December 4, 2022

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2015-02-02

『내가 바로 초보자다!! – 센서편』

안녕하세요..^^ 어느덧 『내가 바로 초보다!!』도 4편이나 쓰게되었네요.. 적게보면 적은 숫자이지만..ㅎ 기초부품이 한정적이기에 조금씩 압박감이..ㅎㅎ 그럼 『내가 바로 초보다!! – 센서편』을 시작하겠습니다. 

1. 센서란 무엇인가?

열, 빛, 온도, 압력, 소리 등의 물리적인 양이나 그 변화를 감지하거나 구분 및 계측하여 일정한 신호로 알려주는 부품이나 기구, 또는 계측기. 인간이 보고 듣고 하는 오감을 기계적 – 전자적으로 본떠 만든 것이라고 이해하면 쉽습니다. 동작을 감지하거나 소리에 따라 반응하거나, 누르는 힘에 따라 반응하는 등 그 활용 범위는 매우 넓습니다. 센서의 종류에는 온도 센서, 압력 센서, 유량 센서, 자기 센서, 광 센서, 음향 센서, 미각 센서, 후각 센서 등이 있으며, 고속도로에 차량이 진입하면 통행 카드가 나오거나, 교실의 화재 감지기, 현관의 자동 점멸등, 어두워지면 켜지는 가로등 등이 간단한 센서의 예입니다.
《 출처 : http://terms.naver.com/entry.nhn?cid=3430&docId=923318&mobile&categoryId=3430 》

2. 센서의 종류

다양한 물리적 성질을 측정하기 위해서는 그 특징에 맞는 다양한 센서가 개발되어 사용되고 있고 새로운 기능의 센서들이 꾸준히 연구 개발되고 있습니다. 현재 실제로 사용되고 있는 대표적인 센서류들을 살펴보겠습니다.
《 출처 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kimpy9&logNo=130096252001 》
온,습도센서에서 이미지센서까지

온,습도센서

온도센서 : 온도의 변화에 응답하는 센서로 온도변화를 감지하여 온도관리를 자동화하는데 이용되고 있습니다. 온도센서란 열을 감지하여 전기신호를 내는 센서로 일반적으로 접촉식과 비접촉식으로 나누어지며, 집촉식 실제 측정대상에 직접 접촉시켜서 온도값을 측정하는 방식이며, 비접촉식물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 방식입니다.
온도센서는 온도가 높아지면 저항 값이 감소하는 부저항온도계수의 특성이 있는 전자회로용 소자로, 열용량이 작아서 미세한 온도변화에도 급격한 저항 변화가 생기므로 온도 제어용 센서로 많이 이용됩니다.
습도센서 : 공기 속의 수증기 양을 측정하는 센서입니다. 습도센서는 대기중의 습도를 검출하기 위한 화학센서의 일종으로서 주로 공기 중의 화학반응에 의한 색 변화, 이온량 변화ㅡ 기전력/전류변화 등으로 검출하는 센서입니다.
온,습도센서
※그림 2-1 : 디바이스마트에서 판매중인 온,습도 센서의 한 종류들

초음파 센서

초음파의 특성을 이용하거나 초음파를 발생시켜 거리나 두께, 움직임 등을 검출하는 센서로 초음파 용접기, 세척기, 플라스틱 본딩, 가공 등에 이용되는 고음압용과 생산 제어, 비파괴 검사, 침입 검사, 물성 측정, 의료 진다, 지연 선로, 신호 처리 등에 활용되는 저음압용이 있습니다. 로봇이나 u-센서에서 물체를 지각하고 거리를 측정하는 데 이용 되는 초음파 센서로는 음의 발생과 검출을 겸하는 것으로 특정한 결정 구조를 갖는 물질의 압전 소자와 고전압 펄스를 인가할 경우 정전 인력에 의해 진동이 발생하는 정전 효과 방식이 있습니다.

초음파 센서는 공기 중의 소리를 감지하는 센서로 보통 초음파 센서에서 발사된 초음파 펄스가 피 측정물의 표면에서 반사되어 다시 초음파 센서로 되돌아 올 때까지의 시간을 측정하여 이를 기준으로 분석하여 필요한 정보를 얻는 방법을 사용하며, 초음파센서의 측정거리는 약 10m 정도 입니다.
초음파센서※그림 2-2 : 디바이스마트에서 판매중인 초음파 센서의 한 종류들

가속도 센서

이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서입니다.
가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하여 관성력, 전기변형, 자이로의 응용원리 등을 이용한 것으로 자동차나 항공기, 공장 자동화, 휴대폰과 로보틱스 등 첨단 제품에 사용되는 핵심기술 중의 하나입니다.
움직이는 물체의 가속도나 방향을 측정할 수 있는 점 때문에 로봇이 자신의 위치나 동작을 인식하는데 주로 쓰이며, 모바일 기기 등에도 수요가 급증하고 있다.
가속도센서※그림 2-3 : 디바이스마트에서 판매중인 가속도 센서의 한 종류들

적외선 센서(인체감지 센서)

적외선 센서는 적외선을 이용하여 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량과 화학량을 감지, 신호처리가 가능한 전기로 변환하는 장치로 기계가 적외선 발산하여 차단하는 것을 감지 하는 것과 주변의 적외선을 검출하는 것이 있는데 주로 방범이나 화재감지 등에 사용됩니다.
흔히 사용되는 인체감지 센서는 인체가 방출하는 적외선 파장을 검출하는 초전적외선 센서를 이용하는데 감지한 적외선을 열로 바꾸어 검출하므로 인체감지시에는 특정 파장의 대역만 통과하는 필터를 사용합니다.
적외선센서※그림 2-5 : 디바이스마트에서 판매중인 적외선 센서의 한 종류들

바이오 센서

생물이 가지고 있는 기능을 이용하여 물질의 성질 등을 조사하는 장치입니다. 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적인 요소를 이용하거나 또는 모방하여 생화학 반응에 의한 신호를 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 유용한 신호로 변환시켜주는 화학센서의 일종입니다.
변이원에 민감한 고초균을 사용하여 돌연변이 변성물질이나 발암성 물질의 검정에 사용되고, 임신하였을 때 나타나는 호르몬 측정 대상물을 소변에서 감지하기 위하여 항체(생물학적 요소)를 이용하여 인식 가능한 유용한 신호(색)로 바꿔주는 임신진단 키트 등을 예로 들 수 있습니다.

이미지센서

피사체 정보를 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품으로 촬상관과 고체이미지센서로 크게 나눌 수 있습니다. 비디콘, 플럼비콘, 금속산화물반도체(MOS), 전하결합소자(CCD) 등을 들 수 있습니다.이미지센서는 CCD이미지 센서와 CMOS 이미지센서가 있으나 최근들어 저전력, 고집적화가 요구되면서 점파 CMOS 이미지센서의 비중이 커지고 있다.

1) CCD 이미지 센서
CCD란 Charge Coupled Device의 약칭으로 전하결합소자라고 불립니다. CCD는 반도체 속에 주입한 소수 반송자의 신호를 한 덩어리의 전하로 하여 외부 전압에 의해 결정 표면과 평행 방향으로 전송할 수 있는 반도체 소자입니다. CCD에는 많은 수의 광다이오드 소자가 집적되어 있고, 이곳에 빛이 비추어지면 빛의 양에 따라 전자가 발생하고 그 전자가 생성된 양에 따라 화상(이미지)이 생겨납니다. CCD 이미지 센서는 치수나 화질 등의 여러 종류가 있으며, 디지털 카메라를 비롯하여 스캐너, 휴대폰, 자동차, 미사일의 센서 등에 폭넓게 쓰이고 있으며, 좋은 화질의 화상(이미지)을 얻기 위해서는 CCD가 클 수록 좋습니다.

2) CMOS 이미지 센서

CMOS 이미지 센서의 원리가 고안된 것은 1960년대 후반이지만 실용화된 것은 미세 가공 기술이 첨단화된 1990년대 이후입니다. 2000년대 후반 부터 Image Sensor 기술의 고해상도화가 진행됨에 따라 BSI(back side illumination) 공정 기술과 3D Stacking Sensor 제작 공정기술이 대두되고 있습니다.
단위 셀마다 증폭기를 가지고 있으며, 광변환된 전기신호의 읽기에 의해서 전기 노이즈의 발생이 적어지는 특징이 있으며, CMOS 로직 LSI 제조 프로세서의 응용으로 대량생산이 가능하기 때문에 고전압 아날로그 회로를 가지는 CCD이미지센서와 비교해서 제조 단가가 낮고 소자의 크기가 작아서 소비 전력이 적다는 장점이 있습니다. 그리고 논리 회로를 동일한 공정으로 제작해서 화상 처리 회로를 On-Chip화하여 화상 인식 장치, 인공 시작 장치에 응용 연구되어서 일부는 상용화 중이며, 이로 인해 인공 망막 칩이라고 불리는 경우가 있습니다.
이미지센서※그림 2-6 : 1억 2천만 화소 이미지 센서
《사진 출처 : http://www.it.co.kr/news/mediaitNewsView.php?nSeq=1776132

압력 센서

기체, 액체, 고체등 모든 물질간에 작용하는 *역학적에너지*를 검출하기 위한 센서의 총칭입니다.
여기엔 대기압의 압력을 측정하는 ‘압력계’와 낮은 압력을 측정하는 ‘진공계’ 2종류의 압력센서가 있습니다.
‘센서’란 ‘감지기’이며, 출력 신호의 방식에 따라 2가지로 나눌수가 있습니다.
스위치 신호를 내는 것은 압력의 경우 ‘압력 스위치’라고 부르며, 압력센서라고 하면, 대개 압력의 정도를 전기신호로 만들어주는 것을 말합니다. 전기신호는 대개 직류 0에서 10, 또는 5볼트, 또는 직류 4에서 20mA사이에 전류이고 전문적으로는 ‘센서’라고 할때는 보통 비례되는 신호를 발생하는 장치에 쓰이는 경우가 많습니다. 스위치로 분류되는 것도, 센서의 범위에 들기 때문에 혼동하는 경우가 으니 확실히 구분해야 합니다.
그리고 압력센서은 통상적으로 매우 세심한 센서들이기때문에 취급에 각별한 주의가 필요합니다. 그래서 압력센서 취급에 몇몇 요점들을 정리하여 보겠습니다

 - 반도체 압력센서는 온도 의존성이 크다.
 - 압력센서 모듈에는 스위칭 타입과 아날로그 출력 타입이 있다.
 - 반도체 압력센서의 바이어스 회로에는 정전류 구동법이 좋다.
 - 압력센서는 설치 중 부주의한 응력을 주어서는 안된다.

※ 역학적 에너지 : 운동하는 물체가 가지고 있는 위치 에너지와 운동 에너지의 합을 역학적 에너지라고 합니다.
압력센서※그림 2-7 : 디바이스마트에서 판매중인 압력 센서의 한 종류들

자기 센서

자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서입니다. 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변하는 것을 이용하여 자기장을 측정하며, 반도체에 흐르는 전류에 대해 수직으로 자기장을 걸면 전압이 발생하는 홀 효과(Hall effect)나, 자기장의 영향으로 전기 저항이 증대하는 자기 저항 효과 등을 이용합니다. 홀 소자나 MR 소자 등을 만들기도 하고, 비디오테이프 녹화기(VTR), 테이프 리코더 등의 제조에도 이용합니다.
《 출처 : http://word.tta.or.kr/terms/termsView.jsp?gubun=1&terms_num=29860 》

유량 센서

MEMS 기반 열유량 측정방식을 기초로 합니다.
매우 낮은 유량에서 우수한 감도를 지원하는 정밀급 센서이며, 내장된 두 온도센서의 기울기 그래프로 측정하기 때문에 기존의 압전저항 방식의 압력센서보다 뛰어난 정밀도를 가집니다.
즉, 센서 내 두 온도센서가 미세하게 흔들리는 압력차를 읽어 신호를 발생하는 원리입니다. 활용분야로는 의료기기, 계측정비, HVAC, 포장장비, 반도체장비 등 다양합니다.
《 출처 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=bournemouths&logNo=130166410946 》
유량센서※그림 2-8 : 디바이스마트에서 판매중인 유량 센서의 한 종류들

광 센서

빛 자체 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환하여 검지하는 소자입니다. 검지가 비접촉, 비파괴, 고속도, 게다가 주변에 잡음의 영향을 주지 않고 할 수 있는 특징이 있습니다.. 광전변환의 원리는 *1.광전 효과, *2.광전도 효과, *3.광기전력 효과, *4.초전 효과로 대별할 수 있으며, 종류로는 개별광 센서와 1차원 및 2차원 광센서, 복합광 센서 등이 있고, 반도체 재료로 많이 사용되고 있으며, 사용하는 파장의 범위를 중심으로 선택됩니다.

 ※ 1.광전효과 : 금속판에 빛을 쪼일 때 금속 내에 자유전자가 금속 표면 밖으로 방출되는 현상
 ※ 2. 광전도효과 : 반도체에 빛을 조사하면 도전율이 증가하는 현상
 ※ 3. 광기전력효과 : P-N 접합이 있는 반도체에 빛을 조사하였을 때에 기전력이 발생하는 효과
  4. 초전효과 : 결정의 일부를 가열하였을 때에 결정표면에 전하가 나타나는 현상

《 출처 : http://terms.naver.com/entry.nhn?cid=367&docId=656176&mobile&categoryId=367 》
광센서※그림 2-9 : 디바이스마트에서 판매중인 유량 센서의 한 종류들

전류 센서

교류 전류 및 직류 전류를 감지하는 센서를 말합니다.
전류를 감지하는 방법에는, 도너츠 모양의 자심을 사용하여 1차 및 2차 코일을 자심에 감아 2차 전류를 측정함으로써 1차 전류를 감지하는 변류기 방식과, 전류에 의하여 생기는 자계속에 홀 소자를 설치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도 즉 전류의 강약을 감지하는 홀 소자 방식, 그리고 전류의 대소로 용단하는 시간이 다른 퓨즈 방식 등이 있습니다.
《 출처 : http://terms.naver.com/entry.nhn?cid=339&docId=1658782&mobile&categoryId=339 》
전류센서※그림 2-10 : 디바이스마트에서 판매중인 유량 센서의 한 종류들

3. 센서의 분류

센서는 여러가지 형식에 따라 분류가 되는데요.. 동작에너지에 따른 분류, 출력신호 따른 분류, 검출대상의 따른 분류, 센서재료에 따른 분류, 변환현상에 따른 분류, 용도의 따른 분류 이렇게 나뉘게 됩니다. 그럼 그 분류에 따른 각각 특징을 알아보겠습니다.
《 출처 : http://6333.tistory.com/entry/1%EC%9E%A5-%EC%84%BC%EC%84%9C%EC%9D%98-%EA%B8%B0%EC%B4%88 》

3-1 동작 에너지 공급 유무에 따른 분류 – (보조 전원이 있는가?)

(1) 변조형 센서 – 능동형
- 외부 전원 공급한다.
- 입력은 출력만 제어한다.
- 포토트랜지스터, 서미스터 등이 있다.

(2) 자기발전형 센서 – 수동형
– 입력에 의한 전원을 공급한다.
– 태양전지, 열전대 등이 있다.

 * 변조형 센서는 보통 자기 발전형 센서보다 더 많은 전선을 필요로 한다.
* 보조전원이 폭발성 분위기에서 사용되는 경우 폭발 위험성을 증대 시킨다.
* 저자에 따라 변조형을 수동형 센서, 자기발전형을 능동형 센서라고도 부른다.

3-2 출력신호 형식에 따른 분류

(1) 아날로그 센서
- 출력 → 연속적으로 변하는 아날로그 신호. 출력신호가 진폭으로 나타난다.

(2) 디지털 센서
– 출력 → 디지털 신호
- 전송이 용이하고, 재현성이 우수하며, 신뢰성을 향상시킨다.
- 센서소자의 출력자체가 디지털인 경우는 거의 없다.
- 로터리 인코더 등이 있다.

3-3 검출대상에 따른 분류
 

위치 변형 유속 성분조성 입자 열량 유해 – 유독가스
길이 레벨 압력 속도
가속도
수분 비중밀도 온도
직선변위 토크 음파 이온농도 탐상 화재 냄새
입체 회전변위 유량 진동 탁도 습도 연기  

 

3-4 센서재료에 따른 분류
 

센 서 재 료 대표적인 센서 예
금         속 RTD, 스트레인 게이지, 로드 셀, 연전대
반   도   체 홀 소자, 홀 IC, 반도체 압력센서, 포토다이오드, CCD
세   라   믹 습도센서, 서미스터, 가스센서, 압전센서, 산소센서
광   섬   유 온도센서, 레벨센서, 압력센서, 변형센서
유   전   체 초전형센서, 온도센서,
고   분   자 습도센서, 압전센서
생 체 물 질 각종 바이오센서
복 합 재 료 PZT 압전 센서

 

3-5 변환현상에 따른 분류
 

분        류 대  표  적  센  서
역 학 센 서 근접센서, 회전각센서, 레벨센서, 가속도센서, 진동센서, 하중센서, 압력센서, 유량센서
전자기센서 홀센서, 홀 IC, 자기저항(MR)센서
광  센  서 포토다이오드, 포토트랜지스터, 적외선센서, 가시광센서, 자외선센서, 광전관
온 도 센 서 열전대, RTD, NTC/PTC 서미스터, IC 온도센서
화 학 센 서 가스센서, 습도센서, 이온센서, 효소센서

 

3-6 용도에 따른 분류

- 산업용 : 공장 자동화 등에 사용되는 각종 센서
- 민생용 : 자동차, 가전기기 등 민샌용 제품에 사용되는 각종 센서
- 의료용 : 의료 진단기기 및 치료에 사용되는 각종 센서
- 군사용 : 군용 장비 및 무기 등에 사용되는 각종 센서
- 연구용 : 실험 및 연구에 사용 되는 센서

4. 센서의 응용

우리가 사용하는 여러 종류의 센서들은 각각 어느 분야에서 무슨 센서로 활용이 되고 있을까요??
대표적인 센서들을 토대로 표를 작성해 보았습니다.

센서의 활용

표 작성자 : 유광원 사원
《 출처 : http://6333.tistory.com/entry/1%EC%9E%A5-%EC%84%BC%EC%84%9C%EC%9D%98-%EA%B8%B0%EC%B4%88 

드디어.. 『내가 바로 초보다!! – 센서편』까지 마치게 되었습니다. 요즘 센서를 사용하는 공간을 생각해보니 정말 많은 공간에서 사용되고 있네요..ㅎ 아파트나 건물 등의 자동센서등을 비롯 버스, 지하철, 대형마트, 집현관 등등 사람들이 사는 공간에는 하나쯤은 어김없이 사용되는 센서들..ㅎ 앞으론 어떤 센서들이 나올지ㅋㅋ 여러분은 어떤 센서가 나와서 어떻게 활용 되었으면 하나요?? 이상!! 『내가 바로 초보다』의 유광원이었습니다..^^ 감사합니다..^^

 

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1탄 저항편 2탄 다이오드편 3탄 커패시터편

 

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