센싱 계측의 개요

제어계에서 보다 정확한 제어를 하기 위해서는 주변의 상황을 하나라도 더 조건에 삽입하여 제어 대상으로 삼아야 한다. 제어계는 아니라도 반도체 공정이 이루어지는 공장의 환경을 고려해 보자. 반도체 칩을 생산하는 공장에 온도만을 고려하는 것보다는 습도까지 고려하면 좋겠고, 그보다는 공기 중의 먼지 입자도 최소화하면 더욱 좋을 것이다. 이처럼 조건을 파악하여 제어를 하는 곳에는 센서가 필요하다. 즉, 센서는 제어계의 조건을 파악하는 첫 번째 도구인 것이다. 입력 요소로서 인위적으로 가해 주던 부분이 주변의 외부 환경에 의해 동작하는 센서에 의해 제어장치에 정보를 제공해 줄 수 있으며, 시간적인 제한이 없이 항시 주변의 상황을 감시할 수도 있는 것이다. 단순한 시퀀스의 범위를 벗어나 자동화를 고려한다면 이와 같은 센서의 동작을 빌리지 않고는 거의 불가능한 상태이며, 필수적이다.

계측용 센서의 종류
계측분야	측정 대상	센 서 종 류
기하학량	직선변위	전기마이크로미터, 포텐셔미터, 리니어스케일, 레이저 측정기
	각도변위	포텐셔미터, 로터리 인코더 등
	형 상	촬상관, 이미지센서
역학량	힘	변형게이지, 로드셀, 가압도전고무
	토크	비틀림각검출기, 변형게이지
	압력	벨로즈, 다이어프램, 압전소자, 정전용량
운동량	속도	도플러센서, 회전발전기식 센서
	가속도	압전형센서, 서보형센서
열량	온도(접촉식)	열팽창식온도센서, 열전대, 써미스터, 수정온도계
	온도(비접촉식)	방사온도계, 광파이로센서
유체량	유량	터빈식센서, 초음파식센서, 교축식센서
	수위	부력식센서, 압력식센서, 초음파식센서

초창기에는 센서가 단순하게 ON/OFF만의 동작을 하던 상황이었으나. 최근에는 마이크로일렉트로닉화하여 정밀도와 기능을 향상시켜 인텔리전트화를 도모하며, 인간공학적인 면까지 고려하여 사용이 편리한 수요자의 요구에 부응하는 계층화□종합화하고 있으며, 가볍고 소형으로도 기능을 충실히 수행할 수 있는 모습으로 점차 변하고 있는 추세다. 물론 유접점 체제의 센서에서 무접점 체제의 고속화, 신뢰화, 반영구적인 수명으로 저전력화하고 있음도 재론의 여지가 없겠다.

제어계의 환경적인 요소로는 다수의 형태로 존재한다. 온도나 습도에서 압력, 연기, 보이지 않는 냄새 등의 많은 변수(피측정 대상물)를 읽어 제어장치에 보내 주는 것이 센서임은 알고 있으리라 본다. 이들의 변수를 어떻게 읽어 들이느냐에 따라 센서의 종류를 분류해 보면 동작의 주체에 따라 피측정 대상물의 상태를 그대로 읽어 들이는 수동형 센서와 피측정 대상물에 측정하기 위한 소스를 가해 읽어 들이는 능동형 센서가 있지만, 피측정 대상물의 성격을 기준으로 분류하였다. 이들을 대략적으로 분류한 것을 표에 나타내었다.

이번 모듈에서는 기하학량을 측정 또는 검출하기 위한 센서의 종류 및 특성 등에 대하여 알아보고자 한다.

기하학량 센서는 직선변위라든가 각도변위를 측정하는 센서로서 검출량에 따라 아날로그형과 디지털형이 있으며, 접촉식과 비접촉식 모두 사용할 수 있다.

이 기하학량 센서는 자동화 기기의 위치를 정확히 검출하거나 제어하는 데 반드시 필요한 센서라 할 수 있으며, 최근에는 형상 판단을 할 수 있는 화상 처리 시스템도 도입되고 있다.

A/D 변환기

센서에서 검출할 대부분의 신호는 아날로그의 형태로 존재한다. 센서가 2진 상태로 검출하기도 하지만, 아날로그의 형태를 취하는 경우도 있다. 그러나 센서의 검출 신호를 처리하기 위해서는 디지털 신호로 바꿀 필요가 있다. 이때 사용하는 장치가 A/D변환기이다. 아날로그 값을 디지털화하는 것으로, 전자 회로를 구성하여 이루는 경우도 있지만 single chip으로 구성하여 사용되기도 한다.

) 집적화하여 하나의 chip으로 구성한 것.

직선변위

직선변위를 측정하는 데에는 2진의 상태를 검출하는 경우와 거리 자체를 검출하는 경우가 있다. 우선 2진 상태의 검출은 검출 대상물이 검출 범위 내에 있는지의 여부를 판별하는 데 국한되며, 거리를 측정하는 경우는 2진 검출을 아주 세분화하여 2진 검출의 개수를 세어 측정한다고 볼 수 있겠다. 전자를 대표하는 센서가 근접센서이며, 후자의 경우에는 리니어스케일, 마그넷스케일, 차동트랜스 등이 사용되고 있다.

근접센서

검출 대상물의 존재 유무를 2진의 상태로 검출하는 센서로, 마이크로스위치나 리밋스위치와 같이 물리적인 직접 접촉에 의한 방법이 아직은 널리 사용되고 있지만 이들의 원리나 동작은 상식화 될 만큼 시각적으로 나타나 있으므로 이 절에서는 비접촉식 방법에 의한 것을 다루어 본다.

고주파 발진형

고주파형 센서에서 고주파를 발생하며, 금속의 검출 대상물이 접근하면 검출코일에 인덕턴스의 값이 변화하여 검출하는 것이다. 금속만을 검출하고 비금속을 검출하지 못하므로 기름이나 먼지가 많은 곳에서 금속재료를 검출하는 데는 아주 유용하게 사용된다.

) 교번자계에 의해 코일에 유도되는 에너지의 일종

							고주파 발진회로	→	검파회로	→	파형 정형회로	→	출력회로
	검출 대상물				검출코일
			유도작용
고주파 발진형 근접센서 구성도

정정용량형

									고주파 발진회로	→	검파회로	→	파형 정형회로	→	출력회로
	검출 대상물						검출판	→
정전용량형 근접센서 구성도

정전용량형 근접센서는 금속뿐만 아니라 비금속류의 종이, 플라스틱, 유리, 물, 기름 등의 유전체도 검출이 가능한 것으로 콘덴서의 원리를 이용한 것이다. 구성은 고주파형과 비슷하지만 검출코일 대신에 검출 전극판을 설치하여 고주파 전계를 발생하고, 검출대상물이 접근하면 물체와 전극판사이의 정전용량이 변하게 되어 검출되는 것이다.

) 콘덴서의 크기를 나타내는 것이다.

자기형

자기형 근접센서는 자기력을 가진 물체만을 검출하는 것으로, 대표적인 것이 리드스위치이다. 원리는 홀효과를 이용한 홀소자나 자기저항소자가 대부분이며, 구동전원이 필요없이 동작이 가능하다. 이 센서는 자동차, 가전제품 등에 널리 사용된다.

) 전류가 흐르는 도체에 전류의 방향과 직각으로 자력을 가하면 플레밍의 왼손법칙에 의해 캐리어는 편향되고, 이에 의해 작은 량의 기전력이 발생하는 현상.

차동트랜스

일종의 변위센서로 1차측에 1개의 코일, 2차측에 2개의 코일이 감긴 변압기로 근본 원리는 변압기의 원리와 같다. 하지만 코일 내부의 철심이 이동하여 2차측 출력전압이 2차측 코일간의 차이에 의한 전압으로 나타난다는 것이다. 검출대상물이 철심과 함께 움직이며 변위를 측정하는 것이다. 이 센서의 특징으로는 1□까지 측정이 가능할 정도로 정밀도가 높으며, 내구성이 풍부하고 저렴한 특징을 가진다. 대신에 상호인덕턴스를 이용한 것이므로 주변에 자기력을 접근시키면 오차를 유발할 수 있으며, 정밀도가 높은 대신에 변위가 넓은 것은 측정에 어려움이 따르고 사용온도에 영향을 받는 단점도 있으니 사용상에 고려해야 한다.

철심의 움직임이 직선형이면 직선의 변위를 측정할 수 있으며, 철심의 움직임이 회전형일 경우는 각도 측정이 가능하고, 이를 응용하면 토크나 압력, 유량 등을 측정할 수도 있다.

리니어스케일

리니어인코더라고도 하며, 작은 슬릿으로 빛이 통과하여 빛의 펄스에 의해 움직인 변위를 측정할 수 있도록 제작된 것이다. 광전식 이외에도 자기식, 전자유도식, 용량식이 있으나 광전식이 대체로 많이 사용되고 있다.

정밀도는 슬릿의 간격이나 슬릿의 구조에 따라 수□정도이나 신호처리 등에는 더 높은 정밀도를 가지는 경우도 있으며, 최근에는 모아레무늬를 사용하거나 홀로그램을 이용하여 높은 분해능을 실현시켜 상용화하고 있다. 대체적인 사용용도는 NC기계의 위치 제어나 물류의 크기 검출에 사용된다.

) 두 개의 수직 무늬 격자를 서로 비스듬하게 형성하여 스케일을 확대할 수 있도록 구성된다.

마그넷스케일

전술된 리니어인코더와 기능상의 차이는 별로 없지만 구동 원리상의 차이에서 자력을 이용하는 것이다. 그림에서와 같이 특수 자성체에 정확한 파장으로 자기 기록된 자기 신호를 눈금으로 한 스케일과 그 자기 신호 눈금을 전기 신호로 변환하는 헤드 및 전기 신호를 디지털 신호화하여 검출하는 기법으로 구성되어 있다.

	N-S	S-N	N-S	S-N	N-S	S-N
			헤 드
마그넷스케일의 주요 부분

스케일은 레이저에 의해 고정밀도로 기록된 환봉형 특수자성재로서 장력을 가하여 연강판의 내측 커버로 양단에서 유지 고정된다. 그리고 실드케이스로 외측 커버를 구성한다. 헤드는 스케일의 자기 신호를 검출하기 위한 구멍을 가지며, 이 헤드 구멍을 통하여 자기 신호가 읽혀 온다. 그런데 헤드와 스케일이 움직이는 경우는 주변의 오디오 테이프와 자기 헤드의 동작과 비슷하지만 정지했을 경우에는 검출이 안되므로 헤드에서 계속적으로 검출하기 위해 자속 응답형 멀티헤드를 사용한다.

) 외부의 자력에 의한 영향을 배제하기 위한 자기차폐

초음파 센서

고주파의 초음파 신호를 검출대상물에 주사하여 대상물에서 반사되어 나오는 반사파를 받을 때까지의 시간을 계측하여 거리를 측정하는 센서로, 직선변위 이외에도 공기 중의 음속, 공기 중의 온도, 생체의 조직 식별, 기체나 액체의 유속 측정 등에도 사용하고 있다.

회전위치변위

회전량이나 회전 각도를 검출하는 데에는 아날로그형의 데이터와 디지털형의 데이터가 있다. 아날로그형의 데이터를 얻을 수 있는 센서로는 회전형의 포텐셔미터가 있고 디지털형의 검출에는 로터리 인코더가 대표하고 있다. 1장에서 서술된 직선형의 리니어인코더와 동작 원리는 별반 차이가 없지만 선형의 움직임이 회전형의 움직임으로 바뀜이 가장 큰 차이점일 뿐이다.

광학식 로터리인코더

광원과 광전소자를 이용하여 회전하는 회전축에 스케일판을 부착하여 회전 변위를 검출하는 센서로, 증분형과 절대형이 있다. 스케일판이 움직이면 광전소자상에 주기적으로 명암(절대형은 빛의 투과 여부)이 나타나기 때문에 이것을 계수하는 방법을 활용한다. 분해능을 높이기 위해서는 슬릿(격자)열의 수를 늘려 다른 간격의 격자(슬릿)를 구성하여 삽입한다.

자기식 로터리인코더

자기식 회전 센서를 장착한 것으로 펄스제너레이터와 인코더가 있으며, 전술되었듯이 2상 출력이나 부호화된 출력을 얻고 정지 중에도 출력을 얻을 수 있는 것이 인코더이다. 자기식 펄스제너레이터는 유도 작용을 이용하는 코일을 사용하는 방법, 홀소자를 이용한 방법, 자기저항 효과를 이용한 방법, 자기 변조형 헤드를 이용한 방법 등이 있다.

자기인코더는 자기드럼에서의 자계를 자기 센서로 검출하는 것으로 자기드럼의 특성과 자기 센서의 특성에 의해 인코더로의 특성이 결정된다. 자기드럼은 비자성 드럼의 표면에 자성체를 설치한 것으로 자기드럼으로 영구자석을 사용하는 경우도 있지만 치수 정밀도나 정밀도 등의 차원에서 펄스 수가 적은 것을 사용한다. 고펄스용으로는 자기디스크 등에 사용되고 있는 자성분말을 도포한 것, 자성체를 증착 또는 도금한 것이다. 이들 자성체는 두께도 두꺼울수록 강력해지지만 기록 피치와의 관계로 어느 정도 이상 두껍게 하면 자계의 강도가 포화된다.

사용용도를 보면, 로봇축의 회전 각도를 검출할 경우나 안테나의 회전각 제어의 예에서 볼 수 있으며, 직선변위도 회전운동으로 변환하여 로터리인코더를 사용하기도 하는 데, 이는 리니어인코더보다는 로터리인코더가 구조나 경제적인 면에서 유리하기 때문이다.

리졸버

리졸버는 1차측과 2차측이 모두 2상코일로 구성되어 있으며, 기능 면에서는 싱크로와 비슷하지만 구조면에서 싱크로와 이러한 부분이 차이점이다. 즉, 고정자와 회전자에 각각 2상권선을 가진 각도 센서로  고정자와 회전자의 각도 차에 따라 출력전압이 나오는 형태이며, 출력전압은 전동기나 변압기와 같은 원리이므로 아날로그형의 데이터이기 때문에 디지털 회로와 직접 인터페이스가 불가능하여 A/D변환기 등의 별도의 요소가 필요하다.

) 3상코일의 고정자와 단상 코일의 회전자를 가진 전동기로, 2대이상의 전동기로 회전각을 전달하여 두 대 이상이 같은 각도를 이루도록 제어하는 기계 장치의 일종. 과거 영도다리의 예

특징을 보면, 신뢰성이 우수하고 절대각 검출이 가능하며 소형으로 높은 정밀도를 가진다. 일본이나 우리 나라를 비롯한 국가에서는 인코더를 많이 사용하지만 유럽 방면에서는 리졸버도 많이 사용하고 있는 실정이다.

압력□힘측정 센서

액체 또는 기체의 압력을 검출하여 계측이나 제어에 사용할 수 있도록 전기 신호로 변환하여 전송하는 장치 및 소자를 압력 센서라 하며, 유량, 액면, 온도 센서와 더불어 공정 자동화의 주요 센서로 자리를 하고 있다. 측정 원리는 변위나 변형을 비롯하여 분자 밀도의 열전도율을 이용한 것에까지 많은 종류가 있으며, 측정 범위는 105기압에서 10-10torr까지 넓은 폭의 검출이 가능하다.

) 저압 기체의 압력 단위

다이어프램

압력이나 힘을 변위로 변환하는 장치로, 금속 또는 비금속의 탄성박막으로 구성되어 있다. 금속 재료에서는 강, 스테인리스, 모넬메탈, 황동, 인청동 등의 원판 형상으로 제작하며, 변위의 크기를 크게 하려면 동심과 형상으로 한 것이다. 다이어프램의 압력에 의한 변위는 변형게이지나 대향한 전극과의 사이에서 캐패시턴스의 변화에 의하여 구하는 것이 많다. 규소 단결정을 다이어프램으로 하고, 이 기판상에 확산에 의한 반도체 게이지를 구성한 압력 센서도 만들어지고 있다.

벨로즈

압력계 등의 1차 변환 요소로서 주름관 모양의 탄성소자이다. 주름이 있는 원통형의 물체로 황동이나 베릴륨동, 인청동, 구리, 니켈합금 등으로 만들어지며 압력에 의해 축방향으로 신축하는 것을 이용한 압력 센서이다. 히스테리시스를 적게 하고 결과의 직선성을 좋게 하기 위하여 화살표 방향의 외부에서 압력을 가하는 방법을 많이 이용하며, 벨로즈 자체의 탄성과 함께 외부에 스프링을 병행하여 사용하기도 한다.

부르동관

단면이 타원의 형태를 가지고 한쪽 끝이 막힌 원호 모양의 구부러진 관으로, 한쪽을 고정하고 나머지 한쪽에서 압력을 가하면 단면이 원의 형태를 취하려 하기 때문에 원호의 곡률 반경이 변하여 움직이는 원리를 이용한 것이다. 어린이들이 가지고 노는 장난감의 종류 중에 입으로 불면 길게 펴지고, 입을 떼면 다시 나선형으로 감기는 것이 부르동관의 원리와 같지 않을 런지□□□□.

포텐셔미터

포텐셔미터는 압력을 검출하기 위한 센서는 아니다. 직선변위나 회전 변위를 검출하여 전기적인 신호로 변환하여 주는 장비이지만 전술된 부르동관이나 벨로즈는 자체에서 직선변위나 회전 변위를 얻을 수는 있어도 전기적인 신호를 얻을 수 없다. 그러기 때문에 벨로즈나 부르동관에 접속되는 장비의 일종으로 포텐셔미터를 소개한다.

구조는 저항체에 접촉되는 브러시를 이동하여 저항체의 전위차를 이용한 것으로 전위차계라고도 한다. 회전형은 회전 변위를, 직선형은 직선변위를 전기 신호로 변환하여 준다.

스트레인게이지

압력이나 변위 등의 기계적인 량을 전기적인 량으로 바꾸는 대표적인 것으로, 기계적으로 움직이는 부분을 줄이고 전기적인 량으로 직접 변환할 수 있도록 한 것이 부르동관이나 포텐셔미터와 다르게 구성되었다.

원리는 금속체에 압력을 가하면 변형된다는 데에서 시작하였다. 금속체를 잡아당기면 늘어남과 동시에 전기저항이 증가하며, 금속에 압력을 가하면 줄어듦과 동시에 전기저항이 감소하므로 이러한 변형에 의해 전기저항의 변화를 이용한 금속 저항선의 스트레인게이지가 등장하였다. 금속 저항선의 재료로 구리와 니켈합금을 많이 사용하고 있지만, 최근에 들어서는 재료를 금속선이 아닌 실리콘이나 게르마늄의 반도체를 활용한 게이지의 등장도 보이고 있어 게이지율을 수십배정도로 증가시키고 있다. 반도체를 이용한 스트레인게이지는 피에조저항효과를 이용한 것이다.

) 게이지 고유의 변형 감도로, 높을수록 감도가 좋다. 금속은 대체로 2정도이다.

) 반도체 결정의 저항비가 응력에 의해 결정되는 효과

스트레인게이지는 단순한 응력 이외에도 힘, 변형, 변위의 측정에도 응용되고 있다.

반도체 압력 센서

확산형 반도체 압력 센서는 다이어프램 자체도 반도체로 형성하고 그 표면에 소자를 일체화하여 형성된 것인데, 감도가 높고 소형이며 가격이 저렴하다. 또, 성능적으로 안정되어 있어서 최근에 급격히 시장점유율이 확대되고 있으나, 내환경성이나 측정 범위에 한계를 지니는 단점을 가진다.

디지털 압력계

센서의 출력 값이 전기 신호이기 때문에 디지털화하는 것은 문제가 아닐 것이다. 여기서 말하는 이러한 디지털화가 아닌 검출 방법의 디지털화이다. 디지털 신호를 보내고 이곳에 압력을 가하면 압력에 의해 디지털 신호가 변하는 형태의 원리를 이용한 것이다. 예로, 양단을 고정한 현에 진동을 가하여 현의 장력을 변화시키면 진동수가 변하는 것과 원리가 같다. 그림 Ⅲ-17은 기계진동차의 예로서  2개의 음차를 결합시킨 복합음차진동차이다. 자려발진회로에서 일정한 진동수를 발생한다고 하자. 여기에 축방향으로 힘이 가해지면 진동수가 변하게 되는데 변화된 진동수를 [eqn: f``]라 하면, [eqn: f`=`f sub o`` root { 1+KF }`]이 된다. 여기서 [eqn: f sub 0`]는 발진 회로에서 발생한 진동수, [eqn: F`]는 외부에서 가해진 힘, [eqn: K`]는 진동자나 기계적인 것에 의해 결정되는 상수이다.

압전식 압력 센서

물체에 힘을 가하면 신축되는 순간에 전기에너지가 발생되는 현상이 압전효과이다. 이러한 성질을 가진 티탄산지르코산연, 티탄산바륨 등을 이용하여 제작한 센서가 압전식 압력 센서이다. 기계적인 힘에 정확히 비례하여 전기적인 에너지가 발생하므로 압력의 환산은 쉽게 해결할 수 있다. LP의 음향을 읽어 내는 방법의 대표적인 것이 이 방법에 의한다. 그림은 사람이 보행할 때의 왼발의 압력 분포를 압력 센서를 이용하여 측정된 것을 등압선 표시화한 것이다.

보행시 발바닥 압력의 분포 측정 예

광화이버 압력 센서

투명 탄성체의 한 방향으로 압력을 가했을 때 텐서 타원체로 나타나는 변형, 일그러짐에 의해 빛에 대하여 복굴절성 결정과 같이 작용하는 현상이 광탄성 효과이며, 이를 이용하여 광화이버 압력계가 등장하였다.

광탄성 압력계의 구성

원리를 보면, 입력용 광화이버에 접속된 LED의 빛이 롯드렌즈에 의하여 모아지고, 광탄성 소자에 전달된다. 이 입사광의 편광방향에 45o로 외력이 가해지면 복굴절성을 일으켜 타원 편광으로 변환되어 출력광이 나오게 된다. 물론 출력광도 롯드렌즈로 모아져 광화이버로 결합되어 수광소자에 전달된다. 수광소자에서 받은 빛신호를 연산 처리하여 압력을 계산해 낸다.

광탄성 압력 센 이외에도 광화이버를 이용한 것은 몇 종류로 분류되지만 근본적인 원리는 비슷하므로 한 종류만 예를 들기로 했다.

로드셀(Load Cell)

중량 센서, 하중 센서, 힘센서라 칭하는 것이 주로 로드셀이다. 힘이나 하중을 측정하기 위한 변환기로 출력을 전기적으로 낼 수 있는 것을 총칭해서 말하기도 하는 데, 중량의 변위를 변환하는 1차적인 요소와 이를 다시 전기적으로 변환하는 2차적인 요소로 나눈다. 1차적인 요소는 스프링이 주를 이울며, 2차적인 요소는 지금까지 소개한 유도형, 용량형, 저항 변화형(포텐셔미터), 광반사형, 홀효과형, 자기 변화형, 압전형 등 여러 형태로 존재한다.

토크 측정 센서

토크를 측정하는 센서는 동력전달축을 제동장치와 결합하여 그 일을 열이나 전기에너지의 형태로 방산시켜 그 때의 제동량으로부터 구하는 것과 동력전달축의 비틀림 각이나 변형 등으로부터 구하는 것이 있다. 전자의 경우를 흡수동력계라 부르고, 후자의 경우를 토크미터라 하는 데, 센서는 후자의 경우를 많이 채택하고 있다. 이는 움직일 때의 전달 토크를 얻을 수 있기 때문이다. 여기에는 자기 변형 토크 센서, 변형게이지식 토크 센서, 위상차 검출형 토크 센서가 있다.

변형게이지식 토크 센서

4개의 변형게이지를 축에 대하여 45o방향으로 각각 2개씩 설치하고 풀브리지를 구성하여 결선하면 토크를 검출한다. 변형게이지식 토크 센서는 작은 공간에서는 전기에너지나 신호의 전달을 위하여 슬립링이나 텔레미터를 사용할 필요가 있다.

) 브리지 회로는 작은 전기에너지의 차이도 검출할 수 있는 방법으로 각 브리지간 평형을 이루어 검출한다.

) 원격 계측

위상차 검출형 토크 센서

토크 부하에 의하여 생기는 비틀림 각을 측정하는 것으로 자기식과 광학식이 있다. 자기식은 철과 같이 강자성체로 만든 똑같은 기어를 어느 거리만큼 띄워서 축에 고정시키고, 전자픽업 코일로 검출하는 것이다. 톱니의 산과 골에서 자기저항이 변화하기 때문에 코일에 교번전압의 신호가 나간다. 토크 부하가 없을 경우에는 두 코일의 검출 신호에 위상차가 생기지 않지만 부가가 걸리면 위상차가 발생한다. 위상차가 비틀림 각에 대응하기 때문에 부하 토크를 알 수 있다. 광학식은 기어를 슬리브로 접근시켜 축방향에 설치한 발광 소자와 수광소자로 투과광량을 측정하는 것과 기어 대신에 명암의 줄무늬 모양의 대를 축에 감아 광화이버로 검출하는 방식이 있다.

차동트랜스식 토크 센서

앞서 말했듯이 철이나 니켈 등의 강자성체에 응력이 가해지면 인장 응력과 압축 응력에 의하여 방향에 따라 자화되는 정도도 다르게 된다. 철계의 재료에서는 일반적으로 인장 방향의 투자율이 압축 방향의 투자율보다 크게 된다. 이러한 성질과 차동트랜스를 이용한 것이 차동트랜스식 토크 센서이다. 중심에 1차 여자용 철심축이 있어서 그것을 대각에서 끼우듯이 2조의 2차 검출용 코어가 배치된 센서 구조이다. 2차코일은 대각이 한 쌍이 조가 되게 결선하여 차동으로 출력을 꺼낸다. 이 센서를 회전축에서 일정 거리만큼 띄어 2조의 2차코일이 축에 대하여 45o가 되게 고정한다. 마치 트랜스 코어 1변의 회전축이 담당한 센서와 같은 구성이 되어 축에 토크가 작용했을 경우 2조의 2차코일 방향이 각각 암축응력 방향과 인장 응력 방향에 일치해 있기 때문에 자속이 흐르는 상태에 차이가 생겨 출력이 나타난다.

) 자력선이 통과하는 정도의 비율

속도 센서

검출대상물의 움직임을 관찰하기도 하고 움직이는 속도를 검출하는 데 사용하는 센서이며, 전술된 로타리인토더를 사용하여 쉽게 속도를 검출할 수도 있다. 이를 포함하여 현재 많이 사용되고 있는 속도 검출 센서에 대하여 알아본다.

타코제너레이터

이 센서는 회전하는 축에 발전기를 연결하여 플레밍의 오른손 법칙에 의한 기전력을 검출하는 방법으로, 직류형과 교류형으로 크게 나눌 수 있으며 교류의 기전력을 이용하는 방식이 구조는 간단하다. 교류형의 경우는 회전 방향이 바뀌면 출력 위상이 반전되며(180o의 위상 관계), 직류형의 경우는 회전 방향이 바뀌면 출력전압의 극성이 바뀌게 된다. 교류형으로는 유도형 교류 타코제너레이터, 영구자석형 타코제너레이터가 있고, 직류형에는 직류 타코제어레이터와 브러시리스 직류 타코제너레이터가 있다. 그리고 주파수를 이용한 주파수 발진형의 타코제너레이터가 있다.

유도형 타코제너레이터는 내측고정자와 외측 고정자가 모두 코일로 구성되어 있으며, 하나는 여자권선이고, 다른 하나는 회전속도를 감지하여 전기에너지를 발생할 수 있는 출력 권선에 해당한다. 그리고 고정자 사이에 회전하는 드래그컵을 두는데 이는 동이나 알루미늄 등의 도전 재료를 사용한다. 정지 시에는 와전류가 출력 권선에 유도되지 않지만 회전 시에는 와전류가 드래그되어 출력 권선에 유도되어 유도 전압을 발생한다. 여기서 여자 권선과 출력 권선은 서로 직각 방향으로 설치하여 사용한다.

) 전기에너지를 가하여 자계를 만들어 주는 작업

유도형 교류 타코제너레이터

영구자석형 타코제너레이터는 자전거의 발전기와 기본 구조는 동일하다. 회전체에 자석을 고정시켜 이 자석의 자속에 의하여 고정자 권선에 기전력이 발생하고 이를 계산하여 속도를 구하는 방식이다.

직류 타코제너레이터는 영구자석형의 타코제너레이터와 같은 구조를 가지나 다른 것은 정류자와 브러시에 의하여 출력되는 전압이 직류의 형태를 띤다.

브러시리스 직류 타코제너레이터는 교류 타코제너레이터와 구조는 같지만 직류형의 브러시와 정류자 대신에 다이오드 등의 전자 부품을 사용하여 정류하여 직류를 얻어내는 방식의 속도측정법이다.

전자식 속도 센서

타코제너레이터가 기계적인 방식을 도입하여 속도를 얻는다면 이것은 받아들인 신호를 전자 회로에 의해 전기 신호로 바로 변환하여 검출하는 센서이다. 출력으로는 아날로그 신호를 얻는 차지펌프식, 단안정 바이브레터식, 주기계측식 등이 이를 대표하며, 디지털 출력을 얻는 경우는 계수식, 주기측정식 등이 있다.

차지펌프식 타코제너레이터

차지펌프식은 자동차의 속도계로 주로 사용되는 것으로, 그림처럼 엔진의 이그니션 펄스를 받아 그 신호가 가진 전기에너지로 동작한다. 펄스는 점화 코일의 저압측 코일 양단에 꺼내면 직류 펄스가 얻어지는 것처럼 보이지만 실제로는 코일 L의 작용으로 접점이 열린 순간에는 코일에 축적되어 있던 에너지에 의해 코일 양단에는 역극성이 나타나 결과적으로 교류 펄스가 되는 것이다. 그리고 오른쪽의 정류 회로는 충전과 방전에 의한 전류를 속도 미터에 흘리기 위한 것이다. 콘덴서가 하는 역할이 충방전을 하므로 이 회로를 차지펌프(charge-pump)로 표현한 것이다.

단안정 멀티바이브레터방식은 차지펌프식에서 얻지 못하는 정밀도를 높이도록 단안정 멀티바이브레터를 이용하여 입력 펄스를 가해 준다. 출력은 입력 펄스의 트리거에 의한 주파수에 비례한다는 원리를 이용한 것이다. 이 때의 파형은 리플이므로 시정수회로를 통하여 평활시키면 아날로그의 출력이 얻어진다. 그러나 시정수는 주파수에 영향을 받으므로 30[Hz]이하의 저속 영역은 시정수회로의 영향이 미치지 못하여 리플이 나타나서 센싱이 곤란하다.

) 맥동의 형태

) 코일이나 콘덴서를 사용하여 맥동률을 줄이는 회로

주기계측식 타코미터는 주기를 측정하는 것이다. 앞에서는 분당 회전수를 rpm으로 나타내 주파수의 개념을 가지나 주기는 주파수와 역수의 관계를 가지므로 주기를 구하여 주파수를 구하는 방식을 활용한다. 입력된 펄스와 다음 펄스와의 시간을 계측하여 입력 펄스의 순간마다 현재의 주기를 구할 수 있고, 이를 환산하여 주파수를 구할 수 있다. 그러므로 리플이 없으며, 대단히 빠른 응답 특성을 가지며, 평균 속도, 순간 속도, 초저속의 속도까지 계측이 가능하다는 이점을 가진다.

디지털 타코미터는 아날로그 출력을 DVM(Digital Voltage Meter)을 사용하여 A/D컨버터처럼 디지털화하기도 하지만, 별도의 발진 회로를 사용하여 디지털화하는 경우도 많이 사용된다.

도플러센서

주파수 f인 음파나 전자파를 속도 v로 이동하는 물체에 주사하면 반사파의 주파수 fr는 광속이 C라 할 때, [eqn: f sub r ` `=``C-v over C+v ``f``]로 나타난다. 즉, 소리를 내며 서로 가까이 진행하는 사람의 소리는 높은 음으로 들리게 되고, 서로 멀어져가는 방향으로 소리를 내며 이동하는 경우는 저음으로 들리게 되는 데 이를 도플러효과라 한다. 이를 이용하여 만들어진 센서가 도플러센서이다. 이 센서의 특징은 검출대상물이 전자파를 반사할 수 있는 변을 가지면 특별한 설비의 추가 없이도 측정이 가능하며 거리가 멀리 떨어져 있는 경우에도 비접촉식으로 검출이 가능하다. 여기서 사용하는 전자파는 음파를 포함하여 초음파, 빛을 포함한 마이크로파 등을 사용한다. 송신된 전자파에 비해 되돌아오는 반사파의 경우는 그림 Ⅲ-26처럼 송신된 신호와 다소 다른 형태를 띄는 경우가 있다.  이는 반사파가 안테나에 정확히 들어오지 않는 경우와 송신 신호와의 간섭에 의한 것 등 여러 요인이 있을 수 있다.

도플러 신호

도풀러효과에 의한 속도 센서의 사용

도플레센서의 활용 예를 알아보자. 그림은 자동차의 속도를 측정하는 장치의 활용을 보인 것이다. 자동차보다 부피가 작은 야구공의 날아가는 속도를 검출하기 위해서는 전자파의 모양을 날카롭게 하는 안테나가 요구될 것이다.

카운터를 이용한 방식의 경우는 클록의 속도가 저속인 경우는 빠른 카운터를 할 수 없어서 F-V 방식의 경우를 많이 사용한다. 이는 입력의 교류 신호를 그 주파수에 비례하는 직류 출력을 얻도록 변환하는 장치이기 때문에 속도를 아날로그 신호로 변화하는 데 적합하다. 그리고 A-D컨버터로 디지털화한다.

도플러 신호	→	증폭 파형정형	→	게이트	→	카운터	→	래 치	→	표시기
				↑
				게이트 콘트롤	←	분 주	←	클 록	←	수정 발진자
카운터 방식의 마이크로파 속도 검출

모 듈	→	증폭기	→	파형정형	→	PLL 재생	→	F-V 컨버터	→	패널미터
F-V 컨버터 방식의 마이크로파 속도 검출

가속도 센서

변위, 속도, 가속도의 위상차

가속도 센서는 속도의 변화에 해당하는 물리량을 측정하는 센서로 공업 계측 분야에서는 기기의 진동 계측이나 구조물의 진동 계측 등에 사용되며, 항공기의 관성 항공 장치에도 사용되고 있다.

센싱 원리

그림과 같이 한 쪽끝이 고정된 막대형 진동체의 끝부분의 변위, 속도, 가속도의 위상은 변위에 대하여 90o, 180o의 위상차를 가진다. 바꾸어 발하면, 변위의 미분은 속도가 되며, 이중 미분은 가속도가 되는 것이다. 이것은 가속도 센서에서는 넓은 주파수대에 걸친 출력 레벨이 일정하게 되어 있기 때문에 같은 출력이면 주파수가 높을수록 변위가 작다는 것이다. 다시 말해 인체에 비유한다면 인체가 간은 진폭(변위)을 느끼더라도 주기가 짧으면(주파수가 높다) 가속도가 커지게 되어 큰 충격을 받게 되는 것과 같다.

가속도 센서의 종류

압전형

선단형 압전 가속도 센서의 구조

압전형 가속도 센서는 구조에 따라 압축형과 선단형으로 분류된다. 일반적인 특징으로는 압축형은 최대 가속도 범위가 넓지만 초전효과의 영향을 받기 쉬우며, 선단형은 최고 사용온도가 약간 낮지만 초전효과의 영향은 잘 받지 않는 구조로 되어 있다. 어느 것이나 재료로는 세라믹을 사용하는 경우에는 충격에 약하고 낙하 등에 의해 감도가 변하는 결점이 있으므로 취급에 주의할 필요가 있다. 최근에는 진동자 재료로 충격에 강한 플라스틱을 사용한 센서가 나왔다.

) 결정의 온도 변화에 대하여 결정의 표면에 전하가 유기되는 현상

서보형, 변형게이지형, 동전형

서보형 가속도 센서의 구조도

압전형 가속도 센서만큼 널리 보급된 형태는 아니지만 특수 계측 센싱 분야에는 사용되고 있다.

선단형 압전 센서는 압전소자에 힘이 가해졌을 때 발생하는 전하를 검출하여 가속도를 구하는 것이었으나, 동전형은 도체가 자계 속을 이동하면 그 속도에 비례하여 기전력이 발생하고 이를 검출하여 가속도를 구한다. 서보형은 진자의 변위에 의한 정전용량의 변화를 전류로 검출하여 가속도를 구하며, 변형게이지식은 다이어프램이나 스프링에 저항선 변형게이지를 부착하여 힘과 저항의 변화에서 가속도를 구하며, 다이어프램이나 저항선 대신에 반도체 결정을 사용하는 경우도 있다.

서보형은 고정밀도가 요구되는 항공기, 지진계, 분석계 등에 사용되며, 동전형은 회전 기기의 진동 측정에 이용되고 있다.

가속도 센서의 응용

가속도의 검출 범위, 정밀도, 주파수 범위, 사용온도, 중량 등을 고려하여 사용 목적에 적합한 센서를 선정하여 사용하여야 한다.

선반이나 밀링머신 등의 공작 기계를 운전하는 중에 공구가 파손되거나 공작물에 순간적인 쇼크가 가해질 경우에 발생하는 이상 진동을 감지하여 기계를 정지하고 경보할 수 있도록 검출기를 활용하는 경우도 있고, 자동차의 급제동시 발생하는 가속도의 부값이 급격히 커지면 검출하기 위한 센서도 있으며, 일상에서의 활용을 본다면 방문에 설치하여 방문의 노크를 검출하기 위한 센서로 활용할 수 있겠다.

각속도센서

레이트자이로

회전한다는 의미의 자이로(gyro)는 회전체를 사용하여 공간 축의 보존성과 회전축에 모멘트를 걸면 모멘트의 크기에 비례하여 모멘트의 방향에 세차 운동을 하는 특성을 가진다. 흔히 우주팽이로 의미되기도 한다.

) 공전과 자전을 동시에 이루며 균형을 잡는 팽이로 자이로를 대표할 만한 도구이며, 자이로스코프로 칭하기도 한다.

이의 원리를 응용하여 입력각속도에 대응하는 전기 신호를 얻는 것을 목적으로 한 1자유도의 자이로가 레이트자이로이다. 고속 회전하는 자이로 모터에 스핀 축에 직교한 각속도 입력이 가해지면 이들 축과 직교한 축에 프리세션 토크를 발생한다. 토크축, 프리세션축, 스핀축의 관계를 벡터로 나타낸 것이다.

가스레이트센서

가스를 사용하여 센싱하는 것으로, 각속도에서 발생하는 코리올리력에 의해 가스 기체의 흐름에 쏠림이 발생하고 이 쏠림을 열 저항의 언밸런스로 검출함으로써 각속도를 검출한다.

) 회전좌표계에 있어서 직선 등속운동을 하는 물체에 작용하는 힘

레이트자이로의 구조

축별 벡터도

광화이버자이로

레이저 광원으로부터 방사된 빛은 원형의 빔스플리트에서 양분되어 광로를 따라 전파되고, 양분된 빛은 간섭 무늬를 만들며 광로가 만드는 평면이 각속도 [eqn: w``]로 회전하고 있으면 양분된 빛이 원형의 광로를 따라 빔스플리트에 도달될 때까지의 시간이 차이가 나는 현상이 사냑(sagnac)효과이며, 이를 이용하여 검출하는 센서이다. 여기서 이 위상차를 검출하면 회전각속도와 회전각이나 방위의 측정도 가능하다.

광레이저자이로의 기본 구성도

항공기나 인공위성 등의 이동체를 안전하고 정확하게 목적지에 유도하기 위해서는 고정밀도의 자세 제어 센서나 항법장치가 필요하다. 레이저자이로는 종래의 기계식 자이로와 비교하여 가동 부분이 없으며 가동 시간이 짧고 고직진성, 저소비전력, 구조가 간단하다는 특징이 있다.

비접촉식 온도 검출

온도를 검출하는 경우는 직접 접촉에 의한 방법과 비접촉에 의한 방법으로 크게 나눌 수 있다. 상온이나 저온의 경우는 접촉식도 많이 사용하나 초고온의 경우는 비접촉식이 사용된다.

광고온계의 원리

비접촉식에는 방사 온도 검출 방식과 광고온 검출 방식이 있다. 방사 온도 검출 방식은 피측정 물체의 복사에너지를 렌즈를 통하여 집열하여 집열된 열을 측정하는 것이고, 광고온 방식은 온도에 따른 색을 검출하는 방법이다. 즉, 물체의 온도 변화에 따른 빛의 파장이 변하는 성질을 이용한 것으로, 물체에서 나오는 여러 가지 파장의 방사 에너지 중에서 단일 파장의 방사열만을 골라 온도를 검출하는 것이다.

비접촉식의 경우나 접촉식의 경우나 모두 센서로서 활용하기 위해서는 전기적인 신호로 변환하여야 하므로 이 모듈에서는 전기 신호의 변환 방식에 의한 분류 방법에 의해 서술하고자 한다.

다이오드 온도 센서

Ge, Si의 다이오드를 활용하여 순방향바이어스 단자 전압의 온도 의존성을 이용한 것이다. 대개의 다이오드가 온도에 의한 순방한 바이어스 단자 전압이 -2mV/ oC의 관계를 가지며, 온도 특성이 직선형의 관계를 가진다. 그림은 다이오드 온도 센서 특성을 실험에 의해 밝혀진 것이나, 실제로 다이오드 온도 센서가 별도로 존재하는 것은 아니다. 그러기 때문에 일반적인 다이오드를 사용하여 온도 변화에 의한 단자 전압의 변화를 온도의 변화로 인터페이스화하여 사용한다. 그림에서처럼 온도 특성이 직선형을 이루므로 기준 온도를 잡아 사용할 수 있다. 두 기준 온도에서의 순방향 바이어스 전압을 측정하여 기본 자료로 사용하며 이를 이용하여 측정 온도와 비례시켜 온도를 구할 수 있다.

다이오드 온도 센서의 특성 곡선

) P, N형의 반도체를 사용하여 접합한 것으로, P형에 (+)를, N형에 (-)를 가한 상태가 순방향 바이어스 상태로 전류가 흐를 수 있는 상태이며, 반대로 연결한 경우는 역방향 바이어스 상태로 전류가 흐르지 않는다.

다이오드와 트랜지스터는 근본적인 반도체의 구성 방법이 같으므로, 다이오드와 트랜지스터를 구분하지 않고 사용할 수 있다.

다이오드 온도 센서 특징을 보면, 가격이 저렴하고 온도 특성이 직선형인 장점을 가지나 원래 온도 센서용으로 제작되는 것이 아니므로 온도에 의한 출력 값의 변화 폭이 적으며, 호환성이 좋지 않은 단점을 가진다.

NTC서미스터

NTC써미스터의 온도 특성

서미스터는 온도에 의해 저항값이 변하는 저항체를 말하며, 저항의 성질에 따라 온도의 상승에 따라 저항값도 상승하는 정특성의 서미스터와 이와 반대의 특성으로 온도에 상승에 저항값이 하강하는 부특성의 서미스터가 있다. 부특성의 서미스터를 NTC (Negative Temperature Coefficient)서미스터라 하고,정특성의 서미스터를 PTC(Positive Temperature Coefficient)서미스터라 한다.

서미스터의 특징을 보면, 온도 변화에 대한 저항값의 변화 폭이 넓으며, 모양이나 저항값의 자유도가 높고, 견고하면서도 가격이 싸고, 전기적으로 출력을 처리하기가 쉬운 반면에, 측정 온도의 범위가 좁으며(-100o∼500o), 특성 곡선이 직선성을 가지지 못하는 경우가 있다.

) 임의로 형태를 자유롭게 선정할 수 있다.

비드형 서미스터는 유리로 싸여 있으며, 신뢰성과 안정성이 뛰어나고 소자에 대한 기밀성이 좋아 고온까지 사용할 수 있으나 제작상의 문제로 가격이 고가인 경우가 많다.

비드형 써미스터

칩형서미스터는 비드형에 버금가는 소형의 제품으로 양산에 적합하여 가격이 저렴하다. 보통은 150o까지의 온도 측정에 적합하나, 압전형은 200∼300o까지도 측정이 가능하다. 그러나 안정도면에서는 비드형에 비해 다소 떨어진다. 이러한 이유로 고밀도의 계측용보다는 일반적인 가정용이나 산업용으로 많이 사용되고 있다.

칩형서미스터

디스크형 서미스터의 경우는 가격이 싸고 대량으로 제작할 수 있기 때문에 에어컨이나 쿨러 등에 널리 사용되고 있다. 또 스위칭 레귤레이터 전원 투입시 러시전류 억제용으로 사용된다. 단점으로는 다른 형에 비하여 소형화하기가 곤란하며, 외장이 간단하여 기밀성이 곤란하여 응답 속도가 느린 기온 등의 측정에 적합하다. 사용상에 주의할 점으로는 기밀성이 안되므로 물이나 수증기의 접촉이 없는 건조 공기만을 검출하여야 한다.

디스크형 써미스터

) rush current - 전원이 투입되는 순간 정상 전류의 수배에서 십수배에 가까이 대량으로 흐르는 순간 전류

PTC써미스터의 온도 특성

PTC서미스터

정특성의 서미스터로 온도의 증가에 따라 출력전압이 증가하는 정관계를 가지는 것이 NTC서미스터와의 차이점이다. 이는 주성분이 N형 티탄산 바륨계 산화물 반도체의 일종이기 때문이다.

PTC서미스터에 전압을 가하면 주위의 온도에 영향은 있지만 전류감쇠특성이 나타내므로 온도 상승이 빠른 발열체나 회로의 과대전류 방지용으로 사용되고, 초기에만 대전류를 필요로 하는 컬러텔레비전의 자기 제거용이나 모터의 기동용으로 사용되고 있다.

) 전류의 값이 부의 특성을 가지는 현상

파워서미스터

파워서미스터는 온도 계측용, 온도 조절용 서미스터와 더불어 급속히 사용량이 증가하고 있는 서미스터이다. 특히 전원 트랜스를 사용하지 않고 AC를 직접 정류하는 스위칭형 전원 전압에는 불가피한 부품이다.

PTC써미스터의 용도
분 류	기 능		용 도
전류 제한용	과대입력 감쇠특성을 이용한 자기회복 휴즈기능	과대전압 입력보호	트랜스보호 테스터 입력회로 보호 보안기 접촉 보호
		과대전류 보호	모터 과열 보호 회로 단락 보호
		과열방지	트랜지스터 과열 방지
	초기 대전류를 이용한 대전류 감쇠비기능	소자용	컴퓨터 디스플레이 소자
		모터기동용	에어컨 등의 콤푸레셔 모터의 기동
발열용	정온 발열기능		VTR, 복사기 결로 방지 석유 온풍 난방기 액추에이터
감열용	센서기능		전력소자 과열방지 트라이악 등의 위상제어회로

NTC서미스터의 온도 상수에 따른 저항값의 급감특성을 전류 억제용으로 개발된 것이 파워서미스터라 볼 수 있다.

파워서미스터의 구조

파워서미스터의 구조는 그림과 같은 모양이 대부분이며, 원판형의 서미스터 소자에 스크린 인쇄로 은 전극을 인쇄하고 리드선을 납땜해서 주위를 에폭시 도료로 피복한 형상으로 되어 잇다. 재료는 온도 계측용의 NTC형과 거의 동일하며 금속 산화물의 혼합물을 원판형으로 프레스하여 소성한 세라믹스의 일종이다.

서미스터가 접속된 회로에 전류를 흘리면 그림 Ⅲ-44와 같은 곡성이 나타나는 데, 전류가 미약한 A영역에서는 보통의 저항기와 같이 서미스터의 양단 전압은 흐르는 전류에 비례하며 이때의 서미스터의 발열량은 미약하므로 주위 온도의 검출을 서미스터의 출력전압으로 검출할 수 있으며, 이 영역에서 온도 계측용으로 사용할 수 있다.

특성 곡선

전류가 증가하여 서미스터의 발열이 심해지고 저항값은 감소하고 전압은 피크를 나타낸다.(B의 경우) 이 과정이 지나 C의 영역에서는 열폭주현상이 일어난다. 파워서미스터는 최종적으로 B 또는 C영역에서 발열량과 방열량이 평형을 유지하는 곳에서 안정화된다. C의 영역은 정전압 특성을 가진 전원에서는 전류 공급을 받으면 □발열→저항값 감소→전류 증대→발열□의 과정을 거치며 타 버리는 경우가 있으므로 방열도 중요시하여야 한다.

) 부하의 변화에 따라 전원 전압이 변하지 않고 일정한 전압을 유지하여 공급하는 경우

파워서미스터의 장점으로는 취급이 간편하고 효과가 크며 저가인 반면에 단점으로는 빈번한 ON/OFF제어에는 부적합하며 방열이 필요하여 여름과 겨울에 의한 효과의 차이가 날 수 있고 주변 부품의 배치를 고려해야 한다. 이를 종합하면 이상적인 파워서미스터는 순간의 대전류에도 견딜 수 있어야 하며, 쉽게 온도가 상승하고 쉽게 방열할 수 있도록 하여야 한다.

열전쌍(thermocouple)

열전쌍의 원리

서로 다른 두 종류의 금속이나 반도체의 양끝을 접합하여 온도차를 주면 회로에 열기전력이 생기게 되는 데 이를 제백효과라 한다. 이를 이용하여 제작된 것이 열전쌍 또는 열전대라 한다. 여기서 발생하는 열기전력은 두 종류의 금속과 양 접점간의 온도차에 의해 결정되며 금속의 형상이나 치수에도 영향을 받게 된다.

열전쌍의 특징을 살펴보면, 장점으로는

□ 구조가 간단하고 기계적으로 튼튼하다.

□ 넓은 온도 범위에 걸쳐 측정이 가능하다.

□ 가는 소선을 사용하면 미소 개소의 측정이 가능하고 응답이 빠르다.

□ 온도를 전기량으로 직접 환산하여 검출할 수 있으므로 측정이 용이하다.

□ 측정물과의 거리를 크게 취할 수 있다.

□ 비교적 가격이 싸며, 측정이 용이하다.

반면에 단점으로는

□ 기준 접점이 필요하고,

□ 보상도선의 오차를 생각해야 한다.

) 열전쌍과 계기간의 거리가 떨어진 경우 열견된 선에 의한 온도의 검출 오차를 줄이기 위하여 설치한 도선으로, 열전쌍과 동일하거나 유사한 열기전력 특성을 가진 것으로 선정한다.

□ 출력이 비교적 작아 회로의 외란에 주의한다.

□ 고온에서 장시간 활용할 경우 수명에 영향이 간다.

감온 리드스위치

감온 리드스위치의 기본 구성품은 페라이트, 페라이트 마그넷, 리드스위치이며, 감온 페라이트가 온도에 따라 자기 특성이 급변하는 망간-아연계의 소프트 페라이트이다. 페라이트 마그넷은 자속의 공급원이 되며, 리드스위치는 자성체로 만들어진 2장의 리드를 중앙에서 약간 틈을 두고 유리관으로 봉입한 자기 감응형의 스위치이다. 이들 3요소로 자기 회로를 구성하여 마그넷으로부터 자 속의 분포나 밀도를 감온 페라이트로 제어하여 리드스위치를 ON/OFF한다.

감온 리드스위치의 동작

모듈 1에서의 리드스위치와 동작은 같지만, 동작원이 영구자석에 의한 움직이는 변위를 측정하는 대신에 감온 페라이트를 사용하여 온도를 검지하는 것으로, 접점의 a형과 b형이 있듯이 상개형과 상폐형이 있다.

감온 리드스위치의 동작 온도는 감온 페라이트의 특성에 좌우되기 때문에 우수한 감온 페라이트를 사용하여 1oC이하의 정밀도를 가지는 온도 측정이 가능하며, 유접점 스위치에 속하지만 유리관에 불활성 가스를 봉입하여 사용하여 수명이 길다. 또한 스위칭 접점 2단자 이외에는 별도의 제어회로가 필요없기 때문에 간단한 회로를 사용하여 구성할 수 있다. 하지만, 감온 리드스위치도 자계를 이용한 것이기 때문에 주변의 자계에 영향을 받을 우려가 있는 만큼 자기차폐를 필요로 하며, 리드스위치의 공극이 변화되지 않도록 충격 등의 외력을 피하도록 하여야 한다.

냉각팬의 운전

용도를 보면, 온도 제어용이나 온도 감시용으로 널리 사용된다. 전기 포트의 항온용 ON/OFF 접점이나 스위칭 전원의 과열보호, 에어컨의 서리 제거용 센서, VTR의 실린더 헤드의 이슬 방지용 등에 사용된다.

백금 측온 저항체

일반적으로 물질의 전기저항이 온도에 따라 변하는 사실은 전술되었듯이 금속도 온도에 거의 비례하여 전기저항이 증가하는 양의 온도 계수를 가진다. 금속은 순도가 높을수록 이는 더욱 커지게 되는 데, 이와 같이 순수 금속에 온도가 가해질 때의 저항값의 변화를 측정하여 온도를 검출하는 기법이다. 여기서 사용하는 금속은 주로 저항의 온도계수가 크고 직선성이 양호하며, 온도의 검출 범위가 넓고, 소선의 가공이 용이한 금속을 사용하는 데 적합한 백금이 많이 사용된다.

글라스 봉입형 백금 측온 저항체

백금 측온 저항체의 구조는 기계적인 변형이나 진동, 충격에 강하고 소선의 저항값이나 온도계수의 변화가 적도록 설계한다. 그러기 위해 마이카판의 양측에 나사식 홈을 내어 홈에 저항체를 넣는 경우도 있고, 열팽창 계수가 백금과 같은 글라스에 봉입하는 경우도 있으며, 글라스 대신 세라믹에 봉입하는 경우도 있다.

백금 온도 센서의 사용 예를 보면, 정밀 온도 측정이 요구되는 자동차 관련 분야나 각종 전자기기의 온도 보상용으로 널리 사용되고 있다. 또한 정밀한 온도 측정이 가능하다는 점에서 의료, 바이오 분야에의 적극적인 응용이 기대되고 있다.

수정온도센서

수정은 육각의 단결정체로 보석으로 널리 사용되어 왔지만 압전 현상이 빛을 보이면서 주파수 소자로 발진 회로에 필수적을 사용되고 있다. 최근에는 천연 수정보다는 인공의 수정을 많이 사용하며, 전기 통신 분야에 사용되는 수정의 경우 온도에 대한 주파수 편차가 적도록 AT커팅을 주로 사용한다. 수정온도센서는 이러한 수정을 사용하여 온도에 대하여 주파수가 크게 변화하는 것을 이용하여 제작된 것이다. 온도 센서로 사용할 경우는 온도에 대한 주파수의 변화가 큰 Y, RS, LC, AC커팅 방법을 선택하도록 하여야 한다.

) 가공하는 절단 방법

수정의 커팅에 의한 주파수 특성

수정온도센서는 발진 주파수를 이용한 것이므로 주파수 카운터와 이를 처리할 수 있는 구성을 가져야 한다. 그림 Ⅲ-50에서 그 블록도를 나타냈다.

광화이버 온도 센서

광화이버를 이용한 센서로는 광화이버가 신호의 전송 여부를 결정하는 방식과 광화이버 자체가 센서 기능을 가지는 경우가 있다.

	수정센서
						발진기	→	주파수 카운터	∀	CPU	∀	온도 표시
								↑
								클록
수정 온도계의 블록 구성도

수은주를 이용한 광화이버 온도센서

인터럽트형의 광화이버 온도 센서는 온도의 변화에 의해 광화이버로 전송되는 빛을 차단 또는 관통시켜 온도의 변화에 의해 광화이버의 빛신호를 제어할 수 있도록 구성된 것이어서 2진 상태의 온도만 검출할 수 있다. 인터럽트의 매개체로는 수은을 사용하거나 바이메탈, 자석 페라이트, 파라핀 등을 사용할 수 있다.

광강도 변조식 온도 센서는 실제의 온도를 계측하기 위한 센서로 광로 내의 온도에 대하여 빛의 투과율이 연속적으로 변화하는 물질을 삽입하여 사용한다. 그림은 광화이버의 단면에 3종류의 합성 액정을 넣은 캡을 붙인 것은 온도의 변화에서 색이 녹색에서 진한 적색으로 변화하며 빛의 반사율도 변한다. 따라서 3개씩 송광용, 반사광 검출용의 다모드 광화이버를 사용하면 반사광 강도에서 온도 측정이 가능하며 정밀도도 0.1oC이다.

파장 가변 필터식 온도 센서의 경우에는 송수신용 광화이버의 중간에 온도에 따라 갭 길이가 변하는 소자를 사용한 온도 센서를 광화이버 사이에 넣고 백색광을 송광용 광화이버에 입사한 후 수광용 광화이버에서 출력광을 분광하여 전기 신호로 변환하여 스펙트럼의 변화를 디지털로 처리할 수 있다.

액정을 사용한 광화이버 온도 센싱

광화이버 방사 온도계는 절대온도 이상의 모든 물체에서 온도에 따르는 에너지를 방사하고 있는 현상을 이용한 것이다.

서모파일(thermopile)

서모파일은 적외선 센서의 일종으로 열형의 적외선 센서로 표현하기도 한다. 이는 물체로부터 방사 에너지(적외선)를 받아서 수광부의 온도를 변화시키고 이를 검출하여 출력 신호를 얻는다. 서모파일은 수광부의 온도 변화를 그 주위에 형성한 열전쌍으로 검출하고 있다. 수광부는 열의 흡수를 좋게 하기 위한 흑체를 사용하며 여러 개의 열전쌍을 직렬로 접속하여 각 열전쌍의 열기전력의 합계가 출력전압으로 나오므로 출력전압을 높아지게 되어 온도의 검출이 쉬워진다.

서모파일은 열기전력을 얻는 것이므로 피측정물의 온도가 낮을 경우에 증폭기를 필요로 하며, 항온조를 사용하지 않을 경우에는 실온 보상을 요구한다.

차압식 유량 센서

각종 플랜트에서 여러 원리, 방식의 유량센서가 사용되고 있는데, 차압전송기를 사용한 차압식 유량계가 가장 널리 사용되고 있다. 차압식 유량계는 스로틀유량계라고도 하며, 관로의 도중에 오리피스나 노즐, 벤추리관 등의 조절기를 두어 그 전후의 압력차를 검출하여 관로 속의 유체량을 구하는 것으로, 구조가 간단하고 액체나 기체, 증기 등 어디든지 적용할 수 있기 때문에 공업용 유량센서로 널리 사용된다.

그림에서 차압은 오리피스 판의 전후 압력의 차이로 P1과 P2와의 차이이며, 유량의 제곱에 비례관계를 가지므로 차압전송기를 사용하여 유량을 검출할 수 있다. 차압전송기의 근본적인 원리는 압력검출을 전기신호로 변환하는 것과 비슷하다.

전자식 유량 센서

전자식 유량 센서는 자계 속을 도체가 횡단할 경우에 속도에 비례하는 기전력이 발생하는 패러데이의 전자유도 작용을 이용한 것으로, 마치 코일이 아닌 유체를 도체로 활용한 발전기와 비슷하다. 이는 측정 대상인 유체가 도전성을 가지고 있어야 하는 제한이 따르지만, 압력손실이 없고, 유량의 0상태에서도 측정이 가능하며, 정밀도가 양호하고, 부식성의 액체도 측정이 가능한 장점을 가진다.

전자유량계의 원리

와류식 유량 센서

유체가 흐르는 관로에 주상(柱狀)물체를 삽입하면 그 뒤에 규칙적인 와류가 발생하는 데 이를 이용하여 유량을 검출하는 것이다.

압전소자를 이용한 와류형 유량센서

와류 발생 주파수는 유체의 유속에 비례하므로, 와류를 검출하여 유량을 계산할 수 있다. 검출된 와류는 펄스신호로 변환하기도 하고, 내부에 매입된 압전소자에 의하여 전기신호로 변환하기도 한다. 이외에도 와류발생체에 다이어프램을 설치하여 압력의 변화로 검출하는 방식 등 여러 가지가 있다.

초음파 유량 센서

전술된 유량계와는 큰 차이를 보이고 있는 것이 유체가 흐르는 관로의 외부에서 유량을 검출할 수 있다는 것이다. 이는 유체에 초음파를 발사하여 유체의 흐름에 실린 초음파의 흐름에 역행하여 나가는 초음파에서는 속도의 차가 나오는데 이는 유체의 도달시간의 차이라 볼 수 있다. 이를 이용한 것이 전파시간차법으로 초음파가 밀도파이며, 매질의 속도에 영향을 받기 때문이다.

초음파를 사용한 유량의 측정상의 특징을 보면,

□ 배관을 절단하지 않고 유량 측정이 가능하다.

□ 압력 손실이 전혀 없다.

□ 검출된 출력신호가 직선성을 가진다.

□ 유량이 0인 경우에도 측정이 가능하다.

□ 직경이 큰 관로일수록 저렴하게 측정이 가능하다.

□ 배관의 재질이 균일하여야 정확한 측정이 가능하다.

□ 온도에 의한 음파의 전달속도 차이를 보정할 필요가 있다.

기타 유량 센서

유량계의 종류와 원리
명 칭	원 리	특 징
층 류 유량계	차압식 유량계의 원리와 비슷하며 스로틀로 가는 관을 사용하면 스로틀 전후의 압력차는 유량에 비례한다.	미소유량, 점성도가 높은 유체의 측정에 적합. 압력차가 유량에 비례
면적식 유량계	테이퍼 관과 부저, 피스톤과 슬릿 등의 조합에 의하여 스로틀의 면적을 바꾸고 스로틀의 면적과 유량이 비례하는 것을 이용.	소유량의 계측에 적합. 저렴하고 공업계측에 많이 사용.
용적식 유량계	로터와 케이스, 피스톤과 실린더 등을 이용하여 유체를 일정 용적 내에 가두어 넣고 다음에 방출하기를 반복하여 단위 사간 당의 횟수에서 유량을 얻는다.	정밀도가 높고, 압력손실이 크다. 적산유량계에 많이 사용.
터 빈 유량계	회전 날개의 회전수가 유량에 비례하는 것을 이용.	고온, 저온, 고압 조건에서 검출용이 저유속에서는 정밀도 저하
열 식 유량계	열선, 열막 등의 발열체로부터 열방산이 유속에 의해 변화하는 현상을 이용.	간편한 구성으로 검출이 가능하며, 온도의 변화에 의한 영향이 크다.
카르만와류 유량계	흐름에 직각으로 놓인 기둥에 의하여 발생하는 칼만와류의 발생빈도가 유속에 비례하는 현상을 이용.	정밀도가 높은 곳에 사용한다.

습도 센서

공기 중의 수분에 관련된 여러 현상을 이용하여 습도를 검출하는 것으로, 다공질 세라믹스나 고분자 막으로 흡수됨으로써 일어나는 전기저항이나 정전용량의 변화를 이용하는 것이라든지, 진동자에 설치된 흡수물질의 중량변화에 의한 진동자의 공진 주파수의 변화를 이용한 것 등이 있다.

건습구 온도 센서는 센서의 감습부에 가제 등의 물에 젖신 헝겊을 두어 물의 기화에 따른 습도를 센싱하는 것이다. 모발습도 센서는 모발이 공기 중에서 수증기를 흡수하면 늘어나고, 건조하면 수축하는 성질을 이용하여 검출하는 것으로 움직임이 적기 때문에 확대기구를 사용하여야 한다. 세라믹 습도 센서는 습도에 의해 전기적인 특성이 바뀌는 성질을 이용한 것으로 다공질 세라믹스를 사용한다. 습도가 상승하면 공기 중의 수증기가 세라믹스의 작은 구멍에 스며들어 세라믹스의 전기저항이 변하게 되는 데 이를 이용한 것이다. 또한 같은 방법으로 물은 세라믹스보다 유전율이 많기 때문에 수증기를 함유하면 유전율이 변하는 성질을 이용하여 정전용량식으로 변환도 가능하다. 이는 센서의 검출신호는 전기신호로 변환하여 처리하는 것이 유리하기 때문이다.

액위 검출 센서

수위 등의 액위나 액면의 위치를 검출하기 위한 센서로, 액면에 플로트를 띄워 사용하는 방법, 침봉을 사용한 정전용량변화에 의한 방법, 초음파에 의한 방법, 방사선에 의한 방법 등이 사용되어 액위의 상태를 전기신호로 바꾸어 검출해 주고 있다.