(최종) 컴퓨터를 이용한 계측실험 I

목차

1. 컴퓨터를 이용 계측실험 기초지식
(1) 컴퓨터의 구성요소
(2) 산업현장에서 많이 사용하는 센서의 종류와 원리조사
(3) 산업현장에서 사용되는 계측/제어 자동화의 예
(4) 아날로그신호와 디지털신호의 차이점

2. 디지털입력을 이용한 광전센서 상태 계측실험
(1) 광전센서의 원리와 용도, 종류
(2) 광전센서의 종류와 사용 예
(3) PC상에서 광전센서 사용을 위한 C++프로그램 작성

3. 디지털출력을 이용한 LED제어(구동) 실험
(1) LED 구동원리와 용도
(2) 디지털 출력의 기능에 대한 조사

4. 백금측온센서를 이용한 온도계측실험
(1) 온도센서의 종류조사
(2) 브리지회로, 연산증폭회로
(3) AD컨버터, DA컨버터의 원리조사

5. 로드셀을 이영한 하중계측실험
(1) 하중센서의 종류
(2) 스트레인게이지

6. 고찰

본문내용

어진 범위 내에서 매우 다양한 값을 나타내는 아날로그량이다.
D
C
B
A
Vout
0
0
0
0
0
volts
0
0
0
1
1
low
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
0
0
0
8
1
0
0
1
9
1
0
1
0
10
1
0
1
1
11
1
1
0
0
12
1
1
0
1
13
1
1
1
0
14
high
1
1
1
1
15
volts
다음의 그림은 전형적인 4비튼 D/A변환기의 블록도를 나타내고 있다.
[전압출력의 4비트 D/A변환기]
디지털 입력 D, C, B, A는 디지털 시스템의 출력 레지스터로부터 나온다. 24=16이므로 4비트로 표현할 수 있는 2진수는 위의 우측 표처럼 16가지이다. 각 입력값에 따라 D/A변환기의 출력 전업은 다른 값이 된다. 사실 이 경우 아날로그 출력 전압 VOUT 은 2진수값에 전압의 크기를 붙인 것과 같게된다. 하지만 그 전압은 어떤 다른 곱셈 인자에 의해 2진수의 두 배 또는 여러배가 될 수도 있다. 마찬가지로 D/A의 출력값이 전류 IOUT의 경우도 유효할 것이다.
5. 로드셀을 이영한 하중계측실험
(1) 하중센서의 종류
종류
구동방식
형태
기계식
부르동관
회전각 지시형
캡 슐
힘 평형식
벨로스
힘 변환식
다이어프램
힘 평형식
전자식
용량형
다이어프램
압저항형
포일식,증착식
압전형
유기,무기 압전박막
코일형
LVDT, 인덕티브
광학용
광섬유,광경로차
반도체식
압저항형
확산식,증착식
용량형
대행전극
(2) 스트레인게이지
압력이나 변형 등의 기계량을 전기량으로 변환하는 센서의 하나이다. 동일기계량을 변환하는 센서에서도 부르돈관이나 포텐셔미터에서는 기계량을 전기 신호로써 인출하기 위해 일단 변위량으로 변환하지 않으면 안된다. 그 때문에 습동부나 가동부가 필요하게 되고 소형화, 신뢰화하기 위해 큰 장해가 되어 왔다. 기계적으로 동작하는 부분을 가급적 적게 하고 또한 기계량을 직접 전기량으로써 인출되도록 한 센서가 스트레인 게이지이다.
스트레인 게이지는 처음에 단순히 응력을 측정하는 수단으로 사용되었으나, 최근에는 재료 구조물의 응력, 힘, 변형, 압력, 변위 등 외력에 의한 변화를 측정할 뿐만 아니라 점점 그 용도가 넓어지고 있다. 또, 물체에 여러 가지 물리현상의 변형을 변환해서 측정하는 이른바 물리현상→변형→전기신호의 변환기로서 하중, 장력, 압력 등의 전기적 변환기가 출현한 후에 연구, 시험 단계를 거쳐 공압프로세스에서 관리계기나 자동제어기기에 응용되고 있다. 스트레인 게이지는 저항값의 변화를 이용한것인데 다음의 식은 물체가 갖고 있는 저항값을 나타낸다.
단, R:전기저항, l:저항체의길이 A:저향체의단면적, :비저항
스트레인 게이지는 기본적으로 저항체이며, 이것을 구조물에 고정함으로써 피고정물이 받고 있는 응력, 압력, 힘, 변위 등의 피측정량을 게이지의 전기 저항 변화로 변환하는 것을 목적으로 하는 소자이다. 스트레인게이지의 저항 변위율은 소자가 받는 변형에 비례한다.
단, :무차원량으로소자가 받는 변형
:외력에 의한 길이의 변화
K:게이지 고유의 변형감도로서 게이지율이라 함.
K는 게이지의 재질에 따라 정해지는데, 금속의 경우는 2에 가까운 수치를 갖고 있다.
변형에 의해 저항이 변화하는 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다. 즉, 길이 l이 변형으로 증가할 때 동시에 가로효과에 의해 단면적의 감소가 발생한다. 이 결과 K가 2에 가까운 값이 되는 것이며 게이지에 줄 수 있는 변형의 크기 한도는 게이지의 종류에 따라 다르지만 대략 3,000+10-6정도이며, 이때의 저항 변화율은 약 0.6%가 된다.
금속 이외의 스트레인 게이지 재료로서는 실리콘, 게르마늄 등의 반도체가 있으며, 이 경우의 저항 변화는 주로 가 변화함으로써 생기고 게이지율은 금속의 수십 배가 된다. 스트레인 게이지에는 여러 가지 분류법이 있는데 재질적으로는 금속과 반도체, 구성적으로는 박형, 선, 벌크, 확산소자 등으로 구분된다.
아래의 표는 효과별로 분류한 스트레인 게이지이다.
전지 저항
변형 게이지
금속 저항 변형 게이지
와이어 게이지
박 게이지
반도체 피에조 저항
변형 게이지
벌크 반도체 변형 게이지
확산형 반도체 변형 게이지
반도체 변형
검지 소자
pn 접합형 검지소자
감압 다이오드
쇼트키 다이오드
감암 트랜지스터
[표: 스트레인게이지의 분류]
우측의 그림은 금속 스트레인게이지로 가장 많이 사용되고 있는 금속박 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 것이다. 이 게이지는 폴리미드 등의 전기절연재료에 금속박을 접착하고 포토 에칭에 의해 소요의 형상과 저항값이 되도록 패턴을 형성하고 다시 그 위를 보호막으로 덮었다.
이 형태의 게이지는 주로 구조물에 부착하여 사용하며 구조물의 응력 측정을 주목적으로 하고 있다. 게이지는 일반적으로 게이지 자체만으로 사용되는 일은 없고 full 브리지 또는 푸시풀 동작을 하도록 설계한다. 게이지의 저항 값은 120이 보통인데 350, 500 등도 시판되고 있다.
반도체 스트레인게이지는 피에조 효과를 이용하는데, 금속 스트레인게이지의 게이지율이 약 2인 것에 대해 반도체 스트레인 게이지의 게이지율은 100~200으로 그 값이 아주 크다, 피에조 효과는 반도체의 재질, 전도형, 캐리어 게이지는 임의의 구조물이나 기왜체 등에 부착해서 사용할 수 있도록 접착형(벌크형)이 시판되고 있으며, 완성품으로 입력센서 이외의 수납된 형태로 사용되고 있다.
아래의 그림은 시판되는 반도체 스트레인게이지의 구조로서 단책형의 반도체 펠렛(벌크)이 대지에 부착되어 있다. 반도체는 금속에 비해 비저항이 아주 높이 때문에 이와 같은 형태로 목적의 저항 값을 얻을 수 있다.
반도체 스트레인게이지는 게이지율이 높기 때문에 금속 스트레인 게이지보다 출력이 크고 증폭이 용이하지만 온도에 의한 저항이나 게이지율의 변화도 크기 때문에 사용할 때는 주의가 필요하다.
■ 참고문헌
- 「자동화 시스템을 위한 센서공학」청호출판, 이승지음
- 「센서제어공학」일진사출판, 윤만수 외2명 공저
- 「선서응용공학」복두출판사, 정기철 외2명 공저
- 「디지털공학」 한올출판사, 이재수 외2명 지음
6. 고찰

키워드

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