Transcript [Lec4.4]Proximity sensor.
점유 근접(Proximity) Sensors
2016 년 1 학기 박 찬식 http://gnc.chungbuk.ac.kr
[email protected]
교육관 325 호 , T. 3259
목차
점유
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근접 센서의 기초 광전 센서 유도형 근접센서 정전용량형 근접센서 자기식 근접 스위치 초음파식 근접센서 근접센서의 비교
점유
⋅
근접 센서
점유센서
미리 설정된 특정의 위치에 사람이나 물체의 존재유무를 검출하는 센서 물체가 정지해 있건 이동하건 관계없이 신호를 발생 현재 광전 센서, 근접 센서 등이 주로 사용
근접(proximity)
검출하려고 하는 대상(물체)과 센싱 요소 사이에 물리적 접촉 없이 물체의 존재를 검출하는 것
점유
․
근접센서
물체의 존재유무, 기준점으로부터 물체의 위치를 모니터링하고, 물체의 통과, 이동, 차단 등을 확인하고, 물체의 개수를 계수(counting)하고, 검사위치를 통과하는 제품의 크기를 결정하고, 기계부품이 정해진 위치에 도달했는지를 확인하고, 조립라인에서 부품의 적절한 위치를 확인하는 데 널리 적용되고 있음 프로세스 자동화에서 중요한 센서로 사용
점유
⋅
근접 센서의 기초
점유 센서(occupancy sensor) 정의와 분류
점유 센서: 물체의 존재유무를 검출 분류 접촉식: 마이크로스위치(microswitch), 리미트 스위치(limit switch) 등 비접촉식: 광전 센서(photoelectric sensor), 근접 센서(proximity sensor) 광전센서 공장 자동화에서 광범위하게 사용 근접센서(스위치) 근접센서를 흔히 근접 스위치(proximity switch)라고 부름 근접센서의 검출범위는 짧지만, 먼지나 기름입자 등과 같은 환경인자에 영향을 훨씬 덜 받는다.
광전 센서
빛을 이용해 물체의 존재유무를 검출하는 점유센서
광전 센서-투과식
투과식(대향식) 광전센서(through- beam or opposed mode)
유효검출영역(effective beam area) 투광기와 수광기의 광학계에 의해서 형성되는 원통모양의 영역 투광기와 수광기의 광축 조정 및 수광기의 감도 조정 필요 • 동작각(또는 지향각): 3～10° 정도 광섬유(optical fiber) 사용 좁은 장소 또는 설치하기 나쁜 경우, 검출 대상 물체가 작은 경우 검출거리 30[mm]～1[m]로 짧음
장점
검출 거리 수[mm]～백[m] 광전센서 중에서 가장 김 작은 부품 검출 먼지, 습도 등 오염된 환경에서도 신뢰성 있는 동작 불투명 물체에 대해서 이상적 검출 확도가 높다
단점
투명한 물체의 검출 불가능 2개의 하우징, 2개의 전원 요구 검출거리가 10[m] 이상이면 광축 정렬 어려움
광전 센서-반사식
반사식 광전센서(retroreflective or reflex)
표준 반사식(standard reflex)과 편광 반사식(polarized reflex) 표준 반사식(standard reflex) 투광기와 수광기를 하나의 케이스에 일체화 반대쪽에 역반사판(retroreflector) 설치 사이를 통과하는 물체에 의해 발생하는 투과 광량의 변화로 물체 검출 광원으로는 주로 근적외선 (850～940[nm]) 사용
역반사판(retroreflector)
광전 센서-반사식
편광 반사식 : 광택이 있는 물체의 검출
광택이 있는 물체는 표면으로부터 반사하는 빛에 의해 검출 불가능 빛의 편광특성을 이용하여, 본체의 투광 측과 수광 측에 편광필터의 방향이 직교하도록 배치 검출 대상이 없으면 투광기 측에서 수직방향으로 편파된 빛이 역반사판에 의해서 역반사되면 편광이 변하여 수평방향성분이 편광필터를 통과 광택이 있는 물체가 들어오면 물체로부터 반사광은 수직편광방향 수광기 측의 수평방향의 편광 필터로 차단 물체 검출 광원으로는 적색(660nm) 사용
광전 센서-확산식
확산식 (근접식) 광전센서
확산식(diffuse) 또는 근접 검출식(proximity detection) 광전센서 투 ․ 수광부는 동일 하우징에 동일 방향으로 설치 통과 또는 접근 검출대상이 그 앞을 빛이 물체에 반사되어 사방으로 확산 이 반사광의 일부를 수광기가 검출 반사판은 필요 없으며, 유리 등의 투명한 물체의 검출도 가능 광원으로는 적외선 다이오드 사용 광전식 근접센서(photoelectric proximity sensor)라고도 부름
광전 센서-확산식
iPhone의 proximity sensor
iPhone 4 4G
광전 센서-확산식
모드배경 억제(background suppression)를 갖는 확산식 광전센서
삼각측량법(triangulation) 이용. 수광기 측에 두 개의 포토다이오드 설치 검출범위 밖에 있는 물체로부터 반사되는 빛은 포토 다이오드 1에 검출대상물체 2로부터 반사되는 빛은 포토다이오드 2에 입사 만약 포토다이오드 2의 신호 > 포토다이오드 1의 신호, 측정대상물체 2를 검출 역으로 포토다이오드 2의 신호＜포토다이오드 1의 신호, 물체 2는 검출되지 않음 검출거리(2 m 까지)는 물체의 반사도에 상관없이 단지 위치에만 의존 그 외에 검출영역 밖의 어떠한 배경도 무시
광전 센서
특징 요약
광전 센서
광전 센서의 응용
근접센서
근접센서의 종류
유도형 근접센서
정전용량형 근접센서
자기식 근접센서
광전형 근접센서
초음파 근접센서
근접센서-유도형
유도형 근접센서
유도형 또는 고주파 발진형 근접센서 금속물체(metallic object)의 검출 검출대상이 자성체(ferrous target)인 경우 검출 감도가 양호, 검출거리도 김 구성과 동작원리 페라이트 코어에 감긴 검출코일이 커패시터에 접속되어 고주파 발진회로(oscillator circuit) 구성 검출코일에 교류전류를 흘리면 발진회로에 의해서 코일 전면에 고주파 자계를 발생 자계내부로 금속물체가 들어오면, 전자유도작용에 의해 금속도체 내부에 와전류(渦電流; eddy current)가 흐르고, 열손실이 발생 검출코일의 손실저항(R)과 인덕턴스(L) 변함 이 변화가 발진회로의 발진 주파수 또는 발진진폭의 변화로 출력
더 큰 전류 필요
근접센서-유도형
자속(Φ), 전류(i), 인덕턴스(L) 사이에는
같은 자속 Φ를 발생시키는데 더 큰 전류 i가 요구된다는 것은 등가적으로 인덕턴스 L이 감소한다는 것과 동일
와전류 효과를 이용한 유도형 근접센서를 와전류 센서(eddy current sensor)라고도 부른다.
와전류가 발생하는 물체의 깊이, 즉 침투깊이
효과적인 동작을 위해서는 검출물체의 두께가 이 침투깊이 보다는 두꺼워야 하므로 와전류 센서는 금속박막물체 등에는 사용이 곤란
코일의 임피던스 변화를 검출하는 방법
발진회로의 발진 주파수 검출 발진전압 진폭 검출 인덕턴스보다 저항성분의 변화가 더 크므로 발진전압의 진폭을 검출하는 방법이 발진 주파수 검출보다 유효한 방법
근접센서-유도형
금속 물체가 센서 가까이 다가오면
발진회로의 저항(R)이 감소하여 코일의 Q가 감소하기 때문에
발진진폭이 감소한다.
미리 설정한 거리까지 접근하면 발진진폭은 0이 된다
따라서 센서의 출력전압이 나타난다. (on 상태)
물체가 멀어지면 출력전압은 다시 0으로 된다. (off 상태)
금속물체 존재 시 발진신호의 진폭변화
근접센서-유도형
유도형 근접센서의 주요 특성
검출거리(sensing distance)
M30
검출거리는 센싱 면적의 크기에 의존 검출거리 예 • 센서직경이 18mm인 경우 정격동작범위는 8mm, 확대 검출거리 18mm 센서직경이 결정되면, 동작 범위는 센서의 차폐에 영향 • • 차폐된 근접센서는 코일을 감은 페라이트 코어 주위에 금속 링(metal ring)을 가지고 있어, 자계가 옆으로 퍼지는 것을 제한 일반적으로 무차폐 근접센서의 검출거리가 더 길다
근접센서-유도형
유도형 근접센서의 응용 분야
Wood Industry 부러진 드릴 끝 검출 Food Industry Conveyor Belts 캔 또는 뚜껑의 존재유무
근접센서-유도형
Elevator Positioning Closed Barrier Indicator Railroad Yard Position Sensing
근접센서-정전용량형
정전용량형 근접센서(capacitive proximity sensor)
구성 커패시터 전극판 또는 프로브(probe) 발진기 신호레벨 검출기(signal level detector) 출력 스위칭 소자(output switching device) 검출물체가 센서에 접근하면 검출전극과 대지간 정전용량이 증가하는 것을 이용하여 물체를 검출 물체가 접근하면 발진회로의 발진주파수가 변함을 검출 도체 및 유전체 등 모든 물체의 검출 가능
근접센서-정전용량형
센서에 물체가 접근하면 센서-대지간 정전용량이 증가하여 발진 주파수와 진폭
근접센서-정전용량형
검출물체의 비유전율과 검출가능거리 사이의 관계
정전용량형 근접센서의 특성
감도는 검출대상과 센서 사이의 거리, 대상물체에 따라 달라짐 검출거리는 대상 물체의 비유전율에 따름 만약 센서의 정격검출거리가 10mm이고, 검출대상이 알코올이라고 가정하면, 유효검출거리는 근사적으로 정격의 85 다양한 종류의 물체 검출을 위해서 정전용량형 센서는 전위차계 (potentiometer)가 장착되며, 이것을 이용하여 감도 조정 가능 (예) 유리용기 속에 들어있는 액체 검출: 감도를 감소시키면 유리 용기는 검출이 불가능하지만, 내용물은 검출이 가능. 장점 유도형 근접센서와 달리 전계가 검출매체로 사용되므로 금속뿐만 아니라 유전체(절연체)도 검출 가능 또 유전체의 차이로 검출하므로 비금속 용기(종이, 유리, 플라스틱 등) 속에 들어있는 물체검지 가능 검출물의 표면상태(광택, 색 등)에 영향을 받지 않으며, 투명체 검출 가능 단점 유도형에 비해 응답속도가 다소 늦음 물방울 등의 부착에 약하다. 현재는 젖은 검출물체를 오동작 없이 검출할 수 있는 정전용량형 근접센서도 개발되어 있다.
근접센서-정전용량형
정전용량형 근접센서의 응용분야
금속, 유전체 모두 검출이 가능 용기 내용물의 유무나 흡수상태 등을 판별할 수 있는 특징 미소물체의 검출은 불가능하며, 분해능이 나쁘다. 또 물이나 기름이 닿는 장소에서는 사용이 곤란 변위센서, 레벨센서(level sensor)등에도 사용
Bin level control: 곡식 저장소(bin)에 채워지는 내용물의 레벨 제어 Milk detect in paper cartons.
Carton detection: 용기 내의 액체, 예를 들면 우유 곽 속의 우유를 검출 Detects passage of transparent glass substrates
근접센서-정전용량형
Wood Industry Product filling lines: 먼저 빈 병(또는 박스) 상태 검출, 채워진 레벨 검출(샴푸 또는 시리얼 등)
근접센서-자기식
자기식 근접 스위치(magnetic proximity switch)
리드 스위치(reed switch) 자성체로 되어있는 한 쌍의 리드 편(reed blade)을 불활성 가스(또는 진공)와 함께 유리관 내에 봉입 두 리드 편의 접촉면적은 로듐(Rh)이나 루테늄(Ru)과 같은 매우 강한 물질로 도금 외부 자기장이 가까이 접근하면 두 리드 편의 접점이 접촉하여 on/off 동작을 반복
리드 스위치의 동작
리드 스위치 주위에 자계가 없으면, 두 접점은 개방 자성을 갖는 검출대상이 가까이 접근 자화되어 서로 끌어당김 자속이 리드 편을 통과 접점이 접촉하여 on상태 두 리드 편은 normally open(N.O.), normally closed(N.C.), N.C.와 N.O. 두 기능을 다 갖는 것
근접센서-자기식
특징
리드 스위치로부터 수[mm]에서 수십[mm]에서 무접촉으로 스위치의 개폐 가능 일반 스위치보다 고속으로 500[Hz] 정도의 on/off에도 대응 전자회로기술을 특별히 요구하지 않으므로 누구나 이용 가능 리드 편의 접촉면적이 작으므로 사용 전류는 보통 1[A] 이하 대 전류의 개폐에는 릴레이 등과 함께 사용
응용분야 자석은 접점을 N.O. 상태로 유지. 안전벨트를 매면, 그림과 같이 리드 스위치와 자석 사이에 위치한 금속 피팅(fitting)이 자계를 차단하여 접점은 OFF상태로 된다.
근접센서-자기식
시큐러티 분야에 리드 스위치를 적용한 예. 도어에 영구자석을 부착해 놓으면, 침입자가 문을 여는 순간 영구자석이 리드 스위치로부터 멀어지게 되어 침입자가 있음을 알리게 된다.
근접센서-초음파식
초음파식 근접센서(ultrasonic proximity sensor)
초음파의 투과와 반사를 이용하여 검출물체의 위치나 접근을 검출하는 센서 사용하는 초음파의 주파수는 지향성이 좋은 200[kHz] 정도의 초음파를 사용하여 물체를 검출 동작 모드(검출 방식) 확산 모드(diffuse mode) • • 표준 동작모드이며, 근접센서의 동작과 유사하다. 초음파 콘의 동작범위 속으로 이동하는 검출대상으로부터 반사되는 초음파에 의해서 센서 출력이 발생된다.
근접센서-초음파식
반사 모드(reflex mode)
미리 설정된 동작범위에 반사판(reflector) 설치 동작범위는 반사판의 위치에 따라서 조정 가능 반사판은 기계의 일부가 될 수도 있다. 발사된 음파는 반사되고, 에코 펄스는 센서로 되돌아옴 이 모드는 검출 타깃이 흡음물질이거나 모난 경우에 적합
투과 빔 모드(thru-beam mode)
음파 송신기와 수신기를 서로 마주보게 설치 검출대상에 의해서 송수신기 사이의 빔이 차단 검출거리를 크게 하면 초음파 비임의 지향성이 크기 때문에 분해능이 저하 단거리에만 채용되며, 검출거리는 1[m] 정도
근접센서-초음파식
송신파는 약 30개의 펄스로 구성 검출대상 까지의 거리 물체까지의 왕복시간
근접센서-초음파식
초음파 근접센서의 특성
검출 범위(sensing range) : 센서의 동작 범위를 말하며, 조정 가능 초음파 근접센서의 신뢰성 있는 검출범위는 5 cm ∼10 m 블라인드 존(blind zone) : 센서와 최소 검출범위(minimum range)사이의 영역: 6∼80[cm] 범위 불안정한 출력을 발생시키기므로 정확한 검출 불가능
근접센서-초음파식
성능에 영향을 주는 인자
바람, 습도, 온도 등과 같은 환경적 요인들에 큰 영향을 받는다. 공기흐름 급격한 또는 강한 공기의 흐름이 발생하면, 초음파가 가속(지연)되거나 진행경로가 흐트러져 센서는 검출대상의 정확한 위치를 인식할 수 없다. 타깃 각 초음파 빔의 축(기준 축)에 수직한 평면 타깃은 대부분의 초음파 에너지를 반사시킨다. 그러나 그림과 같이 타깃 면이 빔 축과 어떤 각을 이루면, 즉 타깃 각(target angle)이 증가하면 센서에 수신되는 에너지는 감소하고, 어떤 각도에 도달하면 센서는 더 이상 타깃을 인식할 수 없다. 대부분의 초음파 센서에서 타깃 각은 10° 이하이어야 한다.
근접센서-초음파식
응용 분야
이론상 초음파 센서는 어떠한 형태의 물체도 검출이 가능하지만, 주 검출 대상은 벽돌(bricks), 병, 강철 괴(steel ingot), 판유리, 액체 레벨 등 초음파 근접센서를 주차보조센서(parking assistance systems)로 사용한 예 좁은 공간에서 주차 시, 자동차 전후 및 코너에 있는 장애물을 모니터링 하여 사고를 방지하는 시스템
Detection of stacking levels
근접센서의 비교
Homework
근접.점유센서의 응용분야를 10개 이상 나타내어라.