어려운 산업용 응용 제품을 위한 센서 솔루션

산업 제어 설정은 현대 센서의 가장 오래된 환경 중 하나입니다. 안전과 효율을 모니터하는 시스템에 대한 요구가 높아짐에 따라 어려운 환경에서 안정적인 성능을 보이도록 설계된 센서는 열, 유량 및 진동과 같은 사항을 고려해 왔습니다. 또한 이를 통해 운영자는 유해한 상황으로부터 일정한 거리를 유지할 수 있었습니다.

산업용 응용 제품을 위한 센서는 이제 온도, 압력, 화학성, 근접성, 힘, 부하 및 레벨 등 매우 다양한 기반의 센서 유형을 포함합니다. 이를 가능하게 하고 지원하는 기술에는 MEMS, 나노 기술 및 무선 통신이 포함됩니다.

산업용 응용 제품의 요구를 효과적으로 충족할 수 있는 무선 센서는 감시 제어 및 데이터 취득 등의 시스템에 사용됩니다. 이러한 무선 센서는 위치, 근접성, 이미지 및 보안 응용 제품에 주로 사용되고 있습니다. 이를 위한 필수 요소는 저전력 소비입니다. 머지않은 미래의 무선 센서 네트워크는 전기 아웃렛으로부터 분리된 산업용 제품을 위해 에너지를 수확하게 될 것입니다(TechZone 기사 ‘에너지를 수확하는 무선 센서’ 참조).

비전으로부터 M2M 통신에 이른 오늘날 산업용 설정에서의 센서는 그 역량을 인정 받게 되었습니다. 센서는 공장의 더 큰 자동화를 가능하게 하는 중요한 요소입니다. 이는 ‘산업 4.0’으로 불리는 산업 역량 확장의 핵심인데, ‘산업 4.0’이란 갈수록 복잡해지는 작업에 대해 자율 최적화, 자율 구성, 자가 진단, 인지 및 지능형 지원을 위한 새로운 방법을 포괄하는 제 4차 산업 혁명을 지칭합니다.

그 목표는 적응성, 자원 효율성 및 인체 공학 개선을 특징으로 하고 로봇 공학, 자동화 시스템 및 소위 ‘사물인터넷(IoT)’에 의해 지원되는 지능형 공장(스마트 공장)입니다.

이제 살펴보겠지만 사용되는 센서 유형과 그 속성은 때로는 응용 제품에 따라, 또는 열악하거나 어려운 작동 환경에 따라 결정됩니다. Texas Instruments LDC1000(그림 1)은 세계 최초의 유도 용량 디지털 컨버터로서 저전력의 작은 면적 솔루션에서 유도 감지의 장점을 제공합니다. 이 제품은 SON-16 패키지로 제공되고 여러 작동 모드를 제공합니다. SPI 인터페이스는 MCU 연결을 단순화시킵니다.


유도 감지는 비접촉식의 무자석 근접 기술로서 먼지, 때, 기름 및 습기의 비유도 간섭이 존재할 때 유도 대상에 대한 고분해능 감지를 가능하게 합니다. 이 센서는 권선, PCB 코일, 연성 기판 위의 유도 잉크로 찍은 코일 또는 단순한 스프링으로도 될 수 있습니다. 이는 원격 센서 배치를 지원하므로 극단적이고 열악한 환경에 적합합니다.

유도 센서는 고주파 진동 자기장을 생성하여 사용합니다. 감지 자계에 진입하는 금속 대상은 대상에 대한 소용돌이 전류를 유도하여 발진기의 신호 진폭을 감소시킵니다. 그러면 감지 회로는 진폭의 특정 변화를 인식하고 무접점 센서 출력을 ‘켜짐’ 또는 ‘꺼짐’으로 바꾸는 신호를 생성합니다.

유도 감지 기술을 통해 선형/각 위치, 변위, 동작, 압축, 진동, 금속 구성 및 여러 다른 응용 제품을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이를 통해 위치 감지 응용 제품에서 16비트 공진 임피던스 및 24비트 유도 용량값으로 서브미크론 분해능이 가능합니다. 유도 감지는 위치, 동작 또는 금속이나 유도 대상의 구성을 측정하고 스프링의 압축, 확장 및 꼬임을 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

산업용 센서의 또 다른 예로 Silicon Labs의 Si7013 단일 칩 상대 습도 및 온도 센서를 들 수 있는데 이는 온도계, 습도계 및 기타 유사 기기의 산업용HVAC에 사용됩니다. 이 센서는 모놀리식 CMOS IC로서 습도 및 감지 요소, 아날로그 디지털 컨버터, 신호 처리, 보정 및 I²C 인터페이스를 통합합니다.

습도 및 온도 센서는 보정되어 출시되고 보정 데이터는 온칩 비휘발성 메모리에 저장됩니다. 센서는 완전히 교체 가능하고 재보정 또는 소프트웨어 수정은 필요하지 않습니다.

전력 관리가 포함된 보조 센서 입력은 외부 서미스터 네트워크 또는 기타 전압 출력 센서에 직접 연결할 수 있습니다. Si7013은 3mm x 3mm DFN 패키지로 제공되고 리플로 납땜이 가능합니다.

기타 특징으로는 다음이 포함됩니다.

• 정밀 상대 습도 센서
• 온도 센서
• 보조 이차 영역 센서 입력(Si7013)
• 0% ~ 100% RH 작동 범위
• -40°C ~ 125°C 작동 범위
• 광범위한 작동 전압 범위(1.9V ~ 3.6 V)
• 저전력 소비
• I²C 호스트 인터페이스
• 통합 온침 발열체
• 3mm x 3mm DFN 패키지
• 뛰어난 장기적인 안정성
• 공장 보정
• 리플로 및 작동 시 평생 보호
• AEC-Q100 자동차 자격

진동은 공통적인 단점으로 산업 설정에서 유의 깊게 모니터해야 합니다. Analog Devices의 FFT 분석 및 스토리지를 갖춘 ADIS16228 디지털 삼축 진동 센서(그림 2)는 완비된 진동 감지 시스템으로서 삼축 가속 감지를 고급 시간축 및 주파수축 신호 처리와 결합합니다.

초당 20,048개의 샘플링 속도 및 5kHz 정주파수대는 여러 기계 상태 응용 제품에 적합한 주파수 응답을 제공합니다. 알루미늄 코어는 MEMS 가속 센서와의 뛰어난 기계적 결합을 제공합니다.

내부 클록은 모든 작동 시 데이터 샘플링 및 신호 처리 시스템을 구동하므로 외부 클록 소스의 필요를 제거합니다. 데이터 캡처 기능에는 세 가지 모드가 있어 여러 응용 제품의 수요를 충족할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. 또한 실시간 모드는 한 축에서 데이터 스트림에 대한 직접적인 액세스를 제공합니다.


SPI 및 데이터 버퍼 구조는 데이터 출력에 대한 편리한 액세스를 제공합니다. 또한 ADIS16228 디지털 온도 센서 및 디지털 전원 공급 장치 측정도 제공합니다. 이 기기는 진동 분석, 조건 모니터링, 기계 상태, 계측, 진단 및 안전 차단 감지와 같은 산업용 응용 제품에 사용됩니다. 이 기기는 단순한 사용자 인터페이스 및 설치를 가능하게 하는 15mm × 24mm × 15mm 플랜지 모듈, M2 기계 나사 구멍 및 연성 커넥터로 제공됩니다. ADIS16228은 피치 및 롤에 대해 ±180°의 전방향 정밀한 각도 측정을 제공하는 동일 제조업체의 ADIS16210 디지털 경사계 시스템과 풋프린트 및 핀대핀 호환이 가능합니다. ADIS16228의 확장 작동 온도 범위는 −40°C ~ +125°C입니다.

Analog Devices의 ADIS16000 및 ADIS16229(내장형 RF 수신기 포함)를 통해 광범위한 산업용 장비 응용 제품을 위한 단순한 무선 진동 감지 네트워크를 제작할 수 있습니다. ADIS16000은 네트워크를 관리하는 게이트웨이 기능을 제공하고 ADIS16229는 원격 감지 기능을 제공합니다.

고급 전자 제어 시스템의 확산은 더욱 높은 센서 정확성, 안정성, 응답 시간, 견고함, 소형화, 통신 능력 및 효율성을 가져왔습니다. 이는 곧 R&D의 증가를 가져와 새로운 센서 응용 제품의 기회를 증대시키게 되었습니다. 앞으로 모든 산업 공장에서는 복잡성, 안정 및 작동을 더욱 잘 관리할 수 있는 더 큰 지능을 갖출 수 있을 것입니다. 이러한 응용 제품을 위한 센서 시스템은 매우 작고 적은 전력을 사용하며 스마트 전자 제품을 감지 요소에 밀접하게 통합하지 않았던 기존 센서에 비해 매우 작은 비용만을 사용하게 될 것입니다. 또한 이 기기는 보통 단일 칩에 담겨 있고 무선으로 작동할 것입니다.

이 기사에서는 산업용 환경에 적합한 일부 최신 센서를 살펴보았습니다. 이 기사에서 설명한 제품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하세요.