센서가 이렇게 쉬웠어?

안녕하세요! 제조기술의 선두주자 CROSSFINGER 입니다.

오늘은 센서에 대해서 알아 보겠습니다... 센서가 이렇게 쉬웠어?

 

자동화 장치의 구성요소

센서란
물리/화학/생물량을 측정하여 전기량으로 변환하는 소자 (비교: 변환기)
센서의 기술 : 재료 / 가공기술 + 전자기술 + 광기술 + 제어기술 + 시스템기술

센서란 무엇인가?

 

샘플링 이론
샘플링 주파수를 2 fmax 이상으로 한다면 변환된 디지털 신호로부터 원래 아날로그 신호를 완벽하게 재현할 수 있다

샘플링 매개변수의 관계식
샘플링 주파수(sampling frequency)                           fs (Hz)
Nyquist frequency                                       fn= fs /2 (Hz)
주파수 눈금                                              △f= fs /N (Hz)
샘플링 간격(sampling interval)                           h=1/fs (Hz)
시간데이터 길이(time record length)                   Tr=Nh (sec)

 

(예제) 샘플링 주파수를 1KHz로 하면서 1024개 데이터를 이용할 때,
Nyquist frequency fn=500 Hz
주파수 눈금 △f=1000/1024 Hz
샘플링 간격(sampling interval) h=1/1000=0.001 Sec
시간데이터 길이(time record length) Tr=1024*0.001=1.024 Sec

필터 (Filter)
- 필요한 주파수 성분만 통과시키는 전기소자
- 필터의 특성: 중심 주파수(center frequency), 주파수 대역폭, Ripple
- 필터의 종류: 저주파수 통과필터 (low-pass filter)
                   고주파수 통과필터 (high-pass filter)
                   대역통과 필터 (band-pass filter)

 

Aliasing 현상

디지털 변환할 때 일어나는 현상으로, Nyquist 주파수보다도 큰 신호 주파수인 경우는 저주파수 성분으로 오인되는 현상
- 특징 : Nyquist 주파수 중심으로 Folding

대책 : 샘플링 주파수를 올림 / 저주파수 통과필터를 사용

센서의 분류

센서의 특성

정적 특성
- 정밀도 (accuracy) - 분해능 (resolution)
- 반복성 (repeatibility) - 히스테리시스(hysteresis)
- 선형성 (linearity)

동적 특성
- 상승시간 (rising time) - 시정수 (time constant)
- 무응답시간 (dead time) - 세틀링 시간

시스템 요소 특성
- 전달함수 - 이득
- 일차계 시스템 요소 - 무응답 시간요소
- 이차계 시스템 요소

센서의 정적특성

정밀도
정의 : 퍼센트 오차 (오차=측정치-참값)

분해능
- 정의 : 출력에 변화를 줄 수 있는 센서의 정밀도
- 광학식 로타리 엔코더 분해능
- A/D Converter N bit : 2N

 

반복성
- 정의 : 동일한 반복 입력에 대한 추종 정도

 

선형성
- 정의 : 입력과 출력 간의 선형관계
(기울기 : 감도, 영역 : 범위)
- 시점/최종점 선형성
최소자승 선형성

 

 

히스테리시스

- 정의 : 입력이 증가/감소할 때 입력-출력 특성곡선의 차이
- 내부 분자 구조의 변형에 기인함
    (비교: 관성효과와 외부마찰)

 

 

센서의 동적특성

상승 시간
- 정의 : 계단입력 인가시 최종 응답의 10%에서 90%까지 도달 시간
- 짧을수록 동적 응답성이 우수함

시정수
- 정의 : 계단입력 인가시 최종 응답의 63.2%에 도달하는 시간

무응답 시간
- 정의 : 계단입력 인가시 출력이 나타나기까지의 시간

세틀림 시간
- 정의 : 계단입력 인가 뒤 최종 응답의 2% 범위에 도달 시간

주파수 응답
- 정의 : 정현파 입력이 시스템에 인가되었을 때 응답특성
- 응답의 이득, 차단 주파수 (3dB cut-off frequency)

*** 1차 시스템 ***
차단주파수= 1/(2Π*시정수)

 

참고]
본 교육자료는 한국기술대학교 임경화 교수님 자료임을 밝혀 드립니다.

다음시간은 센서중에서 광센서 자료를 올려드리겠습니다.