초음파 센서란 초음파 센서의 원리

초음파 센서란 초음파 센서의 원리를 알아보기

초음파 센서란?

세라믹 초음파 센서는 가까운 거리에 있는 물체 혹은 사람의 유,무, 거리측정, 속도 측정등에 사용

됩니다. 세라믹 초음파 소자는 고유 진동에 상당하는 교류 전압을 가하면 압전 효과에 의해서 효율이

좋게 진동해서 초음파를 발생시키게 됩니다.

초음파의 성질

초음파(Ultra Sonic)는 사람의 귀로 들을 수 없는 20khz대 이상의 음을 말하며, 이 초음파의 기본적인

성질은 아래와 같습니다.

파장과 분해능 : 초음파의 파장은 전파 속도를 주파수로 할당한 값으로 전자파의 속도는 3*108㎧

                      이지만 음속은 약 344㎧로 아주 늦기 때문에 파장이 짧게 됩니다. 파장이 짧으면

                       거리 방향의 분해능이 높고 정밀도가 높은 계측을 할수 있게 됩니다.

파장의 반사 : 물체의 유,무를 감지하기 위해서는 초음파가 물체에 닿으면 반사하여야 하게 됩니다.

                   금속이나ㅏ 목재, 콘크리트, 종이, 유리등은 초음파를 거의 100% 반사하지만 옷감

                   등과 같은 것은 인조로 만들어져 공기가 포함되어 있는 물체는 초음파를 거의 흡수

                   하기 때문에 센서 회로의 앰프의 이득을 높여야 할 필요가 있습니다.

초음파는 온도에 영향을 받는다 : 공기중의 음파의 전송 속도 c=331.5+0.607t[㎧] (t:주위온도)

로 표시되며 주위 온도에 따라서 음속이 변하기 때문에 물체가지의 거리를 정밀하게 측정하기 위해

서는 온도에 따른 보정이 필요하게 됩니다.

초음파 센서의 원리

초음파 센서는 2개의 압전소자(또는 1개의 압전소자와 금속판)로 되어 있으며 2개의 압전 소자로

되어 있는 것을 Bimole(바이몰), 1개의 압전소자로 되어 있는 것을 Unimole(유니몰)이라 부릅니다.

이것에 초음파가 입사되면 압전소바는 진동해서 전압이 발생되고 역으로 압전 소자에 전압을 인가

하면 초음파가 발생이 되게 됩니다.

초음파 센서는 센서 자신이 갖고 있는 고유 진동 주파수와 똑같은 주파수의 교류 전압을 가하면

좀더 효율이 좋은 음파를 발생할 수 있습니다. 그래서 물체에서 반사된 음파를 그대로 센서로 입력

(진동)시켜서 발생된 전압을 회로에서 처리하므로서 측정 거리를 계산할수 있게 됩니다.

=>송신용 초음파 센서

  : 초음파를 출력한다는 것은 송신 소자에 공진 주파수와 동시에 주파수의 발진 전력을 공급하여야

하는데요 공급하는 신호는 구형파 펄스이고 전압 진폭은 1~20V 정도입니다. 단 직류 성분이 없어야

하므로 콘덴서를 사용하여 직류성분을 제거하여 공급합니다. 전압이 높으면 음압이 높게 되므로 멀리

까지 보낼수 있지만 약 10V에서 포화되어 10V이상 전압을 높여도 큰 효과는 없습니다.

=> 수신용 초음파 센서

  : 초음파를 수신하면 그 출력 단자에 전압을 출력합니다. 수신 감도는 센서의 공진 주파수 근처가,

송신기와 마찬가지로 40khz가 가장 좋으며 출력에 부하 저항을 연결하면 그 양단에 초음파의 강 약에

따라서 40khz의 정현파가 나타나게 됩니다. 출력 전압은 거리에 따라  몇mV~수백mV정도가 되기

때문에 이것을 증폭해서 비교기 등에서 고감도로 검출해서 디지탈 신호로 변환하여 사용합니다.

측정원리

<음이 1cm를 왕복하는데 걸리는 시간은?>

초음파센서의 송신측에서 짧은 시간동안 펄스를 출력하면 신호가 물체에 도달하여 반사되어 되돌아

오게 됩니다. 반사되어 되돌아온 신호를 수신기의 초음파 센서에서 검출합니다.

이 송신된 신호는 음속 Vs의 속도로 출력되기 때문에 

여기서 음속 Vs=331.5+0.6T    T:온도(℃)

실내 온도를 25℃라고 하면 음속Vs=340㎧라고 하면 음이 1cm의 거리를 왕복하는데 걸리는

시간은 tc=2*0.01/340=58.824*10^-6이 됩니다. 음이 1cm의 거리를 왕복하는데 걸리는

시간은 58.824㎲가 구해지는 것이지요.