[첨단 헬로티]
목표물의 구성 성분 혹은 재질은 유도식 근접 센서의 실제 감지 범위에 영향을 끼친다. 여기서는 유도식 근접 센서의 작동 원리와 다양한 타깃 재료들이 어떻게 근접 센서의 능력에 영향을 줄 수 있는지 알아보겠다.
유도식 근접 센서의 기본 작동 방식
유도식 근접 센서가 금속 타깃의 존재를 어떻게 감지할 수 있을까. 우리는 유도식 근접 센서 기술 기반에 있는 전기 공학이 발전하면서 기본적인 작동 원리를 어느 정도 이해할 수 있게 되었다.
유도식 근접 센서의 핵심은 전기 발진(oscillator)이라고 할 수 있는데, 이는 수많은, 아주 가느다란 구리선으로 이루어진 유도 코일, 전류를 저장하는 콘덴서, 그리고 전기 여자(勵磁)를 제공하는 에너지원으로 구성되어 있다.
유도 코일과 콘덴서는 그 크기에 맞춰 자급적으로 고정된 사인파 진동을 생산해낼 수 있게 설계된다. 코일과 콘덴서는 무거운 추에 의해 늘어났다 줄어드는 두 개의 전기 스프링처럼 작동하면서 지속적으로 전자를 그 사이에서 앞뒤로 밀어낸다.
전기 에너지가 회로에 공급되어 진동이 시작되고 유지된다. 에너지를 계속 보유하지 않으면 코일 속에 있는 얇은 구리선의 전기적 저항으로 힘을 잃거나 다른 과류손으로 인해 진동이 일그러질 것이다.
코일이 센서 전면의 바로 뒤쪽에 위치해 있기 때문에 이 진동이 센서의 앞쪽에 자기장을 만들어낸다. 센서 전면부의 기술적인 이름은 ‘활성 표면(active surface)’ 이다.
전도성 금속 조각이 자기장 영역 안으로 들어가면, 진동의 일부 에너지가 타깃의 금속으로 전달된다. 이동된 에너지는 작은 순환 전류, 즉 와전류로 나타난다. 이 때문에 유도식 근접 센서는 와전류 센서로 불리기도 한다.
와전류 센서는 회전하려고 할 때 전기적 저항을 마주하게 된다. 이 에너지 손실은 센서 내부의 에너지원으로는 충분히 채워지지 않기 때문에 센서 진동 감소 보완을 위한 증폭장치가 필요하다. 결국, 진동은 또 다른 내부 회로인 슈미트 트리거가 사전에 지정되어 있던 임계값 아래로 떨어졌음을 감지하는 지점까지 감소한다. 임계값은 금속 타깃의 존재를 확실히 알 수 있는 수준으로 설정되어 있다. 슈미트 트리거로 타깃을 감지하면 센서의 출력이 커진다.
▲ 그림 1 유도식 근접 센서 내부 소자
유도식 근접 센서 타깃 - 재료의 중요성
앞서 설명을 통해서 수많은 변수들이 유도식 근접 센서의 실제 감지 범위에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 이 변수들 중 하나로 목표물의 구성 성분 혹은 재질을 꼽을 수 있다. 다양한 타깃 재료들이 어떻게 근접 센서의 능력에 영향을 줄 수 있는지 알아보겠다.
▲ 표 1 많이 사용되는 재질들의 보정계수
일반적으로 유도식 근접 센서의 타깃으로는 철 금속으로 된 평평한 조각이 가장 좋다. IEC 표준 규격에 따르면 유도식 근접 센서를 위한 ‘테스트 타깃’은 두께 1mm의 탄소강(Fe360) 조각이다.
타깃은 정사각형이고 표준 감지 범위를 위해 일반적으로 센서의 활성 표면 사이즈와 동일하다. Sn=1.5mm인 M8 센서를 위해서는 8m²가 적절하며, Sn=2mm인 M12 센서는 12m²가 맞다.
실제 상황에서 타깃의 재질은 다양하다. 앞서 언급된 타깃 재질인 철 금속은 가장 완벽한 감지 범위를 구현할 수 있다. 철이 아닌 다른 타깃 재료도 근접 센서에 감지될 수는 있으나 일반적으로 더 좁은 감지 범위를 갖는다. 감지 범위가 얼마나 줄어들게 되는지는 ‘보정계수’ 표를 통해 알 수 있다.
이 표는 대략적인 보정계수를 알려줄 뿐이다. 대부분 금속이 순수 물질이라기보다는 화합물이기 때문에 효과적인 감지 범위는 그 구성 성분에 따라 매우 다양해지기 때문이다. 예를 들면 표준 근접 센서가 철강 타깃에서 10mm의 감지 범위를 갖고 있다면, 철이 아닌 알루미늄 타깃에서는 대략 3.0mm에서 4.5mm 정도가 실질적인 감지 범위가 될 것이다.
중요한 점은 유도식 근접 센서가 다양한 종류의 철 혹은 비(非)철 금속을 감지할 수 있으나 반드시 똑같은 감지 범위를 갖지는 않는다는 것이다. 일반적으로 철이 아닌 타깃 재질이 더 짧은 감지 범위를 갖게 된다.
이와 같은 타깃의 재질에 따른 감지 범위의 감소를 극복하고 싶다면 다음의 옵션 중 하나를 선택할 수 있다.
1. 표준 범위 센서를 사용하기보다, 두세 배 정도 확장된 범위를 가진 모델을 사용한다.
2. 가능하다면, 차폐형 센서보다 더 긴 감지 범위를 제공하는 비차폐형 센서를 사용한다.
3. 오늘날의 많은 센서는 철과 철이 아닌 모델 모두를 같은 거리에서 감지할 수 있다. 이들은 ‘범용’ 혹은 ‘Factor 1’ 감지 타입이라고 불리기도 한다.
초기에 타깃 감지의 특성을 이해한다면 타깃 재질의 영향을 최소화하기 위해 센서를 고르는 것이 가장 좋은 방법이 될 것이다.
