6 장점유. 이동. 근접센서

6 장점유. 이동. 근접센서 2016-09-01

점유이동근접센서 - 광전센서 (photoelectric sensor) 투과식 ( 대향식 ) 광전센서 반사식광전센서 확산반사식 ( 근접검출식 ) 광전센서 - 근접센서 (proximity sensor) 유도형근접센서 (inductive proximity sensor) 정전용량형근접센서 (capacitive proximity sensor) 초음파근접센서 (ultrasonic proximity sensor) 리드스위치 (reed switch) CNU EE 6-2

6.1 개요 - 점유센서 (occupancy sensor) : 미리설정된특정의위치에사람이나물체의존재유무 (presence or absence) 를검출하는센서. - 이동검출기 (motion detector) : 움직이는물체에만응답하는센서. - 즉, 점유센서는물체가정지해있건또는이동하건관계없이신호를발생하는반면, 이동센서는움직이는물체에대해서만선택적으로감도를갖는다. - 물체의존재유무, 이동을검출하는센서는일반적으로검출스위치라고부르며, 그종류는다음과같다. > 접촉식 : 리미트스위치 (limit switch), 마이크로스위치 (micro switch), > 비접촉식 : 광전센서 (photoelectric sensor), 근접센서 (proximity sensor) > 종래에는마이크로스위치, 리미트스위치와같은기계적스위치 ( 접촉식 ) 가주로사용되었으나, 최근에는무접촉동작형의근접스위치, 광전스위치, 초음파스위치등이많이사용되고있다. > 대표적인무접촉동작형센서인광전센서, 근접센서, 초음파센서를중심으로설명한다. CNU EE 6-3

리미트스위치 CNU EE 6-4

6.2 광전센서 - 광전센서 (photoelectric sensor) 는빛을이용해물체의존재유무를검출하는점유센서로공장자동화에서광범위하게사용되고있다. - 광전센서는용도에따라많은종류의센서가만들어지고있으며, 광전센서의종류와특징을나타내면다음과같다. CNU EE 6-5

투과식 ( 대향식 ) 광전센서 - 투과식 (through beam photoelectric sensor) 또는대향식 (opposed-mode sensing) 은투광기 (emitter or source) 와수광기 (receiver or detector) 를마주보게설치하고, 그사이를불투명한물체가통과할때일어나는투과광량의변화를전기신호로변환하여물체의유무나위치를검출한다. - 투과식광전센서가검출할수있는투 수광기사이의거리 (detection range) 는수 [mm]~ 수백 [m] 정도로광전센서중에서가장길다. CNU EE 6-6

- 좁은장소또는투 수광기를설치하기에는장소조건이나쁜경우광파이버 (optical fiber) 를사용해서작은물체를검출할수도있다. 광섬유를사용한것은검출거리가 30[mm]~1[m] 정도로짧다. - 검출영역 (effective beam area) 은투광기와수광기의광학계의유효직경에의해서형성되는원통상영역으로된다. 투광기와수광기의광축조정및수광기의감도조정을정확히할필요가있다. - 동작각 ( 또는지향각 ) 은 3~10 도정도이다. 투광기의광원으로는적외선발광다이오드, 적색발광다이오드, 레이저다이오드가널리사용되고있고, 수광기의광센서로는포토트랜지스터와포토다이오드가사용된다. CNU EE 6-7

- 투과식의장점 > 높은신뢰성 (Reliability) : 가장신뢰성이높은광전센서이므로가능하면이방식을사용한다. 또센싱에너지가높기때문에환경오염이나충격 ( 진동 ) 에의해일어날수있는 sensor misalignment 를극복이용이하다. > 검출거리가길다 (Long range sensing) > 악조건의주위환경에서검출이가능하다.(Sensing through heavy dirt, dust, mist, condensation, oil, film, etc.) > 정밀한위치검출 (Precise position sensing ) CNU EE 6-8

반사식광전센서 - 반사식 (retroreflective or reflex or retro photoelectric sensor) 은투광기와수광기를하나의케이스에일체화한본체의반대쪽에역반사판 (retroreflector) 을설치하고그사이를통과하는물체에의해발생하는투과광량의변화를측정하여물체를검출한다. - 검출거리는투 수광기와반사면사이의거리에의해서정해지며 100[mm]~ 5[m] 정도이다 CNU EE 6-9

- 역반사판 (retroreflector or retro target or retroreflective target) > 그림과같은미소한 corner-cube prism 의 array 로구성된다. 이경우입사빔이수직선으로부터약 20 도벋어나도수광기로돌아온다. > Mirrored surface 가사용될수도있으나이경우입사빔은거울면에정확히수직이어야된다. CNU EE 6-10

- 편광 (polarization) > 검출물체의표면에광택이있는경우에는물체의표면으로부터반사하는빛에의해물체의검출이불가능해지므로빛의편광특성을이용한다. > 본체의투광측과수광측에편광필터의편광방향이서로직교하도록배치한다. > 물체가없으면그림 (a) 와같이반사판에의해서회전된빛인수평으로편광된성분만수광측편광필터를통과할수있다. > 광택이있는물체가본체와반사경사이에있는경우, 투광측에서수직방향으로편광된빛이투광되면물체로부터반사된빛은편광방향이그대로유지되어수광기측으로되돌아간다. 수광측에는수평방향의편광필터가설치되어있어반사광은통과하지못하므로차단상태로된다. CNU EE 6-11

확산반사식 ( 근접검출식 ) 광전센서 - 확산반사식 (diffusereflection photoelectric sensor) 또는근접검출식 (proximity detection) 광전센서는투 수광부를같은축위에또는근방에설치하여물체가그앞을통과또는접근할때생기는반사광량의증감으로써검출하는방식이다. - 반사판은필요없으며, 유리등의투명한물체의검출도가능하다. 검출영역은그림에나타낸바와같이투광기로부터나오는빛의방사영역과수광기의수광영역이중요한범위이다. CNU EE 6-12

- 검출거리 > 50[mm]~2[m] 정도이지만검출물체의크기에따라다르다. > 검출물체의반사를이용하기때문에그것의색깔이나표면상태에따라서도검출거리가다르다. 통상표준검출물체로써제도용의백색지가사용되며, 크기는광전센서에따라서다르다. - 광원으로는적외선다이오드 (IR LED) 가사용되고있다. CNU EE 6-13

광전센서의특징 장점 - 검출거리가길다. - 검출물체의표면반사, 투과광등에따라서검출하므로금속, 유리, 플라스틱, 나무, 액체, 기체등일반적인것을검출할수있다. - 응답속도가빠르다. - 분해능이높다. - 검출영역 (area) 을한정하기가용이하다. - 자계의영향을받지않는다. 단점 - 렌즈가물, 기름, 먼지등의오염에약하다. - 강한주변광에약하다. CNU EE 6-14

6.3 근접센서 근접센서의정의와종류 - 근접센서 (proximity sensor) 또는근접스위치 (proximity switch) 는비접촉식으로일정거리를검출하는센서로, 물체의존재유무를검출한다. - 근접센서의검출범위는광전센서에비해짧지만, 먼지나기름입자등과같은환경인자에영향을훨씬덜받는다. - 근접센서의종류 > 유도형근접센서 (inductive proximity sensor) > 정전용량형근접센서 (capacitive proximity sensor) > 초음파근접센서 (ultrasonic proximity sensor) > 리드스위치 (reed switch) > 홀소자와자기저항소자를이용한것 - 홀소자, 자기저항소자에대해서는이미설명하였으므로여기서는유도형과정전용량형근접센서를중심으로설명한다. CNU EE 6-15

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유도형근접센서 - 유도형또는고주파발진형근접센서는금속물체 (metallic object) 의검출에사용되며, 특히자성체 (ferrous target) 에대해서는검출감도가양호하고, 검출거리도길다 - 구성 CNU EE 6-17

- 동작원리 : 와전류의효과 > 그림 (a) 는검출코일의자계에의해서금속물체에와전류가발생한것을나타낸다. > 만약금속물체가없었다면, 그위치에검출코일에의해형성된자속은그림 (b) 와같이되었을것이다. > 이상태에서그림 (c) 와같이금속물체가접근하면그내부에와전류가흐르고, 이것은본래 ( 검출코일 ) 의자속을 Φ 1 만큼감소시키려고반대방향으로자속을발생시킨다. > 따라서그림 (b) 와같은자속을유지하려면그림 (c) 에나타낸것과같이회로에더큰전류를흘려야한다 CNU EE 6-18

> 자속, 전류, 인덕턴스사이에는 NΦ = Li 의관계가있으므로, 같은자속를발생시키는데더큰전류가요구된다는것은등가적으로인덕턴스 L 이감소한다는것과동일하다. > 이때문에검출코일의인덕턴스또는저항값이변화한다. > 이와같이, 와전류효과를이용한유도형근접센서를와전류센서 (eddy current sensor) 라고도부른다 CNU EE 6-19

- 코일의임피던스변화를검출하는방법 > 발진회로의발진주파수검출 > 발진전압진폭을검출 금속물체의접근에의해임피던스의변화율은일반금속물체, 철, 알루미늄, 황동, 스테인리스강등을검출대상으로하는경우임피던스보다저항성분의변화가더크다. 따라서, 발진전압의진폭을검출하는것이발진주파수검출보다훨씬유효한방법이다. 이러한변화를검출하여출력신호를발생시켜물체의유무를검출한다. CNU EE 6-20

- 와전류가발생하는물체의깊이, 즉침투깊이는다음식으로주어진다. - 종류 > 일체형은검출코일, 발진회로, 제어회로, 출력회로등을하나의금속케이스에일체화시킨것으로, 온도특성이좋고, 외부잡음의영향을받지않으며, 검출신호용전선을길게할수있다. 유도형의대부분은일체형이다. > 분리형의대다수는검출코일과발진회로를일체화하고제어회로를분리하여구성한다. 그러므로, 검출부가소형으로되기때문에센서의설치장소나주위환경조건에좌우되지않는다. 그러나, 검출코일과제어부를접속하는케이블이외부잡음의영향을받기쉬우므로케이블의길이는보통수 [m] 이내로한다. CNU EE 6-21

- 응용 CNU EE 6-22

정전용량형근접센서 - 정전용량형근접센서 (capacitive proximity sensor) 는검출물체가센서에접근하면검출전극과대지간정전용량 (capacitance) 이증가하는것을이용하여물체를검출하는것으로, 도체및유전체등모든물체의검출이가능하다. - 정전용량은전극도체의면적, 전극간격, 유전체의종류에의해서결정된다. - 일반적으로검출할용량이 1 pf 이하이기때문에검출전극에는수백 khz ~ 수 MHz 의고주파전압이인가된다. - 물체가접근하면대지간정전용량이증가하여발진회로의발진주파수가변하고이것을전기신호로변환하여물체의유무를검출한다. CNU EE 6-23

- 센싱표면 (sensing surface) 는두개의동심원금속전극으로구성된다. 검출물체가센싱표면에가까이오면, 전극의정전계속으로들어가게되고, 발진회로의정전용량을변화시킨다. - 그결과발진기는발진하게되고, 트리거회로는발진기의진폭을읽어그것이특정레벨에도달하면센서의출력상태를변화시킨다. - 물체가멀어지면발진기의진폭은감소하고, 센서는본래상태로되돌아온다. CNU EE 6-24

- 정전용량형침입자경보기 CNU EE 6-25

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- 정전용량형근접센서의특징 장점 > 유도형근접센서와달리전계가검출매체로사용되므로금속뿐만아니라유전체도검출할수있다. > 유전체의차이로검출하므로비금속용기 ( 종이, 유리, 플라스틱등 ) 속에들어있는물체검지가가능하다. > 검출물의표면상태 ( 광택, 색등 ) 에영향을받지않으며, 투명체의검출도가능하다. 단점 > 유도형에비해응답속도가다소늦다. > 물방울등의부착에약하다.( 젖은검출물체를오동작없이검출할수있는정전용량형근접센서가개발되어있다.) CNU EE 6-27

- 정전용량형근접센서의응용 CNU EE 6-28

자기식근접스위치 ( 리드스위치 ) - 리드스위치 (reed switch) 는가장간단한자기식근접스위치 (magnetic proximity switch) 이다. - 리드스위치의구조를나타낸다. 자성체로되어있는한쌍의리드편을불활성가스와함께유리관내에봉입한것으로, 외부자기장이가까이접근하면스위치접점이 on/off 동작을반복한다. CNU EE 6-29

- 리드스위치종류 > normally open (NO) : 앞의그림 N.O. 는자석이리드스위치에접근하면, 자석으로부터발생된자속이리드편 A 접점 리드편 B 를통과하므로접점이자화되어서로끌어당기므로접점이닫힌다 > normally closed (NC) : 자석이접근하면접점이열린 > N.C. 와 N.O. 기능을다갖는것 - 자석의운동 (motion) 방식 Circular magnet Bar magnet Rotary motion CNU EE 6-30

초음파근접센서 - 초음파식근접센서 (ultrasonic proximity sensor) 는초음파의투과와반사를이용하여검출물체의위치나접근을검출하는센서이다. - 사용하는초음파의주파수는지향성이좋은 200[kHz] 정도의초음파를사용하여물체를검출한다. - 검출방식에는투과식과반사식이있다. > 투과식에서는초음파송신기와수신기사이를통과하는물체에의해생기는초음파빔의차단또는감쇄를검출한다. 이방식은검출거리를크게하면초음파의비임의지향성이크기때문에분해능이저하하므로단거리에만채용되며, 검출거리는 1m 정도이다. > 반사식은송신기와수신기가일체로되어있고, 송신기로부터발사된펄스상의초음파가검출물체에서반사되어되돌아오는것을수신기에서검출하고, 그시간을계측해서검출하는방식이다. CNU EE 6-31

- 그림은반사식초음파근접센서의구성이다. CNU EE 6-32

- 검출원리 CNU EE 6-33

- 특징 장점 > 반사식초음파근접센서는비교적큰검출거리가얻어진다. > 반사면의광학적성질 ( 색, 반사율, 투과율 ) 에영향을받지않는다 > 분진의영향도작다 > 반사식광전센서의결점을보완할수있다. 단점 > 초음파비임의확산때문에분해능이나쁘다 > 온도에의한음속의변화, 바람에의한비임의흐트러짐으로검출오차가생기기쉽다. > 광전스위치보다커서설치에불리하고, 온도, 바람, 음향등의잡음에의해서오동작하며, 스폰지와같은흡음물체는검출이불가능하다. > 이와같은단점을보완한초음파스위치도개발되어나오고있으나광전식근접스위치의보완적성격이강하다. CNU EE 6-34

- 응용 Ultrasonic proximity sensor 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 CNU EE 6-35

Parking assistance systems - Measurements of distance : up to 1.8 m - Operating frequency : 48 khz - Resolution : 0.3m CNU EE 6-36

Automotive driver assistance system - Radar and video systems for sensing the surrounding (traffic situation) : ACC( adaptive cruise control) system - Night-vision system CNU EE 6-37

점유이동근접센서 - 광전센서 투과식 ( 대향식 ) 광전센서 반사식광전센서 확산반사식 ( 근접검출식 ) 광전센서 - 근접센서 유도형근접센서 (inductive proximity sensor) 정전용량형근접센서 (capacitive proximity sensor) 초음파근접센서 (ultrasonic proximity sensor) 리드스위치 (reed switch) CNU EE 6-38

Sensor System Design

- 센서를이용한 A/D converter - 센서및 A/D 변환의필요성설명 - 과제내용 기본예제프로그램이해하기 센서의변환하는값을 RS232 통신을통해확인하기 2-6 주차까지진행한내용중한가지를선택하고예제내에있는조건문을센서에의한값을사용하여표현하기