학교기업 프로젝트

Report

정보통신과 6조

조장 : 오병철

조원 : 변규호

윤진경

배윤경

온도센서

온도의 변화에 응답하는 센서로 온도변화를 감지합니다.

또한 일반적으로 실제 측정대상에 직접 접촉시켜 온도값을 측정하는 방식인  접촉식과 물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 비접촉식으로 나눕니다.

온도가 높아지면 저항 값이 감소하는 부저항온도계수의 특성이 있는 전자회로용 소자는 열용량이 작아서 미세한 온도변화에도 급격한 저항변화가 생겨 온도제어용 센서로 이용됩니다.

또한 종류에 따라 원리가 다른 형태를 보입니다.

온도센서의 경우 온도에 따라 내부저항값이 작아지는 부성특성을 이용한 것이고, PT-100의 경우 백금재료가 온도에 따라 비례저항이 커지는 것을 이용한 것이며, 열전대는 서로 다른 물체에 온도를 가하면 기전압이 발생하는 원리를 이용한 것입니다.

이는 각 종류에 따라 사용용도 또한 달라짐을 의미합니다.

온도센서는 에어콘, 전기밥솥 등 가전제품에 사용되고, PT-100은 전기로, 제련, 용광로 등 공업용으로 높은 온도의 감지 및 제어에 사용되며, 열전대는 일반 공업용 히터의 온도감지 및 제어에 사용됩니다.

추가적으로 Thermister는 온도에 따라 저항 값이 변하는 세라믹이나 합성 물질로 만들어진 일종의 저항으로 온도가 증가함에 따라 저항 값이 증가하는 PTC (positive temperature coefficient) 나 온도가 증가함에 따라 저항 값이 감소하는 NTC (negative temperature coefficient)로 구분할 수 있습니다.

-200℃에서 최대 1200℃까지의 온도 측정이 가능합니다.

부드럽고 반고체 물질, 용해 플라스틱과 고무 등을 측정하기 위해 뾰족한 TIP 모양으로 디자인된 센서이며, 니켈에 기반을 둔 합금으로 피복되어 있어 우수한 온도 파악이 가능합니다.

2. CDS

광센서의 가장 기본적인 센서로서, 빛의 밝기에 대하여 전기적인 성질로 변환시켜 빛의 변화에 응답하는 센서입니다.

부품 내부에 빛을 받으면 저항값이 내려가는 물질(황화카드뮴)을 채워 빛을 받음에 따라 작동합니다.

CDS는 가장 보편적으로 사용되는 조도 센서로서 밝기에 비례하여 저항이 선형적으로 증가하는 것이 아닌 로그 그래프에 가까운 형태를 그리기 때문에 정확한 Lux 값을 구하기보다는 밝음과 어두움 정도만을 판별하기에 적합합니다.

광도전셀이라고 불리기도 하며 어두운 곳에서는 절연체와 같이 저항이 높아졌다가 가시광선이 닿으면 도체와 같이 저항이 낮아지는 성질을 가지고 있습니다.

이 센서는 고감도, 소형, 저가, 가시광선에 민감하다는 등의 장점이 있지만 반응시간이 느려 즉각적인 반을을 필요로 하는 센서에는 적합하지 않습니다.

광량이 많을 시 빨라지는 등 광량에 따라 반응시간이 달라지긴 하지만 오히려 불완전한 요소가 될 수 있습니다.

만약 정확한 수치의 Lux값을 측정하려 한다면 CDS가 아닌 포토다이오드 소자를 사용하여야 합니다. 이는 CDS와 같이 광센서의 일종이며 가시광선부터 적외선까지 다양한 영역의 광원을 감지할 수 있지만 가격이 상대적으로 고가이며 주변회로가 복잡해진다는 단점이 있습니다. 하지만 밝기대비 저항 값이 선형적으로 나오기 때문에 수치화하기가 좋고 프로그램 소스가 간단해진다는 장점이 있습니다.

또한 CDS는 마이크로프로세서 등을 사용하지 않고도 간단한 회로를 통해 충분히 센서로서의 이용이 가능합니다.

3. 초음파센서

초음파의 특성을 이용하거나 초음파를 발생시켜 거리나 두께, 움직임 등을 검출하는 센서입니다.

초음파 용접기, 플라스틱 본딩, 가공 등에 이용되는 고음압용과 생산 제어, 비파괴 검사, 침입 검사, 물성 측정, 의료 진단, 지연 선로, 신호 처리 등에 활용되는 저음압용이 있습니다.

초음파 센서는 공기 중의 소리를 감지하는 센서로 보통 초음파 센서의 송파기에서 발사된 초음파 펄스가 피 측정물의 표면에서 반사되어 다시 초음파 센서의 수파기로 되돌아 올 때까지의 시간을 측정하여 이를 기준으로 분석하여 필요한 정보를 얻는 방법을 사용합니다.

검출거리가 약 10M 정도로 길지만, 바람과 온도의 영향을 받습니다.

로봇이나 u-센서에서 물체를 지각하고 거리를 측정하는 데 이용되는 초음파 센서로는 음의 발생과 검출을 겸하는 것으로 특정한 결정 구조를 갖는 물질의 압전 소자와 고전압 펄스를 인가할 경우 정전 인력에 의해 진동이 발생하는 정전 효과 방식이 있다.

또한 초음파 센서는 다양한 물체를 측정하며 그 종류는 헤아릴 수 없을 정도로 많습니다. 실례로 차량이 후진 할 때 나오는 경보음, 산부인과에서 임산부의 태아의 상태를 확인하기 위해 사용하는 검사 기기도 초음파를 이용한 것입니다.

반사음에 의한 영향이 없고, 차음벽 설치에 의한 반사가 막히는 일이 없는 장소에 설치해야 하며, 매입 설치시에는 다중반사가 되지 않도록 주의해야 합니다.

투과형 초음파 센서와 반사형 초음파 센서로 구분됩니다.

음파의 차폐나 오동작 발생을 방지하기 위하여 높은 주파수 성분을 가진 음원을 초음파 센서 근처에는 두지 말아야 합니다.

4. 가속도 센서

이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서입니다.

가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하여 관성력, 전기변형, 자이로의 응용원리 등을 이용한 것으로 물체의 운동상태를 순시적으로 감지할 수 있으므로 자동차나 항공기 등 각종 수송수단, 공장 자동화, 휴대폰과 로보틱스 등 첨단 제품에 사용되는 핵심 기술 중의하나입니다.

움직이는 물체의 가속도나 방향을 측정할 수 있는 점 때문에 로봇이 자신의 위치나 동작을 인식하는데 주로 쓰이며, 모바일 기기 등에도 수요가 급증하고 있습니다.

측정 원리는 한쪽 끝이 고정된 막대형 진동체를 생각할 때 끝부분의 변위, 속도, 가속도의 위상은 변위에 대하여 90도, 180도 앞서고, 이는 가속도 센서에서는 넓은 주파수대에 걸친 출력 레벨이 일정하게 되어 있기 때문에 같은 출력이면 주파수가 높을수록 변위는 작다는 것을 뜻합니다. 즉, 인체가 같은 진폭(변위)를 느끼고 있더라도 그 주기가 짧을수록(주파수가 높을수록) 가속도는 커지게 되어 큰 충격을 받는다고 할 수 있습니다.

방식에 따라 관성식, 자이로식, 실리콘반도체식이 있으며, 원리에 따라 압전형,  동전형, 서모형, 변형게이지형이 있습니다.

압전형은 압전소자에 힘이 가해졌을 때 발생하는 전하를 검출하여 가속도를 구하는 방식입니다.

동전형은 도체가 자계 속을 이동하면 그 속도에 비례하여 기전력이 발생하고, 이 기전력을 검출하여 가속도를 구하는 방식입니다.

서모형은 진자(정전용량)의 변화를 전류로 검출하여 가속도를 구합니다.

변경 게이지형은 두가지가 있으며, 각각 저항선 변형 게이지와 반도체 변형 게이지입니다.

저항선 변형 게이지는 다이어그램(스프링)등에 저항선 변형 게이지를 붙여 가해진 힘과 저항의 변화에서 가속도를 구하는 방식이고, 반도체 변형 게이지는 Si, Ge 단결정의 피에조 저항 효과를 이용하여 가해진 힘과 저항의 변화에서 가속도를 구하는 방식입니다.

5. DC모터

자기장과 전류를 이용하여 코일을 계속 회전시킴으로써 동력을 얻는 직류전동기입니다.

기본적으로 모터는 플레밍의 왼손, 오른손 법칙에 의한 기본원리를 가집니다. 왼손법칙은 기본적으로 코일이 돌아가는 원리를, 오른손 법칙은 코일을 돌아가면서 작용하는 역 기전력을 설명합니다. 자기장이 코일을 돌리면서도 코일의 움직임 때문에 역으로 움직임에 저항하는 힘이 발생하고, 이 두가지 힘이 상충하면서 코일은 적정 수준에서 회전하게 됩니다.

플래밍의 왼손법칙은 왼손의 가운데손가락, 집게손가락, 엄지손가락을 서로 직각이 되게 벌리고, 가운데손가락을 전류의 방향, 집게손가락을 자계의 방향으로 하면 엄지손가락이 힘의 방향이 된다는 것입니다.

소형이며, AC모터에 비해 구조가 복잡하고 가격이 비싸나 속도 제어가 자유롭습니다.

계자저항의 수치를 가감하여 속도를 조절합니다.

계자권선의 전류(여자전류)의 형태에 따라 타려, 복권, 분권, 직권으로 분류됩니다.

타려는 여자용 전원과 별도의 전기자의 전압 Vt를 변화시켜서 속도를 조절합니다.

분권은 Rf를 변화시켜 속도를 조절하고, 여자용, 전기자용 전원이 같아 편리합니다.

복권은 계자권선이 둘로 나누어져 부하의 경중에 속도의 변화가 없습니다.

직권은 회선시초(시동)에 흐르는 전류량을 적게 해도 큰 힘을 냅니다.

6. RC 서보모터

먼저 서보모터에 대해 간단히 알아보자면, 서보기구의 조작부로서 제어신호에 의해 부하를 구동하는 장치입니다.

일반적으로 좌, 우 각각 60도씩, 120도의 운동범위를 가집니다.

보통 파워와 시간으로 제품을 나눕니다. 해당 제품이 몇 kg을 들 수 있는 수준의 파워가 있고, 한쪽 방향에서 반대 방향 끝까지 가는 데에 걸리는 시간이 어느 정도라는 것에 따라 결정됩니다.

서보모터의 동력원에 따라 전기식(서보 전동기), 공기식(공기 서보모터), 유압식(유압 모터) 등이 있으며, 보통 서보모터라고 하면 서보 전동기를 칭하는 경우가 많습니다.

서보 전동기는 빠른 응답과 넓은 속도제어 범위를 가진 제어용 전동기로 그 전원에 따라 직류 서보모터와 교류 서보모터로 분류됩니다.

이것들은 정지, 시동, 역전 등의 동작을 반복하므로 방열효과를 좋게 하거나 동작의 변화가 빨라지도록 설계상 교려되어 있습니다. 서보모터는 제어신호에 따라 운전되며, 그러기 위해서는 제어신호를 받아 이것을 증폭하여 서보모터를 구동하는 장치가 필요하며, 이를 서보 증폭기라 합니다.

이를 바탕으로 RC 서보모터는 DC모터에 감속기를 달고, 감속기의 축에 각도를 알 수 있는 포텐쇼미터를 달고, 엑츄에이터를 달기 위한 링크를 달아서 이용하는 모터입니다.

송신부에서 모터에 원하는 각도를 송신하면 수신부에서 모터를 구동하기 시작하여 포텐쇼미터에서 읽어지는 각도가 송신된 각도와 일치할 때까지 모터가 돌아간 후 정지하는 방식입니다.

주로 무선으로 조종하는 모형 항공기 등에 사용되며, 이 경우에 엑츄에이터로 달리는 것은 방향타나 러더의 종류가 될 수 있습니다.

RC 서보모터는 기어가 내장되어 있어서 토크가 세고, 가변저항으로 회전각을 측정해 피드백 신호를 내보내기 때문에 회전각을 정확하게 제어할 수 있습니다.

7. 조이스틱

전, 후, 좌, 우로 움직이는 막대형 레버를 통해 원하는 방향으로의 조작을 행하는 부품입니다.

막대형 레버가 움직이는 방향에 맞게 4개의 방향에 전기접점을 만들고 레버의 움직임에 따라 해당 접점들이 붙었다 떨어졌다를 반복하며 신호를 전달합니다.

8. 버저

철심에 코일을 감아놓은 전자석과 진동편을 조합하여 신호음을 발생시키는 장치입니다.

전류가 흐르지 않을 때는 진동편과 철심이 떨어져있도록 스프링으로 조절하고, 전류가 흐르면 진동편에 설치된 접점과 철심이 연결되면서 신호음을 발생하게 됩니다.

교류식 버저와 직류식 버저로 나뉩니다.

9. 버튼

누름쇠를 눌러 전기 장치에 전류를 끊거나 이어 주며 기기를 조작하는 스위치의 일종입니다.

10. LED

발광다이오드는 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자입니다.

아래 위에 전극을 붙인 전도물질에 전류가 통과하면 전자와 정공이라 불리우는 +전하입자가 이 전극 중앙에서 결합해 빛의 광자를 발산하는 구조입니다. 해당하는 물질의 특성에 따라 빛의 색이 다릅니다.

LED는 컴퓨터 본체에서 하드디스크가 돌아갈 때 깜박이는 작은 불빛, TV 리모컨 버튼을 누를 때마다 TV 본체에 신호를 보내는 눈에 보이지 않는 광선 등을 만들 때 필요한 것입니다.