초보자를 위한 위치 센서 가이드

1. 서론

본 문서는 엔지니어, 기술자 및 학생을 대상으로 하고 있으며, 특히 빠른 속도로 학습하기를 원하는 학생들과 위치 감지 및 위치 센서에 대한 기본적인 이해가 필요한 학생을 대상으로 합니다. 본 문서는 간결하게 작성하기 위해 노력하였으며, 완벽한 논문이라기 보다는 개요를 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

2.용어

엔지니어는 전문 용어를 좋아한다는 점에서 일반인과 쉽게 구분이 됩니다. 그러나, 전문 용어를 사용하는 경우 한 엔지니어링 분야의 유능한 기술자는 다른 분야의 엔지니어와 협업할 때 어려움을 겪을 수도 있습니다. 위치 감지도 이와 다르지 않습니다. 이와 같은 이유로 전문 용어를 먼저 명확하게 설명하고 시작하겠습니다.

먼저, 여러분은 엔코더, 트랜스미터, 검출기, 변환기 심지어 전송기라는 ‘센서’에 관련된 다양한 용어를 접하게 될 것입니다. 이 용어에는 몇 가지 차이점이 있지만, 사용되는 대부분의 의도와 목적을 보면 동일한 것을 지칭하는 용어라고 생각해도 좋습니다. 따라서, 일반적인 용어인 센서를 사용하겠습니다.

그러나, 혼란스럽게도 일부 센서(특히, 근접 센서)는 물체의 존재 유무를 판단하기 때문에 근접 스위치라고 합니다. 이것이 의미하는 바는 연속적으로 위치를 측정하기 보다는 단순히 숫자 또는 온/오프 출력을 발생한다는 것입니다. 이 문서에서는 스위치가 아닌 실제적 의미의 센서를 중심으로 다룰 것입니다. 즉, 측정 경로를 따라서 위치에 비례하는 신호(일반적으로 전기)를 생성하는 센서입니다.

또한, (선형 및 회전형) 위치를 의미하는 변위, 각도, 각위치, 회전형, 회전, 선형 등의 수많은 용어가 있습니다. 조금 전과 같이, 본 문서의 취지에 맞게 선형 및 각도 형상을 지칭하기 위해서 일반적인 용어인 ‘위치’를 사용하도록 하겠습니다.

3.위치 측정의 기초

여러분은 과거에 계측 이론에 대한 강의를 듣지 못하셨을 수도 있을 것입니다. 정확도, 해상도, 반복성 및 기타 다른 용어를 다루는 강의였을 것입니다. 현장에서 실제로 근무 중인 많은 엔지니어가 이런 내용을 잊어버렸거나 실제로 전혀 이해하지 못하고 있을 수도 있지만, 여러분이 회사에서 업무를 수행하는 데에는 그다지 문제가 없었을 것입니다. 계측에 적용된 용어와 매우 난해한 기술 개념은 혼란스럽습니다. 그럼에도 불구하고, 사용할 응용 분야에 맞는 올바른 위치 센서를 선택하는 것이 중요합니다. 선택을 잘못했다면 위치 센서 사용법에 대해 비용을 지불했을 것입니다. 반대로 선택했다면 제품 또는 제어 시스템은 중요한 성능이 결여될 수 있습니다.

우선 정의를 몇 가지 추가합니다.

• 센서의 정확도는 출력값이 정확한지 판단합니다.
• 센서의 해상도는 측정할 수 있는 위치에서 가장 작은 증가분 또는 감소분의 척도입니다.
• 센서의 정밀도는 반복 가능성의 수준을 의미합니다.
• 센서의 선형성은 센서의 출력과 측정한 실제 위치 사이의 차이를 의미합니다.

정확도와 정밀도 사이의 차이점을 이해하기 위해 표적을 향해 날아가는 화살을 비유하여 설명하겠습니다. 정확도는 화살이 표적 중앙에 얼마나 가까운지 나타냅니다.

그림 2 – 정확한 화살(왼쪽)과 정밀한 화살(오른쪽)

화살을 많이 쏘는 경우, 정밀도는 화살의 뭉치 크기와 같다고 볼 수 있습니다. 화살이 하나로 모여 있는 경우, 이 뭉치를 정밀하다고 합니다. 다른 표현으로는 반복 가능성이 높은 것입니다.

완벽한 선형 위치 센서 역시 완벽하게 정밀한 것입니다. 대부분의 응용 사례에서 선형성은 정확도와 동일하다고 간주해도 됩니다.

따라서, 어려운 점은 하나도 없습니다. 매번 아주 정확한 센서를 지정하기만 하면 됩니다. 정말 쉽지 않습니까? 불행히도 이러한 접근 방식에는 큰 문제가 있습니다. 첫째, 정확도가 높은 센서는 고가입니다. 둘째, 정확도가 높은 센서는 신중하게 설치할 필요할 수 있으며 진동, 차별화된 열팽창 또는 대개는 가격 때문에 실용적이지 않을 수 있습니다. 셋째, 정확도가 높은 센서 중 어떤 유형은 민감하기 때문에 열악한 환경에서는 오작동 또는 고장을 발생할 수 있습니다.

광학 전략은 더도 말고 덜도 말고 필요한 것을 명시하는 것입니다. 예를 들어, 산업용 유량계를 위한 위치 센서의 경우 선형성은 핵심적인 요구 사항이 아닙니다. 이는 유체의 유동 특성은 비선형일 가능성이 높기 때문입니다. 이보다는, 환경 조건 변화에 따른 반복성이 핵심적인 요구 사항일 수 있습니다. 해상도 및 반복성은 종종 많은 엔지니어링 실전 분야에서 선형성보다 중요하다는 점에 유의해야 합니다.

CNC 공작 기계를 예로 들면, 정확도와 정밀도는 핵심적인 요구 사항이 될 것입니다. 따라서, 오랜 기간 청결하지 않고 축축한 환경에 방치되어 유지관리가 없어도 보관된 변위 측정 장비가 높은 정확도(선형성), 해상도, 높은 반복성을 보여야 하는 것은 핵심적인 요구 사항입니다.

4. 위치 센서의 일반적인 유형

위치 센서는 최고 성능의 군용 방위 산업 분야로부터 저렴한 자동차 및 가전 제품에 이르기까지 다양한 산업 및 상용 분야에서 사용됩니다. 실제로, 위치 측정은 우리의 삶에서 온도 측정 다음으로 흔하게 측정해야 할 특성입니다.

그림 3 – 위치 센서는 군용 방위 분야에서 사용됩니다.

이제, 선택할 수 있는 위치 센서는 매우 다양하게 판매되고 있습니다. 그렇다면, 어떻게 올바른 센서를 선택할 수 있을까요? 이 섹션에서는 센서의 주요 유형과 각각의 장단점에 대해서 간략하게 설명합니다.

4.1 전위차계

비접촉 센서를 선호하는 경향이 있으나, 전위차계(Potentiometer, ‘Pot’)는 지금까지 가장 널리 사용되는 위치 센서입니다. 이 센서는 전기 접점이 저항을 지닌 궤도를 따라서 미끄러질 때 나타나는 전압 강하를 측정합니다. 즉, 위치는 전압 출력에 비례합니다. 전위차계는 회전형, 선형 또는 곡선형이 있으며 일반적으로 작고 가볍습니다. 간단한 장치라면 몇십 원 정도의 가격이며, 고정밀 제품이라면 20만원 이상의 비용이 들 수 있습니다. 선형성 0.01 % 미만이 필요한 경우에는 저항을 지닌 궤도를 레이저로 트리밍하면 가능합니다.

전위차계는 열악하지 않은 환경에서 엄격하지 않은 성능이 필요한 적당한 수준의 사용 강도에 맞는 분야에서 잘 작동합니다. 유감스럽게도, 전위차계는 마모에 취약합니다. 특히, 진동이 심한 환경이나 저항을 지닌 궤도에 마모를 일으키는 분진이나 모래와 같은 이물질이 있는 곳에서 그렇습니다. 품질이 더 좋은 장치는 사용 수명이 보다 길게 나타납니다. 하지만, 이때 진동의 영향을 무시하는 경우가 종종 있습니다.

4.2 광학 장치

광학 센서는 일반적으로 엔코더라고 호칭하며 위치 센서의 일반적인 형태 중 하나로서, 간단한 장치인 경우에는 수천 원부터 정밀한 장치라면 천만 원 이상의 가격까지 있습니다. 이들 장치의 기본 원리는 동일합니다. 격자를 관통하거나 격자 위에 광선을 조사합니다. 최종적으로 광선 검출기를 사용하여 광선을 측정하면 위치 신호가 생성됩니다.

그림 5 – 광학 디스크를 사용하여 각도를 측정하는 광학 센서

패키지 형태로 된 로터리 엔코더가 널리 사용되며, 대략 회전당 50-5,000카운트가 널리 사용되고 있으며, 열악하지 않은 적용 분야에서 잘 작동하는 것으로 입증되었습니다. 그러나, 내구성이 더욱 요구되는 환경이라면 렌즈 또는 격자 시스템이 먼지, 부스러기 또는 물과 같은 이물질에 의해서 방해를 받게 되어 측정에 실패합니다.

광학 센서를 선택할 때, 센서가 회전당 1,000회의 카운트라고 사양이 나와도, 1/1,000의 정확도를 의미하는 것은 아닙니다. 센서의 데이터 시트는 보다 신중하게 읽어야 합니다. 특히, 센서를 엄청나게 정확하게 장착해야 하며, 어떠한 오염물도 없어야 하는 엔코더 키트 또는 링 인코더인 경우에 그렇습니다.

만일, 엔코더에 유리 디스크가 내장되어 있다면, 그 장치는 충격에 취약하게 됩니다.

장점: 높은 해상도, 정밀하게 장착하는 경우 높은 정확도, 폭 넓은 가용성.
단점: 이물질, 사전 경고 없이 치명적인 수준의 고장 발생, 충격과 극단적인 온도에 취약.

4.3 자기력

자기 센서는 모두 비슷한 측정 원리를 사용합니다. 자석이 자기 검출기에 대해서 상대 운동을 하게 되면, 이에 비례하여 자기장도 상대적으로 변하게 됩니다. 일반적인 형태는 칩 모양으로 판매되는 홀 효과(Hall effect) 장치입니다. 이 제품은 중간 정도의 성능이 필요한 자동차 및 전기 모터 분야에서 사용합니다.

자기 센서는 이물질에 대해서 내성이 좋기 때문에 광학 장치에서 나타나는 수많은 단점을 극복합니다. 그럼에도 불구하고, 이 센서는 자기 이력 현상이 있으며 가동부와 고정부 사이에 정밀한 기계적 엔지니어링이 필요하기 때문에 높은 정확도가 필요한 분야에서는 거의 사용되지 않습니다. 모든 자기 센서의 데이터 시트는 장착 공차, 온도 계수 및 작동 온도에 대해서 신중하게 판독을 해야 합니다.

다른 추가적인 고려 사항으로는 자성 재료 또는 전기 케이블의 근접 특성입니다. 자석은 외부 입자에서 일부의 성분을 끌어 당길 수 있으며, 이는 시간이 지나면서 찌꺼기 또는 미립자로 누적되어 고장을 유발하게 됩니다. 현대의 NdFeB 자석은 매우 취약하여 열악한 조건에서는 잘 부서지기 때문에, 강한 충격이나 충돌이 예상되는 분야에서는 일반적으로 자기 센서를 거의 사용하지 않습니다.

장점: 내구성이 좋습니다. 대부분의 액체에는 사용하지 못합니다.
단점: 온도, 이력 현상, 정밀 기계 공학, 인근의 강철/DC 전원 및 열악한 충돌 및 충격 성능.

4.4 자기 왜곡형

이 센서는 몇 가지 재료에서 나타나는 ‘자기 왜곡(Magnetostriction)’이라는 비정상적인 현상을 이용합니다. 자석이 물질에 가깝게 가면, 물질을 따라서 에너지가 전달되고 반사됩니다. 펄스 에너지가 자기 왜곡형 소재의 조각(일반적으로 얇은 와이어나 띠 모양)을 따라서 이동한 후 다시 돌아 오는 데 소모되는 시간을 이용하여 위치를 측정할 수 있습니다.

4.5 용량성

커패시터는 전하를 누적하는 전기 소자입니다. 일반적으로, 절연체를 사용하여 분리한 2개의 전도성 도판 구조입니다. 커패시터가 저장할 수 있는 전하의 양은 도판의 크기, 중첩되는 비율, 절연재와 도판 사이에 있는 재료의 투자율에 따라서 달라집니다. 가장 간단한 형태의 용량성 위치 센서는 도판의 분리 상태를 측정합니다. 일반적으로 하중, 변형 및 압력 측정에의 경우에는 1mm 미만의 변위 범위에 대해 사용합니다.

다른 형태로는, 일련의 도판이 측정 축을 따라서 절단되거나 식각 가공된 회전식 또는 선형 위치 감지 방식으로도 사용됩니다. 다른 도판이 이 항목을 가로 질러서 이동함에 따라, 축을 따라가는 회로의 전하 수준이 변화하여 두 부분의 상대적인 위치가 표시됩니다. 용량성 위치 센서는 흔하지 않으며, 안전 관련 분야에서는 거의 사용되지 않습니다. 불행하게도, 도판의 중첩 등을 비롯하여 온도, 습도, 주변 재료 및 이물질에 따라서 축전 수준이 달라지기 때문에 안정적이며 정확도가 높은 위치 센서에서는 사용하지 않습니다.

저는 거의 30년 동안 센서, 자동화 및 전자 제품 분야의 작업을 해 왔습니다. 지금까지도, 용량성 위치 센서를 선택하여 만족해하는 설계 엔지니어를 만나고 있습니다. 용량형 센서는 숙련된 기술자로부터 평판이 좋지 않으며, 안전 관련 분야에서는 선택되지 않을 것입니다. 일부 제조사는 ‘용량성’이라는 용어를 사용하지 않고, 이를 대신하여 전하 저장, 전하 커플링 또는 전기 효과와 같은 대체 용어를 사용하여 문제를 어렵게 만듭니다. 이는 좋은 선택이 아닙니다. 높은 수준의 안정성과 실험적인 적용을 통해서 매우 정확하게 측정을 해야 하는 경우가 아니라면, 나타나는 많은 문제에 대한 해답은 사용하지 않는 것입니다.

장점: 소형, 전력 소비 낮음.
단점: 심각한 온도 및 습도 의존성, 이물질에 민감, 장착 조건이 까다롭다.

4.6 전통적인 유도형

전통적인 유도형 위치 센서는 유도 또는 변압기 원리로 작동하며, 100년 이상 사용되었습니다. 이 방식은 극한의 조건에서 안전하며 신뢰할 수 있는 작동 덕분에 탁월한 명성을 얻게 되어, 많은 안전 관련 분야에서 거의 자동으로 선택됩니다.

그림 8 – 전통적인 유도 센서는 안전성과 확실한 작동 덕분에 평판이 좋습니다.