6장점유.이동.근접센서6장점유.이동.근접센서

6장 점유.이동.근접 센서

CNU EE ^6-2

점유 이동 근접 센서

-광전 센서 (photoelectric sensor) 투과식(대향식) 광전 센서

반사식 광전센서

확산반사식(근접 검출식) 광전센서

-근접센서 (proximity sensor)

유도형 근접 센서(inductive proximity sensor)

정전용량형 근접센서(capacitive proximity sensor) 초음파 근접센서(ultrasonic proximity sensor)

리드 스위치(reed switch)

6.1 개요

- 점유센서(occupancy sensor) : 미리 설정된 특정의 위치에 사람이나 물체 의 존재유무(presence or absence)를 검출하는 센서.

- 이동 검출기(motion detector) : 움직이는 물체에만 응답하는 센서.

- 즉, 점유센서는 물체가 정지해 있건 또는 이동하건 관계없이 신호를 발생 하는 반면, 이동 센서는 움직이는 물체에 대해서만 선택적으로 감도를 갖 는다.

- 물체의 존재유무, 이동을 검출하는 센서는 일반적으로 검출 스위치라고 부 르며, 그 종류는 다음과 같다.

> 접촉식 :

리미트 스위치

마이크로 스위치(micro switch),

> 비접촉식 :

광전센서

근접센서

> 종래에는 마이크로 스위치, 리미트 스위치와 같은 기계적 스위치(접촉식) 가 주로 사용되었으나, 최근에는 무접촉 동작형의 근접 스위치, 광전 스 위치,

초음파 스위치

> 대표적인 무접촉 동작형 센서인 광전 센서, 근접 센서, 초음파 센서를 중 심으로 설명한다.

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리미트 스위치

- 광전 센서(photoelectric sensor)는 빛을 이용해 물체의 존재유무를 검출하 는 점유센서로 공장 자동화에서 광범위하게 사용되고 있다.

- 광전 센서는 용도에 따라 많은 종류의 센서가 만들어지고 있으며, 광전 센 서의 종류와 특징을 나타내면 다음과 같다.

6.2 광전 센서

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§ 투과식(대향식) 광전 센서

- 투과식(through beam photoelectric sensor) 또는 대향식(opposed-mode sensing)은 투광기(emitter or source)와 수광기(receiver or detector)를 마주 보게 설치하고, 그 사이를 불투명한 물체가 통과할 때 일어나는 투과광량의 변화를 전기신호로 변환하여 물체의 유무나 위치를 검출한다.

- 투과식 광전센서가 검출할 수 있는 투•수광기 사이의 거리(detection range) 는 수[mm]~ 수백[m] 정도로 광전센서 중에서 가장 길다.

- 좁은 장소 또는 투•수광기를 설치하기에는 장소조건이 나쁜 경우 광파이버 (optical fiber)를 사용해서 작은 물체를 검출할 수도 있다. 광섬유를 사용한 것은 검출거리가 30[mm]~1[m] 정도로 짧다.

- 검출영역(effective beam area)은 투광기와 수광기의 광학계의 유효직경에 의해서 형성되는 원통상 영역으로 된다. 투광기와 수광기의 광축 조정 및 수광기의 감도 조정을 정확히 할 필요가 있다.

- 동작각(또는 지향각)은 3~10도 정도이다. 투광기의 광원으로는 적외선 발 광 다이오드, 적색 발광다이오드, 레이저다이오드가 널리 사용되고 있고, 수광기의 광센서로는 포토트랜지스터와 포토다이오드가 사용된다.

CNU EE ^6-8 - 투과식의 장점

> 높은 신뢰성(Reliability) : 가장 신뢰성이 높은 광전 센서이므로 가능하면 이 방식을 사용한다. 또 센싱 에너지가 높기 때문에 환경오염이나 충격 (진동)에 의해 일어날 수 있는 sensor misalignment 를 극복이 용이하다.

> 검출 거리가 길다(Long range sensing)

> 악조건의 주위 환경에서 검출이 가능하다.(Sensing through heavy dirt, dust, mist, condensation, oil, film, etc.)

> 정밀한 위치 검출 (Precise position sensing )

§ 반사식 광전센서

- 반사식(retroreflective or reflex or retro photoelectric sensor)은 투광기와 수광기를 하나의 케이스에 일체화한 본체의 반대쪽에 역반사판

(retroreflector)을 설치하고 그 사이를 통과하는 물체에 의해 발생하는 투과 광량의 변화를 측정하여 물체를 검출한다.

- 검출거리는 투·수광기와 반사면사이의 거리에 의해서 정해지며 100[mm]~

5[m] 정도이다

CNU EE ^6-10 - 역반사판(retroreflector or retro target or retroreflective target)

> 그림과 같은 미소한 corner-cube prism의 array로 구성된다.

이 경우 입사 빔이 수직선으로부터 약 20도 벋어나도 수광기로 돌아온다.

> Mirrored surface 가 사용될 수도 있으나 이 경우 입사 빔은

거울 면에

정확히 수직

- 편광(polarization)

> 본체의 투광측과 수광측에 편광필터의 편광방향이 서로 직교하도록 배치한다.

> 물체가 없으면 그림(a)와 같이 반사판에 의해서 회전된 빛인 수평으로 편광된 성분만 수광측 편광필터를 통과할 수 있다.

> 광택이 있는 물체가 본체와 반사경 사 이에 있는 경우, 투광측에서 수직방향으 로 편광된 빛이 투광되면 물체로부터 반사된 빛은 편광방향이 그대로 유지되 어 수광기측으로 되돌아간다. 수광측에 는 수평방향의 편광 필터가 설치되어 있어 반사광은 통과하지 못하므로 차단 상태로 된다.

> 검출물체의 표면에 광택이 있는 경우에는 물체의 표면으로부터 반사하는 빛에 의해 물체의 검출이 불가능해지므로 빛의 편광특성을 이용한다.

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§ 확산반사식(근접 검출식) 광전센서

- 확산 반사식(diffusereflection photoelectric sensor) 또는 근접 검출식

(proximity detection) 광전센서는 투•수광부를 같은 축 위에 또는 근방에 설 치하여 물체가 그 앞을 통과 또는 접근할 때 생기는 반사광량의 증감으로써 검출하는 방식이다.

- 반사판은 필요 없으며, 유리 등의 투명한 물체의 검출도 가능하다. 검출 영 역은 그림에 나타낸 바와 같이 투광기로부터 나오는 빛의 방사영역과 수광 기의 수광영역이 중요한 범위이다.

- 검출거리

> 50[mm]~2[m] 정도이지만 검출물체의 크기에 따라 다르다.

>

검출물체의 반사를 이용

- 광원으로는

적외선 다이오드(IR LED)

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§ 광전센서의 특징

• 장점

- 검출거리가 길다.

- 검출물체의 표면반사, 투과광 등에 따라서 검출하므로 금속, 유리, 플라스틱, 나무, 액체, 기체 등 일반적인 것을 검출할 수 있다.

- 응답속도가 빠르다.

- 분해능이 높다.

- 검출영역(area)을 한정하기가 용이하다.

- 자계의 영향을 받지 않는다.

• 단점

- 렌즈가 물, 기름, 먼지 등의 오염에 약하다.

- 강한 주변 광에 약하다.

- 근접 센서(proximity sensor) 또는 근접 스위치(proximity switch)는 비접촉식 으로 일정거리를 검출하는 센서로, 물체의 존재 유무를 검출한다.

- 근접 센서의 검출범위는 광전 센서에 비해 짧지만, 먼지나 기름입자 등과 같 은 환경인자에 영향을 훨씬 덜 받는다.

- 근접센서의 종류

6.3 근접 센서

§ 근접 센서의 정의와 종류

> 유도형 근접 센서(inductive proximity sensor)

> 정전용량형 근접센서(capacitive proximity sensor)

> 초음파 근접센서(ultrasonic proximity sensor)

> 리드 스위치(reed switch)

> 홀 소자와 자기저항소자를 이용한 것

- 홀 소자, 자기저항소자에 대해서는 이미 설명하였으므로 여기서는 유도 형과 정전용량형 근접센서를 중심으로 설명한다.

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§ 유도형 근접 센서

- 유도형 또는 고주파 발진형 근접센서는 금속물체(metallic object)의 검출에 사용되며, 특히 자성체(ferrous target)에 대해서는 검출 감도가 양호하고, 검 출거리도 길다

- 구성

CNU EE ^6-18 - 동작원리 : 와전류의 효과

> 그림(a)는 검출코일의 자계에 의해서 금속물체에 와전류가 발생한 것을 나 타낸다.

> 만약 금속물체가 없었다면, 그 위치에 검출코 일에 의해 형성된 자속은 그림 (b)와 같이 되 었을 것이다.

> 이 상태에서 그림 (c)와 같이 금속물체가 접 근하면 그 내부에 와전류가 흐르고, 이것은 본래(검출코일)의 자속을 Φ₁ 만큼 감소시키 려고 반대방향으로 자속을 발생시킨다.

> 따라서 그림 (b)와 같은 자속 을 유지하려면 그림 (c)에 나타 낸 것과 같이 회로에 더 큰 전 류를 흘려야 한다

> 자속, 전류, 인덕턴스 사이에는

NΦ = Li

의 관계가 있으므로, 같은 자속를 발생시키는데 더 큰 전류가 요구된다는 것은 등가적으로 인덕턴스 L 이 감소한다는 것과 동일하다.

> 이 때문에 검출코일의 인덕턴스 또는 저항 값이 변화한다.

> 이와 같이, 와전류 효과를 이용한 유도형 근접센서를 와전류 센서(eddy current sensor)라고도 부른다

CNU EE ^6-20 - 코일의 임피던스 변화를 검출하는 방법

> 발진회로의 발진 주파수 검출

> 발진전압 진폭을 검출

금속물체의 접근에 의해 임피던스의 변화율은 일반 금속물체, 철, 알루미 늄, 황동, 스테인리스강 등을 검출대상으로 하는 경우 임피던스보다 저항 성분의 변화가 더 크다. 따라서, 발진전압의 진폭을 검출하는 것이 발진 주파수 검출보다 훨씬 유효한 방법이다. 이러한 변화를 검출하여 출력신 호를 발생시켜 물체의 유무를 검출한다.

- 와전류가 발생하는 물체의 깊이, 즉 침투 깊이는 다음 식으로 주어진다.

- 종류

> 일체형은 검출코일, 발진회로, 제어회로, 출력회로 등을 하나의 금속 케이 스에 일체화시킨 것으로, 온도특성이 좋고, 외부 잡음의 영향을 받지 않으 며, 검출 신호용 전선을 길게 할 수 있다. 유도형의 대부분은 일체형이다.

> 분리형의 대다수는 검출코일과 발진회로를 일체화하고 제어회로를 분리 하여 구성한다. 그러므로, 검출부가 소형으로 되기 때문에 센서의 설치장 소나 주위환경 조건에 좌우되지 않는다. 그러나, 검출코일과 제어부를 접 속하는 케이블이 외부잡음의 영향을 받기 쉬우므로 케이블의 길이는 보통 수[m] 이내로 한다.

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- 응용

§ 정전용량형 근접 센서

- 정전용량형 근접센서(capacitive

proximity sensor)는 검출물체가 센서 에 접근하면 검출전극과 대지간 정전 용량(capacitance)이 증가하는 것을 이 용하여 물체를 검출하는 것으로, 도체 및 유전체 등 모든 물체의 검출이 가능 하다.

- 정전용량은 전극도체의 면적, 전극간 격, 유전체의 종류에 의해서 결정된다.

- 일반적으로 검출할 용량이 1 pF이하이 기 때문에 검출전극에는 수백 kHz ~ 수 MHz의 고주파 전압이 인가된다.

- 물체가 접근하면 대지간 정전용량이 증가하여 발진회로의 발진주파수가 변 하고 이것을 전기신호로 변환하여 물 체의 유무를 검출한다.

CNU EE ^6-24 - 센싱 표면(sensing surface)는 두 개의 동심원 금속 전극으로 구성된다. 검출

물체가 센싱 표면에 가까이 오면, 전극의 정전계 속으로 들어가게 되고, 발진 회로의 정전용량을 변화시킨다.

- 그 결과 발진기는 발진하게 되고, 트리거 회로는 발진기의 진폭을 읽어 그것 이 특정 레벨에 도달하면 센서의 출력 상태를 변화시킨다.

- 물체가 멀어지면 발진기의 진폭은 감소하고, 센서는 본래 상태로 되돌아 온 다.

- 정전용량형 침입자 경보기

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- 정전용량형 근접센서의 특징

• 장점

> 유도형 근접센서와 달리 전계가 검출매체로 사용되므로 금속뿐만 아 니라 유전체도 검출할 수 있다.

> 유전체의 차이로 검출하므로 비금속 용기(종이, 유리, 플라스틱 등) 속에 들어있는 물체검지가 가능하다.

> 검출물의 표면상태(광택, 색 등)에 영향을 받지 않으며, 투명체의 검 출도 가능하다.

• 단점

> 유도형에 비해 응답속도가 다소 늦다.

> 물방울 등의 부착에 약하다.(젖은 검출물체를 오동작 없이 검출할 수 있 는 정전용량형 근접센서가 개발되어 있다.)

CNU EE ^6-28 - 정전용량형 근접센서의 응용

§ 자기식 근접 스위치(리드 스위치)

- 리드 스위치(reed switch)는 가장 간단한 자기식 근접 스위치(magnetic proximity switch)이다.

- 리드 스위치의 구조를 나타낸다. 자성체로 되어있는 한 쌍의 리드 편을 불활 성 가스와 함께 유리관내에 봉입한 것으로, 외부 자기장이 가까이 접근하면 스위치 접점이 on/off 동작을 반복한다.

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> normally open (NO) : 앞의 그림

N.O.는 자석이 리드 스위치에 접근하면, 자석으로부터 발생된 자속이 리 드 편 A→접점→리드 편 B를 통과하므로 접점이 자화되어 서로 끌어당기 므로 접점이 닫힌다

> normally closed (NC) : 자석이 접근하면 접점이 열린

> N.C.와 N.O.기능을 다 갖는 것 - 리드 스위치 종류

- 자석의 운동(motion) 방식

☜ Circular ☞ magnet

Bar magnet Rotary motion

§ 초음파 근접 센서

- 초음파식 근접센서(ultrasonic proximity sensor)는 초음파의 투과와 반사를 이용하여 검출물체의 위치나 접근을 검출하는 센서이다.

- 사용하는 초음파의 주파수는 지향성이 좋은 200[kHz] 정도의 초음파를 사 용하여 물체를 검출한다.

- 검출 방식에는 투과식과 반사식이 있다.

> 투과식에서는 초음파 송신기와 수신기 사이를 통과하는 물체에 의해 생 기는 초음파 빔의 차단 또는 감쇄를 검출한다.

이 방식은 검출거리를 크게 하면 초음파의 비임의 지향성이 크기 때문 에 분해능이 저하하므로 단거리에만 채용되며, 검출거리는 1m 정도이 다.

> 반사식은 송신기와 수신기가 일체로 되어 있고, 송신기로부터 발사된 펄스상의 초음파가 검출물체에서 반사되어 되돌아오는 것을 수신기에 서 검출하고, 그 시간을 계측해서 검출하는 방식이다.

CNU EE ^6-32 - 그림은 반사식 초음파 근접센서의 구성이다.

- 검출 원리

CNU EE ^6-34

• 장점

- 특징

> 반사식 초음파 근접센서는 비교적 큰 검출거리가 얻어진다.

> 반사면의 광학적 성질(색, 반사율, 투과율)에 영향을 받지 않는다

> 분진의 영향도 작다

> 반사식 광전 센서의 결점을 보완할 수 있다.

> 초음파 비임의 확산 때문에 분해능이 나쁘다

> 온도에 의한 음속의 변화, 바람에 의한 비임의 흐트러짐으로 검출오 차가 생기기 쉽다.

> 광전 스위치보다 커서 설치에 불리하고, 온도, 바람, 음향 등의 잡음 에 의해서 오동작하며, 스폰지와 같은 흡음물체는 검출이 불가능하 다.

> 이와 같은 단점을 보완한 초음파 스위치도 개발되어 나오고 있으나 광전식 근접 스위치의 보완적 성격이 강하다.

• 단점

- 응용

Ultrasonic sensors enable the detection of different objects - irrespective of color and transparency.

They are therefore ideal for monitoring transparent objects.

> detection of glass, plastics, foils etc

> level control

• Ultrasonic proximity sensor

CNU EE ^6-36 - Measurements of distance : up to 1.8 m

- Operating frequency : 48 kHz - Resolution : 0.3m

• Parking assistance systems

- Radar and video systems for sensing the surrounding (traffic situation) : ACC( adaptive cruise control) system

• Automotive driver assistance system

- Night-vision system

CNU EE ^6-38

점유 이동 근접 센서

-광전 센서

투과식(대향식) 광전 센서 반사식 광전센서

확산반사식(근접 검출식) 광전센서

-근접센서

유도형 근접 센서(inductive proximity sensor)

정전용량형 근접센서(capacitive proximity sensor) 초음파 근접센서(ultrasonic proximity sensor)

리드 스위치(reed switch)

Sensor System Design

- 센서를 이용한 A/D converter - 센서 및 A/D 변환의 필요성 설명 - 과제내용

⦁ 기본 예제 프로그램 이해하기

⦁ 센서의 변환하는 값을 RS232 통신을 통해 확인하기

⦁ 2-6주차까지 진행한 내용 중 한 가지를 선택하고 예제 내에 있는 조건문을 센서에 의한 값을 사용하여 표현하기