근접 센서 기본 사항: 산업 자동화에서 근접 센서 선택 및 사용

대부분의 산업 자동화(IA) 응용 제품은 물리적인 접촉 없이 물체 또는 사람의 존재 여부와 위치를 감지하여 대상 물체의 이동을 제약하거나 제한하지 않아야 합니다. 근접 센서는 이 역할에 가장 적합합니다. 하지만 근접 센서는 자기, 정전 용량, 유도, 광학 등 다양한 종류로 제공되며, 감지 대상 물체의 소재 구성이 센서의 물체 감지 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

근접 센서에 따라 철 금속을 감지하는 데 유용한 경우도 있고, 모든 종류의 금속을 감지할 수 있는 경우도 있고, 모든 종류의 물체와 사람까지 감지할 수 있는 경우도 있습니다. IA 응용 분야에서 근접 센서의 잠재적 사용자는 근접 센서 기술의 다양한 종류와 특정 감지 상황에서 적용 가능한지 여부를 알고 있어야 합니다.

이 기사에서는 다양한 종류의 센서에 대해 설명하고 감지 가능한 물체의 종류와 각 장치 유형의 공간 감도에 대해 자세히 살펴봅니다. Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. 및 Carlo Gavazzi Inc.의 샘플 장치가 예로 사용됩니다.

유도 근접 센서

유도 근접 센서는 전도성 물체(예: 금속)의 존재 유무를 감지하며, 감지 범위는 감지 대상 금속의 종류에 따라 다릅니다. 이 센서는 발진 회로에서 코일에 의해 생성되는 고주파 자기장을 사용하여 작동합니다. 전도 대상이 자기장에 접근하면 유도 전류 또는 와전류가 유도됩니다. 그러면 역자기장이 발생하여 유도 센서의 유도 용량을 효과적으로 줄입니다.

유도 근접 센서는 두 가지 방법으로 작동합니다. 첫 번째 작동 방법에서는 대상이 센서에 접근하면 유도 전류 흐름이 증가하여 발진 회로의 부하가 증가하고, 그로 인해 발진이 감쇠되거나 중단됩니다. 센서는 진폭 감지 회로를 통해 이 발진 상태 변화를 감지하고 감지 신호를 출력합니다.

대체 작동 체계에서는 전도 대상의 존재 유무에 따른 발진 진폭 대신 주파수 변화를 활용합니다. 알루미늄, 구리와 같은 비철 금속 대상이 센서에 접근하면 발진 주파수가 증가하고, 철, 강철과 같은 철 금속 대상이 접근하면 발진 주파수가 감소합니다. 레퍼런스 주파수에 비례하여 발진 주파수가 변경되면 센서의 출력 상태가 변경됩니다.

Texas Instruments LDC0851HDSGT는 주파수 변화를 활용하여 전자기장 내 전도성 물체의 존재 여부를 감지하는 근거리 유도 근접 스위치 센서의 예입니다(그림 1).

그림 1: LDC0851HDSGT 유도 근접 센서는 이중 유도 코일(감지 코일 및 레퍼런스 코일)을 사용하여 감지 코일 근처 대상 물체로 인한 유도 용량 차이를 측정합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

LDC0851 유도 근접 스위치는 재/부재 감지, 이벤트 계산, 간단한 푸시 버튼과 같이 감지 범위가 10mm(0.39인치) 미만인 무접촉 감지 응용 분야에 적합합니다. 이 장치는 전도성 물체가 감지 코일에 가깝게 접근하면 출력 상태를 변경합니다. 차동 구현(감지 코일과 레퍼런스 코일을 사용하여 시스템의 상대적 유도 용량 결정)과 히스테리시스는 기계적 진동, 온도 변화 또는 습도 영향에 내성이 있는 안정적인 전환을 보장하기 위해 사용됩니다.

LDC0851HDSGT의 유도 픽업 코일은 단일 센서 커패시터를 통해 3MHz ~ 19MHz 범위 내의 발진 주파수를 설정하도록 조정됩니다. 푸시풀 출력은 감지 유도 용량이 레퍼런스 유도 용량보다 작으면 Low 상태이고, 감지 유도 용량이 레퍼런스 유도 용량보다 크면 High 상태로 복귀됩니다.

자기 근접 센서

움직이는 금속 부품의 위치와 속도를 측정하는 데 사용되는 자기 근접 감지기는 홀 효과 센서와 같은 능동 소자이거나, 가변 자기 저항(VR) 센서(Red Lion Controls의 MP62TA00 나선형 자기 픽업)(그림 2, 왼쪽)와 같은 수동 소자일 수 있습니다. VR 근접 센서는 자기 저항(전기 회로의 전기 저항과 유사)의 변화를 측정하며, 영구 자석, 극편, 원통형 케이스에 담긴 감지 코일로 구성됩니다.

그림 2: VR 자기 픽업(왼쪽)은 극편과 센서 하우징(오른쪽) 사이의 자기장 변화를 감지하는 수동 소자 센서입니다. (이미지 출처: Art Pini, Red Lion Controls의 MP62TA00 이미지 사용)

강자성 물체가 극편에 가깝게 접근하면 자기장이 변경됩니다. 그러면 신호 코일에서 신호 전압이 발생합니다. 신호 전압의 크기는 대상 물체의 크기, 속도, 극편과 물체 사이의 간격에 따라 달라집니다. 움직이는 대상 물체만 VRS에서 감지됩니다. MP62TA00 나선형 자기 픽업은 작동 온도 범위가 -40°C ~ +107°C인 에폭시로 밀봉된 근접 VR 센서입니다. 또한 25.4mm(1인치) 길이에 ¼UNS ~ 40UNS 나선형 바디로 되어 있습니다.

VR 센서는 수동 소자이므로 전원이 필요하지 않습니다. 따라서 회전하는 기계를 측정하는 데 일반적으로 사용됩니다. 예를 들어, MP62TA00과 같은 VR 픽업은 철제 장비, 스프로켓 또는 타이밍 벨트 휠에서 수동 소자 톱니를 감지하는 데 널리 사용되며, 볼트 헤드, 키홈 또는 기타 빠르게 움직이는 금속 대상을 감지하는 데에도 사용됩니다(그림 3).

그림 3: VR 센서는 회전하는 기계에서 장비 톱니, 캠, 키홈 등을 감지하는 데 널리 사용됩니다. (이미지 출처: Red Lion Controls)

회전 속도를 측정하는 회전 속도계로 사용되며, 쌍으로 적용되어 회전 샤프트 편심성을 측정하는 데에도 사용됩니다.

두 번째 자기 센서 유형은 홀 효과를 사용하여 자기장의 존재 유무를 감지합니다. 홀 효과는 전류가 흐르는 컨덕터와 컨덕터의 평면에 직교하는 자기장 사이의 상호 작용을 설명합니다. 전류가 흐르는 컨덕터가 자기장 안으로 들어오면 전류와 자기장 모두에 직교하는 전압(홀 전압)이 발생합니다. 홀 전압은 자기장의 자속 밀도에 비례하며 자기화된 대상이 필요합니다.

Littelfuse Inc.의 55100-3H-02-A는 디지털 출력 또는 프로그래밍 가능한 아날로그 전압 출력으로 작동되는 플랜지 실장 홀 효과 센서입니다(그림 4).

그림 4: 55100-3H-02-A 플랜지 실장 홀 효과 근접 센서와 전압 출력의 제품 구성도 및 사진 (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

55100-3H-02-A는 크기가 25.5mm x 11mm x 3mm이며 3선식 전압 출력 또는 2선식 전류 출력으로 작동됩니다. 어느 버전이든 중간(130Gauss), 높음(59Gauss) 또는 프로그래밍 가능한 감도를 제공합니다. 이 소자는 높은 감도를 제공하며 지정된 자석을 사용할 경우 작동 범위가 18mm(0.709인치)입니다. 풀다운 출력에서 최대 24V DC 및 20mA로 싱크 가능합니다.

이 센서는 최대 10kHz의 스위칭 속도로 작동 가능하며 동적 자기장과 정적 자기장을 모두 감지할 수 있습니다. 정적 자기장 감지 기능은 홀 효과 센서의 주요 이점으로, 닫혀 있는 도어나 고정 위치 물체를 감지하는 데 사용될 수 있습니다.

광학 근접 센서

광학 근접 센서는 빛(적외선 또는 가시광선)을 사용하여 물체를 감지합니다. 이 센서는 빛을 차단하거나 반사하는 자기 또는 금속 대상이 필요하지 않다는 이점이 있습니다. 기본적으로 광학 센서는 빛을 방사하여 대상 물체에 반사되는 빛을 모니터링합니다(그림 5, 왼쪽).

그림 5: 광학 근접 센서는 광선을 방사한 후 대상에서 반사되는 빛을 감지하여 대상 물체를 찾습니다. (이미지 출처: Art Pini)

Omron Electronics Inc.의 EE-SY1200은 광학 근접 센서의 좋은 예입니다(그림 5, 오른쪽). 이 센서는 850nm의 적외선 파장에서 작동하는 모든 인쇄 회로 기판(pc 기판)에 실장되는 초소형 광 센서입니다. 1.9mm x 3.2mm x 1.1mm(0.0748인치 x 0.126인치 x 0.043인치) 크기에 작동 온도 범위가 -25°C ~ +85°C인 표면 실장 패키지에 실장된 LED 방출기와 광 트랜지스터 쌍으로 구성됩니다. 권장 감지 거리 범위는 1.0mm ~ 4.0mm(0.039인치 ~ 0.157인치)입니다.

이 센서는 크기가 작아서 기판에 실장되므로 자동 포장 기계에서 금속화된 마일라 소재 조정과 같은 응용 분야에 적합합니다.

초음파 근접 센서

초음파 기반 근접 센서를 사용하면 강화된 감지 거리 요구 사항(예: 드라이브인 창에서 차량 감지)을 충족할 수 있습니다. 이 센서는 7m 이내의 거리에서 모든 종류의 물체를 감지합니다. 센서 송신기에서 방사되어 대상 물체에 반사된 후 센서 수신기에 픽업되는 초음파 펄스의 비행 시간을 기초로 측정합니다(그림 6).

그림 6: 초음파를 사용한 거리 측정에서는 감지 범위에서는 송신기의 초음파 버스트(왼쪽) 후 반사된 펄스가 도착할 때까지(오른쪽) 시간을 측정합니다. 이 시간은 센서에서 대상 물체까지 초기 버스트 비행 시간의 2배입니다. (이미지 출처: Art Pini)

펄스가 송신된 후 반사된 펄스가 수신될 때까지 시간은 센서에서 대상 물체까지 왕복 비행 시간을 나타냅니다. 전파 속도와 비행 시간을 알면 거리를 계산할 수 있습니다. 표시된 예에서 비행 시간은 3.1ms입니다. 70°F에서 공기 중 소리의 속도는 초당 1128피트이므로, 물체까지 총 왕복 거리는 3.96피트입니다. 센서에서 물체까지 거리는 비행 시간의 1/2 또는 1.98피트입니다.

MatBotix Inc.의 MB1634-000은 측정 범위가 5m(16.4피트)인 초음파 근접 센서입니다. 이 센서는 2.5V ~ 5.5V의 전원이 필요합니다. 42kHz 주파수에서 작동하는 이 센서는 대상까지 거리를 아날로그 전압, 펄스 폭 또는 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리) 직렬 데이터 스트림으로 출력합니다. 또한 1입방인치(22.23mm x 38.05mm x 14.73mm(0.875인치 x 1.498인치 x 0.58인치)) 미만의 단일 패키지에서 대상 크기 변화, 작동 전압 및 내부 온도(선택적으로 외부 온도 보정)를 모두 보정합니다(그림 7).

그림 7: MB1634-000은 송/수신 트랜스듀서가 실장된 5m 범위 초음파 거리 측정기 조립품입니다. (이미지 출처: MaxBotix Inc.)

정전 용량 방식 근접 센서

정전 용량 방식 근접 센서는 파우더, 낱알, 액체 및 고체에서 금속 및 비속금 대상을 감지할 수 있습니다. 좋은 예로 Carlo Gavazzi의 CD50CNF06NO가 있습니다(그림 8). 이 장치는 유도 센서의 감지 코일이 정전 용량 방식 감지 플레이트로 대체된 점만 제외하고 일반적으로 유도 센서와 비슷합니다. 이 장치는 보관 탱크에서 액위를 감지하는 데 가장 널리 사용됩니다.

그림 8: 일반 정전 용량 방식 근접 센서(왼쪽)에서 커패시터는 커패시터 감지 플레이트와 외부 대상 물체로 구성되며, 정전 용량 값에 따라 발진기의 주파수가 결정됩니다. Carlo Gavazzi의 CD50CNF06NO(오른쪽)는 액위를 모니터링하기 위한 정전 용량 방식 근접 센서입니다. (이미지 출처: Art Pini)

커패시터는 센서의 감지 플레이트와 대상 물체로 구성되며, 물체까지 거리에 따라 정전 용량이 달라집니다. 감지 대상의 정전 용량에 따라 발진기의 주파수가 결정됩니다. 임계 주파수에 도달할 때마다 출력 상태를 전환하기 위해 감지 대상 정전 용량을 모니터링합니다.

CD50CNF06N0은 액위를 모니터링하는 데 사용됩니다. 이 센서는 평상시 열림 모드에서 구성된 개방형 콜렉터 NPN 트랜지스터가 실장된 3선식 센서입니다. 이 센서는 10V DC ~ 30V DC의 전원 공급 장치가 필요합니다. 이 센서는 50mm x 30mm x 7mm(1.97인치 x 1.18인치 x 0.28인치) 패키지로 제공되며 감지 범위는 6mm(0.24인치)입니다. 평준위 감지 응용 분야에서 이 센서는 비금속 탱크 외부에 나사 또는 접착제로 고정됩니다.

결론

근접 센서는 다양한 응용 분야에 적합한 다양한 기술을 채택합니다. 센서 종류에 따라 근접 센서는 몇 밀리미터부터 5미터 이상 감지 거리에서 금속 대상과 비금속 대상을 모두 감지할 수 있습니다. 협소한 공간에서 작동 가능한 콤팩트한 크기이므로 대부분의 열악한 환경에서 작동할 수 있습니다. 이 기술 범위는 사용자에게 무수한 근접 감지 요구 사항을 충족하는 다양한 선택지를 제공합니다.