근접센서

근접센서(proximity sensor)는 물리적 접촉 없이 주변 물체의 존재를 감지할 수 있는 센서이다. 근접센서는 전자기장이나 전자기파(예: 적외선)을 방출하며 그 전기장과 돌아오는 신호를 찾는다. 감응을 받는 물체는 근접 센서의 대상으로 간주된다. 각기 다른 근접 센서는 각기 다른 센서를 사용한다. 예를 들어 정전식 감응 센서나 광전감지 센서는 플라스틱 형태의 대상에 적합할 수 있다. 유도형 센서는 금속 물질에 적합하다. 근접센서는 신뢰성이 높으며 장기적인 기능적 수명을 자랑하는데, 이는 센서와 감응을 받는 물체 사이의 물리적 접촉이 없고 기계적 부분이 존재하지 않기 때문이다. 국제전기기술위원회 (IEC) 60947-5-2는 근접센서의 상세 기술 내용을 정의한다. 초단거리의 근접센서는 터치 스위치로 사용된다.

차량용 근접센서는 운전자가 볼 수 없는 사각을 감지해 주는 장치로 후진에 있어서 불필요한 충돌을 막아주어 운전에 편리함을 주는 기계이다. 2010년 이후 출시되는 거의 모든 차는 기본 옵션일 정도로 보편화가 되어 있고 전방 근접센서는 다른 옵션으로 제공된다. 대게는 차량 범퍼에 초음파 센서를 부착해서 벽이나 기둥과의 거리를 감지하고, 충돌이 예상되는 범위에 가까워지면 경고음이 점차 빨라진다. 때문에 후방주차 시에는 소리로 대충 벽과의 간격을 가늠하여 안정적이게 주차가 가능하다.

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개요

근접센서는 검출대상 물체가 검출면 가까이 접근했을 때 검출신호를 출력하는 비접촉식 센서를 말한다. 근접센서는 휴대 기기에 흔히 사용된다. 장치가 슬립 모드에서 깨어날 때 근접센서의 대상이 여전히 장시간 감지되고 있을 경우 센서는 이를 무시하고 장치는 슬립 모드로 되돌아가게 된다. 예를 들어, 휴대 전화의 통화 중에 휴대 전화가 귀에 가까이 있을 때 근접센서는 우발적인 터치스크린 탭을 감지하는 역할을 수행할 수 있다.

대부분의 산업 자동화(IA) 응용 제품은 물리적인 접촉 없이 물체 또는 사람의 존재 여부와 위치를 감지하여 대상 물체의 이동을 제약하거나 제한하지 않아야 한다. 근접센서는 이 역할에 가장 적합하다. 하지만 근접센서는 자기, 정전 용량, 유도, 광학 등 다양한 종류로 제공되며, 감지 대상 물체의 소재 구성이 센서의 물체 감지 성능에 영향을 줄 수 있다.

근접 센서에 따라 철 금속을 감지하는 데 유용한 경우도 있고, 모든 종류의 금속을 감지할 수 있는 경우도 있고, 모든 종류의 물체와 사람까지 감지할 수 있는 경우도 있다. IA 응용 분야에서 근접센서의 잠재적 사용자는 근접 센서 기술의 다양한 종류와 특정 감지 상황에서 적용 가능한지 여부를 잘 판단해야 한다.

분류

유도 근접센서

유도 근접센서는 전도성 물체(예: 금속)의 존재 유무를 감지하며, 감지 범위는 감지 대상 금속의 종류에 따라 다르다. 이 센서는 발진 회로에서 코일에 의해 생성되는 고주파 자기장을 사용하여 작동한다. 전도 대상이 자기장에 접근하면 유도 전류 또는 와전류가 유도된다. 그러면 역자기장이 발생하여 유도 센서의 유도 용량을 효과적으로 줄인다.

유도 근접센서는 두 가지 방법으로 작동한다. 첫 번째 작동 방법에서는 대상이 센서에 접근하면 유도 전류 흐름이 증가하여 발진 회로의 부하가 증가하고, 그로 인해 발진이 감쇠되거나 중단된다. 센서는 진폭 감지 회로를 통해 이 발진 상태 변화를 감지하고 감지 신호를 출력한다.

대체 작동 체계에서는 전도 대상의 존재 유무에 따른 발진 진폭 대신 주파수 변화를 활용한다. 알루미늄, 구리와 같은 비철 금속 대상이 센서에 접근하면 발진 주파수가 증가하고, 철, 강철과 같은 철 금속 대상이 접근하면 발진 주파수가 감소한다. 레퍼런스 주파수에 비례하여 발진 주파수가 변경되면 센서의 출력 상태가 변경된다.

Texas Instruments LDC0851HDSGT는 주파수 변화를 활용하여 전자기장 내 전도성 물체의 존재 여부를 감지하는 근거리 유도 근접 스위치 센서의 예이다(그림 1).

그림 1: LDC0851HDSGT 유도 근접 센서는 이중 유도 코일(감지 코일 및 레퍼런스 코일)을 사용하여 감지 코일 근처 대상 물체로 인한 유도 용량 차이를 측정한다. (이미지 출처: Texas Instruments)

LDC0851 유도 근접 스위치는 재/부재 감지, 이벤트 계산, 간단한 푸시 버튼과 같이 감지 범위가 10mm(0.39인치) 미만인 무접촉 감지 응용 분야에 적합하다. 이 장치는 전도성 물체가 감지 코일에 가깝게 접근하면 출력 상태를 변경한다. 차동 구현(감지 코일과 레퍼런스 코일을 사용하여 시스템의 상대적 유도 용량 결정)과 히스테리시스는 기계적 진동, 온도 변화 또는 습도 영향에 내성이 있는 안정적인 전환을 보장하기 위해 사용된다.

LDC0851HDSGT의 유도 픽업 코일은 단일 센서 커패시터를 통해 3MHz ~ 19MHz 범위 내의 발진 주파수를 설정하도록 조정된다. 푸시풀 출력은 감지 유도 용량이 레퍼런스 유도 용량보다 작으면 Low 상태이고, 감지 유도 용량이 레퍼런스 유도 용량보다 크면 High 상태로 복귀된다.

자기 근접센서

움직이는 금속 부품의 위치와 속도를 측정하는 데 사용되는 자기 근접 감지기는 홀 효과 센서와 같은 능동 소자이거나, 가변 자기 저항(VR) 센서(Red Lion Controls의 MP62TA00 나선형 자기 픽업)(그림 2, 왼쪽)와 같은 수동 소자일 수 있다. VR 근접 센서는 자기 저항(전기 회로의 전기 저항과 유사)의 변화를 측정하며, 영구 자석, 극편, 원통형 케이스에 담긴 감지 코일로 구성된다.

그림 2: VR 자기 픽업(왼쪽)은 극편과 센서 하우징(오른쪽) 사이의 자기장 변화를 감지하는 수동 소자 센서이다. (이미지 출처: Art Pini, Red Lion Controls의 MP62TA00 이미지 사용)

강자성 물체가 극편에 가깝게 접근하면 자기장이 변경된다. 그러면 신호 코일에서 신호 전압이 발생한다. 신호 전압의 크기는 대상 물체의 크기, 속도, 극편과 물체 사이의 간격에 따라 달라진다. 움직이는 대상 물체만 VRS에서 감지된다. MP62TA00 나선형 자기 픽업은 작동 온도 범위가 -40°C ~ +107°C인 에폭시로 밀봉된 근접 VR 센서입니다. 또한 25.4mm(1인치) 길이에 ¼UNS ~ 40UNS 나선형 바디로 되어 있다.

VR 센서는 수동 소자이므로 전원이 필요하지 않다. 따라서 회전하는 기계를 측정하는 데 일반적으로 사용된다. 예를 들어, MP62TA00과 같은 VR 픽업은 철제 장비, 스프로켓 또는 타이밍 벨트 휠에서 수동 소자 톱니를 감지하는 데 널리 사용되며, 볼트 헤드, 키홈 또는 기타 빠르게 움직이는 금속 대상을 감지하는 데에도 사용된다(그림 3).

그림 3: VR 센서는 회전하는 기계에서 장비 톱니, 캠, 키홈 등을 감지하는 데 널리 사용된다. (이미지 출처: Red Lion Controls)

회전 속도를 측정하는 회전 속도계로 사용되며, 쌍으로 적용되어 회전 샤프트 편심성을 측정하는 데에도 사용된다.

두 번째 자기 센서 유형은 홀 효과를 사용하여 자기장의 존재 유무를 감지한다. 홀 효과는 전류가 흐르는 컨덕터와 컨덕터의 평면에 직교하는 자기장 사이의 상호 작용을 설명한다. 전류가 흐르는 컨덕터가 자기장 안으로 들어오면 전류와 자기장 모두에 직교하는 전압(홀 전압)이 발생한다. 홀 전압은 자기장의 자속 밀도에 비례하며 자기화된 대상이 필요하다.

Littelfuse Inc.의 55100-3H-02-A는 디지털 출력 또는 프로그래밍 가능한 아날로그 전압 출력으로 작동되는 플랜지 실장 홀 효과 센서이다(그림 4).

그림 4: 55100-3H-02-A 플랜지 실장 홀 효과 근접 센서와 전압 출력의 제품 구성도 및 사진 (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

55100-3H-02-A는 크기가 25.5mm x 11mm x 3mm이며 3선식 전압 출력 또는 2선식 전류 출력으로 작동된다. 어느 버전이든 중간(130Gauss), 높음(59Gauss) 또는 프로그래밍 가능한 감도를 제공한다. 이 소자는 높은 감도를 제공하며 지정된 자석을 사용할 경우 작동 범위가 18mm(0.709인치)입니다. 풀다운 출력에서 최대 24V DC 및 20mA로 싱크 가능하다.

이 센서는 최대 10kHz의 스위칭 속도로 작동 가능하며 동적 자기장과 정적 자기장을 모두 감지할 수 있다. 정적 자기장 감지 기능은 홀 효과 센서의 주요 이점으로, 닫혀 있는 도어나 고정 위치 물체를 감지하는 데 사용될 수 있다.

광학 근접센서

광학 근접센서는 빛(적외선 또는 가시광선)을 사용하여 물체를 감지한다. 이 센서는 빛을 차단하거나 반사하는 자기 또는 금속 대상이 필요하지 않다는 이점이 있다. 기본적으로 광학 센서는 빛을 방사하여 대상 물체에 반사되는 빛을 모니터링한다(그림 5, 왼쪽).

그림 5: 광학 근접 센서는 광선을 방사한 후 대상에서 반사되는 빛을 감지하여 대상 물체를 찾는다. (이미지 출처: Art Pini)

Omron Electronics Inc.의 EE-SY1200은 광학 근접 센서의 좋은 예이다(그림 5, 오른쪽). 이 센서는 850nm의 적외선 파장에서 작동하는 모든 인쇄 회로 기판(pc 기판)에 실장되는 초소형 광센서이다. 1.9mm x 3.2mm x 1.1mm(0.0748인치 x 0.126인치 x 0.043인치) 크기에 작동 온도 범위가 -25°C ~ +85°C인 표면 실장 패키지에 실장된 LED 방출기와 광 트랜지스터 쌍으로 구성된다. 권장 감지 거리 범위는 1.0mm ~ 4.0mm(0.039인치 ~ 0.157인치)이다.

이 센서는 크기가 작아서 기판에 실장되므로 자동 포장 기계에서 금속화된 마일라 소재 조정과 같은 응용 분야에 적합하다.

초음파 근접센서

초음파 기반 근접 센서를 사용하면 강화된 감지 거리 요구 사항(예: 드라이브인 창에서 차량 감지)을 충족할 수 있다. 이 센서는 7m 이내의 거리에서 모든 종류의 물체를 감지한다. 센서 송신기에서 방사되어 대상 물체에 반사된 후 센서 수신기에 픽업되는 초음파 펄스의 비행 시간을 기초로 측정한다(그림 6).

그림 6: 초음파를 사용한 거리 측정에서는 감지 범위에서는 송신기의 초음파 버스트(왼쪽) 후 반사된 펄스가 도착할 때까지(오른쪽) 시간을 측정한다. 이 시간은 센서에서 대상 물체까지 초기 버스트 비행 시간의 2배이다. (이미지 출처: Art Pini)

펄스가 송신된 후 반사된 펄스가 수신될 때까지 시간은 센서에서 대상 물체까지 왕복 비행 시간을 나타낸다. 전파 속도와 비행 시간을 알면 거리를 계산할 수 있다. 표시된 예에서 비행 시간은 3.1ms이다. 70°F에서 공기 중 소리의 속도는 초당 1128피트이므로, 물체까지 총 왕복 거리는 3.96피트이다. 센서에서 물체까지 거리는 비행 시간의 1/2 또는 1.98피트이다.

MatBotix Inc.의 MB1634-000은 측정 범위가 5m(16.4피트)인 초음파 근접센서이다. 이 센서는 2.5V ~ 5.5V의 전원이 필요하다. 42kHz 주파수에서 작동하는 이 센서는 대상까지 거리를 아날로그 전압, 펄스 폭 또는 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리) 직렬 데이터 스트림으로 출력한다. 또한 1입방인치(22.23mm x 38.05mm x 14.73mm(0.875인치 x 1.498인치 x 0.58인치)) 미만의 단일 패키지에서 대상 크기 변화, 작동 전압 및 내부 온도(선택적으로 외부 온도 보정)를 모두 보정한다(그림 7).

그림 7: MB1634-000은 송/수신 트랜스듀서가 실장된 5m 범위 초음파 거리 측정기 조립품이다. (이미지 출처: MaxBotix Inc.)

정전 용량 방식 근접센서

정전 용량 방식 근접 센서는 파우더, 낱알, 액체 및 고체에서 금속 및 비속금 대상을 감지할 수 있다. 좋은 예로 Carlo Gavazzi의 CD50CNF06NO가 있다(그림 8). 이 장치는 유도 센서의 감지 코일이 정전 용량 방식 감지 플레이트로 대체된 점만 제외하고 일반적으로 유도 센서와 비슷하다. 이 장치는 보관 탱크에서 액위를 감지하는 데 가장 널리 사용된다.

그림 8: 일반 정전 용량 방식 근접 센서(왼쪽)에서 커패시터는 커패시터 감지 플레이트와 외부 대상 물체로 구성되며, 정전 용량 값에 따라 발진기의 주파수가 결정된다. Carlo Gavazzi의 CD50CNF06NO(오른쪽)는 액위를 모니터링하기 위한 정전 용량 방식 근접센서이다. (이미지 출처: Art Pini)

커패시터는 센서의 감지 플레이트와 대상 물체로 구성되며, 물체까지 거리에 따라 정전 용량이 달라진다. 감지 대상의 정전 용량에 따라 발진기의 주파수가 결정됩니다. 임계 주파수에 도달할 때마다 출력 상태를 전환하기 위해 감지 대상 정전 용량을 모니터링한다.

CD50CNF06N0은 액위를 모니터링하는 데 사용된다. 이 센서는 평상시 열림 모드에서 구성된 개방형 콜렉터 NPN 트랜지스터가 실장된 3선식 센서이다. 이 센서는 10V DC ~ 30V DC의 전원 공급 장치가 필요하다. 이 센서는 50mm x 30mm x 7mm(1.97인치 x 1.18인치 x 0.28인치) 패키지로 제공되며 감지 범위는 6mm(0.24인치)이다. 평준위 감지 응용 분야에서 이 센서는 비금속 탱크 외부에 나사 또는 접착제로 고정된다.

참고자료

• 〈근접 센서〉, 《위키백과》
• 〈근접 센서〉, 《용어해설》
• Art Pini, 〈근접 센서 기본 사항: 산업 자동화에서 근접 센서 선택 및 사용〉, DigiKey, 2021-04-21
• 한국미스미, 〈근접센서의 원리와 오토닉스 근접센서 상품 추천〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-05

같이 보기

• 센서
• 전자기장
• 전자기파
• 커패시터

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