포지셔닝 센서 솔루션 선택 방법

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기계와 장비는 끊임없이 진화해 효율성을 높이고 가혹한 조건에도 견딜 수 있도록 설계됐다. 따라서 성능과 신뢰성 요구를 충족하기 위해, 제조업체는 지속적인 작동과 최고 수준의 정확도를 제공할 수 있는 포지셔닝 센서 솔루션을 구현해야 한다.

때문에 독창적인 RLC(Resistance inductance capacitance, 저항 인덕턴스 커패시턴스) 원리를 이용한 센서를 소개하고자 한다. 이 센서는 가장 넓은 범위의 애플리케이션을 수용하고 생산 효율성의 목표를 보완하기 위해 정확성과 유연성 및 내구성을 위해 설계됐다.

센서 기술을 통해 사용자는 하나의 대체 솔루션으로 기존의 센서의 성능 제한을 극복할 수 있다. 응용 분야 환경 즉, 자기장과 공간 제한으로 인해 더 이상 제약받지 않는 고품질의 위치 감지를 구현할 수 있다. 제조업체는 포지셔닝 애플리케이션을 위한 이상적인 센서를 선택하기 위해 최신 기술을 이해하고 대체 옵션과 비교하는 방법을 알고 있어야 한다.

산업용 애플리케이션에서 RLC 기술을 이용한 센서가 어떻게 위치감지를 향상할 수 있는지에 대한 심층적인 설명을 제공하고자 한다. 또, 널리 사용되는 선형 및 로터리 포지셔닝 센서의 상세한 성능 비교를 제공함으로써 여러 애플리케이션에 대한 이상적인 센서를 선택하는 하나의 지침서로 활용할 수 있다.

RLC 유도센서(RLC-INDUCTIVE SENSORS)

일반적으로 과거의 제조업체들은 자기 변형 및 포텐셔미터 센서와 같은 기술을 포지셔닝 애플리케이션에 사용했다. 그러나 RLC를 활용하는 센서 등의 새로운 옵션은 기계적 또는 전기적 접촉 없이 타깃의 위치를 정확하게 측정하는 솔루션을 제공한다.

또한 유연성과 호환성을 높이기 위해 RLC 기술이 적용된 센서가 제공된다. 다양한 범위의 선형 및 회전 위치 지정을 위해서이다.

비접촉 센서는 진보된 마이크로프로세서 회로와 정확하게 제조된 이미터 및 리시버 코일 시스템을 통합한다. 이미터 코일은 작동 중에 고주파 AC필드로 활성화돼 포지셔닝 요소와 함께 유도 RLC 회로를 생성한다. 소자는 액추에이터의 위치에 따라 코일에 다른 전압이 유도돼 수신기 코일과 연결된다. 전압은 센서 신호의 척도가 된다. 이 센서는 최소의 사각지대 및 EMI·RFI 잡음 간섭에 대한 높은 저항으로 최대 측정 범위를 제공한다.

혁신적인 3코일 설계(three-coil design)를 특징으로 하는 비접촉식 선형 포지셔닝 센서는, 여기 코일(excitation coil)이 두 개의 센서 코일로 둘러싸여 있다.

그림 1은 비접촉식 선형 포지셔닝 요소에 대한 단순화된 센서 코일 설계를 보여준다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 공진기와의 결합 계수는 상대적으로 일정하다. 이는 측정 범위 내에 있을 때 포지셔닝 요소에 전원이 지속적으로 공급되도록 돕는다. 코사인 또는 사인 코일은 공진기 kCOS 및 kSIN에 대한 커플링 인자가 측정 범위를 따라 사인곡선으로 변하도록 패턴화 된다. 센서 코일이 균형을 이루고 반대 방향으로 감긴 부분이 있어 유도성 간섭이 효과적으로 제거된다.

센서가 활성화되면 고주파 AC필드(예 : 파형)가 여기 코일에서 방출된다. 여기 코일을 끄면 사인 및 코사인 트랙이 위치지정 요소에서 생성된 유도 필드(에코)를 픽업한다. 내부 마이크로프로세서가 신호를 분석하고 출력을 생성한다. 이 코일 설계에서 사용할 수 있는 출력은 일반적으로 전압 0~10V와 전류 4~20mA이다.(그림 2 참조)

유도형 센서는 3코일 설계와 동일한 작동 원리를 사용하는 이중 사인·코사인 코일 시스템에도 제공된다. 이 시스템은 사인·코사인 트랙을 위한 코스코일(course coils) 및 미세코일(fine coils)을 특징으로 한다. 코스 트랙을 통해 장거리에서 빠르고 정확한 측정을 제공해 마이크로프로세서가 위치 요소를 더 빨리 찾는다. 미세코일이 정확한 위치를 결정할 수 있다. 또한 피드백 신호는 아날로그(12비트), I/O 링크(16비트) 또는 SSI(25비트)로 제공된다. 모든 위치 계산은 특수 설계된 마이크로프로세서 회로를 사용해 수행된다.

로타리(rotary) 애플리케이션의 경우 비접촉 로터리 센서는 동일한 코일 원리를 사용하지만, 코일은 원 모양으로 배열되고 위치가 바뀌면 커플 요소의 사인·코사인 변형이 발생하도록 패턴화 된다(그림 3).

성능과 정확성을 향상시키기 위해 로터리 유도형 센서는 위치 결정 요소와 센서 사이의 오정렬을 보상할 수 있는 전자 장치를 갖추고 있다. 마이크로프로세서는 사인 신호와 코사인 신호를 분석하고 출력을 예상 위치와 비교해 최대 1.5mm의 측 방향 불일치를 보정한다.
 

센서 기술의 성능 비교

사용자는 이상적인 위치 센서를 선택할 때 잠재적인 솔루션과 관련된 강점과 한계를 식별할 수 있어야 한다.

아래 표는 포텐셔미터(potentiometer), 자기변형(magnetostrictive), 광 인코더(optical encoder) 및 가변 차동 변압기(variable differential transformer)를 포함해 RLC 작동원리에 기반한 유도형 센서와, 시장에서 사용 가능한 기타 기술 간의 스냅숏 비교를 제공한다.
 

포텐셔미터

단순한 작동 원리가 특징인 포텐셔미터는 변위 측정을 위한 일반적인 솔루션으로 남아 있다. 접촉 솔루션으로써 정확한 결과를 위해 균일한 힘으로 정확한 경로를 따라 접촉해야 한다.

이로 인해 마모가 발생해 궁극적으로 생산성에 영향을 줄 수 있다. 센서는 가혹한 환경을 견디도록 설계되지 않았기 때문에 마모 및 습기 침투로 인한 고장이 발생하기 쉽다.
 

자기 변형 센서(Magnetostrictive)

선형 포지셔닝에 일반적으로 사용되는 또 다른 센서 솔루션은 자기 변형식 센서다. 강자성체 물질을 함유하고 있어 움직이는 자석의 위치를 ​​측정하는 데 사용된다. 대상물의 위치​​감지를 위해 프로브(probe) 전체 길이에 걸친 자기 변형 와이어에 변형 펄스가 적용된다. 변형 펄스가 슬라이드 또는, 부동 자석 어셈블리에 의해 생성된 자기장을 만날 때 전류 펄스가 생성된다.

이 기술을 사용하면 선 위치 결정은 사전에 프로그래밍 된 ‘제로(zero)’및 ‘스팬(span)’과 관련해 펄스 간의 시간차에 의해 측정된다. 강자성체 구성으로 인해 자기 변형 센서는 자기장을 포함하는 애플리케이션에서 문제될수 있다. 센서에 간섭을 유발해 성능 오류와 측정 부정확성을 초래할 수 있기 때문이다.

광학 엔코더

광학 엔코더는 빠른 응답시간과 간단한 출력 인터페이스를 제공한다.

그러나 고해상도가 필요한 경우 제품을 조립하는 데 비용이 많이 들 수 있다. 오정렬을 피하기 위해 자체 베어링이 필요하기 때문이다. 엔코더는 먼지와 오물 또는 습기 침투에 대한 내재된 내구성이 부족해 환경에 부적합할때가 많다.
 

홀 효과 엔코더(Hall Effect Encoder)

홀 효과 엔코더는 홀 효과 센서와 보간 전자 장치를 단일 칩에 통합한다. 회전하는 자석과 함께 사용하면 각도 위치를 정확하게 측정할 수 있지만 위치 정렬에 매우 민감하다.

일반적으로 보정을 위해 베어링이 있는 패키지 장치로 제조해야 한다. 선형 자기장 트랙에서도 선형 감지가 가능하다. 정렬 불량은 출력 정확도와 신뢰성 측면에서 큰 요인이 된다.

 

선형 가변 차등 변압기 (Linear Variable Differential Transformer)

선형 가변 차등 변압기(LVDT) 및 회전식 가변 차등 변압기 (RVDT)는 선형 또는 회전 변위를 측정하는 데 사용되는 가변 교류출력을 제공하는 전기·기계식 변환기이다.

요구 사항이 까다로운 애플리케이션을 위한 견고한 솔루션을 제공하지만, 제조 비용이 비싸고 유도형 센서에서의 오정열을 보상하거나 다축 감지를 수용할 수 있는 기능이 제공되지 않는다.
 

RLC 유도 센서

RLC 작동 원리를 활용한 유도형 센서는 감지 코일이 PCB에 인쇄돼 있다, 때문에 제조가 훨씬 쉽고 간편하며 향상된 정밀도를 제공한다. 센서가 오정렬에 강하고 추가 베어링이 거의 필요하지 않아서 설계제조하기 쉽다. 완전히 밀봉된 하우징을 갖춘 이 유도형 센서는 습기와 먼지 침입을 방지하고, 센서 오작동을 방지함으로써 신뢰할 수 있는 성능을 제공한다.

비접촉식이기에 마모를 초래하지 않는다. 일정한 동작을 지속하는 애플리케이션에 적합하고 비자성인 특성으로 인한 자기장 간섭에 리스크가 없다. 다른 센서에 비해 애플리케이션 환경 조건에 거의 영향을 받지 않아 설계자에게 큰 도움이 된다(그림 4). 또한 다양한 기능과 성능을 제공하는 이 센서는 뛰어난 유연성을 제공하므로 광범위한 애플리케이션을 수용할 수 있다.

결론

산업에서 생산 및 효율성 보완을 목적으로 새로운 기계설계를 꾸준히 채택하고 있다. 센싱 컴포넌트의 선택은 이에 밑받침하기 위해 매우 중요하다. RLC 센서를 활용하면 정확한 결과 제공, 고장으로 인한 가동 휴지 시간 최소화, 유연성 증가 등의 효과를 얻을 수 있다.

이는 지속적인 생산성과 수익성 및 제품 품질 보장으로 이어진다.

자료 제공 : TRUCK(www.turck.com)