특정한 물리적 양을 측정하고 그 정보를 DC 전기 신호(열전대, 스트레인 게이지, pH 프로브 등)의 형태로 반복하는 장치가 만들어진 것처럼, AC에 대해서도 동일한 기능을 하는 특수 장치가 만들어졌습니다.
기계 부품의 물리적 위치를 전기 신호를 통해 감지하고 전송할 수 있어야 하는 경우가 많습니다. 이는 특히 자동화된 공작 기계 제어 및 로봇 분야에서 그렇습니다. 이를 수행하는 간단하고 쉬운 방법은 전위차계를 사용하는 것입니다.
전위계 사용
전위차계 탭 전압은 샤프트에 연결된 물체의 위치를 나타냅니다.
그러나 전위계는 고유한 문제점을 가지고 있습니다. 첫째, 전위계는 "와이퍼"와 저항 스트립 사이의 물리적 접촉에 의존하기 때문에 시간이 지남에 따라 물리적 마모의 영향을 받습니다.
전위차계가 마모됨에 따라 비례 출력 대 샤프트 위치가 점점 더 불확실해집니다. 오래된 라디오의 볼륨 컨트롤을 조정할 때 이미 이런 효과를 경험했을 수 있습니다. 손잡이를 돌리면 스피커에서 "긁는" 소리가 들릴 수 있습니다.
이러한 소음은 볼륨 조절 전위차계의 와이퍼 접촉이 불량하여 발생합니다.
또한 와이퍼와 스트립 사이의 이러한 물리적 접촉으로 인해 와이퍼가 움직일 때 두 스트립 사이에서 아크(스파크)가 발생할 가능성이 있습니다.
대부분의 전위차계 회로에서는 전류가 너무 낮아 와이퍼 아킹은 무시할 수 있지만, 이는 고려할 만한 가능성이 있습니다.
가연성 증기나 먼지가 있는 환경에서 전위차계를 작동시키면 아크가 발생할 가능성이 있고 이는 곧 폭발 위험으로 이어집니다!
LVDT 사용
DC 대신 AC를 사용하면 전위차계 대신 가변 변압기를 사용하면 부품 간의 미끄러짐 접촉을 완전히 피할 수 있습니다 .
이러한 목적 을 위해 만들어진 장치를 LVDT라고 하며, 이는 선형 가변 차동 변압기 를 의미합니다. LVDT의 설계는 다음 과 같습니다.
선형 가변 차동 변압기(LVDT)의 AC 출력은 코어 위치를 나타냅니다.
분명히 이 장치는 변압기 입니다 . 외부 AC 전압 소스로부터 전원을 공급받는 1차 권선 하나와 직렬로 연결된 2차 권선 2개가 있습니다.
코어가 권선 사이에서 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 가변적 입니다 . 두 개의 2차 권선이 연결되는 방식 때문에 차등적 입니다. 서로 반대되도록 배열되어 있기 때문에(180° 위상 차이) 이 장치의 출력은 두 개의 2차 권선의 전압 출력의 차이가 됩니다.
코어가 중앙에 있고 두 권선이 동일한 전압을 출력할 때 출력 단자의 순 결과는 0볼트가 됩니다. 코어의 운동 자유도가 직선이기 때문에 선형 이라고 합니다.
LVDT의 AC 전압 출력은 가동 코어의 위치를 나타냅니다. 0볼트는 코어가 중앙에 있음을 의미합니다.
코어가 중앙 위치에서 더 멀리 떨어져 있을수록 출력에서 더 큰 비율의 입력("여기") 전압이 보입니다. 여기 전압에 대한 출력 전압의 위상은 코어가 중앙에서 어느 방향으로 오프셋되어 있는지를 나타냅니다.
위치 감지를 위한 LVDT의 주요 장점은 전위차계에 비해 움직이는 부분과 고정된 부분 사이에 물리적 접촉이 없다는 것입니다.
코어는 와이어 권선과 접촉하지 않고 비전도성 튜브 내에서 미끄러져 들어가고 나옵니다. 따라서 LVDT는 전위차계처럼 "마모"되지 않으며 아크를 생성할 가능성도 없습니다.
LVDT의 여기는 일반적으로 10볼트 RMS 이하이며, 전력선에서 고음역(20kHz) 범위에 이르는 주파수입니다. LVDT의 잠재적인 단점 중 하나는 응답 시간인데, 이는 주로 AC 전압 소스의 주파수에 따라 달라집니다.
매우 빠른 응답 시간이 필요한 경우 전압 감지 회로가 코어가 움직일 때 전압 레벨을 결정할 수 있을 만큼 충분한 AC 사이클을 허용할 수 있도록 주파수를 높여야 합니다.
여기서 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위해 과장된 시나리오를 상상해 보세요. 60Hz 전압 소스로 구동되는 LVDT에서 코어가 초당 수백 번이나 들어가고 나옵니다.
이 LVDT의 출력은 사인파처럼 보이지도 않을 것입니다. 왜냐하면 AC 소스 전압이 단일 사이클을 완료하기 전에 코어가 동작 범위 전체에서 이동하기 때문입니다! 순간 소스 전압보다 더 빨리 이동하면 순간 코어 위치를 결정하는 것이 거의 불가능할 것입니다.
RVDT 사용
LVDT의 변형은 RVDT 또는 Rotary Variable Differential Tranformer입니다 . 이 장치 는 거의 동일한 원리로 작동하지만 코어가 직선으로 움직이는 대신 샤프트에서 회전합니다. RVDT는 360°(완전한 원) 모션의 일부로만 구성될 수 있습니다 .
Synchro 또는 Selsyn 사용
이 원리를 계속 적용하면, 동기모터 또는 셀신 이라고 알려진 장치가 있는데 , 이는 권선형 회전자 다상 교류 모터 또는 발전기 와 매우 유사하게 구성된 장치입니다 .
로터는 모터처럼 360° 회전할 수 있습니다. 로터에는 LVDT의 1차 권선과 매우 유사한 AC 전압 소스에 연결된 단일 권선이 있습니다. 스테이터 권선은 일반적으로 3상 Y 형태 이지만 3상 이상의 동기기가 제작되었습니다. (아래 그림)
2상 스테이터가 있는 장치를 리졸버 라고 합니다 . 리졸버는 샤프트 위치를 나타내는 사인 및 코사인 출력을 생성합니다.
동기는 3상 스테이터 권선과 회전 필드로 감겨 있습니다. 리졸버는 2상 스테이터를 갖습니다.
로터의 AC 여기로부터 스테이터 권선에 유도된 전압은 실제 3상 발전기에서처럼 120° 위상이 이동되지 않습니다 . 로터에 AC가 아닌 DC 전류가 공급되고 샤프트가 지속적으로 회전하면 전압은 진정한 3상이 될 것입니다.
하지만 이것은 동기가 작동하도록 설계된 방식이 아닙니다. 오히려 이것은 RVDT와 매우 유사한 위치 감지 장치이지만 출력 신호가 훨씬 더 명확합니다. 회전자가 AC로 활성화되면 고정자 권선 전압은 회전자의 각도 위치에 비례하여 크기가 결정되고 위상은 일반 LVDT 또는 RVDT와 같이 0° 또는 180° 이동합니다.
1차 권선 1개와 2차 권선 3개가 있는 변압기라고 생각하면 됩니다. 각 2차 권선은 고유한 각도로 배치되어 있습니다.
회전자가 천천히 돌면서 각 권선은 차례로 회전자와 일렬로 정렬되어 최대 전압을 생성하고, 다른 권선은 최대 전압보다 낮은 전압을 생성합니다.
싱크로는 종종 쌍으로 사용됩니다. 로터가 병렬로 연결되고 동일한 AC 전압 소스로 전원이 공급되면 샤프트가 높은 정확도로 위치를 맞춥니다.
싱크로 샤프트는 서로 종속되어 있습니다. 하나를 돌리면 다른 하나가 움직입니다.
이러한 "송신기/수신기" 쌍은 선박에서 방향타 위치를 전달하거나 상당히 먼 거리에 걸쳐 항해 자이로 위치를 전달하는 데 사용되었습니다.
"송신기"와 "수신기"의 유일한 차이점은 어느 쪽이 외부의 힘에 의해 회전하는가입니다. "수신기"는 샤프트를 강제로 회전시키고 왼쪽의 싱크로를 위치와 일치시키면 "송신기"처럼 쉽게 사용할 수 있습니다.
수신기의 회전자에 전원이 공급되지 않으면 위치 오류 감지기 역할을 하여, 송신기의 회전자 위치에서 샤프트가 90도 또는 270도 각도가 아닌 다른 각도로 이동하면 회전자에 AC 전압이 발생합니다.
수신기 로터는 더 이상 토크를 생성하지 않으며 결과적으로 송신기의 위치와 자동으로 일치하지 않습니다.
AC 전압계는 수신기 로터가 송신기 로터로부터 정확히 90도 또는 270도 회전하지 않으면 전압을 기록합니다.
이는 수신기 샤프트가 송신기 샤프트와 일치하는 두 위치 중 하나로 이동해야만 균형을 이룰 수 있는 일종의 브리지 회로로 생각할 수 있습니다.
동기 장치의 다소 독창적인 응용 분야 중 하나는 스테이터가 3상 AC 로 활성화되는 경우 위상 변환 장치를 만드는 것입니다 .
로터가 완전히 회전하면 위상이 0°에서 360°(다시 0°로)까지 원활하게 전환됩니다.
싱크로너의 회전자가 돌면서 회전자 코일은 점차적으로 각 스테이터 코일과 정렬되고, 각각의 자기장은 서로 120° 위상이 이동합니다.
이러한 위치 사이에서, 이러한 위상이 이동된 필드는 혼합되어 0°, 120° 또는 240° 이동 사이의 어딘가에 로터 전압을 생성합니다. 실제적인 결과는 노브(로터 샤프트에 부착됨)를 돌려 무한히 가변적인 위상 AC 전압을 제공할 수 있는 장치입니다.
랙 앤 피니언 메커니즘과 맞물리면 싱크로나 리졸버가 선형 운동을 측정할 수 있습니다.
몇 인치(또는 cm)의 선형 운동으로 인해 싱크로(리졸버)가 여러 번 회전하면 사인파 열이 생성됩니다. Inductosyn® 은 리졸버의 선형 버전입니다. 리졸버처럼 신호를 출력하지만 약간 비슷합니다.
Inductosyn은 두 부분으로 구성됩니다. 0.1인치 또는 2mm 피치를 갖는 고정된 사문석 권선과 슬라이더 로 알려진 이동식 권선입니다 . (아래 그림)
슬라이더는 고정된 권선과 동일한 피치를 갖는 한 쌍의 권선을 가지고 있습니다. 슬라이더 권선은 1/4 피치로 오프셋되어 있으므로 사인파와 코사인파가 모두 움직임에 의해 생성됩니다.
하나의 슬라이더 와인딩은 펄스를 세는 데 적합하지만 방향 정보는 제공하지 않습니다.
2상 권선은 사인파와 코사인파의 위상에 대한 방향 정보를 제공합니다. 한 피치의 움직임은 사인파와 코사인파의 주기를 생성하고, 여러 피치는 파동의 열을 생성합니다.
Inductosyn: (a) 고정된 사형 권선, (b) 가동 슬라이더 2상 권선. 그림 6.16에서 가져옴 [ WAK ]
사인파와 코사인파가 선형 운동의 함수로 생성된다고 말할 때, 실제로는 슬라이더가 움직일 때 고주파 캐리어가 진폭 변조된다는 것을 의미합니다.
두 슬라이더 AC 신호는 피치 내 위치, 즉 미세 위치를 결정하기 위해 측정되어야 합니다. 슬라이더는 몇 개의 피치를 움직였을까요? 사인 및 코사인 신호의 관계는 이를 나타내지 않습니다. 그러나 피치 수(파동 수)는 알려진 시작점에서 계산하여 거친 위치를 산출할 수 있습니다.
이것은 증분형 인코더 입니다 . 시작점과 상관없이 절대 위치를 알아야 하는 경우 길이당 1회전에 맞춰진 보조 리졸버가 거친 위치를 제공합니다. 이것은 절대형 인코더를 구성합니다 .
선형 Inductosyn의 변압기 비율은 100:1입니다. 이것을 리졸버의 1:1 비율과 비교해보세요. Inductosyn에 몇 볼트의 AC 여기가 몇 밀리볼트를 생성합니다.
이 낮은 신호 수준은 리졸버 디지털 변환기(RDC)에 의해 12비트 디지털 형식으로 변환됩니다 . 25마이크로인치의 해상도를 얻을 수 있습니다.
또한 회전당 360개의 패턴 피치를 갖는 Inductosyn의 회전 버전도 있습니다. 12비트 리졸버에서 디지털 변환기로 사용할 경우 1초각 이상의 분해능을 얻을 수 있습니다. 이것은 증분형 인코더입니다.
알려진 시작점에서 피치를 세는 것은 절대 위치를 결정하는 데 필요합니다. 또는 리졸버가 대략적인 절대 위치를 결정할 수 있습니다.
용량성 변환기
지금까지 논의된 트랜스듀서는 모두 유도형이었습니다. 그러나 가변 커패시턴스에서 작동하는 트랜스듀서를 만들 수도 있으며, AC는 커패시턴스의 변화를 감지하고 가변 출력 전압을 생성하는 데 사용됩니다.
두 전도성 표면 사이의 정전 용량은 세 가지 주요 요인, 즉 두 표면이 겹치는 면적, 두 표면 사이의 거리, 두 표면 사이 재료의 유전율에 따라 달라진다는 것을 기억하세요.
세 가지 변수 중 두 가지를 고정(안정화)하고 세 번째 변수는 변화하도록 두면 표면 사이의 정전용량을 측정해도 세 번째 변수의 변화만 나타낼 수 있습니다.
의학 연구자들은 오랫동안 정전식 감지 기술을 이용해 생체의 생리적 변화를 감지해 왔습니다.
1907년 초, H. 크레머라는 독일 연구자는 뛰는 개구리 심장의 양쪽에 두 개의 금속판을 놓고 심장이 번갈아가며 혈액을 채우고 비울 때 발생하는 정전 용량 변화를 측정했습니다.
비슷한 측정이 사람의 가슴과 등에 금속판을 부착하여 정전용량 변화를 통해 호흡과 심장 활동을 기록하는 방식으로 수행되었습니다.
장기 활동에 대한 더욱 정확한 정전용량 측정을 위해 금속 탐침을 카테터 튜브 끝의 장기(특히 심장)에 삽입하고 금속 탐침과 피험자의 신체 사이의 정전용량을 측정했습니다.
충분히 높은 AC 여기 주파수와 충분히 민감한 전압 검출기를 사용하면 펌핑 작용뿐만 아니라 심장의 활동 음도 쉽게 해석할 수 있습니다.
유도성 변환기와 마찬가지로, 용량성 변환기도 위에 설명한 직접적인 생리학적 예와 달리 독립된 단위로 만들어질 수 있습니다.
일부 트랜스듀서는 커패시터 플레이트 중 하나를 움직일 수 있게 만들어서 작동하는데, 이는 겹쳐지는 영역이나 플레이트 사이의 거리를 변화시키는 방식입니다. 다른 트랜스듀서는 유전체 재료를 두 개의 고정된 플레이트 사이로 안팎으로 움직여서 작동합니다.
가변 용량성 변환기는 (a) 겹치는 영역, (b) 판 사이의 거리, (c) 판 사이의 유전체 양에 따라 달라집니다.
다른 변수의 변화에 대한 민감도와 면역성이 더 높은 트랜스듀서는 LVDT(선형 가변 차동 변압기) 의 개념과 매우 유사한 차동 설계를 통해 얻을 수 있습니다 . 다음은 차동 용량성 트랜스듀서의 몇 가지 예입니다.
차동 용량성 변환기는 다음을 변경하여 용량 비율을 변경합니다. (a) 중첩 영역, (b) 판 간 거리, (c) 판 간 유전체.
보시다시피, 위 그림에 표시된 모든 차동 장치에는 두 개가 아닌 세 개의 와이어 연결이 있습니다. 즉, "끝" 플레이트마다 한 개의 와이어가 있고 "공통" 플레이트마다 한 개의 와이어가 있습니다.
"끝" 판 중 하나와 "공통" 판 사이의 정전용량이 변함에 따라 다른 "끝" 판과 "공통" 판 사이의 정전용량은 반대 방향으로 변합니다. 이러한 종류의 트랜스듀서는 브리지 회로 에서 구현하기에 매우 적합합니다 .
차동 용량성 트랜스듀서 브리지
차동 용량성 변환기 브리지 측정 회로.
용량성 트랜스듀서는 측정 회로가 작동할 수 있는 비교적 작은 용량을 제공하며, 일반적으로 피코 패럿 범위입니다. 이 때문에 이러한 용량성 리액턴스를 적절한 수준으로 줄이려면 일반적으로 높은 전원 공급 주파수(메가헤르츠 범위!)가 필요합니다.
일반적인 용량성 트랜스듀서가 제공하는 작은 정전용량을 감안할 때, 스트레이 커패시턴스는 측정 오류의 주요 원인이 될 가능성이 있습니다. 신뢰할 수 있고 정확한 용량성 트랜스듀서 회로를 위해서는 우수한 도체 차폐가 필수적 입니다!
브리지 회로는 이러한 트랜스듀서의 차동 커패시턴스 출력을 효과적으로 해석하는 유일한 방법은 아니지만 구현하고 이해하기 가장 간단한 방법 중 하나입니다. LVDT와 마찬가지로 브리지의 전압 출력은 트랜스듀서 동작이 중심 위치에서 변위된 것에 비례하며 오프셋 방향은 위상 이동으로 표시됩니다.
이러한 종류의 브리지 회로는 스트레인 게이지에 사용되는 종류와 기능적으로 유사합니다. 항상 "균형 잡힌" 상태를 유지하도록 설계된 것이 아니라 불균형의 정도가 측정되는 양의 크기를 나타냅니다.
차동 용량성 변환기 "Twin-T"
차동 커패시턴스를 해석하기 위한 브리지 회로에 대한 흥미로운 대안은 트윈-T 입니다 . 이는 앞서 장에서 언급한 전류에 대한 "일방향 밸브"인 다이오드를 사용해야 합니다.
차동 용량성 변환기 "Twin-T" 측정 회로.
이 회로는 브리지 구성에 더 가깝게 다시 그려지면 더 잘 이해될 수 있습니다.
차동 커패시터 변환기 "Twin-T" 측정 회로는 브리지로 다시 그려졌습니다. 출력은 R 부하 에 걸쳐 있습니다 .
커패시터 C1은 매 양의 반주기(접지점을 기준으로 측정한 양의 값)마다 AC 전압원에 의해 충전되는 반면, C2는 매 음의 반주기마다 충전됩니다.
한 커패시터가 충전되는 동안 다른 커패시터는 3저항 네트워크를 통해 (충전된 속도보다 느린 속도로) 방전됩니다. 결과적으로 C 1은 접지에 대해 양의 DC 전압을 유지하고 C 2는 접지에 대해 음의 DC 전압을 유지합니다.
용량성 트랜스듀서가 중앙 위치에서 변위되면 한 커패시터는 용량이 증가하고 다른 커패시터는 감소합니다. 이는 소스에서 커패시터로의 충전 전류 경로에 무시할 수 있는 저항이 있어 매우 짧은 시간 상수(τ)가 발생하므로 각 커패시터의 피크 전압 충전에 거의 영향을 미치지 않습니다.
그러나 저항기를 통해 방전할 때, 더 큰 용량 값을 가진 커패시터는 전하를 더 오래 유지하므로 시간이 지남에 따라 용량 값이 작은 커패시터보다 더 큰 평균 DC 전압이 발생합니다.
한 쪽 끝은 두 개의 동일 값의 저항기(R) 사이의 지점에 연결되고 다른 쪽 끝은 접지에 연결된 부하 저항기(R load )는 두 커패시터의 DC 전압 전하가 크기가 같으면 DC 전압을 떨어뜨리지 않습니다.
반면, 하나의 커패시터가 정전 용량의 차이로 인해 다른 커패시터보다 더 큰 DC 전압 전하를 유지하는 경우 부하 저항은 두 전압의 차이에 비례하는 전압을 강하합니다.
따라서 차동 정전용량은 부하 저항기 전체에 걸쳐 DC 전압으로 변환됩니다.
부하 저항기에는 AC와 DC 전압이 모두 존재하며, DC 전압만이 커패시턴스 차이에 중요합니다. 원하는 경우 이 회로의 출력에 저역 통과 필터를 추가하여 AC를 차단하고 측정 회로에서 해석할 DC 신호만 남길 수 있습니다.
"트윈-T"에 저역통과 필터를 추가하면 순수한 DC가 측정 표시기에 공급됩니다.
차동 용량성 센서용 측정 회로로서 트윈-T 구성은 표준 브리지 구성에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다.
가장 중요한 점은, 변환기 변위는 AC 전압이 아닌 단순한 DC 전압으로 표시된다는 것입니다. AC 전압의 크기 와 위상을 해석하여 어느 정전 용량이 더 큰지 알아내야 합니다.
게다가 적절한 구성 요소 값과 전원 공급 장치 출력이 주어지면 이 DC 출력 신호는 전기 기계식 미터 움직임을 직접 구동할 만큼 강할 수 있으므로 증폭 회로가 필요 없습니다.
또 다른 중요한 장점은 모든 중요 회로 요소의 하나의 단자가 접지에 직접 연결되어 있다는 것입니다. 즉, 소스, 부하 저항 및 두 개의 커패시터는 모두 접지를 기준으로 합니다.
이를 통해 브리지 측정 회로에서 흔히 나타나는 부유 용량의 부정적인 영향을 최소화하는 데 도움이 되며, 와그너 접지와 같은 보상 조치의 필요성도 없어집니다.
이 회로는 부품을 지정하기도 쉽습니다. 일반적으로 보완 다이오드를 통합한 측정 회로는 좋은 정확도를 위해 "매칭된" 다이오드를 선택해야 합니다. 이 회로는 그렇지 않습니다!
전원 공급 전압이 두 다이오드 간 전압 강하 편차보다 상당히 큰 한, 불일치의 영향은 최소화되며 측정 오류에 거의 영향을 미치지 않습니다.
게다가 공급 주파수 변화는 이득(주어진 트랜스듀서 변위량에 대해 얼마나 많은 출력 전압이 생성되느냐)에 비교적 적은 영향을 미치며, 물론 50% 듀티 사이클(양의 반주기와 음의 반주기가 동일함)을 가정할 때 사각파 공급 전압은 사인파만큼 잘 작동합니다.