위치 센서
이 튜토리얼에서는 입력 장치 로 분류되어 "센서"라고 불리는 다양한 장치, 특히 위치 특성이 있는 센서를 살펴보겠습니다.
이름에서 알 수 있듯이 위치 센서는 어떤 것의 위치를 감지합니다. 이는 고정된 지점이나 위치를 참조하거나 그로부터 참조된다는 의미입니다. 이러한 유형의 센서는 "위치" 피드백을 제공합니다.
위치를 결정하는 한 가지 방법은 고정된 지점에서 이동하거나 이동한 거리와 같은 두 지점 사이의 거리인 "거리"를 사용하거나 "회전"(각도 이동)을 사용하는 것입니다. 예를 들어, 로봇 바퀴를 회전시켜 지면을 따라 이동한 거리를 결정합니다. 어느 쪽이든 위치 센서는 선형 센서를 사용하여 직선으로 물체의 움직임을 감지하거나 회전 센서를 사용하여 각도 이동 을 감지할 수 있습니다 .
위치 센서로서의 전위차계
모든 "위치 센서" 중에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 위치 센서가 저렴하고 사용하기 쉽기 때문에 전위차계 입니다. 이는 트랙을 따라 움직일 때 각도(회전) 또는 선형(슬라이더 유형)일 수 있는 기계식 샤프트에 연결된 와이퍼 접점을 사용합니다.
이러한 움직임으로 인해 와이퍼/슬라이더와 두 끝 연결 사이의 저항 값이 변경되어 저항 트랙의 실제 와이퍼 위치와 저항 값 사이에 비례 관계가 있는 전기 신호 출력이 제공됩니다. 즉, 저항은 물리적 위치에 비례합니다.
전위차계
전위차계는 일반적으로 사용 가능한 원형 회전 유형 또는 더 길고 평평한 선형 슬라이더 유형과 같은 다양한 디자인과 크기로 제공됩니다. 위치 센서로 사용될 때 움직이는 물체는 전위차계의 회전 샤프트 또는 슬라이더에 직접 연결됩니다.
저항성 요소를 형성하는 두 개의 외부 고정 연결부에 DC 기준 전압이 적용됩니다. 출력 전압 신호는 아래와 같이 슬라이딩 접점의 와이퍼 단자에서 가져옵니다.
이 구성은 샤프트 위치에 비례하는 전위 또는 전압 분배기 유형 회로 출력을 생성합니다. 예를 들어 전위차계의 저항 요소에 10V의 전압을 적용하면 최대 출력 전압은 10V의 공급 전압과 같고 최소 출력 전압은 0V와 같습니다. 그런 다음 전위차계 와이퍼는 출력 신호를 0에서 10볼트까지 변경하며, 5볼트는 와이퍼나 슬라이더가 중간 위치 또는 중앙 위치에 있음을 나타냅니다.
전위차계 구성
전위차계의 출력 신호(Vout)는 저항 트랙을 따라 이동할 때 중앙 와이퍼 연결에서 가져오며 샤프트의 각도 위치에 비례합니다.
간단한 위치 감지 회로의 예
저항성 전위차계 위치 센서에는 저렴한 비용, 낮은 기술, 사용 용이성 등 많은 장점이 있지만 위치 센서로서 움직이는 부품으로 인한 마모, 낮은 정확도, 낮은 반복성 및 제한된 주파수 응답 등 많은 단점도 있습니다.
그러나 전위차계를 위치 센서로 사용하는 데에는 한 가지 주요 단점이 있습니다. 와이퍼나 슬라이더의 이동 범위(따라서 획득되는 출력 신호)는 사용되는 전위차계의 물리적 크기로 제한됩니다.
예를 들어, 단일 회전 회전 전위차계는 일반적으로 0 ° 에서 최대 약 240°~330 ° 사이의 고정된 기계적 회전만 갖습니다 . 그러나 최대 3600o(10 x 360o)의 기계적 회전이 가능한 다중 회전 포트 도 사용할 수 있습니다.
대부분의 전위차계 유형은 저항 트랙에 탄소 필름을 사용하지만 이러한 유형은 전기적으로 시끄럽고(무선 볼륨 조절기의 딱딱거리는 소리) 기계적 수명도 짧습니다.
직선형 와이어 또는 감긴 코일 저항 와이어 형태의 가변저항기라고도 알려진 권선형 포트도 사용할 수 있지만, 와이어형 포트는 와이퍼가 한 와이어 세그먼트에서 다음 와이어 세그먼트로 점프하여 로그( LOG) 출력으로 인해 출력 신호에 오류가 발생했습니다. 이들 역시 전기적 소음으로 인해 어려움을 겪습니다.
고정밀, 저소음 애플리케이션을 위해 전도성 플라스틱 저항 요소 유형 폴리머 필름 또는 서멧 유형 전위차계를 사용할 수 있습니다. 이 포트는 부드러운 저마찰 전기 선형(LIN) 저항 트랙을 갖추고 있어 저소음, 긴 수명, 뛰어난 분해능을 제공하며 다중 회전 장치와 단일 회전 장치로 모두 사용 가능합니다. 이러한 유형의 고정밀 위치 센서의 일반적인 응용 분야는 컴퓨터 게임 조이스틱, 스티어링 휠, 산업 및 로봇 응용 분야입니다.
유도 위치 센서
선형 가변 차동 변압기
기계적 마모 문제를 겪지 않는 위치 센서의 한 가지 유형은 "선형 가변 차동 변압기" 또는 줄여서 LVDT 입니다. 움직임을 측정하는 데 사용되는 AC 변압기와 동일한 원리로 작동하는 유도형 위치 센서입니다. 이는 선형 변위를 측정하는 매우 정확한 장치이며 그 출력은 이동식 코어의 위치에 비례합니다.
기본적으로 중공 튜브 포머에 감겨진 3개의 코일로 구성됩니다. 하나는 1차 코일을 형성하고 다른 2개의 코일은 전기적으로 직렬로 연결되지만 1차 코일의 양쪽에서 180도 위상 이 다른 동일한 2차 코일을 형성합니다 .
측정 대상에 연결된 이동식 연철 강자성 코어(때때로 "전기자"라고도 함)는 LVDT의 관형 몸체 내부에서 미끄러지거나 위아래로 움직입니다.
"여기 신호"(2 – 20V rms, 2 – 20kHz)라고 하는 작은 AC 기준 전압이 1차 권선에 적용되고 이는 차례로 두 개의 인접한 2차 권선에 EMF 신호를 유도합니다(변압기 원리).
연철 자기 코어 전기자가 정확히 튜브와 권선의 중앙("영 위치")에 있는 경우 두 개의 2차 권선에 유도된 두 EMF는 위상이 180도 다르기 때문에 서로 상쇄되므로 결과 출력은 전압은 0입니다. 코어가 이 널 또는 0 위치에서 한쪽 또는 다른 쪽으로 약간 이동함에 따라 2차측 중 하나의 유도 전압이 다른 2차측의 유도 전압보다 커지고 출력이 생성됩니다.
출력 신호의 극성은 이동 코어의 방향과 변위에 따라 달라집니다. 중앙 널 위치에서 연철 코어의 움직임이 클수록 결과적인 출력 신호도 커집니다. 그 결과 코어 위치에 따라 선형적으로 변화하는 차동 전압 출력이 생성됩니다. 따라서 이러한 유형의 위치 센서의 출력 신호는 코어 변위의 선형 함수인 진폭과 이동 방향을 나타내는 극성을 모두 갖습니다.
출력 신호의 위상은 1차 코일 여기 위상과 비교될 수 있으므로 AD592 LVDT 센서 증폭기와 같은 적합한 전자 회로가 자기 코어가 코일의 어느 절반에 있는지 파악하여 이동 방향을 알 수 있습니다.
선형 가변 차동 변압기
전기자가 중앙 위치를 통해 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하면 출력 전압은 최대에서 0으로 변경되었다가 다시 최대로 변경되지만 그 과정에서 위상각이 180도 변경됩니다. 이를 통해 LVDT는 크기가 중심 위치로부터의 이동량을 나타내고 위상각이 코어의 이동 방향을 나타내는 출력 AC 신호를 생성할 수 있습니다.
선형 가변 차동 변압기(LVDT) 센서의 일반적인 응용 분야는 측정되는 압력이 다이어프램을 밀어 힘을 생성하는 압력 변환기로 사용됩니다. 그런 다음 힘은 센서에 의해 판독 가능한 전압 신호로 변환됩니다.
저항성 전위차계에 비해 선형 가변 차동 변압기(LVDT)의 장점은 선형성, 즉 변위에 대한 전압 출력이 우수하고 매우 우수한 정확도, 우수한 분해능, 높은 감도 및 마찰 없는 작동이라는 점입니다. 또한 적대적인 환경에서도 사용할 수 있도록 밀봉되어 있습니다.
유도형 근접 위치 센서
일반적으로 사용되는 또 다른 유형의 유도 위치 센서는 와전류 센서 라고도 불리는 유도 근접 센서 입니다 . 실제로 변위나 각도 회전을 측정하지는 않지만 주로 물체 앞이나 근접 거리에 있는 물체의 존재를 감지하는 데 사용되므로 이름이 "근접 센서"입니다.
근접 센서는 리드 스위치인 가장 간단한 자기 센서를 사용하여 감지를 위해 자기장을 사용하는 비접촉 위치 센서입니다. 유도 센서에서는 전자기장 내에서 철심 주위에 코일이 감겨져 유도 루프를 형성합니다.
강자성 금속판이나 금속 나사와 같은 유도 센서 주위에 생성된 와전류 장 내에 강자성 물질을 배치하면 코일의 인덕턴스가 크게 변경됩니다. 근접 센서 감지 회로는 이러한 변화를 감지하여 출력 전압을 생성합니다. 따라서 유도형 근접 센서는 패러데이의 인덕턴스 법칙 의 전기적 원리에 따라 작동합니다 .
유도형 근접 위치 센서
유도형 근접 센서에는 네 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 전자기장 을 생성하는 발진기, 자기장 을 생성하는 코일 , 물체가 들어갈 때 필드의 변화를 감지하는 감지 회로 , 상시 폐쇄(NC) 또는 상시 폐쇄형 출력 신호를 생성하는 출력 회로 (NO) 연락처를 엽니다.
유도형 근접 센서를 사용하면 물체 자체의 물리적 접촉을 감지하지 않고도 센서 헤드 앞에 있는 금속 물체를 감지할 수 있습니다. 따라서 더럽거나 습한 환경에서 사용하기에 이상적입니다. 근접 센서의 "감지" 범위는 일반적으로 0.1mm ~ 12mm로 매우 작습니다.
근접 센서
산업용 애플리케이션뿐만 아니라 유도형 근접 센서는 교차로와 교차로에서 신호등을 변경하여 교통 흐름을 제어하는 데에도 일반적으로 사용됩니다. 직사각형의 유도 와이어 루프가 활주로 도로 표면에 묻혀 있습니다.
자동차나 기타 도로 차량이 이 유도 루프를 통과하면 차량의 금속 본체가 루프 인덕턴스를 변경하고 센서를 활성화하여 신호등 컨트롤러에 대기 중인 차량이 있음을 알립니다.
이러한 유형의 위치 센서의 주요 단점 중 하나는 "전방향성"입니다. 즉 금속 물체의 위, 아래 또는 측면을 감지합니다. 또한 정전용량형 근접 센서 와 초음파 근접 센서를 사용할 수 있지만 비금속 물체는 감지하지 못합니다 . 일반적으로 사용되는 기타 자기 위치 센서에는 리드 스위치, 홀 효과 센서 및 가변 자기 저항 센서가 포함됩니다.
위치 센서로서의 로터리 인코더
로터리 엔코더는 앞서 언급한 전위차계와 유사한 또 다른 유형의 위치 센서이지만 회전 샤프트의 각도 위치를 아날로그 또는 디지털 데이터 코드로 변환하는 데 사용되는 비접촉 광학 장치입니다. 즉, 기계적 움직임을 전기 신호(바람직하게는 디지털)로 변환합니다.
모든 광학 인코더는 동일한 기본 원리로 작동합니다. LED 또는 적외선 광원의 빛은 필수 코드 패턴(바이너리, 그레이 코드 또는 BCD)이 포함된 회전하는 고해상도 인코딩 디스크를 통과합니다. 사진 감지기는 디스크가 회전할 때 디스크를 스캔하고 전자 회로는 샤프트의 실제 각도 위치를 결정하는 카운터나 컨트롤러에 공급되는 이진 출력 펄스 스트림으로 정보를 디지털 형식으로 처리합니다.
회전식 광학 인코더에는 증분형 인코더 와 절대 위치 인코더 의 두 가지 기본 유형이 있습니다 .
증분 인코더
인코더 디스크
직교 엔코더 또는 상대 회전 엔코더라고도 알려진 증분 엔코더 는 두 위치 센서 중 가장 간단합니다. 이들의 출력은 코딩된 디스크로서 광전지 배열에 의해 생성된 일련의 구형파 펄스로, 표면에 세그먼트라고 불리는 균일한 간격의 투명하고 어두운 선이 광원을 지나 이동하거나 회전합니다. 인코더는 계산 시 회전 샤프트의 각도 위치를 나타내는 구형파 펄스 스트림을 생성합니다.
증분 인코더에는 "구적 출력"이라고 하는 두 개의 별도 출력이 있습니다. 이 두 출력은 출력 시퀀스에서 결정되는 샤프트의 회전 방향에 따라 서로 90o 위상차 로 변위됩니다 .
디스크의 투명하고 어두운 세그먼트 또는 슬롯의 수는 장치의 해상도를 결정하며 패턴의 라인 수를 늘리면 회전 각도당 해상도가 증가합니다. 일반적인 인코딩된 디스크의 해상도는 최대 256펄스 또는 회전당 8비트입니다.
가장 간단한 증분 인코더를 타코미터라고 합니다. 단일 구형파 출력이 있으며 기본 위치 또는 속도 정보만 필요한 단방향 응용 분야에 자주 사용됩니다. "구적법" 또는 "사인파" 인코더가 더 일반적이며 일반적으로 채널 A 와 채널 B 라고 하는 두 개의 출력 구형파를 갖습니다 . 이 장치는 서로 약간 90 ° 오프셋된 두 개의 광 검출기를 사용하여 두 개의 별도 사인 및 코사인 출력 신호를 생성합니다.
단순 증분 인코더
Arc Tangent 수학 함수를 사용하여 라디안 단위의 샤프트 각도를 계산할 수 있습니다. 일반적으로 회전 위치 인코더에 사용되는 광 디스크는 원형이므로 출력 분해능은 θ = 360/n 으로 지정됩니다 . 여기서 n은 코딩된 디스크의 세그먼트 수와 같습니다.
예를 들어, 증분 인코더에 1o 의 분해능을 제공하는 데 필요한 세그먼트 수는 1o = 360/n이므로 n = 360 창 등이 됩니다 . 또한 회전 방향은 어떤 채널이 생성하는지에 따라 결정됩니다. 출력이 먼저 나오며, 채널 A 또는 채널 B는 두 가지 회전 방향을 제공합니다. A는 B를 리드하고 B는 A를 리드합니다. 이 배열은 아래에 나와 있습니다.
증분 인코더 출력
위치 센서로 사용될 때 증분형 인코더의 주요 단점 중 하나는 주어진 회전 내에서 샤프트의 절대 각도를 결정하기 위해 외부 카운터가 필요하다는 것입니다. 순간적으로 전원이 차단되거나, 노이즈나 디스크 오염으로 인해 엔코더의 펄스가 누락되는 경우 각도 정보에 오류가 발생합니다. 이러한 단점을 극복하는 한 가지 방법은 절대 위치 인코더를 사용하는 것입니다.
절대 위치 인코더
절대 위치 인코더는 직교 인코더보다 더 복잡합니다. 이는 위치와 방향을 모두 나타내는 모든 단일 회전 위치에 대해 고유한 출력 코드를 제공합니다. 코드화된 디스크는 밝은 부분과 어두운 부분으로 구성된 여러 개의 동심원 "트랙"으로 구성됩니다. 각 트랙은 자체 광 검출기와 독립적으로 각 이동 각도에 대해 고유한 코딩된 위치 값을 동시에 읽습니다. 디스크의 트랙 수는 인코더의 이진 "비트" 해상도에 해당하므로 12비트 절대 인코더는 12개의 트랙을 가지며 동일한 코딩 값은 회전당 한 번만 나타납니다.
4비트 바이너리 코드 디스크
절대형 엔코더의 주요 장점 중 하나는 전원이 꺼지는 경우 "홈" 위치로 돌아갈 필요 없이 엔코더의 정확한 위치를 유지하는 비휘발성 메모리입니다. 대부분의 회전식 인코더는 "단일 회전" 장치로 정의되지만, 추가 코드 디스크를 추가하여 여러 회전에 대한 피드백을 얻는 절대 다중 회전 장치도 사용할 수 있습니다.
절대 위치 인코더의 일반적인 응용 분야는 컴퓨터 하드 드라이브와 CD/DVD 드라이브에 있으며 읽기/쓰기 헤드가 모니터링되는 드라이브의 절대 위치이거나 종이 위에 인쇄 헤드를 정확하게 배치하기 위해 프린터/플로터에 있습니다.
위치 센서 에 관한 이 튜토리얼에서는 물체의 위치나 존재 여부를 측정하는 데 사용할 수 있는 센서의 몇 가지 예를 살펴보았습니다. 다음 튜토리얼에서는 서미스터, 온도 조절기, 열전쌍과 같이 온도를 측정하는 데 사용되는 센서(일반적으로 온도 센서라고 알려져 있음)를 살펴보겠습니다.