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중소기업 기술혁신개발사업 최종보고서

제 차 공진형 초음파 센서 및( 3

이를 이용한 거리 계측 시스템 개발 )

년 월 일2003 5 31

주 관 기 업 센서텍주식회사

개발참여기업 인터미디어테크

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 제 차 공진형 초음파 센서 및 이를 이용한 거리 계측 시스템 개발에“ 3

관한 중소기업 기술혁신개발사업 개발기간 과제의 최종보고서” ( :2002.4 ~ 2003.3.)

로 제출합니다.

년 월 일2003 5 31

주관기업 센서텍 주식회사:

과제잭임자 엄종학:

개발참여기업 인터미디어테크:

위탁연구기관 :

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요 약 서 초 록( )

과 제 명제 차 공진형 초음파 센서 및 이를 이용한 거리 계측 시스템3

개발

주 관 기 업 센서텍 주식회사 과제 책임자 엄 종 학

개 발 기 간 월2002. 4. ~ 2003. 3.(12 )

총개발사업비

천원( )

정부출연금 68,000,000총개발

사업비92.901.000

기업부담금현금 15,328,000

현물 9,573,000

참 여 기 업 인터미디어테크

위탁연구기관

개발참여기업

주요기술용어 초음파 센서 압전세라믹 거리측정기 물체탐지 레벨메타, , , , ,

기술 개발목표1.

원거리 탐지 능력을 갖는 차 공진형 초음파 센서를 개발하여 이를 이용한 저가3

형 초음파 거리측정기 개발

기술개발의 목적 및 중요성2.

산업의 발달과 세계시장 변화에 적극적인 대처를 위하여 공장자동화가 점차 가

속화 되고 있는바 최첨단 공장뿐만 아니라 주변 곳곳에 자동화 무인화가 급속ㆍ

도로 진행되고 있어 각종 계측이 필요하며 이에 적합한 센서를 필요로 한다 최.

첨단 자동화공장에서 필요로 하는 특화된 센서도 있으나 소규모 또는 작은 규모

의 공장이나 정밀도를 요하지 않는 기계장치에는 활용범위가 넓고 사용이 간편

한 저가의 센서를 필요로 한다.

기존 제품은 극히 제한된 영역에 특화된 각종 센서가 수입에 의존하여 사용되고

있으나 고가일 뿐만 아니라 사후 서비스도 어렵다 그러므로 국내에서 특정용도.

의 자동화 설비를 개발하는 수요층은 원하는 규격의 센서를 찾기가 어려우며 가

격도 적당하지 않아 채용에 많은 어려움을 격고 있다.

센서의 개발은 원재료에서부터 고도의 기술과 경험을 필요로 하며 선진국들은

이에 대한 기술을 첨단기술로 분류하여 기술이전 등을 기피하고 있는 실정이다.

이런 필요에 부합하고자 저가격으로 근거리에서부터 원거리까지 폭넓은 사용이

가능하도록 수요자의 필요에 즉각 대응할 수 있는 센서의 개발이 필요하다.

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기술 개발의 내용 및 범위3.

압전세라믹을 제조하여 이를 이용한 밀폐형 차 공진 구조를 설계 제작하여3◉특성을 평가하고 음향 접속혼을 설계 제작하여 주파수 불감지거리40kHz,

빔각도 도인 원거리 탐지가 가능하고 저가인 초음파 센서를 개발20cm, 25

이 센서를 최적으로 구동하는 송수신회로를 설계하여 마이크로프로세서를 이◉용한 신호처리 기술을 이용하여 범위 내에 물체의 탐지하여 접점출20~600cm

력 및 전압출력 또는 전류출력을 발생하는 회로를 개발하고

이들을 적용이 간편한 제품화 디자인을 통하여 물체탐지 또는 거리를 측정하◉는 공장 자동 제어프로세스용 및 기계식 레벨메타 대체용에 적용할 수 있도록하

는 저가격대의 거리 계측 시스템을 개발한다.

기술개발 결과4.

본 개발에서 목표로한 센서는 충분한 감도를 얻어 탐지거리에서 길어지고 작은

물체도 감지가 가능하였다.

항 목 평가방법 적용기준 개발목표 개발결과

공진주파수 임피던스분석기 ±0.5kHz 40kHz 40 0.3kHz土

탐지거리 반사체탐지시험타겟크기:

1mx1m5m

파이브Ø30

6m

지향각 음향시험기 지향혼 취부시 25° 3土 25° ±3

측정정밀도 계측시험 고정타겟@25 ,℃ 1% FS2.35cm @6m

0.39%

반응속도 오실로스코프 이동타겟 시험 이하105ms 90ms

기대효과5.

센서의 개발과 제어시스템의 개발을 완료함으로서 센서설계 및 제조기술과 평◉가기술 제어회로설계기술을 확보하게 되었으므로 새로운 용도에서 필요로 하는,

센서를 설계하고 필요한 제어회로설계에 적극 대응할 수 있는 기술경쟁력이 확

보되었다.

국산화에 따른 저가격 및 적용의 편리성으로 화학 식품 의약품 등 각종 자동, ,◉화 설비의 공정제어용 또는 각종 경보기 계수기등에 폭넓은 적용이 가능하므로,

산업 경쟁력의 증대가 기대된다.

현재 몇몇 현장에 설치되어 성공적으로 운용되고 있으며 수입에 의존하던 기,◉존의 초음파 센서를 상당량 수입 대체할 수 있을 것이다.

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목 차

제 장 서 론1

제 장 이론적 배경2

제 절 압전세라믹스 기본 이론1

제 절 음파의 기본이론2

제 절 방정식3 SONAR

제 절 탐지 확률 및 오탐지 확률에 의한 탐지성능4

제 절 압전 음향 트렌스듀서5

제 장 초음파 센서의 특성 평가3

제 절 음압특성 감도특성 지향성1 , ,

제 절 초음파 센서의 음향특성 측정 시스템2

제 장 초음파 센서의 개발4

제 절 초음파 센서의 종류1

제 절 압전효과를 이용한 초음파 센서의 설계2

제 절 압전세라믹스 제작3

제 절 초음파 센서 제작4

제 장 제어시스템 개발5

제 절 음파를 이용한 거리측정 원리1

제 절 시스템 개발목표 및 구성2

제 절 제어 알고리즘 개발3

제 절 회로개발4

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제 장 결과 및 고찰6

제 절 초음파 거리센서의 특성 평가1

제 절 초음파 거리 계측 시스템의 특성 평가2

제 절 초음파 거리 계측 시스템의 사용 방법3

제 절 고찰8

제 장 결 론7

제 장 참고문헌8

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본 문

제 장 서 론1

산업 발전과 더불어 집중적으로 지목받고 있는 산업분야중의 하나인 자동화산업이

급격한 성장을 이루며 가장 경쟁이 치열한 산업으로 대두되고 있다 따라서 세계.

선진국들은 자국의 경쟁력 확보를 위한 국가적 역량의 집중과 함께 많은 자본을 투

입하여 신기술 개발에 노력하고 있다.

기술개발 방향이 고기능 고성능화에 맞추어져 있는 것을 볼 때 한국도 고기능성,

각종 센서의 국산화 개발 노력에 힘써야 할 때이다 또한 수요 고객들의 요구에 맞.

추어 선진국들은 각종의 특정 용도에 가장 적합한 센서를 개발하여 안정성과 신뢰

성을 증대시키기 위하여 노력하고 있으며 이 기술 분야를 첨단 기술로 분류하여 기

술이전을 회피하고 있다.

한국에서도 이러한 고기능성 센서의 개발에 노력하여 고객의 요구조건에 맞는 센서

를 개발하여 자동화 산업에 대한 경쟁력을 확보하는 것이 시급하게 되었다 고기능.

성 센서 제조기술은 이와 같은 사회적 요구에 부응하여 산업 전반에 대한 자동화,

고성능화를 실현케 하는 기술의 핵심이라 할 수 있으나 국내의 센서 제조 기술은

아직도 대부분 시작단계에 머물고 있으며 외국에서의 기술 도입도 어려워 그 결과

선진국과의 기술의 격차 또한 날로 더 해가고 있는 실정이다.

특히 초음파 센서는 현재 사용되고 있는 여러 가지의 센서중에서 그 적용범위가 매

우 넓은 센서의 하나로서 주목받고 있으나 그 대부분이 소수의 선진국에서 높은 가

격으로 독점 공급하고 있어 이의 개발이 필수적인 과제로 부각되고 있다 근래 자.

동차 후방감지기용 초음파 센서는 우리 센서텍 주 를 포함한 몇 개 회사에서 제조( )

하고 있으나 센서텍 주 제외하고는 사업화가 미미하다( ) .

따라서 본 연구 과제를 수행함으로써 자동화용 무인화용에 사용할 수 있는 산업용,

초음파 센서의 국산화 개발을 이룩하고 나아가 다양한 용도의 초음파 센서를 개발

할 수 있는 기본 기술을 배양함과 아울러 현재 높은 가격에 수입되고 있는 초음파

센서 및 시스템을 국산화 대체하여 국내의 가격경쟁력을 향상시킴으로서 산업의 국

제 경쟁력을 높이는데 기여하고자 한다.

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제 장 이론적 배경2

제 절 압전세라믹스 기본 이론1

압전 물질이란 그에 가해지는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 서로간에 변환시,

킬 수 있는 특성을 가진 재료를 말하며 압전 효과는 재료에 가해지는 응력 전, (T),

계 변형 그리고 전기적 변위 로 표현된다 이 때 이들 변수의 관계에(E), (S), (D) . ,

압전계수가 따르게 되며 이들의 정의는 아래와 같고

이들 압전계수들을 이용해 압전 방정식을 나타내면 다음과 같다.

여기서 는 는 은 유전율 는 역유전율S eIastic campliance, c elastic stiffness, ,ε β

이다(impermeability) .

재료의 압전효과는 전기 기계 결합계수 를 사용하여 나타내는데 는 재료에 가(K) , K

해준 전기적 에너지에 대한 기계적 에너지로 변환된 에너지양의 분율 또는 그 역으

로 정의된다.

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즉,

또는

이다.

따라서 우수한 전기기계 결합계수를 가진 압전 소자에 전기적인 에너지를 가하면

압전방정식에 나타난 바와 같이 초음파신호를 발생시킬 수 있고 역으로 외부로부,

터의 초음파 신호는 압전 소자에 의해 전기적 신호로 변환이 된다 이러한 압전재.

료들의 장점을 들어보면 우선 전기 기계 에너지간의 선형적 변환이 가능하므로 나, ,

타나는 기계적 변환량 예를 들어서 진동 경우 그 진폭을 가해주는 전압의 크기를

조절함으로서 정확히 제어가 가능하고 역으로 외부의 진동신호를 정확히 선형적인,

전기신호로 받을 수 있다는 점이다 나아가 이러한 변환이 아무런 외부적 기구의.

도움없이 전적으로 재료 자체의 특성으로 인해 나타난다는 점이다 즉 종래의 복잡. ,

한 모터나 터빈이 하던 일들을 압전재료 시편으로 대치함으로써 간단히 이루어낼

수 있는 것이다.

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이러한 특성을 가지는 압전 재료에는 여러 가지 종류가 있는데 크게 나누어 압전

세라믹과 압전 폴리머를 들 수 있다 압전 폴리머는 를 대표로 하는 고분자재. PVDF

료로서 세라믹과는 달리 낮은 음향 임피던스와 높은 압전 전압상수를 특징으로 하

나 압전 변위상수가 세라믹에 비해 상당히 작다는 단점을 가지고 있다 아직까지.

폴리머는 제작상의 기술적 한계로 인해 국산화가 전혀 이루어지지 않았고 그 응용,

사례 또한 고주파 초음파소자 등 몇몇 사례에 국한되고 있다 그러나 그 유연성 센. ,

서로서의 높은 감도 형상변화의 용이성 등 많은 장점들로 인해 응용 분야가 증가,

할 걸로 기대되는 재료이다 압전세라믹은 다시 압전 단결정과 압전 다결정으로 나.

뉘어 지는데 압전 단결정은 높은 순도 재료특성의 균일성 낮은 온도계수 높은 주, , ,

파수 특성 등의 장점들을 가지고 있으나 낮은 압전 효율성 높은 가격 등의 한계로,

인해 비교적 소형 정밀 수동소자나 센서 등의 응용에 한정되고 있는 편이다 반면.

에 압전 다결정은 순도나 온도 안정성 특성의 균일성 등은 상대적으로 떨어지나,

높은 압전특성 가격의 저렴성 그리고 무엇보다도 필요에 따라 그 특성을 어느정도, ,

까지는 임의로 변화시킬 수 있다는 장점으로 인해 광범위하게 응용이 되고 있다.

대표적인 압전 다결정 재료들로는 PZT, PbTiO3, BaTiO3 등을 들 수 있는데 최근의

고출력용 압전재료로는 가 거의 대부분을 차지하고 있다고 해도 과언이 아니PZT

다.

압전재료의 사용시 주의할 점으로는 첫째 취성이 강하여 쉽게 부서진다는 점을 우,

선 들 수 있다 따라서 취급시 주의가 요구된다 다음으로는 여느 재료들과 같이. . ,

압전재료도 제작후 시간이 경과함에 따라 그 특성의 저하가 나타나는데

특히 제작후 처음 일주일간에 걸쳐 급격한 특성저하가 관찰된다 따(agingeffect), .

라서 실 제품화나 소자 의 개발 시에는 일정 시간이 지난 후의 특성을 기, (device)

준으로 하여야 할 것이다 일주일 이후에도 어느 정도의 특성저하는 계속 관찰이.

되나 그 정도는 미미한 편이어서 용도에 맞는 재료를 선택 했다면 크게 문제가 되

지는 않는다.

제 절 음파의 기본이론2

음파1.

음이란 탄성력을 가진 물체내의 주기적인 압력의 변화 입자의 변위 또는 입자의,

속도를 뜻한다.

음원의 전달되는 모양은 밀도가 소하거나 밀한 형태의 주기성을 보이는 소밀파 이

고 주기성을 갖으므로 주파수 파장 주기 진폭 전달속도등으로 표시 하게 된다, , , , .

파장 밀한 부분과 다음의 밀한 부분과의 거리:

진폭 진동하는 압력의 크기:

전달속도 주파수 파장: ×

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음의 강도2.

음의 강도는 음이 전파 방향에 수직한 평면의 단위면적을 통과하는 힘의 크기로 정

의되며 다음의 수식으로 나타낸다.

음의 강도 유효압력 밀도 음속( I: , Pe : , p : , C: )

음의 강도를 표현함에 있어서 절대적인 값으로 하는 것보다 어떤 기준강도에 대한

상대적인 크기를 강도준위로 표시하는 것이 실제 음의 강도를 취급하기가 용이해

진다 식 는 이것을 나타낸다. (2-5) .

관측 강도 기준강도( ML: . RL: )

인간이 음의 강도를 느끼는 것이 선형적이 아니고 대수적이므로 실제 음의 강도를

선형적으로 표현하는 것보다 윗식과 같이 를 취하는 것이 실제 음의 강도를 표log

현하기가 쉽게 된다.

실제로 음의 강도를 표현함에 있어서는 기준 압력에 대한 상대압력으로 표현하게

되는데 이것을 수식으로 표현하면 식 이 되는데 이것은 식 에 식 를(2-6) (2-5) (2-4)

대입하여 전개하면 된다.

관측음압 기준음압( Pe : , Peo : (1dyne/Cm2 = 1 ubar))

실제의 표현에서는 을 주로 사용* 1uPa : 100 dBuPa =1 ubar )

여기에서 은 음원준위 로서 음원으로 부터 떨어진SPL (Sound Presure Level) 1m

지점에서의 기준 음압에 대하여 음파의 강도를 로 환산하여 나타낸다dB .

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공기중에서 음파의 전송손실3.

음파가 공기중으로 방사 될때 음원으로 부터 차원적으로 방사된다고 가정하면 음3

압의 감쇠는 거리에 따라 지수함수적으로 이루어지며 이것은 식 로 표현된다(2-7) .

여기에서 은 거리 이고 는 흡수손실을 나타내는 것으로서 주파수의 제곱에 비r (m) α

례하는 특성을 갖고 있으며 매질에 따라 다른 값을 보인다.

식 는 흡수손실 를 나타낸다(2-8) .α

이것은 공기중에서 매우 적은 값을 가지므로 근거리 측정과 같이 거리가 짧고 주파

수가 낮은 경우에는 에 의한 손실 방사손실 에 비하여 무시될 수 있다20log r ( ) .

제 절 방정식3 SONAR

해당 시스템이 얼마만큼의 탐지 확률을 가질 수 있고 탐지거리가 얼마나SONAR

되는가를 계산하는 가장 기본적인 이론은 방정식에 의하여 표현된다SONAR .

이와 같은 방정식은 기능에 따라 능동 방정식과 수동 방SONAR SONAR SONAR

정식으로 되는데 거리를 측정하는 것은 음파를 방사하고 물체에 반사되는 음파를

탐지하는 것으로서 능동 의 구성을 갖게 되므로 본 연구에서는 능동SONAR

방정식을 고려하기로 한다 기본적으로 방정식이란 시스템이 요구SONAR . SONAR

하는 신호대 잡음비를 구하는 것으로서 다음과 같이 나타낸다 .

이때 은 음원 준위 은 잡음준위 는 표적강도 은 전송손실 는 지향지SL , NL , TS , TL DI

수 는 검출한계를 의미한다, DT .

식 의 의미로는 반사 신호의 크기가 전송손실과 배경소음 크기에 검출한계를(2-9)

합한 것과 동일한 값이 되도록 송신 음압을 결정 해야하며 음원준위는 송신되는 음

압의 크기를 나타내는 것으로서 음향 트랜스듀서에 인가되는 전력을 증가 시킴으로

서 크게 할 수 있으나 음향 트랜스듀서의 허용 전력에 의하여 제한 된다.

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잡음준위는 잡음의 크기를 의미하며 잡음은 크게 음향적인 것과 신호를 처리하는

회로의 전기적인 잡음으로 구분 할 수 있으며 다시 음향적인 잡음은 주변 환경에

의한 주변잡음 과 송신되는 음파가 표적외의 물체에 반사 되(Back Ground Noise)

거나 산란에 의한 영향으로 발생하는 반사잡음 으로 구분된다(Reverbration Noise) .

여기에서 반사잡음은 송신 음압이 증가되면 같이 증가되는 성질이 있으므로 반사잡

음에 의한 신호대 잡음비 는 송신 음압의 증가로는 개선할 수 없으며 단지 반(S/N) ,

사소음의 감소는 지향성을 높임으로서 가능하다 만일 표적이외는 반사되는 물체가.

없는 큰 공간이거나 고 지향 특성으로 표적이외의 반사파가 없는 경우는 거리 측정(

기로 사용시의 일반 조건 주변소음만을 고려하면 되고 주변소음은 실제의 사용 환)

경에서 측정하게 된다.

표적강도는 음파가 표적으로 부터 반사되는 양을 표현하는 것으로서 표적에 입사되

는 음압과 반사되는 음압의 비를 데시벨 로 환산하여 표시하는데 반사 물체를(dB)

구로 가정하면 반사되는 음압은 구의 중심에 가상의 음원을 가정하고 이 음원으로

부터 방사된 것으로 생각 할 수 있다 바로 이 가상의 음원이 갖는 음원준위를 표.

적에서 반사되는 음원으로 정의하게 되므로 입사되는 음원 준위보다 크게 표현될

수 있다.

식 은 구의 경우에 표적강도를 계산하는 수식이다(2-10)

구의 체적 구의 반지름 파장( T: , a: , : )λ

이상과 같은 방정식을 이용하여 시스템의 기본적인 설계가 이루어 진다SONAR .

제 절 탐지확률 및 오탐지 확률에 의한 탐지성능4

앞절의 방정식에 의하여 탐지한계 는 수신되는SONAR (Detection Threshold : DT)

신호의 크기가 잡음에 비하여 얼마나 커야 하는가를 의미하므로 시스템이 요구하는

신호 대 잡음비 를 나타내는 것으로서 다음의 수식에 의하여 결정된다(S/N Ratio)

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신호의 크기 의 잡음의 크기( S : , No : 1Hz Bandwidth

검출지수 대역폭 신호 펄스폭d : , Bw : , tb : )

탐지한계의 결정은 시스템이 필요로 하는 탐지성능을 얻기 위한 신호대 잡음비

를 결정 하는 것으로서 역으로 실현된 탐지한계로 부터 시스템의 탐지 성능이(S/N)

어느 정도 인지를 알 수 있다.

제 절 압전 음향 트렌스듀서5

세라믹 음향 트랜스듀서는 압전효과를 갖는 세라믹을 이용하여 음향 에너지를 전기

에너지로 변환하거나 전기 에너지를 음향 에너지로 변환하는 기능을 갖는 것으로서

송신음압 수신감도 지향성 등의 중요 파라메터로 표현된다 그림 은 세라믹, , . 2-1

음향 트랜스듀서를 전기적인 등가 회로로 표현 한 것이다.

그림 세라믹 음향 트랜스듀서의 등가회로2-1

그림 의 는 세라믹과 전극에 의하여 형성되는 축전기의 용량이 되며 은2-1 Cp Lm

음향 트랜스듀서의 질량을 등가적으로 나타낸 것이며 는 음향 트랜스듀서를 구Cc

성하는 구성품들의 탄성을 의미한다.

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는 기계적인 저항 성분으로 이것이 크면 손실이 크게되며 음향 트랜스듀서의 선Ri

택도도 저하된다 은 음향의 방사 임피던스로 음의 방사 면적과 매질에 의하여. Rr

결정된다 본 연구에서 사용된 음향 트랜스듀서의 주파수에 따른 임피던스를 그림.

와 같이 나타낼 수 있으며 이것은 음향 트랜스듀서의 전형적인 임피던스 특성2-2

을 보인다.

그림 음향 트랜스듀서의 임피던스 특성2-2.

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제 장 초음파 센서의 특성 평가3

제 절 음압특성 감도특성 지향성1 , ,

초음파 센서는 그 전달매질의 종류에 따라서 공중용 액체용 고체용으로 그 구조, , ,

에 따라서는 개방형 밀폐형 정합기 부착형 등으로 분류할 수 있으며 사용 주파수, ,

대역에 따라 저주파용 고주파용 초고주파용등으로 분류되는등 요구정도 및 사용목, ,

적에 따라 매우 다양한 종류가 있으나 이러한 센서의 특성을 평가하는 대표적인 항

목으로서 음압특성 감도특성 지향성등이 있다, , .

음압특성1.

음압특성은 일반적으로 음압데시벨로 정량화 되어있으며 이것은 임의의 점에서 측,

정된 음압과 기준음압과의 비를 상용대수로 취하고 이 값을 배 한 값으로 나타낸20

다 여기서 기준음압 은 공기중의 음일 경우 실. (0dB) 0.0002 bar (0.00002 Pa) [μ

효치 이다 또한 이 값은 평면진행파 음원으로부터 수파장 이상 떨어진 거리에서] .

는 10-10 에 거의 대응한다 음압레벨 은 음[W/ ] . S.P.L. (Sound Pressure Level)㎠

의 크기를 표시하는 단위이며 아래와 같은 식으로 표시된다.

여기서 는 실효음압P [ bar], Pμ ref는 기준음압 [2 x 10-4 를 나타내며 음압bar]μ

이 압력의 물리량이므로 압력단위로 표시하면

1 dyne/ = 1 bar㎠ μ

이며

기압1 = 1kg/ =1.013bar = 1.013 ×10㎠ 6 dyne/㎠

이다 또한.

1 N/ = 10㎠ 5 dyne/104 = 10 bar㎠ μ

1 Pa[N/ ] = 10㎡ -5 bar

1000 mbar = 1000 hPa

의 관계가 있다.

한편 음의 강도레벨은

로 나타낼 수 있으며 이 경우 는Iref 10-16[W/cm2 이 사용된다] .

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감도특성2.

감도특성 은 출력량에 대한 입력량의 비로서 나타내며 음의 수신레벨을(Sensitivity)

표시 하는 단위로 사용된다.

여기서 는 초음파 수신센서의 출력단에서 발생하는 전압을 는 수신센서에 입력E , p

되는 음압의 크기를 의미한다.

지향성3.

초음파 센서의 지향특성 측정법은 회전이 가능한 턴테이블위에 피측정센서를 올려

놓고 초음파 센서의 각도를 변화시키면서 음압 및 감도를 측정하여 이를 각도가 0°

일때의 값을 기준으로 각도에 따라 상대값을 도시하는 방법으로 측정하며 이는 초

음파 센서의 빔 지향성의 예리한 정도를 간단히 표현할 수 있는 방법이다 또한 일.

반적으로 지향각 크기의 기준은 음압 감도 레벨이 각도가 일때에 비하여0 -6dB˚

약 감쇄할 때의 각도를 일컬으며 이를 반감각이라고도 부르며( 50%) θ1/2로 표시한

다.

제 절 초음파센서의 음향특성 측정 시스템2

본 연구에서는 초음파 센서의 제작에 앞서 초음파센서의 제반특성 송신음압 수신( ,

감도 지향성 을 측정할 수 있는 시스템을 구성하였다, ) .

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무향 쳄버1.

초음파센서의 음향특성을 측정하기 위해서는 기본적으로 초음파센서를 주변소음으

로부터 차단시키는 것이 필요하다 따라서 우선 시스템 구성에는 무향쳄버가 필요.

하며 쳄버의 벽면은 합판 두께 으로 제작되어 초음파 송수신시 반사파의 흡( 18mm) ,

수와 외부소음 차단을 목적으로 쳄버 내부 벽면에는 요철 모양을 한 스폰지 음향

흡음재를 붙이고 센서의 측정 거리 기준이 인 것을 고려하여 내부의 공간은, 30cm

초음파 송신 및 수신기의 위치가 내부 스폰지 벽면에서 최소 이상이 되도록30cm

한다 초음파 수신시 비교측정에 필요한 콘덴서마이크로폰을 피 측정 센서의 바로.

위에 고정 시킬 수 있도록 하여 측정감도의 오차를 줄일 수 있도록 하였으며 초음,

파 송신센서는 지향성 측정도 병행할 수 있도록 하기위하여 센서를 설치할 수 있는

가공물을 만들어 스테핑 모터의 축에 고정하여 회전이 가능하도록 하였다 또한 스.

테핑모터의 컨트롤방법은 컴퓨터로서 제어할 수 있도록 설계하여 지향각 측정시 정

확한 각도 데이터를 얻을 수 있도록 하였다 각도 분해능 다음 그림은 이. ( : 0.9 )˚

러한 조건을 만족하는 무향 쳄버의 구성이다.

그림 무향쳄버3-1.

초음파 송신감도 측정2.

초음파 센서의 송신감도를 측정하기위하여 필요한 장비로는

주파수 카운터(Frequency Counter)①

정밀 볼트메터(Volt Meter)②

신호발생기(Function Generator)③

전력 증폭기(Power Amplifire)④

표준 콘덴서 마이크로폰(Standard Condenser Microphone)⑤

전치 증폭기(Measuring Amplifire)⑥

가 있으며 측정방법은 다음과 같다.

- 19 -

우선 측정할 초음파 센서를 무향쳄버내의 송신센서용 지그에 고정시키고 센서의 케

이블을 끌어 전력증폭기의 출력단에 연결하고 신호발생기의 출력. (sine wave)④ ③

은 측정주파수에 맞추어 전력증폭기의 입력단에 연결한후 전력증폭기의 을gain④

조정하면서 전력증폭기의 출력전압을 정밀 볼트메터로 측정하여 필요전압으로 맞춘

다 또한 콘덴서마이크로폰의 출력단은 전치증폭기의 입력단에 연결한다. .⑤ ⑥

이와 같이 장치를 구성한 후 피측정 센서에 전력증폭기의 조정된 전압을 공급하고,

이때 마이크로폰으로 수신된 신호를 전치 증폭기로 측정하여 송신감도를 구한다.

표 에 본 연구에서 사용되고 있는 음향특성장비의 리스트를 나타내었고 그림3-1. ,

는 초음파센서의 송신음압 및 수신감도를 측정하기위한 구성도이다3-2. .

표 초음파 음향특성 측정용 기기3-1.

품명 모델명 제조사 용도

콘덴서 마이크로폰 4135 B&K 감도 측정 기준으로 사용

전력증폭기 2671 B&K 송신용 센서에 전압 공급

전치증폭기 2610 B&K마이크로폰 및 수신센서의 측정된 값을표시

신호발생기 33120AHewlettPackard

필요한 주파수의 신호를 발생

전압계 34401AHewlettPackard

전압측정

그림 초음파 음향특성 측정 시스템 구성도3-2.

- 20 -

한편 본 연구에 사용된 표준 콘덴서마이크로폰의 감도 는, (Sensitivity)

이며 초음파 센서의 송신음압을 측정할경우에는 제 장 제 절에서 나타냈듯이 기준3 1

음압에대한 상대음압 데시벨로 송신음압을 표시하므로 측정한 감도의 단위를 환산

하는 것이 필요하다 또한 만일 측정 주파수가 일 경우에는 마이크로폰의 주. 40KHz

파수 특성 그래프에서 볼 때 실제감도는 만큼 작게 나타난다 따라서-2dB . 40KHz

일때의 콘덴서마이크로폰의 감도는

이며 공기중에서 기준음압 는0dB

이므로 콘덴서 마이크로폰의 감도는 다음과같이 나타낼수 있다.

따라서 측정된 송신음압을 라 하면P [ bar]μ

이므로 초음파 센서의 공기중 송신 음압 레벨은

이다.

그림 은 본 연구에서 사용되고있는 사에서 제작한 표준 콘덴서 마3-3. B & K 4135

이크로폰의 감도특성 그래프이다.

- 21 -

그림 표준 콘덴서 마이크로폰의 특성3-3.

초음파 수신감도 측정3.

초음파 수신감도의 측정은 송신감도의 측정법과 거의 동일하나 무향쳄버 내의 초음

파 수신측정용 지그에 피측정 센서를 콘덴서 마이크로폰과 나란히 놓고 초음파 송

신기에서 발생한 초음파 신호를 수신하여 그 측정값을 콘덴서 마이크로폰의 감도와

비교하여 수신감도를 환산한다 예로서 의 초음파 센서의 수신감도를 측정할. 40KHz

경우에는 먼저 콘덴서 마이크로폰의 수신감도를 측정하고 다음에 초음파 센서의 수

신감도를 측정한 후 두 값의 차이에다 콘덴서 마이크로폰의 에서의 기준감40 KHz

도인 를 더한 값이 측정하고자하는 초음파 센서의 수신감도이다-70.7dB .

초음파 지향각 측정4.

초음파 센서의 지향각 측정시 필요한 시스템의 구성은 송신음압 및 수신감도의 측

정시와 동일하나 지향각을 측정하고자하는 센서를 스텝핑 모터 축 위에 설치된 고

정지그에 고정시키고 초음파센서를 구동 시키면서 스테핑모터를 회전시켜 각도에따

라 측정된 감도를 각도가 일때의 감도와 비교하여 초음파빔의 지향성을 측정한0˚

다 그림 는 본 시스템으로 측정된 초음파센서의 지향특성 그래프이다. 3-4. .

- 22 -

그림 초음파 센서의 지향특성 그래프3-4.

- 23 -

제 장 초음파 센서의 개발4

제 절 초음파 센서의 종류1

초음파센서는 전자유도현상 자왜현상 압전현상중 하나를 이용하여 전기신호를 초, ,

음파로 변화하는 송신기와 그 역변환을 하는 수신기로 구성되며 이는 일반적으로

동일한 구조로도 초음파의 발생과 감지가 모두 가능하다 이러한 현상을 이용하는.

초음파센서의 대표적인 종류는 다음과 같다

전자 유도형 센서1.

자계중의 전자가 받는 힘 로렌츠의 힘 을 이용하여 초음파의 방사나 검출을 하는( )

센서로서 자왜 또는 압전현상을 이용하는 센서와는 달리 비공진형인 것이 특징이

다 전자유도형 센서의 특징으로는 노이즈에 취약하며 주파수가 높아지면 효율이.

저하되는 단점이 있으나 공진주파수에 좌우되지 않기 때문에 임의의 주파수에서도

사용가능하며 구동 또한 간단한 장점이 있다 최근에는 그다지 잘 사용되지 않는.

센서이다.

자왜형 센서2.

금속산화물 혼합분말을 압축 성형하여 제작한 페라이트나 알루페로 알루미늄 철의, ( -

합금 니켈 등을 가공하여 코일을 감은 구조를 하고 있으며 이것에 전류를 흘리면),

재료의 물리적 성질이나 구조에 따라서 결정되는 고유진동수에서 공진하여 자계와

수직인 방향으로 신축하면서 초음파를 발생하는 센서이다.

특히 페라이트를 사용한 자왜형 초음파센서는 고주파의 자장에 대하여 와전류의 발

생이 적고 에너지변환효율이 양호하기 때문에 강력 초음파 발생용 트렌스듀서 등에

도 사용되고 있다 특징으로는 견고하나 외력에 의한 저항력이 약하여 충격에 주의.

할 필요가 있으며 용도에 따른 주파수의 선정에 유념하여야 한다.

압전형 센서3.

수정 로셀염 티탄산바륨, , , BaTiO3, Pb(Ti,Zr)O3 등에서 발생하는 압전효과를 이용한

센서로서 현재 초음파 센서로 가장 많이 이용되고있는 센서이다 이러한 압전 현상.

을 이용한 초음파 센서중에서도 제작기법에 따라 여러 가지 종류로 구분되며 일반

적인 특징으로는 구조가 간단하면서도 출력전압이 크며 기계적 강도가 좋고 양호,

한 온도 및 습도특성을 지니고 있다.

- 24 -

제 절 압전효과를 이용한 초음파 센서의 설계2

초음파 센서는 이상의 음향에너지의 방출 및 검출소자라고 할 수 있으며 이20KHz

러한 센서의 엘레먼트 소자로 대표적으로 사용되고 있는 것은 압전 효과를 이용한

압전소자 압전세라믹스 이다( ) .

초음파 센서와 압전효과1.

가장 폭넓게 이용되고있는 초음파 센서의 기본소자는 강유전체를 이용한 압전재료

로 제작 되었으며 이것은 압전소자에 외부응력 진동변위 등을 가하면 그 출력단에, ,

전기신호가 발생하는 압전기직접효과와 압전소자에 외부로부터 전기를 인가하여주

면 소자에 기계적 변위가 발생하는 압전기역효과를 이용하고 있다 따라서 압전소.

자에 기계적응력을 가하면 전기적 에너지를 얻을 수 있으며 반대로 전기적 에너지

를 가하면 기계적 응력을 얻을 수 있다 이 경우 압전소자의 고유진동수를 소정의.

초음파 진동수에 맞추면 양호한 특성을 갖는 초음파발생기를 얻을 수 있으며 나아

가 소자 하나로서 초음파의 송신 및 수신을 병용할 수 있는 센서의 제작도 가능하

다.

초음파 센서의 설계2.

본 연구에서 개발 목표로하는 초음파 센서는 물체의 탐지 및 거리를 측정할 수 있

는 센서로서 통칭 공중 초음파 센서라 한다 이러한 공중 초음파 센서의 대표적인.

것으로서는 진동판에서 발생하는 초음파의 발생효율을 증가시키며 되돌아오는 초음

파를 진동판의 중앙부에 효율 좋게 집속하기위하여 바이몰프형 압전세라믹에 콘형

의 공진기를 부착한 형상의 것이 있으나 습기 및 분진 등에 노출되면 특성이 급격

히 저하되는 단점이 있어 적합하지 못하므로 본 연구에서는 내 환경성이 강한 밀폐

형 구조를 갖는 초음파 센서의 개발를 개발하는데 목표를 두었다.

밀폐형 초음파 센서의 구조는 금속판과 압전세라믹스를 접합한 바이몰프형 구조로

서 이는 압전세라믹스와 금속판을 각각 장씩 접합하여 진동판의 굴곡진동의 원리, 1

를 이용하고 있다.

이러한 밀폐형 구조를 갖는 초음파 센서는 그 구조 특성상 매우 견(Edge-Support)

고하며 습기 및 먼지에 대한 내환경 특성이 뛰어나고 특히 금속판의 가공치수의,

변경만으로도 쉽게 필요한 주파수를 갖는 초음파 센서를 얻을 수 있는 장점이 있

다 한편 기계적 임피던스가 낮으며 고주파 대역인 이상에서는 적용이 어려. 80KHz

운 단점이 있으나 비교적 낮은 주파수대에서는 우수한 진동계로 작용하여 현재 사

용 분야가 날로 확대되고 있다 그림 에 본 연구에서 개발한 제 차 공진형 초음. 4-1. 3

파센서 구조도를 나타내었다.

- 25 -

그림 초음파 센서의 구조도4-1.

한편 초음파의 감쇄율은 사용 주파수 습도 온도 대기의 오염물질 등에 의하여 변, , ,

화되며 특히 주파수가 증가함에 따라 급격히 증가하는 특성이 있고 감지 가능한,

물체의 크기도 초음파의 파장의 크기에 따라 결정되므로 거리감지용으로 적용할 경

우에는 사용 주파수를 유의하여 선정하여야 한다 표 는 초음파 센서에서 방사, 4-1.

되는 음압이 진행거리에 따라 감쇄되어 그 값이 초기 방사시의 음압에 비하여 50%

만큼 감소 될 때까지의 거리를 사용 주파수와 비교하여 나타내었다.

표 음압이 초기값의 로 감소되는 거리4-1. 50%

따라서 본 연구에서는 거리 측정 시스템의 탐지목표 범위 및 분해능을 고려하여 초

음파 센서의 주파수를 로 선정하였다40KHz .

또한 초음파 센서의 설계시 중요한 요소중의 하나로서 초음파의 원거리 음장

내에서의 지향특성이 있다 이는 초음파 음압의 크기와 함께 초음파 센(Far-Field) .

서로서 물체를 탐지할 수 있는 범위의 한계를 결정짓는 요소로서 초음파 센서의 음

파방사 단면적 와 방사면의 굴곡진동 변위 분포 공기중에서의 초음파의 파장D , λ

에 의하여 결정되며 식 로 표시 된다(4-1) .

- 26 -

여기서 는 공기중의 음속이며 는 초음파 센서의 동작주파수이다V f .

본 연구에서는 거리감지용 센서의 지향각으로 중심축에 비하여 음압이 가되는50%

각도 를 로 선정하였다(-6dB degree) 25 .˚

제 절 압전 세라믹스 제작3

전술한 바와 같이 초음파 발생원으로 가장 많이 사용하고 있는 압전세라믹스 재료

는 주성분이 크게 BaTiO3 계 재료와 Pb(Zr,Ti)O3계 재료로 대분되는데 현재에는 압

전상수가 크고 온도 안정성이 뛰어난 Pb(Zr,Ti)O3계 재료를 주로 사용한다.

Pb(Zr,Ti)O3계 압전세라믹은 정방정계인 PbTiO3와 사방정계인 PbZrO3와의 고용체

로 이루어져 있으며 및 의 비율에 의해 강유전상과 반유전상이 존재하며 강유, Ti Zr

전체상 영역에서도 와 의 특정한 비율을 경계로하여 결정체가 변화하는 특징을Ti Zr

지니고 있다 또한. PbTiO3 및 PbZrO3의 몰 비율이 제조상에 따라 의 휘발을% PbO

야기시키면 Pb(Zr,Ti)O3중에 유리된 ZrO3가 석출되므로 의 증발에 특히 유의하PbO

여야한다 또한. Pb(Ti,Zr)O3에 불순물을 가하여 변성하여 보다 융통성이 풍부하고

목적에 따른 특성을 얻는 것이 가능하며 그 방법으로는 화합물의 기본 구성원소를

하나 또는 그 이상을 화학양론적으로 다른 원소로 바꾸어 놓은 치환법과 기본 구성

원소에 여분의 원소를 가하는 첨가법이 있으며 실용적으로는 두가지 방법을 병용하

는 경우가 대부분이다.

본 연구에서는 압전세라믹의 제조법연구의 목적보다는 초음파 거리센서의 로Device

서의 세라믹소자 제조에 목적이 있으므로 상기방법에 의하여 제조된 하소 분말중

용도에 맞는 분말을 선택하고 세라믹소자의 제작에 방법에 대하여 연구하였다.

압전재료의 선정1.

초음파 센서를 구성하는 송신기 및 수신기용 적용할 수 있는 압전재료가 지녀야할

기본특성으로는

전기음향변환효율이 좋을 것①

기계적 품질계수 이 클 것(Qm)②

온도변화에 대하여 안정할 것③

등이 있으며 특히 수신기로 사용될 경우에는 압전정수 가 크고 유전율이 높은 재g

료가 유리하다.

- 27 -

현재 세계적으로 널리 이용하고있는 Pb(Zr,Ti)O3 세라믹의 특성별 종류는 크게 나

누어 계열 계열 및 부분적인 특성개선을 한 계열등 가지가HARD , SOFT CUSTOM 3

있으며 표 은 압전세라믹의 특성별 분류를 나타내고 있다4-2 .

따라서 본 연구에서 제작하는 초음파 센서는 초음파 송신기로 사용할 경우에는 송

신음압을 크게하기 위해서 공진 임피던스가 낮고 전기기계음향효율이 크며 기계적, ,

품질계수 특성이 우수한 계열을 사용하는 것이 유리하며 초음파 수신기로 사PZT-4

용할 경우에는 압전상수가 크며 온도안정성이 뛰어난 계열을 사용하는 것이PZT-5

유리하나 본 연구에서는 초음파 센서를 송수신 겸용으로 제작하여 안정적으로 물체

탐지 하는 것을 목표로 하고 있으므로 계열로 압전소자를 제작하였다PZT-5 .

표 압전세라믹 분말의 특성별 분류4-2.

대분류 기본특성 대상재료 주요 특성

HARD

계열HIGH POWER

PZT-4

PZT-8

기계 및 유전손실이 적으며 큰 음향출력

을 얻을수 있음

초음파크리닝 등 고 출력 음향- ,SONAR

발생용으로 적합

SOFT

계열

HIGH

SENSITIVITYPZT-5

HIGH SENSITIVITY ,HIGH

특성을 지님PERMITIVITY

다양한 센서 및 저출력 발생용으로 적-

합

CUSTOM

계열

특수용도에 적합하도록 를 배합하여PZT

용도에 따라 온도안정성, LOW AGING

등을 실현RATE

압전소자의 제작2.

압전소자의 제작법에는 보통소성법과 법이 있으나 본 연구에서는 비록 세hot press

라믹의 품질을 일정하게 유지하기는 어려우나 양산측면에서는 유리한 보통소성법을

사용하였고 사용 재료로는 계열을 사용하였다PZT-5 .

가 하소 파우더 입고.

본 연구에 사용되는 압전세라믹 분말은 를 사용하였으며 각 하소분말의 입고PZT-5

검사 항목으로서는 입고시 세라믹의 성적서를 기준으로하여 제조한 소자의 주파수

상수 및 유전상수, D33값을 측정하여 비교 검사하였다.

- 28 -

나 평량.

세라믹 분말을 정밀 저울을 사용하여 유산지에 필요량 만큼 평량한다 평량정도는.

유효숫자 자리 이상이 필요하다3 .

다 성형.

성형은 요구되는 압전소자의 크기와 형상에 따라 필요한 성형금형을 제작하여 분말

압축 성형법에 의하여 성형하였다 분말 압축 성형법은 성형압력의 조정으로 소결.

체의 크기를 제어하기가 용이하며 성형압은 보통 인 범위이나 본0.7~2.0 ton/㎠

연구에서는 를 적용하였다 여기서 성형체의 품질기준은 성형밀도로서1.2ton/ .㎠

관리하며 통상 내외의 범위에 있게 성형압을 조정한다5g/ .㎣

라 탈 바인더.

성형된 세라믹을 전기로에 넣고 분말내에 있는 유기 바인더를 제거하는 공정으로서

유기 바인더의 재료로서는 보통 가 사용되며 이는 이상에서는 타버리므로PVA 600℃

전기로의 온도를 로 올려 제거한다 이때 온도 상승 속도는 세라믹 내부에 기600 .℃

공을 형성하지 않도록 서서히 올리는 것이 중요하다 본 연구에서는 로 승. 1 /min℃

온하였다.

마 소성.

바인더가 제거된 성형물을 알루미나 도가니에 넣고 하소온도보다 높은 온도 에서

소결시키는 것을 소성이라하며 소성온도는 기본 조성과 불순물의 종류에 의하여 크

게 좌우되며 Pb(Zr,Ti)O3는 인 온도범위이고 유지시간은 성형물의1200 ~1350℃ ℃

크기에 따라 수십분에서 수백분이다 압전소자는 소성온도가 높다고 치밀한 세라믹.

이 된다고 볼 수는 없으며 각각의 조성에 맞는 최적 소성 온도가 있다 본 연구에.

서는 를 적용하였으며 유지 시간은 분으로 일정하게 하였다1290 90 .℃

또한 Pb(Zr,Ti)O3 는 이상에서 의 휘발이 발생하기 때문에 분위기 제800 PbO PbO℃

어가 필요하며 따라서 통기성이 없고 와 반응하지않는 고순도PbO Al2O3 도가니를

사용하여 완전 밀폐후 소성하였다.

바 검사.

소성이 끝난 압전 세라믹 소자는 전항의 공정의 잘못으로 변형이나 금이 생 기는

경우가 있으므로 이를 검사하여야 하며 소결체의 수축율 및 소성밀도를 측정한다.

- 29 -

사 가공.

압전 소자는 진동체로 사용되므로 규격의 정밀도가 매우 중요하므로 소성체 의 연

마 및 가공이 필요하다 본 연구에서는 레핑 을 사용하여 두께. M/C 8.0mmφ

로 가공하였다0.2mm .

아 전극인쇄.

압전소자에 일반적으로 사용되고있는 전극재료는 은 분말과 유리질 분말의 혼합물

에 수지류와 용매를 가하여 페이스트상으로 만든 이며 본 연구에서는Ag Paste Du

사에서 제작한 를 사용하여 실크인쇄기로 전극을 형성하였다Pont 7095 .

자 전극 소성.

압전소자의 양면에 입힌 전극 재료는 에서 분간 열처리를 거쳐 전극 을 형590°C 10

성하였다.

차 분극.

분극이란 압전세라믹에 압전성을 주기위하여 자발분극의 방향을 일정하게 만들어주

는 것으로 분극의 방법으로는 온도를 올려 직류전계를 가하는 고 온 분극법 직류,

전계를 인가하면서 동시에 교류전계를 인가하는 교류전계법 큐리점 이상의 온도에,

서 직류전계를 인가하면서 온도를 하강시키는 전계냉각법 등 여러 가지가 있으나

본 연구에서는 일반적으로 사용되는 고온 분극법으로 하였으며 보통 전계의 크기는

를 인가하나 본 연구에서는 를 적용하였다 또한 압전소1.5 ~2.5KV/mm 2.0KV/mm .

자의 분극효과를 높이기 위하여 로 가열한 실리콘 오일속에서 분간 유지하120°C 15

여 분극하였다.

카 측정.

압전소자는 분극후 시간경과에 따라 분극의 안정화와 공간전하의 영향으로 여러 특

성이 변화하는데 이를 경시 변화특성 이라하며 특성이 안정될 때까지는 보통 일주

일 정도의 시간이 필요하다 따라서 압전소자의 특성 평가에 앞서 이 변화를 가속.

화하여 안정한 상태에서 측정할 필요가 있다 보통. Pb(Zr,Ti)O3는 에100 ~ 200°C

서 일정시간 유지하며 본 연구에서는 시간 방치 일 후 측정을 기준으로200°C 2 1

하였다.

또한 측정항목으로는 압전소자의 크기 밀도 유전상수 절연저항 주파수상 수 전, , , , ,

기기계결합계수 기계적품질계수를 측정하여 하소파우더 제조사의 특성 과 비, SPEC

교하여 제작 공정평가및 세라믹의 특성을 평가하였다 그림 에 압전세라믹 제조. 4-2.

공정도를 표 에는 본 연구에 사용된 의 파우더 특성을 나타내었다4-3. PZT-5 .

- 30 -

공 정 도 공정 명 주요 설비

▽ 하소분말 입고

○ 평량 정밀 저울

○ 성형 성형 프레스

○ 바인더 제거 전기로

○ 소성 전기로

◇ 세라믹검사 마이크로메타

○ 가공 레핑 가공기M/C,

○ 세척 초음파 세척기

○ 전극인쇄 인쇄기

○ 전극소성 전기로

○ 분극 븐극 M/C

○ 세척 초음파 세척기

◇ 특성검사 D33 임피던스METER,

어날라이져

그림 압전 세라믹 제조공정도4-2.

- 31 -

표 압전 세라믹 파우더의 특성4-3.

항 목 PZT-5 비 고

밀도[×103 Kg/m3]7.5

기계적품질상수 DISC100

유전상수 @1KHz1725

유전손실 @1KHz,low2.0

전기기계결합계수 Kp field0.62

전기기계결합계수 K330.72

전기기계결합계수 K310.36

압전상수d31[×10-12Meter/volt]-173

압전상수d33[×10-12Meter/volt]380

압전상수g31[×10-12Meter/volt]-11.5

압전상수g33[×10-12Meter/volt]25.0

주파수상수 N2[KHz-Meter]1.778

주파수상수 N3[KHz-Meter] 두께진동모드0.876

주파수상수 Np[KHz-Meter]1.994

경방향진동모드

압전소자의 특성분석3.

본 연구에서 제작된 압전세라믹은 거리감지용 센서일 경우 압전세라믹 소자가 센서

의 진동판과 접합된 밀폐형 구조로서 굴곡진동을 이용하므로 세라믹의 두께가 얇은

것이 유리하고 또한 초음파 센서의 허용입력전압 지향각 및 임피던스의 크기 정전, ,

용량 등을 고려하여 설계하여 세라믹을 제작하였다.

다음 그림 은 본 연구수행에 따라 제작된 압전세라믹 소자의 형상을 나타낸다4-3 .

- 32 -

그림 거리감지 센서용 압전세라믹 소자4-3.

다음그림 는 거리센서용으로 사용하기위하여 제작된 압전세라믹 소자의 임피던4-4

스 특성 그래프이다.

그림 압전세라믹 소자 임피던스 특성4-4.

- 33 -

제 절 초음파 센서 제작4

본 절에서는 앞 절에서 언급된 초음파 센서의 개발목표에 따라 거리 측정용센서의

제작방법에 대하여 서술한다.

기존제품의 차 공진모드가 기본 공진모드이나 진동판을 더욱 얇고 직경을 크게하1

면 차 공진모드가 될 수 있다 그 결과 방사면적이 넓어서 지향각이 좁아지3 40kHz .

고 효율이 증가하여 본 거리계측 시스템에서 필요로하는 센서를 제작할 수 있다.

초음파 센서의 구조를 그림으로 비교하면 그림 과 같다4-5 .

기존제품의 공진모드

(1'st resonant mode

개발제품의 공진모드

(3'rd resonant mode

그림 초음파 센서의 공진모드 비교4-5.

센서 케이스 제작1.

본 연구과제에서 개발하는 제 차 공진형 초음파 거리센서는 내환경특성이 뛰어난3

밀폐형 구조로서 특히 센서 케이스의 밑면은 압전소자와 붙어 굴곡진동을 하는 가

장 중요한 부분으로 식 과 같이 케이스의 사용재질 및 밑면판의 단면적 크기(4-2)

및 두께에 따라 센서의 주파수가 결정되는 특징이있다 즉 기계적 공진 주파수. fsn

은

이다 여기서 는 케이스 밑면의 두께 는 단면적이며 는 케이스 재료의 영율. h , D Y , p

는 밀도 는 포아손비이며 는 벳셀함수이다, .σ β

따라서 케이스의 밑면부위는 센서의 정전용량 허용입력전압 절연내력 등이 고려되, ,

어 제작된 압전소자의 단면적 보다는 넓어야하며 센서의 지향특성 또한 케이스 밑,

면의 단면적의 크기에 따라 결정되므로 치수의 결정에는 제약이 많다 그러므로 센.

서의 공진주파수 조정은 케이스 밑면의 두께를 조정함으로써 쉽게 맞출 수 있다.

본 연구에서는 알루미늄 을 사용하여 케이스를 설계 제작하였다 그림 은2011 . 4-6

거리센서로 설계된 케이스의 설계도이다.

- 34 -

그림 초음파식 거리센서의 케이스4-6.

압전소자 납땜2.

압전소자의 방향에는 리드선을 납땜하여 센서의 출력단자와 연결하였다 이때(+) .

납땜시에는 인두의 온도에 따라서 압전소자의 특성에 열화될 우려가 있으므로 온도

조절이 가능한 인두를 사용하는 것이 바람직하며 납땜의 크기는 최소한으로 하도록

노력하여야하나 납땜시의 압전소자의 은전극의 비산이 발생하지 않아야하고 납땜후

에는 접착강도가 좋아야한다 본 연구에서는 인두의 온도를 이하로 하였으며. 320℃

사용한 납의 종류는 일본의 사의 를 사용하였다SENJU METAL E-110 0.5[mm] .φ

압전소자 접착3.

케이스에 압전소자를 접착하는 접착공정도 센서의 특성을 결정하는 매우 중요한 요

소이다 이는 접착상태에 따라 센서의 임피던스 특성이 변화하며 특히 초음파 센서.

의 송신음압 및 수신감도 신뢰성 등에 많은 영향을 주므로 주의하여야할 필요가,

있다 따라서 본 연구에서는 일정한 접착면을 얻기위하여 케이스 밑면을 다이아몬.

드 공구를 사용하여 가공하였으며 접착시 압전소자의 전체면에 일정한 압력을 주,

어 접착층이 얇고 일정한 두께를 갖도록 하였다 압전소자의 부착방향은 케이스를.

로하여 접착층을 통하여 접촉되도록하였다 또한 접착재의 선정에 따라 접착층(-) .

의 두께 및 음향특성 신뢰성 등에 많은 영향을 주므로 접착재 선정시에는 접착재,

의 점도 경화시간 내온도특성 경화후 경도 접착강도 등을 고려 하여야한다, , , , .

출력 단자선 연결4.

거리감지용 초음파 센서의 사용 주파수는 이므로 출력단자로 사용할 선의40 [KHz]

종류는 외부의 노이즈의 영향을 적게 받기위하여 을 사용하여야 하며Shield-Cable

압전소자의 단자와 의 내부 코아와 연결하고 의(+) Shield - Cable Shield-Cable

실드선과 센서 케이스를 연결한다 이때 센서 케이스의 재료가 알루미늄으로 되어.

있어 직접 납땜하기에 어려움이 있으므로 본 연구에서는 도전성 접착제를C-929

사용하였다.

- 35 -

흡음재 삽입5.

본 연구에서 개발하는 초음파 센서는 송수신 겸용을 목표로 하고있으므로 초음파

송신시 압전소자의 뒷면으로 발생하는 잔향진동을 억제하여 초음파 센서의 센서의

근접거리에 있는 물체의 감지가 용이하도록 하여야한다 이를 위한 방법으로 보통.

기공이 많고 경도가 낮은 수지를 압전세라믹소자의 뒷면에 부착하여 압전세라믹 뒷

면에 발생된 초음파를 빨리 감쇄시키는 방법을 사용하고 있다 이러한 방법은 센서.

의 종류 및 감지범위에 따라 그에 적합한 재료를 선정하고 그에 맞는 센서의 제작

방법이 고려되어야하는 매우 중요한 부분이다 본 연구에서는 면섬유를 두께.

로 제작하여 압전소자의 뒷면에 차 흡음재로 넣고 그 뒤에2[mm], 10.0[mm] 1φ

콜크라바를 차 흡음재로 넣었다2 .

실리콘 몰딩6.

초음파 센서의 내환경 특성을 위해서 센서의 뒷부분은 습기 및 먼지 등의 침투를

방지하기 위하여 수지 등의 재료로서 기밀하는 것이 필요하다 이때 수지가 지녀야.

되는 특성으로는 압전소자의 진동방해를 일으키지 않아야하며 접착성이 뛰어나 충,

분한 기밀을 유지할 수 있어야하며 온도특성 등 내환경성에 대한 신뢰성이 높은,

재료를 선정하여야한다 본 연구에서는 실리콘 수지를 사용하여 디스펜서로 몰딩하.

였다 그림 은 본 연구과제 수행시 제작한 초음파센서의 내부 구조도이다. 4-7 .

그림 초음파센서의 내부 구조도4-7.

- 36 -

제 장 제어 시스템 개발5

제어시스템은 크게 초음파센서를 구동하는 구동회로 및 반사되어 되돌아오는 신호

를 처리하는 수신회로와 이 회로들을 제어하고 수신회로의 출력을 처리하여 원하는

정보의 형태로 처리하는 제어회로로 구성된다 제 장 에서는 이러한 제어시스템을. 5

설계하기 위한 기본 이론 및 설계 방향에 대하여 논의한다.

제 절 음파를 이용한 거리 측정원리1

거리 측정의 기본 원리는 제 장 절의 방정식에 의하여 음파를 펄스 형태2 3 SONAR

로 변조하여 방사하고 측정 물체에 반사되어 들어오는 것을 검출하여 음파가 방사

된 시간으로부터 반사파의 검출까지의 시간을 측정하여 그 시간에 음속을 곱하여

거리를 계산함으로서 거리를 측정하는 원리이다.

이와 같은 관계는 다음의 수식으로 나타낸다.

반사파의 경과시간 공기중의 음속(Td = (sec), C = )

이때 음속은 다음의 수식과 같이 구해진다 [6].

음파가 진행하는 매질의 특성에 의하여 각기 다른 음향 임피던스가 존재 하는데 음

파가 반사하게 되는 것은 음파가 진행하는 매질과 반사되는 매질의 음향 임피던스

의 차이에 의한 것으로서 한 매질에서 다른 매질로 입사될때 각 매질의 음향 임피

던스에 의하여 아래의 식 과 같이 반사계수가 계산된다(5-3)

표 에 대표적인 매질의 음향특성을 나타낸다5-1 .

진행중인 매질의 음향임피던스(Z1 : ,

입사되는 매질의 음향임피던스Z2 : )

- 37 -

여기에서 음향 임피던스는 식 로 표현된다(2-4) [6].

또는 의 단위[ Kg/m2 .S g/Cm2 .S = ubar/Cm/s }

공기의 음향임피던스 물의 음향임피던스* = 40.8 , = 1.44 X 105

공기중에서 물로 음파가 입사하는 경우에 반사계수는 가 되어 반* 0.9994 99.94%

사된다.

대부분의 물질은 물보다 음향 임피던스가 크다* .

표 매질의 음향특성5-1

제 절 시스템 개발목표 및 구성2

시스템의 설계에 있어서 중점적으로 분석이 요구되는 것은 개발목표인 이하의3Cm

분해능과 의 최대 탐지거리를 얻기 위하여 고려되어야 하는 송신음압 및6m Level

거리측정에 있어서의 오차유발 요소들과 음향센서를 효율적으로 구동하고 반사파를

수신하기 위한 회로의 설계에 있다 그러므로 온도 및 분석거리에 따른 오차를 분.

석하고 이것을 교정하는 방법을 연구하여 센서의 송 수신회로 및 제어회로의 설계,

시 반영함으로서 측정 거리 오차가 적고 탐지성능이 뛰어난 시스템을 개발할 수 있

다.

- 38 -

송신음압 및 출력전력 분석1.

음파를 이용한 실제의 시스템에서는 요구되는 탐지성능에 의하여 탐지한계가 설정

되고 이 탐지한계 및 주변소음 측정거리 표적강도 등에 의하여 탐지거리의 제한 및, ,

오탐지에 의한 오차가 발생 하게 된다.

이와 같은 관계를 고려하여 시스템의 송신음압을 구하게 된다.

제 장의 식2 (2-11) 에 의하여 를 구하면 식 와DT (5-5)

같이 된다.

필요한 를 구함으로 해서 방정식에 의하여 필요한 음원준위를 구한다DT SONAR .

이 시스템에서는 소음준위 대역에서 잔향소음을 포함한 소(NL)=50dB uPa(40KHz

음준위 전송손실 에서의 전송손실 표적강도 지향지), (TL)=10dB (3m ), (TS) = -6dB,

수 시험에 사용된 음향 트랜스듀서의 특성 이므로 요구되는 송신음압(DI)= 13dB ( )

은

이러한 송신음압을 얻기 위한 전력은 식 에서 구한 송신음압을 식 에 대입(5-6) (5-7)

하면 된다.

식 에서 효율 이 매우 나쁜 것은 세라믹 음향 트랜스듀서에서 공기중(5-7) n (-63dB)

으로 음이 방사 될때 음향 임피던스의 큰 차이에 의하여 경계면에서 대부분 반사,

하기 때문이다.

- 39 -

측정오차 유발 요소 분석2.

가 온도에 의한 오차.

식 의 측정거리는 음속과 반사파의 도래시간의 함수로 되어 있는데 음속이 온(5-8)

도에 의하여 변화하므로 반사파의 도래시간이 같은 경우에도 다른 거리로 계산 된

다.

이때 온도에 따른 음속의 변화는 아래의 수식과 같다.

윗 식에서 의 변화에 따른 음속의 변화를 로 나타내면 식 이 되어 의1 % (5-10) 1℃ ℃

온도차에 따른 오차율은 가 됨을 알 수 있다0.18% .

나 반사파 크기에 의한 오차.

펄스 형태로 변조된 신호가 반사파가 되어 수신될 때 음향 트랜스듀서의 주파수 응

답특성 매질의 주파수 응답특성 및 수신 회로의 주파수 응답특성에 의하여 신호의,

형태가 펄스가 아닌 다른 형태로 변화되게 된다 음향 트랜스듀서와 수신 회로의.

주파수 응답특성은 대역통과 여파기의 특성을 보이고 매질의 응답특성은 저역 통과

여파기의 응답 특성을 보이나 음향 트랜스듀서나 수신 회로의 특성에 비하여 저역

통과 여파기의 특성이 차지하는 비중은 매우 작으므로 전체의 주파수 응답특성은

음향 트랜스듀서와 수신회로의 대역통과 여파기로 간략화 시킬 수 있다.

수신 회로의 대역통과 여파기와 음향 트랜스듀서가 가지는 대역통과 여파기가 조합

되어 하나의 대역통과 여파기로 분석된다.

이 대역통과 여파기의 펄스에 대한 시간 응답특성을 구하여 수신 파형의 모양을 결

정한다.

대역통과 여파기의 공진 주파수를 로 하고 대역폭을 로 하면 시험 시40HKz 750Hz (

스템의 공진 주파수 및 대역폭 주파수 응답 특성은 다음의 수식으로 된다) .

- 40 -

시간 응답 특성을 구하기위하여 식 의 결과를 역라플라스 변환을 하면 다음과(5-11)

같다.

식 에서 일정한 시간폭을 갖는 개의 펄스에 대한 시간응답 특성만을 고려하(5-12) 1

면 허수 부분을 생략 할 수 있다.

에서의 초기치 조건과 에서의 수렴조건을 고려하고 수렴시의 값을 로 정t=0 t= 1∞

규화 하면 식 를 시간폭이 인 펄스에 대한 시간 응답을 식(Normalization) (5-12) T

으로 할 수 있다(5-13) .

그림 은 식 을 인 펄스에 대하여 에서 까지에 대하여5-1 (5-13) T=1.8mS t=0 t=5mS

분석하여 반사파의 포락선 크기가 변화하는 것을 도식화 한 것이다.

반사되어 되돌아오는 음파는 측정 물체와의 거리 측정 물체의 형상 및 크기등에 따

라 크기가 변화되므로 식 에 의하여 그 크기를 구 할 수 있다(5-14) .

- 41 -

이때 반사파의 크기가 변화하면 그림 에서 보는 바와 같이 일정한 임계값에 의5-1.

하여 신호를 검출 할 경우 반사파 크기에 따라 반사파의 도래시간 가 변화하게Td

됨으로서 오차가 발생하게 된다.

그림 반사파 포락선의 시간 응답 특성5-1. Simulation

그림 에 의하여 신호 크기에서 가 될때의 시간 지연은 가 됨을 알 수5-1 0.4 0.2mS

있다 이때를 기준으로 거리를 계산하면 신호의 크기가 반으로 줄어든 경우에는 그.

림 에서 신호의 크기가 이 되는 시간에 신호가 검출되게 되어5-1. 0.8 0.5mS

의 시간이 지연되게 된다 이것은 에서(0.7mS-0.2mS=0.5mS) . 20°C 0.5mS x

의 오차가 생긴다 반대로 신호의 크기가 배가 되면 의172m/see = 8.6Cm . 2 0.1mS

시간이 앞서게 되어 실제보다 측정 거리가 감소하는 오차가 발생 된다

측정 오차 교정 방안3

측정오차를 교정하기 위하여 다음과 같은 사항에 대하여 오차교정을 하게 된다.

가 온도에 의한 오차교정.

온도에 의한 오차의 교정은 별도의 온도 센서를 이용하여 음파가 방사되는 공간의

온도를 측정하고 이 온도값에 의하여 식 로 음속을 구하고 식 에 의하여, (5-9) (5-8)

거리를 계산함으로서 온도에 의한 오차를 교정하게 된다.

온도에 대한 측정 오차는 시스템이 요구하는 측정 정밀도에 의하여 결정되는데 측

정 정밀도를 정도로 하면 에 의한 오차가 식 에서와 같이 이0.4% 1°C (5-10) 0.18%

므로 온도의 측정 정밀도는 이내의 정밀도가 요구된다2°C .土

- 42 -

나 반사파 크기에 의한 오차교정.

반사파의 크기는 식 로 구해지며 여기에서 가변적인 요소는 전송손실과 표적(5-14)

강도가 된다 표적강도는 주파수와 형상 및 크기에 의하여 결정 되는데 지향성이.

우수한 트랜스듀서를 사용 할 경우 근거리에서는 측정물체가 일정한 크기 이상 이

면 영향을 적게 받으므로 오차의 교정 요소에서는 제외 된다.

이와 같은 관계를 고려하여 EL=SL-2TL+TS 에서 가장 영향을 크게 받[dB uPa]

는 것은 전송손실에 의한 것으로 전송손실을 시간의 함수로 표현하면 다음의 식

로 된다(5-15) .

음속 반사파 지연시간( C= , t= )

식 에서 전송손실은 시간의 함수이므로 반사파 수신 회로에서 시간에 따라 전(5-15)

송손실과 같은 값으로 이득을 증가시키면 전송손실에 의한 반사파의 크기 감소를

보상 할 수 있다.

다 반사파 자체의 오탐지에 의한 오차교정.

실제의 시스템에서는 탐지한계가 제한 되므로 신호 자체의 오탐지에 의하여 오차가

발생하게 된다 이것은 실제의 신호 특성을 이용하므로서 제거 할 수 있다. .

몇 개의 송신 주기에서는 측정 물체의 변화가 적으므로 수신된 반사파의 시간 지연

이 이 특성을 만족하는 가를 검사하므로서 이 특성을 만족시키지 않는 신호를 제거

하는 방법을 적용하게 된다.

제안된 시스템에서는 현재 측정되고 있는 거리에 추적 게이트 를(Tracking Gate)

의 범위로 설정하여 게이트 안에 들어오는 신호만을±0.40mS ( ± 67mm) ( Gate)≡

취하고 다시 이 신호의 평균치를 구함으로서 반사파 자체의 오탐지에 의한 오차를

제거 할 수 있도록 설계하였다.

제안된 오탐지 확률 는 전체의 측정 시간대 에 걸쳐서 발생하게 되는데0.5% (40mS)

전체 시간에 대하여 동안에 오탐지가 일어날 확률은 가 되므0.8mS 0.8÷40 = 0.02

로 전체의 오탐지 확률은 가 되어 전체의 오차에 대하여 영0.5%×0.02 = 0.01%

향을 주지 않게 된다.

이와 같은 관계를 고려하여 시스템의 오탐지 확률을 정의 하고 신호의 특성을 이,

용하여 오탐지를 개선하는 방법을 통해 반사파 자체의 오탐지에 의한 영향을 배제

하도록 한다.

- 43 -

제 절 제어 알고리즘 개발3

신호 처리 개념1.

본 연구에서 정밀한 오차 측정을 위하여 온도 반사파의 크기 및 오탐지를 고려 하,

여 다음과 같이 시스템을 설계 하였으며 신호 처리도는 그림 와 같다5-2. .

그림 신호 처리도5-2.

전치 증폭기는 일정한 이득 특성을 갖는 선형 증폭기로서 주파수 및 시간에 관계없

이 신호를 이득 만큼 증폭한다 이득 는 검출회로에서 필요로 하는 크기에 의하여. G

결정되게 된다 대역통과 여파기는 신호의 대역폭을 제한 함으로서 신호대 잡음비.

를 높이고 파형의 정형을 위하여 이용하였으며 이러한 관계는 식 에 잘 표현(5-11)

되어 있다 이 대역통과 여파기는 세라믹 음향 트랜스듀서와 회로로 구현되는 대역.

통과 여파기의 조합에 의한 특성으로 나타낼 수 있다 검출 회로는 입력 신호가 기.

준치 보다 크면 출력을 로 하고 기준치 보다 작으면 으로 하므로서 기준치의 설1 0

정에 의하여 결정된다.

시스템 제어 및 오차 교정을 위한 알고리즘2

시스템 제어 프로그램은 시험 시스템의 회로를 제어하고 검출된 신호의 도래 시간

과 온도를 측정하여 이로부터 거리를 계산하고 계산된 거리를 단위 시간별로 평균,

화여 평균적인 측정거리를 구하는 기능을 가져야 하므로 그림 과 같은 흐름을5-3

갖는 알고리즘을 개발하였다.

- 44 -

그림 제어 프로그램 구성도5-3.

제 절 회로개발4

그림 의 개념을 갖는 시스템 불럭을 구현하기 위하여 실제로 제작된 시스템의5-2.

구성도는 그림 과 같다5-4. .

온도 센서로는 상온에서 의 저항값을 나타내는 재료 정수 가(25°C) 5Kohm(±1%) ( )β

인 를 사용하였다3324 Thremistor .

의 온도에 따른 저항값은 다음의 수식으로 정의된다Thremistor .

여기에서 은 상온 에서의 저항값이고 은 에서의 절대 온도이므로R1 (25°C) T1 25℃

이된다298 .

- 45 -

는 측정되는 절대온도를 나타낸다 그러므로 측정 온도는 식 이 된다T . (5-17) .

그림 시스템 구성도5-4.

식 에서와 같이 저항값 을 측정하면 온도를 알 수 있다 저항값을 측정하는(5-17) R .

방법은 와 로 구성된 충전회로를 구성하여 충전전압이 인가전Thremistor Capacitor

압의 가 되는 시간을 측정하면 저항값은 이 측정된 시간으로부터 구할 수 있는63%

데 이에 대한 식은 다음과 같다.

여기에서 는 충전전압이고 은 충전회로의 인가 전압이다Vo Vin .

식 에서 가되면 이 된다(5-18) R x C=t Vo=Vin x 0.63 .

그러므로 충전전압이 인가전압의 가 되는 시간에서 저항값은 식 가 된다63% (5-19) .

윗 식에서 충전시간 를 마이크로 프로세서를 사용하여 측정하여 저항값을 구하고t

다시 이 저항값으로부터 온도를 계산하였다.

- 46 -

제 장 결과 및 고찰6

제 절 초음파 거리센서의 특성 평가1

본 연구과제 수행에 따라 제작된 제 차 공진형 초음파 거리센서의 특성을 개발 목3

표와 비교하여 달성 정도를 평가하였다.

평가 항목 평가방법 적용기준 개발목표 개발결과

공진주파수 임피던스분석기 ±0.5kHz 40kHz 40± 0.3kHz

임피던스 분석기로 제작된 센서의 임피던스를 측정하면 그림 와 같은 형태의 그6-1

래프가 되는데 이때 그래프에서 임피던스가 가장 작은 주파수가 공진주파수이다.

이 공진주파수를 측정한 결과가 표 에 있다6-1 .

센서의 전기적 특성을 결정하는 요인에는 센서의 외장케이스의 구조 압전세라믹의,

특성 작업 공정등이 있으며 특성의 재현성을 갖기 위해서는 이러한 요인들의 기본,

적인 허용 오차 범위를 매우 세밀하게 유지하여야 함을 알게 되었다 특히 센서 케.

이스의 외장 두께의 허용공차는 의 범위내에 있어야 하며 내부에 세라±5/1000[ ]㎜

믹을 붙이는 위치의 허용오차도 최소로 할 수 있는 지그장치가 필요하였다.

그림 초음파 센서의 임피던스 특성6-1.

- 47 -

표 초음파 거리센서의 전기적 특성6-1.

그림 는 본 과제에서 개발된 초파 거리센서와 음향집속혼의 사진이다6-2. .

그림 초음파 거리센서 및 음향 집속혼6-2.

그림 은 본 연구에서 개발 제작한 거리감지 센서의 지향특성을 본 연구수행에6-3

따라 파이프를 반사체로할 때 시스템에서 측정된 전압을 단위로 나타낸115 dB㎜∅것이다.

- 48 -

그림 초음파 센서의 지향특성6-3.

제 절 초음파 거리 계측 시스템의 특성평가2

본 연구과제 수행에 따라 제작된 초음파 거리 계측 시스템의 특성을 개발 목표와

비교하여 달성 정도를 평가하였다.

평가 항목 평가방법 적용기준 개발목표 개발결과

탐지거리 반사체탐지시험타켓크기:1m×1m

5m파이브30∅6m

측정정밀도 계측시험 고정타겟@25 ,℃ 1% FS 0.39% @6m

반응속도 오실로스코프 이동타겟 시험 이하105mS 90mS

제어 모듈1.

본 연구개발은 센서의 개발과 제어시스템의 개발을 동시에 수행하여 개발목표인

이상의 최대 탐지거리를 얻기 위하여 고려되어야 하는 센서의 구동특성에 부합6m

하는 회로 및 거리측정 오차를 줄이고 탐지성능을 높이기 위한 시스템 개발연구를

수행하였다.

제작된 회로의 부품 배치도는 그림 와 같으며 그림 은 제작된 회로모듈의6-4 , 6-5

사진이다.

- 49 -

그림 제작된 회로의 부품배치도6-4.

그림 제작된 회로모듈6-5

개발품의 구조2.

개발품의 구조는 다음 그림 과 같이 콤펙트하게 설계제작 하였으며 다양한 장소6-6

에 다양한 각도로 설치가 쉽도록 외면을 의 나사형태로 제작하였다 센서주변M30 .

을 고무 혼으로 감싸서 외부 충격을 차단하고 보호등급을 로하여 옥외설치가IP65

가능하다 시스템의 뒷부분에 를 두에 시스템의 동작상황을 알아볼 수. Bicolor LED

있게 하였다 그림 은 완성 제품의 사진이다. 6-7 .

- 50 -

그림 개발품의 내부 구조6-6

그림 제작된 거리 계측 시스템 완성품6-7.

초음파 거리계측 시스템의 특성 평가3.

본 개발품 초음파 거리계측시스템을 고정시켜놓고 두 종류의 물체를 이동 시키며

탐지가능 영역을 측정하였다 개발 목표인 평판은 타겟 강도가 아주 커. 1m X 1m

서 훨씬 넓고 먼 거리까지 탐지가 되어 그보다 작은 및 의 파이프115 30㎜ ㎜∅ ∅종을 이동시키며 측정한 결과를 그림 에 나타내었다 곡선의 내측이 탐지 가능2 6-8 .

영역으로 까지 감지가 가능함을 알 수 있다6m .

- 51 -

그림

초음파 거리계측 시스템의 탐지범위6-8.

초음파 송수신시 오실로스코프 파형은 아래 그림 와 같다 그림에서 첫 번째 송6-9 .

신과 두 번째 송신의 시간 간격은 이므로 응답속도는 가 된다90mS 90mS .

그림 송신 주기 파형6-9

- 52 -

개발품의 시스템 사양4.

본 개발품의 시스템 사양은 아래 표 와 같다6-2 .

항 목 개발 목표 개발 결과탐지 거리 5m 6m빔각도 25° 25°

검출물 크기 이상2 × 2㎝ ㎝ 파이프30φ검 지 대 상 액체 또는 고체 액체 또는 고체측정 정확도 이내1% FS 2.35㎝

출 력전류출력 4 ~ 20㎃ 4 ~ 20/20~4㎃전압출력 없 음 0~10/10~0V접점출력 NPN open collector 등 종NPN S1, S2,S3 3

정 격전원전압 DC24V, ±10% DC 15~30V소비전류 이하200㎃ 이하35㎃

내환경성사용온도범위 -25 70～ ℃ -25 70～ ℃사용주변습도 35 85%RH～ 35 85%RH～

표 시스템 사양6-2

개발품의 출력 사양4.

개발품은 접점출력 종 및 측정 거리값을 전압 전류 출력을 선택할 수 있3 / , RS232C

으며 동작 모드는 표 와 같다6-3 .

표 초음파 거리계측 시스템 출력 사양6-3

- 53 -

위의 표에서 는 접점 출력의 종류를 나타내며 그 용도는S1, S2, S3

S1 mode : Windoe mode = distance mode

S2 mode : Background mode

S3 mode : Double switching point mode

전류출력A mode : (4~20mA)

전압출력V mode : (0~10V)

통신 출력D1 mode : RS232C

제 절 초음파 거리 계측 시스템의 사용 방법3

통신을 이용한 환경 파라메타 설정 방법1. RS232C

사용 환경에 최적의 파라메타를 설정하기위하여 통신이 가능하도록 하였RS232C

으며 시스템 설정에 필요한 통신프로그램을 작성하여 최초 설치 및 시스템 시험에

사용하였다 그 절차 및 방법은 다음과 같고 그림 은 설정창이다. 6-10 .

그림 통신을 이용한 설정창6-10 RS232C

설치 장소 물체의 반사면과 직각을 이루며 주변에 간섭물체가 없는 장소에 브라1)

켓을 설치하여 센서를 고정한다.

설치용 지그와 를 연결하고 전원을 투입한다2) PC, Oscilloscope .

프로그램 을 실행시키고 설정화면에서 불러오기를 실행하여 센서에 설3) (STP2003)

정되어 있는 내용을 확인한다.

- 54 -

를 현장상태와 확인하고 설치용 지그의 설정값을 일치시킨4) Set Point indicator

다.

탐지거리와 대상 물체를 감안하여 펄스 개수를 적절히 조절한다5) .

모드시 출력 지연시간을 조절한다6) S .

에서 센서의 링깅 상태를 검사한다 링깅불량 또는 여유시간이 너7) Oscilloscope .

무 길면 불감지영역 설정을 조절하여 에서 정도 간격을 둔다 탐지범300mV 200uS .

위가 가까우면 아주 가깝게 조절한다.

저장하기 실행 후 물체를 이동시키며 측정 거리를 실측과 비교한다 먼 거리에8) .

서 실측보다 측정값이 크면 온도보상 설정을 감소시킨다1 .

저장하기를 실행하고 측정 상태를 확인한다9) .

에서 다른 방해물 노이즈 상태등을 확인한다10) Oscilloscope , .

짧은 거리에서 반사강도가 좋은 경우 불감지영역 설정을 최소로 하고 펄스 개11)

수를 로 줄여 차 반사파를 배제할 수 있도록 한다1~2 2 .

을 으로 설정하면 부터 거리에 비례한 전압 또는 전류 출력을 얻을 수12) A1 0 0 A2

있다 단 부터 까지는 으로 출력된다. 0 20cm 0 .

각 파라메타 값이 부적당하면 다른 값으로 변경되어 센서에 저장되므로 불러오13)

기를 실행하여 정확한 변경여부를 확인한다.

모드 설정시에는 케이블을 이용한 범위 설정을 먼저14) S2 (Background Mode)

실행하여 값 반사체와의 거리 을 측정한 후 그 값을 설정시 사용하면 편A2 ( ) RS232

리하다.

출력에 릴레이 장착시 써지 흡수 다이오드를 필수적으로 설치해야 한15) Switching

다.

노이즈 차폐용 실드 케이블을 사용하였으므로 끝부분을 필히 접지시킨다16) .

모든 설정 및 시험이 완료된 후에는 불필요한 선을 절연 처리 후 정리한다.

나 을 이용한 파라메타 설정 방법. SET Cable

사용자가 를 통하지 않고 의 간단한 접속만으로도 탐지범위와RS232C SET Cable

출력 형식을 설정할 수 있는데 그 방법은 다음과 같다.

센서를 고정너트를 이용하여 고정한다1. .

측정범위를 결정하고 그 위치에 센서와 직각을 이루면서 및 거리에 정확2. A1 A2

히 설치 될 수 있도록 준비한다.

전원 을 준비하여 을 연결을 준비한다3. (DC 24V) DC+(red),DC-(black) .

거리 에 물체를 위치시키고 을 에 연4. A1 (ex : 30cm) SET cable(green) DC-(black)

결 한 후 전원을 투입한다.

초간 적색 가 점멸한 후 가 시작되며 발견되면 녹5. 5 LED A1 setting mode target

색 가 잠깐 점등 된다LED .

- 55 -

이 종료되면 녹색 소등되며 이를 확인한다6. A1 setting LED .

거리 에 물체를 위치시키고 을 분리시키면7. A2 (ex : 100cm) SET1 cable(green) 5

초간 적색 점멸 후 이 시작된다LED A2 setting .

이 발견되면 점멸하고 이 종료되면 소등된다8. target green LED setting .

소등 확인되면 모든 설정이 완료된다 전원을 하지 않으면 초9. green LED . ( off 5

후 정상 동작 개시)

모든 을 완전하게 연결하고 전선의 탈피된 부분을 절연 처리한다10. cable .

전원을 다시 투입하고 물체를 이동시키며 출력 상태를 확인한다11. .

올바르게 작동하면 출력에 부하를 연결하고 동작상태를 확인한다12. .

출하 전 공장에서 설정된 내용을 변경 없이 사용할 때는 동작상태 확인 후 바13.

로 사용이 가능하다.

설정값이 이면 출력 형식을 로 저장하고14 A1>A2 Abnormal(NC ; Normal Close)

에 값을 에 값을 저장한다A2 A1 A1 A2 .

모든 설정 및 시험이 완료된 후에는 불필요한 선을 절연 처리 후 정리한다.

제 절 고찰4

본 연구개발은 센서의 개발과 제어시스템의 개발을 동시에 수행하여 센서의 경우

기본 설계 기술을 바탕으로 센서의 제반 특성을 만족할 수 있는 압전 세라믹의 제

조법 빛 센서 조립기술을 개발하였으며 센서의 음향특성을 측정할 수 있는 시스템,

을 구성하여 제작된 센서를 평가할 수 있는 기반을 마련하였다

또한 이러한 기술을 바탕으로 현재 선진 외국에서 수입되고 있는 센서제품에 비하

여 송수신 감도가 이상 높은 특성을 갖는 거리센서를 개발 하였으며 초음파3dB ,

센서는 개발목표 특성을 만족하는 센서의 설계 및 제조기술을 얻을 수 있었다.

제어 시스템의 연구에서는 거리센서 회로의 개발목표인 이상의 최대 탐지거리를6m

얻기 위하여 고려되어야 하는 센서의 구동특성에 부합하는 회로 및 거리측정 오차

를 줄이고 탐지 성능을 높이기 위한 시스템 개발연구를 수행하였다.

이러한 연구결과 개발된 센서 및 시스템의 신뢰성 시험을 통하여 실제 운용을 하,

고 있으며 현장 적응 및 제반 문제점을 파악하여 개선하기위한 프로그램을 진행중

이다.

- 56 -

기존 기술 또는 제품 의 문제점과 개선방안1 ( )

기존의 초음파 센서는 너무 고가이어서 많은 분야에 적용하기 어려워 측정 방식이

다른 값싼 메타들이 사용되고 있다 이들은 측정 자동화 등에 한계가 있으며 방식.

에 따라 적용환경이나 측정 물체의 재질 색상 등에 제약을 받는다, .

본 개발품은 이러한 문제점을 극복하고자 초음파센서를 자체 독자 개발하여 센서

자체의 가격을 대폭 낮추고 적용분야를 다양화할 수 있도록 많은 파라메타를 가변

할 수 있도록 하였다.

가 적용 분야별 현재 사용 제품의 사용 방식별 문제점 또는 적용상 제약 사항.

적용 산업 기존 사용 방식 주요 문제점 또는 적용 한계

공장 자동화

고주파 발진 방식-

정전 용량식-

광 센서식-

초음파식-

짧은 탐지거리 금속만 탐지 가능- ,

짧은 탐지거리 재료에 따른 탐지 오차- ,

투명 물체 탐지 불가능 고가격- ,

고가격-

레벨 계측

플로트식-

전극봉식-

오뚜기식-

초음파식-

설치 어려움 센서 부식에 인한 오동작- ,

스위치식 센서의 부식에 의한 오동작- ,

스위치식 방수 능력 저하에 인한 오동작- ,

고가 정확한 레벨 감지 불능- ,

거리 측정기 센서 식- IR 실내용 사용 환경에 따른 신뢰성 저하- ,

나 본 개발품의 문제점 개선효과.

탐지 능력의 확대 탐지물의 종류에 관계없이 원거리 탐지 가능: (6m)▲

투명체 색 형태 등 모든 물체 검출 가능, ,→

저렴한 가격대 밀폐형 차 공진형 초음파 센서 채용으로 제품가격의 저가화: 3▲

센서의 저렴한 재료비 이하 및 자동화 생산 가능(25% )→

우수한 신뢰성 비부식성 금속재료 적용 방수 방우 구조 분진영향 최소화: , / ,▲

적용 영역 확대 페인트 도장기 세척 설비등: ,→

액체와의 비 접촉 탱크의 상단에 부착함으로 감지대상물과의 비접촉:▲

신뢰성 증대 잠지 대상 액의 종류와 무관,→

설치공사의 간단 간편한 설치 구조로 설계 규격화 설계로 대치 가능:▲ →

유지보수의 간편성 유지보수가 간편:▲

적용의 다양성 산업용뿐만 아니라 이동물체의 탐지가 필요한 모든 부분에 적:▲

용 가능 재실센서 도난경보기 자동차 주차 제어 등( , , )

- 57 -

기술개발에 따른 기대효과2.

가 기술적 파급효과.

센서의 개발과 제어시스템의 개발을 완료함으로서 센서 설계 및 제조기술과 평가기

술 제어 회로 설계기술을 확보하게 되었으므로 새로운 용도에서 필요로 하는 센서,

를 설계하고 필요한 제어회로설계에 적극 대응할 수 있는 기술 경쟁력이 확보되었

다.

나 산업적 파급효과.

국산화에 따른 저가격 및 적용의 편리성으로 화학 식품 의약품 등 각종 자동화 설, ,

비의 공정제어용 또는 각종 경보기 계수기등에 폭넓은 적용이 가능하므로 산업 경,

쟁력의 증대가 기대된다.

다 상업적 효과.

한국센서연구조합 국내 센 응용 총계 자료 년 에 따르면 년도 국내( ,2001 ) 2000 F/A

시장규모는 이며 이중 수입규모는 이다 이중 초음US$125,436,000 US$48,817,000 .

파센서의 규모는 정확히 알 수 없으나 다른 종류에 비해 고가인 초음파센서가 차지

하는 비율은 클 것으로 사료되며 이중 일부분은 수입대체 될 수 있을 것이다 현재.

본 개발품에 대한 문의 및 계약추진이 되고 있다.

현재 전문잡지를 통하여 홍보 및 적극적 마케팅을 실시중 이므로 시장 확대가 예상

된다.

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제 장 결 론7

본 연구개발에서는 거리감지 센서의 설계 및 제작과 이들 센서의 구동 및 신호를

처리하여 적절한 출력을 발생시키는 제어시스템에 관하여 연구하였다.

센서의 연구 방법으로서는 기초자료 조사를 통하여 얻은 센서의 기본 설계 기술을

바탕으로 센서의 제반 특성을 만족할 수 있는 압전 세라믹의 제조법 및 센서 조립

기술을 개발하였으며 센서의 음향특성을 측정할 수 있는 시스템을 구성하여 제작,

된 센서를 평가할 수 있는 기반을 마련하였다

제어 시스템의 연구에서는 거리감지기의 개발목표인 이하의 분해능과 이상3Cm 6m

의 최대 탐지거리를 얻기 위하여 고려되어야 하는 센서를 구동하는 제반특성 및 거

리측정 오차를 줄이고 탐지성능을 높이기 위한 연구를 수행하였다 그러나 실제 운.

용시 온도 센서의 장착 위치에 따라 실제 대기 온도와의 차이를 보임으로서 측정

정확도는 감소될 것으로 예측된다.

현재 개발제품은 제품화가 완료되어 전문잡지에 광고 중이어 문의가 한창이다 또.

한 현장에 설치되어 성공적으로 시험 및 운용되고 있으며 몇몇 업체의 주문을 받,

아 생산을 개시하였다 향후 적극적인 마케팅을 통해 더욱 많은 수요처가 발굴될.

것으로 생각한다.

향후에는 본 연구개발을 통하여 개발된 센서 및 시스템의 현장 적용을 통하여 실제

운용을 하며 성능을 더욱 향상시키며 나아가 금번 연구개발을 통하여 습득된 음향

센서 및 시스템 설계기술을 바탕으로 수요자의 요구를 충족하며 보다 정밀도가 요

구되는 제품으로의 확장이 되도록 노력할 것이다.

- 59 -

제 장 참 고 문 헌8

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