[센서] 역학 센서 종류에 대한 내용 정리

센서에 대해 기초적인 것을 알아보고 공부한 내용을 정리하는 글

 

목차

 

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센서(Sensor)

사진: Unsplash 의 George Prentzas

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1. 변위센서의 종류

변위 센서 : 위치 센서(Position Sensor)의 일종으로 기준점에서의 상대적인 거리를 측정하는 센서

1.1. 

ⓐ. LVDT(Linear Variable Displacement Transformer)

• 마찰이 없는 구조
•  0.1~300 mm의 비교적 긴 영역 측정 가능
• 높은 정밀도를 가지고 있음
• 0.05 mm 분해능, 0.5 mm 정밀도(전 영역)

ⓑ. Inductive sensor (Eddy current sensor)

• 도전체에 발생하는 와전류에 의한 코일의 인덕턴스 변화를 이용한 센서
• 마찰이 없는 구조
• 저렴한 가격
• 메탈 표면에 사용
• 외부자기장에 민감

ⓒ. Capacitive sensor

capacitor를 이용한 센서

• 작은 변위에서 정밀하게 사용
• 마찰이 없는 구조
• 고가의 가격
•  나노 수준의 정밀도
•  노이즈에 민감

 

1.2. Encoder

회전 운동이나 직선운동을 하는 물체의 위치와 속도의 정보를 전기적인 신호로 출력하는 센서

• 검출 변위에 따른 분류
  • Rotary encoder (로터리 인코더)
  • Linear encoder (리니어 인코더)
• 변환 방식에 따른 분류
  • Optical (광학식 인코더)
  • Magnetic (자기식 인코더)
• 출력 방식에 따른 분류
  • Incremental type (증가형 인코더)
  • Absolute type (절대 인코더)

 

ⓐ. Rotary Encoder

• Rotary encoder는 회전 변위각을 검출하는 센서
• 광신호 또는 자기신호의 출력파형을 이용
•  비교적 저렴한 가격, 로봇 조인트에 사용

ⓑ. Linear Encoder

• Linear encoder는 거리 변위를 측정 하는 센서
• 광신호 또는 자기신호의 출력 파형을 이용
• 높은 분해능을 가지고 있어 고정밀 직선운동에 이용

 

1.2.1. Incremental type vs absolute type

• 인크리멘탈 타입 엔코더는 회전원판에 일정한 간격으로 배열된 슬롯의 수를 카운트
• 앱솔루트 타입 엔코더는 전원 상태와 무관하게 항상 절대값을 위치 값 추종

 

1.3. Laser Interferometer (레이저 간섭계)

• 빛의 파장을 길이의 기준으로 하여 거리를 광학적으로 측정하는 장치
• 고정밀 측정이 가능하여 반도체 노광장비에서 많이 사용
• 빛의 간섭현상을 이용하여 변위를 측정하는 만큼 환경의 영향을 많이 받음

1.3.1. Laser Interferometer (레이저 간섭계)의 종류

• 호모다인 간섭계 : 기준광과 신호광 사이의 주파수 차이를 주지 않은 방식
• 헤테로다인 간섭계 : 기준광과 신호광 사이에 주파수 차이를 주어 맥놀이 현상을 일으키는 방식
• 레이저 간섭계는 encoder와 비교하여 아베 오프셋 에러(abbe offset error)를 크게 줄일 수 있음

 

1.4. Abbe offset error(아베 에러)

 

변위 측정시 오차를 최소로 줄이기 모션의 기준이 되는 척도와 일직선상에 나란히 세워놓지 않으면 에러가 커짐.

 

• 인코더의 경우 work-piece 이동 중심축과 센서축에 offset이 존재하여 아베 오프셋 에러가 존재
• 레이저 간섭계의 경우 work-piece의 이동 중심축과 센서축이 일치하여 아베 오프셋 에러가 없음

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2. 속도 센서의 종류

ⓐ. 전자기 속도 센서

• 코일내에서 자석이 움직이면 코일에 전압이 유도되는 현상을 이용
• Light source와 photodetector를 이용하여 회전 속도를 측정하는 방법

 

ⓑ. Tachometer(타코미터)

• 직류식과 교류식이 있으며, 모터 회전수를 측정하는데 이용

 

ⓒ. Geophone(지오폰)

•  직선 속도계로 지진파를 측정하는데 이용

 

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3. 진동 센서의 종류

ⓐ. LDV(Laser Doppler Vibrometer)

• LDV는 레이저의 빛과 도플러 효과를 이용하여 타겟의 진동을 측정하는 센서
• 이를 이용하여 측정물의 속도에 비례하는 주파수 변화에 비례하는 출력을 발생하는 것이 LDV (Laser Doppler Vibrometer) 센서
• 상대적으로 고주파의 속도 측정에 유용하고 저주파 변화(변위)를 감지하는 능력은떨어짐

 

가속도 센서

ⓐ. Seismic Mass

• 단순 무게추로 바닥에 진동이 생긴 경우 관성에 의해 움직임
• Seismic mass가 움직이면, Strain member 또는 transducer에 전기신호를 보내게 되는 원리

 

ⓑ. Piezoelectric

•  외부에 힘이 가해질 경우 전하의 변화가 생기는 압전 효과를 이용

 

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마무리

다양한 역학 센서의 종류에 대해서 살펴보았는데 장단점

어떨 때 사용해야하는지 용도에 대해서 확실한 구분점이 필요할 것으로 사료됨.