한국NI에서 알려주는

측정/센서 필수 길라잡이 7

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 조한길

7. 엔코더, 주파수

측정 및 센서 기본 시리즈의 마지막 순서인 엔코더와 주파수에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

엔코더는 선형 또는 회전 변위를 디지털 또는 펄스 신호로 변환하는 전기 기계 디바이스입니다. 가장 많이 사용하는 엔코더 유형은 광학 엔코더로서 회전 디스크, 광원, 광감지기(빛 센서)로 구성되어 있습니다. 회전하는 샤프트에 장착되는 디스크는 부호 처리되어 있는 불투명 및 투명한 섹터들의 패턴을 가지고 있습니다(그림 1 참고). 디스크가 회전하면, 이 패턴은 광감지기에 방출된 빛을 해석하고 디지 털 또는 펄스 신호 출력을 생성합니다.

절대위치 엔코더: 절대위치 엔코더는 샤프트의 모든 위치에 대한 특정 문자 패턴을 생성합니다. 절대위치 엔코더 디스크의 트랙은 일반적으로 4 ~ 6개이며, 일반적으로 바이너리 코드, binary-coded decimal(BCD), 그레이 코드 출력을 생성하도록 부호 처리됩니다. 절대위치 엔코더는 장기간 동안 디바이스가 활성화되지 않고, 전력이 차단될 리스크가 있거나 시작 위치를 알지 못하는 어플리케이션에 가장 많이 사용됩니다.

증분 엔코더: 증분 엔코더는 전체 디지털 문자에 상반되는 펄스를 각 증가 단계를 위해 생성합니다. 증분 엔코더는 절대 위치를 출력하지 않지만, 더 낮은 가격으로 더 뛰어난 분해능을 제공합니다. 예를 들어, 단일 코드 트랙을 가진 증분 엔코더는 타코미터 엔코더라고도 하며 주파수가 변위의 속도를 나타내는 주파수의 펄스 신호를 생성합니다. 하지만, 단일 채널 엔코더의 출력은 방향을 나타내지는 않습니다. 방향을 결정하기 위해 2-채널 또는 구적 엔코더는 두 개의 감지기와 두 개의 코드 트랙을 이용합니다.
증분 엔코더를 이용하면, 위치의 변화만 측정할 수 있지만(속도와 가속을 판단할 수 있는 곳에서), 대상의 절대 위치는 파악할 수 없습니다.

엔코더 측정에는 기본적인 전자 컴포넌트인 카운터가 필요합니다. 여러 개의 입력을 가지고 있는 기본 카운터는 카운트된 에지 수(웨이브폼으로 low ~ high 전환)를 나타내는 값을 출력합니다.
대부분의 카운터는 세 개의 입력인 게이트, 소스, 업/다운을 가지고 있습니다. 카운터는 소스 입력에 등록된 이벤트를 카운트하고 업/다운 라인의 상태에 따라 카운트를 증분하거나 감소시킵니다. 예를 들어, 업/다운 라인이 “high”일 경우 카운터는 카운트를 증분하고 “low”일 경우 카운터는 카운트를 감소시킵니다.

카운터가 수집하고 생성할 수 있는 세 가지 유형의 신호에 대해 알아보겠습니다. 카운터는 TTL 호환 신호로 작동합니다. TTL 호환 신호란 다음과 같습니다:

0V – 0.8V = 로직 low
2V – 5V = 로직 high
최대 상승/하강 시간 = 50ns

디지털 I/O에서 배운 것처럼, 디지털 라인은 디지털 라인의 상태를 설정하거나 모니터링 할 수 있습니다. 카운터는 신호의 상태와 관련이 없을 뿐 아니라 한 상태에서 다른 상태로의 변화에도 관련이 없습니다.
카운터는 상승 에지(로직 low에서 로직 high로 전환)와 하강 에지(로직 high에서 로직 low로)를 감지할 수 있습니다. 상승 및 하강 에지와 관련된 두 개의 중요한 파라미터는 상승/하강 시간 그리고 최소 펄스폭입니다.
상승/하강 시간은 신호가 low에서 high로 얼마나 빠르게 전환되는지 알 수 있는 방법입니다. 카운터가 에지를 감지하기 위해서는 TTL 호환 신호의 사양에 따라 정의된 것처럼 50ns 미만 내에 반드시 발생해야 합니다.
얼마나 빠르게 신호가 전환되는 지에 대한 시간 규제 외에도, 카운터가 다른 상승 또는 하강 에지를 감지할 때까지 상승 또는 하강 에지를 감지할 때 최소한의 지연이 필요합니다. 이런 지연을 최소 펄스폭이라고 합니다. 최소 펄스폭은 사용되는 카운터 칩에 좌우됩니다. 두 소스와 DAQ-STC 칩의 게이트에 대한 최소 펄스폭은 10ns입니다. 카운터의 최소 펄스폭에 대한 사양은 디바이스의 하드웨어 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다.

엔코더는 계측기를 연결하는데 필요한 5개의 와이어를 가지고 있으며, 엔코더에 따라 와이어의 색상은 다양합니다. 이 와이어를 이용하면 엔코더에 전력을 공급하고 A, B, Z 신호로 읽을 수 있습니다.
다음 단계는 이 와이어 각각을 연결해야 할 위치를 결정해야 합니다. 위에서 기술한 것처럼 카운터를 고려할 경우, 신호 A는 소스 터미널에 연결되어 펄스가 카운트되는 신호로 만듭니다. 신호 B는 업/다운 터미널에 연결되며, +5V DC와 접지 신호를 원하는 전력원에 연결할 수 있습니다. 대부분은 데이터 수집 디바이스 카드의 디지털 라인이면 충분합니다.
에지가 카운트되면 다음으로 이 값들이 어떻게 위치로 변환될지 개념을 고려해야 합니다. 에지 카운트가 위치로 변환되는 프로세스는 사용되는 엔코딩의 유형에 따라 다릅니다. 기본적인 엔코딩 종류에는 세 가지로 X1, X2, X4가 있습니다.

X1 엔코딩
위 그림은 구적 사이클과 X1 엔코딩의 결과 증분 및 감소를 나타냅니다. 채널 A가 채널 B를 이어줄 때, 증분은 채널 A의 상승 에지에서 발생합니다. 채널 B가 채널 A를 이어줄 때, 감소는 채널 A의 하강 에지에서 발생합니다.

X2 엔코딩
채널 A의 각 에지에서 어떤 채널이 다른 채널로 연결되는 지에 따라 카운터가 증분되거나 감소한다는 점 외에 X2 엔코딩은 X1과 동일합니다. 각 사이클은 두 번의 증분 또는 감소가 발생합니다.

X4 엔코딩
카운터는 X4 엔코딩의 채널 A와 B의 각 에지에서 비슷하게 증분되거나 감소합니다. 각 사이클은 위 그림과 같이 네 번의 증분 또는 감소가 발생합니다.

For Rotational Position

Amount of rotation is Edge Count/xN * 360
where N = number of pulses generated by the encoder per shaft revolution

x = encoding type

For Linear Position

Amount of displacement is (Edge Count/xN) * (1/PPI)
where PPI = pulses per inch (a parameter specific to each encoder)

엔코딩 타입을 설정하고 펄스를 카운트했다면, 위치를 변환하는 것은 위의 공식 중 하나를 이용하면 됩니다.

본 섹션에서는 NI cDAQ-9178 섀시와 NI 9401 C 시리즈 디지털 I/O 모듈을 이용한 예를 들어보겠습니다. 절차는 다른 계측기나 디바이스를 이용할 때와 비슷합니다.
NI 9401은 8개의 디지털 채널과 연결하기 위한 D-Sub 커넥터를 제공합니다. 각 채널은 디지털 입력이나 출력 디바이스를 연결할 수 있는 디지털 I/O 핀을 가지고 있습니다.
cDAQ-9178의 4개 카운터는 섀시의 어떤 슬롯에서도 사용할 수 있습니다. cDAQ-9172를 이용할 경우, 두 개의 카운터는 슬롯 5와 6을 통해서만 가능하기 때문에 9401은 슬롯 5에 삽입합니다.

엔코더를 측정 디바이스에 연결했으므로, NI LabVIEW 그래픽 기반 프로그래밍 소프트웨어를 이용하여 데이터를 시각화 처리하고 분석할 수 있도록 컴퓨터로 전송할 수 있습니다.

디지털 신호의 주파수 측정은 데이터 수집 하드웨어에서 사용할 수 있는 카운터를 이용하여 수행됩니다.

첫 번째 방식은 하나의 카운터를 이용하는 방법입니다. 이는 낮은 주파수를 측정하는데 주로 사용됩니다. 입력신호의 rising edge가 타임베이스의 틱 수를 카운트합니다. 타임베이스 주파수는 알고 있으므로 입력 신호의 주파수를 계산할 수 있습니다.

두 번째 방식은 두 개의 카운터를 이용하는 것입니다. 한 카운터는 알 수 없는 주파수와 함께 펄스 트레인을 생성하고, 한 카운터는 구간 측정을 수행합니다. 카운터 1은 구간 측정을 수행하며, 내부 타임베이스가 아닌 소스를 외부 신호로 사용합니다. 카운터 1의 게이트 신호는 카운터 0의 출력에서 나오며, 이 신호는 펄스 트레인을 생성합니다. 카운터 0의 출력 주파수를 알고 있으므로 카운터 1의 게이트 사이클 길이를 정확히 알고 있습니다. 카운터 1의 소스에 도달하는 소스 에지 수에 따라 주파수를 추정할 수 있고, 카운터 1의 구간 측정을 게이트 구간으로 나눌 수 있습니다. 예를 들어, 카운터 0은 10 Hz의 펄스 트레인을 출력할 경우 게이트 구간은 0.1s입니다. 이 구간 동안일 경우, 100개의 소스 에지를 카운트하고 카운트의 소스 주파수가 (100+/-1)/0.1 또는 1000+/-10 Hz라는 것을 알고 있습니다.

지금까지 엔코더 및 주파수에 대한 원리와 측정하는 방법에 대하여 알아보았습니다. 간단한 DIO 만으로도 엔코더 및 주파수를 쉽게 측정할 수 있는 더 자세한 방법은 www.ni.com에서 확인하시길 바랍니다.

ToF방식의 거리측정센서 L6180X

Time-of-Flight Distance Sensor Carrier 출시!

Pololu의 신제품인 VL6180X Time-of-Flight Distance Seㅃsor Carrier(상품코드:1278062)가 출시됐다.

ST Microelectronics의 VL6180은 다른 광센서와는 다르게 TOF방식을 사용하는데, TOF 방식이란 Time-of-Flight의 약자로서 빛을 물체에 쏘아 그로부터 반사되어 오는 시간을 측정하는 기술을 사용하여 거리를 측정한다. 이 방식은 근본적으로 짧은 거리의 레이더 시스템과 완벽하게 일치한다. 이 기술을 사용하여, VL6180X는 0cm에서 최소 10cm, 물체와 환경에 따라(물체의 색상과 반사율의 제한을 받지 않고) 최대 20cm까지 떨어진 물체의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

거리 읽기 방법은 센서의 I²C interface를 통해서 읽을 수 있다(단위는 밀리미터이며 복잡한 변환이 필요하지 않다.). 또한 VL6180X는 주변 광센서를 포함하고 있어서 스마트폰을 포함한 전자기기에서 매우 효과적이며 VL6180X는 이러한 기기를 대상으로 설계됐다.
VL6180X는 사용하는데 있어서 개발자에게 좋은 경험이 될 수 있다. VL6180X는 2.8V의 레귤레이터와, 3.3V와 5V 시스템과 함께 사용할 수 있는 레벨 시프터를 포함한다. 또한 이 보드는 브레드보드와 사용이 편리하도록 홀이 나있으며, 0.5˝x 0.7˝크기로 최소한의 사이즈로 제작되었다.
https://github.com/pololu/vl6180x-arduino을 참고해서 VL6180X를 활용하면 시작하기 수월하다.

한국NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 5

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

5. 하중, 압력, 토크

교량이나 건축에서는 물체에 가해지는 힘들을 모니터링 하는 것이 굉장히 중요합니다. 자칫 일부분에 집중된 하중은 전체 시스템을 파괴 할 수도 있기 때문입니다. 이번 글에서 데이터 수집 시스템에 로드, 압력 및 토크 센서를 통합하는 방법과 보다 나은 데이터를 수집할 수 있는 측정 하드웨어와 기법에 대해 알아보겠습니다.

압력, 로드, 토크는 어떤 부위 주변에서 밀고 당기거나 회전하는 힘들을 뜻합니다. 이런 힘들은 전용 계측기를 이용하여 수동으로 측정할 수 있었습니다. 하지만 PC로 이런 측정 값을 읽기 위해서는 물리적인 힘을 PC가 측정할 수 있는 값인 전자 신호로 변환해야 합니다. 이렇게 물리적인 값을 전기적인 신호로 바꿔주는 것을 센서 또는 트랜스듀서라고 하며 하중, 압력, 토크를 측정하기 위한 압력센서, 로드셀, 토크센서에 대해 알아보겠습니다.

해당 센서들을 이해하기 위해서는 우선적으로 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)를 알아야 합니다. 휘트스톤 브리지는 알 수 없는 전기 저항을 측정하는데 사용합니다. 휘트스톤 브리지는 브리지 회로 중 두 개 지점의 균형을 유지하며, 두 지점 중 하나에는 알 수 없는 컴포넌트(저항)가 포함되어 있습니다. 휘트스톤 브리지는 센서 회로망의 시작점이라고 할 수 있습니다.

상단의 그림에서, 변형률을 측정하는 단일 스트레인 게이지가 구조에 부착된 상태에서 구조에 힘이 가해질 때, 길이의 변형으로 인해 게이지의 저항 변화 (ΔR)가 유발됩니다. 따라서 스트레인 ε이 구조의 원래 길이 (L)로 나눈 구조의 길이 (ΔL) 변화와 동등하다는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 사실상 요소에 유도된 스트레인(변형률)입니다.

로드셀에서(압력 및 토크 센서에도 적용) 스트레인 게이지들은 전략적으로 측정부분에 배치되어 있고, 휘트스톤 브리지 방식으로 배선되어 있습니다. 일부 저항 변화들은 증가하고(+ 저항), 일부는 감소하도록(- 저항) 게이지가 배치되면 브리지의 출력이 불균형화되고 로드셀 구조에 적용된 힘에 비례하게 합니다. 휘트스톤 브리지에는 고정된 입력 전압(V in)으로 전력을 공급하며, 브리지의 출력은 포인트 B와 D 사이의 전압으로 측정됩니다. 로드가 가해지지 않은 조건에서 포인트 B와 D 사이에서 측정된 출력 전압은 약 0이 되며, 풀스케일 로드가 가해질 때는 출력 전압(V out)이 밀리 볼트로 측정됩니다. 일반적으로 로드셀의 민감도는 2mV/V 이지만(입력 전압이 10V일 경우, 완전히 로드가 가해진 조건에서 출력은 20 mV가 됩니다), 어플리케이션에 따라 다양한 민감도를 가진 로드셀을 선택하여 사용할 수 있습니다.

이제 보다 다양한 종류의 로드셀, 압력 센서, 토크 센서에 대해 자세히 알아보겠습니다.

압력은 유체가 가한 유닛당 힘을 나타냅니다. 압력의 측정 SI 단위는 Pascal(Pa)이지만, psi(pounds per square inch), in H2O(inches of water), N/mm2(Newton’s per millimeter squared)도 일반적으로 사용됩니다.

압력 트랜스듀서에서 가장 중요한 기계 부품은 일반적으로 압력 감지 구조 (스프링 요소)입니다. 유체의 압력은 압력 감지 구조에 힘을 가합니다. 이 구조는 가한 힘에 반응하는 기능을 합니다. 그리고 이를 통해 압력 측정을 위해 스트레인 게이지가 위치할 수 있는 절연된 단일 변형장에 힘의 영향을 집중할 수 있습니다.

상단의 예는 실리콘 피에조 저항성 압력 센서와 관련이 있습니다.

압력 감지 요소는 실리콘으로 제작된 다이어프램입니다. 이 실리콘 다이어프램은 유리 하부 구조에 부착됩니다. 이 실리콘 다이어프램 구조는 압력이 가해지면서 예측과 반복이 가능한 방식으로 작동합니다(구조에서 아주 얇은 굴절발생). 압력은 실리콘 다이어프램 표면에 장착된 스트레인 게이지의 저항 변화에 따라 신호 전압으로 변환되고 전기 회로에 구성됩니다.
T&M 압력 센서의 실리콘 다이어프램은 부착된 휘트스톤 브리지가 노출된 상태에서 현재 측정 중인 압력 매개체로부터 절연됩니다. 절연을 위해 현재 측정 중인 매개체 사이에 구멍을 만든 후, 실리콘이나 전기회로에 붙지 않는 기름으로 채웁니다. 구멍의 반대 측면에는 현재 측정 중인 압력을 구멍의 기름으로 전달하기에 유연한 금속/철 다이어프램 즉, 실리콘 다이어프램이 있습니다. 이 금속/철 다이어프램은 다이어프램 절연이라고 합니다.
이 기술은 10,000 psi (6.9 kPa ~ 69 Mpa)에 대한 H2O에서 압력을 측정하는데 사용합니다.
아주 상위 수준에서 보면, 이 기술은 마이크로 머신 실리콘 다이어프램으로 구성된 압력 센서로 설명할 수 있습니다. 이 다이어프램은 피에조 저항성 스트레인 게이지로 구성되어 있으며 다이어프램에 분산되어 있고, 실리콘 또는 유리판 뒤에 용해되어 있습니다. 압력 유도된 스트레인은 저항기의 값을 높이거나 낮추고, 이 저항의 변화는 30%까지 될 수 있습니다. 저항기들은 휘트스톤 브리지로서 연결되며, 출력은 압력에 직접 비례합니다.

많이 사용되는 또 다른 압력 센서는 접착형 호일 스트레인 게이지를 활용하여 가해진 압력을 두 방향 중 한 방향으로 측정합니다. 일부 모델, 특히 소형 압력 센서에서 호일 스트레인 게이지는 철 다이어프램의 후면에 접착되어 측정 중인 매개체에 노출됩니다. 압력은 다이어프램 표면 주변에 전략적으로 정렬된 스트레인 게이지의 저항 변화에 따라 신호 전압으로 변환된 후 전기 회로에 구성됩니다.

하지만 다른 모델에서 호일 스트레인 게이지는 측정 중인 매개체에 노출된 다이어프램에 기계적으로 연결된 요소에 접착됩니다. 이 스트레인 게이지는 사실상 기계로 작동하는 연결장치에 의해 다이어프램에서 전달된 힘을 측정합니다. 이 요소는 로드셀로서 작동하며, 다이어프램에 가해진 로드에 직접 비례하는 힘을 측정하도록 제작되었습니다.

이 기술은 일반적으로 10psi ~ 174,000psi (69 kPa ~ 1,206 Mpa)의 압력을 측정하는데 사용됩니다.

이제 로드셀로 넘어가보겠습니다.

힘/로드를 측정하는 SI 단위는 Newton(N)입니다.
로드셀은 힘을 직접적으로 정확하게 측정합니다. 스트레인 게이지는 셀 내부의 측정 툴입니다. 로드셀이나 스트레인 게이지 트랜스듀서에서 가장 중요한 기계 구성요소는 보통 구조(스프링 요소)입니다. 이 구조의 기능은 가해진 로드에 반응하는 것으로, 로드 측정을 위해 스트레인 게이지가 배치될 수 있는 절연된 단일 변형장에 가해지는 로드의 효과에 집중합니다.

로드셀 구조 디자인에 가장 많이 사용되는 세 가지로 multiple-bending beam, multiple-column, shear-web이 있으며, 가능한 모든 로드셀 프로파일 및 구성을 위한 기본요소를 형성합니다. 이 로드셀 구조(스프링 요소) 재질은 일반적으로 탄소강, 스테인리스스틸 또는 알루미늄이지만 반드시 이 재질이 사용되는 것은 아닙니다.

Multiple-bending 로드셀은 저용량(20 ~ 22K Newton)이며, 휠 모양의 스프링 요소로 제작되어 있어 낮은 프로파일 트랜스듀서, 네 개 활성 게이지 또는 브리지 암 당 몇 세트의 게이지에 적용 가능하고 동등한 반대 스트레인과 쌍을 이룹니다.

로드셀 유형에는 여러 버전의 Bending Beam, Shear Beam, Colum 디자인이 있습니다. 도표에서 확인할 수 있듯이, 로드셀은 앞에서 언급했던 기본 로드셀 디자인을 기초로 하여 변형된 다양한 로드셀 폼팩터가 있습니다.

Bending beam 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• 단일 포인트 weighbeam
• bending beams with bellows
• 캐니스터 타입
• S- 타입

위의 그림에는 없지만 저용량 프로파일 / 팬케익도 있습니다. 하지만 bending beam design에서는 잘 활용하지 않습니다.

Shear Beam 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• Shear 팬케익 / 로우 프로파일 범용 셀
• Shear 팬케익 / 로우 프로파일 피로도 등급 셀
• Clevis pins
• 도넛셀 (저용량)

Column 디자인에는 다음과 같은 폼팩터가 있습니다.

• 단일 칼럼 캐니스터 셀
• 다단 (Multi-column) 캐니스터 피로도 등급 셀
• 도넛셀 (더 높은 용량)

토크 측정에 사용되는 SI 단위는 Newton Meter (Nm)입니다.

토크에 대해 간단히 정의하면 토크 = 힘 X 거리로서, 시계 방향의 토크 (트위스트)는 보통 양의 토크를 제공하며 시계 반대 방향 토크 또는 트위스트는 보통 음의 토크를 제공합니다.

토크 센서는 엔진 크랭크 샤프트 또는 자전거 페달과 같은 회전 드라이브 소스와 로드 소스간의 트위스트 또는 windup을 측정합니다.
토크 센서로 많이 사용하는 네 가지 디자인은 다음과 같습니다.

■ Hollow Cruciform
• Solid Square Shaft
• Radial Spoke
• Hollow Tubular

응답형 토크 센서는 억제되어 있어 하우징이나 커버가 센서 요소에 고정되어 있기 때문에 케이블 랩핑 없이는 360° 회전이 불가합니다. 기본적으로 이 센서는 인라인 토크를 측정하며 비회전 상태에 있습니다.
도표를 보면, 드라이브 소스가 회전하려고 할 때 로드 소스가 뻣뻣한 상태를 유지하고 있을 경우 토크가 감지됩니다. (이 상태를 스톨 토크라고 함.)
앞뒤로 움직여 모션을 흔들 경우 (+/- 90도), 응답형 센서가 여러 번 사용됩니다.
로터리 토크 센서: 토크 센서의 샤프트가 360도 회전할 때, 신호 전압이 회전 요소에서 고정 표면으로 전송되기 위한 수단이 반드시 필요합니다. 이는 슬립링, 로터리 변환기 또는 텔레메트리를 이용하여 수행 가능합니다.
슬립링 방식은 슬립링과 브러시 사이뿐 아니라 베어링과의 접촉이 필요합니다.
아날로그 또는 디지털 텔레메트리 방식은 접점이 없습니다.

이 방식들이 어떻게 작동하는지 알아보겠습니다.
슬립링 방식의 경우, 스트레인 게이지 브리지는 회전 샤프트에 장착된 네 개의 실버 슬립링에 연결됩니다. 실버 그래파이트는 이 슬립링들을 문질러 들어오는 브리지 구동과 나오는 신호에 대한 전기 경로를 제공합니다. 스트레인 게이지 브리지를 구동하기 위해 AC 또는 DC를 사용하든 둘 다 이점이 있습니다.

변환기 방식의 경우, 회전 변환기가 기존의 변환기와 유일하게 다른 점은 주 와인딩이 회전하거나 두 번째 와인딩이 회전한다는 것입니다. 한 변환기는 AC 구동 전압을 스트레인 게이지 브리지에 전송하는데 사용되며, 두 번째 변환기는 신호 출력을 트랜스듀서의 비회전 부품에 전송하는데 사용됩니다. 따라서 두 개의 변환기는 네 개의 슬립링을 대체하고 트랜스듀서의 회전 요소와 고정 요소간에 직접적인 접촉이 필요 없습니다.

변환기 자체는 동심으로 감겨진 코일스위치 한 쌍으로서 한 코일이 고정 코일 내 또는 옆에서 회전합니다. 자속선은 시간에 따라 변하는 전압을 이 코일들 중 하나에 적용하여 생성됩니다. 자로에 유동을 집중하고 코일간의 커플링을 강화하기 위해 고도자율 코어가 추가됩니다.
지금까지 센서에 대해 알아보았으므로 이제 이 센서들을 이용하여 어떻게 측정 할 수 있는지 살펴보겠습니다.

NI DAQ 하드웨어는 여러 다른 센서들과 함께 사용할 수 있습니다. 한 예로 위의 슬라이드의 내용은 Honeywell 센서를 NI 9237 C 시리즈 모듈에 연결한 것입니다. Honeywell은 다양한 감지 & 컨트롤 제품을 제공하는 업체로 제품 품질이 뛰어나고 브랜드 인지도도 높습니다.
TEDS 활성 케이블을 이용하면, Honeywell 센서를 NI 하드웨어에 직접 연결할 수 있습니다.

그림을 보면 두 개의 9237 모듈이 있습니다. 첫 번째는 37-핀 매스 터미네이션으로 스크류 터미널을 이용하는 프런트 장착형 터미널 블록과 함께 사용됩니다. 두 번째는 RJ-50 연결을 제공하는 4개 채널을 제공하며 Honeywell TEDS 케이블과 함께 사용됩니다.

TEDS를 언급했는데요. TEDS가 무엇이고 무엇때문에 유용할까요?

센서를 NI 데이터 수집 하드웨어와 소프트웨어에 연결하면 TEDS를 이용하기가 더욱 쉬워집니다. TEDS는 Transducer Electronic Data Sheet의 약자입니다. IEEE 1451.4 표준은 TEDS 통신 프로토콜, 유형 및 센서나 센서 케이블에 물리적으로 위치한 EPROM에 저장된 핵심 센서 데이터의 위치를 처리합니다. 브리지 기반 센서용 EPROM에서 NI-DAQmx가 읽은 센서 정보의 예가 위의 그림 왼쪽에 있습니다.

그림에서 확인할 수 있듯이, 센서에 관련된 모든 정보인 제조업체, 모델, 버전, 시리얼 넘버 등이 저장되어 있습니다. 센서의 민감도(교정 인증에 표시) 또한 저장되어 있으며 풀 스케일 범위와 측정 단위도 함께 저장되어 있습니다. 이 정보는 TEDS 호환 하드웨어와 소프트웨어로 사용하여 스케일링 요소, 소프트웨어 프런트엔드 등을 자동으로 설정하기 때문에 이 이벤트 발생을 재프로그래밍하지 않아도 센서를 교환할 수 있습니다.

TEDS를 사용했을 때 몇 가지 장점이 있습니다. TEDS는 “플러그앤플레이” 기능을 제공하기 때문에 설정 시간이 줄어들 뿐 아니라 여러 제조업체 데이터 시트/교정 인증을 확인하는데 필요한 시간이 없어집니다. 또한, 최종 사용자에 의한 에러 가능성을 없앱니다. 시스템 설정을 위한 전문 기술인/엔지니어도 필요없다는 장점도 있습니다.

측정 정확도를 높이기 위해 TEDS에는 센서 교정 룩업테이블을 사용할 수 있는 기능과 센서를 더욱 뛰어난 특성화를 제공하는 커브피팅이 있습니다. 제조업체의 사전 동의에 따라, 최대 128개의 교정 포인트 또는 segmented multi order 다항식에 대한 계수를 저장할 수 있습니다.
센서를 선택하고 연결했다면, 측정 시스템에서 다음으로 진행할 단계는 신호 컨디셔닝과 모듈(아날로그-디지털 컨버터 포함)입니다.

NI 9237은 24-비트 분해능 아날로그-디지털 컨버터, 4개의 동시 ±25 mV/V 아날로그 입력, 50 kS/s 최대 샘플링 속도를 제공합니다. 이 모듈은 프로그래밍을 통해 하프 또는 풀 브리지 측정으로 설정 가능하며, 최대 10 V 내부 구동을 제공하고 TEDS와 호환됩니다.

앞에서 다룬 휘트스톤 브리지를 기억한다면, 측정에 반드시 구동 전압이 필요하다는 것을 기억하실 겁니다. 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

센서가 구동을 사용하고 있을 때 활성 센서로 여겨집니다. 열전쌍 또는 포토다이오드와 같은 패시브 센서들은 구동이 필요 없습니다.

활성 트랜스듀서는 제어된 전류 또는 전압을 이용하여 구동할 수 있습니다. 전압 구동과 전류 구동 중 선택은 센서 디자인에 따라 결정됩니다. 데이터 수집 시스템에서 스트레인 또는 압력 센서에 사용되는 정전압 구동을 보기란 쉽지 않으며, 정전류 구동은 RTD 또는 서미스터와 같은 저항성 센서를 구동하는데 사용됩니다. 노이즈가 있는 산업 환경에서 전류 구동이 노이즈 면역이 뛰어나기 때문에 일반적으로 선호됩니다.

9237 모듈은 전압 구동을 제공합니다.

9237의 RJ-50 연결을 확인하면, 센서의 공통적인 핀아웃을 확인할 수 있습니다. 이 핀아웃에는 차동 신호 입력 AI, 션트 교정, 원격 감지, 센서와 TEDS 통신에 대한 구동이 포함되어 있습니다. 대부분의 센서들은 이 연결 방식에 동일하게 적용되며 이를 통해 손쉽게 데이터를 확인할 수 있습니다.
National Instruments에서는 위와 같은 값을 측정하는 시스템을 구성하기 위해 아래와 같은 플랫폼을 제공합니다.

http://www.ni.com/pressure/ko/ 에서 더욱 자세한 내용을 확인해 보시기 바랍니다.

한국NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이  4

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

4. 변형률

변형률 혹은 스트레인(strain)은 물체의 길이가 얼마나 팽창 혹은 수축하였는가를 나타내는 것으로 단위는 스트레인입니다. 일반적으로 물체의 변형은 너무나도 작기 때문에 변형률의 단위는 주로 마이크로 스트레인을 사용합니다.
이러한 변형률을 통해 내 시스템의 기계적 상태를 아주 잘 살펴볼 수 있습니다. 변형률은 대상에 얼마나 많은 부하가 걸리는지 알려주기 때문에 대상이 설계공차 내에서 작동할 수 있도록 보장하고 시스템의 구조적 정상 여부를 판단할 수 있도록 모니터링도 가능합니다. 변형률 측정 어플리케이션의 예로 구조물 피로도 모니터링, 수력발전 터빈, 오일 파이프라인 모니터링 등이 있습니다.

스트레인 게이지는 힘에 의해 유발되는 이러한 변형을 측정할 수 있는 센서입니다. 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 스트레인 게이지 종류는 포일 또는 결합형 스트레인 게이지입니다. 이 스트레인 게이지는 흡사 PCB회로와 유사하게 비전도성의 표면에 인쇄된 전도성 물질로 이루어져 있으며 주로 지그재그 패턴으로 구성됩니다. 측정 타겟에 견고하게 부착된 게이지는 타겟이 늘어나거나 줄어들 때 함께 움직이게 되며 발생하는 변형은 스트레인 게이지로 동일하게 전이됩니다.

한 가지 유념해야 할 점은 변형률은 축 방향과 국부 변형에서만 측정된다는 것입니다. 이런 특성으로 인해 스트레인 게이지가 유한 요소 분석에 사용할 수 있는 것이고, 피로도 어플리케이션에서 유용하게 활용됩니다.

어떤 와이어든 어느 정도의 저항을 가지고 있습니다. 스트레인 게이지 위의 포일은 굉장히 얇기 때문에 어느 정도의 높은 저항을 가지고 있습니다. 스트레인 게이지가 당겨지면, 포일은 그림 B처럼 더욱 얇아지게 됩니다. 이 때 포일에는 더 많은 저항이 생기게 됩니다. 게이지를 꾹 누르면 포일 라인은 두꺼워지게 되어 저항이 줄어듭니다. 이런 변화를 저항으로 측정하면, 시스템에서 스트레인을 직접 파악할 수 있습니다.

저항의 변화는 게이지율(Guage Factor)이라고 하는 요소를 통해 측정된 스트레인에 직접 비례합니다. 게이지율은 스트레인 게이지의 속성이며, 포일 라인의 레이아웃과 두께에 따라 다릅니다. 일반적인 게이지율은 약 2입니다.

이제 스트레인 게이지가 표본에 있는 스트레인을 저항의 변화로 변환한다는 것을 알게 되었습니다. 그렇다면 이 저항은 어떻게 측정할까요?
이 저항을 측정할 수 있는 특수 유형의 선형 회로인 분압기가 있습니다. 두 개의 저항기를 일련으로 배치하고 알려지지 않은 전압을 적용하면, 위의 등식을 이용하여 저항기의 전압만 계산할 수 있습니다.
만약 저항기 중 하나가 스트레인 게이지이고 다른 하나가 알려진 저항으로 구성된 분압기를 제작할 수 있다면, 스트레인 게이지의 전압을 측정하고 위의 동일한 등식을 이용하여 스트레인 게이지의 저항을 계산할 수 있었을 것입니다. 이 전압은 일반적인 NI 측정장비를 이용하여 쉽게 측정할 수 있습니다.

만약 두 개의 분배기 회로를 병렬로 배치하게 되면, 결과적으로 위와 같은 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)가 완성됩니다. 휘트스톤 브리지는 모든 브리지 기반 측정 시스템(스트레인 포함)의 기본이 되는 회로입니다.
브리지의 균형이 맞춰지면 R1/R2는 R3/R4와 같고 Vin의 전압 측정 값은 0이 됩니다. 하지만 저항 중 하나라도 바뀌게 되면 Vin은 0이 되지 못합니다.

한 가지 유념해야 할 점은 분압기에서 확인한 것처럼 알려진 구동 전압이 회로에 적용되어야 하고 포일 스트레인 게이지 측정 중 한 면 은 전압 구동으로 보통 5 또는 12 볼트가 필요합니다. 이 말은 스트레인 게이지 측정을 위해 내가 구동전류를 흘려보내 주어야 한다는 것 입니다. 기본적으로 스트레인 게이지 측정에서 이러한 구동전류의 운용에 어려움을 느끼는 경우가 많지만 NI의 스트레인 게이지 전용 모듈을 사용하면 손쉽게 구동전류를 제공하고 스트레인 값을 확인할 수 있습니다.

스트레인 게이지의 세 가지 주 유형으로 쿼터(1/4), 하프(2/4), 풀 브리지(4/4)가 있습니다. 이 브리지들의 명칭은 스트레인 게이지를 감지하는 “레그”가 휘트스톤 브리지에 얼마나 많은 지를 뜻합니다.

첫 번째로 쿼터 브리지를 살펴보겠습니다. 쿼터 브리지에는 하나의 활성 스트레인 게이지와 알려진 저항이 있는 레그들로 구성되어 있습니다. 이 저항기들이 휘트스톤 브리지를 완성하기 때문에 데이터 수집에서 보통 “브리지 완성 회로망”이라고 합니다.
쿼터 브리지 시스템은 장착하고 연결해야 하는 스트레인 게이지가 하나뿐이기 때문에 설치가 쉽지만, 스트레인의 정보를 한 방향으로만 제한적으로 제공하고 표본의 열 변동에 민감하게 반응합니다.

쿼터 브리지 스트레인 게이지 시스템은 보통 두 가지 유형이 있는데, 이 둘에 대해 알아보겠습니다.

Quarter-Bridge Type I

쿼터 브리지 타입 1 구성에서 스트레인 게이지는 스트레인을 측정 방향으로 장착하여 양쪽의 축 스트레인을 측정할 수 있으며, 인장/압축 뿐 만이 아닌 벤딩에 대한 스트레인도 확인할 수 있습니다.

Quarter-Bridge Type II

쿼터 브리지 타입 2에는 실질적으로 두 개의 스트레인 게이지가 있습니다. 하지만 이 중 하나만이 스트레인을 측정하기 때문에 쿼터 브리지라고 합니다. 다른 스트레인 게이지는 순전히 온도 효과를 보상하기 위해 표본에 연결되는 것이지 스트레인을 측정하기 위해 결합되지는 않습니다.

기본적으로 스트레인 게이지도 온도에 따라 늘어나기 때문에 표본이 너무 뜨거워지거나 차가워지게 되면 실제 변형된 값에 온도 변형값이 오차로 더해지게 됩니다. 축에 수직으로 부착된 스트레인 게이지는 이 온도변형값만을 반영하기 때문에 효과적으로 온도로 발생한 에러를 제거하고 더 정밀한 측정을 가능하게 해 줍니다.

하프 브리지 스트레인 게이지는 두 개의 스트레인 게이지를 사용하기 때문에 휘트스톤 브리지에 두 개의 알려진 저항기가 필요합니다. 하프 브리지 시스템은 두 개의 게이지를 사용하고 온도 효과에 더 많은 내성을 가지고 있기 때문에 더 민감하다는 장점이 있습니다. 하프 브리지 구성에는 두 가지 주 종류가 있습니다.
첫 번째 유형은 하프 브리지 타입 1로, 축 스트레인을 측정하기 위해 한 스트레인 게이지가 장착되어 있고 가로 변형을 측정하기 위해 다른 게이지가 수직으로 장착되어 있습니다.

Half-Bridge Type I

두 번째 하프 브리지 타입 2 유형에서 두 개의 스트레인 게이지는 표본의 반대 방향에 동일한 방향으로 장착되어 있습니다. 이 방식은 일부 어플리케이션에 유용할 수 있는 축 스트레인 측정을 중화시킨다는 장점이 있지만, 구부러진 스트레인을 측정하는데 더욱 유용합니다. 만약 물체가 당겨졌을 경우, 두 스트레인 게이지는 동일한 양만큼 늘어지게 되고 브리지는 여전히 균형이 맞춰져 있어 Vin에서 눈에 띠는 전압 차이는 없을 것입니다. 하지만 만약 표본이 구부러져 있다면, 상단의 스트레인 게이지는 늘어질 것이고 하단은 눌려져 저항의 차이를 증폭시킬 것입니다.

Half-Bridge Type II

풀 브리지 타입 1은 하프 브리지 타입 2와 유사합니다. 스트레인 게이지를 표본의 반대편에 각각 부착하게 되고 당겨지는 축과 구부러지는 축에 같은 효과를 가지게 됩니다. 다만 4개의 스트레인 게이지로 측정하기 때문에 2개로 측정할 때 보다 결과 값이 훨씬 더 증폭됩니다.
풀 브리지 타입 2는 측면 측정을 위하여 2개의 스트레인 게이지가 더 부착되는 것을 제외하면 풀 브리지 타입 1과 유사합니다. 당겨지는 축과 구부러지는 축에 같은 효과를 가지게 되지만 축 방향에 대해서만 측정하지는 않습니다.

Full-Bridge Type I

풀 브리지 타입 3은 풀 브리지 타입 2와 매우 비슷하게 보이지만 휘트스톤에서 표현되는 레그의 위치가 변경되어 있습니다.

Full-Bridge Type II

Full-Bridge Type III

National Instruments는 스트레인 게이지의 필터링, 브리지 완성 회로망, 원격 감지, 비율 척도 측정, 구동 등 요구사항을 충족시킬 수 있는 다양한 데이터 수집 하드웨어 플랫폼을 제공합니다. 스트레인 게이지 측정에 대한 자세한 정보는 ni.com/strain 에서 확인할 수 있습니다.
위의 표에서 서로 다른 브리지 구성 유형의 요약을 확인할 수 있습니다. 이 표는 필요한 게이트 수를 포함한 7개의 다른 구성과 온도 효과를 포함한 여러 컴포넌트에 얼마나 민감한 지와 장착 위치에 대한 개요를 제공합니다.

특수한 유형으로 로제트가 있습니다. 로제트는 표본 표면의 다른 방향에 배치된 최소 두 개의 스트레인 게이지로 구성되어 있습니다. 일반적인 구성에서는 세 개의 스트레인 게이지를 사용하며, 이 게이지들은 45도 각도로 배치되어 있습니다. 이런 형태를 직각 로제트라고 합니다. 많이 사용하는 다른 유형에서는 게이지간에 60 또는 120도의 각을 사용합니다.
일반적인 로제트 어플리케이션은 평형 스트레인으로 계산됩니다. 세 개의 게이지로부터 측정된 스트레인은 평형 스트레인 어플리케이션의 방향성 스트레인을 계산하는데 사용할 수 있습니다. 또한, 로제트는 표본의 주요 스트레인을 파악하는데 사용되기도 합니다.

스트레인 게이지 공급업체는 스트레인 게이지 장착에 대한 자세한 설명을 제공해야 합니다. 스트레인 게이지를 잘못 장착하게 되면 불량한 측정 품질을 얻을 수 있습니다.
스트레인 게이지를 부착할 때는 일반적으로 아세톤이나 알코올을 이용하여 테스트 표본의 먼지와 기름을 제거하고, 실리콘 카바이드 종이로 표본을 가볍게 감싸 적절한 결함 위치를 만듭니다. 이제 스트레인 게이지를 표본에 부착할 수 있습니다. 에폭시 소재를 이용하면 몇 분만에 표본에 게이지를 고정할 수 있습니다.
도선은 스트레인 게이지 터미널에 납땜하고, 테잎과 같은 소재를 이용하여 표본에 고정하여 남땜 접합에 장력이 생기지 않도록 합니다.
마지막으로 실리콘 고무와 같은 보호 코팅을 입혀 스트레인 측정 품질에 영향을 줄 수 있는 물과 오염물질로부터 보호합니다.
지금까지 변형률 측정을 위한 스트레인 게이지의 종류와 측정 방법에 대하여 알아보았습니다. 이렇게 내가 원하는 변형률 측정을 위한 센서의 선정이 완료되면 센서에서 나오는 데이터를 수집할 수 있는 하드웨어가 필요합니다.

다음 시간에는 하중, 압력, 토크 등에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

한국 NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 1 

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

1. 측정 기본

측정은 다른 말로 데이터 수집(Data Acquisition : DAQ) 이라고도 합니다. 데이터 수집은 시스템의 모니터링을 위해서 필수적이며 측정된 데이터를 기반으로 새로운 개선이 이루어집니다. 측정의 쉬운 예로 In-vehicle 데이터 수집이 있습니다. 이 데이터 수집에서는 진동, RPM, 변형률, 온도, 토크, 하중, 압력, 속도 등이 한 번에 측정됩니다. 이러한 다양한 값들은 경우에 따라 개별적으로 또는 함께 이루어져야 합니다.

우리가 측정 시 많이 사용하는 제품은 아래 그림과 같은 오실로스코프입니다. 오실로스코프를 사용하여 측정 중인 신호를 분석하며 신호의 결과를 저장합니다.

다른 방식의 계측기로 PC 기반의 데이터 수집이 있습니다. 아래의 DAQ 보드는 오실로스코프가 가지고 있는 모든 기능들을 제공하지만 디스플레이, 스위치등은 PC에서 담당하기 때문에 기존 오실로스코프보다 훨씬 소형입니다.

데이터 수집은 프로그램상의 User Interface를 통해 컨트롤되고 모니터링되며 PC를 통해 FFT와 같은 분석들을 실시간으로 수행할 수도 있습니다.
PC기반 DAQ 시스템은 가장 빠르게 발전하고 있는 상용 컴퓨터의 CPU, 디스플레이, 통신 기능들을 활용하기 때문에 소형이면서도 강력한 성능을 가지고 있습니다. 본 측정 기본 세션에서는 PC기반 데이터 수집을 중심으로 진행되지만 기본 개념은 모든 종류의 데이터 수집 어플리케이션이 동일합니다.
PC기반 데이터 수집 시스템에서 제일 먼저 살펴보아야 할 부분은 센서입니다. 센서는 온도를 측정하는 열전쌍(Thermo Couple)부터 소리를 측정하는 마이크로폰까지 다양한 종류가 있습니다. 각각의 센서에 대해서는 이어지는 글 들에서 다루도록 할 것이며 우선은 전반적인 센서의 의미에 대해 다루도록 하겠습니다.

센서의 목적은 빛, 온도, 압력, 위치, 소리, 기타 물리현상을 측정 가능한 전기 신호인 전압이나 전류로 변환하는 것입니다. 이와 같은 신호 유형을 아날로그 신호라고 합니다. 오른쪽의 신호에서 보이는 것처럼 아날로그 신호는 시간에 따라 특정 값을 가지고 있습니다.

위의 그림처럼 물리적인 현상을 측정하기 위해서는 특정 유형의 센서가 사용됩니다. 하지만 각각의 센서 종류별로 다른 출력특징들을 가지고 있기 때문에 신호의 조작이 필요하며 이러한 조작을 신호 컨디셔닝이라고 합니다.

그림에 표시된 것과 같이 DAQ Device 부분에서 아날로그 신호를 디지털로 변환하기 전에 신호 컨디셔닝을 수행합니다. 최근에 출시되는 DAQ 디바이스는 신호 컨디셔닝까지 포함하고 있는 경우가 많습니다. DAQ 디바이스는 처리된 신호를 PC가 이해할 수 있는 디지털 신호로 변환합니다.
신호 컨디셔닝에 대한 이해를 돕기 위해 열전쌍 신호를 예로 들어 보겠습니다. 일반적으로 열전쌍에서는 ±80mV의 신호가 출력됩니다. 이러한 신호는 일반적인 DAQ 디바이스가 효과적으로 측정하기에는 너무 작은 범위입니다. 이를 수정하기 위해 신호를 6배로 증폭하여 범위를 ±80mV에서 ±4.8V로 증폭할 수 있습니다. 상당수의 DAQ 디바이스는 ±5V 정도의 범위를 가지고 있으므로 이 범위를 최대한 활용할 수 있습니다.

또한 노이즈를 줄이기 위해 로우패스 필터를 통해 높은 주파수의 노이즈들을 제거할 수도 있습니다.
이처럼 열전쌍을 포함한 대부분의 센서는 DAQ 디바이스가 측정할 수 있는 신호를 측정하기 위해 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 아래 표에는 각각의 센서와 필요한 신호 컨디셔닝이 정리되어 있습니다.

신호를 컨디셔닝 한 뒤에는 ADC라고 불리는 아날로그 디지털 컨버터를 이용하여 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하여야 합니다. 앞에서도 언급했듯이 센서출력 신호는 아날로그 신호입니다.
아날로그 신호의 세 가지 특성은 레벨, 모양 그리고 주파수입니다.

레벨은 신호의 진폭으로 실내의 온도나 광원의 강도를 알려줍니다. 모양을 알고 있는 경우 신호를 더욱 자세히 분석 할 수 있습니다. 센서신호의 일반적인 모양은 사인파, 사각파, 삼각파입니다. 이러한 모양 정보를 통해 피크 전압이나 기울기와 같은 데이터를 생성할 수 있습니다. 주파수는 음성, 진동 분석과 같은 어플리케이션에서 중요하게 사용됩니다.

디지털 신호의 중요 파라미터는 상태와 속도입니다.

상태에는 High와 Low가 있으며 이러한 상태가 얼마나 빨리 변하는가를 속도라고 합니다.
DAQ 디바이스는 이처럼 아날로그 신호를 디지털로 변경해주는 역할을 하며 측정 엔지니어는 DAQ 디바이스가 신호를 변경할 때 어떤 영향을 미치는지 알고 있어야 합니다. 이 부분에서 고려해야 할 사항은 여러 가지가 있지만 그 중에 분해능(Resolution), 범위(Range) 그리고 속도(Rate)가 중요합니다.

분해능은 신호가 변환된 후 디지털화된 신호가 아날로그 신호를 얼마나 근접하게 표현할 수 있는지를 결정합니다.

왼쪽 그림에서 센서로부터 수집한 아날로그 웨이브폼을 볼 수 있습니다. 이 웨이브폼을 디지털화하기 위해서는 웨이브폼의 진폭을 DAQ 디바이스의 분해능에 따라 여러 단계로 나누어주게 됩니다. 일반적으로 DAQ 디바이스의 분해능은 비트(bit)로 표현됩니다. 만약 제품이 12비트의 분해능을 가지고 있다면 제품이 측정할 수 있는 최대 범위 (보통 ±5 또는 ±10)를 2bit로 나눈 값이 됩니다. 예를 들어 우측의 그림처럼 3bit 분해능을 가지고 측정 범위가 ±10이라고 하면 실제 분해능은 20/23 = 2.5가 됩니다. 따라서 해당 DAQ 디바이스는 2.5보다 작은 신호가 들어온 경우 제대로 인식하지 못할 수 있으며 모든 값들이 2.5 간격으로 표시되게 됩니다. 따라서 들어오는 신호를 얼마나 세밀하게 봐야 하는지를 확인한 후 분해능을 그 이상으로 선택하여야 합니다.

다음으로 범위에 대해 알아보겠습니다. 신호 컨디셔닝에서 언급했듯이 아날로그 신호가 DAQ 디바이스가 가진 모든 범위를 활용하게 해 주는 것이 중요합니다. 그림의 왼쪽 부분과 같이 ±2V의 신호를 ±10V의 장비로 측정한다면 나머지 구간은 사용하지 않게 됩니다. 이 때 분해능은 ±10V를 기준으로 구성되기 때문에 신호도 자세하게 보기 어려워 집니다. 하지만 범위가 ±2V가 된다면 훨씬 더 자세히 신호를 볼 수 있게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 두 가지 방법을 생각해 볼 수 있습니다. 하나는 신호 컨디셔닝을 통해 신호를 DAQ 디바이스의 범위에 맞추는 것, 다른 하나는 디바이스의 범위를 변경하는 것입니다. 일부 디바이스는 소프트웨어적인 설정을 통해 범위를 변경할 수 있게 설계되어 있습니다.

마지막으로 속도에 대해 알아보겠습니다.
아날로그 신호를 디지털로 변환할 때, 신호의 모든 특징을 캡쳐하기 위해 아날로그 신호를 특정 속도로 반드시 샘플링해야 합니다. 만약 샘플링하는 속도가 너무 늦다면 PC에서 보여지는 신호는 원래 신호와 다른 모습을 가지게 될 것 입니다. 예를 들어 아래의 그림처럼 10Hz의 신호를 11Hz 속도로 샘플링 하게 되면 원 신호와 다른 적색 파형을 보게 됩니다.

주어진 신호의 적절한 샘플 속도는 나이퀴스트 이론에 따라 결정됩니다. 주파수 특징을 유지하기 위해서는 원래 웨이브폼의 최소 2배 주파수에서 샘플링해야 합니다. 웨이브폼에서는 두 배 이상의 속도로 샘플링 한 경우 아래 그림과 같이 웨이브폼의 주파수뿐 아니라 모양과 레벨의 대략적인 표현도 유지하고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

하지만 일반적으로 신호의 모든 특징을 유지하기 위해서는 최대 신호 주파수의 8-10배 샘플링 속도를 이용할 것을 권장합니다. 이 정도의 속도를 사용하게 되면 아래 그림과 같이 신호의 주파수, 모양 및 레벨이 유지되는 것을 볼 수 있습니다.

DAQ 디바이스에서 처리된 신호는 버스를 통해 컴퓨터로 전달됩니다. 이렇게 전달된 데이터는 컴퓨터에 설치된 SW를 통해 분석되고 보여집니다. LabVIEW는 측정 엔지니어들이 가장 많이 사용하는 SW중의 하나입니다. LabVIEW에서 제공되는 완성된 측정 예제들을 통해 엔지니어들은 바로 채널을 셋팅하고 데이터를 저장할 수 있습니다. 아래의 이미지는 LabVIEW에서 기본으로 제공되는 온도측정 예제입니다.

해당 데이터를 추가적으로 분석하고 싶다면 간단히 분석 알고리즘을 추가 해 줄 수 있습니다.
지금까지 PC기반의 DAQ 디바이스를 예로 들어 센서 신호 측정에 대한 필수 사항들을 알아보았습니다. 사실 많은 엔지니어들이 센서에 대해서는 어느 정도 알고 있지만 측정에 대해서는 잘 모르는 경우가 많습니다. 기본적인 측정 지식을 알고 있는 것이 정확한 측정값을 얻을 수 있는 기본이 되므로 금일 다루어진 내용들을 기억한다면 도움이 될 것이라 생각됩니다.

다음 글에서는 본격적으로 각각의 센서에 대해 다루어 보도록 하겠습니다.