센서의 종류와 특성

센서의 종류와 특성

1. 센서란?

외부에서 발생하는 여러가지 신호와 정보를 알아내는 장치.

열, 빛, 온도, 압력, 소리 등 물리적인 양이나 그 변화를 감지하거나 구분 및 계측하여 일정한 신호로 알려주는 부품이나 기구.

ex)우리 몸의 감각 기관

기관	감각	대상의 신호	센서
눈	시각	눈으로 들어오는 빛	광 센서
코	후각	코로들어오는 기체상태의 화학물질	가스 센서
혀	미각	입안으로 들어온 액체상태의 화학물질	이온 센서
귀	청각 평형감각	귀로 들어온 공기의 진동	소리 센서 가속도 센서
피부	촉각	압력또는 온도변화	압력 센서 온도 센서

<표1> 사람의 오감과 센서의 대응 관계 

2. 센서의 종류

1 화학센서

특정한 화학물질을 감지 ex) 화제경보기(연기입자)

2 압력센서

단위면적에 작용하는 힘, 회전력, 물체의 무게 등을 측정할 수 있는 장치 ex) 터치스크린

원리 : 반도체에 압력이 가해졌을 때 저항이 변하는 원리를 이용

3 온도센서

센서의 금속이나 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 성질을 이용한 것 ex) 가전제품의 온도조절장치, 공항의 열화상장치

원리 : 열전기상이라는 현상이 있다. 이것은 서로다른 두 금속을 맞붙여놓고 가운데를 가열하면 두금속의 양쪽끝에 전압이 형성이 된다. 여기서 전압이 얼마나 크게 형성되느냐에 따라 열애너지의 온도가 얼마나 높으냐를 판단할 수 있다.

4  광센서

빛에 담긴 신호를 전기 신호로 바꾸어 주는 것 ex) 건물의 자동문, 방범장치, 리모컨 등

원리 : 광전효과라는 현상이 있다. 어떤 금속위에 빛이 들어 올때 금속 표면에서 전자가 튀어나오게 되는데 이러한 현상을 광전 효과라고 이야기한다. 빛을 받을 금속과 전자를 받아들이는 장치를 만들어 놓고 전류계를 연결해 두었다고 가정해보자. 이상태에서 빛이 들어오지 않으면 전자가 튀어나오지 않으므로 위의 가정한 회로에는 전류가 흐르는 현상이 일어나지 않을 것이다. 반대로 빛이 들어오면 전류가 흐를것이다.

5 소리센서

물체의 진동을 전기신호로 변환시켜 소리를 감지하는 센서 ex) 마이크, 녹음기, 어군 탐지기

원리 : 전자기유도를 이용한다. 이것은 전류가 자기장 변화에 의해서 유도된다라는 것이다. 예를들어 자석에는 N극과 S극이 있다. 이때 자석의 움직임의 경로에 코일이 있다고 가정을 해보자. 자석이 코일의 근처고 다가가게 되면 이 코일의 내부를 지나가게 되는 자기력선의 수에 변화가 일어나고 이코일은 그 자기력선의 변화를 방해하는 방향으로 전류를 만들게 된다. 자석이 다가오거나 멀어지게 되면 전류가 만들어지게 되는 현상이 생기는데 이러한 현상을 '전자기 유도' 라고 한다. 이상황에서 만약 자석의 뒷쪽에 울림판을 달았다고 생각을 해보면 외부에서 울림판의 방향으로 소리가 들어오면 자석이 소리의 진동으로 인해 앞뒤로 떨릴 것이란것을 예상할 수 있다. 그러면 자석이 코일 근처에서 움직이게 되고 결과적으로 코일에서는 소리에 떨림에 따라서 전류가 만들어져 나오는 것이다. 그 전류를 측정하여 소리가 들어왔는지 아닌지를 체크하는 것이 바로 소리센서 이다.

6 전자기센서

전류가 흐르는 도선은 자기장을 만들고 자기장의 변화는 코일의 전류를 흐르게 하는 원리를 이용한 센서 ex) 도난방지 시스템, 금속탐지기

3. 아두이노 X 센서

<입력장치>-각종 센서 및 버튼 종류

1. 초음파 거리 센서 모듈

- 초음파를 이용하여 물체까지의 거리를 감지하는 센서

​- 가까워지고 멀어지는 거리(3cm - 4m)를 알 수 있음 - 자동차 후방감지

2. 적외선 장애물 감지 센서 모듈

- 적외선 송신부와 수신부가 함께 달려 있어, 앞에 장애물에 의해 적외선이 반사되면 알려줌

3. 적외선 인체감지 센서 모듈

- 인체에서 나오는 적외선을 감지

​- 깜깜한 밤에도 사람이 5m 정도 가까이 왔는지 알아냄

4. 가속도 센서 모듈

- x,y,z 축으로 얼만큼 가속되는지 감지

​- 어느방향으로 얼만큼 가속되는지 크기를 알아냄, 또는 어느방향으로 얼만큼 기울어 졌는지 크기를 알아냄

5. 온도 센서 모듈

- 온도측정

​- 온도(-55 - +125도)의 크기를 알 수 있음

6. 진동 센서 모듈

- 물체의 움직임이나 진동을 감지

- 터치, 진동, 충격등의 물리적인 움직임을 감지

7. 자기 센서 모듈

- 자기장의 세기를 감지

- 자기장의 세기에 따라 전압이 변함 유량 및 유속감지, 자동차 속도 측정

8. RGB SMD LED 모듈

- 빛의 색깔을 감지 하는 센서

9. 포토 인터럽트 모듈

- 사이를 물체가 지나갔는지 감지

​- 출발신호

10. 디지털 온도 습도 센서 모듈

- 온도와 습도 측정

​- 습도 측정 범위 20-90%, 온도 측정범위 0-50도

11. 기울기 센서 모듈

- 기울어짐 또는 어느쪽으로 기울어졌는지를 감지

12. 조도 센서 모듈

- 빛의 밝기를 감지하는 센서

​- 빛이 얼마나 밝은지 어두운지를 크기로 알아냄

13. 소형 리드 스위치 모듈

- 자석이 가까이 있는지를 감지해서 on/off

14. 적외선 리모트 컨트롤 모듈

- 적외선 빛이 도달했는지를 감지

15. 불꽃 감지 센서 모듈

- 불꽃에서 발생하는 적외선 파장을 감지

16. 노크 센서 모듈

- 플라스틱 케이스 안의 금속이 진동 및 충격을 감지

17. 사운드 센서 모듈

- 외부에서 발생하는 소리의 크기를 감지

- 소음경보기

18. 심박 센서 모듈

- 손가락을 대면 심장 박동수를 측정

19. 무게 센서 모듈

- 올려 놓은 물체의 무게를 측정

20. 기압계 모듈 센서

- 압력을 감지

​- 고도계로도 사용

21. 가스, 알콜, LPG, 일산화탄소, 수소, CO가스 센서

- 종류별로 각각 위에 열거된 기체나, 가스를 감지

22. 토양 습도 센서

- 화분이나 토양의 습도를 측정하는 센서

23. 휨센서

- 구부러짐을 감지하는 휨센서입니다. 휨의 정도를 측정

24. 물센서, 수위센서

- 물이 접촉했는지 감지

- 수위조절

25. 광학먼지센서

- 담배연기 같은 공기중의 미세 분진을 측정

26. 압력센서

- 누르는 힘의강도를 측정할 수 있는 센서

27. 전도성 고무줄 또는 플라스틱

- 고무줄이 늘어나는 것을 감지

28. 음성인식센서

- 간단한 영어 명령을 인식할 수 있음

29. GPS 수신기

- GPS를 이용하여 현재 위치 파악

30. 터치 센서 모듈

- 손으로 살짝만 터치해도 on/off

31. 위치감지센서

- 눌린 위치를 감지할 수 있는 센서

​- 피아노

32. 지문인식 센서

- 사용자의 지문을 인식하는 센서

33. 로터리 인코더 모듈

- 로터리가 얼만큼 회전했는지를 측정

34. 전류 측정 센서

- 흘러가는 전류 크기를 측정할 수 있는 센서

<출력장치>-동작할 수 있는 제품들

1. DC모터

- 회전속도를 조절할 수 있음

​- 예) 선풍기, 자동차바퀴, 로봇이동

2. 스텝모터

- 정확한 회전 각도를 조절할 수 있는 모터

​- 시계, 자동차 차단기

3. 스피커

- 원하는 소리 발생

4. 수중 펌프 모터

- 물을 퍼올릴 수 있는 펌프

​- 화분 물주기, 물이동

5. LED등

- LED 등을 켜거나 끌 수 있음

​- 실내등

6. 적외선 발광 모듈

- 적외선 빛을 발생시킴

7. 레이져 발광 모듈

- 레이저 빛을 발생시킴

8. RGB 컬러 LED 모듈

- LED 등을 이용하여 RGB 색을 섞어 원하는 모든색을 만들 수 있음

9. 수동 부저 모듈

- 소리 신호 알림장치

​- 큰 부저 소리(경고음)를 발생

10. 피에조 버저 모듈

- 원하는 음을 연주할 수 있음

​- 진동수를 설정해 주면 해당 진동수의 소리 발생

11. LED 체인

- 25개의 RGB LED가 연결되어 있어 순차적으로 또는 한꺼번에 다양한 색의 빛을 낼 수 있음

12. 아두이노 LCD 모듈

- 16*2 한글,알파벳, 숫자, 특수문자등을 화면에 보여줄 수 있음

​- 온도값

13. 5V 릴레이 모듈

- 아두이노에서 신호를 주어 220V 전자장비의 전원을 on/off 가능

​- 모든 가전제품 전원제어

14. 가전제품

센서의 종류와 특성

센서는 감지기능입니다. 같은 적외선과 초음파라 할찌라도 용도와 목적에 따라 응용방법이 아주 다양함니다.

지하철의 경우 PSD(스크린도어, 승강장안전문)에 센서가 부착되어 있어 스크린도어에 물체나 사람이 끼면 저절로 열리게 되어 있습니다.

참고로 서울도시철도 5,6,7,8호선은 스크린도어가 닫히지 않으면 열차가 출발하지 못하도록 프로그래밍이 되어 있습니다.

1.적외선 센서
적외선 센서는 일상 생활에서 널리 쓰이고 있는 센서 중의 하나로, 자동문의 개폐 장치, 전자식 감응 드라이어, 리모컨, 버스 출입문 등 주로 사람이나 물체의 접근 또는 통과 등을 검출하는 데 쓰인다. 최근에 마이크로마우스를 구성하는 데 있어 초음파 센서와 더불어 가장 많이 쓰이는 센서 중의 하나이다.
적외선 센서는 크게 두 가지로 분류할 수 있으며 초전형과 양자형으로 분류된다.

초전형은 PZT계와 LiTa03계가 있으며, 후자의 양자형에는 기전력 타입(InAs, InSb)과 도전 타입(HgCdTe)이 있다. 또한 주요 메이커로는 초전형의 PZT계에서는 무라다, 호리바, 하마마쯔, 포토닉스 등이 있다.

한쪽에서는 강한 적외선을 발사하는 LED가 있고 또 다른 한쪽에는 그 적외선을 받는 적외센서인 포토TR이 있는데 평소에는 센서가 빛을 받아on 되어 있지만 그 사이에 어떤 물체가 있으며 센서가 적외선이 막히므로 OFF되어 물체의 유무를 감지할수 있다.
스스로 적외선을 복사하여 빛이 차단됨으로써 변화를 검지하는 능동식과, 자체에는 발광기를 가지지 않고 외계로부터 받는 적외선의 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 적외선이란 전자기파 스펙트럼 중 가시광선의 적색광보다 길고 마이크로파보다 짧은 파장, 즉 파장 0.75μm∼1mm의 복사선을 가리킨다. 이것을 사용함으로써 종래의 온도센서·자외선센서보다 감도·정확도가 향상된다. 방범·화재검지 등에 널리 쓰이고 그 밖에 의료용 서모그래피, 동식물의 생태관찰 등 응용범위가 넓다.
가)발수광방식:근거리용으로서, 사물의 유무.근접.이동등을 감식하기 위한목적.
발광소자와 수광소자를 함게수용하고 발광소자에서 발사한 빔이 앞에 장애물이 있을경우 반사되어 들어오는 빔의양을 분석해서 유무를 판단하는방법

나)반사판이용 방법:가)의 방법과 기본원리는 같으나 통달거리가 보다길고 반대동작을 함니다 즉 가)는 없던빔이 생길때 동작하고 나)는 있던빔이 없어질때 동작함니다

다)송수 분리방식:송신과 수신이 서로마주보고 있으므로 통달거리가 가장 길고 빔의 차단을 감지하는 목적으로사용합나다(산업용은 1,000m용도 있음)
라)변조에의한 통신방법:작게는 TV 리모콘과 같이 1조의 송수빔속에 Data를 실어서 다양한 메세지를 보내는 방식

위에 열거한 기본기능을 가지고 사무자동화. 공장자동화. 마캣에서 상품자동이송등에 응용되고 사용장소가 실내냐,실외냐에 따라 설계가 달라집니다
적외선 감지 장치를 구성할 때는 원하는 기능에 따라 다양한 방법으로 구성이 가능하다. 일반적으로 널리 쓰이는 리모컨의 경우 발광부에는 지향 특성이 강한 적외선 LED를 사용하고, 수광부에는 파장 감도가 갖춰진 지향 감도가 강한 포토트랜지스터를 조합해서 사용한다.

2.초음파방식
센싱하고자 하는 물체에 대하여 둘다 모두 같은 방향으로 한쪽에서는 초음파 스피커로 초음파를 발사하고 또 다른 한쪽에서는 초음파를 받는 초음파마이크로폰이 있는 구조이다.
스피커에서 발사된 초음파가 물체에 부디쳐서 되돌아 올때 그 되돌아온 초음파가 원래의 신호보다 얼마나 지연되었는지 또는 얼마나 약하게 되었는지를 검사하므로 해서 물체의 위치나 크기혹은 그 물체의 초음파에 대한 반사율을 알수 있으므로 물체의 종류도 대충 알수 있다.

여러 방법에의한 여러용도가 있지만 [실용적]으로 쓰이는 것은 가)거리측정 나)이동물체의 유무 다)장애물의 유무 정도이다.
의류용, 원격 탐사용,초음파 현미경,초음파 탐지기.충격음파용(군사용).로봇에 사용한다.

3. 광전형 센서
한마디로 빛을 이용하는 센서를 말하는 것입니다.
빛의 종류엔 여러가지가 있습니다. 가시광선,적외선,X-선 등등..
이중에서 산업용으로 가장 많이 사용되는 것은 적외선으로 센서에도 적외선이 가장 많이 이용됩니다.
적외선의 장점은 무엇보다 투과율이 높아 이물질에 의한 오동작이 적기때문에 신뢰성이 높죠.
이런 적외선-광전형 센서는 크게 직접반사형, 투과형, 미러(거울)반사형, 광화어버형..등으로 분류됩니다.
직접반사형은 물체에 적외선을 직접 쏜 후 그 물체에서 반사되는 적외선을 수광부에서 수신하여 값을 검출합니다.

투과형은 적외선을 쏘는 투광부와 수광부사이에 어떤 물체로 인해 적외선이 차단되는 것을 감지합니다.
보안제품등에서 많이 들어보셨을 겁니다.
미러반사형은 투과형과 비슷한데, 센서의 투광부와 수광부가 위치가 같고 반대편에 반사판 거울을 설치하여 반사된 적외선을 감지하는 것입니다.
광화이버형 센서는 광화이버 케이블을 이용하여 아주 작은 물체도 측정이 가능하며 육안이 닿지않는 매우 협소한 장소에도 마음대로 구부려서 설치가 가능합니다.

4.직선위치인식센서
어떤 물체가 직선위를 움직이고 있을때 이물체가 어느위치에 있는지 알수 있는 센서 인데 이것은 기구적 구조로서 직선판에 일정간격으로 구멍이 뚤리거나 마크가 되어 있다. 이 마크의 갯수를 적외선 센서나 자기센서로 읽으면 위치를 판독할수 있다.

5.온도센서
말 그대로 온도를 검출하는 센서이다. 통상 RTD, 썬머 카플 등으로 나눌 수 있다.
모양은 측정위치와 공간을 고려하여 선택하는 것이 좋겠다.
써미스터는 온도가 올라가면 저항이 변하는데 이저항의 변화로 그에 상응한 온도를 알수 있다.자동차에 사용되는 온도센서는 매우 다양하며 적용하는 범위 또한 넓다.
온도 센서의 종류를 알아보면 다음과 같다. 
권선 저항형 센서, 서미스터, 광역 저항 센서, 반도체 다이오드 센서, 메달코어형 센서, 열전대 등이 있으나 현재 자동차에 가장 많이 사용되고 있는 것이 서미스터이다.

가) 권선저항형 센서
이 센서는 절연체 보빈(bobbin: 코일 감는 통)에 고순도 니켈선을 감아서 형상을 제작하고 그위에 적당한 보호피막을 덮어서 만든다. 냉각수 온도나 흡기온도 감지용으로 사용되며 온도에 의한 저항값이 변화하는 성질을 이용한 것이며 정밀도는 ±1.0% 이내이고 응답성이 불량하며 시정수는 15초 정도이다.

나) 광역 저항 센서
이 센서는 실리콘(Si) 반도체를 음극으로 하고 전압을 가햐였을 때 발생하는 저항의 온도 변화를 이용한 센서이며 생산 원가가 저렴하다. 수지몰드형의 경우 응답속도는 공기 중에서 5초 정도이고 온도계수는 0.72%/ ℃ 정도이다.

다) 메탈 코어형 센서
이 센서는 IC에 사용되는 메탈코어 기반을 이용한 것으로 기반 위에 자기를 도포시켜 홀소자로 만들고 그 표면에 니켈(Ni) 등 저항체를 넣어 형성한다. 저항값은 1㏀ 정도이며 열전도와 응답성이 좋다.

라)반도체 트랜지스터 센서
이 센서는 정전류를 순방향 바이어스된 실리콘 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이의 전압의 온도 변화를 이용환 것이다.
서미스터는 온도에 따라 저항값이 달라지는것으로 일정온도에 따라서 저항값에 의해 현재의 온도를 알수 있도록 되어 있으며 자동차 엔진의 수온센서에 적용하고 있다

마)온도감지를 하는 방법으로는 
1.일반 다이오드를 이용하는 방법
2.열전대쌍을 이용하는 방법
3.더어미스터등과 같은 온도반응소자를 이용하는 방법
4.온도감지 TR또는 IC를 이용하는 방법 등등..

6.자기센서
전자기유도현상에 의하여 전선에 발생하는 전류인 자기(磁氣)에너지를 검출·측정하며, 심자도(心磁圖)에서 취급하는 미약한 것에서부터 초전도에서 취급하는 강력한 것까지 대상으로 한다. 넓게는 자기헤드까지 포함하지만 좁은 뜻으로는 자기장의 영향으로 여러 가지 물성량(物性量)이 변화하는 효과를 이용하는 것을 말한다. 
반도체에 흐르는 전류에 대해 수직으로 자기장을 걸면 전압이 발생하는 홀효과(Hall effect)나, 자기장의 영향으로 전기저항이 증대하는 자기저항효과 등을 이용하는 것이다. 인듐안티몬 같은 금속간의 화합물은 이런 효과가 크다. 최근에는 조지프슨소자를 사용하여 고감도로 자기장을 측정하는 연구가 행해지고 있다. 
여러 종류가 있지만 홀소자, MR소자(자기저항효과소자), 서치코일(헤드)이 대표적이다. 테이프 리코더, VTR, 자기 디스크의 자기 헤드 등에 응용해 쓰고 있다 
반도체인 홀소자는 자력을 가하면 전기적 저항이 변하는데 이것으로 근처에 금속물체가 접근하는지 알수 있다.

7.레벨 센서
수위를 측정 하는데 이용 된다. 전극 봉, 리니어, 초음파, 수압식, 등 여러가지 형태가 있다.
분진의 쌓이는 높이를 감지하는 타입도 있다.

8.리니어 스케일
쉽게 거리를 재는 자로 보면 되겠다. 거리를 전기신호로 바꾸어 출력하는 센서이다.

9.토크 센서
물체의 비틀림을 검출하고자 할 때 사용된다. 시험설비에 많이 사용된다.

10.로드 셀
물체의 하중이나 인장을 검출하는데 이용된다.
통상 하중용은 별도로 있으나 인장용은 하중과 겸해 있는 경우가 많다. 용도는 압입 설비, 저울, 파괴 시험기등에 사용된다.

11.압력 센서
유체나 기체의 압력을 체크하여 아나로그 출력을 내어준다. 통상 전류나 전압으로 출력을 내어준다. 전류는 0~20mA 나 4~20mA 로 출력한다. 전압은 너무 많다. 사용자의 의도에 따라 전압 출력 값이 변화한다.

12.로터리 엔코더
모터의 회전 속도나 회전각, 이동거리를 추출하고자 할 때 사용한다.
엔코더의 용도는 로보트, NC 공작기계, X-Y Plotter, Type writer, Printer 등이있다. 앱설루트형, 인크리멘탈형 으로 분리할수 있다.

13.근접센서
근접 센서는 전자기 유도를 이용한 센서로 금속 물체를 비접촉 감지한다.
물이나 오일이 튀는 열악한 환경에서 사용하기에 좋다. 모양에 따라 나사형, 원통형, 말굽형, 각형으로 나눌 수 있고 그 외 여러 가지 형상들이 있다.

14.안전센서
포토 센서를 여러 개 직렬로 연결한 형태로 보면 된다. 주로 프레스 설비나 로보트가 설치되는 장비에 사람이 접근하였을 때 장비를 정지 시키거나 원대 복귀 시키는 용도로 사용한다.

15.화이버 센서
포토 센서와 동일하나 빛을 보내는 부위에 광케이블을 사용하는 것이 다르다
광케이블을 사용하므로 해서 투광부와 수광부의 크기가 작아져 비좁은 공간에 설치하기가 용이하다.단점은 감지 거리가 짧다는 것이다.

16.포토 센서
적외선 등의 빛을 이용하여 물체를 감지하는 센서이다. 사진의 좌측부터 투과형, 반사경 타입, 직접 반사형으로 분류한다.
*투과형 : 투광부와 수광부가 분리되어 있어 그 사이로 물체를 감지한다.
*반사경 타입 : 투광부와 수광부가 공존하며 반사경을 통해 물체를 감지한다.
*직접 반사형 : 빛이 물체를 맞고 돌아오는 양을 검출하여 물체를 확인한다.