기획 연재 ❶ 측정 시스템에 적합한 센서 선택 시 고려 사항-part 1
온도 센서
엔지니어가 온도를 측정할 때 일반적으로 활용하는 센서에는 △ 열전쌍 △ 써미스트 △ RTD인데, 최근 특수화된 센서인 광섬유 센서도 온도 측정 작업에서 보편적으로 활용되고 있다.
• 열전쌍
가장 일반적인 형태의 온도 센서인 열전쌍은 온도 범위가 넓은 애플리케이션에 효과적인데다가 저렴하다. 이 같은 열전쌍은 초 미만의 응답 시간을 지니고 있지만, 물질의 속성과 기타 요인으로 인해 1℃ 미만의 온도 정확도를 얻는 데에 있어서 한계를 내포하고 있다.
• RTD
RTD는 열전쌍만큼이나 보편적으로 활용되는 센서로, 오랜 기간 동안 안정적으로 온도를 측정할 수 있다. RTD는 열전쌍과는 달리 온도 범위(-200~500℃)가 작고, 전류 구동이 필요한데다가 긴 응답 시간(2.5~10초)을 지니고 있다. 이 때문에 RTD는 일반적으로 시간이 중요한 요소로 꼽히지 않는 애플리케이션에서 정확한 온도 측정(±1.9%)을 하기 위한 목적으로 활용된다.
• 써미스터
써미스터는 앞의 두 센서보다 더 작은 온도 범위(-90~130℃)로 구성되어 있지만, 사용자에게 높은 정확도(±0.05℃)를 제공할 수 있다. 한편, 써미스터는 RTD처럼 구동이 필요한데, 이 때문에 사용자는 전압 구동을 써미스트에 적용해야만 한다.
• 광섬유
광섬유 센서는 온도 측정의 또 다른 방법으로 활용되고 있으며, 유해 환경이나 정기적인 전자기 간섭이 발생하는 환경에 적합하다. 이에 더해 광섬유 센서는 신호 무결성에 손실을 거의 주지 않으면서 데이터를 장거리까지 전송할 수 있다.
스트레인 센서
일반적으로 스트레인은 저항 스트레인 게이지에 의해 측정되는데, 저항 스트레인 게이지 사용에 관한 실례로는 비행기 날개 구조 테스팅을 들 수 있다.
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이 때 스트레인 게이지는 표면에서 일어나는 미세한 굴국·당김 등을 측정하는데, 만약 사용자가 하나 이상의 저항 스트레인 게이지를 연결한다면, 브리지가 생성된다. 사용자가 더 많은 스트레인 게이지를 구입해 활용할 시 더욱 강도 높은 측정이 이뤄지며, 최대 4개의 활성 스트레인 게이지를 활용해 ‘휘트스톤 브리지 회로’를 생성할 수 있는데, 이를 가리켜 ‘완전 브리지 구성’이라고 한다.
이외에도 반 브리지(2개의 활성 스트레인 게이지)와 쿼터 브리지(하나의 활성 스트레인 게이지) 구성이 있는데, 사용자는 보다 많은 활성 스트레인 게이지를 활용할수록 더욱 정확한 값을 읽을 수 있다. 지금까지 설명한 스트레인 게이지를 활용하려면 전류 또는 전압 구동이 필요한데, 스트레인 게이지는 온도 편차·굽힘 변형률·축 변형률에 영향을 받기 쉬워 추가적인 저항 스트레인 게이지를 사용하지 않으면, 잘못된 측정값을 도출할 수 있다.
스트레인은 차원이 없는 단위(e 또는 ε)로 측정되는데, 이는 길이의 작은 변화를 물체의 전체 길이로 나눈 값이다.
진동 센서
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• 압전 세라믹 센서 또는 가속도계
일반적으로 진동이나 가속도는 압전 세라믹 센서 또는 가속도계를 통해 측정 가능하다. 진동 센서를 구분하는 세 가지 기준은 자연 주파수·감쇠 계수·스케일 전환율인데, 이 중 스케일 전환율은 출력과 가속도 입력의 관계를 나타내며, 민감도와 관련되어 있다.
자연 주파수와 감쇠 계수는 진동 센서의 정확도 레벨을 결정하는데, 만약 사용자가 스프링과 질량이 있는 시스템에서 평형 위치로부터 질량을 당긴 후 놓게 되면, 질량이 멈출 때까지 앞쪽(평형 위치를 지나)과 뒤쪽 사이에서 진동이 발생하게 된다.
이 때 질량을 멈춰 세우는 마찰력은 감쇠 계수에 의해 정의되며, 질량이 전후로 진동하는 속도가 자연 주파수가 된다. 압전 세라믹 진동 센서는 용도가 다양해 가장 보편적으로 활용되는데, 주로 충격 측정(폭발 및 고장 테스트)·고주파수 측정·느린 저주파수 진동 측정에 적합하다.
이 센서는 높은 평균 자연 주파수를 지니고 있지만, mV의 출력 범위와 압전성 결정 전압을 읽을 때 높은 입력 임피던스와 낮은 노이즈 감지가 필요하다는 약점 또한 동시에 지니고 있다.
• 근접 프로브 및 LVDT(Linear Variable Differential Transformers)
근접 프로브와 LVDT는 유사한 측면을 지니고 있는데, 이 두 장비 모두 정적 가속도나 저주파수 진동 측정에서만 활용 가능하다.) 그런데 둘 중 LVDT 측정 센서의 자연 주파수가 조금이나마 더 높기 때문에 더 많은 진동을 처리하고 감지할 수 있다.
• VR(가변 자기 저항) 진동 센서
VR 진동 센서는 코일을 통과하는 영구 좌석과 운동을 통해 이동과 진동을 측정한다. 이 센서는 센서가 측정하는 질량이 움직일 때만 출력을 수행하므로, 특수 진동 센서에 속한다. 일반적으로 VR 센서는 지하 암석층에 반영된 진동을 측정하기 때문에 지진 충격 연구와 석유 탐사 등에 적합하다.
자료 제공 : 한국내쇼날인스트루먼트
