기획 연재 ❷ 측정 시스템에 적합한 센서 선택 시 고려 사항-part 2

위치 센서 및 변위 센서

위치 센서를 선택하는 기준은 구동·필터링·환경·거리 측정 시에 가시거리와 직접적인 물리 연결이 필요한지의 여부와 관련되어 있다. 압력이나 힘은 보편적인 선호를 받는 한 가지 센서 유형에 고정되어 있지 않으며, 센서가 위치를 측정하기 때문에 엔지니어가 가진 각자의 선호도와 애플리케이션의 유형이 센서 결정의 주요 요소로 작용한다.

• 홀 센서

홀 센서는 객체가 버튼을 누르는 시기에 객체의 위치를 파악한다. 이 센서는 버튼이 ‘Off’에 맞춰져 있을 때 객체가 센서로부터 얼마나 떨어져 있는지에 관한 수치를 제공하지 않기 때문에 상세한 위치 정보가 필요 없는 애플리케이션에 적합하다.

• 포텐셔미터

포텐셔미터는 움직이는 접점을 활용해 조절 가능한 전압 분배기를 생성하는 센서로, 조절 가능한 전압으로 위치를 측정한다. 만약 엔지니어가 포텐셔미터를 물리적으로 시스템에 연결한다면, 해당 시스템상에서 약간의 지연 현상이 발생하게 된다. 이 지연은 포텐셔미터 활용 시 불가피한 부분인데, 포텐셔미터는 이 같은 단점을 다른 센서에 비해 저렴한 가격과 높은 정확도로 상쇄한다.

• 광학 인코더

광학 인코더는 보편적으로 활용되고 있는 또 다른 위치 센서로, 선형 또는 회전 형태로 이뤄져 있다. 이 장치는 빠른 속도와 높은 정확도로 속도·방향·위치를 결정하며, 위치를 파악할 때 빛을 활용한다. 또한, 광학 인코더는 경량으로 구성되며, 응답 시간이 빨라 다양한 모션 컨트롤 애플리케이션에 적합하다.

• LVDT(Linear Variable Differential Transformers, 선형 변수 차동 트랜스포머)

LVDT와 회전형인 RVDT는 자기 유도로 위치를 파악하는데, 둘 다 견고한 구조로 설계되어 있어 산업용 애플리케이션과 우주항공 애플리케이션에 적합하다. 또한, 이 두 센서는 고가의 무거운 패키지 내에서 정밀하게 정렬되어야 하는데다가 코일을 요구하기 때문에 엔지니어의 높은 생산 비용 지출이 필요하다.

• 와전류 센서

와전류 센서는 자기장을 통해 위치를 파악하기 때문에 상세한 위치 정보가 필요하거나, 센서와 타깃 간의 격차가 큰 애플리케이션에는 적합지 않다. 이 센서는 조립 라인의 정적인 기계 구조에서 근처의 움직이는 기계나 제품을 측정할 때 사용하는 것이 적절하다.

• 반사광 근접 센서

반사광 근접 센서는 반사 타깃을 출입하는 빛의 속도로 거리를 파악한다. 이 센서는 응답 시간이 빠르고 센서와 타깃 간의 격차가 큰 애플리케이션에 적합한데, 엔지니어는 이 센서를 활용할 때 가시거리를 확보해야 한다.

압력 센서

압력 센서는 비교를 통해 측정을 수행하는데, 이처럼 압력을 측정하는 유형에는 △ 절대 △ 게이지 △ 진공 △ 차동 △ 차폐가 해당된다.

절대 압력 측정은 공기 무게의 표준 압력(101.325kPa)과 타이어 내의 추가적인 압력을 포함하며, 게이지 압력 측정은 주변 기압을 기준으로 삼는데, 이는 234kPa나 34PSI에 이른다. 진공 압력은 절대 진공 상태나 주변 기압에 기초하며, 차동 압력은 두 개의 압력 레벨 사이에 존재하는 차이를 의미한다. 차폐 압력 측정은 비교 압력으로 측정한 차동 압력 측정인데, 압력은 애플리케이션에 따라 변화한다. 각 측정 유형은 압력값을 변경할 수 있기 때문에 엔지니어는 센서가 수행하는 측정의 유형을 고려해야만 한다.

일반적으로 브리지 기반 또는 압전 저항형 센서가 가장 많이 활용되는데, 그 이유는 이 두 센서의 구조가 단순한데다가 내구성을 갖추고 있기 때문이다.

포스 센서

이전에는 힘을 측정할 때 기계식 받침 저울이 주로 활용되었는데, 현재에는 로드셀에 기반을 두고 있는 스트레인 게이지가 대중적으로 쓰이고 있다.

로드셀의 컨디셔닝 여부는 고정되어 있지 않은데, 일반적으로 컨디셔닝된 센서는 필터링과 신호 증폭을 위한 요소와 측정을 위해 구동 도선과 회로에 포함되기 때문에 엔지니어는 높은 비용을 치러야만 한다. 만약 엔지니어가 컨디셔닝되지 않은 브리지 기반의 센서를 활용할 시에는 하드웨어가 신호 컨디셔닝을 요구하게 된다.

한편, 빔 방식의 로드셀은 힘이 선형일 때 유용한데, 특히 작은 물체와 큰 물체(4.5~2,268kg)의 무게를 잴 때 적합하다. 이 로드셀은 평균 수준의 민감도를 지니고 있는 반면에 높은 정확도를 보유하고 있으며, 단순한 구조로 이뤄져 있다.

S 유형 빔 로드셀은 설계 외의 부분에 있어서 빔 방식의 로드셀과 유사한 측면을 지니고 있는데, 설계 차이로 인해 높은 측면 로드를 제거하고, 로드가 중앙에 있지 않은 로드의 무게를 측정하는 데 활용된다. 캐니스터 로드셀은 S 유형 빔 로드셀과 빔 방식의 로드셀보다 더 많은 로드를 처리할 수 있으며, 높은 민감도를 갖추고 있다.

팬케이크 또는 로우 프로파일 로드셀은 정확한 측정을 지원하기 위해 이동을 포함하지 않는 구조로 설계되었으며, 애플리케이션에 시간 제약이 있거나 신속한 측정이 필요할 때 사용하면 적합하다. 버튼 및 워셔 로드셀은 작은 물체(최대 91kg)의 무게를 재는 데 적합하며, 팬케이크 또는 로드 프로파일 로드셀처럼 정확한 측정을 위해 움직임을 차단하는 구조로 설계된다.

자료 제공 : 한국내쇼날인스트루먼트