[기초전자공학] 센서(광센서, 근접센서, 로드셀) 실험 - 관련 이론 및 근접센서의 활용

소개글

[기초전자공학] 센서(광센서, 근접센서, 로드셀) 실험 - 관련 이론 및 근접센서의 활용에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 광센서
(1) 관련 이론
(2) 광센서의 활용

2. 근접센서
(1) 관련 이론
(2) 근접센서의 활용

3. 로드셀
(1) 관련 이론
(2) 로드셀의 활용

본문내용

인 게이지를 종,횡으로 부착하여 측정 하는 방식으로 대용량의 로드셀 제작에 용이하는 장점이 있으나, 정밀도가 낮으며,비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다.② 환상형
둥근 원형의 내면에 4장의 스트레인 게이지를 부착한 형태로 원통형보다 정밀도가 높은 장점이 있고 방향도 인장, 압축형 모두 사용이 가능한 장점이 있으나, 대용량 및 소용량의 제작이 렵다는 단점이 있다.
③ 휨형
사각 막대를 한쪽이나 양쪽을 지지하여 휘어지는 양을 측정하는 방식으로 부착하기가 용 이하고, 정밀도가 높은 장점이 있는 반면 대용량의 제작이 어렵고 구조상 밀봉하기 어려워 사용 환경의 제약을 받는 단점이 있다.
④ 전단형
스트레인 게이지를 45도 방향으로 부착하여 전단응력을 측정하여 측정하는 방식으로 횡 하중측정이 좋고 내력이 강한 반면, 가공이 어렵다는 단점이 있다.
로드셀의 구조와 원리
일반적으로 로드셀이라 함은 하중을 가하면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘변환기의 총칭으로 스트레인 게이지식 로드셀을 의미한다.
< 그림 15. 로드셀의 구조 >
< 로드셀의 구조 >
따라서 스트레인 게이지를 금속 탄성체에 점착하고 그 타성체에 하중을 가했을 때 탄성체의 스트레인을 스트레인 게이지의 저항값의 변화로서 가해진 하중의 크기에 비례한 전기적 출력신호를 얻을 수 있다. 이러한 미세한 변화를 검출하기 위해 전기적으로 브릿지 회로라는 회로를 사용하게 된다. 즉, 평상시에는 전기적으로 평형이 유지되어 (물의 수면이 동일한 경우와 같은 경우) 극히 미세한 전류를 흘려보내다가, 어느 한쪽의 불균형이 발생하면(저항값이 변하면) 그쪽으로 전류가 흘러 이 전류의 흐름이 전압의 변화로 나타나 검출된다.
(2) 로드셀의 활용
① 전자저울
균형기구에는 하중에 의한 저울대의 미묘한 변위를 전기적으로 검출하여, 저울대가 수평이 되도록 전자기력을 가감하는 영위식과, 탄성체 블록에 스트레인게이지를 달아, 탄성체의 변형에 비례한 전기신호를 내는 로드셀에 하중을 직접 가하여, 하중에 비례된 전기신호를 검출하는 로드셀식이 있다. 판독기구에는 균형기구의 검출신호를 디지털로 표시하는 것과, 마이크로컴퓨터를 내장시키고, 물건의 질량에 따른 요금의 표시, 용기의 질량을 측정결과에서 빼는 용기 질량 소거, 측정결과의 프린트 출력 등, 다양한 기능을 가지는 것이 있다. 종래의 분동이나 추로 균형을 맞추는 기계식저울에 전자회로를 첨가한 것을 포함하여, 이화학용 정밀 소형저울에서 상업용 저울, 공업용 대형저울에 이르는 각종 저울이 있고, 이 저울들의 정밀도는 기계식 저울과 같은 정도(칭량의 1/105~1/103)이다. 저울대의 균형조작이 자동적으로 되고 측정결과를 디지털로 표시하는 자동식도 있다. 전자저울의 표시치 교정에는 분동을 사용한다. 균형에 로드셀이나 전자기력을 사용한 저울은 중력의 영향을 받으므로, 교정장소의 중력치와 서로 다른 곳에서 사용할 때, 엄밀하게는 중력치의 차이에 관한 보정이 필요하다.
< 그림 15. 전자저울의 형상 >
② 다축 로드셀의 응용
다축 로드셀은 여러 분야에서 응용될 수 있으나 로보트 분야에서 특히 많은 관심을 끌고 있다. 로보트을 이용하여 부분품의 조립, 주조물의 디버링, 재료의 연삭과 같은 작업을 하기 위해서는 힘제어 방식의 로보트가 필요하며 이 경우 다축 로드셀은 필수적이다. 로보트에서 6축 로드셀이 그리퍼, 손목 또는 조인트에 사용되면 작용되는 힘 및 모멘트의 크기 뿐 아니라, 힘이 작용하는 위치와 방향도 결정할 수 있으며, 조작레버에 사용되면 한 번의 조작에 6개의 신호를 측정하여 보낼 수 있다. 뿐만 아니라 적절한 힘 발생장치와 함께 사용되면 신호를 주고받으면서 제어를 할 수 있어 다양한 기능을 수행할 수 있다. 다축 로드셀은 축간의 상호간섭을 제거시키기 위하여 미리 정해진 하중점에 대해서 설계를 하고 특성시험을 수행하는 것이 일반적이다. 예를 들어 측정하려는 위치가 하중점으로부터 축방향으로 떨어져 있으면 힘만이 작용해도 하중점에서는 모멘트가 발생될 수 있다. 다축 로드셀의 출력값은 하중점을 기준으로 하므로 사용하는 기하학적인 조건에 따라서 보상하여 사용해야 할 필요가 있다. 그리퍼에 임의의 위치와 임의의 방향으로 힘이 작용된다면 다축 로드셀에서는 6축의 힘 또는 모멘트의 출력이 모두 발생될 것이므로, 이러한 출력값을 역으로 분석하여 가해진 힘의 크기와 위치 및 방향을 구할 수 있다. 로보트 응용이외에 다축 로드셀은 타이어 시험장치, 고급 공작기계, PCB 보드의 제작, 시험용 선박 등의 추진장치와 같은 여러 분야에 응용될 수 있으며, 건축물이나 기계/구조물에 설치하여 계 속적으로 안전성을 감시하는데 이용될 수 있다. 또한 한 방향으로 힘이 전달되어야 하는 기계와 구조물에 제대로 힘이 전달되고 있는지를 감지하는 경우에도 다축의 힘 측정이 필요하다. 예를 들어 회전하고 있는 축에 작용하는 굽힘 모멘트를 감지해서 정렬상태를 계속적으로 점검할 수 있으며, 실하중 힘 표준기 등의 오차요인인 경사하중과 굽힘 모멘트 등을 감지하여 힘 측정의 정확도 향상을 기할 수 있다
실험목적
하중의 변화에 따른 LOAD CELL의 특성을 이해하고 원리를 파악할 수 있다.
실험결과
인가하중 (kg)
출력전압[V]
0
5.10
1
5.31
2
5.53
3
5.76
4
5.97
5
6.20
6
6.40
7
6.63
8
6.85
9
7.04
10
7.24
< 로드셀의 실험 결과 > < 그래프 >
고찰
이 실험을 통하여 인가하중이 증가할수록 출력전압이 증가하는 형태이다. 따라서 로드셀은 하중을 전기적신호로 변환시켜 출력하는 센서임을 알 수 있다.
그러나 실험절차에 초기 전압을 5V 줘야하는데 손으로 맞추기가 힘들어서 최대한 가깝게 할려고 노력했고 1kg이 증가하는데 출력전압이 항상 일정하지 않은 이유는 모든 추의 무게가 정확히 1kg으로 같지 않고 나란히 일자로 완벽하게 올릴 수 없어서 조금씩 기울어졌고 로드셀에 균일한 하중을 가할 수 없었기 때문이다. 로드셀 안에 휘스톤 브리지의 중심에 무게중심이 있어야 정확히 측정이 된다.
로드셀을 주로 무게를 측정하는데 이용이 되는데,

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