Transcript [Lec4.1]Displacement sensor.

Displacement Sensor
위치⋅변위 센서
2016년 1학기
박 찬식
http://gnc.chungbuk.ac.kr
[email protected]
교육관 325호, T. 3259
목차








개요
Potentiometer (포텐쇼미터)
LVDT (Linear Variable Differential Transfomer)
로터리 인코더
자기저항식 위치 변위센서
정전용량식 변위센서
반도체 위치검출소자
경사각 센서
역학 센서?

기하량
변위, 길이, 거리, 위치, 치수, 두께, 깊이
 [Lec4.1] Displacement sensors


역학량
질량, 토크, 힘, 응력, 압력
 [Lec4.2] Force + Pressure sensors


운동량
속도, 가속도, 각속도, 각가속도
 [Lec4.3] Accelerometer + Gyroscope


근접

[Lec4.4] Proximity sensors
3
위치⋅변위 센서

절대위치(absolute position)
 선택된
결정

기준점에 대해서 물체의 좌표(직선 또는 각)
변위(變位; displacement)
한
위치에서 다른 위치로 특정 거리 또는 각도만큼
이동

근접(proximity)
 on/off

출력에 의해서 검출되는 일정거리
물체의 위치, 변위, 근접, 물체의 존재 유무 등을
검출하는 센서들은 산업적으로 매우 중요
Displacement sensor 분류


직선변위(linear displacement) vs
회전변위(angular displacement)
변위센서의 종류
Potentiometric Resistive
Transducer



Simplest and most efficient
Connect slide to moving object
Three types
 Translation
 Single turn: Angular
 Multi turn: Angular

Translation

Vo = (Rx / Rtotal) Vi
Rx  Xi
 Linear relationship
between Vi and Xi


Nonlinear

Caused by Load R
6
Potentiometric Resistive
Transducer


Linear if RL = 
In practice, RL < 

Using Shunt Rm
To remove
nonlinearity
 Rm = RL

7
Potentiometric Resistive
Transducer

Resolution

Dependent on diameter of
winding wire
Fine wire give better
resolution
 20m is close to practical
limit

• 50 turns / mm
8
자기 포텐쇼미터

자기저항 소자(MR 소자)를 저항체로 사용한 비접촉 포텐쇼미터
(contact-less potentiometer)
 자기저항 효과: 자계의 세기가 증가하면 반도체나 금속 자성체의
전기저항이 증가하는 현상
LVDT
(Linear Variable
Differential Transformer)

Electromechanical device that
produces electrical output
proportional to displacement of a
separate movable core
10
Demodulation process in LVDT

Primary coil excitation

Sinusoidal voltage
3 ~ 15Vrms
 60 ~ 20000Hz


180 deg phase shift
across null

Requires demodulator
to distinguish direction
of core movement

Phase sensitive
demodulator
11
Semiconductor Bridge
Demodulator



Vo = Vab + Vcd
Advantage
 Simple
 No carrier reference
required
Disadvantage
 Nonlinearity


Caused by Diode
To eliminate ripple in output
 Low pass filtered

If Excitation frequency :
core displacement
frequency = 10:1
• Simple RC circuit

Otherwise
• More complex
12
LVDT circuit example

MC1595
 Multiplier


Multiplication involves
detection of sign
Performs phase
sensitive demodulator
13
Unique features of LVDT



Electrical transformer with
a separable noncontacting
core
Frictionless measurement
 Applied to dynamic
deflection and vibration
of highly elastic
materials
Infinite mechanical life
 Applied to fatigue life
testing of materials and
structures



Infinite Resolution
 Limitation of resolution
is readability of external
device
Null repeatability
 Applied to null position
indicator in high gain
closed-loop control
system
Input/Output Isolation
 Applied to analog
computing element
without the need for
buffer amplifier
14
로터리 인코더 (Rotary Encoder)


회전각을 전기펄스로 출력하는 회전 위치(변위) 검출기
분류
 출력방식에 따른 분류
증가형 (Incremental type): 위치(변위)를 펄스 수로 나타냄
 절대치형 (absolute type): 위치(변위)를 절대 값으로 나타냄

 변환
방식에 따른 분류
광학식 인코더 (optical encoder): 신호검출에 광센서 사용
 자기식 인코더 (magnetic encoder): 신호검출에 자기센서 사용

광학식 로터리 인코더-증가형
Z상은 1회전에
1개의 원점신호
광학식 로터리 인코더-증가형

Operating precision의
증가

간섭의 영향 제거
동작 확도를 2배로 증가
동작 확도를 4배로 증가
추가의 보상신호(
의한 인코더 펄스와 간섭
펄스의 구별
)에
광학식 로터리 인코더-절대치형
광학식 로터리 인코더

증가형과 절대치형 인코더의 특징
 절대치형 동작하자마자 또는 정전으로부터 회복된 후 회전체의
실제 각 위치에 대응되는 데이터를 제공한다.


절대치형은 라인 간섭에 둔감하다. 간섭은 코드를 변화시킬 수
있지만, 간섭이 사라지면 스스로를 자동적으로 수정된다.


반면, 증가형은 다시 초기화를 해야 한다.
반면, 증가형 인코더는 보상신호가 없으면 간섭 데이터가 계수된다
인코더의 응용 분야
 모터 피드백(motor feedback)


인코더는 모터에 직접 접속되거나 측정 휠을 통해서 간접적으로
접속되고, 모터의 속도나 위치를 측정한다.
생산 라인의 컨베어 벨트로부터 크레인에 이르기까지 위치 모니터
자기식 로터리 인코더



일정간격으로 자화된 자기 드럼 회전  홀 소자 펄스 출력  각도 검출
장점
 광학식: 발광소자가 전력 소비
 자기식: 소비전력 작음
단점
 자계가 존재하는 장소에서 사용 제약
로터리 인코더의 응용


길이 측정
속도 측정
자기저항식 위치․변위센서

자기저항소자(MR: Magneto Resistor)


자계의 세기에 따라 저항이 변하는 센서
직선변위 측정
x
회전변위 측정
정전용량형 변위센서
(capacitive displacement sensor)

전극간격 변화 방식


대향전극면적 변화 방식


두 전극간 거리 x가 변롸  정전용량 변화
가동전극이 이동  대향 전극의 면적 감소  정전용량 변화
유전체 이동 방식

전극사이의 유전체 이동  정전용량 변화
반도체 위치검출소자(PSD)



PSD(position sensitive device; PSD)
 반도체의 표면저항을 이용해서 1개의 pn접합으로 화상을
주사(走査)하지 않고 입사광의 단․장거리 위치를 검출하는 반도체
소자
종류
 1차원 PSD : 일축방향(一軸方向)의 광 위치를 검출
 2차원 PSD : 평면상의 광 위치를 검출
pin 포토다이오드 구조를 갖는다.
반도체 위치검출소자(PSD)
1차원 PDS
2차원 PDS

종류




표면 분할형(tetra-lateral type)
양면 분할형(duo-lateral type)
핀-쿠션 형(Pin-cushion type)
표면 분할형(tetra-lateral type)



광전류는 각각의 전극을 향하여 4분할되어 출력
모든 전극이 동일 저항층상에 인접하여 전극간의 상호간섭
위치검출에 왜곡 발생 가능
2차원 PDS

양면 분할형



각각의 면에서 독립적으로 전류분할이 이루어짐
즉 전극이 근접해 있지 않아 위치 직선성이 우수하다.
표면 분할형과 양면 분할형의 위치변환공식
2차원 PDS

핀-쿠션 형(Pin-cushion type)

표면 분할형의 변형




분할형에 비해 능동영역(active area or sensitive surface) 향상
전극 간 상호작용이 감소
암전류(dark current)가 작고, 고속 응답, 역전압 인가가 용이한 점,
주변에서 왜곡(distortion)이 상당히 감소되는 장점
핀-쿠션 형 PSD의 위치 변환공식
PSD 응용

PSD를 이용한 위치센서는 회로가 간단하므로
광학장치의 위치나 각도 검출 등에 응용
 자동초점(autofocus)
메카니즘
 사용자가 ATM(automatic teller machines)이나
밴딩 머신(vending machine)에 접근확인
 산업체 장비에서 정밀위치검출
반도체 위치검출소자(PSD)

삼각측량법(Triangulation)에 의한 위치(거리) 측정

렌즈를 통해 레이저 빔을 측정대상에 발사


 이 빔은 물체에 반사되고 일부는 PSD로 감지
PSD와 물체까지의 거리



 수신된 빔이 PSD에 입사하는 각도
 PSD에 입사되는 빛의 위치
 신호조정회로와 마이크로프로세서에 의한 출력 계산
PSD
Baseline의 길이와 angle이 알려지면
계측기로부터 물체까지의 거리를 알 수 있다.
반도체 위치검출소자(PSD)

삼량측량법에 의한 거리측정의 예

IRED 출력 근적외선은 렌즈를 통과하면서 좁은 각도(＜2°)의 빔



 이 빔이 물체에 반사되어 PSD에 감지
 미약한 반사 빔은 렌즈에 의해 PSD 표면에 집광
 PSD는 그 표면에 있는 광점의 위치 x에 비례하는 출력전류 발생
경사각 센서

경사각 센서(inclination detector or tilt sensor)
 지구의
중력중심에 대해 기울어진 임의 방향의
각도를 측정하는 센서

종류
 수은
스위치
 전해질 경사각 센서
 광전식 경사각 센서
 가속도센서를 이용한 경사각 센서
경사각 센서

수은(mercury) 스위치
 단순 개폐동작(on/off)만 가능


회전각이 사전에 설정된 값을 초과하는
경우에만 동작
전해질 경사각 센서(electrolytic tilt sensor)
 중심전극과 두 양단전극 사이의 저항
R1과 R2는 공기방울 위치에 의해서 결정
 센서가 기울어지면 유체가 외부전극을
자극
경사각 센서


MEMS 가속도 센서를 이용한 경사각 센서
 가속도계 참고
광전자식 경사각 센서
 LED, pn 접합 다이오드 어레이, 그 위에 장착된 반구형 기포 수준기(spirit
level)로 구성된다.
 액체 속에 있는 기포의 그림자는 포토다이오드 어레이(PD)의 표면에 투영
경사각 센서 응용

경사각 센서의 응용
 산업, 가전제품, 우주 군사 등
다양한 분야에서 사용
위성 안테나 시스템에서 정확한
앙각(仰角)의 측정
 네비게이션 시스템에서 나침반 보상
 크레인에서 안전 부하 지시기(safe
load indicator) 또는 부하 모멘트
지시기(load moment indicator)와
같은 안전 시스템에 사용

Homework

Displacement sensor의 응용분야를 10개 이상
나열하고 그 구성방법을 설명하라.
 Ex:
철판 제조 공장
 LVDT를
이용하여 철판의 휘어짐 감지
 이를 control loop과 actuator를 이용하여 펴준다