03.13

센서 및 측정 시스템 정리 (내용 추가 포함)

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1. 포텐시오미터 (Potentiometer)

개념

• 저항체(Resistor)와 슬라이더(Slider) 로 구성된 가변 저항기.
• 슬라이더의 위치에 따라 출력 전압이 변하며, 전압 분배 법칙을 이용하여 변위를 측정할 수 있음.

특징 및 한계

• 장점: 구조가 간단하고 비용이 저렴함.
• 단점: 마모에 의해 내구성이 낮으며, 비선형성(Nonlinearity) 문제가 발생할 수 있음.
• 출력 전압(Vout) 공식: Vout=Vin×R2R1+R2V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}Vout​=Vin​×R1​+R2​R2​​
  • 여기서 R1R_1R1​과 R2R_2R2​는 슬라이더의 위치에 따라 달라지는 가변 저항 값.

저항 관계식

• 직렬 연결: Req=R1+R2R_{eq} = R_1 + R_2Req​=R1​+R2​
• 병렬 연결: Req=R1R2R1+R2R_{eq} = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}Req​=R1​+R2​R1​R2​​

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2. 출력 오차 (Output Error) 개념

정의

• 측정 장비에서 실제 출력 값과 기대 출력 값 사이의 차이를 의미.

오차의 주요 원인

1. 비선형성(Nonlinearity): 입력과 출력의 관계가 선형이 아닐 때 발생.
2. 온도 변화(Temperature Drift): 온도 변화에 의해 센서의 특성이 변함.
3. 노이즈(Noise): 전자기 간섭(EMI), 기계적 진동 등에 의해 신호 왜곡 발생.
4. 캘리브레이션 오류(Calibration Error): 보정 과정에서 발생하는 오차.
5. 해상도 한계(Resolution Limit): 센서가 감지할 수 있는 최소 단위 이상으로만 측정 가능.

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3. 스트레인 게이지 (Strain Gauge)

개념

• 변형(Strain)에 따라 저항이 변하는 센서.
• 물체가 변형될 때 길이가 증가하면 저항 증가, 반대로 길이가 감소하면 저항 감소.
• 저항 변화율과 변형율은 다음 식으로 표현됨. ΔR=R⋅Gf⋅ε\Delta R = R \cdot G_f \cdot \varepsilonΔR=R⋅Gf​⋅ε
  • GfG_fGf​: 게이지 팩터 (Gauge Factor)
  • ε\varepsilonε: 변형률(Strain)

영향 요소

• 온도(Temperature): 온도 변화에 따라 저항값이 변할 수 있음.
• 습도(Humidity): 습도가 높아지면 센서 재료가 팽창하여 저항 변화가 발생할 수 있음.

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4. 캐패시터형 변위 센서 (Capacitive Displacement Sensor)

작동 원리

• 정전 용량(Capacitance) 의 변화를 이용해 변위를 측정하는 센서.
• 기본적인 정전 용량 공식: C=εAdC = \varepsilon \frac{A}{d}C=εdA​
  • CCC: 정전 용량
  • ε\varepsilonε: 유전율
  • AAA: 전극 간 겹치는 면적
  • ddd: 전극 간 거리

제작 방법

1. (미확인) 방법
2. 전극 간의 겹치는 면적(A)을 변화시키는 방법
   • 측정 대상이 이동하면서 겹치는 면적이 변하면 정전 용량이 변함.
3. 전극 간의 간격(d)을 변화시키는 방법
   • 센서 내부에 있는 전극을 넣었다 뺐다 하여 거리를 조절함.

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5. Push-Pull Displacement Sensor

개념

• 측정값이 변위에 대해 대칭적으로(+)와 (-) 양방향에서 동작하는 센서.
• 흔히 LVDT 방식과 결합되어 사용됨.
• 출력 신호의 특징:
  • 변위가 증가할수록 신호가 선형적으로 증가 또는 감소함.
  • 일반적으로 센터(0)에서 대칭적인 특성을 가짐.

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6. LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

개념

• 자기 유도 원리를 이용하여 선형 변위를 측정하는 센서.
• 비접촉 방식으로 내구성이 뛰어나며 정밀도도 높음.

구성 요소 및 동작 원리

1. Primary Coil (1차 코일): 교류(AC) 전류를 흘려 자기장을 생성.
2. Secondary Coil (2차 코일): 유도 전력을 발생시킴.
3. Ferronmagnetic Core (강자성체 코어): 센서 내부에서 이동하면서 상호 유도 전압을 변화시킴.
4. Mutual Inductance (MMM):
   • 코일 수, 자기장 강도에 따라 변함.
   • 출력 신호는 변위에 따라 선형적으로 변화.

출력 신호 특성

• 교류 전류의 변화:
  • 코어가 중앙에 위치하면 V1=V2V_1 = V_2V1​=V2​ (출력 0)
  • 코어가 오른쪽으로 이동하면 V1>V2V_1 > V_2V1​>V2​ (양의 전압)
  • 코어가 왼쪽으로 이동하면 V1<V2V_1 < V_2V1​<V2​ (음의 전압)

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7. 와전류 근접 센서 (Eddy Current Proximity Sensor)

와전류 (Eddy Current) 원리

• 센서에서 교류(AC) 전류를 인가하면 주변 도체에서 유도 전류(와전류)가 발생.
• 이 유도 전류는 자기장을 형성하여 자기적 반응을 일으킴.
• 와전류의 크기 변화로 물체의 접근 여부를 감지할 수 있음.

기능 및 특성

1. 비접촉식(On/Off) 감지
   • 물체가 특정 거리 내에 들어오면 신호 변화 발생.
2. 변위 측정 가능
   • 신호의 강도를 분석하여 거리를 측정.
3. 고속 응답
   • 와전류는 즉각적으로 발생하므로 빠른 센서 응답 속도를 가짐.
4. 금속 물체 검출
   • 전도성(Conductive)이 있는 금속만 감지 가능.