거리 센서 가이드

주변의 객체와 상호작용하는 프로젝트를 진행할 때는 보통 거리 또는 거리 측정 센서를 선택해야 합니다. 예를 들어, 인간의 존재 감지, 로봇공학 또는 산업 응용 프로그램에 거리 센서를 사용할 수 있습니다. 프로젝트가 배치될 응용 프로그램 및 환경은 어떤 센서를 살펴볼지 결정하는 데 중요한 지침이 될 수 있으며, 일부 조건에서는 다른 옵션보다 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다.

센서 유형

응용 프로그램에 따라, 일반적으로 세 가지 주요 클래스 중에서 거리 센서를 선택하게 됩니다:

• 광학
• 전자기
• 음향

광학 센서

광학 센서는 일반적으로 비행 시간 접근 방식을 사용하여 레이저 또는 다른 광원이 목표에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 일부 광학 센서는 반사된 빛의 양에만 의존합니다. 광학 센서는 직사광선보다 어두운 환경에서 가장 잘 작동합니다. 센서가 배경 빛에 대해 방출하는 빛을 포착하기가 더 어렵기 때문입니다. 그중에서도 반사 센서는 일반적으로 흰색 또는 밝은 색상의 객체와 가장 잘 작동하며, 감지되는 범위는 조준된 객체의 색상에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

전자기 센서

유도성

전자기 센서에는 다양한 감지 방법이 사용됩니다. 산업 응용 프로그램에서는 금속 객체가 가까워짐에 따라 센서의 코일을 디튜닝하는 유도성 센서를 흔히 찾을 수 있으며, 이를 사용하여 근접성을 측정할 수 있지만 일반적으로 매우 제한된 범위로만 가능합니다.

정전 용량

정전 용량 센서는 아마도 여러분이 가장 많이 상호작용하는 거리 센서일 것입니다. 여러분이 휴대폰의 터치스크린을 사용할 때마다 정전 용량 거리 센서를 사용하고 있습니다. 정전 용량 터치/근접 센서는 매우 짧은 범위의 센서로 정확한 거리를 측정할 수 없습니다. 다른 유형의 센서와 마찬가지로 사전 제작된 정전 용량 거리 센서를 찾을 수는 없지만, 필요한 감지 범위에 따라 몇 가지 구성 요소와 함께 연결해야 하는 IC와 커패시터 역할을 할 판(인쇄 회로 기판 트레이스, 폴리곤 푸어 또는 외부)을 찾을 수 있습니다.

레이더

레이더 기반 센서에서 라디오 파를 사용하면 매우 긴 범위와 놀라울 정도로 정밀한 측정이 가능합니다. 레이더 하면 수백만 달러가 드는 날씨, 항공 교통 관제 또는 비슷한 레이더 설치가 거대한 안테나 배열이나 돔 안의 접시를 떠올리게 하지만, 이 가이드에서 논의된 다른 센서와 비슷한 크기와 가격의 패키지로 전체 레이더 센서를 얻을 수 있습니다.

음향 센서

음향 센서, 예를 들어 소나는 거의 전적으로 초음파 범위에서 작동합니다. 만약 인간이 들을 수 있는 범위에서 작동한다면, 우리와 함께 일할 때 지속적으로 윙윙거리며 우리를 미치게 만들 것입니다. 아마도 가장 익숙한 초음파 센서는 차가 무언가에 너무 가깝다고 생각할 때 울리는 차량 주차 보조 장치일 것입니다. 초음파 센서의 주요 단점은 바람이 많은 조건에서 성능이 저하되고, 동일한 주파수를 사용하는 여러 센서를 동시에 사용하는 데 제한이 있다는 것입니다. 또한 감지되는 객체는 센서에 대해 대략 수직이어야 합니다.

선택 고려 사항

거리 센서를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 기준이 있습니다:

• 필요한 범위
• 환경
• 시야 범위
• 하우징/케이스
• 프로토콜/인터페이스

아마도 주요 고려 사항은 최소 및 최대 감지 범위일 것입니다. 전화 통화 중에 전화기 화면을 끄는 근접 센서와 같은 일부 애플리케이션은 단순히 무언가가 범위 내에 있는지 알아야 할 수도 있지만, 다른 애플리케이션은 정확한 거리를 알고 싶어할 수 있습니다. 광학 센서는 약 5밀리미터에서 약 40미터까지 측정할 수 있어 가능한 기술 중 가장 다양한 범위의 가능성을 제공합니다. 전기 용량 및 유도 센서는 일반적으로 수십 밀리미터로 제한되며 초음파 센서는 수십 밀리미터에서 몇 미터까지 작동합니다.

앞서 언급했듯이 일부 센서는 대부분의 전자 부품에 적용되는 전형적인 온도 범위를 넘어 환경적 제한이 있습니다. 주로 이는 밝은 주변 빛이나 센서 자체에 직접 조명되는 빛에 의해 영향을 받을 수 있는 광학 센서에 적용됩니다.

대부분의 센서는 원뿔 모양의 감지 범위를 가지고 있으며, 이는 귀하의 애플리케이션에 문제가 되지 않을 수도 있지만 염두에 두어야 합니다. 일반적으로 범위가 긴 센서는 시야 범위가 좁습니다. 대부분의 전자기 방사 패턴과 마찬가지로, 최대 범위는 일반적으로 센서 앞쪽에 있으며, 최대 시야 범위에 접근할수록 감소합니다. 귀하의 장치 주변의 넓은 영역이나 매우 좁은 영역 내에서 존재 감지를 찾고 있다면, 이는 귀하의 애플리케이션에 중요할 수 있습니다.

Parallax Ping))) 감지 범위 (데이터시트에서)

만약 당신이 제작하는 센서가 케이스 안에 있는 보드에 부착되어야 한다면, 이것은 당신의 선택에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 광학 센서는 일반적으로 적외선을 투과할 수 있는 창을 통해 '보아야' 하므로, 이는 케이스 디자인에 큰 제한을 줄 수 있습니다. 레이더, 정전 용량, 유도 센서는 전자기파를 내보낼 수 있어야 하므로, 일반적으로 금속을 사용할 수 없으며 플라스틱이나 섬유유리 구멍 같은 것을 사용해야 합니다. 초음파 센서는 거의 항상 완전히 노출되어야 합니다. 일부는 통합된 커버를 가지고 있지만, 센서 위에 어떤 형태의 하우징도 설치할 수 없을 가능성이 높습니다.

거리 측정을 위한 많은 센서들은 비례적이거나 고정된 범위 내의 아날로그 출력을 가지고 있습니다. 더 현대적인 센서들은 SPI, I2C를 사용하거나 다양한 인터페이스를 제공합니다. 만약 당신이 센서를 객체가 그 범위 내로 들어오는 것을 간단히 감지하는 데 사용한다면, 아날로그 출력은 잠자고 있는 마이크로컨트롤러를 위한 인터럽트를 생성하기 위해 일부 기본 회로와 함께 사용될 수 있습니다. 반면에, 디지털 프로토콜은 더 정확한 거리 감지를 가능하게 합니다. 왜냐하면 이들은 데이터시트에서 제공되거나 마이크로컨트롤러에서 사용할 수 있는 것보다 더 정확하거나 복잡한 공식에 대해 내부적으로 변환을 수행하기 때문입니다.

부품 추천

광학

ST Microelectronics VL53 시리즈

(최대 2미터) (최대 4미터)

Sharp GP2Y0A 시리즈 적외선 반사 거리 센서는 많은 년 동안 저비용 광학 센서의 왕좌를 차지했지만, ST의 새로운 부품이 쉽게 그 자리를 차지합니다. 저는 많은 프로젝트에서 Sharp 센서를 사용했지만, 과거에 Sharp 센서를 사용했을 모든 것들에 대해 앞으로는 VL53 시리즈를 사용할 것입니다. 이들은 스마트폰에서 찾을 수 있는 유리 뒤에서 작동하는 작고 비용 효율적인 센서들로, 반사가 아닌 위상 측정을 사용합니다. 앞서 언급했듯이, 반사는 어두운 객체가 더 적은 반사를 가지므로 같은 거리에 있는 흰색 객체보다 더 멀리 보이게 하는 등 정확한 측정을 얻기 어렵습니다. 대신 비행 시간을 사용함으로써, 이 센서들은 색상이나 음영에 관계없이 객체를 정확하게 측정할 수 있어 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다. 그러나 여전히 객체에서 반사된 적외선 레이저에만 기능할 수 있으므로, IR 구성 요소를 포함하는 밝은 주변 빛(예: 햇빛)은 이 센서들의 유효 범위를 줄일 수 있습니다.

위의 링크에서 볼 수 있듯이, 이들은 매우 인기가 있으며, 많은 수의 브레이크아웃 보드 옵션이 있습니다. 또한, 매우 짧은 범위의 감지가 필요한 경우, 최대 100밀리미터를 읽을 수 있는 VL61 센서도 있습니다.

유도

Panasonic GX 시리즈

Panasonic GX 시리즈는 다양한 스위칭 거리를 제공하는 유도 근접 스위치 시리즈입니다. 저는 이 시리즈가 산업 장비에 필요한 우수한 반복성과 정밀도를 제공하기 때문에 저렴한 중국 센서나 다른 서양 브랜드보다 선호합니다. 다른 대안보다 비싸지만, 제 응용 프로그램에서는 정밀도가 훨씬 더 중요합니다. CNC 관련 작업에서 비접촉 홈 위치 결정이나 리미트 스위치로, 기어 치아를 세어 인코딩 수단으로 사용하거나, 3D 프린터 베드 레벨링에 이러한 것들 중 하나를 사용할 수 있습니다.

TI LDC1101

비접촉 스위치를 찾고 있지 않다면, TI LDC1101은 필요한 센서를 구축할 수 있게 해줍니다. 코일과 몇 개의 수동 부품을 연결하면 금속 객체의 크기나 거리를 빠르게 감지할 수 있습니다. 또한 기름진 환경에서 잘 작동하는 매우 높은 카운트의 회전 엔코더를 구축하거나 코일의 유도장 내에서 금속 객체의 마이크로미터 단위 여행을 측정할 수도 있습니다.

전기 용량

마이크로컨트롤러가 있다면, 단지 두 개의 핀, 저항, 그리고 큰 구리 면적만으로도 전기 용량 변화를 상당히 조잡하게 측정할 수 있습니다.

TI FDC1004Q

조잡한 방법보다 훨씬 더 정밀한 것(훨씬 더!)을 찾고 있다면, TI의 전기 용량-디지털 변환기는 자신만의 전기 용량 근접 센서를 구축하는 비용 효율적인 방법입니다. 위의 유도 부품과 마찬가지로, 이를 통해 코일 대신 전기 용량 판을 사용하여 요구 사항에 맞는 회로를 구축할 수 있습니다. 전기 용량 센서를 사용하면 마이크론 단위 거리 변화를 측정하거나 단순히 사람이 근처에 있는지 여부를 측정할 수 있습니다. 전기 용량 센서는 사람이 그것을 향해 손을 뻗을 때 디스플레이나 인터페이스를 밝히는 데 좋습니다. 제 차의 위성 내비게이션은 전기 용량 근접 감지를 활용하여 손이 가까이 있을 때만 화면 하단에 사용자 인터페이스 버튼을 표시하고, 그렇지 않으면 지도가 전체 디스플레이를 차지하는 훌륭한 사용 사례입니다.

레이더

Acconeer A111

몇 달 전에 이 보석을 발견했고, 오랜 시간 동안 개발되어 왔으며 이렇게 작은 레이더 유닛을 개발하기 위해 많은 노력을 기울였다는 것을 알게 되었습니다. 사용 가능한 범위는 약 2미터로 제한되며 최소 거리는 60밀리미터이지만, 밀리미터 절대 정확도를 제공하며 상대 정확도는 그보다 훨씬 낮습니다. 레이더를 사용하기 때문에 센서의 존재를 외부에서 볼 수 있는 징후 없이 플라스틱이나 섬유유리 인클로저 뒤에 숨길 수 있습니다. 웨어러블 전자기기나 인터랙티브 디바이스를 제작하는 경우, 이 기능은 깔끔한 외관을 가능하게 합니다. 이 센서는 제가 다가오는 프로젝트에서 매우 사용하고 싶은 것 중 하나입니다!

초음파

Maxbotix 센서

Maxbotix의 초음파 센서 범위는 여러 좋은 이유로 많은 년 동안 업계 표준이었습니다. 사용하기 쉽고 상대적으로 정밀하며, 다양한 감지 거리와 시야를 제공하는 옵션이 많습니다. 단일 초음파 송수신기만 있으면 Parallax Ping 유닛과 같은 약간 더 저렴한 이중 송수신기 모듈보다 제품에 통합하기가 더 쉽습니다.

다양한 거리 센서들이 더 다양한 용도로 적합합니다. 각각의 센서들은 장점과 단점을 가지고 있으며, 이 글을 통해 여러분의 응용 프로그램에 가장 적합한 센서를 선택하는 데 도움이 되었기를 바랍니다. 이 글이 도움이 되었다면, 전자 제품을 만드는 다른 측면을 논의하는 제 블로그의 다른 글들도 확인해 보세요.

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