근접 및 거리 센서 기술 선택 옵션

자재 관리, 농업 기계, 제조 및 조립 작업, 식음료, 의약품 포장과 같은 산업 공정을 관리하는 데 있어 근접 센서와 거리 센서를 사용하여 물리적 접촉 없이 물품의 존재와 위치를 감지하는 것은 중요한 측면이 될 수 있습니다.

이러한 센서에는 사용된 기술에 따라 광전, 레이저, 유도 용량, 정전 용량 방식, 자기, 초음파 등 다양한 종류가 있습니다. 각 응용 분야에 가장 적합한 제품을 결정할 때는 범위, 크기, 정확도, 감도, 분해능, 비용 등과 같은 요소를 고려해야 합니다.

많은 응용 분야에서 핵심 요소는 감지할 물체의 소재입니다. 센서에 따라 딱딱한 표면과 섬유질 표면에서 각각 다르게 작동하기도 하며, 물체의 색상이나 반사율의 영향을 받기도 합니다.

이 기사에서는 일반적으로 사용 가능한 비접촉식 근접 센서 기술을 검토하여 작동 방식, 기본 성능 특성을 SICK의 대표적인 센서 및 몇 가지 의도된 응용 제품과 함께 살펴봅니다.

광전 센서

SICK의 W10 광전 근접 센서와 같은 광전 센서는 사용과 설치가 간단하고 다양한 응용 분야에 적합한 다양한 기능을 제공합니다. W10 센서는 견고하게 설계되어 까다로운 환경에서도 물체를 정밀하게 감지할 수 있습니다. 통합 터치스크린을 사용하면 파라미터 설정과 센서 배포를 가속화할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 이 광전 센서의 터치스크린은 커미셔닝 및 배포 속도를 높일 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

티치 인 기능을 사용할 수 있어 설계자는 이러한 센서를 응용 분야의 특정 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다. 또한 속도 설정, 표준 및 정밀 측정 모드, 전경 및 배경 억제와 같은 통합 기능을 활용하여 하나의 센서를 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 센서 계열에는 작동 거리와 실장 옵션이 다른 네 가지 변형이 있습니다.

배경 억제

배경 억제(BGS) 기능이 있는 광전 근접 센서는 송신 소자와 수신 소자 사이에서 삼각 측량을 사용하며, 설정된 감지 범위 밖에 있는 물체의 신호는 억제됩니다. 또한 SICK의 BGS 기술은 반사율이 높은 배경 물체를 무시하고 까다로운 주변 조명 조건을 처리할 수 있습니다.

배경 억제 기능은 대상 물체와 배경(컨베이어 벨트 등)의 반사율이 비슷하거나 배경 반사율이 가변적이어서 감지에 방해되는 경우에 특히 유용합니다.

전경 억제

전경 억제(FGS) 기능이 있는 광전 근접 센서는 지정된 거리에 있는 물체를 감지할 수 있습니다. 센서와 감지 거리(배경으로 설정) 사이에 있는 모든 물체가 감지됩니다. 배경이 비교적 밝고 높이가 변경되지 않아야 안정적으로 감지할 수 있습니다.

물체가 흰색 또는 밝은 색상의 컨베이어 벨트처럼 반사되는 표면에 있는 경우 전경 억제 기능을 사용하면 감지 성능을 향상할 수 있습니다. 센서가 물체에서 반사되는 빛을 감지하는 것이 아니라 컨베이어 벨트에서 반사되는 빛이 없는 것으로 물체를 감지합니다.

역반사

역반사 센서에서는 방출된 빛이 반사판에 닿으면 센서에서 반사된 빛을 평가합니다. 편광 필터를 사용하여 오류를 최소화할 수 있습니다. 투명한 신축성 필름과 플라스틱 포장재는 역반사 센서를 방해할 수 있습니다. 센서 감도를 낮추면 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한 표준 IR 발광기를 레이저로 교체하면 감지 범위가 길어지고 분해능이 높아질 수 있습니다.

역반사 센서 성능은 정상보다 낮은 스위칭 이력을 사용하여 개선할 수 있습니다. 이렇게 설계하면 센서와 반사판 사이의 최소한의 광 감쇠도(예: 사이에 유리병이 있는 경우) 안정적으로 감지할 수 있습니다. SICK에서는 감지 시스템의 고장으로 이어질 수 있는 점진적 오염 축적에 대응하여 스위칭 임계값을 지속적으로 조절하고 조정하는 AutoAdapt라는 모니터링 시스템도 제공합니다.

스루빔

역반사 센서와 달리 스루빔 센서에서는 송신기와 수신기라는 두 활성 장치를 사용합니다. 스루빔 감지를 사용하면 감지 범위가 더 길어집니다. IR 방출기를 레이저 다이오드로 교체하면 고분해능과 정밀한 감지를 유지하면서 감지 거리를 더욱 향상할 수 있습니다.

광섬유

광섬유 센서는 스루빔 설계의 변형입니다. 광섬유 광전 센서에서는 송신기와 수신기가 단일 하우징에 함께 포장되어 있고 송신기와 수신기에는 별도의 광섬유 케이블이 사용됩니다. 고온 응용 분야와 위험하고 열악한 환경에서 사용하는 데 특히 적합한 센서입니다.

광전 센서 어레이

1221950 모델과 같은 RAY26 반사 어레이 광전 센서 제품군을 사용하면 평평한 물체도 신뢰성 높게 감지하고 빠르게 커미셔닝할 수 있습니다. 광전 센서를 반사판과 함께 사용하면 3mm 정도의 작고 평평하며 투명하거나 고르지 않은 물체도 감지할 수 있습니다. 광전 센서는 55mm 높이의 균일한 광 어레이 내에서 물체의 전연을 감지합니다. 즉, 구멍이 뚫린 물체도 복잡한 전환 없이 안정적으로 감지할 수 있습니다(그림 4).

그림 2: 광전 센서 어레이는 높이가 55mm인 필드에서 3mm 정도의 작은 물체도 감지할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

레이저 거리 센서

보관 컨테이너의 레벨 모니터링, 컨베이어 위의 물체 위치 감지, 자동 지게차 시스템에서 축의 XY 위치, 창고 및 오버헤드 컨베이어에서 크레인의 수직 위치, 코일 권선 중 지름 모니터링과 같은 응용 분야의 설계자는 DT50 레이저 거리 센서를 사용할 수 있습니다. 반사된 레이저 광을 사용하여 최대 수 미터까지 시간차(ToF) 거리 측정을 지원하여 주변 조명에 대한 내성과 정확하고 안정적인 작동을 제공합니다.

예를 들어 DT50-2B215252는 200mm ~ 30,000mm 범위와 다음과 같은 몇 가지 특수 기능을 지원합니다.

• IP65 및 IP67 등급의 인클로저를 갖춘 견고한 하우징
• 초당 최대 3,000회의 거리 측정 가능
• 0.83ms의 최소 응답 시간
• 산업용 로봇부터 보관 컨테이너의 충전 높이 측정까지 다양한 응용 분야를 지원하는 콤팩트 하우징

통계를 사용한 고분해능 측정

HDDM+(고분해능 거리 측정 플러스, High-Definition Distance Measurement Plus)는 레이저 거리, 광감지 및 거리 측정(LiDAR) 센서에 사용될 수 있는 고분해능 ToF 측정 기술입니다. 단일 펄스 또는 위상 상관관계 감지 기술과 달리, HDDM+는 통계적 측정 공정입니다.

센서 소프트웨어는 여러 레이저 펄스의 에코를 통계적으로 평가하여 유리창, 안개, 비, 먼지, 눈, 나뭇잎, 울타리, 기타 물체 등 전파 방해를 필터링하고 의도한 목표물까지 거리를 계산합니다. 거리 측정 결과는 까다로운 주변 조건에서도 높은 수준의 정확성을 제공합니다(그림 5).

그림 3: SICK의 HDDM+ 소프트웨어는 통계적 평가 공정을 사용하여 유리창, 안개, 비, 먼지, 눈, 나뭇잎, 울타리 같은 물품에서 '잡음'을 제거합니다. (이미지 출처: SICK)

HDDM+ 기술의 일반적인 응용 분야로는 전자 제품 생산의 품질 관리를 위한 거리 측정, 기계 및 플랜트 엔지니어링의 LiDAR 다차원 물체 감지 및 위치 결정, 산업용 크레인 또는 차량의 위치 결정 등이 있습니다.

HDDM+ 센서의 감지 범위는 역반사 테이프에서 최대 1.5km입니다. 예를 들어 DT1000-S11101 모델의 측정 범위는 최대 460m이며 자연물에 대한 일반적인 측정 정확도는 ±15mm이고 분해능은 0.001mm ~ 100mm 범위에서 조정할 수 있습니다.

유도형

SICK의 IME 계열과 같은 유도 근접 센서는 철 및 비철 금속 물체를 감지할 수 있습니다. 고주파 교류 전자기장을 생성하는 인덕터-커패시터(LC) 공진 회로로 구성됩니다. 금속 물체가 감지 범위 내에 들어오면 장이 감쇠되며, 감쇠는 신호 평가 회로와 출력 신호를 생성하는 증폭기에 의해 감지됩니다(그림 4).

그림 4: 기본 유도 근접 센서는 교류 전기장을 생성하는 LC 회로, 신호 평가기 및 증폭기로 구성됩니다. (이미지 출처: SICK)

여러 근접 센서 기술의 감지 거리에 대한 두 가지 중요한 사양은 공칭 감지 거리(Sn)와 보증 감지 거리(Sa)입니다. Sn에서는 제조 허용 오차 범위나 작동 온도와 같은 외부 영향을 고려하지 않고, Sa에서는 제조 허용 오차 범위와 작동 조건의 변화를 모두 고려합니다. Sa는 일반적으로 Sn 값의 약 81%입니다. 예를 들어 IME08-02BPSZT0S 유도 센서 모델의 경우 Sn은 2mm이고, Sa는 1.62mm입니다.

정전 용량 방식 감지

유도 센서와 마찬가지로 정전 용량 방식 근접 센서에서도 발진기를 사용합니다. 이 경우에는 센서의 활성 전극이 접지에 대해 정전기장을 생성하는 위치에 개방형 커패시터가 사용됩니다. 정전 용량 방식 센서는 금속 물체와 비금속 물체를 포함한 다양한 소재가 있는지 감지할 수 있습니다.

물체가 정전기장에 들어가면 재료의 유전체 특성에 따라 공진 회로에서 발진의 진폭이 달라집니다. 신호 평가기에서 변화를 감지하면 증폭기에서 출력 신호를 생성합니다(그림 5).

그림 5: 정전 용량 방식 근접 센서에서 발진 회로는 감지 대상이 전기장에 들어오면 특성을 변경하는 정전기장을 생성합니다. (이미지 출처: SICK)

유도 근접 센서와 마찬가지로 Sn, Sa, 감쇠 계수 등 정전 용량 방식 근접 센서의 감지 거리와 관련된 몇 가지 사양이 있습니다. 예를 들어 CM12-08EBP-KC1 모델의 Sn은 8mm이고 공칭 Sa는 5.76mm입니다.

감지할 물체는 적어도 센서 면만큼 커야 하며, 감지 거리는 소재의 감소 계수에 따라 달라집니다. 감소 계수는 소재의 유전체 상수와 관련이 있으며 1(금속과 물), 0.4(폴리염화비닐(PVC)), 0.6(유리), 0.5(세라믹) 등 다양합니다.

자기

자기 근접 센서는 자석의 존재에 반응합니다. SICK의 자기 근접 센서는 두 가지 감지 기술을 사용합니다.

• 거대 자기 저항(GMR) 센서는 자기장이 있을 때 값이 변하는 저항기를 기반으로 합니다. 휘트스톤 브리지는 저항의 변화를 감지하고 출력 신호를 생성하는 데 사용됩니다. T-슬롯 실린더용 MZT7-03VPS-KP0을 비롯한 MZT7 실린더 센서는 GMR 기술을 사용하여 공압 구동 및 유사한 응용 분야에서 피스톤 위치를 감지합니다.
• LC 기술은 작은 진폭으로 공명하는 공진 회로를 사용합니다. 외부 자기장이 접근하면 공진 진폭이 증가합니다. 신호 평가기에서 증가가 감지되면 증폭기에서 출력 신호를 생성합니다(그림 6). MM08-60APO-ZUA의 Sn은 60mm이고, Sa는 48.6mm입니다.

그림 6: 자기 근접 센서에서 자기장 프로브는 GMR 또는 LC 기술을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

초음파 센서

물체가 최대 8m 떨어진 경우, 설계자는 SICK의 UM30 제품군과 같은 초음파 센서를 사용할 수 있습니다. 온도 보정 기능이 통합되어 측정 정확도가 향상되고 색상과 무관하게 물체를 감지하고 먼지에 대한 내성이 있으며 최대 +70°C에서 작동합니다. 시간차 기술을 기반으로 거리를 측정합니다. 거리는 음속에 총 음향 시간차(t₂)를 곱한 값을 2로 나눈 값과 같습니다(그림 6).

그림 7: 초음파 센서는 음파의 총 시간차(t₂)를 기반으로 거리를 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

UM30-212111 모델과 같은 초음파 센서는 빈 토트 모니터링과 같은 응용 분야에 적합합니다. 내부 온도 모니터는 ±1%의 측정 정확도를 제공합니다. 색상에 무관한 이 센서는 먼지와 흙이 있는 곳에서도 구별하기 어려운 물체를 감지할 수 있습니다.

결론

다양한 근접 센서 기술과 거리 센서 기술을 선택할 수 있습니다. 즉, 모든 응용 분야의 요구 사항에 맞는 솔루션이 있습니다. 문제는 수많은 선택지를 분류하고 실제 응용 분야와 작동 조건에서 특정 소재를 감지할 수 있는 최적의 솔루션을 찾는 것입니다.