초음파 센서는 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다

초음파 센서는 유연성과 저비용이라는 장점을 가지고 있습니다

초음파 센서는 수십 년 동안 상업적으로 이용 가능했습니다. 이들의 성능, 유연성, 저렴한 비용 덕분에 초음파 센서는 센싱 시장에서 여전히 매우 큰 비중을 차지할 것입니다. 초음파 센서에서 방출되는 음파는 보통 23kHz에서 40kHz 사이로, 일반적으로 인간이 들을 수 있는 가청 범위인 20kHz를 훨씬 상회합니다. 따라서 이러한 음파를 초음파라고 부릅니다. 초음파 센서가 초음파를 방출할 때, 물체에 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하면 발신기와 물체 간의 거리를 계산할 수 있습니다.   초음파 센서에는 발신기와 수신기 두 가지 부품이 필요합니다. 가장 표준적인 구성에서는 이 두 부품이 가능한 한 가까이 나란히 배치됩니다. 수신기가 발신기 가까이에 있을 경우, 소리가 발신기에서 감지 대상 물체로 이동했다가 다시 수신기로 돌아오는 경로가 더욱 직선에 가까워지고, 이로 인해 측정 오차가 줄어듭니다. 또한 초음파 송수신기가 있는데, 이 장치는 발신기와 수신기의 기능을 하나의 유닛으로 통합하여 물리적 오차를 최소화하고 PCB 공간을 크게 줄이는 역할을 합니다.

송신기에서 나오는 소리파는 레이저보다 손전등에서 나오는 빛과 더 유사한 형태이므로 확산 및 빔 각도를 고려해야 합니다. 소리파가 송신기에서 멀어질수록 감지 영역은 가로와 세로로 확장됩니다. 감지 영역이 변경되는 이유는 초음파 센서가 표준 감지 영역 대신 빔 너비 또는 빔 각도로 커버리지 사양을 제공하기 때문입니다. 제조업체 간에 이 빔 각도를 비교할 때, 빔 각도가 빔 전체의 각도인지 아니면 변환기에서 직선으로부터의 변동 각도인지 확인하는 것이 권장됩니다.

빔 각도는 감지 영역을 설정하는 데 매우 중요합니다

초음파 빔 각도는 장치의 감지 범위에도 영향을 미칩니다. 일반적으로 좁은 빔은 초음파 펄스 에너지가 더 집중되어 멀리까지 이동할 수 있으므로 더 넓은 감지 범위를 생성합니다. 반대로, 넓은 빔은 에너지를 더 넓은 아크로 분산시키므로 예상 감지 범위를 줄입니다. 이상적인 빔 너비를 선택하는 것은 애플리케이션에 크게 의존합니다. 넓은 빔은 넓은 영역을 커버하고 일반적인 감지에 적합하며, 반면에 좁은 빔은 감지 영역을 제한하여 오작동 경보를 방지할 수 있습니다.   개별 부품을 검색할 때 초음파 센서는 독립적인 송신기와 수신기로 얻거나 위에서 논의된 것처럼 두 기능을 하나의 장치로 결합한 초음파 트랜시버로 얻을 수 있습니다. 대부분의 아날로그 초음파 센서 옵션은 송신기에 트리거 신호를 보내는 것으로 작동되며, 수신기는 에코가 감지되었을 때 신호를 다시 보냅니다. 설계자는 펄스 길이와 필요한 인코딩을 사용자 지정할 수 있습니다. 이 과정은 궁극적으로 트리거와 에코 간의 시간 계산 및 디코딩을 호스트 컨트롤러에 맡깁니다.   내장형 디지털 초음파 센서 모듈은 거리를 계산한 다음 통신 버스를 통해 호스트에 거리를 전송합니다. 초음파 송신기, 수신기 또는 트랜시버는 보통 개별적으로 구매하여 맞춤 회로와 펌웨어로 조립되지만, 표준 레인징 구성과 간단한 로직 보드가 있는 PCB에 미리 장착된 단일 장치로도 제공되는 경우가 있습니다. 사용하기 더 간편할 수는 있지만, 설계자는 이러한 모듈을 사용할 경우 유연성과 사용자 지정의 많은 부분을 포기해야 합니다.

초음파 센서의 장점과 단점

모든 기술이 그렇듯 초음파 센서는 특정 상황이나 응용 분야에서 가장 적합하게 사용되지만, 다른 모든 상황에서 적합하지는 않을 수 있습니다. 초음파 센서의 장점에는 물이나 유리 같은 반투명 또는 투명한 물체를 포함하여 감지되는 물체의 색상에 영향을 받지 않는 점이 포함됩니다. 또한, 최소 및 최대 감지 범위가 매우 유연하여 대부분의 초음파 센서가 몇 센티미터에서 약 5미터까지 감지할 수 있습니다. 특별히 구성된 모듈은 최대 약 20미터까지 측정할 수도 있습니다.   수십 년간 사용된 이 성숙한 기술은 매우 신뢰성이 높고 이해하기 쉬우며 일관된 결과를 제공합니다. 초음파 센서는 비교적 정밀한 측정을 제공하며, 오차는 일반적으로 1% 이내이고, 필요에 따라 더 높은 정밀도도 가능합니다. 초음파 센서는 초당 여러 번 측정할 수 있어 빠른 갱신 속도를 제공합니다. 또한, 희귀한 재료를 필요로 하지 않으므로 일반적으로 매우 저렴합니다. 게다가, 초음파 센서는 전기적으로 시끄러운 환경과 대부분의 음향 소음을 견뎌낼 수 있으며, 특히 인코딩된 음파가 장착된 모듈을 사용할 경우 더욱 그렇습니다.   초음파 센서가 다재다능한 기술이기는 하지만, 최종적으로 센서를 선택하기 전에 몇 가지 한계를 고려해야 합니다. 음속은 온도와 습도에 따라 달라지기 때문에 환경 조건이 측정의 정밀도에 영향을 미칠 수 있습니다. 감지 영역은 3차원적이지만, 초음파 센서는 단순히 감지기로부터 특정 거리 내에 '무엇이 있다'는 것만 식별할 수 있으며, 감지 영역에서 물체가 어디에 위치해 있는지 혹은 형상이나 색상과 같은 특징에 대한 피드백은 제공할 수 없습니다. 초음파 센서가 상대적으로 크기가 작고 자동차나 산업 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있지만, 매우 작은 임베디드 프로젝트에는 너무 클 수 있습니다. 게다가, 다른 센서와 마찬가지로 초음파 센서도 오염되거나 젖거나 얼게 되면 오작동하거나 기능을 하지 못할 수 있습니다. 또한, 초음파 센서는 음파에 의존하며, 음파는 특정 매질을 필요로 하기 때문에 진공 상태에서는 작동할 수 없습니다.

초음파 센서는 정확성과 신뢰성을 제공합니다

초음파 센서는 물체의 거리와 근접성을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 비접촉 방법을 채택하여 단순한 “있다/없다” 논리를 제공하거나 물체와의 정확한 거리를 정확히 측정할 수 있으므로 청소 로봇 및 기타 애플리케이션의 거리 감지 센서에 적합합니다.

다양한 응용 요구를 충족시키기 위해, Same Sky는 다양한 사양의 초음파 센서를 도입했습니다. 이 센서는 정격 거리 0.2~18m를 지원하며, 아날로그 출력을 제공하는 송신기, 수신기 및 송수신기 시리즈를 선택 옵션으로 제공합니다. 초음파 센서는 컴팩트한 알루미늄 또는 플라스틱 케이스에 장착되어 있으며, 관통 홀 장착 옵션과 75도 또는 80도의 빔 각도를 제공합니다. 정격 주파수는 23~40kHz, 정격 전압은 80~180Vdc로 설정되어 있으며, 이들 초음파 센서는 다양한 감지, 거리 및 근접 응용 프로그램에서 정밀한 측정을 제공합니다.   초음파 수신기는 초음파를 전기 신호로 변환하는 데 사용됩니다. Same Sky의 초음파 수신기는 75도 또는 80도의 빔 각도, 최대 18m의 정격 거리와 39kHz의 정격 주파수를 가집니다. Same Sky의 초음파 송신기는 전기 신호를 초음파로 변환하는 데 사용되며, 정격 거리 18m, 정격 주파수 23~40kHz 및 75도 또는 80도의 빔 각도를 제공합니다. Same Sky의 초음파 송수신기는 송신 및 수신 기능을 단일 패키지로 통합하여 거리 측정, 물체 감지 및 근접 센싱에 대한 단순화된 솔루션을 사용자에게 제공합니다.

결론

초음파 센서는 잘 알려진 기술이지만 여전히 많은 산업 및 소비자 응용 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 간단한 구조, 저비용, 그리고 견고한 설계는 존재 감지 또는 거리 측정을 필요로 하는 다양한 응용 분야의 새로운 제품에 훌륭한 선택이 됩니다.