Sensor Characteristics

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Sensor Characteristics

3

^rd

Week

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센서의 특성

 센서의 특성

 정특성 (static characteristics)

- 입력이 시간적으로 변하지 않을 때의 특성 - 예 : 감도(sensitivity)

직선성 (linearity)

히스테리시스 (hysteresis)

 동특성 (dynamic characteristics) - 입력이 시간에 따라 변할 때의 특성 - 예 : 응답시간

주파수 특성

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전달함수(Transfer Function)

 정의

 전달함수란 센서의 물리적 입력신호와 출력신호 사이의 함수적 관계

 보통 전달함수는 방정식, 테이블, 그래프 등으로 나타냄

 예 : Temperature sensor

 RTD:

 Thermistor:

 Stimulus: T

𝑅𝑅 𝑇𝑇 = 𝑅𝑅_𝑜𝑜 + 𝑎𝑎𝑇𝑇

𝑅𝑅 𝑇𝑇 = 𝑅𝑅_𝑜𝑜 + 𝑒𝑒 ^{𝐵𝐵 1𝑇𝑇−}^𝑇𝑇¹^𝑜𝑜

𝑅𝑅 𝑇𝑇 = 𝑅𝑅_𝑜𝑜 + 𝑎𝑎𝑇𝑇 𝑅𝑅(𝑇𝑇)

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감도(Sensitivity)

 센서의 입출력 관계가 직선으로 되면, 전달함수는

 감도는 직선의 기울기

 전달함수가 비선형인 경우, 감도는 특정한 입력값 x

_o

에 대 해서만 정의

𝒚𝒚 = 𝑺𝑺𝑺𝑺

𝑺𝑺 = 출력량 입력량 =

∆𝒚𝒚

∆𝑺𝑺

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동작범위와 풀 스케일 출력

 동작범위 (operating range) 또는 스팬(span)

 의미 있는 센서출력을 발생시키는 최대입력과 최소입력 사이의 범위

 입력 풀 스케일(input full scale；FS) 또는 풀스케일 레인지(full scale range)라고 부름

 Full scale output；FSO

 최대출력(+y_max)과 최소출력(-y_min)사이의 대수적 차

−𝑺𝑺_{𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎} ~ +𝑺𝑺_{𝒎𝒎𝒎𝒎𝑺𝑺}

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분해능(Resolution)

 검출할 수 있는 최소 입력증분(smallest increment of stimulus)

 그림에서 Δx가 작아지면, Δy도 작아져서 결국은 입력이 변해도 그것에 대응하는 Δy를 식별할 수 없게 된다. 이때의 Δx를 분해 능(Resolution)이라고 한다.

 Resolution

 입력의 변화분이 센서 내부에서 흡수되어 출력으로 나타나지 않 는 경우

 입력변화(Δx)에 대한 응답(Δy)이 센서 내부에서 발생하는 잡음 레벨 이하로 되는 경우

The smaller, the better

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교정(Calibration)

 센서에 기지의 입력 값 (known value)을 인가하여 출력을 측정하는 과 정

 교정에 사용되는 기지의 입력 값을 표준(standard)이라고 부른다.

 교정에 의해서 입력과 출력 사이에 관계가 수립되며, 이때 얻어지는 곡선을 교정 곡선(calibration curve) 이라고 한다.

 비선형 전달함수를 교정하는 방법은 교정곡선을 다수의 작은 섹션으로 나누고, 각 섹션을 직선으로 생각하여

각 섹션에 대한 상수 a, b를 구한 다음, 교정곡선을 다수의 직선군으로

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출력 임피던스 (Output Impedance)

 센서를 전자회로에 접속할 때, 센서의 출력 임피던스(output impedance)와 회로의 입력 임피던스 관계는 매우 중요

 출력이 전압인 센서의 경우

 센서 임피던스 Zo는 회로의 입력 임피던스 Zi와 직렬로 접속됨

 출력 신호의 일그러짐을 최소화하기 위해서는, 즉 V=Vs로 되기 위해서는 센서 의 출력 임피던스가 작아야 함(Zo<<Zi)

 출력이 전류인 센서의 경우

 센서 임피던스 Zo는 회로의 입력 임피던스 Zi와 병렬로 접속됨

 I=Is가 되기 위해서는 회로의 임력임피던스가 작아야 함(Zo>>Zi)

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환경의 영향 (Environmental Factors)

 온도, 습도 등과 같이 센서의 성능에 영향을 미치는 외부 변수들을 환 경 파라미터(environmental parameter)라고 부른다.

 시간, 온도, 또는 어떤 원인에 기인한 감도나 출력 레벨의 변화를 센서 특성의 불안정성(instability) 또는 드리프트(drift)라고 함

 예: 온도는 거의 모든 센서에 영향을 미친다

 그림(a) : sensitivity offset 또는 sensitivity drift

 그림(b) : zero offset 또는 zero drift

 그림(c) : zero & sensitivity drift

온도 스팬 오차(span error)

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 References

 Handbook of modern sensors physics designs and application 4th ed., Jacob Fraden, Springer

 Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2^nd ed., Razavi, McGraw-Hill College

 Analog Integrated Circuit Design, 2^nd ed., Tony Chan Carusone, David A. Johns, John Wiley & Sons

 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5^th ed., Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stehen H. Lewis, Robert G. Meyer, John Wiley & Sons

 알기쉬운 최신 센서 기술(기초에서 응용까지), 복두출판사