탐지, 거리 또는 근접성을 결정할 때 다양한 동작 기준과 강점을 가진 몇 가지 주요 근접 센서 기술을 고려할 수 있습니다.
이 기사에서는 엔지니어가 설계 요구 사항에 따라 선택하는 옵션을 결정하는 데 도움이 되는 기본 작동 원리와 함께 소형 및 고정형 임베디드 시스템에서 사용할 수 있는 네 가지 옵션에 대해 설명합니다.
근접 센서는 물리적 접촉 없이 물체의 존재 여부와 거리를 정확하게 감지하는 방법을 제공합니다.
근접 센서는 반사 또는 물체를 통과하여 센서로 복귀하는 전자기장, 광 또는 초음파를 방출한다.
기존의 제한 스위치에 비해 근접 센서에는 기계 부품이 없기 때문에 내구성이 뛰어나 수명이 길다는 큰 이점이 있습니다.
특정 용도에 이상적인 근접 센서 기술을 고려할 때 비용, 범위, 크기, 화면 스캔 속도, 대기 시간 및 재료의 효과를 고려하고 가장 중요한 것을 기반으로 설계해야합니다.
초음파
이름에서 알 수 있듯이, 초음파 근접 센서는 “처프”라고 불리는 초음파 펄스를 방출하여 물체의 존재 여부를 감지하고 물체까지의 거리를 계산하는 데에도 사용할 수 있습니다.
트랜시버로 구성되며 에코 위치 측정의 원리에 따라 작동합니다 (그림 1).
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그림 1: 초음파 센서의 구조. (이미지 소스: CUI Devices)
처프가 표면에 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간(시간차(ToF)이라고도 함)을 측정하면 센서가 물체에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 확인할 수 있습니다.
일반적으로 트랜스미터와 수신기는 가깝지만 에코 위치 측정을 사용하면 분리 상태에서도 작동합니다.
경우에 따라 송수신 기능이 일체형으로 결합되어 이를 초음파 송수신기라고 합니다.
전자기파가 아닌 소리를 사용하기 때문에 초음파 센서 판독값은 물체의 색이나 투명도의 영향을 받지 않습니다.
또한 빛을 생성하지 않는 이점이 있으며 어두운 환경이나 빛이 많은 환경에도 이상적입니다.
음파가 물 파문처럼 시간과 공간으로 퍼지는 현상을 일으키는 반면, 이러한 방식으로 감지 영역 또는 시야 (FoV)가 확대되는 방법은 응용 프로그램에 따라 장점과 단점이 있습니다.
그러나 뛰어난 정확도, 상당히 높은 화면 스캔 속도 및 초당 수백 개의 신호를 전송하는 기능을 갖춘 초음파 근접 센서는 비용 효율적이고 다재다능하고 안전한 솔루션을 제공할 수 있습니다.
초음파 센서의 기본적인 단점 중 하나는 공기 온도의 변화가 음파의 속도에 영향을 미치고 측정 정확도를 낮추는 것입니다.
그러나 트랜시버 사이의 거리에 걸쳐 온도를 측정하고 이에 따라 계산을 조정하여 이 문제를 해결할 수 있습니다.
다른 제한은 소리를 전달하는 공기가 없는 진공 상태에서는 초음파 센서를 사용할 수 없다는 것입니다.
부드러운 재료는 또한 딱딱한 표면만큼 효과적으로 소리를 반사하지 않으므로 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.
마지막으로, 초음파 센서 기술은 수중 음파 검출기와 유사한 개념을 따르지만 수중에서는 작동하지 않습니다.
광전
광전 센서는 물체의 유무를 감지하는 실용적인 옵션입니다.
일반적으로 적외선 기반이며 차고 도어 센서 및 매장 인원수와 같은 일반적인 용도가 있지만, 광범위한 다른 산업 용도에 적합합니다.
광전 센서를 구현하는 방법은 여러 가지가 있다(그림 2). 스루 빔은 물체의 한쪽에 이미 터를 사용하고 반대쪽에 검출기를 사용합니다.
빔이 끊어지면 물체가 있음을 나타냅니다.
역반사의 구현은 이미터와 검출기가 같은 위치에 있는 반면, 반사기는 반대쪽에 있습니다.
유사하게, 확산 어레이는 이미터와 검출기를 동일한 위치에 배치하지만, 방출된 광은 검출된 물체에 의해 반사된다.
이 구성에서는 거리 측정을 할 수 없다.
그림 2: 광전 센서 – 스루 빔, 역반사형, 확산 반사형. (이미지 소스: CUI Devices)
스루 빔 또는 역반사 구성으로 광전 센서를 설정하는 것은 짧은 대기 시간에서 넓은 감지 범위가 필요한 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다.
그러나 신중하게 구현하고 배치해야 하기 때문에 바쁜 환경에서는 시스템을 설치하기가 어려울 수 있습니다.
확산 타입의 구현은 작은 물체를 검출하기에 적합하며 모바일 검출기일 수도 있다.
광전 센서 설정은 산업 현장에서와 같이 더러운 환경에서 사용할 수 있으며 일반적으로 움직이는 부품이 없으므로 다른 솔루션보다 수명이 길어집니다.
렌즈가 보호되고 깨끗하게 유지되는 한 센서의 성능은 유지됩니다.
대부분의 물체를 감지할 수 있지만 투명하고 반사되는 표면과 물에 문제가 발생할 수 있습니다.
다른 제한은 정확한 거리 계산과 광원에 따라 특정 색상(IR을 사용하는 경우 빨간색)의 물체를 감지하는 것입니다.
레이저 거리계
과거에 비싼 옵션이었던 레이저 거리계(LRF)는 최근 많은 응용 분야에서 보다 실용적인 솔루션이 되었습니다.
고출력 센서는 초음파 센서와 동일한 원리로 작동하지만 음파 대신 레이저 빔을 사용합니다.
광자는 고속으로 이동하기 때문에 ToF의 정확한 계산이 어려울 수 있습니다.
여기서 간섭계 사용과 같은 기술은 비용을 절감하면서 정확도를 유지하는 데 도움이 됩니다(그림 3). 레이저 거리계 센서의 또 다른 이점은 전자기 빔을 사용하기 때문에 일반적으로 매우 긴 범위 (최대 수천 피트)를 가지며 응답 시간이 최소화된다는 것입니다.
그림 3: 간섭계를 이용한 레이저 거리계 센서의 구현 구성도. (이미지 소스: CUI Devices)
이러한 센서의 매우 낮은 대기 시간과 범위 기능에도 불구하고 고유 한 제한이 있습니다.
레이저는 많은 양의 전력을 소비하므로 휴대용 또는 배터리로 작동하는 용도에 적합한 옵션에는 적합하지 않으며 눈 건강에 대해 고려하는 안전 문제가 있습니다.
또한 시야가 상대적으로 좁고 광전 센서처럼 물이나 유리와 잘 작동하지 않는 것도 고려해야 합니다.
이러한 종류의 기술 가격은 저렴하지만 여전히 비싼 옵션 중 하나입니다.
유도형
유도형 센서는 오랫동안 사용되어 왔으며 점점 더 보편화되고 있습니다.
그러나 다른 근접 감지 기술과는 달리 감지에 자기장을 사용하기 때문에 금속 물체에서만 작동합니다 (그림 4). 일반적인 응용 프로그램은 금속 탐지기입니다.
그림 4: 유도형 센서의 동작 방법(이미지 소스: CUI Devices)
검출 범위는 센서 설정 방법에 따라 다를 수 있습니다.
단거리 응용 프로그램은 센서 옆에 기어 톱니가 있는지 여부를 감지하여 기어 회전 수를 계산할 수 있습니다.
장거리 애플리케이션은 도로 표면에 유도형 센서를 내장하여 차량 수를 계산하거나 센서가 작동할 수 있는 극단적인 거리를 보여주고 우주 플라즈마를 감지하는 것을 포함합니다.
근접 센서로서, 유도형 센서는 매우 짧은 범위의 용도에 사용되는 경향이 있으며, 전자기장의 차이를 검출하는 원리를 기반으로 하므로 매우 빠른 화면 주사율을 제공할 수 있습니다.
또한 철이나 강철과 같은 철 재료로 더 잘 수행됩니다.
유도형 센서는 광범위한 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
그러나 다양한 간섭원에 취약하다는 사실과 함께 검출 가능한 물질의 한계를 고려해야 합니다.
결론
근접 감지 구현의 모든 문제를 고려하면 초음파 센서는 최상의 기술입니다 (그림 5). 저렴하고 물체의 존재를 감지하고 거리를 정확하게 계산하는 능력과 사용의 용이성은 최고의 특성입니다.
그림 5: 4개의 근접 센서 기술 비교(이미지 소스: CUI Devices)