센서는 계측장비에 포함되지만 측정값을 전기적 신호로 출력한다는 점에서 구분됩니다.
*페이지참조(하이퍼링크): 센서란?
압력센서에는 압력을 감지하여 응력이나 변위로 바꾸어 주는 역학적 변환 요소와 발생된 응력이나 변위를 전기적 신호로 바꾸어 주는 전기적 변환요소로 구성되어 있습니다. 한가지 요소가 역학적, 전기적 변환 요소의 역할을 동시에 수행하는 것도 있습니다.
■기계적 변환요소로 구분
(1)부르돈관 (Bourdon Tube) 압력계
부르돈관은 타원형 또는 원형 형상을 갖는 튜브형으로 되어있습니다. 튜브의 한쪽은 고정되고 다른 쪽은 자유롭게 변형할 수 있도록 되어있어 변형되는 힘을 측정합니다.
부르돈관 압력계는 구조가 간단하며 저가이고 압력범위가 비교적 넓은 장점이 있지만, 다른 센서에 비해 크기가 크며, 히스테리시스가 크기 때문에 정밀한 압력측정에는 적합하지 않습니다.
C형 부르돈관은 180˚ ～ 270˚의 곡률각을 갖고 있으며, 변형된 것으로 U형과 J형이 있습니다.
나선형(Spiral type)은 보통 4회∼8회 감은 것으로 감은 수에 비례하여 변형이 증가하기 때문에 민감도를 크게 개선할 수 있습니다.
관헬리칼형(Helical Type)은 C형을 여러 번 감은 것으로 보통 1800° ∼ 3600°의 전체각을 갖고 있고, 변형 형상은 C형과 비슷하며 관끝의 이동은 C형보다 크게 나타납니다. 이외에도 비틀림형이 있으며 부르돈관을 길이방향으로 비틀은 것으로 비틀린 회수는 2회∼6회이며, 관의 중심선은 길이방향으로 직선입니다. 부르돈이란 말은 프랑스 발명가 Eugene Bourdon의 이름을 땄습니다. 보통 부르돈관은 게이지압을 측정합니다.
(2)다이아프램 (Diaphram)형 압력계
다이아프램형 센서는 미소 압력의 변화에도 민감하게 반응하는 얇은 막을 이용하여 압력을 감지합니다. 다이아프램은 자신의 압력 변형 특성을 이용하는 금속 다이아프램과 스프링 같은 탄성 요소에 의해 지지되는 비금속 다이아프램으로 구별됩니다.
다이아프램은 용도에 따라 평판형(flat type), 물결무늬형(corrugate type), 2개의 다이아프램을 접합하여 만든 캪슐형(capsule type)으로 구별합니다.
다이아프램의 장점으로는 수압면적이 커서 감도가 높고 저압측정이 용이하며 가압구의 크기조정이 용이합니다. 막의 고유진동수가 높으므로 응답이 신속하며 서로 다른 액체사이 격막 역할을 수행하며 정전 용량형과 결합되어 우수한 감도를 갖는 센서를 설계 및 제작할 수 있습니다. 그러나 다른 탄성소자에 비해 변위가 작으며 히스테리시스, 크리프 (creep)현상이 큽니다.
(3)벨로우즈 (Bellows)형 압력계
벨로우즈는 압력의 변화에 대응하여 자체 길이와 체적이 정밀하게 변하는 요소로 구성되어 있습니다. 벨로우즈는 압력에 따른 길이의 변화가 부르돈관이나 다이아프램 보다 커서 보통 저압 측정에 많이 사용됩니다. 벨로우즈의 사용한도는 내압에 의해 결정되며 내압 증가를 위해서는 벨로우즈의 벽 두께를 증가하여야 하나 이것은 강성도의 증가를 가져와 선형도가 나빠지므로 보통 1 Mpa 가 내압의 한도입니다. 벨로우즈의 재질로는 황동, 인청동, 베릴륨동 등이 사됩니다.
■전기적 변환요소로 구분
(1)스트레인 게이지(Strain Gauge) 압력센서
압력 측정에 이용되는 스트레인 게이지에는 접착형(bonded)과 비접착형(unbonded) 의 두 가지가 있으며 그 원리는 동일합니다.
도선이 탄성적으로 늘어나면 그 길이와 직경이 변하여 도선 전체의 전기 저항이 변화하는 원리입니다. 다이아프램, 벨로우즈, 부르돈관 같은 길이 변환장치와 스트레인 게이지를 결합하면 압력을 전기적 신호로 감지할 수 있게 됩니다.
(2)정전용량형 압력변환기 (Capacitive pressure transducer)
정전용량형 압력변환기는 정압이나 동압 측정에 널리 쓰입니다. 다이아프램이 압력을 받으면 이에 상응하는 위치의 변화가 일어나며 이로 인해 전기용량의 변화가 생깁니다.
다이아프램의 재질은 보통 금속이며 금속이 코팅된 수정(quartz)을 사용하기도 합니다. 스테인레스 스틸이 가장 널리 사용되며 부식성이 있는 환경하에서의 측정을 위해서는 탄탈륨(tantalum)이 사용됩니다. 정전용량의 측정방식은 대개 영위법 방식을 사용하게 됩니다.
이러한 정전용량형은 진공영역에서부터 70 MPa에 이르는 고압까지 측정범위를 매우 다양하게 조절할수 있기 때문에 아주 널리 사용됩니다. 스트레인 게이지 방식에 비해 드리프트도 크지 않으며, 차압의 경우 매우 정확한 측정이 가능합니다.
(3)압전형 (Piezoelectric) 압력변환기
몇몇 종류의 결정체(crystal)는 특정한 방향으로 힘을 받으면 자체 내에 전압이 유기되는 성질을 갖고 있으며, 이와 같이 전압이 유기되는 현상을 압전효과 (piezoelectric effect)라고 합니다.
압전형 압력변환기는 이러한 압전효과를 이용하여 입력 압력에 대응하는 전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 변환기입니다.
압전결정(piezoelectric crystal)들은 외부의 여기전원 없이 사용되기도 하나 이 경우에는 출력신호의 크기가 너무 작으므로 증폭이 필수적이며, 대부분의 경우에는 외부 전원과 연결하거나 또는 병렬로 압전 결정을 몇 개 연결하여 이용하고 있습니다.
응답특성이 매우 우수하기 때문에 동압측정에 주로 사용되며, 폭발압, 수중폭압, 로켓트 추진압, 내연기관 연소압 등에 응용되고 있습니다.
(4)전위차계형 (Potentiometric) 압력변환기
전위차계형 압력변환기는 부르돈관, 벨로우즈, 다이아프램을 이용하여 입력 압력에 따른 기계적 센서들의 위치 변화가 가변저항의 자유단(movable contact)에 직접 전달 되게 하여 저항을 변화하도록 설계한 것입니다. 가변저항의 양 고정단에 일정한 전압을 인가하고 자유단과 고정단 사이의 전압변화를 측정하므로써 대응하는 압력 값을 측정할 수 있습니다.
(5)인덕턴스형 압력변환기 (Inductance type pressure transducer)
자기적 변환기의 간단한 형태가 가변 인덕턴스형 변환기입니다. 인덕턴스형 변환기는 절연 재료로 만든 관에 도선을 감고 내부에 자성 재료로 만든 코어(core)로 구성되어 있다. 1차 코일에 교류전압을 가하게 되면 코어의 위치에 따라 2차 코일에 유도되는 전압이 변하게 됩니다.
비례 인덕턴스(inductance-ratio)형은 코일 중앙에 도선을 연결, 두개의 인덕터를 형성하여 코아가 움직이면 한쪽 인덕터의 출력은 증가하고 다른 쪽은 감소하게 됩니다.
인덕턴스형 변환기는 비접촉식이므로 마찰에 의한 오차를 없앨수 있고 분해능을 임의로 조정할 수 있다는 장점이 있습니다.
(6)고유주파수 변화형 압력변환기
모든 물체는 형상에 따라 고유 진동수를 가지고 있습니다. 고유 진동수는 가해지는 인장력 또는 압축력에 의해 변하게 되는데 선(wire)의 고유 진동수는 작용 힘의 제곱근에 비례하게 됩니다.
선 주위에 자석을 위치시키고 선에 교류전류를 가하게 되면 로렌츠 힘에 의해 선이 진동을 하게 됩니다. 진동이 최대가 될 때 까지 주파수를 변화시켜 선의 고유진동수를 찾습니다.
(7)광학식 압력변환기
변형량을 측정하는 가장 쉬운 방법중의 하나가 바로 광학식 측정 방식입니다. 오늘날 광학식 측정방법은 비접촉식이고 민감도가 매우 우수하기 때문에 많은 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 또한 기계식 압력변환 요소와 결합하여 압력에 의한 변형량을 측정함 으로써 전기적 변환 요소로서 널리 사용되고 있습니다.
다이아프램에 부착된 슬릿이 압력에 따라 수직으로 변형을 일으키게 되면 수광부에 도착하는 빛의 양을 차단하게 되어 출력을 감소시키게 됩니다.
수광부에는 일반적으로 2분할 다이오드를 사용하여 도달하는 신호의 차이를 이용합니다.
(8)반도체 압력변환기
반도체 압력센서에는 스트레인 게이지형과 용량형이 있습니다. 스트레인 게이지형은 반도체 다이아프램 위에 스트레인 게이지 역할을 할 금속을 직접 확산시켜 브리지(bridge)를 형성한 것으로 일반 스트레인 게이지형보다 감도가 좋고 접착할 필요가 없으므로 접착시 발생하는 문제점이 없습니다.
용량형 반도체 압력센서는 반도체 다이아프램을 한쪽 전극으로 한 것으로 안정성 특성이 뛰어납니다.
압력이 가해지면 실리콘 다이아프램이 변형을 일으키고 이로 인해 실리콘 다이아프램의 윗면에 생성되어 있는 스트레이인 게이지들의 저항값이 변하게 되어 입력 압력에 대응하는 출력 전압을 검출하는 것입니다.
실리콘 다이아프램의 고유진동수는 대체로 150 kHz 이상이므로 진동과 충격에 거의 반응하지 않습니다. 실리콘 결정으로 다이아프램을 만들기 때문에 히스테리시스가 굉장히 적습니다. 센서의 민감도가 충분히 크므로 신호제어 회로가 구성이 비교적 간단해 집니다.
*페이지참조(하이퍼링크): EPS 압력센서
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