광센서 란 무엇인가? 광 센서 기본 원리 및 각 거리 측정 방식의 특징

광학 센서는 무엇이고, 어떤 용도로 사용되나요?

광학 센서는 빛의 강도를 감지하여 전기 신호로 변환하는 장치입니다. 그들은 가시 광선뿐만 아니라 인간의 눈으로 감지할 수 없는 근적외선과 같은 보이지 않는 빛으로도 작동합니다. 광학 센서는 공장 자동화, 보안 시스템, 자동문, 스마트폰의 화면 밝기 조정 등 다양한 감지 작업에 활용됩니다.
다양한 대상 물체에 대한 압력 센서, 각도 센서 및 가속도 센서와 같은 다른 유형의 센서가 있습니다. 그러나 광학 센서는 물체를 감지하는 데 특히 적합합니다.
광학 센서는 주로 발광체와 광 수신기로 구성됩니다. 발광체에서 나오는 빛이 물체에 부딪히면 광 수신기는 반사되거나 투과된 빛의 강도를 감지하여 물체의 존재를 감지합니다. 센서는 이 원리를 사용하여 제품이 공장 생산 라인에 있는지 확인하고, 모터 회전 수를 측정하고, 치수를 측정하는 등의 작업을 수행합니다. 사람의 눈 대신 고정밀 감지를 수행하여 품질 확인 및 산업 기계 자동화에 기여합니다.

광센서의 5가지 주요 특징

광센서는 다음과 같은 5가지 특징을 가지고 있다.

1. 비접촉 측정
   광학 센서는 물리적 접촉 없이 물체를 감지합니다. 따라서 물체를 손상시키지 않고 측정할 수 있어 섬세한 재질이나 표면, 그리고 위생 관리가 중요한 환경에 특히 적합합니다. 또한, 움직이는 물체를 감지하거나 고온이나 고압과 같은 까다로운 환경에서도 효과적입니다. 접촉 센서에 비해 마찰과 열화가 적고 수명이 길다는 장점이 있습니다. 식품 산업, 제약, 반도체 제조와 같이 청정 환경이 요구되는 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
   
2. 빠른 대응
   광센서는 빛의 속도로 작동하기 때문에 마이크로초 단위의 매우 빠른 속도로 반응할 수 있습니다. 따라서 고속 생산 라인 및 품질 관리 시스템에 적합합니다. 예를 들어, 작은 비산 입자를 감지하거나 빠르게 움직이는 제품의 위치를 정확하게 파악할 수 있습니다. 또한 실시간 피드백 제어 및 고속 카운팅에도 적합합니다. 이러한 고속성은 산업용 로봇 제어 및 고속 프린터의 용지 걸림 감지에도 활용됩니다.
   
3. 넓은 감지 범위
   광 센서는 빛의 직진성을 이용하여 단거리에서 장거리까지 넓은 범위의 물체를 감지합니다. 렌즈와 거울을 사용하면 감지 범위를 더욱 넓히거나 더 작은 영역에 초점을 맞출 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 광 센서는 소형 부품 감지부터 대형 물체 위치 측정까지 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. 또한, 단일 센서로 넓은 영역을 감지할 수 있으므로 센서 수를 줄여 비용 절감에 기여할 수 있습니다. 광 센서는 건물의 출입 감지 시스템이나 대형 창고의 물체 감지 등 다양한 분야에 사용됩니다.
   
4. 다양한 검출 가능한 속성
   광학 센서는 물체의 존재 여부뿐만 아니라 색상, 투명도, 반사율, 형태 등 다양한 속성을 감지할 수 있습니다. 이러한 다재다능함은 제품 품질 관리, 분류, 식별과 같은 복잡한 작업에 적합합니다. 예를 들어, 식품 산업에서는 이물질 감지에, 자동차 산업에서는 도장 품질 검사 등에 광학 센서를 사용합니다. 또한 바코드나 QR 코드와 같은 정보를 광학적으로 판독하는 데에도 사용됩니다. 또한, 광학 센서는 빛의 파장을 선택함으로써 가시광선뿐만 아니라 적외선과 자외선도 감지에 활용할 수 있습니다.
   
5. 환경적 요인에 민감하다
   광 센서는 주변 조명 조건, 먼지, 습기, 진동과 같은 환경 요인의 영향을 쉽게 받습니다. 따라서 적절한 위치 선정과 보호가 필수적입니다. 특히 실외나 공장처럼 조명 조건이 변할 수 있는 장소에서는 감지 오류를 방지하기 위한 조치가 중요합니다. 필터 사용과 센서 위치 선정을 신중하게 하면 이러한 요인의 영향을 줄일 수 있습니다. 센서의 방진 및 방수 기능을 개선하고 온도 보정 기능을 추가하는 것도 도움이 될 수 있습니다. 또한, 안정적인 성능을 유지하려면 정기적인 유지 보수 및 교정이 중요합니다.

광 센서를 위한 다양한 거리 측정 방법

다음으로, 광 센서의 주요 거리 측정 방식과 그 특성을 간략하게 살펴보겠습니다. 이러한 방식은 크게 "투과형"과 "반사형"의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 반사형 센서는 네 가지 방식으로 더 세분화됩니다. 다음 섹션에서는 각 방식을 자세히 살펴보겠습니다.

・스루빔형

투과형 광 센서는 발광부와 수광부가 서로 반대 위치에 배치됩니다. 물체가 두 센서 사이를 통과할 때 감지됩니다. 이 방식은 고정밀 감지가 가능하며 배경의 영향을 덜 받습니다. 투명 물체도 감지할 수 있으며 수십 센티미터에서 수십 미터에 이르는 광범위한 거리에서 감지하는 데 적합합니다. 이러한 이유와 안정적인 작동 덕분에 이 방식은 다양한 분야에 사용됩니다. 발광부와 수광부를 정밀하게 정렬해야 하며, 감지 영역이 직선으로 제한된다는 점에 유의해야 합니다.

주요 사용 용도: 제조 라인에서 제품의 존재 감지, 엘리베이터 도어 안전 장치, 자동문의 인간 감지 등.

・반사형

반사형 광 센서는 발신기와 수신기가 같은 면에 위치하며, 대상 물체에서 반사되는 빛을 이용하여 물체를 감지합니다. 반사형 센서는 네 가지 방식을 사용합니다.

a. 확산 반사형

확산 반사형 센서는 대상 물체 자체에서 반사되는 빛을 이용하여 감지합니다. 단일 유닛으로 설치가 간편하며, 다양한 모양과 재질의 물체를 감지할 수 있습니다. 투과형 센서에 비해 감지 거리가 짧아 근거리 감지에 적합합니다. 대상 물체의 색상이나 표면 상태에 따라 감지 성능이 달라지는 경우가 있습니다.

용도: 생산 라인에서 부품 존재 감지, 포장 라인에서 제품 감지, 로봇 팔의 위치 지정 등.

b. 거리 설정형

거리 설정형 광학 센서는 대상 물체까지의 거리를 정확하게 측정하고, 설정 범위 내에 대상 물체가 존재하는지 여부를 판별합니다. 이 센서는 삼각 측량법을 이용하여 거리를 측정합니다. 센서는 특정 각도로 빛을 방출하고, 시험 물체에서 반사되어 돌아오는 빛이 수신기로 입사합니다. 반사광이 수신기에 입사한 위치를 감지하고, 위치 정보, 입사각, 삼각 함수를 이용하여 시험 물체까지의 거리를 계산합니다. 이를 통해 시험 물체의 색상이나 윤곽에 크게 영향을 받지 않는 매우 정확한 거리 측정이 가능합니다.

용도: 조립 라인에서의 부품 위치 지정, 창고에서의 재고 관리, 자동차의 주차 지원 시스템 등.

c. 재귀반사형

역반사 센서는 전용 반사경에서 반사되는 빛이 대상 물체에 의해 가려질 때 물체를 감지합니다. 먼 거리에서도 물체를 감지할 수 있고, 안정적인 감지 성능을 제공하며, 소형 물체 감지에 적합합니다.

용도 : 공장 내 대형 기계의 위치 감지, 물류센터 내 화물통로 감지, 철도 건널목 제어 시스템 등

d. 제한 반사형

제한 반사형 센서는 지정된 거리에 있는 대상 물체만 감지합니다. 송신기와 수신기는 분리되어 있으며 광축이 비스듬히 교차하도록 배치되어 있습니다. 이를 통해 송신기 축과 수신기 축이 교차하는 제한된 감지 영역 내에서만 반사광을 감지할 수 있습니다. 위 그림에서 센서는 물체(a)는 감지할 수 있지만 물체(b)는 감지할 수 없습니다. 따라서 센서가 감지 영역 밖의 배경과 물체를 무시할 수 있으므로 복잡한 환경에서도 안정적인 감지가 가능합니다.

용도: 컨베이어 라인 상의 물체 감지 등

최적의 광센서 선택

위의 각 거리 측정 방법은 고유한 특성, 장단점을 가지고 있으므로 사용 사례에 맞는 최적의 센서를 선택할 때 고려해야 합니다. 예를 들어, 확산 반사 센서는 생산 라인의 일반 물체 감지에 적합하지만, 장거리 감지나 고정밀 위치 결정이 필요한 경우에는 역반사 센서나 거리 설정 센서가 선택되는 경우가 많습니다.

또한, 최근 기술 발전으로 이러한 기본 방식을 결합한 하이브리드 센서와 레이저를 이용한 고정밀 거리 측정 센서가 개발되었습니다. 이러한 센서는 점점 더 복잡해지는 환경과 사용 사례의 요구를 충족할 수 있습니다. 광 센서를 선택할 때는 대상 물체의 특성(크기, 모양, 재질, 색상 등), 감지 거리, 주변 환경(빛, 온도, 습도 등), 요구되는 정밀도 및 응답 속도 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 내구성과 신뢰성 또한 산업용으로 사용할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다.

최적의 광학 센서를 선택하고 적절하게 설치 및 조정하면 생산성 향상, 품질 관리 강화, 안전성 향상 등에 크게 기여할 수 있습니다. 광학 센서의 성능과 기능은 기술 발전과 함께 꾸준히 발전하고 있으며, 앞으로 더욱 광범위한 응용 분야에 대한 기대가 높습니다.