2016-09-01

5장 위치. 변위 센서 (A)

5A-2

위치 센서§ 포텐쇼미터(potentiometer)

§ 전자유도식 변위센서(Inductive displacement sensor)

-차동트랜스 (LVDT: Linear Variable Differential Transformer)

-싱크로 (Synchro)

§ -로터리 인코더

§ -반도체 위치 검출소자 (PSD)

5A-3

5.1 개요

- 센서에서 위치(position)는 여러 의미로 쓰인다.

- 본 장에서는 변위 센서를 중심으로 설명하고, 근접센서는 다음 장에서 설명한다.

- 변위센서는 아래의 변위들을 검출한다> 직선변위(linear displacement)> 회전변위(angular displacement)

> 절대 위치(absolute position)는 선택된 기준점에 대해서 물체의 좌표(직선 또는 각)를 결정하는 것을 의미한다.

> 변위(變位;displacement)는 한 위치에서 다른 위치로 특정 거리 또는 각도만큼 이동하는 것을 말한다. (differential position)

> 근접(proximity)은 on/off 출력에 의해서 검출되는 일정거리(critical distance)를 의미한다. 보통, 근접센서는 물체의 존재 유무를 검출한다

§ 위치의 정의

5A-4

§ 변위 센서의 종류

5A-5

5.2 포텐쇼미터

§ 포텐쇼미터(potentiometer)- 변위를 직접 전기저항의 변화로 변환하고, 부가회로에 의해서 이 저항변화

를 전압 또는 전류변화로 다시 변환하는 센서이다.

- 포텐쇼미터는 직선변위와 회전변위를 측정한다.

- 포텐쇼미터는 측정방식에 따라 다음과 같이 분류한다

> 저항식 변위센서(resistive displacement sensor) :

흔히 이것을 간단히 포텐쇼미터(potentiometer)라고 부른다.

> 자기 포텐쇼미터 : 대표적인 비접촉식 포텐쇼미터

> 광학식 포텐쇼미터 : 비접촉식 이지만 잘 사용되지 않음.

5A-6

§ 저항식 변위센서(resistive displacement sensor) - 저항식 변위센서(resistive displacement sensor)를 흔히 포텐쇼미터

(potentiometer)라고 부른다.

- 포텐쇼미터는 가장 간단한 변위센서로, 양 단자에 전압을 가한 상태에서 피측정 물체에 연결된 와이퍼(wiper)가 저항체 위를 이동하여 변위에대응한 전압을 얻는다.

- 직선변위와 회전변위를 측정한다.

- 사용하는 저항소자에 따라 다음과 같이 분류한다.> 권선형> 도전성 플라스틱형> 하이브리드형

5A-7

- 저항체와 그 위를 직선적으로 이동하는 와이퍼(wiper)로 구성- 변위에 비례하는 출력전압이 얻어진다. - 직선 변위센서의 검출범위는 수십 mm ~ 수백 mm정도이다.

• 직선변위 검출용 포텐쇼미터

KxVLxV

RRV SSab

cbO ===

5A-8

- 회전축이 회전하면 내부의 와이퍼가 저항체 위를 이동하고, 저항 값은회전각에 비례하여 변화한다

- 와이퍼가 θ 만큼 회전할 때 저항 값 및 출력전압은

- 각 변위에 비례하는 출력전압이 얻어진다.

• 회전변위 검출용 포텐쇼미터

qqq KVRkV

RRV S

abS

abO ===

)(

5A-9

• 저항식 변위센서에 사용되는 저항소자(resistive element)- 권선형 포텐쇼미터(wirewound potentiometer)

> 일반적으로 NiCr 또는 CuNi(저저항)과 같은 저항선이 사용됨> 정밀도 : 0.1~0.2%로 가장 높다> 슬라이더(slider)가 권선에서 권선으로 이동함으로써 저항 값이 단계적으로

변화하기 때문에 최소 분해능(resolution)은 저항체의 길이방향으로 0.1[mm] 정도로 낮고, 수명이 짧다.

5A-10

- 도전성 플라스틱(conductive plastic) 저항소자> 수명도 107회 정도의 반복사용이 가능> 분해능 : 2×10-4[mm] 정도> 직선성은 0.1[%] 정도

- 하이브리드 저항소자> 와이퍼가 접촉하는 권선부분 위에 도전성 플라스틱을 도포한 것> 권선형의 고 정밀도와 도전성 플라스틱의 고 분해능 특성을 동시에 갖는다.

5A-11

- 마찰력이 크다- 피 측정 물체와 물리적으로 연결하는 수단이 필요하다- 속도가 느리다- 마찰 및 구동전압이 저항선을 가열한다- 환경적 안정성이 낮다.- 접촉식 포텐쇼미터는 습동자의 마모로 인해 수명의 신뢰성이 낮아, 상시

미동(微動)을 받거나 진동을 받는 장소에서 사용하는 것이 부적합한 경우가 있다.

- 최근에는 저항선을 사용한 접촉식에서 반도체 소자를 이용한 비접촉식으로 발전하고 있다.

• 접촉식 포텐쇼미터의 단점

5A-12

5.3 전자유도식 변위센서§ LVDT (linear variable differential transformer)

- 코일의 상호유도작용을 이용하여 직선변위를 그것에 비례하는 전기신호로변환하는 센서

- 원통형의 비자성체에 감겨진 1차 코일(primary coil)과 두 개의 2차 코일(secondary coil), 피측정 물체와 연동하여 움직이는 철심(iron core)으로 구성된다.

- 일정 주파수, 일정 전압을 1차 코일에 인가하면, 반대 극성으로 접속된 2차코일에는 가동철심의 위치에 비례하는 출력 전압이 유기된다.

5A-13

• 2 차측 접속전 각 코일에 유기되는 전압

dtdi

Mv p11 = dtdi

Mv p22 =

dtdi

MMdtdi

Mdtdi

Mvvv pppo )( 212121 -=-=-=

+

5A-14

• 2 차측에 유기되는 출력전압

0)( 21 =-= dtdi

MMv po

- 입력이 없을 때 : 철심은 중앙에 위치 : 21 MM =

21 vv >

- 철심이 위로 이동 : 21 MM >0)( 21 ¹-= dt

diMMv po 21 vv <

- 철심이 아래로 이동 : 21 MM

5A-15

Sensor System Design

- RS232- 통신이 왜 필요한지에 대한 설명- Seral 프로그램 설치 및 이해- RS232 프로그램 구동

- 과제내용⦁ Team project 회의