2016-09-01

5장 위치. 변위 센서 (B)

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위치 센서§ 포텐쇼미터(potentiometer)

§ 전자유도식 변위센서(Inductive displacement sensor)

-차동트랜스 (LVDT: Linear Variable Differential Transformer)

-싱크로 (Synchro)

§ -로터리 인코더

§ -반도체 위치 검출소자 (PSD)

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§ 싱크로(synchro)- 싱크로(synchro)는 아날로그형 회

전각도의 검출, 전송에 사용되는센서로 코일 사이의 전자유도 현상을 이용한 것이다

> 회전자(rotor)> 고정자(stator)> 회전자에는 1차 코일(여자권선)

이, 고정자에는 3개의 2차 코일이 120도로 위치해서 감겨있다.

> 각 고정자 권선에 유기되는 전압의 크기와 위상은 회전자의위치 및 1차 전압에 의존한다.

• 구조

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• 동작원리

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• 싱크로의 종류

- 싱크로는 2개 이상의 싱크로를 결합함으로써 비로소 그 기능을 수행할수 있다.

- 즉, 싱크로의 최소 단위는 싱크로 발신기(transmitter)와 싱크로 수신기(receiver)의 결합으로 구성되며, 발신기 측에서 처음 만들어진 각 변위 신호는 수신기 측으로 전해지고 수신기에 동일한 크기의 각 변위를 발생시킨다.

- 싱크로는 수신기 측의 회전축에 토크를 발생시키는 토크 싱크로(torque syncro)와, 송수신기간의 각 도차에 상당하는 전압을 발생시키는 제어 싱크로(control syncro)로 대별된다.

> 토크 싱크로(torque syncro) : 발신기(transmitter)와 수신기(receiver)를직접 결선하여 각도 변위를 전송하는데 사용

> 제어 싱크로(control syncro) : 서보기구(servomechanism)에 이용하는경우가 많고, 각도 전송의 정밀도가 양호하다.

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• 토크 싱크로의 원리

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• 싱크로의 특성- 싱크로는 본래 군용, 특히 선박용으로 사용되었는데, 내잡음 특성이 우수

하여 선박용 자이로 컴파스, 원격 조타장치, 공작기계 등의 각종 자동제어기기, 항공 계기용으로 사용되고 있다.

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§ 광학식 인코더

- 발광소자(LED)와 수광소자(포토다이오드, 포토트랜지스터)사이에 회전원판(rotating disk 또는 code disc )과 고정 매스크(stationary mask) 가 있다.

- 회전원판에는 일정 간격의 슬롯(slot)이 만들어져 있다.

• 증가형(Incremental optical encoder)

- 고정 매스크에는 위상이 90도만큼 다른 2상의 슬롯 A, B와, 회전의 원점을 결정하기 위한 제로펄스 슬롯 Z가 있다.

- 발광소자로부터 나온 빛은 회전슬롯과 고정슬롯를 통과하여수광소자 A, B에 들어가면 전기펄스를 발생시키고 이것을 계수하여 회전위치를 결정한다

- 기준위치를 임의로 선택할 수 있고, 회전량을 무한히 계측가능하다.

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- 출력파형

> A상과 B상의 위상 차로부터 축의 정회전(시계 방향)과 역회전(반시계 방향)을판별할 수 있다.

> 원판이 시계방향으로 회전하면 B상 상승시점에서 A상은“1”(즉 A상은 진상, B상은 지상)로 되고, 반대로 반시계 방향으로 회전하면 B상 상승시점에서 A는 “0”(즉 A상은 지상, B상은 진상)으로 되어 회전방향을 결정할 수 있다.

> Z상은 1회전에 1개의 원점신호를 발생시키고, 주로 카운터의 리셋 또는 기계적 원점위치 검출에 이용된다.

> 증가형 인코더는 동작중 정전이 되면 현재 위치를 알 수없다.

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- 정격 및 특성

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- 특징> 일반적으로 증가형 인코더는 절대치형 인코더에 비해 저가이며 분해능이

더 높다.

> 출력선(output line)의 수가 작으므로 인터페이스가 더 간단하다

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• 절대치형(Absolute Encoder)- 절대치형 인코더는 금속 회전원판에 슬롯을 2진 부호로 만들어 회전각도에 따라

2진 코드가 출력되는 것으로, 절대위치를 상시 검출 가능하도록 한 것이다. - 예를 들면 그림과 같이, 3개의 슬롯을 통해 빛을 통과 또는 차단하도록 부호를 형

성하면 1회전마다 8개의 2진 부호 패턴을 만든다. 그러므로 그림의 경우360/8=85도의 분해능이라 할 수 있다. 통상 분할 단위는 1도 정도가 많다.

- 그러나 그림과 같은 순2진부호형은 어떤 수에서 다음 수로 이동할 때 2개의 비트가 동시에 변화하기 때문에 애매한 부호가 되는 문제가 있다. 예를 들면, 3에서 4로 이동 시 011에서 100로 변하지만 순간적으로는 111, 즉 7이 생길 수 있다.

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• 그레이 코드(gray code)

> 순 2진부호의 문제점을 해결하기 위해서 수가 변할 때 항상 1 비트의 부호만변하는 그레이 코드(gray code)가 사용된다.

> 이 인코더는 절대위치를 검출할 수 있어 편리하지만 복잡한 슬롯모양을 제작해야 되기 때문에 고가로 된다.

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• 4-bits absolute encoder

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• 8-bits absolute encoder

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• 정격 및 특성

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5.7 반도체 위치검출소자(PSD)

- 위치검출소자(position sensitive device; PSD)는 반도체의 표면저항을 이용해서 1개의 pn접합으로 화상을 주사(走査; scan)하지 않고 입사광의 단•장거리 위치를 검출하는 반도체 소자이다.

- PSD에는 일축방향(一軸方向)만의 광을 검출하는 1차원 PSD와, 평면상의광 위치를 검출할 수 있는 2차원 PSD가 있으며, 모두 pin 포토다이오드 구조를 갖는다.

§ 구조와 동작원리

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- 고저항 실리콘 기판(i층) 표면에 p층을, 후면에 n층을 형성하고, 상하에출력신호를 얻기 위한 전극이 설치되어 있다.

- 표면에 형성된 p층은 균일하게 분포하는 전류 분할저항으로 기능한다. - 입사광 위치에서 발생된 총 광전류 Io는 각 전극까지 저항 값에 역비례하

여 나누어 각 전극에 출력된다.

• 1차원 PSD

BAo III += ÷÷ø

öççè

æ -´=

l

xloA R

RRII ÷÷ø

öççè

æ´=

l

xoB R

RII

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- 저항 층은 균일하므로, 저항 값이 길이에 비례한다고 가정하면,

÷øö

çèæ -

´=lxlII oA ÷

øö

çèæ´=lxII oB

- 위 두 전류의 차 (IA-IB )를 합(IA+IB)으로 나눈 식을 위치신호라고 하며

lx

lxl

IIIIPBA

BA 2121 -=÷

øö

çèæ -

=+-

=

이와 같이, 입사광의 세기와 그 변화에 관계없이 위치신호를 얻을 수있다.

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• 2차원 PSD- 표면 분할형( tetra-lateral type PSD)

> 표면 분할형에서 광 전류는 각각의 전극에 향하여 4분할되어 출력되는데, 모든 전극이 동일 저항층상에 인접하므로 전극간의 상호간섭이 있고, 위치검출에 왜곡이 생기기 쉽다.

> 위치 변환공식

XXX

XX

Lx

IIII 2

21

12 =+-

YYY

YY

Ly

IIII 2

21

12 =+-

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• 2차원 PSD- 양면 분할형( duo-lateral type PSD)

> 양면 분할형에서 각각의 면이 독립하여 전류 분활이 이루어지므로 위치 직선성이 우수하다.

> 위치 변환공식

XXX

XX

Lx

IIII 2

21

12 =+-

YYY

YY

Ly

IIII 2

21

12 =+-

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§ PSD 응용

- PSD를 이용한 위치센서는 회로가 간단하기 때문에 광학장치에 있어서 위치나 각도 검출 등에 응용되고 있다. > 자동초점(autofocus) 메커니즘> 사용자가 ATM (automatic teller machines)이나 밴딩 머신(vending machine)에접급할 때 기계동작 개시> 산업체 장비에서 정밀 위치 검출

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- 삼각측거법(triangular principle)에 의한 위치(거리) 측정

> IRED로부터 나온 근적외선은 렌즈를 통과하면서 좁은 각도(narrowangle; ＜2도)의 비임으로 만들어진다.

> 이 비임이 물체에 입사된 후 PSD를 향해 다시 반사된다. > 미약한 반사 비임은 렌즈에 의해 PSD 표면에 집광 된다. > 따라서, PSD는 그 표면에 있는 광점의 위치에 비례하는 출력전류를 발생시킨다.

Sensor System Design