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점유센서
점유센서(occupancy sensor)는 미리 설정된 특정 위치에 사람이나 물체의 존재 유무를 검출하는 센서이다. 적외선 기반 이동 현상 검출과는 달리 정지, 이동 어느 상황에 관계 없이 신호를 발생시킨다.
점유센서의 주요 기능은 공간에 사람이 존재하는지를 결정하는 것이다. 사람이 있으면 점등하고, 반대이면 소등하게 된다. 모션 검출, 객체 추적 등의 방법이 있다. 또 사람의 컬러정보를 이용하여 입실하는 사람들의 정보를 저장하고, 퇴실하면 저장된 컬러정보와 비교하여 퇴실하는 사람을 인식하는 기법도 있다.
점유센서의 분류
크게 점유센서느 접촉식과 비접촉식으로 분류할 수 있다. 크게 접촉식에는 마이크로 스위치, 리미트 스위치 등이 있으며, 비접촉식에는 광전센서 및 근접센서로 나뉠 수 있다. 여기서 주목해야 할 것은 일반적으로 근접센서를 점유센서의 하위 분류로 넣는다는 것이다.
근접센서는 우리가 검출하고자 하는 대상과 센싱 요소 사이에 물리적 접촉 없이 물체의 존재를 검출하는 것을 의미한다. 여기서 물체와 센서 사이의 거리에 비례하는 신호 출력하는 것이 아니라, 출력을 턴온 턴오프 하는 것이다. 이러한 의미에서 근접센서를 흔히 근접 스위치라고 부르기도 한다.
여기서 광전센서는 빛을 이용해 물체 존재 유무를 검출하는 점유센서로, 공장 자동화에서 아주 광범위하게 활용되고 있는 것입니다. 근접센서는 광전센서에 비해 짧지만(일반적으로 광이 멀리 쏘도라도 먼지, 기름같이 가리는 게 없으면 손실이 덜하기 때문이다.), 먼지나 기름입자 등과 같은 환경 인자의 영향을 훨씬 덜 받는다.
오른쪽의 그림은 점유 센서를 분류한 것이다. 다만 마이크로 스위치나 리미트 스위치는 사실 접촉하면 전류 on, 접촉안하면 off 이런식으로 간단하다. 다만, 일반적으로 접촉식의 경우가 기계적인 접촉 때문에 수명이 조금 짧다는 것이 단점이다.
아울러, 무접촉 센서 중 광전센서 계열 정도가 점유센서로 활용가능하며, 나머지는 근접센서로 주로 활용한다. 광에 비해선 전부 탐지거리가 짧기 때문이다.
광전센서
광전센서는 빛을 이용해 물체의 존재유무를 검출하는 점유센서이다. 이 광전센서 안에서도 여러 유형이 존재하는데, 이는 오른쪽 표와 같다.
- 투과식 광전센서(through-beam or opposed mode)
투과식 광전센서는 별도의 투광기(emitter or source)와 수광기(receiver or detector)를 마주보게 설치하고, 그 사이를 불투명한 물체가 통과할 때 일어나는 투과광량의 변화를 전기 신호로 변환해 물체의 유무나 위치 검출한다.
수광기에서 집광렌즈의 초점에 위치한 포토다이오드가 수광 에너지에 비례하는 전류를 발생시킬 것인데, 여기서 중요한 것 중 하나가 유효 검출 영역이다. 이것은 투광기와 수광기의 광학계 유효 직경에 의해 형성되는 원통 모양의 영역이다. 아무리 빛을 준다고 해도 집광 기능이 안 좋으면 안하느니만 못합니다. 따라서 송신부 및 수신부의 광축 조정 및 수광기의 감도 조정을 정확히 할 필요가 있다. 아울러 동작각(평행선에서 기울여 커버할 수 있는 각도)는 3~10도 정도 된다.
만약에 좁은 장소 또는 송/수신부 모두 달기에 조건이 열악하면, 검출 대상 물체가 작은 경우에 한해 광섬유를 사용해 검출할 수도 있다. 광섬유를 사용하는 경우에는 검출거리가 30mm~1m정도로 짧다.
광을 활용할 경우 멀리 보낼 수 있다고 했다. 따라서 일반적인 투과식 광전센서는 거리가 수mm에서 100m정도로 가장 긴 거리를 자랑한다. 단, 이를 위해선 광학계의 support가 정말로 필요하다. 긴 거리가 어려운 이유 중 하나로, 검출 거리가 10m 이상 되면 평행하게 정렬하는 것 자체가 어렵다는 것이다.
광은 조그만한 크기여도 막힐 수 있다. (특히 고주파 경우) 이 때는 작은 부품조차 검출할 수 있게 된다. 하지만, 물체 중엔 거의 감쇄 없이 통과가 가능한 것도 있기에 이에 대해선 제약이 따르게 된다.
- 반사식 광전센서 (rectroreflective or reflex)
반사식 광전센서에는 표준 반사식과 편광 방사식 등 두 종류가 있다.
표준 반사식은 투광기와 수광기를 하나의 케이스에 일체화한 본체의 반대쪽에 반사판을 설치하고 그 사이를 통과하는 물체에 의해 발생하는 투과 광량의 변화를 측정하여 물체를 검출한다. 광원으로는 주로 근적외선이 사용되는데 너무 파장을 짧게 하면 물체에서부터 감쇄되는게 커지기 때문이며 파장이 너무 길면 포토 다이오드 감도 특성이 나빠지게 되기 때문이다.
오른쪽의 빔을 보게 되면 중요한 것이 있다. 이는 입사광이 반사판에 투영되면, 바로 입사광과 평행하게 와야 한다는 것이다. 이는 매우 중요하다. 사선으로 가게 되면 모든 빛이 전부 다 돌아오지 않기 때문히다. 물론 거울 하나 두고 입사 빔을 거울 면에 정확하게 수직으로 하게 할 수도 있겠지만, 이것이 기술적으로 그리 쉬운 일은 아니며, 아울러 애초에 LED에서 빛을 한 방향으로만 쏘는 것도 아니기 때문에 이는 정말로 쉽지 않다. 따라서 보통은 코너 -큐브 프리즘이 촘촘하게 박힌 반사판을 쓴다. 이는 프리즘에 입사한 빔은 입사빔에 평행하게 다시 빗면을 통해서 나오게 하기 때문에 이에 적합하다.
- 편광 반사식
표준 반사식에는 언급하지 않은 치명적인 결함이 있다. 이는 바로 광택이 있는 물체 검출에 애로사항이 있다는 것이다. 왜냐하면 물체에 빛 닿자마자 빛을 반사하게 되고 그럼 광량 변화가 사실 그렇게 눈에 띄지 않게 되기 때문이다. 그럼 이를 어떻게 하느냐 하면, 빛의 편광 특성을 활용한다. 본체의 투광 측과 수광 측에 편광필터의 방향이 직교하도록 배치한다. 투광기 측에서 빛은 수직 방향으로, 수광기 측에는 수평방향으로 편광한다. 여기서 검출대상이 없으면 투광기 측에서 수직 방향으로 편파된 빛이 역반사판에 의해 역반사되면 평광이 변하여 수평방향 성분이 존재하고 이것이 편광필터를 통과하게 된다. 하지만, 광택이 있는 물체가 들어오게 되면 물체로부터 반사광은 수직편광방향을 그대로 유지하면서 들어가기 때문에 광량 차이가 발생하게 된다.
참고로, 해당 기법에서는 광원으로 적색 광원이 사용된다.
다만 편광 기법을 쓰게 되면 어느 정도 단점은 감수해야 한다. 편광을 발광 측에 씌었다는 것이 무엇을 의미하냐면 결국 보내는 광량을 줄인다는 것이다. 그렇다면 검출거리가 짧아지겠지요. 예를들어 표준형이 15m 까지 측정한다 하면, 편광식은 8m 내외라는 것이다.
- 확산식 광전 센서
위 도표 상에서는 반사식에 넣었만, 사실 반사판이나 그런 것들이 필요하지 않기 때문에 따로 설명한다다. 그림을 보면 알겠지만 ,반사판은 없고 물체가 지나갈 때만 발광부에서 나온 빛(주로 적외선)이 난반사되어 일부가 수광기가 검출하는 방식이 되겠다. 이 방식을 흔히 광전식 근접센서라고도 부르는데 초음파 근접센서와 원리가 유사하다.
- 배경 억제식 광전센서(background suppression)
공장에는 일반적으로 제한된 공간 안에 여러 사물이 존재한다. 그럼 내가 의도한 물체와 달리 다른 물체들에 반사되어 나온 놈들도 생각 안할 수 없다. (사실 이게 critical한 이슈이다.)
이를 부분적으로나마 해결하기 위해(절대로 이 기법이 모든 이슈를 일거에 없애주지 못한다.), 다음 그림과 같이 수광기 측에 두 개의 포토다이오드를 설치한다. 검출범위 밖에 있는 물체로부터 반사되는 빛은 포토 다이오드 1에 들어가고, 검출대상물체 2로부터 반사되는 빛은 포토다이오드 2에 입사된다. 만약 포토다이오드 2의 신호가 포토다이오드 1의 신호보다 더 크면, 측정대상 물체 2를 검출하게 된다.
만약 역으로 포토다이오드 2의 신호가 포토다이오드 1의 신호보다 더 크다면 물체 2는 검출이 안된. 하지만 이 역시 광택이 너무 많다거나, 투과성이 좋다거나, 물체가 특성이 너무 상이한 경우에는 상당히 어렵기 때문에 정말로 이러한 문제는 해결되기 어렵다.
점유 광전센서의 특징
검출거리가 일반적으로 길고, 응답속도가 빠르고, 분해능 높고, 자계 영향을 받지 않는 건 좋으나 물체의 특성에 영향 받거나, 먼지 , 오염에 약하고 , 주변에 강한 광, 인접한 물체의 영향이 강한 것은 극복해야 할 점이다.
점유 광전센서의 응용분야
참고자료
- Karl, 〈점유 근접 센서: 정의 /분류 , 광전식〉, 《네이버 블로그》, 2017-09-29
같이 보기
