초음파 센서 – metoree本番管理

초음파 센서란?

초음파 센서ㅍ(영어: Ultrasonic sensor)ㅍ는 초음파를 이용하여 물체까지의 거리를 측정하는 장치입니다.

초음파는 주파수가 높아 사람이 들을 수 없는 소리의 총칭이다. 사람의 귀는 20Hz~20,000Hz를 감지하는데, 그 이상의 주파수 소리를 초음파라고 합니다.

초음파 센서는 초음파를 발생시켜 반사된 음파를 감지해 거리를 측정한다. 최근에는 소형화, 경량화, 저가화가 진행되어 널리 사용되고 있습니다.

초음파 센서는 가정용부터 산업용까지 폭넓게 사용되고 있습니다.

가정용으로는 비접촉으로 거리 측정이 가능하다는 장점을 살려 차량용 거리 측정기, 제트 타월 등에 활용됩니다. 차량용 거리계는 충돌 피해 경감 브레이크 의무화로 인해 빠르게 확산되고 있습니다.

산업용으로는 배수탱크나 약품 저장 탱크의 레벨계 등에 사용됩니다. 부식성이 강한 액체 등에 사용되는 경우가 많습니다.

어군탐지기 역시 오래전부터 초음파 센서를 사용하고 있습니다.

초음파 센서는 초음파를 발사하여 반사파를 감지하여 거리를 측정합니다.

소리의 속도는 전파하는 대기에 따라 결정되는데, 대기 중에서는 340m/s, 수중에서는 1,500m/s 정도로 알려져 있습니다. 전파하는 대기를 알면 반사파가 수전소자에 도달하는 시간을 측정하여 거리로 환산할 수 있습니다.

초음파 센서는 압전소자가 주요 부품입니다. 압전소자는 전기 에너지를 압력 에너지로 변환하고, 압력을 가하면 다시 전기 에너지로 변환하는 원리를 가지고 있습니다.

따라서 압전소자는 송수신 기능을 모두 담당합니다. 입력된 전기 신호를 초음파로 변환하고, 반사파를 감지하여 전기 신호를 출력합니다.

원리상 초음파 센서의 장점과 단점은 다음과 같습니다.

또한, 초음파 센서의 가장 큰 특징은 비접촉으로 거리를 측정할 수 있다는 점입니다. 비접촉 측정이 필요한 경우에 주로 사용됩니다.

시중에 판매되는 초음파 센서는 아날로그 회로 발신기로 판매되고 있습니다. 출력 신호는 4-20mA 등 규격이 정해진 아날로그 신호이며, 보조 전원을 입력하면 소스 출력도 가능합니다.

또한 모듈로도 판매되고 있으며, Raspberry Pi나 PIC 등의 소형 컴퓨터와도 잘 어울립니다. 간단한 버퍼 앰프로 증폭하면 파형을 성형하여 I/O에 연결할 수 있습니다.

발신 측도 전력 소모가 적고, 출력 단자에 (감쇠기를 통해) 직접 연결할 수 있습니다.

센서는 송신측과 수신측이 한 쌍으로 구성되어야 합니다. 그러나 초음파 센서는 송신 소자가 수신 소자로도 작동하기 때문에 하나의 소자로 송수신이 가능하여 회로 자체가 간단해집니다.

단, 투과형으로 사용할 경우 송신 소자와 수신 소자는 별도로 설치해야 합니다.

초음파 센서의 송신 소자 구동 전압은 일반적으로 수 V이므로 CPU의 I/O 단자에 직접 연결할 수 있습니다.

수신 신호를 디지털 회로에서 사용할 때는 버퍼 증폭기, 검파기, 비교기를 통해 디지털 신호로 변환한 후 CPU에서 연산 처리를 합니다.

일반적인 초음파 센서의 공진 주파수는 40kHz입니다.

3. 초음파 센서의 정확도
초음파 센서의 정확도는 일반적으로 파장 정도이며, 40kHz 초음파를 사용하는 경우 정확도는 10mm 정도입니다.

수신 소자로 되돌아오는 초음파 펄스의 파형이 대상물의 형상 등에 따라 측정값에 편차가 발생하기 때문입니다. 반사파 펄스의 검출 지점을 최적화하면 정확도를 높일 수 있습니다.