10 장속도센서
속도센서 - 직선속도센서 - 가동코일형직선속도센서 - 가동코어형직선속도센서 - 각속도센서 - 전기식타코미터 - 광학식회전속도센서 - 톱니바퀴식회전속도센서 CNU EE 10-2
운동과속도 10.1 개요 - 직선운동 (linear motion) 과속도 (linear velocity) > 직선속도는물체위치의시간적변화율로정의된다. > 속도는크기와방향을갖는벡터량이며, 그방향은위치변화의동일방향 > 속도의크기를속력 (speed or pace) 라고부르는데, 이는물체가얼마나빠르게움직이고있나를정량적으로나타낸것이다. ( 예 ) 자동차의스피도미터 (speedometer) 는우리에게자동차의속력을알려준다. > 직선속도는항상어떤기준물체에대해서측정된다. 앞에서예를든자동차의스피도미터는대지에대해서우리가얼마나빠르게움직이고있는가를말해준다. 흔히직선속도를그냥속도라고부른다. > 물체의순간속도는 = lim = = (1) speedometer CNU EE 10-3
- 각운동 (angular motion) 과각속도 (angular velocity) > 물체의회전속도 (rotational velocity) 또는각속도 (angular velocity) 는각위치 (angular position) 의시간적변화율로정의된다. > 이것은물체가얼마나빨리회전하는가를나타내는척도이다. > 회전속도도또한벡터량이며, 그방향은물체가회전하는중심축과같은방향이다. > 원운동하는물체의각속도는 = = (2) - 식 (1) 과 (2) 에따라변위센서에의해서얻어진신호를한번미분하면속도에비례하는신호가얻어진다. 그러나, 잡음이있는환경에서는복잡하고정교한신호조정회로를사용하더라도미분조작을하게되면매우높은오차를일으킬수있기때문에, 속도를변위나위치로부터미분해서측정하지않는다. CNU EE 10-4
회전력 (Torque) 힘 F 의방향 자계 B 의방향 힘 F F = Bli[N] B : 자속밀도 [Wb/m 2 ] l : 도체길이 [m] i : 도체전류 [A] N 자계 B l S T = k f i e T f a k T : 토크상수 [Nm/Wb/A] Φ f : 계자자속 전류 I 의방향 도체에발생되는힘 전류 I i a : 도체전류 [A] 유기전력 (Electro-Motive Force, EMF) e = Blv[V ] e = a k e v : 도체가움직이는속도 [m/s] f w f m k e : 역기전력상수 [Vs/rad/Wb] w m : 각속도 [rad/s] 유기기전력 E 의방향 자계 B 의방향 운동 V 의방향 유기기전력 E 운동 V N 자계 B 도체에발생하는유기기전력 l S CNU EE 10-5
10.2 직선속도센서 직선속도센서의기본원리 - 전자기형직선속도센서 (electromagnetic linear velocity sensor) 의기본원리 > 코일을통해길이 l 인영구자석이속도 v 로이동할때코일에발생하는기전력의크기는 e o = B l v B : 속도에수직한자속밀도 > 이와같이코일에발생하는기전력은영구자석의직선속도에비례한다. > 이원리를이용한직선속도센서를산업체에서는 LVT (linear velocity transducer) 라고부르며, LVT 에는가동코일형 (moving coil) 과가동코어형 (moving core) 등두가지형태가있다. > LVT 는변위측정이라는중간단계를거치지않고물체의속도가직접전기신호로변환되는센서이다. CNU EE 10-6
가동코일형직선속도센서 - 가동코일형직선속도센서 (moving coil linear velocity sensor) 의구조 > 스피커 (loudspeaker) 와매우유사하다. > 가동코일은피측정속도에따라고정된영구자석사이에서움직인다. > 도체의길이, 즉감도를증가시키기위해서매우얇은전선이사용되는데, 이경우출력저항이증가하므로높은입력임피던스를갖는계기가요구된다. CNU EE 10-7
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가동코어형직선속도센서 - 가동코어형직선속도센서 (moving core linear velocity sensor) 의원리 Ø 스테인레스스틸케이스에영구자석을넣고그외측에두개의코일을감는다. Ø 자석의양단은코일내부에위치한다. Ø 만약단일코일을사용하면, 출력은 0 으로된다. 이것은자석의한쪽끝에의해서발생된전압은다른끝에의해서발생된전압에의해서상쇄되기때문이다. Ø 코일 1 과 2 는그림 (b) 과같이코일에유기되는전압의극성이반대가되도록하여직렬로접속한다. Ø 이센서는가동코일에비해측정범위를확대시킨다. CNU EE 10-9
- 가동코어형직선속도센서및특성예 - 자석의 N 극은하나의코일 1 에전류를유기하고, S 극은또다른코일 2 에전류를유기한다. - 코일 1 과 2 는그림과같이코일에유기되는전압의극성이반대가되도록하여직렬로접속되어있기때문에, 이센서의출력전압은자석의속도에비례하는출력이얻어진다. - 이센서는전술한가동코일형에비해측정범위가확대된다. CNU EE 10-10
전자기식직선속도센서의특성 가동코일형속도센서의감도는보통약 10[mV/mm/s] 이고, 대역폭은 10[Hz]~ 1000[Hz] 이다. 가동코어형직선속도센서의동작범위는 0.5[in.]~24[in.] 이고, 전형적인감도는 40[mV/in/s]~600[mV/in/s] 이다. 전자기식직선속도센서의특징 전자기식속도센서의가장큰특징은자기스스로직류전압을출력하기때문에외부전원이불필요하다는점이다. 감도가우수하고사용주파수가높다. 이센서의최대검출가능속도는주로인터페이스회로의입력단에의해서결정된다. 최소검출속도는잡음에의해서결정된다. 직선속도센서는센서크기에의해서제약을받는거리를따라속도를검출한다. 그러므로대부분의경우이속도센서는진동속도측정에사용된다. CNU EE 10-11
10.3 각속도센서 - 회전체에서단위시간당변위하는각을각속도, 각속도가일정할때단위시간당회전수를회전속도로구분한다. - 일반적으로회전속도를단순히회전수라고부르며보통 1 분간의회전수 (revolution per minute; rpm) 로나타낸다. - 각속도 (angular velocity) 측정은펌프, 엔진, 발전기등과같은회전기기에서자주요구된다. CNU EE 10-12
전기식타코미터 - 전기식타코미터 (electrical tachometer generator; 간단히 tachogenerator 라함 ) 는회전속도계측용발전기로, 회전속도에비례하는전압을출력한다. - 그림은타코미터의원리인패러데이 (Faraday) 법칙을나타낸다. 자극사이에서코일을회전시키면코일에는다음식으로주어지는전압이유기된다. = - 이원리를이용해서회전수를계측하는방법이전기식타코미터이다. 타코미터에는출력전압에따라 dc와 ac로분류한다. 패러데이의전자유도법칙 CNU EE 10-13
직류 (DC) 타코미터 - 직류 (DC) 타코미터의구조는직류발전기로써, 자계의세기를일정하게유지키위해고정자에영구자석을사용하고, 회전자와접촉하고있는브러시를통해직류전압을얻는다. - 출력전압의크기는회전수에비례하며, 회전방향이변하면출력전압의극성이바뀐다. - 직류타코미터는브러시의마찰이측정대상에영향을주는결점이있으나, 회전방향의구별이가능하고, 여자전원이필요하지않는특징이있다. CNU EE 10-14
- 일반적으로 DC 타코미터의감도는 5 V/(1000 rpm]~10 V/(1000 rpm) 범위이며, 측정범위는 8000 rpm 이다. - 온도가증가하면영구자석의세기가감소하여오차의원인이되므로온도보상이필요하며, 이경우자속변화는 0.005 %/K 이하로된다. - 타코미터의특성예 CNU EE 10-15
교류 (AC) 타코미터 - AC 타코미터는회전자 (rotor) 와두개의고정자코일로구성된다. - 두코일은 90 로위치해있으며, 한코일은여자 (excitation) 를위한것이고, 다른하나는속도검출을위한것이다. - 회전자드럼주위에배치된모든권선은단락회로로된다. 어떤모델은권선없이단지알루미늄드럼으로만되어있는것도있다. CNU EE 10-16
- 여자코일에일정진폭과주파수를갖는 AC 전압 (e ex ) 을인가하면자속밀도 B 를만들고, 이자속이패러데이의전자유도법칙에따라회전자에전압 e r 를유기한다. - 회전자는단락회로이기때문에이전압은전류 i r 를흐르게하고, 이전류에의해회전자주위에는다시자속밀도 B r 이발생한다. 상대적위치때문에검출코일은자속 B 하고는쇄교하지않지만, 자속 B r 의일부와는쇄교해서출력전압을발생시킨다. - 회전자가속도 n 으로회전할때, 검출코일에발생하는출력전압은다음식으로된다. = sin( + ) 출력전압은여자전압과동일주파수이나, 그진폭은각속도에비례한다. CNU EE 10-17
- 이와같이출력전압은여자전압과동일주파수이나그것의진폭은각속도에비례한다. - 회전방향은신호의위상차가 180 이상 ( 異相 ; out of phase) 이되는것에의해서결정된다. - AC 타코미터의전형적인감도는 3 V/(1000 rpm)~10 V/(1000 rpm) 범위이다. - 권선저항이온도에따라변하기때문에감도는온도에의존한다. 이것을보상하기위해서일부모델은보상용 NTC 써미스터가사용되고있다. CNU EE 10-18
광학식회전속도센서 - 광전식회전속도계 (optical tachometer) 의동작원리는변위센서에서설명한증가식인코더 (incremental encoder) 와동일하다. - 그림 (a) : 반사식 : 회전축에설치되어있는반사판으로부터반사된빛은광센서에들어가회전속도에비례하는펄스열 (pulse train) 을발생시키며, 이것을전자계수기 (electronic counter) 로계수하여속도를검출하거나전압으로변환한다. 반사식은구성이간단하고측정이용이하므로현장측정에많이이용된다. CNU EE 10-19
- 그림 (b) : 투과식 : 회전원판 (disc) 에일정간격으로슬롯을만들고광원으로부터나온빛이슬롯을통과할적마다광센서가펄스를발생시킨다. 이펄스를계수하거나주파수전압변환기 (frequency to voltage converter ; FVC) 를사용하여전압으로출력한다. CNU EE 10-20
톱니바퀴식회전속도센서 - 톱니바퀴식회전속도센서 (geartooth sensor) 는자동차에서캠샤프트 (cam shaft) 와크랭크샤프트 (crankshaft) 등의위치및회전속도측정에널리사용되는센서이다. - 검출용센서에따라여러가지로분류한다. > 자기식톱니바퀴센서 (magnetic gear-tooth sensor) > 홀효과톱니바퀴센서 (Halleffect gear-tooth sensor) > 자기저항식톱니바퀴센서 (magetoresistive gear-tooth sensor) CNU EE 10-21
자기식톱니바퀴센서 (magnetic gear-tooth sensor) - 이센서는자기유도센서 (magnetic inductive sensor) 또는가변릴럭턴스센서 (variable reluctance sensor; VR) 이라고도부른다. - 그림과같이영구자석과전압발생용코일 (pickup coil) 로구성된다. - 측정대상의회전축에부착된톱니모양의돌기가회전하면, 돌기부분이센서바로밑에올때 ( 그림 b) 와벗어날때 ( 그림 c) 자로 ( 磁路 ; magnetic path) 길이와자속의변화가생겨코일에기전력이유기된다. - 발생기전력의주파수와회전수사이의관계 CNU EE 10-22
- 전자식검출기는영구자석과코일만을사용하므로전원이불필요한장점이있으나, 저속회전에서는출력이현저히작아지는결점이있다. - 그래서, 코일대신에홀소자 (Hall effect device) 나자기저항소자 (MR) 를사용한다. CNU EE 10-23
홀효과톱니바퀴센서 (Hall effect gear tooth sensor) - 홀소자를이용한회전속도센서의기본구조와동작원리 > 자성체로만들어진톱니바퀴와홀소자로구성된다. 이것은자기식회전속도센서에서코일대신에홀소자를사용한것과같다. > 자성체톱니가회전하면서톱니가홀센서에가까이올때마다영구자석으로부터자속을모아센서의출력을발생시킨다. > 출력신호는정현파이며이것의주파수는 ( 자성체휠의 rpm) ( 톱니수 ) 로주어진다. CNU EE 10-24
회전속도센서 - 회전날개식 기본구조와동작원리 홀소자를이용한회전날개식회전속도센서의구성 - 영구자석 - 자성체회전날개 (vane) - 홀소자 - 자속을모으는집자강 ( 集磁鋼 ) 이사용되기도한다. 그림 (b) : 홀센서와영구자석사이에회전날개가없으면, 영구자석으로부터나오는자속이홀소자를통과하게되므로홀소자의출력이발생한다. 그림 (c) : 회전체가회전하여날개가홀소자와영구자석사이에들어오면영구자석으로부터자속이홀소자를통과하지못하므로홀소자의출력은 0 으로됨. 이와같이회전날개에의해자계를 on/off 하면진폭이일정한거의구형파신호가출력된다. CNU EE 10-25
자기저항식회전속도센서 (magetoresistive geartooth sensor) 그림은자기저항소자 (MR) 를사용한회전속도센서이다. 자성체톱니가센서를통과할적마다그림 (b) 와같이 MR 센서를통과하는자속의변화가주기적으로일어나므로, 이것에의해서 MR 소자의저항이변하여출력이발생한다. 이신호의주파수는회전체의회전속도에비례한다. MR 소자식회전속도센서 CNU EE 10-26
Sensor System Design
- 3 주간 Team project 수행 - 최종발표시프로그램, 발표자료, 동영상제출 - 발표당일에시연