센서 및 변환기 소개

측정은 기계 시스템이든 전자 시스템이든 모든 주요 시스템에서 중요한 하위 시스템입니다.

측정 시스템은 센서, 액추에이터, 변환기 및 신호 처리 장치로 구성됩니다. 

 

센서 및 변환기 정의

센서 및 변환기라는 단어는 측정 시스템과 관련하여 널리 사용됩니다. 센서는 측정되는 양과 관련된 신호를 생성하는 요소입니다. 미국 계측기 협회(Instrument Society of America)에 따르면 "센서는 측정된 지정된 양에 대한 응답으로 사용 가능한 출력을 제공하는 장치"입니다. 센서라는 단어는 '지각하다'라는 원래 의미에서 파생되었습니다.

간단히 말해서 센서는 물리적 자극의 변화와 이벤트를 감지하고 측정 및/또는 기록할 수 있는 해당 출력 신호를 제공하는 장치입니다. 여기서, 출력 신호는 임의의 측정 가능한 신호일 수 있으며, 일반적으로 전기량이다.

센서는 수량의 변화를 '감지'할 때 시스템에서 입력 기능을 수행하는 장치입니다. 센서의 가장 좋은 예는 수은 온도계입니다. 여기서 측정되는 양은 열 또는 온도입니다. 측정된 온도는 액체 수은의 팽창 및 수축에 따라 보정된 유리관에서 읽을 수 있는 값으로 변환됩니다.

액추에이터는 센서와 반대로 작동하는 장치입니다. 센서는 물리적 이벤트를 전기 신호로 변환하는 반면 액추에이터는 전기 신호를 물리적 이벤트로 변환합니다. 센서가 시스템 입력에 사용되는 경우 액추에이터는 외부 장치를 제어할 때 시스템에서 출력 기능을 수행하는 데 사용됩니다.

변환기는 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하는 장치입니다. 일반적으로 에너지는 신호의 형태입니다. 변환기는 센서와 액추에이터 모두에 총칭하여 사용되는 용어입니다.

 

센서 선택 기준

다음은 센서를 선택할 때 고려되는 특정 기능입니다.

1. 감지 유형: 온도 또는 압력과 같이 감지되는 매개 변수입니다.
2. 작동 원리 : 센서의 작동 원리.
3. 전력 소비: 센서가 소비하는 전력은 시스템의 총 전력을 정의하는 데 중요한 역할을 합니다.
4. 정밀: 센서의 정확도는 센서 선택의 핵심 요소입니다.
5. 환경 조건: 센서가 사용되는 조건은 센서의 품질을 선택하는 요소가 됩니다.
6. 비용: 적용 비용에 따라 저비용 센서 또는 고비용 센서를 사용할 수 있습니다.
7. 해상도 및 범위: 감지할 수 있는 가장 작은 값과 측정 한계가 중요합니다.
8. 교정 및 반복성: 시간에 따른 값의 변화와 유사한 조건에서 측정을 반복할 수 있는 능력.

 

센서 또는 변환기의 기본 요구 사항

센서의 기본 요구 사항은 다음과 같습니다.

1. 범위: 다양할 수 있는 입력의 한계를 나타냅니다. 온도 측정의 경우 열전대는 25 – 250 0C 범위를 가질 수 있습니다.
2. 정밀도: 실제 측정과 실제 값 사이의 정확성 정도입니다. 정확도는 전체 범위 출력의 백분율로 표시됩니다.
3. 민감도: 감도는 입력 물리적 신호와 출력 전기 신호 간의 관계입니다. 출력의 변화를 일으키는 입력 값의 단위 변화에 대한 센서의 출력 변화의 비율입니다.
4. 안정성: 일정 기간 동안 일정한 입력에 대해 동일한 출력을 생성하는 센서의 기능입니다.
5. 반복성: 동일한 입력 값을 가진 다른 응용 분야에 대해 동일한 출력을 생성하는 센서의 기능입니다.
6. 응답 시간: 입력의 단계적 변화에 따른 출력 변화의 속도입니다.
7. 선형성: 비선형성의 백분율로 지정됩니다. 비선형성은 이상적인 측정 곡선에서 실제 측정 곡선의 편차를 나타냅니다.
8. 내구성: 극한의 작동 조건에서 센서를 사용할 때의 내구성을 측정한 것입니다.
9. 히스테리시스: 히스테리시스는 센서의 지정된 범위 내에서 측정 가능한 값에서 입력 파라미터를 먼저 증가시킨 다음 감소하면서 지점에 접근할 때 출력의 최대 차이로 정의됩니다. 히스테리시스는 트랜스듀서가 반대 작동 방향으로 사용될 때 기능을 충실하게 반복할 수 없다는 특성입니다.

 

센서의 분류

센서를 분류하는 체계는 매우 간단한 것부터 매우 복잡한 것까지 다양합니다. 감지되는 자극은 이 분류에서 중요한 요소입니다.

자극 중 일부는 다음과 같습니다.

1. 소리: 파동, 스펙트럼 및 파동 속도.
2. 전기: 전류, 전하, 전위, 전기장, 유전율 및 전도도.
3. 자석: 자기장, 자속 및 투과성.
4. 열: 온도, 비열 및 열전도율.
5. 기계: 위치, 가속도, 힘, 압력, 응력, 변형률, 질량, 밀도, 운동량, 토크, 모양, 방향, 거칠기, 강성, 컴플라이언스, 결정성 및 구조.
6. 광학: 파동, 파동속도, 굴절률, 반사율, 흡수율 및 방사율.

센서의 변환 현상은 센서 분류에서도 중요한 요소입니다. 변환 현상 중 일부는 자기 전기, 열전 및 광전입니다.

 

센서의 적용에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

 

I. 변위, 위치 및 근접 센서

1. 저항 소자 또는 전위차계
2. 정전 용량 요소
3. 스트레인 게이지 엘리먼트
4. 유도감응형 근접 센서
5. 와전류 근접 센서
6. 차동 변압기
7. 옵티컬 엔코더
8. 홀 효과 센서
9. 공압 센서
10. 근접 스위치
11. 로터리 엔코더

II. 온도 센서

1. 서미스터
2. 열전대
3. 바이메탈 스트립
4. 저항 온도 감지기
5. 보 온 장치

III. 광 센서

1. 포토 다이오드
2. 포토트랜지스터
3. 광 종속 저항기

IV. 속도와 운동

1. 초전 센서
2. 타코제너레이터
3. 인크리멘털 엔코더

V. 유체 압력

1. 다이어프램 압력 게이지
2. 촉각 센서
3. 압전 센서
4. 캡슐, 벨로우즈, 압력 튜브

VI. 액체 흐름 및 레벨

1. 터빈 미터
2. 오리피스 플레이트 및 벤츄리 튜브

VII. IR 센서

1. 적외선 송신기 및 수신기 

VIII. 힘

1. 스트레인 게이지
2. 로드셀

IX. 터치 센서

1. 저항막 방식 터치 센서
2. 정전식 터치 센서

X. UV 센서

1. 자외선 검출기
2. 사진 안정성 센서
3. UV 포토 튜브
4. 살균 UV 검출기

모든 센서는 전력 또는 신호 요구 사항에 따라 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 능동 센서와 수동 센서입니다.

능동 센서를 작동하려면 외부 소스의 전원 신호가 필요합니다. 이 신호를 여기 신호라고 하며 이 여기 신호를 기반으로 센서가 출력을 생성합니다.

스트레인 게이지는 능동 센서의 한 예입니다. 압력에 민감한 저항성 브리지 네트워크이며 자체적으로 출력 전기 신호를 생성하지 않습니다. 가해지는 힘의 양은 네트워크의 저항과 관련하여 측정할 수 있습니다. 저항은 전류를 통과시켜 측정할 수 있습니다. 전류는 여기 신호로 작용합니다.

대조적으로, 수동 센서는 입력 자극에 대한 응답으로 출력 전기 신호를 직접 생성합니다. 패시브 센서에 필요한 모든 전력은 측정에서 얻습니다. 열전대는 수동 센서입니다.

 

일반적으로 사용되는 센서 및 변환기

다양한 자극(측정할 양)에 대해 가장 일반적으로 사용되는 센서 및 변환기는 다음과 같습니다.

1. 빛을 감지하기 위해 입력 장치 또는 센서는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 광 의존 저항기 및 태양 전지입니다. 출력 장치 또는 액추에이터는 LED, 디스플레이, 램프 및 광섬유입니다.
2. 온도 감지를 위한 센서는 서미스터, 열전대, 저항 온도 감지기 및 온도 조절기입니다. 액츄에이터는 히터입니다.
3. 위치 감지를 위한 입력 장치는 전위차계, 근접 센서 및 차동 변압기입니다. 출력 장치는 모터 및 패널 미터입니다.
4. 압력 감지를 위한 센서는 스트레인 게이지와 로드셀입니다. 액추에이터는 리프트와 잭 및 전자기 진동입니다.
5. 소리를 감지하기 위해 입력 장치는 마이크이고 출력 장치는 확성기 및 부저입니다.
6. 감지 속도를 위해 사용되는 센서는 타코 제너레이터 및 도플러 효과 센서입니다. 액츄에이터는 모터와 브레이크입니다.

 

트랜스듀서를 사용하는 간단한 시스템

전관 방송 시스템은 센서와 액추에이터를 사용하는 시스템의 한 예입니다.

마이크, 앰프 및 확성기로 구성됩니다. 센서 또는 입력 기능이 있는 장치는 마이크입니다. 소리 신호를 감지하여 전기 신호로 변환합니다. 증폭기는 이러한 전기 신호를 수신하고 강도를 증폭합니다.

액츄에이터 또는 출력 기능이 있는 장치는 확성기입니다. 증폭기에서 증폭된 전기 신호를 수신하여 다시 소리 신호로 변환하지만 도달 범위는 더 넓습니다.

 

아날로그 센서

아날로그 센서는 다양한 값에 걸쳐 지속적으로 변화하는 출력 신호를 생성합니다. 일반적으로 출력 신호는 전압이며 이 출력 신호는 측정값에 비례합니다. 속도, 온도, 압력, 변형률 등과 같이 측정되는 양입니다. 모두 본질적으로 연속적이므로 아날로그 수량입니다.

빛의 강도를 측정하는 데 사용되는 황화 카드뮴 셀(CdS 셀)은 아날로그 센서입니다. CdS 셀의 저항은 입사되는 빛의 강도에 따라 달라집니다. 전압 분배기 네트워크에 연결하면 다양한 출력 전압을 통해 저항 변화를 관찰할 수 있습니다. 이 회로에서 출력은 0V에서 5V 사이에서 다양할 수 있습니다.

열전대 또는 온도계는 아날로그 센서입니다. 다음 설정은 열전대를 사용하여 용기에 있는 액체의 온도를 측정하는 데 사용됩니다.

 

 

위 설정의 출력 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

아날로그 센서의 출력은 시간이 지남에 따라 매끄럽고 지속적으로 변하는 경향이 있습니다. 따라서 아날로그 센서를 사용하는 회로의 응답 시간과 정확도는 느리고 낮습니다. 마이크로 컨트롤러 기반 시스템에서 이러한 신호를 사용하기 위해 아날로그-디지털 변환기를 사용할 수 있습니다.

아날로그 센서는 일반적으로 적절한 출력 신호를 생성하기 위해 외부 전원 공급 장치와 어떤 형태의 증폭이 필요합니다. 연산 증폭기는 증폭 및 필터링을 제공하는 데 매우 유용합니다.

 

디지털 센서

디지털 센서는 개별 디지털 신호를 생성합니다. 디지털 센서의 출력에는 'ON'과 'OFF'의 두 가지 상태만 있습니다. ON은 로직 1이고 OFF는 로직 0입니다. 푸시 버튼 스위치는 디지털 센서의 가장 좋은 예입니다. 이 경우 스위치에는 두 가지 가능한 상태, 즉 눌렀을 때 ON이거나 해제하거나 밀지 않았을 때 OFF입니다.

다음 설정은 광 센서를 사용하여 속도를 측정하고 디지털 신호를 생성합니다.

위의 설정에서 회전 디스크는 모터의 샤프트에 연결되며 여러 개의 투명 슬롯이 있습니다. 광 센서는 빛의 유무를 포착하고 그에 따라 로직 1 또는 로직 0 신호를 카운터로 보냅니다. 카운터는 디스크의 속도를 표시합니다. 디스크의 투명 슬롯을 늘리면 동일한 시간 동안 더 많은 카운트를 허용하므로 정확도를 높일 수 있습니다.

 

일반적으로 디지털 센서의 정확도는 아날로그 센서와 비교할 때 높습니다. 정확도는 측정값을 나타내는 데 사용되는 비트 수에 따라 달라집니다. 비트 수가 많을수록 정확도가 높아집니다.