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1). 광센서에는 어떤 것이 있는가
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광센서의 검출 대상으로서는 눈에 보이는 가시 광선을 비롯하여 눈으로 볼 수 없는 자외선, 적외선 등이 있습니다. 또 이 것들은 그 파장의 차이뿐만 아니라 전자기파(빛도 전자기파의 일종이다)의 성질도 여러 가지로 달라집니다. 따라서 한마디로 광센서라 해도 검출 대상, 검출 파장, 사용 목적에 따라 센서 엘리먼트(소자)를 잘 분간해서 사용하여야 합니다.
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또한 광센서의 종류에는 포토다이오드를 비롯하여 포토트랜지스터, 포토 IC, CdS 셀, 태양 전지, CCD 이미지 센서 등이 있습니다. 또 특수한 것으로는 광전관, 포토멀, 촬상관 등의 소 위 진공관류도 이것에 포함됩니다.
다음의 표는 광센서의 분류와 센서명 및 그 응용 예 등을 정리한 것입니다. 사진은 광센서의 한 예이며, 여기에서는 오른쪽부터 PbS 광도전 소자, PIN 다이오드, 포토 IC, 초전형 적외선 센서를 각각 다루고 있습니다. |
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광센서의 분류와 응용예
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분 류 |
소자명 및 부품명 |
사용소재 |
응용예 및 기타 |
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접합
있음 |
PN포토다이오드
(태양전지) |
Gap
a-Si
Si/Ge
GaAs |
포토트랜지스터/조도계/리니어 이미지 센서/컬러센서/각종 수광장치/에어리어 이미지 센서/광 리모컨의 수광부/태양에너지 |
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PN포토다이오드 |
Si |
고속광의 검출/광파이버/포토트랜지스터/포토IC/로터리 인코더(리니어 인코더) |
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애벌란시
포토다이오드
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InGaAsP
Si
Ge |
고속광의 검출/광파이버 이용의 광전스위치/광통신(내부 증배기능/PIN 구조도 있다) |
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포토트랜지스터
(포토달링턴) |
Si |
저속광의 검출/각종 무접점 스위치/급접 센서/각종 제어기기의 작동 검출 |
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포토IC
(포토리플렉터/포토커플러) |
Si |
고속광의 검출/저조도광의 검출/인코더/광리모컨의 수광부/조도계/포토커플러(포토인터럽터) |
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접합
없음 |
광도전 소자 |
PbS
CdS
CdSe
CdS.Se |
카메라의 노출계/조도계/광량검출/가로등의 자동 점멸기/포토커플러 |
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초전소자 |
PZT
LiTaO3
PbTiO |
적외선 온도센서/인체검지/화재검출/에너지 절약 스위치/내객센서/각종 안전시스템 |
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진공
관류 |
광전관/포토멀/촬상관 |
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TV카메라/비디오카메라/방범용 모니터/리니어 이미지 센서/에어리어 이미지 센서(각종 화상의 판독)/암시경 |
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기타
(접합
있음) |
고체이미지센서
(리니어센서/에어리어센서) |
CCD형(Si)
MOS형
CPD형 |
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컬러센서 |
Si
a-Si(아모퍼스 실리콘) |
색의 식별(컬러마크 센서) |
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위치검출용 소자(PSD) |
Si |
거리계/위치의 측정/변위계측 | |
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센서의 종류 |
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2. 센서에는 어떤 것이 있는가 |
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앞에서 설명한 것과 같이 센서의 작용은 모든 정보 및 에너지의 검출을 목적으로 하고 있습니다. 따라서 그 검출 대상도 넓고 또한 대단히 복잡합니다.
그러나 평상시 우리들의 주변에서 사용되고 있는 센서로서는 그 종류도 스스로 한정되어 버립니다. 그래서 여기에서는 평상시 늘 사용되고 있는 센서류를 다루고 그것들을 검출 대상(매 체)별로 정리하여 보았습니다.
다음 페이지의 표는 대표적인 센서류를 검출 대상별로 정리한 것입니다. 여기에서는 그 검출 대상으로서 ① 광(빛), ② 자기, ③ 온도(적외선도 포함), ④ 압력, ⑤ 진동, ⑥ 기체 등을 다루고 있습니다. |
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서미스터 온도 센서 |
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광(적외선) 센서
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자기 센서 |
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압력 센서 |
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◈ 검출 대상과 대표적인 센서명 ◈
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검출대상 |
소자 및 센서(유닛명) |
| 1 |
광 |
포토다이오드, PIN포토다이오드, 포토애벌란시 다이오드, 포토트랜시스터, 솔라배터리, CdS 셀, 셀렌, CCD, CPD, CID, 광전관, 포토멀, 촬상관, PSD |
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광센서 |
| 2 |
자기 |
홀소자, MR소자, 자기헤드(검출 코일형 및 반도체형), 영구자석, MD(마그넷 다이오드), SQUID(초전도양자 간섭장치, 조셉슨 소자)광파이버(광패러데이 효과를 사용한 자기장 센서), 자침, 인덕토신, 자기 트랜지스터, 자기형 근접스위치(리드 스위치), 자성유체(자기 시트), 전자기 유도형 근접스위치(코일), 자기 파라메트릭 센서, 커런트 트랜스, 자외선 |
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자기센서 |
| 3 |
온도(적외선 포함) |
서미스터(양, 음 특성), 감온저항(백금), 서모커플, 수정진동자, 초전형 적외선 센서, IC화 온도센서, 트랜지스터, 광전관, 다이오드(VBE, VF 이용), , 포토다이오드, 포토트랜지스터, SMA(형상기억 합금), 감온 페라이트, 액정,수은(알코올), 온도계, 양자형 적외선 센서 |
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온도센서 |
| 4 |
압력 |
스트레인 게이지(로드셀), 압전소자, 코일 스프링, 판스프링, 가압도전시트(고무), 감압폴리머(중합체),PD(감압다이오드), IC압력 센서, 다이어프램(박막형 압력센서, 확산형 압력센서), 차동트랜스(토크 트랜스듀서), 토션 바(광학 위상식 및 자기 위상식) |
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압력센서 |
| 5 |
진동(음파포함, 초음파) |
마이크로폰(전자기식, 압전식), 페라이트, 티탄산바륨, 세라믹스(가속도 센서), 다이어프램, 압전소자, 자외선(탄성파), 지진계(진자의 지진동에 대한 상대운동) |
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진동센서 |
| 6 |
기체/냄새 |
세라믹센서, 반도체식 센서, 산화주석, 산화철 센서, 후막구조 세라믹스(습도센서), 기타의 화학반응을 사용한 센서(전해질 셀, 접촉 연소식), 바이오 케미컬 센서, 지르코니아 산소 센서, 백금선, 산화아연 | |
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3). 빛에는 색온도가 있다.
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모든 발광 광원에는 그 나름의 특유한 색온도가 있으며 조사 광에 따라 물체의 색이 조금씩 달라 보입니다. 이것은 같은 물건이라도 형광등 아래와 옥외에서는 조금씩 달라 보인다는 것이며 일상 우리들이 많이 경험하는 일입니다.
예를 들면 백화점 내에서 산 양복의 색이 옥외에서 보면 아주 다른 색으로 보이는 일이 있습니다. 이것은 양복에 조사되는 빛의 색온도의 차에 의한 것으로 발광 광원의 발광 파장이 관계하고 있습니다.
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즉 백화점 내의 조명 밑에서 본 색과 옥외의 태양 광선 밑에 서 본 색은 그 반사 광선이 아주 다르게 됩니다.
일반적으로 모든 발광 광원은 그 광원 특유의 스펙트럼을 가지며 이것이 합성되어 일종의 백색광으로 되어 있습니다.
또 그 분량, 파장 대역은 광원에 의해 미묘하게 다르며 고유의 색온도를 형성합니다. 따라서 같은 물건을 여러 가지 광원 밑에서 보면 조금씩 달라 보이는 것도 그때문입니다.
표는 그러한 관계를 정리한 것입니다.
일반적으로 사진용의 광원은 자연광에 가깝게 한 낮의 태양광과 거의 같게 보입니다.
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색온도[K] |
광원(대상물) |
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10,000 |
맑음 |
자연광 |
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9,000 |
아지랑이가 많은 하늘 |
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8,000 |
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7,000 |
흐린 하늘 |
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6,000 |
스트로보광 |
사진용 |
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5,000 |
플래시 램프 |
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4,500 |
백색 형광 램프 |
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4,000 |
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3,500 |
500W의 텅스텐 램프 |
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3,000 |
일출 및 일몰 |
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2,800 |
100W의 전구 |
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2,000 |
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1,000 |
촛불의 밝기 | |
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발광 광원과 색온도[단위:K(켈빈)] |
이것에 대하여 백열 전구는 색온도가 낮고 다소 붉은 기가 느껴집니다 | |
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자동차의 전자제어 시스템은 엔진의 운전상태를 전기신호로 바꾸어 ECU에 전달하는 각종 센서와 이 신호를 분석, 판단해 연료 인젝터의 밸브 열림량이나 시간을 결정하는 컴퓨터로 구성되어 있다.
ECU에는 각종 센서로부터 엔진 회전수, 흡입 공기량, 시동신호, 스로틀 밸브의 열림 정도, 냉각수 온도, 흡기온도에 대한 정보가 보내진다. 이것을 받은 ECU는 미리 짜여진 프로그램에 의해 최적의 분사량을 계산, 연료 인젝터에 명령을 내리는 순서로 처리하게 된다.
전자제어 엔진의 제어계통에는 각종 센서가 달려있다. 배기가스에 함유된 산소의 양을 측정하는 산소센서, 흡입공기량을 검출하는 공기유량 센서, 스로틀 밸브의 열림 정도를 검출하는 스로틀 포지션 센서, 엔진 냉각수온을 검출하는 수온센서, 흡입공기 온도를 검출하는 흡입온도 센서 등 많은 종류의 센서가 있다.
전자제어 시스템에 달려 있는 각종 센서의 작동원리와 구조, 기능에 대해 알아본다.
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산소센서(O2센서) |
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산소센서는 배기가스 중 함유된산소의 양을 측정해 그 출력압을 컴퓨터(ECU)로 전달하는 역할을 한다. 컴퓨터는 산소센서의 신호를 받아 인젝터의 시간을 제어해 항상 이론공연비에 가깝도록 자동 조정함으로써 촉매변환기의 정화율을 높여준다.
센서 감지부 내측은 대기가 흡입되고 외측은 배기가스가 접촉된다. 이 때 산소 농도 차이에 의해 기전력이 발생한다. 발생 전압은 0.1∼0.9V 정도이다. 하지만 이 기전력은 항상 발생하는 것은 아니며 일정한 조건일 때만 작동한다. 즉 배기 온독 약 250℃ 이상 때 작동을 시작해 약 400∼800℃ 사이에서 원활하게 작동한다.
산소센서는 이러한 작동조건 하에서 이론공연비인 14.7:1을 유지하기 위해 ECU와 함께 지속적으로 정보를 주고받아 피드백 작동을 하는 센서이다.
하지만 배기 온도가 200℃ 이하 때에는 피드백 작동이 이루어지지 않아 유해 배출가스가 그대로 대기로 방출도니다. 따라서 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 산소센서에 히터 선을 따러 연결해 엔진이 워밍업 전이라도 산소센서가 작동하도록 돕고 있다.
산소센서의 종류로는 질코니아와 티타니아형이 있지만 대부분 질코니아 방식을 많이 쓴다. 산소센서는 열을 받으며 기전력이 발생하는 특징이 있기 때문에 '전압을 만들어 내는 발전기'라고도 한다. |
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질코니아 방식 산소센서 |
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산소센서 단면도 |
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대기압 센서는 스트레인 게이지의 저항치가 압력에 비례해 변화하는 것을 이용해 압력을 전압으로 변화시키는 반도체 피에조 저항형 센서이다. 대기압 센서는 칼만와류 방식에서 사용했지만 지금은 사용을 안하고 있다. (우리나라에서는 고지대가 별로 없기 때문에)
대기압 센서는 AFS 에 설치되어 대기의 압력에 비례하는 아날로그 전압으로 변화시켜 ECU에 보내면 ECU는 이신호로 자동차의 고도를 계산하게 된다. |
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예를 들어 고지대에 도달하게 되면 산소가 적어 희박해짐에 따라 연료 분사량을 평지에서처럼 분사할 경우는 전체적으로 농후한 상태가 될 것이다. 그러므로 적정한공연비가 되도록 연료의 분사량을 조절하며 동시에 점화시기도 조정하는 것이다. 대기압 센서의 결함 때에는 평지에도 (대기압 상태)시커먼 연기가(CO가 능가)나올 수 있으므로 점검 때 유의해야 한다. 센서에입력되는 전압은 5V 이지만 출력값은 대기압 상태 760mmHg에서는 4V, 750mmHg에서는 3.8V, 770mmHg에서는 4.2V가 출력된다.(즉 3.8∼4.2V 사이는 정상) | | | |
