8장 압력 센서
CNU EE 8-2
압력 센서
- 스트레인게이지식 압력센서 - 정전용량식압력센서
- 전위차계식 압력센서 - LVDT 압력센서
- 압전기식 압력센서
- 실리콘 압력센서
- 광학식 압력센서
8.1 개요
- 압력센서는 기체나 액체의 압력을 전기신호로 변환하는 센서이며, 화학공업 의 플랜트 제어에서는 반드시 필요하고 중요한 센서이다.
- 유체(기체, 액체)의 압력이란 유체에 의해서 단위 면적당 작용하는 힘을 의미 한다. 계측분야에서는 유체 압력을 단순히 압력으로 부르는 경우가 많다.
- 압력을 나타내는 단위에는 측정대상, 압력범위, 국가 등에 따라 여러 가지 단 위가 관용적으로
적절히 구분되어 사용되고 있다.
§ 압력의 정의와 분류
수은주 밀리미터 1mmHg = 133.32Pa
수주 밀리미터 1mmH2O = 9.8Pa 프사이
CNU EE 8-4 - 압력의 분류
(a) 절대압(absolute pressure) : 완전진공(0 mmHg abs)을 기준으로 해서 측정된 압력을 절대압이라고 부르며, 기압계도 여기에 속한다.
절대압력센서는 밀페된 진공실을 내장하고 피측정 유체와의 차압을 측 정한다. (절대진공 또는 완전 진공이란 물질이 존재하지 않는 공간) (b) 게이지압(gage pressure): 대기압(760 mmHg)를 기준으로 해서 측정된
압력. 우리가 가장 많이 측정하는 압력이며, 단순히 압력이라고 하면 게 이지압을 가리키는 경우가 많다
(c) 차압(differential pressure) : 2개의 유체간의 압력차
공업계측에 있어서 차압은 중요한 정보원이며, 그만큼 높은 정밀도가 요구되고 있다.
§ 압력 센서의 구성 요소
- 압력은 단위면적당 작용하는 힘이므로, 제7장에서 설명한 힘 센서와 구성이 유사하며, 기능이 다른 3개의 블록으로 구성된다.
(a) 감압 요소(pressure sensing element)는 압력을 받았을 때 변위가 일어 나도록 설계되고 만들어진 기계적 요소로써, 압력을 기계적 운동(변위)으 로 변환하는 소자이다.
(b) 변환요소(transduction element)는 기계적 운동(변위)을 전기적 신호로 변환한다.
(c) 신호조정(signal conditioning)은 전기적 신호를 증폭하거나 필터링(filter) 하여 조정하는 것으로 센서의 형태나 응용분야에 따라 요구된다
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• 감압 요소(pressure sensing element)
- 부르동 관(Bourdonn tube)는 단면이 타원형 또는 편평형의 관으로, 감긴 형태에 따라 C자형(C shaped), 나선형(helical) 등이 있다. 관 한쪽의 선단은 밀폐되어있고, 개방된 다른 쪽의 끝은 고정되어 있다. 개방구에서 관 내부 에 압력을 가하면 관의 단면은 원형에 가깝게 부풀어지고 이로 인해 구부 러진 관은 직선에 가깝게 변형하지만 관의 탄성으로 어느 정도 관이 늘어 나면 양쪽이 균형을 이룬다. 이 늘어난 부르동 관 선단의 변위량은 관내의 압력 크기에 거의 비례한다.
- 나선형은 감도를 증가시킨다.
- 다이어프램 (diaphragm)은 평판(flat)과 주름(corrugated)진 것이 있으며, 압 력이 가해지면 변형된다. 다이어프램은 적은 면적을 차지하고, 그 변위(운동) 가 변환소자를 동작시킬 만큼 충분히 크고, 부식 방지를 위한 다양한 재질이 이용가능하기 때문에 가장 널리 이용되고 있다.
- 밸로우즈 (bellows)는 얇은 금속으로 만들어진 주름 잡힌 원통으로, 원통에 압력을 가하면 내부와 외부의 압력차에 의해 축방향으로 신축한다. 이 신축 에 의해서 압력차는 변위로 변환된다.
CNU EE 8-8 - 스트레인 게이지 압력센서 (strain gauge pressure sensor) : 감압 탄성체로는
주변이 고정된 원형의 금속 다이어프램(diaphragm)이 사용된다.
- 스트레인 게이지로는 금속 박 게이지를 접착제로 다이어프램에 부착시키던가 또는 박막 기술을 사용해 금속 다이어프램에 직접 형성한다.
- 압력이 인가되면 금속 다이어프램이 변형을 일으키고, 이 변형을 스트레인 게 이지를 사용해 저항 변화로 변환하여 압력을 전기적 신호로 검출한다.
8.2 스트레인 게이지식 압력센서
§ 스트레인 게이지 압력센서의 기본 구조
- 주변이 고정된 원형 다이어프램에 균일한 압력 p가 작용하면 그 표면에 굽힘 변형이 발생한다.
- 다이어프램의 변형분포를 계산하면 그림과 같이, 반경방향 성분과 원주방향 성분으로 구성되며, 두 성분 모두 위치에 따라 그 크기가 변화한다.
- 접선(원주)방향 변형는 항상 정(+)이고, x = 0 에서 최대로 됨.
§ 다이어프램의 스트레인 분포
- 변형이 압력에 비례함을 알 수 있다. 이 선형 관계는 충분히 작은 변형에 대해서만 성립하 며, 다이어프램의 두께가 너무 얇아 큰 변형 이 발생하는 경우에는 압력변형 특성이 직선 성을 상실한다.
- 반경방향 변형은 위치에 따라 정(+) 또는 부(-) 로 되고, x = r 에서 최대의 (-)값을 갖는다.
- 각 변형의 최대치는 다음 과 같다.
CNU EE 8-10 - 스트레인 게이지는 전류가 흐르는 방향으로 받는 응력(변형)에 감응하므로 게
이지의 배치 장소나 방향은 변형분포의 결과를 이용해서 설계된다.
- 중앙부에는 원주방향의 (+)변형에 감응하는 한 쌍의 게이지 패턴이 배치되고, 주변부에는 반경방향의 (-)변형에 감응하는 또 다른 한쌍의 패턴이 배치된다.
- 다이어프램 표면에 인장응력과 압축응력이 동시에 존재하기 때문에 4개의 스 트레인 게이지를 이용해 휘트스토운 브리지를 구성하여 압력 센서의 출력을 증가시키고 다른 여러 가지 보상을 가능케 한다.
- 휘트스토운 브리지의 출력 전압은
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§ 스트레인 게이지 배치
8.3 정전용량식 압력센서
- 정전용량형 압력센서(capacitive pressure sensor)의 기본 구조
> 고정전극과 다이아프램 사이에 정전용량이 형성된다.
> 인가압력에 의해서 다이어프램이 변위되면 두 전극 사이의 거리가 변하 므로 정전용량이 따라서 변한다.
CNU EE 8-12 - 정전용량형 차압센서(differential capacitive pressure sensor)
> 두 정지전극 사이에 센싱 다이어프램이 위치하고, 내부에는 기름이 채워져 있어 차압을 센싱 다이어프램에 전달한다.
> 동일한 압력이 인가되면 다이어프램은 변형되지 안으므로 브리지 회로는 평형되어 출력은 0 이다.
> 만약 인가압력 중 하나가 다른 것에 비해 더 높으면, 다이어프램은 차압에 비례해서 변위하므로, 두 커패시터 중 하나의 정전용량은 증가하고 다른 정전용량은 감소한다.
> 따라서, 차압에 비례하는 출력신호는 2배로 되고, 불필요한 공통 모드 영 향을 제거할 수 있다.
- 정전용량형 압력센서의 특성
> 측정범위가 매우 넓은 특성을 갖는다.
µ ~10,000 psig (70MPa), 차압은 0.01 inH2O를 쉽게 측정할 수 있다.
> 스트레인 게이지 방식에 비해 드리프트도 작고, 0.01[%FS]의 확도를 갖 는 압력센서의 디자인도 가능하다.
> 전형적인 온도영향은 0.25[%FS]이다.
> 정전용량형 압력센서는 낮은 차압과 낮은 절대압 측정에서 2차 표준 (secondary standards)으로 자주 사용된다
확도 : 센서 출력이 참값(true value)에 얼마나 가까운가를 나타내는 척도
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8.4 전위차계식 압력센서
- 전위차계식 압력센서(potentiometric pressure sensor) 의 기본 구조
Ø 압력에 의해 발생하는 부르동 관 또는 벨로우즈의 변위를 전위차계의 와 이퍼 암(wiper arm)을 이용해 저항변화로 변환한다.
Ø 벨로우즈(부르동 관)가 인가 압력에 의해서 신축하면 그 변위가 와이퍼 암을 구동해서 전위차계의 저항을 변화시킨다.
부르동 관 벨로우즈
- 전위차계식 압력센서(potentiometric pressure sensor)의 특성
> 전위차계 압력센서는 극히 작게 만들 수 있어 직경 4.5-in. 압력 게이지 속에도 수용할 수 있다.
> 추가의 증폭기가 필요 없을 정도로 출력도 크기 때문에 저전력이 요구 되는 곳에 응용된다.
> 가격은 저렴하나 재현성이 나쁘고 히스테리시스 오차가 커서 큰 성능을 요구하지 않는 곳에 사용된다.
> 측정압력 범위는 5 ~10,000 psig (35 kPa ~ 70 MPa), 확도는 0.5%
~1 %FS 이다.
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8.5 LVDT 압력센서
- LVDT 압력센서(Linear Variable Differential Transformer)의 기본 구조
> 그림 (a)는 탄성체로 부르동 관, 센서로 LVDT를 이용한 압력센서이다.
> 부르동 관의 한쪽 끝에 LVDT의 철심(core)를 연결한다. 압력이 부르동 관 에 인가되면, LVDT의 철심은 위로 이동하여 출력이 발생한다.
Ø 출력전압은 부르동 관의 변위가 매우 작은 범위에서 압력에 따라 직선적 으로 변화한다.
- LVDT 압력센서(capacitive pressure sensor)의 특성
> 출력전압은 부르동 관의 변위가 매우 작은 범위에서 압력에 따라 직선적 으로 변화한다.
> 이 형태의 압력센서는 정압(static or quasistatic application)을 측정하는 경우에는 안정성과 신뢰성있는 압력 측정이 가능하다.
> 관과 LVDT의 철심의 질량이 응답 주파수를 약 10[Hz]로 제한하기 때문에 동압(dynamic pressure) 측정에는 부적합하다.
> LVDT 압력센서의 확도는 0.5%FS, 측정 범위는 0 ~ 30 psig(0 ~ 210 kPa) 부터 0~10,000 psig(0 ~ 70 MPa)이며, 절대압, 차압 검출이 가능하다.
> 단점 : 기계적 마모가 일어나기 쉽고, 진동이나 자기간섭에 민감하다.
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8.6 압전기식 압력센서
- 압전기식 압력센서(piezoelectric pressure sensor)의 기본 구조
> 압전효과(piezoelectric effect) : 수정 등과 같은 압전 결정에 힘을 가하여 변형을 주면 변형에 비례하여 그 양단에 정(正)·부(負)의 전하가 발생한다.
압전기식 압력센서는 결정의 압전효과를 이용한다.
> 탄성체와 센서로써 압전기 결정이 사용된다.
> 압력이 얇은 다이어프램을 통해 다이어프램에 접촉하고 있는 결정면에 인가되면 전하가 발생한다.
- 압전기식 압력센서의 원리
> 압전 결정의 상하부에 전극을 설치하고 압력을 가하면, 결정의 두께는 변형을 일으키고 결정표면에는 전하 q가 나타난다.
> 이때 전하 q 와 출력전압 Vo의 관계는
C = 압전결정의 정전용량,
Sa = 압전결정의 전하감도(charge sensitivity) A = 전극면적
SE = 센서의 전압감도(voltage sensitivity)
CNU EE 8-20 - 압전기식 압력센서의 특성
> 압전기는 동적 효과(dynamic effect)이기 때문에 출력은 단지 입력이 변 할 때만 나타난다.
따라서, 이 센서는 정압을 측정할 수 없으며, 단지 압력이 변하는 경우에 만 사용될 수 있어, 폭발 등과 관련된 동압 현상이나, 자동차, 로켓엔진, 압축기, 또는 빠른 압력변화를 경험하는 압력장치에서의 동압 상태를 평 가하는데 사용된다.
> 검출범위 : 0.1~10,000 psig (0.7 kPa ~ 70 MPa).
> 전형적인 확도 : 1 %FS
8.7 실리콘 압력센서
- 실리콘 압력센서(silicon pressure sensor)의 종류
> 압저항 압력센서(piezoresistive pressure sensor)
실리콘의 압저항 효과(piezoresistive effect)를 이용하며, 현재 주로 사용되 고 있다.
> 정전용량형 압력센서(capacitive pressure sensor)
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§ 압저항 효과(piezoresistive effect)
- 압저항 효과란 반도체에 압력이 인가되면 저항 값이 변하는 현상이다.
- 그림과 같은 실리콘 저항(압저항)을 생각해 보자. 지금 간단한 경우로 축방향 응력(longitudinal stress)만이 작용한다고 가정하면, 이 응력에 의한 저항 변 화율은 변형(strain) εl 에 비례한다. 즉,
§ 압저항형 실리콘 압력센서
- 기본 구조
> 실리콘 단결정을 얇게 에칭하 여 수압용 다이어프램을 만들 고, 여기에 IC와 동일한 제조방 법으로 불순물 확산에 의해 4 개의 압저항(piezoresistor)을 형성한다.
> 4개의 저항은 그림과 같이 휘 트스토운 브리지 회로로 접속 한다
> 압력이 가해지면 다이어프램 이 변형을 일으키고, 이로 인 해 압저항의 저항값이 변화하 면 브리지 회로에 의해 압력에 비례하는 출력 신호를 얻는다.
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> 그림(b)와 같이 정사각형 실리콘 다이어프램에 형성된 4개의 p형 압저항 으로부터 출력을 구해보자.
> 다이어프램에 압력이 가해지면, 저항 R2 , R4와, 저항 R1, R3에 작용하는 응력은 그림과 같은 성분으로 구성된다. 이 경우 압저항 계수 πl , πt 는 각각 다음과 같이 주어진다.
> p형 실리콘 압저항의 경우 σl≈σt 이다.
저항 R2 , R4는 증가하고, 저항 R1, R3 는 감소한다
압저항에 작용하는 응력
> 압력 p에 의한 저항 값 변화를 다음과 같이 가정하면 R2 = R4 = R0 + ΔR
R1 = R3 = R0 -ΔR
> 출력전압은
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> 압력 감도(pressure sensitivity)는
휘트스토운 브리지의 중요한 장점은 출력전압이 압저항(piezoresistor)의 절대치에는 무관하고, 저항변화율(ΔR/ R0)과 브리지 전압( VS )에 의해서만 결정된다는 점이다.
> 브리지가 정전류에 의해서 구동되면, 압력감도는 다음과 같이 된다.
8.8 광학식 압력센서
- 광학식 압력센서(Optical pressure transducer)의 기본 구조
> 발광 다이오드(LED)가 적외선 광원으로 사용되고 있다.
> 압력에 의해 다이어프램이 움직이면 차광판(vane)이 LED로 부터 나온 적 외선의 일부를 차단한다. 따라서 광센서에 입사되는 빛의 양은 감소한다.
> 이와 같이, 압력이 증가하면, LED-광 센서 사이에 놓여있는 차광판이 더 위 로 이동하여 통과하는 빛의 양을 감소시켜 출력신호가 변화한다.
CNU EE 8-28 - 광학식 압력센서의 특성
> 광학식 압력센서는 온도가 광원과 광센서에 동일한 영향을 미치므로 온도 영향이 상쇄되어 영향을 받지 않는다.
> 압력측정에 필요한 차광판의 이동량이 매우 작아 (0.5 mm 이하) 히스테리 시스 오차와 반복성 오차(repeatability error)가 거의 0 에 가깝다.
> 광학식 압력센서는 보수유지가 용이하고 안정성이 우수하여 장시간 측정 에 적합하도록 설계된다.
> 측정범위는 5 psig ~ 60,000 psig (35 kPa~ 413 MPa) 이고, 확도는 0.1 %FS이다.
> LED로부터 방출되는 빛의 세기는 시간이 지남에 따라 점점 약해지므로 이에 대한 보상이 필요하다.
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압력 센서
- 스트레인게이지식 압력센서 - 정전용량식압력센서
- 전위차계식 압력센서 - LVDT 압력센서
- 압전기식 압력센서
- 실리콘 압력센서
- 광학식 압력센서
Sensor System Design
- 3주간 Team project 수행
- 최종 발표시 프로그램, 발표자료, 동영상 제출 - 발표 당일에 시연
