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정확한_센서_측정을_위한_엔지니어_가이드_2부 [2016/08/03 14:10] wikiadmin 만듦 |
정확한_센서_측정을_위한_엔지니어_가이드_2부 [2016/08/03 14:21] (현재) wikiadmin |
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| - | ==== 스트레인 게이지1와 브리지 기반 센서 ==== | + | ==== 스트레인 게이지¹와 브리지 기반 센서 ==== |
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| 스트레인 게이지는 기본적인 센싱 디바이스로, 압력, 로드, 토크 센서를 포함하는 변환기의 다양한 유형의 구성요소로서 기능을 하며, 광범위한 구조 데스트와 모니터링 어플리케이션에 사용된다. 비록 스트레인 게이지는 주변에서 흔히 볼 수 있지만, 신뢰할 만한 데이터의 획득과 조건화를 위해 사용할 때에는 가장 다루기 어려운 센서 종류 중 하나이다.\\ | 스트레인 게이지는 기본적인 센싱 디바이스로, 압력, 로드, 토크 센서를 포함하는 변환기의 다양한 유형의 구성요소로서 기능을 하며, 광범위한 구조 데스트와 모니터링 어플리케이션에 사용된다. 비록 스트레인 게이지는 주변에서 흔히 볼 수 있지만, 신뢰할 만한 데이터의 획득과 조건화를 위해 사용할 때에는 가장 다루기 어려운 센서 종류 중 하나이다.\\ | ||
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| - | 스트레인 게이지 측정은 금속 포일 길이의 미세한 변화를 감지해 이루어지는데, 이는 표면에 걸쳐 있는 응력이 보통 5mm2보다 작기 때문이다. 신호 조절 문제, 전기 노이즈, 온도 변화, 그리고 부적절한 검정( 檢定 , calibration)3을 포함한 몇 가지 요소들은 스트레인 게이지 측정에 영향을 줄 수 있다. 왜냐하면, 압력, 로드 그리고 토크 센서는 일반적으로 풀 브리지 스트레인 게이지 구성에 기반하는데, 이 것들 또한 이런 여러가지 요소들의 영향을 받기 때문이다. 다음에 나오는 것들 을 잘 참고하여 브리지 기반 측정에 있어 정확성을 높이고 에러에 대한 손실을 보상을 해보자. | + | 스트레인 게이지 측정은 금속 포일 길이의 미세한 변화를 감지해 이루어지는데, 이는 표면에 걸쳐 있는 응력²이 보통 5mm보다 작기 때문이다. 신호 조절 문제, 전기 노이즈, 온도 변화, 그리고 부적절한 검정( 檢定 , calibration)³을 포함한 몇 가지 요소들은 스트레인 게이지 측정에 영향을 줄 수 있다. 왜냐하면, 압력, 로드 그리고 토크 센서는 일반적으로 풀 브리지 스트레인 게이지 구성에 기반하는데, 이 것들 또한 이런 여러가지 요소들의 영향을 받기 때문이다. 다음에 나오는 것들 을 잘 참고하여 브리지 기반 측정에 있어 정확성을 높이고 에러에 대한 손실을 보상을 해보자. |
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| == 브리지 완료 == | == 브리지 완료 == | ||
| - | 풀 브리지 센서를 사용하지 않는다면, 반드시 브리지를 기준 저항기를 사용해 완료해야 한다. 그러므로, 브리지 기반 센서를 위한 신호 조절기는 일반적으로 두 개의 고 정밀 기준 저항기로 구성된 하프 브리지 완료 네트워크를 제공해야 한다. 두 저항기가 얼마나 잘 매칭 하였는지는 완료 저항기(completion resistor)4의 공칭 저항 보다 더 중요하다. 이상적인 것은 저항기의 매칭이 잘 이루어지고, 측정 채널의 마이너스 입력 리드선에 VEX/2의 안정적인 기준 전압을 제공하는 것이다. 완료 저항기의 높은 저항은 여기 전압5에서의 전류 드로우를 최소화 하는 데 도움이 된다. 그러나, 너무 큰 완료 저항기를 사용하는 것은 바이아스6 전류 때문에 노이즈나 에러를 증가 시킬 수도 있다. | + | 풀 브리지 센서를 사용하지 않는다면, 반드시 브리지를 기준 저항기를 사용해 완료해야 한다. 그러므로, 브리지 기반 센서를 위한 신호 조절기는 일반적으로 두 개의 고 정밀 기준 저항기로 구성된 하프 브리지 완료 네트워크를 제공해야 한다. 두 저항기가 얼마나 잘 매칭 하였는지는 완료 저항기(completion resistor)⁴의 공칭 저항 보다 더 중요하다. 이상적인 것은 저항기의 매칭이 잘 이루어지고, 측정 채널의 마이너스 입력 리드선에 VEX/2의 안정적인 기준 전압을 제공하는 것이다. 완료 저항기의 높은 저항은 여기 전압⁵에서의 전류 드로우를 최소화 하는 데 도움이 된다. 그러나, 너무 큰 완료 저항기를 사용하는 것은 바이아스⁶ 전류 때문에 노이즈나 에러를 증가 시킬 수도 있다. |
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| - | == 여기 (Excitation, 勵起)7 == | + | == 여기 (Excitation, 勵起)⁷ == |
| 브리지 기반 센서는 브리지에 전력을 공급하기 위해 지속적인 전압이 필요하다. 브리지 신호 조절기는 일반적으로 전압 소스를 포함하고 있다. 일반적으로는 산업 표준 전압 레벨이 인정되고 있지 않으나, 여기 전압은 3V~10V가 가장 일반적으로 통용되고 있다. 비록 높은 여기 전압은 비례적으로 높은 출력 전압을 생성하지만, 발열로 인한 큰 에러를 초래하기도 한다. 이와 유사하게 불안정한 여기 소스 때문에 발생하는 작은 변동은 측정의 정확성에 영향을 미칠 수 있다. 다음 세션에는 발열과 불안정한 여기 소스로부터 발생하는 에러 결과의 영향을 최소화 하기 위한 방법이 소개 되어있다. | 브리지 기반 센서는 브리지에 전력을 공급하기 위해 지속적인 전압이 필요하다. 브리지 신호 조절기는 일반적으로 전압 소스를 포함하고 있다. 일반적으로는 산업 표준 전압 레벨이 인정되고 있지 않으나, 여기 전압은 3V~10V가 가장 일반적으로 통용되고 있다. 비록 높은 여기 전압은 비례적으로 높은 출력 전압을 생성하지만, 발열로 인한 큰 에러를 초래하기도 한다. 이와 유사하게 불안정한 여기 소스 때문에 발생하는 작은 변동은 측정의 정확성에 영향을 미칠 수 있다. 다음 세션에는 발열과 불안정한 여기 소스로부터 발생하는 에러 결과의 영향을 최소화 하기 위한 방법이 소개 되어있다. | ||
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| 스트레인 게이지 공칭 저항: 120 Ω 아닌 350 Ω 같은 높은 저항 게이지는 단위 면적당 전력을 감소시켜 가능한 더 높은 여기 전압을 만들어 방출한다. | 스트레인 게이지 공칭 저항: 120 Ω 아닌 350 Ω 같은 높은 저항 게이지는 단위 면적당 전력을 감소시켜 가능한 더 높은 여기 전압을 만들어 방출한다. | ||
| - | 장착면의 히트싱크(heat sink)8 등록: 구리나 알루미늄 같이 높은 열전도 금속은 스트레인 게이지로부터 열을 빼내는 최고의 히트싱크이다. 반면 스테인레스나 티타늄 같이 열전도율이 낮은 금속은 좋지 않은 히트싱크이다. 플라스틱에 관한 스트레인 측정은 특별한 주의사항을 요한다. 대부분의 플라스틱은 히트싱크보다는 절연재로서 사용된다. 그래서, 심각한 발열 영향을 피하기위해서 여기의 극도로 낮은 값이 요구된다. 이러한 필러는 열전도성을 향상시킬 수 있기 때문에 플라스틱은 분말 또는 섬유형태의 무기충전재와 함께 로드 된다. | + | 장착면의 히트싱크(heat sink)⁸ 등록: 구리나 알루미늄 같이 높은 열전도 금속은 스트레인 게이지로부터 열을 빼내는 최고의 히트싱크이다. 반면 스테인레스나 티타늄 같이 열전도율이 낮은 금속은 좋지 않은 히트싱크이다. 플라스틱에 관한 스트레인 측정은 특별한 주의사항을 요한다. 대부분의 플라스틱은 히트싱크보다는 절연재로서 사용된다. 그래서, 심각한 발열 영향을 피하기위해서 여기의 극도로 낮은 값이 요구된다. 이러한 필러는 열전도성을 향상시킬 수 있기 때문에 플라스틱은 분말 또는 섬유형태의 무기충전재와 함께 로드 된다. |
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| === 리드 와이어 저항으로부터의 에러 최소화 === | === 리드 와이어 저항으로부터의 에러 최소화 === | ||
| - | 긴 리드 와이어와 작은 게이지 와이어(브리지 컴플리션 와이어 보다 뛰어난 저항성을 나타내는)는 스트레인 게이지 측정에서 에러의 중요한 소스가 될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 와이어 연결 스트레인 게이지에서 각 와이어의 길이는 15m이고, 리드 저항 RL은 1Ω과 같다고 가정해보자. 옵셋(offset)9 에러를 더하고, 브리지 출력의 민감성을 줄여 리드 저항 2Ω을 브리지 암에 더 했다. 사용자는 리드 저항 RL의 측정 에러를 보상하고 스트레인 계산에서 이를 설명할 수 있다. 그러나, 더 어려운 문제는 온도 변화 때문에 발생하는 리드 저항 속 변화로부터 일어난다. 구리 리드 와이어의 온도 계수는 일반적으로 게이지의 온도 계수보다 두 배 큰 계수차수를 나타낸다. 그러므로, 온도의 작은 변화는 몇 몇 마이크로 스트레인의 측정 에러를 발생 시킨다. | + | 긴 리드 와이어와 작은 게이지 와이어(브리지 컴플리션 와이어 보다 뛰어난 저항성을 나타내는)는 스트레인 게이지 측정에서 에러의 중요한 소스가 될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 와이어 연결 스트레인 게이지에서 각 와이어의 길이는 15m이고, 리드 저항 RL은 1Ω과 같다고 가정해보자. 옵셋(offset)⁹ 에러를 더하고, 브리지 출력의 민감성을 줄여 리드 저항 2Ω을 브리지 암에 더 했다. 사용자는 리드 저항 RL의 측정 에러를 보상하고 스트레인 계산에서 이를 설명할 수 있다. 그러나, 더 어려운 문제는 온도 변화 때문에 발생하는 리드 저항 속 변화로부터 일어난다. 구리 리드 와이어의 온도 계수는 일반적으로 게이지의 온도 계수보다 두 배 큰 계수차수를 나타낸다. 그러므로, 온도의 작은 변화는 몇 몇 마이크로 스트레인의 측정 에러를 발생 시킨다. |
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| == SNR 향상을 도울 수 있는 측정 디바이스의 특징. == | == SNR 향상을 도울 수 있는 측정 디바이스의 특징. == | ||
| - | **다이나믹 레인지(Dynamic range)10**. 다이나믹 레인지는 측정 디바이스의 최대 입력 영역에 관련된 노이즈 레벨을 뜻하며, 이는 종종 데시벨(dB)에 명시되어 있다. 예를 들어, 106dB 스퓨리어스11 프리 다이나믹 레인지(SFDR) 측정 디바이지는 최대 입력 영역의 약 0.0005% 노이즈 레벨과 같다. 이는 디바이스 자체가 아주 작은 추가적인 노이즈의 원인이 된다는 것을 의미한다. \\ | + | **다이나믹 레인지(Dynamic range)10**. 다이나믹 레인지는 측정 디바이스의 최대 입력 영역에 관련된 노이즈 레벨을 뜻하며, 이는 종종 데시벨(dB)에 명시되어 있다. 예를 들어, 106dB 스퓨리어스¹¹ 프리 다이나믹 레인지(SFDR) 측정 디바이지는 최대 입력 영역의 약 0.0005% 노이즈 레벨과 같다. 이는 디바이스 자체가 아주 작은 추가적인 노이즈의 원인이 된다는 것을 의미한다. \\ |
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| - | **동상분 배제비(Common-mode rejection ratio, CMRR)12**. 외부원인의 노이즈는 모든 와이어에서 자주 똑 같이 발생하기 때문에, 고 동상분 배제비는 이런 노이즈의 높은 비율을 배제한다. \\ | + | **동상분 배제비(Common-mode rejection ratio, CMRR)¹²**. 외부원인의 노이즈는 모든 와이어에서 자주 똑 같이 발생하기 때문에, 고 동상분 배제비는 이런 노이즈의 높은 비율을 배제한다. \\ |
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| **원격 센스**. 원격 센스를 사용하는 경우, 사용자는 원격 센스 노이즈를 보상하기 때문에 데이터를 샘플링 할 때 여기 케이블에 수행되는 모든 소음을 상쇄 시킬 수 있다. \\ | **원격 센스**. 원격 센스를 사용하는 경우, 사용자는 원격 센스 노이즈를 보상하기 때문에 데이터를 샘플링 할 때 여기 케이블에 수행되는 모든 소음을 상쇄 시킬 수 있다. \\ | ||
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| - | 옵셋 영점(Offset-nulling) 회로. 두 번째 균형 방법은 조절 가능한 저항(포펜셔미터, Potentiometer)13을 제로 브리지의 출력을 물리적으로 조정하는 데 사용 하는 것이다. 지속적으로 변화하는 포펜셔미터의 저항에 따라, 사용자는 브리지 출력의 레벨을 조절할 수 있고, 초기 출력을 제로 볼트로 설정할 수 있다.\\ | + | 옵셋 영점(Offset-nulling) 회로. 두 번째 균형 방법은 조절 가능한 저항(포펜셔미터, Potentiometer)¹³을 제로 브리지의 출력을 물리적으로 조정하는 데 사용 하는 것이다. 지속적으로 변화하는 포펜셔미터의 저항에 따라, 사용자는 브리지 출력의 레벨을 조절할 수 있고, 초기 출력을 제로 볼트로 설정할 수 있다.\\ |
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| 버퍼 옵셋 영정(Buffered offset nulling). 세 번째 방법은, 소프트웨어 보상 방법과 마찬가지로, 브리지에 직접적으로 영향을 주지 않는다. 영점 회로는 플러스 마이너스 상관없이 적용가능한 DC 전압을 초기 브리지 옵셋을 보상하기위해 계측 증폭기의 출력에 추가한다. 하드웨어 영점 방법을 결정할 때에는 측정 디바이스에서 제공하는 설명서를 참고해라.\\ | 버퍼 옵셋 영정(Buffered offset nulling). 세 번째 방법은, 소프트웨어 보상 방법과 마찬가지로, 브리지에 직접적으로 영향을 주지 않는다. 영점 회로는 플러스 마이너스 상관없이 적용가능한 DC 전압을 초기 브리지 옵셋을 보상하기위해 계측 증폭기의 출력에 추가한다. 하드웨어 영점 방법을 결정할 때에는 측정 디바이스에서 제공하는 설명서를 참고해라.\\ | ||
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| 아주 작은 전압 레벨이 포함되어 있기 때문에 노이즈를 줄이고 해상도을 높이는 것은 스트레인 게이지와 비조건적 브리지 센서로부터 정확한 측정을 하기 위해 매우 중요하다. 적절한 측정 디바이스를 선택하는 것은 브리지 측정의 통합성을 크게 향상 시킬 수 있다. 더욱이 게인과 여기 레벨에서, 다이나믹 레인지, 여기 센싱, 그리고 비율 척도 아키텍쳐와 함께 측정 디바이스를 고려해야 한다. 그리고 만약 사용자가 시스템에 있는 노이즈를 줄이고자 하는 단계로 나간다면, 사용자는 여기 레벨에서 발열 에러를 줄이고 브리지 센서 신호의 정확성을 향상 시킬 수 있다. 그리고 사용자는 리드 와이어 저항의 스트레인 게이지 변화의 물리적 특성과 측정 시스템의 불완전성 보상에서의 변화를 처리하기 위해서 스트레인 게이지를 주기적으로 보정해야 한다. | 아주 작은 전압 레벨이 포함되어 있기 때문에 노이즈를 줄이고 해상도을 높이는 것은 스트레인 게이지와 비조건적 브리지 센서로부터 정확한 측정을 하기 위해 매우 중요하다. 적절한 측정 디바이스를 선택하는 것은 브리지 측정의 통합성을 크게 향상 시킬 수 있다. 더욱이 게인과 여기 레벨에서, 다이나믹 레인지, 여기 센싱, 그리고 비율 척도 아키텍쳐와 함께 측정 디바이스를 고려해야 한다. 그리고 만약 사용자가 시스템에 있는 노이즈를 줄이고자 하는 단계로 나간다면, 사용자는 여기 레벨에서 발열 에러를 줄이고 브리지 센서 신호의 정확성을 향상 시킬 수 있다. 그리고 사용자는 리드 와이어 저항의 스트레인 게이지 변화의 물리적 특성과 측정 시스템의 불완전성 보상에서의 변화를 처리하기 위해서 스트레인 게이지를 주기적으로 보정해야 한다. | ||
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| - | 스트레인 게이지1: 금속 등 재질의 신축량을 전기 저항 등으로 변환하도록 한 미소 변위 검출 센서. 재질은 응력에 따라서 변형하는데, 이일그러짐은 일반적으로 미소하다. 이것을 스트레인 앰프와의 조합에 의해 원래 길이의 100만분의 1까지 검출할 수 있는 것이 특징이다. 피측정재 표면에 접착하여 임프와 접속하여 사용한다.\\ | + | \\ |
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| + | 스트레인 게이지¹: 금속 등 재질의 신축량을 전기 저항 등으로 변환하도록 한 미소 변위 검출 센서. 재질은 응력에 따라서 변형하는데, 이일그러짐은 일반적으로 미소하다. 이것을 스트레인 앰프와의 조합에 의해 원래 길이의 100만분의 1까지 검출할 수 있는 것이 특징이다. 피측정재 표면에 접착하여 임프와 접속하여 사용한다.\\ | ||
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| - | 응력(應力, Stress)2: 물체에 외력이 작용하였을 때, 그 외력에 저항하여 물체의 형태를 그대로 유지하려고하는 즉, 물체내에 생기는 내력을 말하며 이를 변형력(變形力)이라고도 한다. \\ | + | 응력(應力, Stress)²: 물체에 외력이 작용하였을 때, 그 외력에 저항하여 물체의 형태를 그대로 유지하려고하는 즉, 물체내에 생기는 내력을 말하며 이를 변형력(變形力)이라고도 한다. \\ |
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| - | 검정( 檢定 , calibration)3: 건조실에서 실제 조건을 반영하기 위해 제어 또는 기록장비를 조절하는 행위. 흔히 온도센서, I/P 변환기(transducer), P/I 변환기에 적용하고 있음.\\ | + | 검정( 檢定 , calibration)³: 건조실에서 실제 조건을 반영하기 위해 제어 또는 기록장비를 조절하는 행위. 흔히 온도센서, I/P 변환기(transducer), P/I 변환기에 적용하고 있음.\\ |
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| - | 완료 저항기(completion resistor)4 : A resistor, typically a precision resistor, that completes a bridge measurement system and across which a voltage drop is measured.\\ | + | 완료 저항기(completion resistor)⁴ : A resistor, typically a precision resistor, that completes a bridge measurement system and across which a voltage drop is measured.\\ |
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| - | 여기 전압(excitation voltage , 勵起電壓)5: 원자 또는 분자를 구성하는 바깥쪽에 있는 전자는 외부로부터의 자극, 예컨대 입자의 충돌 또는 방사 흡수등에 의해서 높은 에너지 준위(準位)로 전이한다. 이것을 여기상태라고 한다 일반적으로 원자 또는 분자가 여기하기 때문에 흡수해야 될 일정 에너지에 해당하는 전자 볼트의 값을 여기 전압이라고 한다.\\ | + | 여기 전압(excitation voltage , 勵起電壓)⁵ : 원자 또는 분자를 구성하는 바깥쪽에 있는 전자는 외부로부터의 자극, 예컨대 입자의 충돌 또는 방사 흡수등에 의해서 높은 에너지 준위(準位)로 전이한다. 이것을 여기상태라고 한다 일반적으로 원자 또는 분자가 여기하기 때문에 흡수해야 될 일정 에너지에 해당하는 전자 볼트의 값을 여기 전압이라고 한다.\\ |
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| - | 바이아스(bias)6 : 전자관이나 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압 또는 전류이다. \\ | + | 바이아스(bias)⁶ : 전자관이나 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압 또는 전류이다. \\ |
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| - | 여기 [Excitation, 勵起]7: 전자가 기저 상태(ground state)에서 에너지가 높은 준위(여기 상태＝들뜬 상태)로 옮아가는 현상\\ | + | 여기 [Excitation, 勵起]⁷: 전자가 기저 상태(ground state)에서 에너지가 높은 준위(여기 상태＝들뜬 상태)로 옮아가는 현상\\ |
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| - | 히트싱크(heat sink)8: 전자(電子) 부품이나 소자(素子)로부터 열을 흡수하여 외부로 방산시키기 위한 구조를 말하며, 냉각용 방열기를 뜻한다.\\ | + | 히트싱크(heat sink)⁸: 전자(電子) 부품이나 소자(素子)로부터 열을 흡수하여 외부로 방산시키기 위한 구조를 말하며, 냉각용 방열기를 뜻한다.\\ |
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| - | 옵셋(offset)9: 제어계에서, 소망하는 출력상태와 실제 출력상태의 차이의 정상 값. 잔류 편차라고도 한다.\\ | + | 옵셋(offset)⁹ : 제어계에서, 소망하는 출력상태와 실제 출력상태의 차이의 정상 값. 잔류 편차라고도 한다.\\ |
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| - | 다이나믹 레인지(Dynamic range)10: 허용출력 왜곡으로 제한된 최대신호 진폭과 잡음·드리프트가 허용되는 최소신호 진폭의 비로서 증폭기가 유효하게 작동하는 진폭범위를 뜻하는 것이다. 다이내믹 영역이라고도 한다.\\ | + | 다이나믹 레인지(Dynamic range)¹⁰: 허용출력 왜곡으로 제한된 최대신호 진폭과 잡음·드리프트가 허용되는 최소신호 진폭의 비로서 증폭기가 유효하게 작동하는 진폭범위를 뜻하는 것이다. 다이내믹 영역이라고도 한다.\\ |
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| - | 스퓨리어스11: 송신기가 발사하는 전파 중에서 규정의 주파수 대역 이외의 주파수 성분을 스퓨리어스라 한다. | + | 스퓨리어스¹¹: 송신기가 발사하는 전파 중에서 규정의 주파수 대역 이외의 주파수 성분을 스퓨리어스라 한다. |
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| - | 동상분 배제비(Common-mode rejection ratio, CMRR)12: 증폭기, 기타 장치가 정규 모드의 입력신호에 대하여서는 정상으로 동작하면서 동상 모드의 입력신호에 대하여서는 이것을 제거하여 출력단에 발생시키지 않는 능력을 말한다. \\ | + | 동상분 배제비(Common-mode rejection ratio, CMRR)¹²: 증폭기, 기타 장치가 정규 모드의 입력신호에 대하여서는 정상으로 동작하면서 동상 모드의 입력신호에 대하여서는 이것을 제거하여 출력단에 발생시키지 않는 능력을 말한다. \\ |
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| - | 포펜셔미터, Potentiometer13: 직선변위와 회전변위를 전기저항의 변화로 바꾸는 가변저항기 | + | 포펜셔미터, Potentiometer¹³: 직선변위와 회전변위를 전기저항의 변화로 바꾸는 가변저항기 |
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