압력 센서란?
압력 센서(영어: Pressure sensor)는 기체나 액체 등의 압력을 측정하는 장치입니다.
측정부가 압력에 의해 발생하는 변화를 전기 신호로 변환하여 압력을 출력합니다. 대표적인 측정부는 게이지식입니다.
게이지식 압력 센서에는 반도체 게이지, 스트레인 게이지, 금속 박막 등이 사용됩니다. 측정 시 압력의 기준은 대기압이나 절대압, 임의의 기준으로 설정할 수 있는 종류도 있습니다.
압력 센서의 사용 용도
압력 센서는 많은 산업 공정에서 배관이나 장비의 압력을 측정하는 데 사용됩니다.
압력 크기 범위와 어떤 기체나 액체에서 사용할지, 사용하는 온도, 내구성 등을 고려하여 적절한 압력 센서를 선정해야 합니다.
압력 센서의 사용 사례는 아래와 같이 다방면에서 사용되고 있습니다.
- 액체 충전 장치에서의 액체 압력 측정
- 플랜트에서 파이프 내 흐르는 액체나 기체의 압력 측정
- 압력에 대한 반응성이 높은 물질을 사용하는 장치 내 압력 제어를 위한 압력 측정
압력센서 매트 적용 분야
- 자동차, 산업기계, 항공우주, 의료 등 응용분야에 적용
압력 센서의 원리
게이지식 압력 센서는 다이어프램의 변형을 감지하여 압력을 측정합니다. 감지 방법에는 반도체 게이지식, 스트레인 게이지식, 금속 박막식 등의 종류가 있습니다.
다이어프램 표면에 4개의 게이지 저항을 배치하여 압력에 의해 다이어프램이 변형되면 전기 저항값이 변화합니다. 4개의 게이지 저항을 브리지 회로로 연결하여 저항 변화를 전압으로 출력합니다.
1. 반도체 게이지식 압력 센서
반도체 게이지식 압력 센서는 반도체 자체를 다이어프램으로 하여 반도체가 압력을 받으면 전기저항이 변하는 피에조 효과를 이용하여 압력을 측정하는 방식입니다. 압력에 대한 저항값의 변화가 다른 방식에 비해 매우 크고, 견고한 다이어프램을 만들 수 있어 장비의 내구성이 높은 것이 특징입니다.
2. 스트레인 게이지식 압력 센서
스트레인 게이지식 압력 센서는 다이어프램의 뒷면에 스트레인 게이지를 부착하여 게이지 저항값의 변화를 측정합니다. 스트레인 게이지는 변형되면 전기저항이 변하는 금속의 성질을 이용하여 변형량을 측정하는 장치로, 변형량과 압력을 대응시켜 압력을 출력할 수 있습니다.
3. 금속 박막식 압력 센서
금속 박막식 압력 센서는 다이어프램 위에 금속 박막을 형성하고 압력에 의해 변형된 금속 박막의 전기저항 변화를 측정하여 압력을 측정합니다. 스트레인 게이지식보다 감도가 높고 고온에서도 사용할 수 있는 것이 특징입니다.
4. 게이지식 이외의 압력 센서
게이지식 압력 센서 외에도 정전 용량식, 광섬유식, 진동식 등의 압력 센서가 있습니다.
정전용량식은 고정된 전극과 다이어프램 전극 사이의 정전 용량을 감지하는 방식이다. 압력 변화에 따라 변형되는 다이어프램의 변위량을 커패시턴스 변화로 측정하여 압력으로 환산합니다. 여러 종류의 가스 및 혼합 가스의 압력을 측정하는 데 적합합니다.
광섬유식은 다이어프램에 압력이 가해지면 광섬유 끝의 회절 격자가 변형되어 반사되는 빛의 파장 변화를 측정한다. 고온, 고정밀 측정이 가능하며 용융 수지의 압력, 체내 혈압 측정 등에 사용됩니다.
진동식은 실리콘 다이어프램 팁에 진동자를 장착하여 압력에 의해 다이어프램이 변형되면 진동자의 고유진동수가 변화합니다. 진동수의 변화를 감지하여 압력으로 변환합니다. 고정밀, 고감도, 고해상도 등의 특징이 있습니다.
압력 센서의 응용 사례
1. 압력 센서 매트
압력 센서의 응용 사례 중 하나로 압력 센서 매트를 들 수 있습니다. 압력 센서 매트는 바닥 등에 깔아두는 것을 전제로 하고 있으며, 얇은 매트 형태로 되어 있는 것이 일반적입니다.
압력 센서 매트의 활용 예로는 보안이 강화된 방의 출입 감지나 공장의 위험한 장소의 출입 감지 등을 들 수 있습니다. 출입자가 압력 센서 매트를 밟으면 압력 센서가 감지한 정보를 바탕으로 부저를 울리거나 램프를 점등시킬 수 있습니다.
또한, 시설의 방이나 집 현관 등에 압력센서 매트를 설치하면 치매환자의 외출 시점을 파악할 수 있습니다.
2. 자동차용 압력 센서
자동차용 압력 센서는 연비 등을 개선하기 위해 액체나 기체 등의 압력을 정밀하게 측정하는 센서로 사용되고 있습니다. 자동차에 사용되는 압력 센서는 소형으로 정밀한 측정이 가능하고, 가혹한 사용 환경에서 사용되기 때문에 피에조 저항을 이용한 반도체 게이지식 압력 센서가 많이 사용되고 있습니다.
자동차용 압력센서는 사용 온도가 -30℃~150℃, 사용 부위에 따라서는 300℃가 넘는 온도까지 장기간 안정적으로 고정밀하게 작동해야 합니다. 또한, 디젤 엔진은 연료와 공기의 혼합가스를 매우 높은 압력으로 압축해야 하기 때문에 압력 센서는 200MPa라는 매우 높은 압력까지 정밀하게 측정할 수 있는 능력이 요구됩니다.