센서? 그것이 알고 싶당..
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1. 센서에 관한 기초 지식
광, 온도, 자기 등의 검출대상별로 센서의 종류를 나누고, 그 응용 예를 나타낸다. 또한, 센서로부터의 출력이 디지털인지 아날로그인지, 또한 전압출력인지 전류출력인지 등으로 분류하여, 각각의 경우에 센서출력을 전기신호로 변환하는 방법에 대하여 설명한다. 센서소자의 사용방법으로서 잡음, 신뢰성 및 시스템으로의 조합에 대하여 간단히 현상적인 문제점과 그 대책에 대하여 기술한다. 또한, 센서를 접속한 전자회로 상호의 신호전송에 대하여 신호레벨과 송수신의 순서 및 그를 위한 규격을 소개한다.
광, 온도, 자기 등의 검출대상별로 센서의 종류를 나누고, 그 응용 예를 나타낸다. 또한, 센서로부터의 출력이 디지털인지 아날로그인지, 또한 전압출력인지 전류출력인지 등으로 분류하여, 각각의 경우에 센서출력을 전기신호로 변환하는 방법에 대하여 설명한다. 센서소자의 사용방법으로서 잡음, 신뢰성 및 시스템으로의 조합에 대하여 간단히 현상적인 문제점과 그 대책에 대하여 기술한다. 또한, 센서를 접속한 전자회로 상호의 신호전송에 대하여 신호레벨과 송수신의 순서 및 그를 위한 규격을 소개한다.
1.1 센서의 종류
인간의 오감을 나타내는 센서는 눈(시각), 귀(청각), 혀(미각), 코(후각), 피부(촉각)의 기관이다. 눈은 인간이 만든 센서에서는 광센서에 해당한다. 귀는 음향센서이다. 혀는 화학센서와 정보처리용 컴퓨터와 유사한 기능을 나타내는 것이 가능하다. 코는 감도가 높기 때문에 만들기가 곤란하지마, 화학센서와 컴퓨터의 조합으로 된다. 피부의 촉각기능은 압력센서로 대체할 수 있다. 다음에 주된 물리·화학적 상태와 그 센서 및 응용에를 표 1.1에 나타낸다.
인간의 오감을 나타내는 센서는 눈(시각), 귀(청각), 혀(미각), 코(후각), 피부(촉각)의 기관이다. 눈은 인간이 만든 센서에서는 광센서에 해당한다. 귀는 음향센서이다. 혀는 화학센서와 정보처리용 컴퓨터와 유사한 기능을 나타내는 것이 가능하다. 코는 감도가 높기 때문에 만들기가 곤란하지마, 화학센서와 컴퓨터의 조합으로 된다. 피부의 촉각기능은 압력센서로 대체할 수 있다. 다음에 주된 물리·화학적 상태와 그 센서 및 응용에를 표 1.1에 나타낸다.
1.2 센서의 출력
센서의 출력형태는 다양한 것이 있다. 그 중에서 센서로부터 출력된 전기량에 주목하면, 센서로부터의 출력형태는 표 1.2와 같이 분류된다. 예외로서, 모발습도센서와 같이 그 자체는 전기신호가 아니지만, 이 경우는 모발의 길이를 변위센서로 다시 한 번 전기신호로 변환하지 않으면 안 된다. 게다가 같은 전압출력에서도, 그것이 연속적인 것인지 순시적인 것인지에 의해 분류하는 것도 가능하다. 이들 출력의 차이에 의해 회로는 달라진다. 여기에서는 어떠한 주의가 필요한가를 기술하여 구체적인 회로 예를 뒤에서 기술한다.
센서의 출력형태는 다양한 것이 있다. 그 중에서 센서로부터 출력된 전기량에 주목하면, 센서로부터의 출력형태는 표 1.2와 같이 분류된다. 예외로서, 모발습도센서와 같이 그 자체는 전기신호가 아니지만, 이 경우는 모발의 길이를 변위센서로 다시 한 번 전기신호로 변환하지 않으면 안 된다. 게다가 같은 전압출력에서도, 그것이 연속적인 것인지 순시적인 것인지에 의해 분류하는 것도 가능하다. 이들 출력의 차이에 의해 회로는 달라진다. 여기에서는 어떠한 주의가 필요한가를 기술하여 구체적인 회로 예를 뒤에서 기술한다.
1.2.1 전압 변화의 검출
출력전압을 측정하기 위해 센서를 회로에 접속하면 센서로부터 전류가 흐른다. 그렇게 하면 센서의 출력전압은 변화한다. 예를 들어, 홀 소자나 일렉트레트 소자는 합이 크고, 적은 전류를 흘려도 출력전압은 크게 변화한다. 이와 같은 센서는 내부임피던스가 크기 때문에 회로측도 입력임피던스를 크게 할 필요가 있다. 이를 위해서는 FET를 입력부에 사용한다든지 또는 평형브릿지를 조성한다. 또한, 센서까지의 리드선이 긴 경우 안테나의 작용을 하여 잡음을 만들기 쉬워서, 동축 케이블을 사용하는 등의 대책이 필요하다. 센서의 전압출력이 직류에서 작은 것, 예를 들어 열전대 등은 회로 앞단의 옵셋과 드리프트를 작게 한다. 그를 위해서는 쵸퍼형 앰프나 자동영점보상회로가 유효하다. 또한, 접속부의 열기전력도 작게하는 배선이 필요하다. 센서의 어스(접지)와 회로의 어스가 일치하지 않는 경우, 예를 들어 인체를 측정대상으로 한 의용전기(ME)의 경우 등은입력에 차동증폭기를 이용하여 동상잡음(common mode·noise)를 제거한다.
출력전압을 측정하기 위해 센서를 회로에 접속하면 센서로부터 전류가 흐른다. 그렇게 하면 센서의 출력전압은 변화한다. 예를 들어, 홀 소자나 일렉트레트 소자는 합이 크고, 적은 전류를 흘려도 출력전압은 크게 변화한다. 이와 같은 센서는 내부임피던스가 크기 때문에 회로측도 입력임피던스를 크게 할 필요가 있다. 이를 위해서는 FET를 입력부에 사용한다든지 또는 평형브릿지를 조성한다. 또한, 센서까지의 리드선이 긴 경우 안테나의 작용을 하여 잡음을 만들기 쉬워서, 동축 케이블을 사용하는 등의 대책이 필요하다. 센서의 전압출력이 직류에서 작은 것, 예를 들어 열전대 등은 회로 앞단의 옵셋과 드리프트를 작게 한다. 그를 위해서는 쵸퍼형 앰프나 자동영점보상회로가 유효하다. 또한, 접속부의 열기전력도 작게하는 배선이 필요하다. 센서의 어스(접지)와 회로의 어스가 일치하지 않는 경우, 예를 들어 인체를 측정대상으로 한 의용전기(ME)의 경우 등은입력에 차동증폭기를 이용하여 동상잡음(common mode·noise)를 제거한다.
1.2.2. 전류 변화의 검출
포토 다이오드는 조명에 비례한 전류를 출력한다. 이와 같은 때에는 회로중에서는 전압신호 쪽이 취급이 간단하기 때문에 전류전압변환을 한다. 전류전압변환에는 작은 저항치를 갖는 전류검출용 저항기를 사용하는 방법과 증폭기의 피드백을 사용하는 방법이 있다. 그러나, 다이오드를 사용한 대수압축 등은 전류로 입력한 것이 전압으로 입력하는 것보다도 1000배 가까이 다이나믹 레인지가 넓어진다. 또한, 장거리의 신호전송에는 접점이나 케이블에서의 전압강하가 없는 전류에 의한 전송이 이용된다.
포토 다이오드는 조명에 비례한 전류를 출력한다. 이와 같은 때에는 회로중에서는 전압신호 쪽이 취급이 간단하기 때문에 전류전압변환을 한다. 전류전압변환에는 작은 저항치를 갖는 전류검출용 저항기를 사용하는 방법과 증폭기의 피드백을 사용하는 방법이 있다. 그러나, 다이오드를 사용한 대수압축 등은 전류로 입력한 것이 전압으로 입력하는 것보다도 1000배 가까이 다이나믹 레인지가 넓어진다. 또한, 장거리의 신호전송에는 접점이나 케이블에서의 전압강하가 없는 전류에 의한 전송이 이용된다.
1.2.3 저항 변화의 검출
센서의 저항치의 변화를 검출하기 위해서는
(1) 정전압을 가해서 센서에 흐르는 전류의 변화를 관측하는 방법
(2) 정전류를 흘려서 센서의 양단의 전위차를 관측하는 방법
(3) 브릿지로 조합하여 그 출력을 관측하는 방법
등이 있다. (1)의 방법은 전압원이 간단히 만들어지기 때문에 센서를 전류검출용 저항기와 직렬로 접속하여 자주 사용된다. (2)의 방법은 센서의 저항치가 작은 경우, 전류를 흘지 못하게 하기 위해 사용되는 예가 많다. 또한, 백금측온저항체는 JIS규격에 정전류 동작시의 온도와 저항치의 표가 있어서 이 방법이 사용되기 쉽다. (3)의 방법은 입력전압이나 출력전압을 기준점에서 0으로 한 경우에 사용하는 방법이다. 브릿지의 대향한 변에 센서를 대칭으로 배치하여 감도를 2배로 하던지 센서 가까이의 한변에 온도보상용 저항기 등을 접속한다. 왜-게이지에서는 이 방법이 잘 이용된다. 브릿지를 조합하는 경우는 센서의 감도를 떨어뜨리지 않게 센서의 저항치 변화가 가능한 한 큰 출력전압(또는 전류)의 변화를 갖게 설계한다. 그림 1.3에 브릿지의 출력전압과 출력전압 0의 평형조건을 표시했다. 또한, 브릿지는 센서의 리니어라이즈(linearize)를 위해 사용하는 것도 있다. (1)∼(3)의 어느 방법을 취한 경우에도 센서에 가하는 전력이 정격을 초과한다던지 측정에 영향을 주지 않게 주의 해야 한다. 센서의 도전기구가 이오의 이동에 의하는 경우, 예를 들어 액체의 도전도센서나 전기저항식습도센서는 센서에 직류를 가하면 전기분해를 일으킨다. 따라서 측정에는 교류를 이용한다. 주파수가 높아지면 이온의 이동이 응답하지 못하게 되고, 감도가 떨어지지만, 주파수를 낮게 하여 상용전원주파수에 가깝게 하면 잡음의 제거가 곤란하게 된다. 결국, OP-Amp도 그 성능이 발휘하기 쉬운 200Hz∼10kHz정도가 선택되어진 예가 많다
센서의 저항치의 변화를 검출하기 위해서는
(1) 정전압을 가해서 센서에 흐르는 전류의 변화를 관측하는 방법
(2) 정전류를 흘려서 센서의 양단의 전위차를 관측하는 방법
(3) 브릿지로 조합하여 그 출력을 관측하는 방법
등이 있다. (1)의 방법은 전압원이 간단히 만들어지기 때문에 센서를 전류검출용 저항기와 직렬로 접속하여 자주 사용된다. (2)의 방법은 센서의 저항치가 작은 경우, 전류를 흘지 못하게 하기 위해 사용되는 예가 많다. 또한, 백금측온저항체는 JIS규격에 정전류 동작시의 온도와 저항치의 표가 있어서 이 방법이 사용되기 쉽다. (3)의 방법은 입력전압이나 출력전압을 기준점에서 0으로 한 경우에 사용하는 방법이다. 브릿지의 대향한 변에 센서를 대칭으로 배치하여 감도를 2배로 하던지 센서 가까이의 한변에 온도보상용 저항기 등을 접속한다. 왜-게이지에서는 이 방법이 잘 이용된다. 브릿지를 조합하는 경우는 센서의 감도를 떨어뜨리지 않게 센서의 저항치 변화가 가능한 한 큰 출력전압(또는 전류)의 변화를 갖게 설계한다. 그림 1.3에 브릿지의 출력전압과 출력전압 0의 평형조건을 표시했다. 또한, 브릿지는 센서의 리니어라이즈(linearize)를 위해 사용하는 것도 있다. (1)∼(3)의 어느 방법을 취한 경우에도 센서에 가하는 전력이 정격을 초과한다던지 측정에 영향을 주지 않게 주의 해야 한다. 센서의 도전기구가 이오의 이동에 의하는 경우, 예를 들어 액체의 도전도센서나 전기저항식습도센서는 센서에 직류를 가하면 전기분해를 일으킨다. 따라서 측정에는 교류를 이용한다. 주파수가 높아지면 이온의 이동이 응답하지 못하게 되고, 감도가 떨어지지만, 주파수를 낮게 하여 상용전원주파수에 가깝게 하면 잡음의 제거가 곤란하게 된다. 결국, OP-Amp도 그 성능이 발휘하기 쉬운 200Hz∼10kHz정도가 선택되어진 예가 많다
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1.2.4 정전용량 변화의 검출
이 방법에는
(1) 교류를 가하여 임피던스의 변화를 측정한다.(고분자 용량변화형 습도센서)
(2) 전하를 가하여 전위의 변화를 측정한다.(콘덴서 마이크로 폰)
(3) 발진기의 주파수 변화를 측정한다.(수정진동식 막두께 모니터)
등이 있다.
이 방법에는
(1) 교류를 가하여 임피던스의 변화를 측정한다.(고분자 용량변화형 습도센서)
(2) 전하를 가하여 전위의 변화를 측정한다.(콘덴서 마이크로 폰)
(3) 발진기의 주파수 변화를 측정한다.(수정진동식 막두께 모니터)
등이 있다.
1.2.5 임피던스 변화의 검출
자기를 사용한 센서는 기름 등의 오염에 강하기 때문에 공장에 근접한 센서 등에 사용되고 있다. 미소변위 검출 등에 사용되고 있는 차동 트랜스도 상호 임피던스의 변화를 이용한 센서라고 말할 수 있다. 그러나, 반도체 자기센서의 정밀도를 좋게 만들려면 임피던스로부터 자기의 변화를 아는 방법은 특수 계측적 용도에 한정되어 있다.
자기를 사용한 센서는 기름 등의 오염에 강하기 때문에 공장에 근접한 센서 등에 사용되고 있다. 미소변위 검출 등에 사용되고 있는 차동 트랜스도 상호 임피던스의 변화를 이용한 센서라고 말할 수 있다. 그러나, 반도체 자기센서의 정밀도를 좋게 만들려면 임피던스로부터 자기의 변화를 아는 방법은 특수 계측적 용도에 한정되어 있다.
1.3 센서 소자의 사용법
1.3.1 센서와 잡음
[1] 소자의 잡음
센서와 회로소자가 발생하는 잡음의 주된 것은 열잡음과 전류잡음이다. 열잡음은 전하단체의 브라운운동에 기인하고, 그 크기는 저항치, 절대온도, 및 주파수 대역으로 결정된다. 상온에서 1kΩ의 저항치를 갖는 경우는 약 로 된다.(이것은 대역폭 1Hz에서 4nV를 나타내고, 100Hz인 경우 10배인 40nV로 된다.) 열잡음의 파워스펙트라는 주파수에 의하지 않고 일정하며, 이 잡음이 화이트노이즈(white noise, 백색잡음)라고 불리우는 이유이기도 하다. 그림 1.4에 잡음의 주파수특성을 나타내었다. 열잡음의 크기는 센서나 회로소자의 종류나 제조방법에 의하지 않는다. 따라서, 열잡음을 작게 하기 위해서는 (1)저항치를 작게 한다, (2)동작온도를 낮춘다, (3)신호의 대역폭을 좁게 하는 등의 방법을 취한다. 예를 들어, 트랜지스터의 저항치를 작게 하기 위해 에미터에 흐르는 바이어스 전류를 크게 한다.(실리콘 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 저항치는 26mV/에미터전류, 등가잡음 저항은 그의 반으로 베이스저항으로 근사가능하다.) 잡음이 서로 상관이 없다면, n개의 증폭소자를 병렬로 접속하면 잡음은 으로 된다. 또한, 위성통신의 앰프류는 냉각하여 사용하고 있다. 록킹앰프(locking amp) 등은 신호를 협대역으로 한 것과 동등하다. 전류잡음은 파워스펙트럼이 주파수에 역비례하기 때문에 노이즈라고도 불리며, 오디오 대역에서 문제가 된다. 전류잡음의 원인은 확정되어 있지 않다. 잡음전압의 크기는소자의 종류나 제조조건 등에 의존하지만, 동일한 소자에서는 바이어스 전압의 크기에 비례한다. 일반적으로 전류집중이 발생하면 커지고, 트랩이나 입상갱계가 있는 소자에서는 크게 관측된다. 광센서에서는 암캐리어 수가 작은 만큼 전류잡음은 증가한다.
1.3.1 센서와 잡음
[1] 소자의 잡음
센서와 회로소자가 발생하는 잡음의 주된 것은 열잡음과 전류잡음이다. 열잡음은 전하단체의 브라운운동에 기인하고, 그 크기는 저항치, 절대온도, 및 주파수 대역으로 결정된다. 상온에서 1kΩ의 저항치를 갖는 경우는 약 로 된다.(이것은 대역폭 1Hz에서 4nV를 나타내고, 100Hz인 경우 10배인 40nV로 된다.) 열잡음의 파워스펙트라는 주파수에 의하지 않고 일정하며, 이 잡음이 화이트노이즈(white noise, 백색잡음)라고 불리우는 이유이기도 하다. 그림 1.4에 잡음의 주파수특성을 나타내었다. 열잡음의 크기는 센서나 회로소자의 종류나 제조방법에 의하지 않는다. 따라서, 열잡음을 작게 하기 위해서는 (1)저항치를 작게 한다, (2)동작온도를 낮춘다, (3)신호의 대역폭을 좁게 하는 등의 방법을 취한다. 예를 들어, 트랜지스터의 저항치를 작게 하기 위해 에미터에 흐르는 바이어스 전류를 크게 한다.(실리콘 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 저항치는 26mV/에미터전류, 등가잡음 저항은 그의 반으로 베이스저항으로 근사가능하다.) 잡음이 서로 상관이 없다면, n개의 증폭소자를 병렬로 접속하면 잡음은 으로 된다. 또한, 위성통신의 앰프류는 냉각하여 사용하고 있다. 록킹앰프(locking amp) 등은 신호를 협대역으로 한 것과 동등하다. 전류잡음은 파워스펙트럼이 주파수에 역비례하기 때문에 노이즈라고도 불리며, 오디오 대역에서 문제가 된다. 전류잡음의 원인은 확정되어 있지 않다. 잡음전압의 크기는소자의 종류나 제조조건 등에 의존하지만, 동일한 소자에서는 바이어스 전압의 크기에 비례한다. 일반적으로 전류집중이 발생하면 커지고, 트랩이나 입상갱계가 있는 소자에서는 크게 관측된다. 광센서에서는 암캐리어 수가 작은 만큼 전류잡음은 증가한다.
to be continued...