는 장치입니다. 이를 통해 해당 온도의 실제 변화를 탐지하거나 감지하여 아날로그 또는 디지털 출력을 생성할 수 있습니다.

온도 감지는 두 가지 기본적인 물리적 형태, 즉, 접촉식 온도 센서 유형과 비접촉식 온도 센서 유형으로 구성됩니다. 접촉식 온도 센서는 감지되는 물체와 물리적으로 접촉해야 하며 온도 변화를 모니터링하기 위해 전도를 사용해야 합니다. 비접촉식 온도 센서는 대류 및 복사를 이용하여 온도 변화를 모니터링합니다.

온도 측정에는 다양한 장치를 사용할 수 있으며, 가장 일반적인 장치는 열전대, 서미스터, 저항 온도 감지기(RTD) 및 적외선 유형입니다. 열전대는 가장 기능이 다양하고 저렴하고 범위가 넓습니다(일반적으로 최대 섭씨 1200도까지). 감지 접점을 만들기 위해 종단부에 서로 다른 두 개의 금속 와이어가 연결되어 있습니다. 기준 접점과 함께 사용할 경우 기준 접점과 실제 온도 간의 온도차가 전압 전위로 표시됩니다.

서미스터는 온도 변화에 따라 저항이 변하는 반도체 장치입니다. 그러나 그 온도와 저항 간의 관계는 비선형적입니다. 최대 섭씨 100도까지의 제한된 범위 내에서 매우 높은 감도로 측정하는 데 적합합니다..

RTD는 보통 백금으로 만든 정밀 와이어를 감지 부품으로 사용합니다. 이것은 금속 저항이 온도에 따라 변하는 현상을 사용하며, 이로 인해 열전대보다 더 넓은 범위에 걸쳐 선형성을 가지며, 안정성, 정확도, 분해능이 더 뛰어납니다.

적외선 유형 센서는 일정 거리에서 온도를 감지하기 위해 복사열을 사용합니다. 이러한 비접촉식 센서는 표면의 열 지도를 생성하기 위해 시야를 감지하는 데도 사용될 수 있습니다.

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압력

압력 센서는 압력을 감지하고 적용되는 압력에 따라 크기가 달라지는 아날로그 전기 신호로 해당 압력을 변환하는 장치입니다. 압력은 유체가 주변에 작용하는 단위 면적당 힘으로 정의됩니다. 압력을 전기 신호로 변환하기 때문에 압력 트랜스듀서라고도 합니다.

절대 압력은 완벽한 진공 상태를 기준으로 측정되며, 대기압이 그 예입니다. 일반적인 측정 단위는 psia(pounds per square inch absolute)입니다. 차동 압력은 두 측정 지점 사이의 압력 차이입니다. 이는 일반적으로 psid(pounds per square inch differential) 단위로 측정됩니다. 게이지 압력은 외부 압력을 기준으로 측정되며, 혈압이 그 예입니다. 일반적인 측정 단위는 psig(pressure per square inch gauge)입니다.

압력의 SI 단위는 파스칼(N/m2)이지만 다른 일반적인 압력 단위로는 제곱 인치당 파운드(PSI), 대기(atm), 바(bar), 인치 수은(Hg), 밀리미터 수은(mm Hg)이 있습니다.

압력 센서는 자동차, 제조, 항공, 바이오 의료 측정, 에어컨, 유압 측정 등과 같은 분야에서 광범위하게 사용되어 왔으며, 자동차 산업에서는 압력 센서가 엔진과 안전에 필수적인 부분을 담당합니다. 엔진에서 이러한 센서는 오일 및 냉각수 압력을 모니터링하고 가속 페달을 밟거나 차량에 브레이크를 적용할 때마다 적절한 속도를 달성하기 위해 엔진이 공급해야 하는 파워를 조절합니다. 디지털 혈압 모니터와 산소 호흡기와 같은 기기에서 환자의 건강과 요구 사항에 따라 최적화하기 위해서는 압력 센서가 필요합니다.

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터치

터치 센서는 장치 및/또는 물체에서 물리적 터치 또는 접촉을 캡처하고 기록하는 장치입니다. 이를 통해 장치 또는 물체가 일반적으로 사용자나 작업자에 의한 터치 또는 근접 거리를 감지할 수 있습니다. 터치 감지 입력 장치는 새로운 상호 작용 기법에 대한 다양한 가능성을 제공하며 기계적 버튼과 스위치를 안정적으로 대체하여 기계적 마모를 없애줍니다. 직관적인 사용자 인터페이스를 위해 간단한 슬라이더, 회전식 휠 또는 터치 패드로 구성할 수 있습니다.

터치 센서는 주로 물체나 사람이 물리적으로 접촉할 때 작동합니다. 터치 센서는 촉각 센서라고도 하며 터치, 힘 또는 압력에 반응합니다. 정전식 또는 저항식 감지 기술을 사용하여 구현할 수 있습니다.

정전식 감지는 전도성이 있거나 공기와의 유전체 차이가 있는 모든 것을 감지하고 측정할 수 있는 정전식 커플링을 기반으로 하는 기술입니다. 정전식 터치 스크린은 인체의 전기 자극, 일반적으로 손가락 끝을 기준으로 특정 터치 위치를 구별하고 감지합니다. 따라서 정전식 터치 스크린에서는 화면 표면에 실제 힘을 가할 필요가 없습니다.

정전식 터치 스크린 기술은 광범위한 용도로 사용되는 인기 있고 내구성이 뛰어난 기술입니다. 정전식 터치 스크린은 매우 선명하며 최대 90%의 투명성을 제공합니다. 저항식 기술보다 선명도가 높기 때문에 스마트폰에 사용됩니다.

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유량

유량 센서(또는 계량기)는 선형, 비선형, 질량 또는 체적 유체나 기체의 유량 속도를 측정하는 장치입니다. 유량 센서는 전기 및 기계적 하부 시스템을 활용하여 유체의 물리적 속성 변화를 측정하고 그 유량을 계산합니다. 유량 센서는 작동 온도가 -20°C ~ +400°C인 기체, -50°C ~ +180°C인 액체에 적용되며, 0m/s ~ 100m/s의 유량 속도 및 방향을 측정할 수 있습니다. 유량 센서는 누출, 막힘, 파이프 파열의 감지하기 위해 설치됩니다. 유량 측정은 많은 종류의 장비 제어에 매우 중요합니다. 일반적으로 의료 장치, HVAC 시스템, 자동차, 화학 공장, 산업 공정, 스마트 에너지 응용 분야에 사용되고 있습니다. 유량계를 선택할 때 고려해야 할 요소는 보정 및 유지보수의 용이성, 평균 무고장 시간, 구체적인 공장 현장에서의 예비 부품 가용성입니다.

유량 센서는 유량 속도 정보, 연속적인지 총합인지 여부, 데이터가 로컬인지 원격인지와 같은 요구 사항의 사양에 따라 선택됩니다. 데이터가 원격일 경우 아날로그 또는 디지털로 전송될 수 있습니다. 압력, 온도, 허용 압력 강하, 밀도(또는 비중), 전도율, 점도, 최대 작동 온도에서의 증기 압과 같은 공정 유체 요인의 특성 및 흐름 특징에 대한 평가도 중요합니다.

유량 센서는 접촉식 유량 센서와 비접촉식 유량 센서 두 가지로 분류할 수 있습니다. 측정할 액체 또는 기체가 해당 센서의 움직이는 부품과 접촉할 때 파이프를 막히게 하지 않는다면 접촉시 유량 센서가 사용됩니다. 그에 반해 비접촉식 유량 센서는 움직이는 부품이 없으며 액체 또는 기체 추적에 일반적으로 사용되고 있습니다. 마찬가지로 유량 센서의 종류는 체적 유량 감지 시스템이거나 질량 유량 센서 시스템일 수 있습니다. 기체 유량 센서는 질량 유량에 기반한 시스템을 사용합니다.

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