변위 센서란 무엇인가?

변위 센서는 다양한 소자를 통해 변위량을 감지하고 이를 거리로 변환하여 센서와 물체 사이의 거리를 측정하는 장치입니다. 사용하는 소자에 따라 광학 변위 센서, 선형 근접 센서, 초음파 변위 센서 등 여러 유형의 센서가 있습니다.

측정 센서란 무엇인가?

측정 센서는 물체에 넓은 레이저 빔이 조사될 때 발생하는 빛의 양의 변화를 전기 신호로 변환하여 물체의 크기를 측정하는 장치입니다.

특징

1. 물체의 물리적 양을 측정할 수 있습니다.

변위 센서는 물리량의 변화(변위)를 측정하고 감지합니다.
센서는 물체의 변위량을 측정하여 높이, 너비, 두께를 측정할 수 있습니다.
측정 센서는 물체의 위치와 크기를 측정합니다.

2. ON/OFF 신호 출력 외에 물리량 출력도 가능합니다.

물리량의 아날로그 출력(전류 출력 또는 전압 출력)도 가능합니다(일부 모델 제외).
일부 모델은 디지털(직렬) 통신도 지원합니다.

작동 원리 및 분류

변위 센서

1. 광학 변위 센서

삼각 측량 측정 방법

이러한 센서는 삼각 측량 측정 시스템을 사용합니다.
일부 센서는 PSD를 사용하고, 다른 센서는 수광 소자로 이미징 장치(CCD 및 CMOS)를 사용합니다.

• PSD 방법

광원에서 나온 빛은 렌즈에 의해 집광되어 물체로 향합니다.
물체에서 반사된 빛은 수광 렌즈에 의해 1차원 위치 감지 장치(PSD)*에 집광됩니다. 물체의 위치(측정 장치까지의 거리)가 변하면 PSD의 결상 위치가 달라지고 두 PSD 출력의 균형도 변합니다. 두
출력이 A와 B인 경우, A/(A + B)를 계산하고 아래와 같이 스팬 계수 "k"와 오프셋 "C"에 적절한 값을 사용합니다.

* PSD: 위치 감지 장치

• 이미징 소자 방식(CCD 방식 및 CMOS 방식)

PSD 방식을 사용하는 센서와 비교했을 때, CMOS(CCD)를 수광 소자로 사용하는 센서는 물체 표면의 색상이나 질감에 영향을 받지 않고 더욱 정확한 변위 측정을 제공합니다.
센서는 CMOS(CCD)의 각 픽셀에 도달하는 빛의 양을 감지하고, 물체 표면에서 반사되는 스팟 빔이 수광 소자에 투사될 때 이를 거리로 변환합니다.

CMOS와 CCD의 차이점
CCD는 Charge Coupled Device의 약자이고, CMOS는 Complementary Metal Oxide Semiconductor의 약자입니다.

• 정규 반사 모델 및 확산 반사 모델

규칙적인 반사

거울 표면이나 광택이 나는 물체의 경우와 같이 거울 반사가 발생합니다.

확산 반사

빔은 표준 표면을 가진 물체에서 모든 방향으로 반사됩니다.

정규 반사 모델

물체에서 나오는 빛은 규칙적인 반사에 의해 직접 수신되며, 금속이나 광택이 나는 표면을 가진 물체의 경우 안정된 측정이 가능합니다.

확산 반사 모델

물체 표면에 수직으로 빛을 투사하고, 반사되어 돌아오는 확산광을 넓은 측정 영역에서 수신합니다.

정반사 센서 헤드는 물체에서 규칙적으로 반사되는 빛을 직접 받습니다. 금속이나 광택이 있는 재질의 물체는 안정적인 측정이 가능하지만, 확산 반사 센서보다 측정 범위가 좁습니다.
확산 반사 센서는 센서 헤드를 기울여 정반사광을 받습니다. 따라서 센서 헤드를 물체로부터 멀리 떨어진 곳에 배치할 수 있습니다.

• 라인 빔 및 스포트 빔

라인 빔 모델

이 모델은 라인 빔 내의 평균 변위를 측정합니다. 측정 조건에 따라 물체 표면의 요철이나 요철에 영향을 받지 않고 안정적인 측정 결과를 제공합니다.

스팟 빔 모델

이 모델은 물체 표면의 요철이나 고르지 못한 부분의 영향을 더 많이 받습니다.

공초점 원리

공초점 원리에 따라, 방출되는 빛과 수광되는 빛은 동일한 축을 따라 위치합니다. 빛은 측정 대상에 초점이 맞춰졌을 때만 수광되므로 높이를 계산할 수 있습니다.
수광 파형은 측정 대상의 재질이나 경사도에 의해 방해받지 않습니다. 수광 파형은 항상 안정적이어서 고해상도 측정이 가능합니다.

•백색광 공초점 원리

센서 헤드의 OCFL 모듈에 있는 특수 렌즈 세트로 인해 LED에서 나오는 백색광은 각 색상(즉, 파장)에 대해 다른 지점에 초점이 맞춰집니다. 결과적으로 측정 대상에 초점이 맞춰진 빛의 색상만 반환되므로 반사된 빛의 색상을 기반으로 센서 헤드에서 측정 대상까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 센서 헤드에는 백색광을 여러 색상으로 분리하는 특수 렌즈 세트가 들어 있고 컨트롤러에는 백색 LED 광원과 반사된 빛의 색상을 거리로 변환하는 분광기 및 프로세서가 들어 있습니다. 이전 공초점 모델에서는 표준으로 간주되었지만 센서 헤드에는 렌즈 구동 메커니즘이나 전자 부품이 필요하지 않습니다. 이를 통해 삼각 측량 모델이나 이전 공초점 모델보다 훨씬 더 컴팩트한 디자인과 훨씬 더 큰 노이즈 내성을 얻을 수 있습니다.

높이는 파장을 기반으로 감지됩니다.
측정 대상 표면에 집속된 파장의 반사광이 파이버를 통과하면 컨트롤러에 있는 분광기가 파장을 거리로 변환합니다.

OCFL 모듈에는 OMRON에서 개발한 특수 렌즈 세트가 포함되어 있으며, 이 렌즈는 백색광의 각 색상(즉, 파장)에 따라 초점을 변경합니다. 측정 범위 내 모든 위치에서 스팟 직경은 동일합니다. 삼각 측량과 같은 방식으로 변하지 않습니다. 고정밀 렌즈 제조 기술을 통해 매우 작고 구동 메커니즘이 필요 없는 렌즈 구조를 구현할 수 있었습니다.

참고: OCFL: Omron Chromatic Focus Lens

광절단 방식

넓게 퍼진 레이저 빔을 측정 대상에 투사하여 단면 형상을 측정합니다.
띠 모양의 레이저 빔을 측정 대상에 투사하고, 반사된 레이저 빔을 CCD에 수신합니다. 삼각 거리 측정 원리를 이용하여 측정 대상의 형상 프로파일을 형성합니다.
X축과 Z축의 2차원 데이터를 동시에 측정하므로 센서나 측정 대상을 이동할 필요가 없습니다.

2. 선형 근접 센서

교류 전류가 코일을 통과할 때 코일에 자속이 발생합니다. 자속이 금속 물체를 통과하면 와전류가 발생하고, 이 와전류는 전류의 변화를 방해하는 자기장을 생성합니다. 결과적으로 코일의 인덕턴스가 변합니다. 코일에서 물체까지의 거리 사이의 함수는 인덕턴스의 변화를 이용하여 정의되며, 이를 통해 변위 거리를 계산할 수 있습니다.

금속 물체와 센서 헤드 사이의 거리가 가까워질수록 와전류가 증가하고 발진 회로의 발진 진폭은 감소합니다.
반대로, 금속 물체와 센서 헤드 사이의 거리가 멀어질수록 와전류가 감소하고 발진 회로의 발진 진폭은 증가합니다.
발진 회로의 발진 진폭은 금속 물체의 위치에 따라 달라지므로, 이러한 발진 진폭 변화를 감지하여 측정합니다.

3. 초음파 변위 센서

송신기는 물체에 초음파를 발사하고, 수신기는 물체에서 반사되는 초음파를 수신합니다. 이러한 유형의 센서는 초음파를 송수신하는 데 걸리는 시간과 소리의 속도 사이의 관계를 계산하여 거리를 측정합니다.

4. 접촉 변위 센서

이 유형의 센서는 측정 대상을 센서에 직접 접촉시켜 변위를 측정합니다.
비접촉 센서에 비해 뛰어난 측정 정밀도를 제공합니다.

차동 변압기 방식

센서 헤드가 물체에 닿으면 움직이는 코어를 누르고 코어의 중심이 코일 중심에서 멀어지면서 간격이 생깁니다. 연결된 두 코일의 양쪽 끝에 교류 전류가 흐르면, 코일 중심과 코어 중심 사이의 간격에 따라 두 코일의 임피던스가 변합니다. 이 간격(변위)은 코일의 차전압으로 선형적으로 출력되므로, 이 차전압을 감지하여 물체의 변위를 결정할 수 있습니다.

대표 모델: ZX-T

자기 감지 방법

센서 헤드가 물체에 닿으면, 센서 내부에 미세한 간격으로 N극과 S극이 번갈아 배치된 자기 눈금이 움직입니다.
이때 발생하는 자속의 변화를 자기 저항 센서가 감지하여 변위를 측정합니다.

대표 모델: E9NC-T

측정 센서

광학 측정 센서

물체의 너비나 위치를 측정하는 측정 센서는 광도 측정, 이미징 장치, 레이저 스캐닝의 세 가지 방법 중 하나를 사용합니다.
모든 유형의 측정 센서는 발신기와 수신기로 구성됩니다.