[공학]계측 및 센서 응용실험 - 초음파 센서 실험

초음파 센서 이론계측 및 센서 응용실험 초음파란 `들리지 않는 음` 또는 `사람의 귀에 들리지 않을 정도의 음이라고 하는 것이 일반적이지만, 초음파 기술에서는 `사람이 듣는 것을 목적으로 하지 않는 음파의 응용에 관한 기술`이라고 정의된다. 따라서 가청음이라도 듣는 것을 목적으로 하지 않으면 그것은 초음파라고 할 수 있다.
■ 초음파 센서의 원리
여기서는 초음파 센서 중에서 초음파를 발생시키는 원리로서 압전진동자를 사용한 것에 대해 언급한다. 일반적으로 압전진동자는 압력(음압,응력)이 가해지면 전압을 발생하고 반대로 전계를 부여하면 삐뚤어지거나 진동하는 성질을 갖고 있다. 이러한 성질을 압전 효과(piezoelectric effect)라고 하며. 앞서의 것을 압전기 직접효과, 뒤의 것을 압전기 역효과라고 한다.
초음파 센서에는 초음파를 발생시키는 송파기(스피커)와 초음파를 수신하는 수파기(마이크로폰)가 있다.
■ 초음파 센서의 종류와 응용
그림 1은 초음파 센서의 배치와 그 용도를 나타낸 것이다.
그림 (a)는 송파기나 수파기가 서로 마주보도록 배치되어 있어서 물체의 검지나 전기기구 등의 리모트 컨트롤에 적합하나, 거리의 측정에는 적합하지 않다.

그림 1 센서의 배치와 그 용도

그림 (b)나 그림 (c)는 물체의 검지나, 거리의 측정 모두에 적합한 구성으로 되어 있다.
그림 (b)와 그림 (c)를 예로 한 거리측정의 원리는 다음과 같다.
송파기(T) 또는 수파기(R)와 물체와의 거리를 D, 음파를 C라고 하면 초음파가 반사되어 물체에 닿고 되돌아 오기까지의 시간 T는
계측 및 센서 응용실험(秒)
로 표현된다.
그림 (c)의 경우, 이므로 오차는 생기지 않으나 그림 (b)의 경우는 근거리에서 에 의한 오차가 나타난다. 따라…
■ 용어의 설명

① 지향성 : 음이나 전파의 반사체(스피커)의 방사강도가 방향에 따라서 달라지는 성질을 말한다.

② 공진형과 광대역형 : 공진형은 그림 2에 나타낸 바와 같이 공진점의 상승이 예리하여 선택도가 높아 공진주파수 근방에서 구동할 필요가 있는데, 수량 카운트 검출 센서 등에 적합하다. 광대역형은 그림 3에 나타낸 바와 같이 감도가 높고 공진점의 상승이 완만하다. 여러 가지 주파수의 초음파를 송수할 수 있기 때문에 멀티 펑크션에 대응할 수 있고, 리모트 컨트롤에 가장 적합하다. 공진형과 광대역형의 주파수 특성을 그림 2와 3에 나타낸다.

③ 세라믹 바이모르프 : 세라믹의 얇은 판을 2매 결정축에 서로 등을 맞대고 반대방향을 향하도록 접촉시킨 압전진동자를 말한다.

① 중심주파수 및 감도는 부하 임피던스에 의해 변화한다.

② 지향성이 있으므로 설치장소에 특별한 주의가 필요하다.

그림2. 저대역형 주파수 특성그림3. 광대역형 주파수 특성

③ 절연저항이 낮아질 염려가 있으므로 장시간에 걸쳐 직류전압을 인가하지 않도록 한다.

④ 충격에 의해 노이즈가 발생할 경우가 있으므로 고무 등의 완충재를 사용할 필요가 있다.

⑤ 사용하기 전에 공기중, 수중용의 용도를 확인해야 한다.