측정 시스템 구축에 필요한 센서 선택의 적합한 방법

모든 종류의 물리적 현상을 측정하기 위해 선택할 수 있는 센서는 다양하다. 본지에서는 내쇼널인스투르먼트가 제공하는 측정 시스템에 적합한 센서를 선택하는 방법을 게재한다.

사용자들이 다양한 물리적 현상 중 △온도 △스트레인 △사운드 △진동 △위치 및 변위 △압력 △힘 등 7가지 현상을 측정하는 가장 보편적인 센서를 분류, 비교해 본다.

온도

온도를 측정할 때 사용하는 가장 일반적인 센서는 열전쌍, 서미스터, 저항 온도 센서(RTD)이다. 더욱 특수화된 센서인 광섬유 센서는 온도 측정에 점점 더 보편적으로 사용되고 있다.

열전쌍

가장 일반적인 온도 센서인 열전쌍은 온도 범위가 넓은 애플리케이션에 효과적이다. 열전쌍은 저렴하며 (tpf=board/list&board_code=3~USD (한화 약 1,200원~60,000원)), 응답 시간이 초 미만의 단위로 짧다. 물질의 속성과 기타 요인으로 인해, 1°C 미만의 온도 정확도를 얻기 힘들다.

RTDs

RTD는 열전쌍만큼이나 보편적으로 사용되며 오랜 기간 동안 안정적인 온도 측정을 지속한다. 열전쌍과 반대로 RTD는 온도 범위가 더 작고 (-200~500°C) 전류 구동이 필요하며 응답 시간(2.5~10초)이 길다. RTD는 시간이 결정적이지 않은 애플리케이션에서 정확한 온도 측정(±1.9%)을 위해 주로 사용된다. RTD의 가격은 ~tpf=board/list&board_code=3,000USD (한화 약 30,000원~ 120만원)이다.

서미스터

서미스터는 앞에서 설명한 센서보다 온도 범위(-90~130°C)가 작다. 서미스터는 최고의 정확도(±.05°C)를 제공하지만 열전쌍이나 RTD보다 다루기가 민감하다. 서미스터는 RTD와 같이 구동이 필요하지만 전류 구동이 아닌 전압 구동이 필요하다. 서미스터의 가격은 보통 ~ USD(한화 약 2,400원~12,000원) 정도이다.

광섬유

온도 측정의 다른 방법으로는 광섬유를 사용하는 방법이 있다. 광섬유 온도 센서는 유해 환경이나 정기적으로 전자기 간섭이 있는 환경에 적합하다. 광섬유는 비전도성이고 전기에 수동적으로 반응하며 EMI 유도 노이즈에 면역이 있다. 또한 신호 무결성에 손실을 거의 주지 않으면서 데이터를 장거리로 전송한다.

스트레인

스트레인은 일반적으로 저항 스트레인 게이지에 의해 측정된다. 본 평면 저항은 구부릴 수 있는 표면에 부착된다. 저항 스트레인 게이지의 한 가지 사용 예로 비행기 날개 구조 테스팅이 있다. 스트레인 게이지는 표면의 매우 작은 꼬임, 굴곡, 당김을 측정한다. 하나 이상의 저항 스트레인 게이지가 함께 연결되면 브리지가 형성된다. 더 많은 스트레인 게이지를 구입하면 더욱 강도 높은 측정을 수행할 수 있다. 최대 4개의 활성 스트레인 게이지를 사용하여 Wheatstone 브리지 회로를 생성할 수 있으며, 이는 완전 브리지 구성이라고 한다. 또한 반 브리지(2개의 활성 스트레인 게이지)와 쿼터 브리지(하나의 활성 스트레인 게이지) 구성이 있다. 많은 활성 스트레인 게이지를 사용할수록 더욱 정확한 값을 읽을 수 있다. 스트레인 게이지를 사용하려면 전류 또는 전압 구동이 필요하며, 스트레인 게이지는 온도 편차, 굽힘 변형률, 축 변형률에 영향을 받기 쉬우므로 추가적인 저항 스트레인 게이지를 사용하지 않으면 틀린 값을 도출할 수 있다.

•축 브리지는 물질의 늘어남과 분리를 측정한다.

•굽힘 브리지는 물질의 한쪽의 늘어남과 반대쪽의 수축을 측정한다.

•비틀림 및 전단 브리지는 물질의 비틀림을 측정한다.

스트레인은 차원이 없는 단위(e 또는 ε)로 측정되며, 이는 길이의 작은 변화를 물체의 전체 길이로 나눈 값이다. 온도 시스템과 유사하게 광섬유 센서는 일반 전기 측정이 전자기 간섭에 의해 변경될 수 있는 유해 환경에서 스트레인을 측정할 때 사용된다. 광섬유 스트레인 센서는 비전도성이고 전기에 수동적으로 반응하며 EMI 유도 노이즈에 면역이 있다. 또한 신호 무결성에 손실을 거의 주지 않으면서 장거리에서 데이터를 전송한다.

사운드

마이크는 사운드를 측정할 때 사용되지만, 애플리케이션을 위한 센서를 선택할 때 고려해야 할 여러 종류의 마이크가 있다.

콘덴서 마이크

콘덴서 마이크는 가장 보편적인 마이크이다. 콘덴서 마이크는 Prepolarized(파워 소스가 마이크에 포함되어 있다는 뜻) 또는 외부 극성(Externally polarized) 형태이다. 외부 극성(Externally polarized) 콘덴서 마이크를 사용하면 추가적인 파워 소스가 필요하기 때문에 추가 비용이 든다. Prepolarized 마이크는 전력 공급 장치의 구성 요소가 손상될 수 있는 습한 환경에 권장되며, 외부 극성(Externally polarized) 콘덴서 마이크는 고온 환경에 권장된다.

압전형 (Piezoelectric) 마이크

견고한 압전형 (Piezoelectric) 마이크는 충격 및 폭풍압 측정 애플리케이션에 사용된다. 내구력이 있는 압전형 (Piezoelectric) 마이크는 높은 진폭(데시벨) 압력 범위를 측정할 수 있다. 단점은 높은 레벨의 노이즈가 포함된다는 점이다.

다이나믹/마그네틱 마이크

압전형(Piezoelectric) 마이크 이외에 다이나믹/마그네틱 마이크도 혹독한 환경에서 사용할 수 있다. 이 마이크는 운동에 의존하여 방수 방식으로 전하를 자기적으로 유도하지만 자기가 매우 강한 환경에서는 유용하지 않다.

일렉트릭 마이크

일렉트릭 마이크는 소형이며 고주파수 사운드 감지에 적합하다. 이 마이크는 전 세계의 수백만 대의 컴퓨터와 전자 장치에 사용된다. 일렉트릭 마이크는 상대적으로 저렴하며, 저음을 제공하지 않는다는 점이 유일한 단점이다. 또한, 이전에 비해 많이 사용되지 않는 탄소 마이크는 사운드의 품질이 크게 문제 되지 않는 애플리케이션에 사용된다.

진동

압전 세라믹 센서 또는 가속도계

진동 또는 가속도는 일반적으로 압전 세라믹 센서 또는 가속도계를 사용하여 측정된다. 진동 센서를 구분 짓는 세 가지 요소는 자연 주파수, 감쇠 계수, 스케일 전환율이다. 스케일 전환율은 출력과 가속도 입력의 관계를 나타내며 민감도와 관련이 있다. 자연 주파수와 감쇠 계수는 진동 센서의 정확도 레벨을 결정한다. 스프링과 질량이 있는 시스템에서, 평형 위치로부터 질량을 당긴 후 놓으면 질량은 멈출 때까지 앞쪽(평형 위치를 지나)과 뒤쪽 사이를 진동하게 될 것이다. 질량을 멈추게 하는 마찰력은 감쇠 계수에 의해 정의되며, 질량이 전후로 진동하는 속도는 자연 주파수이다. 압전 세라믹 진동 센서는 용도가 가장 다양하므로 가장 보편적으로 사용되는 센서이다. 이 진동 센서는 충격 측정(폭발 및 고장 테스트), 고주파수 측정, 느린 저주파수 진동 측정에 사용된다. 이 센서는 평균 자연 주파수가 더 높다. 그러나 이 센서는 출력 범위가 밀리 볼트이며, 압전성 결정 전압을 읽기 위해 높은 입력 임피던스 낮은 노이즈 감지가 필요하다.

근접 프로브 및 LVDT (Linear Variable Differential Transformers)

근접 프로브와 LVDT는 유사하다. 두 가지 모두 정적 가속도 또는 저주파수 진동 측정에만 사용할 수 있지만, LVDT 측정 센서의 자연 주파수가 약간 더 높으므로 더 많은 진동을 처리하고 감지할 수 있다. 근접 프로브는 포텐셔미터의 와이퍼에 부착된 스프링 질량이다.

VR (가변 자기저항) 진동 센서

VR (가변 자기저항) 진동 센서는 코일을 통과하는 영구 좌석과 운동을 통해 이동과 진동을 측정한다. 이 센서는 센서가 측정하는 질량이 움직일 때에만 출력하므로 특수 진동 센서이다. 이 센서는 지하 암석층에 반영된 진동을 측정함으로써 지진 충격 연구와 석유 탐사에 특히 유용하다.

위치 및 변위

여러 가지 다양한 위치 센서 중 선택할 수 있다. 위치 센서를 선택하는 여러 기준은 구동, 필터링, 환경, 거리를 측정할 때 가시거리가 필요한지와 직접적인 물리 연결이 필요한지 여부 등이 있다. 압력이나 힘과 같이 보편적으로 선호되는 한 가지 센서 타입이 정해져 있는 것은 아니다. 위치는 오랫동안 센서로 측정되어 왔으므로, 각자의 선호도와 애플리케이션 유형 두 가지 모두가 센서를 결정하게 된다.

홀 센서 (Hall effect sensor)

홀 센서를 사용하면 객체가 버튼을 누를 때 객체의 위치가 파악된다. “on”일 때 객체는 버튼을 누르고, 또는 “off”이면 타깃은 모든 곳이 될 수 있다. 홀 센서는 키보드에 사용되며 또한 로봇 복싱 시합에서 강타를 언제 가할 것인지 결정할 때 사용된다. 본 센서는 버튼이 "off"일 때 객체가 센서로부터 얼마나 떨어져 있는지에 대한 수치를 제공하지 않는다. 그러나 매우 상세한 위치 정보가 필요하지 않은 애플리케이션에 효과적이다.

포텐셔미터

포텐셔미터는 움직이는 접점을 사용하여 조절 가능한 전압 분배기를 생성하는 센서이다. 이 조절 가능한 전압이 위치를 측정한다. 포텐셔미터를 물리적으로 시스템에 연결하면, 해당 시스템에 약간의 지연이 발생한다. 이 지연은 포텐셔미터를 사용할 시 불가피한 부분이지만, 포텐셔미터는 다른 위치 센서에 비해 가격이 저렴하며 우수한 정확도를 제공한다.

광학 엔코더

보편적으로 사용되는 또 다른 위치 센서로는 광학 엔코더가 있으며, 선형 또는 회전 형태이다. 이 디바이스는 빠른 속도와 높은 정확도로 속도, 방향, 위치를 결정한다. 이름에서 알 수 있듯이 광학 엔코더는 위치를 파악할 때 빛을 사용한다. 여러 개의 줄무늬 막대가 거리를 나누어 그 개수가 측정된다. 개수가 더 많을수록 정확도가 더 높다. 일부 회전 광학 엔코더는 카운트가 최대 30,000 정도로 엄청난 정확도를 제공한다. 또한, 광학 엔코더는 응답 시간이 빠르기 때문에 여러 모션 컨트롤 애플리케이션에 이상적이다. 포텐셔미터와 같이 시스템에 물리적인 구성 요소가 부착된 센서는 시스템 구성요소의 움직임에 어느 정도 저항을 가하게 된다. 그러나 엔코더는 운동 시에 거의 마찰을 생성하지 않으며 매우 경량이다. 하지만, 혹독한 환경이나 먼지가 많은 환경에서 작동하려면 반드시 보호 케이스가 필요하므로 추가 비용이 들어간다. 또한 광학 엔코더는 제품에 통합될 때 올바른 정렬을 위해 베어링이 필요하므로 고정밀 애플리케이션에 추가 비용이 발생한다.

LVDT (Linear Variable Differential Transformers : 선형 변수 차동 트랜스포머)

LVDT와 회전 형태인 RVDT는 자기 유도를 사용하여 위치를 파악한다. 두 가지 모두 견고한 특징으로 인해 산업용 애플리케이션과 우주항공 애플리케이션에 효율적이다. 두 가지 모두 신호 컨디셔닝이 필요하므로 추가 비용이 든다. 또한, 두 센서는 고가의 무거운 패키지 내에 정밀하게 정렬되어야 하며 코일을 보유해야 하므로 생산 비용이 많이 든다. 이 센서는 비용이 높다는 특성과 더불어 정확도가 높은 것으로 알려져 있다.

와전류 센서

와전류 센서는 자기장을 사용하여 위치를 파악하며 가격이 적당한 편이다. 와전류 센서는 매우 상세한 위치 정보가 필요하거나 센서와 타깃 간에 큰 격차가 있는 애플리케이션에서는 잘 사용되지 않는다. 이 센서는 조립 라인에서 적당히 정적인 기계 구조에 장착되어 근처의 움직이는 머신이나 제품을 측정할 때 사용된다. 더욱 상세한 위치 정보가 필요한 경우 경량의 근접 센서를 사용하는 것이 바람직하다.

반사광 근접 센서

반사광 근접 센서는 반사 타깃으로 들어오고 나가는 빛의 속도를 사용하여 거리를 파악한다. 반사광 근접 센서는 응답 시간이 빠르며 센서와 타깃 간에 큰 격차가 존재하는 애플리케이션에 적합하다. 센서를 사용할 때 가시거리가 필요하며, 센서의 정확도와 품질은 가격과 직접적인 관련이 있다.

압력

높은 압력 또는 낮은 압력은 열과 마찬가지로 모두 상대적이다. 압력의 경우, 비교하여 측정을 수행한다. 압력을 측정하는 유형에는 다섯 가지, 즉 절대, 게이지, 진공, 차동, 차폐가 있다. 타이어 내의 압력을 측정하는 예를 통해 각 압력 유형이 기준 압력에 대해 어떤 값을 나타내는지 확인한다.

•절대 압력 측정은 공기 무게의 표준 압력(101.325kPa)과 타이어 내의 추가적인 압력이 포함된다.

일반적인 타이어 압력은 34PSI 또는 약 234kPa이다. 절대 압력은 234kPa+ 101.325kPa 또는 331.325kPa이다.

•게이지 압력 측정은 주변 기압을 기준으로 하며, 234kPa 또는 34PSI이다.

•진공 압력은 절대 진공 또는 주변 기압을 기준으로 한다. 바람 빠진 타이어는 주변 기압과 같거나 0kPa(주변 압력 기준)이다. 진공 압력 측정은 234kPa(절대 진공 기준)이다.

•차동 압력은 두 개의 압력 레벨 사이의 차이이다. 타이어 예에서 차동 압력은 타이어 두 개 사이의 압력 차이이다. 또한 하나의 타이어 내의 기압과 압력의 차이가 될 수도 있다.

•차폐 압력 측정은 알려진 비교 압력으로 측정된 차동 압력 측정이다. 일반적으로 본 압력은 해수면 압력이지만, 애플리케이션에 따라 어떤 압력도 될 수 있다.

각 측정 유형은 압력 값을 변경할 수 있으므로 센서가 수집하는 측정이 어떤 유형인지 고려해야 한다. 브리지 기반(스트레인 게이지) 또는 압전저항형(Piezoresistive) 센서는 압력 센서에 가장 일반적으로 사용된다. 그 이유는 구조가 단순하고 내구성이 있기 때문이다. 이 같은 특징으로 인해 비용이 저렴하며 채널이 많은 시스템에 사용하기 적합하다.

힘

과거에는 힘을 측정할 때 기계식 받침저울이 주로 사용되었다. 현재, 로드 셀에 기반 한 스트레인 게이지는 저울에 필요한 교정과 유지보수가 필요하지 않으므로 가장 대중적으로 사용된다. 로드 셀은 컨디셔닝 되거나 컨디셔닝 되지 않을 수도 있다. 일반적으로 컨디셔닝 된 센서는 필터링과 신호 증폭을 위한 요소뿐 아니라 측정을 위한 구동 도선과 회로가 포함되기 때문에 비용이 더 높다. 컨디셔닝 되지 않은 브리지 기반 센서를 사용하면, 하드웨어에 신호 컨디셔닝이 필요하다. 빔 방식 로드 셀은 힘이 선형일 때 유용하며, 작은 물체와 큰 물체(4.5kg에서 최대 2,268kg까지)의 무게를 잴 때 주로 사용된다. 민감도는 평균 수준이지만 매우 정확하다. 이 로드 셀은 구조가 단순하며 비용이 저렴하다. S 유형 빔 로드 셀은 설계를 제외하고 빔 방식 로드셀과 유사하다. 설계 차이(S 모양) 때문에, 센서는 높은 측면 로드 제거에 사용되며 로드가 중앙에 위치하지 않은 로드의 무게를 측정할 때 유용하다. 이 로드셀은 저가이며 설계 또한 단순하다. 캐니스터 로드셀은 S 빔 유형 로드 셀과 빔 방식 로드셀보다 더 많은 로드를 처리할 수 있다.

또한, 로드 이동을 더욱 편리하게 처리할 수 있으며 민감도가 높다. 그러나 센서를 사용하기 위해 수평 로드 보호가 필요하다. 팬케이크 또는 Low Profile 로드셀은 정확한 측정을 위해 이동이 전혀 없는 방식으로 설계되었다. 애플리케이션에 시간 제약이 있거나 신속한 측정이 필요한 경우 캐니스터 로드셀을 사용한다. Button 및 Washer 로드셀은 작은 물체 (최대 91kg)의 무게를 잴 때 사용된다. 팬케이크 또는 Low Profile 로드셀과 마찬가지로 정확한 측정을 얻기 위해서는 물체가 움직여서는 안된다. 또한 로드가 반드시 소형 저울의 중앙에 위치해야 한다. 이 로드셀의 장점은 비용이 저렴하다는 점이다.

자료제공 : 내쇼날인스투르먼트