[IoT] 온도 센서 기초

온도의 정의
물체의 차고 뜨거운 정도를 수량으로 나타낸 것이다
온도를 분자의 입장에서 생각하면,
물질을 구성하고 있는 분자는 정지해 있지 않고 불규칙한 운동을 하고 있는데
이 불규칙한 운동을 열운동이라 부르며,
온도가 높을수록 분자을의 평균 운동 에너지가 커지기 때문에
온도는 분자의 열운동의 활발함 척도라고 말할 수 있다.
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온도 센서의 정의와 분류
- 섭씨온도: 1기압에서 순수한 물의 어느점을 0도 끓는점을 100도로 정하고
그 사이를 100등분하여 1구간을 1도로 정한 온도이다.
화씨 온도에서는 어느점이 32F이다.

- 절대온도: 분자의 열운동을 고려하면 섭씨온도보다 절대온도를 사용하는 것이 좋다.
절대온도는 -273.15도를 절대영도라고
눈금 간격은 섭씨 눈금과 동일한 간격으로 한다. 단위는 K
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온도 센서의 종류
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- 사용 방법에 따른 분류
-- 접촉식
: 센서를 측온 대상의 물체(고체, 액체, 기체)에 직접 접촉시키면 측정 점의 온도가 열 전도에 의해 센서에 전달됨. ex) RTD, 서미스터, 열전대, IC온도센서
-- 비접촉식
: 멀리 떨어져있는 센서가 측온 대상으로부터 방사되는 열(적외선)을 검출해서 온도 측정
ex) 서모파일, 초전센서

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서미스터 온도 센서 구조와 동작 원리
- 금속선의 전기 저항은 온도에 따라 증가한다.
따라서 금속선의 저장을 측정함으로써 역으로 온도를 알 수 있다.
이와 같은 온도 센서를  RTD라고 한다.
- 금속의 전기저항-온도 관계: 물질의 전기 저항
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RTD 특징
장
- 매우 정확하고 반복성이 우수하다
- 장기간에 걸쳐 매우 안정적이다. 드리프트는 0.1도/년 이하이다.
- 온도 범위가 넓다.
- 선형성이 비교적 우수하다. (알전대, 서미스터에 비해)
- 호환성이 있다.
단
- 비싸고 크기가 크다. (알전대, 서미스터에 비해)
- 동작 전류가 요구된다.
- 자기가열이 있다.
- 저항값이 작다.
- 큰 진동, 충격이 있는 환경에서 열전대보다 내구성이 떨어진다.
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서미스터 온도 센서 정의와 종류
- 서미스터는 주로 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 이용한 온도센서
- 서미스터 종류
-- NTC: 온도가 증가하면 저항값이 감소
-- PTC
-- CTR
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NTC 서미스터 특징
장
- 서미스터는 다른 온도센서만들 정확하지는 않지만, 가격이 저렴하고 크기가 작아 온도측정에 널리 사용된다.
- 서미스터의 등급과 가격에 따라, 성능이 낮은 것부터 고가의 RTD에 버금가는 확도를 갖는 것까지 다양하다.
- 기본 저항값이 수 전 ..으로 높기 때문에 동일 측정전류에 대해서 RTD보다 더 큰 전압변화를 타나낸다.
- 작은 서미스터는 RTD보다 자기가열에 더 민감하기 때문에 측정전류를 제한하는데 유의해야 한다.
단
- 견고하지 못하고 온도 스팬이 제한적이고, 초기 소자의 드리프트가 크다.
- 또한 RTD나 열전대 같은 산업계 표준이 확립되어 있지 않다.
- 서미스터는 비직선적이기 때문에 온도보상용 특업 테이블이 필요하다.
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반도체 온도 센서
- 반도체 온도 센서는 주로 실리콘 pn접합(다이오드)에 걸리는 순방향 전압의 온도 의존성을 이용하여 온도를 측정하는 온도 센서이며, 밴드 갭 온도 센서라고도 부른다.
- 반도체 온도 센서는 개별 소자로도 만들어지지만, 실리콘 집적회로 제작 시 매우 낮은 비용으로 회로에 포함할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다.
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비접촉식 온도센서 정의
- 비접촉식 온도측정은 센서를 측정 대상에 직접 접촉시키지 않고 온도를 측정하는 방법으로, 물체가 발출하는 방사(복사)에너지의 측정으로부터 물체의 온도를 검출한다.
- 비접촉식 온도계로 대표적인 것이 파이로미터이다.
이것은 물체의 온도에 따라 표면으로부터 방출되는 방사 에너지의 세기에 의해 물체의 표면온도를 측정하는 비접촉식 계기를 총칭한다.
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- 비접촉식 온도센서(파이로미터)의 기본 구성
- 광학계
- 검출기
- 방사율 조정
- 주위온도 보상
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비접촉식 온도 측정의 특징 요약
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비접촉식 온도 측정의 특징 요약
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음향파 초음파 센서 기초
- 음향파 초음파 센서란
매질을 구성하는 입자들의 물리적 진동으로 매질을 통하여 전파되는 파동을 음향파라고 부른다.
공기를 매질로 하는 음파나 탄성체의 표면을 따라 전파되는 표면 탄성파가 대표적이다.
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음향파의 전파와 파 모드
- 매질을 통해 전파해 갈 수 있는 파의 종류와 구성입자(원자)들의 운동
-- 종파:
물리적 압축과 팽창을 교대로 반복하는 파이며, 구성입자는 파의 진행방향으로 진동한다. 공기 중을 진동하는 음파가 이에 해당한다.
-- 횡파:
입자가 상하로 진동, 줄을 따라 진행하는 파
-- 표면파
: 파가 매질의 표면을 따라 진향하는 횡파, 호수 면에서 발생하는 잔물결이 해당된다.
- 고체에서 발생하는 이런 표면파를 표면탄성파라고 부른다.
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참고) 압전효과
- 압전체를 매개(수정, 로셀염, 전기석 등)로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상화변환하는 작용을 의미한다.
- 음향파 에너지 사이 상호변환장치, 운동에너지와 전기에너지를 변환시켜주는 장치를 변환기라고 구분하기도 한다
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음향파 초음파 센서의 종류
- 음파나 초음파를 검출하는 센서를 음향파 센서라고 부른다.
- 음향파 센서가 검출하는 주파수 범위가 주로 초음파 영역이기 때문에 일반적으로 초음파센서로 다룬다.
- 음향파 변환기(트랜스두서)
-- 마이크로몬 또는 수신기
: 음파나 초음파를 전기신호로 변환하는 장치
-- 송신기 또는 스피커
: 전기신호를 음파, 초음파로 변환하는 장치
-- 두 변환기는 동일 구조로, 음파, 초음파의 발생과 검출이 가능하다.
-- 초음파 트랜스두서를 초음파 진동자라고 부른다.
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음향파 초음파 센서의 종류
- 오늘날 음향파 센서는 단순히 음파 검출에만 국한되지 않고 그 응용범위가 점점 확대되어, 고체에서의 기계적 진동 검출, 화학량 측정, 바이오센서 등에 널리 응용되고 있으며, 대표적 센서가 마이크로밸런스와 표면 탄성파 소장이다.
- 표1은 일반적은 음향파 초음파 센서를 분류한 것이다.
초음파센서, SAW센서, 마이크로폰으로 나누어 그 기본 원리를 설명하고 몇몇 응용 예를 제시한다.
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초음파의 특징
- 초음파의 속도는 전파보다 느리다.
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- 초음파의 파장이 짧다.
: 음속이 전자파의 속도보다 10의 5승 정도 늦으므로 파장도 필면적으로 짧아진다. 그 때문에 분해율이 높아진다.
- 매질의 다양성
: 기체 뿐만 아니라 액체, 고체도 대상이 된다. 특히 액체, 고체 내에서는 전파보다 잘 통한다.
- 사용이 용이하다.
오래전부터 의학상 잔단에 X-선이 사용되어 왔지만, 초음파도 여러진단분야에서 사용되고잇다 그것은 초음차에서 엑스선과 같으 방사선장애가 없기 재문
초음파에느 ㄴ그런 규재가 없다. 어저고.. 안보임
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초음파 센서의 응용 예
- 소나
  -- 소나는 초음파를 발사해서 그 반사파를 수신하는 항해용 수중 음향기기의 총칭이다. 소나는 어군 탐지기에 널리 사용되고 있다.
  -- 그림은 수심 측정기의 원리도를 나타낸다. 초음파 펄스가 수심 h를 왕복하는데 걸리는 시간 t는 CRT 화면에 나타나는 신호로부터 구해지고, 수중에서 음속을 v라고 하면 수심 h는 ..안써잇음
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초음파 센서의 응용 예
- 주차보조센서
-- 좁은 공간에서 주차 시 자동차 전후 및 코너에 있는 장애물을 모니터링하여 사고를 방지하는 시스템이다.
-- 2~4개의 초음파 센서가 앞뒤 범퍼에 장착되며, 장애물이 센서로부터 50cm 내에 있으면 운전자에 단속적인 경고음을, 20cm 이내로 들어오면 연속적인 경고음을 발하여 충돌을 방지한다.
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