초음파 센서의 강점과 작동법
초음파 센서의 뜻
초음파 센서(ultrasonic sensor)는 초음파를 내보내고, 반사된 소리를 전기 신호로 변환하여 대상 물체의 거리를 측정할 수 있는 전자 장치입니다. 기본적으로 이런 센서는 초음파 펄스를 보내고 받기 위해 변환기를 사용하고, 이 초음파 펄스는 다시 물체의 근접성에 대한 정보를 보냅니다. 여기서 이러한 초음파는 들을 수 있는 소리보다 더 빠르게 이동한다는 점을 유념해야 합니다. 즉 초음파 센서는 사람의 청각 범위보다 높은 주파수로 음파를 내보냅니다. 초음파 센서는 압전 결정체를 사용하여 소리를 내는 송신기와 목표물을 왕복한 후에 소리를 수신하는 수신기 두 가지 핵심 부품을 가지고 있습니다.
초음파 센서의 강점
초음파 센서의 강점은 우선 감지하는 물체의 색상의 영향을 받지 않는다는 점입니다. 감지되는 물체의 색상은 초음파 센서의 기능에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 물체는 어떤 색이든, 물이나 유리, 반투명하거나 투명한 물건 또한 초음파 센서로는 감지하는 것이 가능합니다. 다음으로 유연한 감지 범위를 제공한다는 점이 있습니다. 오늘날 대부분의 초음파 센서는 짧게는 수 센티부터 길게는 5미터까지도 감지할 수 있습니다. 특별히 장거리를 감지하기 위해 만들어진 장치는 크게는 20미터까지도 감지할 수 있습니다. 그리고 인코딩 된 처프(chirp)가 장착된 모듈을 사용할 때 전기적으로 소음이 심한 환경 및 대부분의 음향 소음에 내성이 있습니다. 그리고 신뢰성이 높습니다. 초음파 센서는 수십 년 동안 존재해 왔고, 세월이 흐르면서 점점 발달해왔습니다. 이 덕분에 신뢰할 수 있는 감지 성능을 가져올 수 있게 되었습니다. 그리고 정밀도가 높습니다. 초음파 센서는 일반적으로 1% 이내의 오차를 보이는 정밀한 측정을 제공합니다. 또한 필요한 원자재가 많지 않기 때문에 비용도 저렴합니다. 이렇게 강점이 많은 초음파 센서이지만 여기에도 한계가 있는데, 우선 초음파 센서에는 환경의 온도 변화에 영향을 받지 않는다는 문제가 있습니다. 음속은 온도와 습도의 변화에 따라 변할 수 있기 때문에 환경 조건의 차이가 초음파 센서의 측정을 방해할 수 있습니다. 그리고 초음파 센서는 물체와 거리만 감지할 수 있습니다. 즉 이는 모양이나 색상 등의 물체의 특징에 대한 다른 정보를 수집할 수는 없다는 것을 뜻합니다. 그리고 초음파 센서는 자동차나 산업용 기계에 쉽게 추가할 수 있을 만큼 충분히 작은 편이지만, 작은 전자기기에 사용하기에는 여전히 큰 편입니다. 그리고 정기적인 유지관리가 필요하다는 부분 또한 단점으로 존재합니다. 초음파 센서는 더러워지거나 젖거나 얼면 감지 기능에 영향이 갈 수 있습니다. 따라서 정기적인 유지관리가 필수적입니다. 마지막으로 진공 상태에서는 사용할 수 없다는 점이 문제입니다. 초음파 센서는 소리의 반사에 의존하는 기술이기 때문에 진공 상태에서는 작동하지 않습니다.
초음파 센서의 작동법
그렇다면 초음파 센서는 어떻게 작동할까요?
앞서 언급한 바와 같이 초음파 센서는 우선 고주파 음파를 내보냅니다. 여기서 변환기는 초음파 펄스를 내보내고 반향을 수신하는 마이크의 역할을 합니다. 그런 다음 이 센서는 초음파 펄스의 송신과 수신 사이의 시간 경과를 측정하여 물체까지의 거리를 계산해냅니다. 다시 말하자면 송신기가 소리를 내보내는 데 걸리는 시간과 수신기와의 접촉 시간을 측정해 거리를 계산한다는 것입니다. 이 계산을 위한 공식은 D = ½ T x C으로, 여기서 D는 거리, T는 시간, C는 음속 340m/s입니다. 초음파 센서는 물체의 색깔, 표면, 재질에 상관없이 감지가 가능하므로 물체를 탐지할 때도 매우 유용합니다. 다만 울처럼 매우 부드러운 소재는 소리를 흡수하기 때문에 감지하지 못할 수도 있습니다. 투명하고 쉽게 보이지 않는 물체 또한 초음파 센서를 이용해서 감지하는 것이 가능합니다. 그러나 센서의 원활한 작동을 위해서 간섭할 수 있는 모든 것들로부터 멀리 떨어져 있는 것이 중요하며 초음파 변환기 표면에 장애물이 없도록 준비하는 것도 필요합니다. 이렇게 하면 센서에서 오는 초음파 신호가 막히는 것을 방지할 수 있습니다. 일반적으로는 먼지나 눈, 얼음 등이 초음파 센서를 막는 장애물이 됩니다. 초음파 센서는 오늘날 여러 산업용 및 소비자용에 이용되는 센서입니다. 이는 저렴한 비용 및 간단한 기능과 튼튼한 구조 덕분에 존재 감지 또는 거리 측정이 필요한 신제품이나 서비스에 적합합니다. 또한 하드웨어와 소프트웨어 구성을 모두 변경할 수 있기 때문에 더욱 유용하고 다재다능합니다. 초음파 센서의 가장 일반적인 용도는 물체 감지 또는 사람을 감지하는 것입니다. IoT 초음파 센서는 고체와 액체의 비접촉 검출에 사용할 수 있으며, 근접 센서로서 사용하는 초음파 센서는 차량의 충돌 방지 감지, 존재 감지, 박스 정렬 등에 유용합니다. 또 다른 일반적인 용도는 수위 센서입니다. 초음파 센서는 접촉하지 않고도 모든 색상 또는 불투명도의 액체를 비접촉 방식으로 감지할 수 있기 때문에 액체의 수위 감지 이용하기도 좋습니다.
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