기계공학에서 많이 사용되는 센서

센서란? 쉽게 말해서 대상의 물리량이나 화학량을 선택적으로 감지하여 유용한 신호로 변환하여서, 출력을 하는 장치를 말한다.

 

1)압력센서

압력센서란 유암 및 공기압의 변화를 내부에 있는 감압소자를 통해 전기신호로 변환하는 장치이다.

 

원리: 힘을 받으면 저항값이 변화하는 반도체 피에조 저항효과를 사용해서, 압력이 다이어프레임을 변형시키면 감압소자위에 붙어있는 가스 확산방식의 피에조 저항값이 변한다. 이 원리를 이용해 휘스톤 브릿지 회로로 구성된 4개의 피에조 저항은 정전류로 구동하여, 압력을 받게되면 출력단에 서는 압력에 비례하게 되는 신호를 얻게된다.

 

응용례: 압력센서는 미리 설정된 압력치의 이상 또는 이하 조건에 따라서 전기적인 신호를 출력하게 된다. 그러므로 유압을 이용한 흡착의 확인, 착좌 확인, 리크테스트, 원압관리 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

 

2)온도센서-열전대

 

원리: 온도센서의 종류 중 열전대는 재질이 다른 두 종류의 도선을 접속 시켰을때 접합부의 온도차에 의해서 기전력이 발생하게 된다. 이를 제어벡 효과라고도 한다. 그리고 전압은 온도가 상승할 수록 더 큰 값을 가지게 되므로 온도와 전압은 비례관계에 있다. 그리고 열전대에 사용하는 재질에는 필수 조건이 있다. 열 기전력이 충분히 클고, 장시간 사용에도 열전대의 소모가 적고 온도 상승에 따라 열 기전력도 연속적으로 증가해야만이 열전대로 사용 할 수 있게 된다.

 

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응용례 : 0℃일때 전압값,100 ℃일때의 전압값을 여러구간에 걸쳐 온도대 전압 비를 알아서 전압계의 전압눈금을 온도눈금으로 빠꿔 온도로 직독하게 한다.

이렇게 전압계를 온도눈금을 직독하게 눈금을 바꿔 사용하는 쉽게 전압을 측정 할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

3)가속도 센서

 

원리: 가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적인 힘을 감지하는 센서로 내부에 위치한 기계적 장치의 물리적 변위를 이용하여 가속이 되는 정도를 전압으로 출력하게 된다. 가속도 센서의 측정은 한 쪽 끝이 고정된 막대형 물체를 봤을 때, 끝 부분의 변위, 속도, 가속도의 위상은 변위에 대하여 90도 180도 앞선다. 이것은 가속도 센서에서는 넓은 신호에 걸친 출력이 일정하게 되어 있기 때문에 같은 출력이라면 신호가 높을수록 변위는 작다는 것을 말한다.

 

 

응용례: 가속도 센서 같은 경우는 움직이는 물체에 다쓰인다고 보면 된다. 자동차, 기차, 선박, 비행기 등의 수송수단과 공장자동화 로봇등에 사용된다. 이러한 것들을 제어시스템에 있어서 매우 필수적인 센서다. 그리고 통신기기 등에도 가속도 센서가 사용된다. 통신기기에 들어가는 가속도 센서 같은 경우에는 해마다 얇아지고 소형화되고 있다.

 

4)자이로스코프 센서

 

원리: 자이로스코프 센서는 지구의 회전과 관계없이 높은 정확도로 항상 처음에 설정한 일정 방향을 유지하는 성질을 이용해서 물체의 방위의 변화를 측정하는 센서이다. 기계식 자이로스코프 센서의 원리는 각운동량의 법칙과 회전 관성을 이용한다. 각 운동량 보존 법칙은 외부로부터 힘이 작용하지 않는다면 전체 각 운동량은 보존된다는 법칙이고, 회전 관성은 물체가 회전하는데 중심이 되는 회전축을 일정하게 유지하려는 성질을 말한다.

 

 

그리고 또 세차운동이라는 개념이 나온다. 세차운동이란 회전하는 물체에는 짝힘 즉 토크가 발생하게 되는데 토크는 회전축의 직각방향으로만 작용하게 된다. 각운동량 보전 법칙을 이용하게 되면 각 운동량은 그대로 유지하면서 방향만 바뀌게 된다. 이와 같은 원운동을 세차운동이라고 한다.

 

만큼 센서가 인식하여 방향변화를 감지하게 된다.

 

응용례: 스마트폰에 상하좌우 동작을 감지하는 자이로스코프센서를 탑재하여 다양한 동작을 인식하는 게임이나 어플리케이션에 사용된다.

드론 짐볼은 재해 지역 탐구와 같은 고급용도에 활용이 가능한 기기로써 축구공과 같이 오각형과 육각형으로 구성된 외피가 입혀져 있고 중앙에는 비행에 필요한 로터, 제어시스템, 안정판 등이 장착된 본체가 들어 있다, 짐볼의 특징은 본체를 탑재하는 방법인데, 자이로스코프 및 나침반과 같은 장치가 탑재되어 있고, 바깥 부분의 움직임이 내부에 전해지기 어려운 구조로 설계되었다. 기존의 드론은 본체가 장애물에 닿을 경우 로터가 영향을 받아 기울어졌지만, 짐볼은 바깥 쪽 부분이 회전해 충격을 받아 넘기기 때문에 균형을 유지한다.

 

5)진동센서

 

원리: 진동센서는 기계나 구조물 및 운동체의 진동을 검출하는 것이다. 진동센서의 원리는 외부 전원에 의해 센서의 전단면에 와전류를 발생시키게된다. 그리고 나서 외부진동이 일어나면 외부진동으로 인해서 와전류의 찌그러짐이 발생하게 되는데 이때 전류의 변화가 발생하기 시작한다. 이러한 변화를 측정함으로서 진동으로 표시한다.

 

응용례: 일반적으로 느끼는 진동의 크기를 측정함으로써 축의 거동 및 불평형량 등 주로 저주파를 측정하는데 적합하다.

 

 

6)초음파센서

 

원리: 초음파 센서는 일정한 간격으로 높은 주파수 사운드 펄스를 통하여 짧게 소리를 발사한다. 이러한 것들은 소리의 속도를 통하여 공기 중으로 전파 되는데 만약 그것들이 개체에 충돌한다면 센서에게 에코 신호로 반사되어 올 것이고 이러한 것은 시간-에코에 방사하고 도달하는 기간을 통하여 목표까지의 거리를 산정하게 된다. 개체까지의 거리는 흐름 시간을 측정함으로써 산출되며 사운드의 강도와는 관계가 없다. 초음파 센서는 뚜렷하지 않은 잡음의 간섭은 배제한다. 사실상 모든 물질은 물체의 색깔에는 관련 없이 반향 되는 소리에 의하여 탐색된다. 어떠한 투명한 물질이나 얇은 금속 박막일지라도 초음파 센서를 통하여 아무런 문제없이 나타낼 수 있다.

 

응용례:

 

 

 

 

 

 

초음파 센서는 현재 실생활이나 산업에서도 상당히 많은 분야에서 사용되고 있다. 위의 그림들 만 보더라도 우리가 현재 많이 사용하고 있고 또 많이 봤던 상황들이다. 특히 액체의 레벨 측정은 연료의 레벨 측정으로 응용 사용하고 있고 빈통 감지 같은 경우에는 도난감지 시스템에 응용되고 있으며 자동차 같은 경우에 달려 있는 전 후방 센서는 모두 초음파 센서를 응용했다고 볼 수 있다.