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근접 센서 기술 선택 시 설계 고려 사항

작성자: Jeff Smoot, CUI Devices의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

감지, 거리 또는 근접성을 결정할 때 다양한 작동 표준과 강점을 가진 몇 가지 주요 근접 센서 기술을 고려해 볼 수 있습니다. 이 기사에서는 엔지니어가 설계 요구 사항에 따라 선택할 옵션을 결정하는 데 도움이 되는 기본 작동 원리와 함께 소형 및 고정형 임베디드 시스템에 가능한 4가지 옵션에 대해 설명합니다.

근접 센서는 물리적 접촉 없이 물체의 존재 유무와 거리를 정확하게 감지하는 방법을 제공합니다. 근접 센서는 반사되거나 물체를 통과하여 센서로 되돌아가는 전자기장, 빛 또는 초음파를 방출합니다. 기존 제한 스위치에 비해, 근접 센서는 기계적 부품이 없기 때문에 내구성이 더 뛰어나고 수명이 길다는 큰 장점이 있습니다.

특정 응용 분야에 이상적인 근접 센서 기술을 고려할 때 비용, 범위, 크기, 화면 주사율 또는 대기 시간 및 재료의 효과를 모두 고려하고 가장 중요한 것이 무엇인지에 따라 설계해야 합니다.

초음파

이름에서 알 수 있듯 초음파 근접 센서는 '처프'라고 하는 초음파 펄스를 방출하여 물체의 존재 유무를 감지하며 물체까지의 거리 계산에도 사용할 수도 있습니다. 송수신기로 구성되며 반향 위치 측정의 원리를 기반으로 작동합니다(그림 1).

초음파 센서 작동 구성도그림 1: 초음파 센서 작동 방식. (이미지 출처: CUI Devices)

처프가 표면에 반사되어 되돌아오는 데 걸리는 시간(시간차(ToF)라고도 함)을 측정하여 센서가 물체에서 얼마나 떨어져 있는지 확인할 수 있습니다. 일반적으로 송신기와 수신기가 근접해 있지만 반향 위치 측정을 활용하면 분리된 상태에서도 작동합니다. 어떤 경우에는 송수신 기능이 일체형으로 결합되어 있는데 이를 초음파 트랜시버라고 부릅니다.

전자기파가 아닌 소리를 사용하므로 초음파 센서 판독 값은 물체의 색상과 투명도의 영향을 받지 않습니다. 또한 빛을 생성하지 않는 장점이 있어 어두운 환경이나 빛이 많은 환경에도 이상적입니다. 음파가 물의 잔물결처럼 시간과 공간에 퍼지는 현상을 일으키는데, 이처럼 감지 영역 또는 시야(FoV)가 확대되는 방식은 응용 분야에 따라 장단점이 될 수 있습니다. 그러나 우수한 정확도, 상당히 높은 화면 주사율 및 초당 수백 개의 신호를 전송할 수 있는 기능을 갖춘 초음파 근접 센서는 비용 효율적이고 다목적이며 안전한 솔루션을 제공할 수 있습니다.

초음파 센서의 근본적인 단점 중 하나는 공기 온도의 변화가 음파의 속도에 영향을 주어 측정의 정확도를 떨어뜨린다는 것입니다. 그러나 송수신기 간의 거리에 걸쳐 온도를 측정하고 그에 따라 계산을 조정하여 이 현상에 대해 대응할 수 있습니다. 다른 제한 사항으로는 소리를 전달할 공기가 없는 진공 상태에서는 초음파 센서를 사용할 수 없다는 것입니다. 부드러운 소재는 또한 단단한 표면만큼 효과적으로 소리를 반사하지 못하기 때문에 정확성에 영향을 미칠 수 있습니다. 마지막으로 초음파 센서 기술은 수중 음파 탐지기와 유사한 개념을 따르지만 수중에서는 작동하지 않습니다.

광전

광전 센서는 물체의 유무를 감지하기 위한 실용적인 옵션입니다. 일반적으로 적외선 기반이며 차고 문 센서 또는 매장의 인원 수를 비롯한 일반적인 응용 분야가 있지만 광범위한 기타 산업 응용 분야에 적합합니다.

광전 센서를 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다(그림 2). 스루빔은 물체의 한쪽 면에 방출기를 사용하고 반대편에 감지기를 사용합니다. 빔이 끊어지면 물체가 있음을 나타냅니다. 역반사 구현은 방출기와 감지기가 같은 위치에 있는 반면 반사기는 반대쪽에 있습니다. 마찬가지로, 확산 배열은 방출기와 감지기를 같은 위치에 배치하지만 방출된 빛은 감지된 물체에 의해 반사됩니다. 이 구성으로는 거리 측정이 불가능합니다.

광전 센서 구성도: 스루빔, 역 반사형 및 확산 반사형그림 2: 광전 센서 – 스루빔, 역 반사형 및 확산 반사형. (이미지 출처: CUI Devices)

스루빔 또는 역 반사식 구성으로 광전 센서를 설정하면 짧은 대기 시간으로 넓은 감지 범위를 필요로 하는 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 그러나 신중하게 실장하고 정렬해야 하므로 바쁜 환경에서는 시스템을 설치하기가 어려울 수 있습니다. 확산 유형 구현은 작은 물체를 감지하는 데 더 적합하며 모바일 감지기가 될 수도 있습니다.

광전 센서 설정은 산업 현장의 경우처럼 더러운 환경에서 사용할 수 있으며 일반적으로 움직이는 부품이 없기 때문에 다른 솔루션보다 수명이 더 깁니다. 렌즈가 보호되고 깨끗하게 유지되는 한, 센서의 성능이 유지됩니다. 대부분의 물체를 감지할 수 있지만 투명하고 반사되는 표면과 물에서 문제가 발생할 수 있습니다. 다른 제한 사항은 정확한 거리 계산과 광원에 따라 특정 색상(예, IR을 사용하는 경우 빨간색)의 물체를 감지하는 것입니다.

레이저 거리 측정기

과거에 값비싼 옵션이었던 레이저 거리 측정기(LRF)는 최근 많은 응용 분야에서 보다 실용적인 솔루션이되었습니다. 고출력 센서는 초음파 센서와 동일한 원리로 작동하지만 음파 대신 레이저 빔을 사용합니다.

광자가 빠른 속도로 이동하기 때문에 ToF의 정확한 계산이 어려울 수 있습니다. 여기에서 간섭계 사용과 같은 기술은 비용을 줄이면서 정확도를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다(그림 3). 레이저 거리 측정기 센서의 또 다른 장점은 전자기 빔을 사용하기 때문에 일반적으로 매우 긴 범위 (최대 수천 피트)를 가지며 응답 시간이 최소화된다는 것입니다.

간섭계를 사용한 레이저 거리 측정기 센서 구현 구성도그림 3: 간섭계를 사용한 레이저 거리 측정기 센서 구현 구성도. (이미지 출처: CUI Devices)

이러한 센서의 매우 낮은 대기 시간과 범위 기능에도 불구하고 자체적인 제한이 있습니다. 레이저는 많은 전력을 소비하므로 휴대용 또는 배터리로 작동하는 응용 제품에 적합한 옵션에 적합하지 않으며 안구 건강과 관련하여 고려할 안전 문제가 있습니다. 또한 시야가 상대적으로 좁고 광전 센서처럼 물이나 유리와 잘 작동하지 않는다는 점도 고려해야 합니다. 이러한 유형의 기술 가격이 저렴해지고는 있으나 여전히 고가의 옵션 중 하나입니다.

유도형

유도형 센서는 수년 동안 사용되어 왔으며 점점 더 보편화되고 있습니다. 그러나 다른 근접 감지 기술과 달리 감지를 위해 자기장을 사용하기 때문에 금속 물체에서만 작동합니다(그림 4). 일반적인 응용 분야는 금속 탐지기입니다.

유도형 센서의 작동 원리 구성도그림 4: 유도형 센서의 작동 방식(이미지 출처: CUI Devices)

감지 범위는 센서 설정 방법에 따라 다를 수 있습니다. 단거리 응용 제품은 센서 옆에 기어 톱니가 있는지 감지하여 기어 회전 수를 셀 수 있습니다. 장거리 응용 분야에는 유도형 센서를 도로 표면에 내장하여 차량 수를 계산하거나 센서가 작동할 수 있는 극한 거리를 시연하여 우주 플라즈마를 감지하는 것이 포함됩니다. 근접 센서로서 유도형 센서는 매우 짧은 범위의 응용 제품에 사용되는 경향이 있으며 전자기장의 차이를 감지하는 원리를 기반으로 하기 때문에 매우 빠른 화면 주사율을 제공할 수 있습니다. 또한 철 및 강철과 같은 철 재료에서 더 잘 수행됩니다.

유도형 센서는 광범위한 범위에서 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 그러나 다양한 간섭원에 취약하다는 사실과 함께 감지할 수 있는 재료의 한계점을 고려해야 합니다.

결론

근접 감지 구현의 모든 문제를 고려할 때 초음파 센서는 최상의 기술입니다(그림 5). 저렴하고 물체의 존재를 감지하며 거리를 정확하게 계산하는 능력과 사용의 용이성은 최고의 속성입니다.

4가지 근접 센서 기술 비교표그림 5: 4가지 근접 센서 기술 비교(이미지 출처: CUI Devices)

CUI Devices의 초음파 센서에 대한 자세한 내용은 CUI Devices 초음파 센서를 참조하세요.

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Jeff Smoot, CUI Devices의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

본 기사는 CUI Devices의 Jeff Smoot에 의해 작성되었습니다.