[IoT] 힘 토크 촉각 센서와 입력 센서

<힘 토크 촉각 센서 기초>
힘 토크 촉각 센서란
ㅇ힘은 우리 일상을 지배하는 대표적인 물리적 양이다. 힘은 정지하고 있는 물체를 움직이고, 움직이고 있는 물체의 속도나 운동 방향을 바꾸거나 물체의 형태를 변형시키는 작용을 한다. 우리 주위에는 여러 종류의 힘이 존재하는데, 일반적으로 힘을 검출하는 센서는 힘이 탄성체에 작용할 때 발생되는 물체의 변형을 이용한다. 작용한 힘의 크리를 미소한 변위(변형)으로 변환하고, 그 변위를 다시 전기적 양으로 변환하는 방식이 사용되고 있다.

힘의 정의
ㅇ 힘은 정지하고 있는 물체를 움직이고, 움직이고 있는 물체의 속도나 운동방향을 바꾸거나 물체의 형태를 변형시키는 작용을 한다.
ㅇ 힘은 방향과 크기를 모두 갖는 벡터량이며, 국제 단위계에서 N으로 측정된다.
중량은 중력에 기인하는 힘이다.
질량은 물체에서 물질의 양에 대한 척도이다. 힘이 질량(물질의 양)에 작용할 때, 질량을 가속시킨다. 즉, 속도를 변환시킨다. 힘(F), 질량(m), 가속도(a) 사이의 관계는 운동에 대한 뉴턴의 제2법칙으로 주어진다. 즉, F=ma

힘의 측정
ㅇ 일반적으로 힘을 검출하는 센서는 먼저 탄성체를 이용하여 작용한 힘의 크기를 미소한 변위 또는 변형으로 변환하고, 그 변위를 전기적 양으로 변환하는 방식이 사용되고 있다. 이때 사용하는 탄성체를 1차 변환기, 그 변형을 검출하는 센서를 2차 변환기라고 부른다. 힘과 관련된 센서 설명을 위해서 2차 변환기로 스트레인 게이지, 물체의 하중 검출하는 로드 셀, 토크 센서 중 힘 센서 설명을 위해서 가장 기본이 되는 스트레인 게이지를 설명하고, 국부적인 힘의 분포를 검출하는 촉각 센서에 대해서 설명한다.

스트레인 게이지 정의
ㅇ 금속 또는 반도체로 만들어지는 일종의 전기 저항이며, 응력을 가할 때 발생하는 변형으로 인해 그 저항값이 변화하는 성질을 이용하는 센서이다.
ㅇ 현재 물체의 변형, 힘 측정에 가장 널리 사용되고 있다.
ㅇ 로드 셀은 물체의 하중을 측정하는 센서이며, 하중 센서라고도 하고, 로드 셀은 인가중량에 응답해서 일어나는 탄성체의 변형을 압축, 인장, 굽힘, 전단 등의 형태로 검출한다.

참고) 응력이란
ㅇ 외부에서 주어지는 힘 즉, 외력이 작용하면 재료 내부에는 이에 저항하는 힘이 생기는 것을 말한다. ((지키려고 하는 힘))
응력이란 단위 면적당 작용하는 힘을 말하며, 같은 힘을 주더라도 힘을 받는 면적이 넓으면 응력은 작아지게 된다. 응력은 인장, 전단, 압축, 휨, 비틀림 등이 있다.

촉각 센서란
ㅇ 촉각 센서는 힘 센서 또는 입력센서의 특별한 경우로 생각할 수 있으며, 센서와 물체 사이의 접촉에 의해 영량 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다. 현재 물체의 변형, 힘 측정에 가장 널리 사용되고 있는 센서이다.
ㅇ 앞에서 설명한 힘 또는 하중 센서가 물체에 가해진 총력을 측정하는 것에 비해서, 측정 센서는 작은 영역에 국한된다.

촉각 센서의 분류
ㅇ 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘러먼트에 전달되는 힘이 달라져 접촉 패턴이 얻어지며, 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 다음 표와 같이 분류된다.

표..
촉각 센싱 방식   |   센싱 원리
저항식   |   접촉 시 감지물질의 저항변화를 이용하여 접촉을 검출하며, 저항변화가 접촉위치에 의존하는 경우와 저항변화가 접촉력(압력)에 의존하는 경우가 있다.
정전용량식   |   접촉 시 정전용량의 변화를 검출하며, 자기 정전용량 방식과 상호 정전용량 방식 등이 있다.
압전식   |   힘(압력)을 가하면 전기가 발생하는 압전현상을 이용해 접촉을 센싱하며, 센서에 전압 공급 유무에 따라 능동 모드와 수동 모드로 동작한다.
광학식   |   전반사를 통해 도파관 내부를 진행하는 빛이 접촉점에서 산란되는 현산ㅇ을 이용하여 검출하는 방식으로, 접촉 위치에서 산란광을 측정하여 접촉 위치를 결정하던가 또는 도파관 끝에서 산란광과 나머지 전반사광을 동시에 검출하여 결정한다.

<압력 센서 기초>
압력센서란
ㅇ 지상의 모든 물질은 대기압 속에 놓여있기 때문에 압력은 온도와 함께 인간이 사는 환경에서 가장 중요한 물리적 양 중의 하나이다. 따라서 정확하고 신속한 압력 측정은 산업적으로 매우 중요하다. 압력 센서는 기체나 액체의 압력을 전기신호로 변환하는 센서이며, 전기를 생산하는 수력, 화력, 원자력 발전소, 화학공업의 플랜트 제어에서부터 가정에서 사용하는 생활가전에 이르기까지 응용분야가 광범위하기 때문에 다양한 센서가 개발되어 사용되고 있다.

압력의 정의와 종류
ㅇ 유체의 압력이란 유체에 의해서 단위 면적 당 작용하는 힘, 계측분야에서는 유체 압력을 단순히 압력으로 부르는 경우가 많다.
ㅇ 정압력: 유체가 정지 상태일 때 나타나는 압력, 예.. 용기에 담겨있는 물
ㅇ 등압력: 유체의 운동에너지에 의해 나타나는 압력 예.. 속도 v인 유체 속에 놓여있는 물체에는 정압력과 동압력이 동시에 작용
ㅇ 대기압: 표면 위에 있는 공기의 무게에 의해서 표면에 수직으로 작용하는 단위면적당 힘 / 우리 몸의 표면은 대기로부터 그 표면에 수직 방향의 힘을 받고 있다.
ㅇ 수압: 물 속에 잇는 물체의 표면은 물로부터 그 표면에 수직한 방향으로 힘을 받는다.

센서가 측정하는 압력의 종류
ㅇ 절대압
ㅇㅇ 절대 진공 또는 완전 진공이란 물질이 존재하지 않는 공간
ㅇㅇ 완전진공을 기준으로 해서 측정된 압력을 절대압이라고 부르며, 기압계도 여기에 속한다.
ㅇㅇ 절대압 센서는 밀폐된 진공실을 내장하고 피측정 유체와의 차압을 측정한다.
ㅇ 게이지압
ㅇㅇ 대기압(760mmHg)를 기준으로 해서 측정된 압력
ㅇㅇ 우리가 가장 많이 측정하는 압력이며, 단순히 입력이라고 하면 게이지압을 가리키는 경우가 많다.
ㅇ 차압
ㅇㅇ2개의 유체 간의 압력차
ㅇㅇ 공업게측에 있어서 차압은 중요한 정보원이며, 그만큼 높은 정밀도가 요구된다.

압력센서의 구성요소
ㅇ압력은 단위 면적당 작용하는 힘이므로 힘 센서와 구성이 유사하며 기능이 다른 3개의 블록으로 구성된다. 따라서 기본적인 스트레인 게이지식 압력센서를 기초로 설명한다.
ㅇㅇ 감압 요소
압력을 받아 변위 또는 변형이 일어나도록 설계되고 만들어진 기계적 요소로써, 압력을 기계적 운동으로 변환하는 소자
ㅇㅇ 변환 요소
기계적 운동을 전기적 신호로 변환한다.
ㅇㅇ 차압
전기적 신호를 증폭하거나 필터링하여 조정하는 것으로 센서의 형태나 응용분야에 따라 요구된다.

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<센서>
초음파센서
ㅇ 초음파를 이용해 사물이나 벽까지의 거리를 알려주는 센서
ㅇ 초음파를 이용하기 때문에 초음파를 발사하는 부분과 초음파를 받는 부분이 있음
ㅇ 어떤 것은 한 부분만으로 초음파를 발사하고 받기도 함
ㅇ 책에서 그림과 같이 둘로 나눠져있는 것을 사용

ㅇ 초음파센서를 보면 Trig 라고 표시된 부분을 볼 수 있음
ㅇ 이 부분의 전압이 HIGH가 도면 초음파가 발사됨
ㅇ 초음파는 일정한 속도로 똑바로 날아가는 성질이 있음

ㅇ 만약 발사된 초음파가 사물이나 벽에 부딪히면 초음파는 반사됨
ㅇ경우에 따라 초음파가 발사된 방향으로 다시 돌아올 수 도 있고 다른 방향으로 날아갈 수도 있음
ㅇ 초음파센서에서 Echo라고 표시된 부분을 볼 수 있음
ㅇ 이 부분을 통해 초음파가 돌아온 곳을 감지함
ㅇ 처음에는 이 부분의 전압이 LOW로 되어있음

ㅇ 반사된 초음파가 Echo부분으로 돌아오면 Echo부분의 전압이 HIGH가 됨
ㅇ Echo부분의 전압이 바뀌는 것을 통해 초음파가 다시 돌아왔다는 것을 알 수 있음

[코드10-1] 거리에 맞춰 삼색 LED 색 바꾸기