초음파 센서 101: 자주 묻는 질문에 대한 답변

수위 감지용 초음파 센서

이미지: 수위 감지용 초음파 센서

요약: 초음파 센서는 전기 에너지와 세라믹 변환기를 사용해 음파 형태로 기계 에너지를 방출 및 수신합니다. 음파는 기본적으로 고체, 액체 및 기체를 통과해 이동하는 압력파이고 거리를 측정하거나 표적이 있고 없음을 감지하기 위해 산업용 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 이 Q&A 답변은 초음파 센서, 이론 및 용어에 대한 일반적인 궁금증에 대한 내용입니다. 

Q: 초음파 센서란 무엇입니까?

초음파 센서는 인간이 들을 수 있는 범위를 벗어나 20,000Hz 이상의 음파를 사용해 센서로부터 지정된 목표 물체까지의 거리를 측정 및 계산하는 산업용 제어 장치입니다. 

Q: 초음파 센서는 어떻게 작동하나요?

초음파 센서에는 전기 에너지를 받으면 진동하는 세라믹 변환기가 있습니다. 이러한 진동이 센서의 표면에서부터 대상 물체까지 도달하는 파장 내에서 공기 분자를 압축 및 확장합니다. 변환기는 소리를 전송 및 수신합니다. 초음파 센서는 음파를 발산한 다음 설정된 기간 동안 "수신"하여 다시 전송하기 전에 대상 물체의 반사 반향이 산란되도록 합니다.  

Q: 초음파 센서는 언제 사용할 수 있습니까?

초음파 센서는 물체를 감지하기 위해 빛이 아니라 소리를 사용하기 때문에 광전 센서를 사용할 수 없는 응용 분야에서 활용할 수 있습니다. 초음파 센서는 투명한 물체 감지, 액체의 수위 측정, 대상이 반투명해 광전 센서가 제대로 작동하기 어려운 응용 분야에 아주 적합한 솔루션입니다. 대상의 색상 및/또는 반사도는 고광택 환경에서 매우 안정적으로 작동할 수 있는 초음파 센서에는 영향을 미치지 않습니다.

Q: 광학 센서 대신 초음파 센서를 사용해야 하는 경우는 언제입니까?

초음파 센서는 투명한 물체, 액체의 수위, 반사도가 매우 높은 표면 또는 금속 표면을 감지하는 경우 유용합니다. 또한, 초음파 센서는 광학 빔이 물방울에 굴절될 수 있는 습기가 많은 환경에서도 잘 작동합니다. 그러나 초음파 센서는 온도 변동 또는 바람의 영향을 받기 쉽습니다. 광학 센서를 사용하면 빠르게 응답하는 소형 스팟이 생겨 경우에 따라 대상 위에 보이는 스팟을 투영해 센서를 정렬할 수 있습니다. 

Q: 초음파 센서는 노이즈와 간섭을 어떻게 처리합니까?

초음파 센서가 수신하는 주파수의 모든 음향 노이즈는 해당 초음파 센서의 출력에 간섭할 수 있습니다. 이러한 노이즈에는 휘파람이나 릴리프 밸브, 압축된 공기 또는 공압 장치의 쉿쉿하는 소리로 인해 생성되는 노이즈 등 고음의 노이즈가 포함됩니다. 또한, 근처에 주파수가 동일한 초음파 센서 두 개를 배치하면 음향 혼선이 발생할 수도 있습니다. 또 다른 종류의 노이즈인 전기적 노이즈의 영향은 초음파 센서에만 국한되지 않습니다.

Q: 초음파 센서에 영향을 미치는 환경 조건은 무엇인가요?

온도 변동은 초음파 센서의 음파 속도에 영향을 미칩니다. 온도가 상승하면 음파가 대상에서 더욱 빠르게 이동합니다. 이러한 경우 대상은 이동하지 않지만 센서 입장에서 대상이 더 가까이 있는 것처럼 느껴집니다.  공압 장비 또는 팬으로 인해 발생하는 기류 역시 초음파 경로를 굴절시키거나 방해할 수 있습니다. 이로 인해 센서가 대상의 올바른 위치를 인식하지 못할 수 있습니다.

Q: 작동하기 전에 초음파 센서를 예열해야 하는 이유는 무엇입니까?

초음파 센서는 예열될 때까지 구성 또는 작동되지 않습니다. 센서가 처음 켜지면 개별 구성부품이 예열되고 주위 공간 및 구성부품 역시 예열됩니다. 상온에서 시동해 작동 온도까지 예열되는 온도의 변동을 "예열 드리프트"라고 합니다. 모든 구성부품이 올바른 작동 온도에서 안정화되어야 측정 정확도가 온도의 영향을 받지 않습니다.  

Q: 사각 구역이란 무엇인가요?

사각 구역은 센서가 신뢰할 수 있는 수준으로 측정할 수 없는 변환기 바로 정면에 있는 구역을 지칭합니다. 이는 링잉(ringing)이라고 하는 현상이 원인입니다. 링잉은 여기 펄스 이후 변환기의 지속된 진동입니다. 변환기가 반사 반향을 수신하려면 이러한 에너지가 소멸되어야 합니다. 따라서 초음파 센서의 지정된 사각 구역을 벗어나 대상을 배치하십시오. 

Q: 초음파 센서가 광전 센서보다 느립니까?

예. 소리의 속도는 빛의 속도보다 크게 느립니다. 따라서 초음파 센서 역시 자연적으로 광학 센서보다 느립니다.

Q: 초음파 센서 사용 시에는 어떤 종류의 물체를 피해야 합니까?

초음파 센서와 함께 사용할 수 있는 최적의 물체는 크고, 편평하고, 표면이 금속, 세라믹, 유리 또는 나무 등으로 된 고체 물체입니다. 항상 센서와 수직으로 배치해야 합니다. 부드러운 것을 단단히 뭉친 알갱이, 톱밥 또는 거품 등과 같이 표면이 부드럽고 불규칙한 대상은 피해야 합니다.

Q: 초음파를 사용해 무작위로 배치된 물체를 감지하는 가장 좋은 방법은 무엇입니까?

센서에게 "배경"을 양호한 상태로 학습시킵니다. 초음파적으로 반사되는 배경 표면을 양호한 상태로 학습시켜, 센서와 배경 사이의 물체가 감지되어 출력이 전환됩니다.

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