초음파 센서의 이해

초음파 센서의 수명과 인기는 이 센서가 저렴하고 고도로 적응 가능하며 다양한 응용 분야에서 사용 가능하다는 사실에 기인할 수 있습니다. 이 센서의 적응성은 최근에 자율 주행 차량, 산업용 드론 및 로봇 장비와 같은 최신 기술에서도 사용된다는 것을 의미합니다. 이 기사에서는 초음파 센서의 작동 원리를 설명하고 장점과 단점을 고려하며 가장 일반적인 응용 분야를 검토합니다.

초음파 센서란?

초음파라는 용어는 인간의 청력 범위(20kHz)를 벗어난 오디오 주파수를 나타냅니다. 초음파 센서는 이러한 주파수를 사용하여 존재를 감지하거나 원격 물체에 대한 거리를 계산합니다.

초음파 센서의 작동 방식

초음파 센서의 기본 작동은 박쥐가 비행 중에 곤충을 찾기 위해 반향 위치를 사용하는 방법과 유사합니다. 송신기는 23kHz ~ 40kHz 사이의 주파수를 포함하는 '처프'라는 고주파 음파의 짧은 버스트를 방출합니다. 이 소리의 펄스가 물체에 부딪히면 일부 음파는 수신기로 다시 반사됩니다. 센서가 초음파 신호를 송신한 후 수신할 때까지의 시간을 측정하여, 다음 방정식을 통해 물체까지의 거리를 계산할 수 있습니다.

여기서,

d = 거리(미터)

t = 송신부터 수신까지의 시간(초)

c = 소리의 속도(343미터/초)입니다.

d는 음파가 양방향으로 이동한 거리를 측정한 값입니다. 한 방향으로 이동하는 시간을 계산하려면 0.5를 곱해야 하며, 이는 궁극적으로 물체까지의 거리와 같습니다.

가장 간단한 초음파 센서는 송신기와 수신기가 서로 인접하도록 구성됩니다(그림 1). 이 배열은 송신기에서 직선으로 이동하는 소리의 양을 최대화하고 수신기로 다시 직선으로 반사하므로 측정 오차를 줄이는 데 도움이됩니다.

초음파 트랜시버는 단일 인클로저 내에 송신기와 수신기를 결합합니다. 이는 측정 정확도를 더욱 향상시키면서(송신기와 수신기 사이의 거리를 최소화하여) 기판 공간을 줄이는 추가적인 이점을 갖습니다.

그림 1: 기본 초음파 송신기/수신기 배열. (이미지 출처: Same Sky)

센서의 판독값을 기준으로 물체까지의 거리를 계산할 경우 여러 요인을 고려해야 합니다. 소리는 자연스럽게 모든 방향(세로 및 가로)으로 이동하므로 음파가 송신기에서 멀리 이동할수록 더 넓은 영역으로 퍼질 가능성이 커집니다. 이는 마치 손전등에서 빛이 퍼지는 것과 비슷합니다(그림 2).

이러한 이유로 초음파 센서는 표준 감지 영역이 아니라 빔 각도 또는 빔 폭에 대해 사양이 지정됩니다. 일부 제조업체는 송신기의 센서 빔을 전체 각도 편차로 지정하는 반면 다른 제조업체는 직선 편차로 지정합니다. 서로 다른 제조업체의 센서를 비교할 때 센서 빔 각도를 지정하는 방법을 아는 것이 중요합니다.

그림 2: 빔 각도는 센서 선택을 이해하는 데 중요한 사양입니다. (이미지 출처: Same Sky)

빔 각도는 또한 초음파 센서의 작동 범위와 정확도에 영향을 미칩니다. 좁고 집중된 빔을 전송하는 센서는 더 넓은 빔을 생성하는 센서보다 물리적으로 더 멀리 있는 물체를 감지할 수 있습니다. 빔이 감지하기에 너무 넓게 확산되기 전에 더 먼 거리를 이동할 수 있기 때문입니다. 또한 이를 통해 센서가 더 정확하게 물체를 감지할 수 있으며 원격 본체가 존재한다는 잘못된 표시를 제공할 가능성이 적어집니다. 와이드 빔 센서의 경우, 정확도는 떨어지지만 더 넓은 영역에서 범용 물체 감지를 필요로 하는 응용 분야에 사용하는 데 적합합니다.

동등하게 중요한 고려 사항은 아날로그 센서를 사용할 것인지 또는 디지털 센서를 사용할 것인지 선택하는 것입니다. 아날로그 센서는 초음파 처프를 생성하고 해당하는 에코를 수신하는 역할만 합니다. 이 에코는 이후에 물체 거리 계산을 수행하는 시스템 마이크로 컨트롤러에서 사용할 수 있도록 디지털 형식으로 변환되어야 합니다. 시스템 설계자는 계산 시 아날로그에서 디지털로의 변환 지연에 대한 허용을 고려해야 합니다. 오디오 신호를 생성하고 수신하는 것 이외에, 디지털 초음파 센서 모듈에는 통신 버스를 통해 마스터 시스템 마이크로 컨트롤러로 이 수치를 전송하기 전에 거리 계산을 수행하는 슬레이브 마이크로 컨트롤러도 포함되어 있습니다.

또한 시스템 엔지니어는 별도의 송신기 및 수신기(다른 이산 부품과 함께)를 사용하여 맞춤형 센서를 설계할지 아니면 완전히 통합된 트랜시버를 사용할지 결정해야 합니다(그림 3). 개별 송신기 및 수신기와 비교하여, 통합 초음파 트랜시버는 크기가 작고(따라서 PCB 공간이 절약됨), 사용이 간편하고, 일부 응용 분야에서 정확도가 향상된다는 장점이 있습니다. 그러나, 센서가 응용 분야에 맞게 설계되는 방식을 조정할 수 있는 자유도가 떨어지고 제약 조건이 더 커집니다.

그림 3: 별도의 초음파 송신기 및 수신기와 통합 초음파 트랜시버 모듈. (이미지 출처: Same Sky)

이점

다른 유형의 근접/존재 감지 센서 대신 초음파 센서를 사용할지에 대한 결정은 대개 응용 분야에 따라 달라집니다. 그러나 초음파 센서는 다음과 같은 여러 장점을 제공합니다.

• 광학 센서 및 IR 센서와 달리 초음파 센서는 색상에 독립적으로 작동합니다. 즉, 물체의 색상이 측정 정확도에 영향을 미치지 않음을 의미합니다.
• 마찬가지로, 유리 및 물과 같이 반투명하거나 투명한 재료도 성능에 부정적인 영향을 미치지 않습니다.
• 넓은 범위에 걸쳐(대개 수 센티미터에서 수 미터에 이르는 범위) 물체 감지 및 거리 측정을 위한 뛰어난 유연성을 제공하지만 최대 20미터까지 작동하도록 맞춤 설계할 수 있습니다.
• 일관되고 안정적으로 수행할 수 있는 복잡하지 않은 물리적 원칙을 기반으로 하여 세월의 시험을 견뎌냈습니다.
• 정교하지는 않지만 측정 오차가 1% 이하로 놀라울 정도로 정확합니다.
• 초당 여러 번의 측정이 요구되는 응용 제품에서 높은 '재생률'로 작동하도록 설계할 수 있습니다.
• 쉽게 구할 수 있고 상대적으로 저렴한 부품을 사용하여 구성할 수 있습니다.
• 전기적 잡음에 대해 높은 내성을 제공하며, 배경 음향 잡음의 영향을 극복하기 위해 특별히 인코딩된 정보로 '처프'를 전송하도록 설계할 수 있습니다.

제한 사항

초음파 센서는 다른 센서 유형에 비해 많은 이점과 장점을 제공하지만 몇 가지 단점도 있습니다.

• 온도 및 습도가 소리의 속도에 영향을 줍니다. 이는 환경 조건이 거리 측정의 정확성과 안정성에 영향을 미칠 수 있으며 추가로 보상 회로망이 필요할 수도 있음을 의미합니다.
• 초음파 센서는 거리 측정 또는 물체 감지를 제공하는 데만 사용할 수 있으며 물체 위치를 나타내거나 물체의 모양 또는 색상에 대한 정보를 제공하지 않습니다.
• 산업용 및 자동차용 제품에는 적합하지만 작은 내장형 응용 제품에서는 크기가 문제가 될 수 있습니다.
• 대부분의 센서와 마찬가지로 습도, 극한의 온도, 열악한 조건에 취약하여 성능에 부정적 영향을 미치거나 사용 불가능한 상태가 될 수도 있습니다.
• 소리는 이동할 수 있는 매체가 필요합니다. 즉, 진공 상태에서 작동하는 응용 제품에서는 초음파 센서를 사용할 수 없습니다.

일반 응용 분야

초음파 센서는 일반적으로 용기의 액위를 감지하는 데 사용됩니다. 이 센서는 감지되는 액체의 색상(또는 부족)에 영향을 받지 않으므로 이 응용 분야에 특히 적합합니다. 또한, 액체에 접촉하지 않기 때문에 휘발성 물질을 검출할 경우 안전 문제가 없습니다.

단순성과 상대적으로 저렴한 비용 덕분에 범용 물체 감지 응용 제품에서도 일반적입니다. 이러한 응용 분야에 대한 몇 가지 예에는 차량 및 사람 감지가 포함됩니다(그림 4). 또한 팔레트/박스 분류를 위한 공장, 음료 충전 기계 및 생산 라인의 물체 카운팅에도 사용됩니다.

그림 4: 자율 진공 청소기는 초음파 센서를 사용하여 충돌을 회피할 수 있습니다. (이미지 출처: Same Sky)

송신기 및 수신기는 특정 응용 제품에서 독립적으로 사용될 수도 있습니다. 고주파 처프는 동물(인간보다 청력 임계값이 더 높음)이 들을 수 있으므로 동물 제지 응용 제품에 사용할 수도 있습니다. 반면에 수신기는 보안 시스템의 일부로 소리 감지에 사용할 수 있습니다.

요약

성숙하고 잘 알려진 물리적 원리에 기반한 상대적 단순성 및 다목적성과 저렴한 비용을 결합한 초음파 센서는 세월의 시험을 견딜 수 있었습니다. 다양한 소비자 및 산업 응용 분야에서 거리 측정 및 존재 감지에 일반적으로 사용되는 초음파 센서는 앞으로도 더 새롭고 더 까다로운 응용 분야에서 계속 사용될 것임을 보여주었습니다.