Proximity Sensor for Robots 근접센서

안녕하세요

최근에 로봇계측시스템 발표를 위해 근접센서를 공부했는데 그 내용을 정리해보려고 합니다 :)

 

근접센서 (Proximity Sensor)란?

Proximty sensor 근접 센서란 물체가 접근해 왔을 때의 검출 대상 물체의 유무를 판별하는 무접촉 센서를 말합니다.

이동하는 대상물이 일정한 거리에 들어온 것을 알아낼 목적으로 사용되며 물리적인 접촉없이 전자계의 힘을 이용하여 물체의 존재여부, 통과, 연속흐름, 적체 등의 감지 밑 위치 제어에 이용하는 센서로 로봇 분야에서는 근접각 센서라 불리는 경우가 많습니다.

 

 

근접센서 동작원리

 

출처 : InstrumentationTools.com

위 그림을 보시면 물체를 감지하는 센서회로와 드라이버 회로로 구성되어있습니다.

센서회로에서 물체가 발견되면 출력 High신호를 트랜지스터 기반인 드라이버 회로로 보냅니다.

센서회로에서 신호를 받으면 트랜지스터가 켜지고 출력이 켜집니다.

또 물체가 센서 회로에서 멀어지면 센서 출력이 Off되어 트랜지스터가 Off가 되고 출력 또한 off상태가 됩니다.

이러한 동작원리로 이동하는 대상물이 센서에 의해 일정한 거리에 들어온 것을 확인할 수 있습니다.

 

근접센서는 검출원리에 따라 자기장으로 감지하는 자기 근접센서, 빛의 반사,투과,차광 원리를 이용한 광전 근접센서, 자기장에 유도된 전류를 사용하여 금속물체를 감지하는 유도형 근접센서, 검출 물체의 유전율에 의한 용량 변화로 감지하는 용량성 근접센서 마지막으로 동일한 장치의 초음파를 이용한 초음파 근접센서가 있습니다.

 

 

자기 근접센서는 검출물체가 가까워진 것을 자기장을 이용하여 검출하는 센서입니다.

리드, 스위치를 영구 자석으로 작동시키는 근접센서로 비접촉으로 검출할 수 있기 때문에 검출물체 내 센서를 손상시키지 않고 무접점 출력이기 때문에 장수명인 장점이 있습니다.

또한 물이나 기름의 비산하는 악조건의 환경에서도 확실한 검출을 자랑하며 응답속도가 빠르고 감지할 수 있는 범위가 다소 넓은 편이며 도어 등의 개폐 검출에 최적인 센서입니다.

 

광전 근접센서는 빛의 반사, 투과, 차광되는 원리를 이용해서

물체의 이동상태, 유무상태나 변화상태 등을 감지하는 센서입니다.

방사기라고 불리어지는 광원과 빛의 존재유무를 감지하는 수신기로 구성되어있고

일반적으로 수신기는 포토 트랜지스터, 방사기는 LED로 구성되어있습니다

이 두 조합이 광센서를 만들고 광학 엔코더를 포함하여 많은 분야에 응용되어지고 있습니다.

 

다음은 고주파 발진형 근접센서라고 불려지는 유도형 근접센서입니다.

유도형 근접센서는 철이 아닌 다른 타깃 재료도 감지될 수는 있으나

일반적으로는 더 좁은 감지 범위를 갖기 때문에 주로 금속의 표면을 검출하는데 사용되어집니다.

페라이트 코어를 가진 코일과 발전기, 검출기 그리고 고체 상태의 스위치로 구성되어있습니다.

유도식 근접 센서의 핵심은 전기 발진(Oscillator)라고 할 수 있는데 이는 수많은 아주 가느다란 구리선으로 이루어진

유도코일, 전류를 저장하는 콘덴서 그리고 전기 여자를 제공하는 에너지원으로 구성되어있습니다.

 

 

근접센서에 전원을 투입하면 약 60밀리세컨즈 이내 전압의 진동폭이 일정한 주파수대로 올라가며 이 때 전기적인 자장이 형성되어집니다. 이후 검출물체가 센서에 가까이 접근 시 검출물체 표면에 유도전류 즉 와전류가 증가하여 전압의 진동폭인 발진의 크기는 감소하고 완전히 검출된 상태가 되면 0V에 가까워집니다. 수신기는 이 변화를 검출하려 고체 상태의 스위치를 단락시키는데 센서의 검출 범위를 벗어나게 되면 다시 켜지게 됩니다.

 

정전용량형 근접센서라고도 불리는 용량성 근접센서는 커패시터를 이용한 변위를 측정하는 센서입니다.

커패시터는 두 극판으로 이루어져있고 그 사이에 유전체가 채워져 있는 형태로

센서 내부 물질은 컨덴서(커패시터)로 동작하고 센서 탐침의 전체 용량 성분이 올라갑니다.

이것이 내부 발진기의 기동신호가 되어 출력단을 켜게 되고 출력신호를 보냅니다.

즉 센서는 측정 범위 내 물체의 존재를 검출할 수 있고 변위를 측정할 수 있기 때문에

주로 액체 또는 과립의 충전 수준 측정에 사용되어집니다.

 

 

용량성 근접센서의 동작원리를 살펴보시면 극판에 +전압을 인가하면 극판면에는 +전하가,

대지쪽에는 –전하가 발생하면서 극판과 대지 사이에 전계가 생깁니다.

물체가 극판쪽으로 접근하면 정전유도를 받아서 물체 내부에 있는 전하들이 극판쪽으로는 –전하가

반대쪽으로는 +전하가 이동하게 되는데 이것을 분극현상이라고 합니다.

물체가 극판에서 멀어지면 분극 현상이 약해져서 정전용량이 적어지고 반대로 극판쪽으로 접근하면 분극현상이 커져 극판면의 +전하가 증가하여 정전용량이 커지는데 이 변화량을 검출하여 물체의 유무를 판별합니다.

정전용량형 근접센서는 앞서 말씀드린 고주파발진형 근접센서와는 반대로 동작합니다.

전원을 투입하면 전압의 진동폭은 0V에 가까우며 검출물체가 접근하면 정전용량이 증가하게 되어 진동폭이 커지게 되고 이 진동폭을 증폭시켜 출력부를 동작시킴으로써 물체를 감지할 수 있습니다.

 

마지막으로 초음파 근접센서는 비접촉식 방식으로 물체를 감지하거나 초음파센서로부터의 거리를 측정하여 물체를 감지하는 초음파 소스와 수신기를 기반으로 한 센서입니다.

초음파 방사기는 일정한 간격으로 약 200키로헤르츠의 고주파수 음파를 주기적으로 방사하며 주로 넓은 범위에서 거리를 측정하는데 사용되어집니다.

초음파 근접센서는 공기온도에 가장 큰 영향을 받아 이 부분을 고려하여 센서를 사용하여야합니다.

 

초음파 센서는 물체에 부딪히면 센서에 에코 신호로 반사되어 신호를 방출하고 에코를 수신하는 사이의 시간 간격을 기반으로 대상까지의 거리를 자체적으로 계산하여 장애물을 피하고 감지하는데 사용되어집니다.

발생한 에코를 초음파 센서가 받아들이며 압전 변환기를 통하여 이를 전자신호로 전환하고 초음파 펄스 발사시간과 에코를 받아들이는 타임래그를측정하여 물체까지의 거리를 계산합니다.

 

 

 

제가 공부하고 있는 공대 대학원생 브이로그도 보러오세요 :)

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