비 접촉 로터리 센서는 위치 마커를 사용하는 위치 센서를 응용사례의 회전부에 부착하고, 여기에 마커의 각도를 측정하기 위한 센서를 더한 제품군이다.
자료 | Contelec(www.contelec.ch)

기본적으로 비 접촉 자성 기반(Magnetism Based) 센서의 성능은 저항을 기반으로 한 트랙 앤 와이퍼 기술을 활용하는 전위차 센서를 넘어선다. 하지만 센서 하우징에 샤프트를 장착해야 한다는 단점이 있다. 

반면 비 접촉 로터리 센서는 마커와 센서 사이의 물리적 접촉이 필요 없는 자성 기반 측정 기술을 활용한다. 이는 다양한 응용사례에서 이점을 제공한다.

작동 방식
비 접촉 로터리 센서는 영구자석을 회전 샤프트에 부착하고, 이를 위치 마커로 활용한다. 샤프트가 회전하면 별도로 부착된 센서가 홀 효과(자기장이 존재하는 도체에 전류를 흘려보내면 전위차가 발생하는 현상. 편집자 주)를 활용해 자석의 방향 및 위치를 추적한다. 

자기장과 전류 양쪽 모두에 수직 방향으로 전위차가 발생한다. 이 때 집적 회로를 통해 자기장의 방향을 판별할 수 있다. 샤프트의 각도 계산이 끝나면 이 정보를 모션컨트롤 장치로 송신한다. 일반적인 송신 형태로는 아날로그 출력이 있다.

같은 비 접촉 센서라고 하지만 이를 지칭하는 방식은 제각각이다. 미국에서는 터치리스(Touchless) 비 접촉 로터리 센서라는 용어를, 유럽에서는 비접촉 로터리 엔코더라는 표현을 주로 사용한다. 미국에서는 비접촉 로터리 센서를 전위차 기술을 활용한 센서와, 여타 비 접촉 기술을 적용한 센서로 분류한다.

사용
비 접촉(Touchless) 센서는 추적 및 처리(Track and Wiper) 제품 및 여타 비 접점(Noncontact) 센서에 비해 뚜렷한 장점을 제공한다. 비 접촉 센서가 적절한 경우로는 ▲비 자성을 연 벽 혹은 판 등에서 측정을 해야 할 때 ▲격하게 변화하거나 움직일 때 ▲센서 샤프트에 씰 등의 보호장치가 필요할 때 ▲구동축의 움직임이 잦거나 진동이 심할 때 등이 있다.
비 접촉 로터리 센서는 일부 응용사례에서 대체 불가능한 이점을 제공한다.

1. 비 접촉 로터리의 주 활용분야로 박판(Thin Walls) 위에서 작업하는 경우가 있다. 
내부 압력이 존재하는 유압 경사판 펌프(Swash Plate Pump)를 가정하자. 이 경우 자석판(Field of Magnet)을 펌프 내의 구동축에 부착한다. 자석판은 비 자성 벽판 밖으로 돌출된다. 자석판을 통해 비 접촉 로터리 센서가 펌프 외부에서 자기장의 방향을 추적하여 각도를 측정한다.

2. 매우 낮은 마찰 토크가 필요한 응용사례 역시 비 접촉 로터리 센서를 사용함직하다. 
일반적으로 샤프트 씰은 엄청난 양의 마찰 토크를 생산한다. 이는 히스테리시스(자기 이력) 오류의 주범이다. 특히 풍향계 관련 응용사례 등 구동축이 만들어내는 토크가 작을 때 이러한 문제가 불거진다. 

비 접촉 로터리 센서의 자석 마커는 회전축에 직접 부착할 수 있어 마찰 토크를 상쇄하며, 이로 인해 히스테리시스 오류를 미연에 방지한다.

3. 오정렬(Misalignment)을 방지해야 하는 응용사례에서도 비 접촉 로터리 센서는 필수 요소다.
비 접촉 로터리 센서는 여타 센서와 비교해 구동축의 오정렬을 사전에, 보다 쉽게 예방할 수 있다. 따라서 유연한 정밀 커플링 없이도 작업을 수행할 수 있다.

이점
비 접촉 로터리 센서의 주요 이점은 ▲낮은 비용 ▲견고성 ▲신뢰성 ▲프로그래밍 용이성 ▲단순함 등이 있다.

1. 낮은 비용. 비 접촉 로터리 센서는 여타 제품보다 초기 비용이 비싸다. 하지만 무조건 전체 비용이 비싼 것만은 아니다. 여타 센서에서 원활한 작동을 위해 추가적으로 필요한 구성, 예를 들어 볼 베어링이나 정밀 샤프트 커플링 등이 불필요하기 때문이다.

2. 견고성. 비 접촉 로터리 센서의 핵심 부품은 외부 환경에 노출되지 않는다. 유체 등 외부 요소의 침투를 막기 위해 보호장치 내부에 장착되어 있는 것.

비 접촉 로터리 센서는 센서부의 기계적 마모가 없다. 따라서 센서의 수명을 사이클 단위가 아닌 MTTF(Mean Time To Failure, 평균 고장시간) 단위로 산정한다. 센서의 MTTF는 센서 핵심부에 사용된 전자 부품의 종류와 품질에 따라 크게 달라진다.

3. 프로그래밍의 용이성. 비 접촉 센서의 프로그래밍은 센서 핵심장치 내부에 설치된 전자장치와 인쇄회로기판(PCB)의 영향을 받는다. PCB는 기능적 확장이 용이하며, 시작 각도와 끝 각도(Start and End Angles)의 빠른 교정이 가능하다. 또한 단점 교정(One Point Calibration)이 가능해 특정 장치의 정중앙 지점 등을 설정하거나 각도를 조절하기 위한 피드백을 보내는 등의 작업이 용이하다.

일부 기술자들은 프로그래밍이 불필요한 경우에도 프로그래밍이 가능한 특수 비 접촉 센서를 대량으로 구입한다. 이러한 방법으로 사전에 각 지점에서 감지해야 할 각도 범위를 몰라도 센서를 설치할 수 있으며, 한 개의 제품으로 측정해야 하는 응용사례도 쉽게 구현할 수 있다.

4. 단순함. 대형 프로젝트를 수행하는 기술자는 고객이 원하는 프로그래머빌리티 기능을 따로 구현하지 않고, 사전에 프로그래밍을 마친 비 접촉 로터리 센서를 도입할 수 있다. 사전에 조정 작업을 거친 센서 안전 기술 등 센서의 기능이 바뀌면 안 되는 응용사례에서 더욱 유용하다. 

프로그래밍이 필요 없는 센서는 조정 작업을 위한 마이크로프로세서와 순람표(룩업 테이블)가 불필요하며, 따라서 비용 또한 저렴하다.

일부 기술자들은 설정을 수시로 변경하는 등 다양한 시도를 위해 프로그래밍이 가능한 비 접촉 센서를 활용하기도 한다. 최적화 작업을 마치면, 생산 직전 최종 설계 단계에서 저 비용의 각도가 고정된 센서로 교체 및 전체 비용을 낮춘다.

자석과 센서의 크기 조정
장치의 회전 부품을 추적하기 위해 센서와 위치 마커를 도입할 때는 적절한 크기와 위치 설정이 필요하다. 안정적인 작동을 위해서다. 응용사례마다 서로 다른 형상 및 요구사항을 충족하기 위한 다양한 선택사항이 존재한다.

1. 자석 마커의 장착과 크기 설정. 비 접촉 로터리 감지를 위한 자석 마커는 다양한 유형으로 나뉜다. ▲회전하는 구성요소 속에 나사를 활용해 장착할 수도 있고(마커를 회전축에 정렬하기 위함이다) ▲여타 회전 부품 중 하나의 샤프트에 고정시킬 수도 있다. 또한 ▲자석과 센서 간의 작동거리와 Z축에 대한 허용 설치공차 등을 통해 최적의 자석 크기를 결정할 수 있다. 그런가하면 ▲반대로 보다 큰 자석을 선택함으로써 X-Y 방향의 축방향 편차를 보상하고, 선형 속도를 유지하며, 축방향 공차의 저하를 방지할 수 있다.

2. 사양 선정. 비 접촉 센서는 평균적으로 0°에서 360°범위의 회전 움직임을 0.1°에서 0.12° 수준으로 반복하며 감지한다. 해상도는 10bit에서 12 내지 14bit가량 되는 것이 일반적이다. 직선성(센서의 출력이 급격하게 변화하는 원인과, 그 결과로 완벽한 응답 상태에서 벗어나는 정도 간의 관계를 선형으로 나타낸 것. 편집자 주)은 센서에 따라 0.3%에서 ±0.5% 내지 ±1% 가량이며, 센서에 따라 달라진다.

대부분의 센서는 다양한 작업에 사용되는 만큼 IP69 등급을 충족하며, 회전 제품에 부착되는 마커 역시 다양한 환경에서도 원활하게 작업할 수 있다.

3. 설치 방법 및 크기 선정. 비 접촉 로터리 센서 시스템은 기존의 서보 형식 장착 및 2개 내지 4개의 나사를 사용해 센서를 장착할 수 있다. 센서 사용 용도에 따라 적절한 설치 방법을 선택하면 된다. 예를 들어 회전하는 기계의 앞면에 설치할 것인지, 뒷면에 설치할 것인지를 판단해야 한다.

최신 센서는 대부분 장착을 위한 구멍과, 조임에 필요한 나사 등을 제공한다. 이는 센서를 설치하기 앞서 최적의 위치 및 각도를 선정하도록 돕는다. 또한 나사를 사전에 조여둠으로써 센서를 구동축의 기계적 영점 혹은 장비 중앙에 장착할 수도 있다. 성공적으로 장착된 센서는 안정적으로 필요한 전압을 출력할 수 있다. 유연성을 높이고자 한다면 클램프를 겸한 센서를 선택하여 보다 많은 회전을 노릴 수 있다.

센서의 가장 적절한 크기를 결정하기 위해서는 다음의 세 가지 요소를 참고하는 것이 바람직하다.
·장비의 여유 공간(센서를 장착할 수 있는).

·필요한 전자적 기능. 복잡한 응용사례는 내부에 더 많은 전자장치를 수용하기 위해 보다 큰 센서를 필요로 하기 때문이다.

·견고성. 극한 환경에서 작업하는 일부 응용사례는 두꺼운 스테인리스강 하우징과 변형의 위험이 적은 튼튼한 케이블을 필요로 한다.

경우에 따라 응용사례의 설계 특성과 제조 공차 등으로 인해 추적 대상이 되는 회전체와 센서 축 간에 축방향 편차가 일어날 수 있다. 

방사상의 정렬 오차는 축의 비틀림으로 인해 잘못된 정보를 바탕으로 각도 데이터를 추출하므로 측정 결과의 품질을 떨어트린다. 이러한 경우 신뢰성을 높이기 위해 센서를 마커의 자기 출력부와 연결하는 것이 바람직하다. 주어진 가이드라인을 충족해야 함은 물론이다.

4. 환경적 고려사항. 회전축 씰을 필요로 하는 센서는 세척을 비롯한 혹독한 응용사례에서 문제를 일으킬 수 있다. 반면 비 접촉 로터리 센서는 전자제품을 하우징 등으로 보호하거나 O링 씰 하우징을 적용함으로써 이러한 문제를 최소화한다. 또한 스테인리스강 하우징을 적용한 센서는 진동과 충격에 강하다. 자석 역시 충격으로부터 분리·보호되어 있다. 

비 접촉 로터리 센서의 정격 온도는 전 산업용 및 모바일 응용사례 중 95% 가량을 충족한다. 표준 센서 시스템은 -40℃에서 +85℃ 범위의 온도에서 작동하며, 일부 제품은 +105℃에서도 작동한다. 

여기서 온도에 제한이 생기는 요인은 센서 핵심부의 전자제품 때문이지, 센서 자체 때문이 아니다. 비 접촉 로터리 센서의 출력은 온도 보정을 위한 전자적 보상이 불필요하므로, 상기한 범위의 온도 내리면 영향을 받지 않는다.

5. 동작. 자기장의 세기를 측정하기 위해 수직(90°)으로 작업을 수행하는 홀 센서와는 달리, 비 접촉 로터리 센서는 360° 각도를 측정하여 사인 및 코사인 곡선 출력 신호를 생성한다. 이를 통해 센서의 마이크로프로세서가 마커의 방향을 결정한다. 

방향을 결정하고 나면, 아날로그 출력이 활약할 차례다. 대부분 ▲0.1V에서 5V ▲0.1V에서 10V ▲4㎃에서 20㎃ 범위다.

한편, 속도 제어 응용사례에서는 증분 출력을 활용한다. 잦은 이동이 필요한 응용사례에서는 CANopen 등의 디지털 출력 방식을 활용한다. 해양 선박 제어 및 쓰레기통을 처리하는 쓰레기차 등을 예로 들 수 있다. PLC 응용사례에는 SSI 출력을 주로 사용하는데, SSI는 해상도를 극대화하며, 다수의 디지털-아날로그 혹은 아날로그-디지털 변환이 불필요한 것이 장점이다.

6. 설치 프로그래밍. 최근 시장에 등장한 많은 비 접촉 로터리 센서들이 USB 어댑터와의 연결 기능을 탑재하고 있어 USB 인터페이스를 통해 프로그래밍하면서 센서와 사용자 인터페이스 사이에 원활하게 데이터를 전송할 수 있다. 사용자 친화적인 소프트웨어는 센서가 출력한 데이터를 판독하고 그래픽 형태로 출력하며, 다양한 매개변수를 조정할 수도 있다. 시작 각도와 종료 각도, 출력 곡선의 종류(양의 경사와 음의 경사 등을 포함한다), 출력 곡선의 가파름(경사) 변화 등을 예로 들 수 있다. 또한 사용자 정의 형태의 비선형 곡선 출력 역시 설정할 수 있다.

비 접촉 로터리 센서 중 일부는 트리거 스위치를 설정할 수 있다. 트랜지스터-트랜지스터 논리(Transistor-Transistor Logic, TTL) 스위치 출력 역시 프로그래밍할 수 있다. 릴레이를 설정 혹은 해제할 수 있고, 각도 범위를 벗어났음을 즉각적으로 알려주는 빛 혹은 소리 경고를 낼 수도 있으며, 샤프트 위치를 알려주도록 화면을 설정할 수도 있다. 일부 출력은 전압계를 사용하지 않고도 측정 결과를 표시하도록 트리거할 수 있다. 예를 들어 저 전류 디스플레이 LED를 스위치 출력부에 직접 연결하여 가운데 위치를 표시하도록 만들 수 있다. 이후 정중앙에 도달하면 출력부에서 LED 조명에 전원을 넣도록 프로그래밍할 수 있다.

7. 비 접촉 로터리 센서의 연결. 비 접촉 로터리 센서 장치의 연결은 응용사례가 필요로 하는 프로그래밍 가능 범위와 출력 형태 그리고 적용 가능한 스위치 존재 여부 등에 따라 (그 방식 및 형태가)달라진다.

공급 전압 범위는 5V에서 30V가량이다. 일반적으로 12V 및 24V 공급 전압을 가장 흔히 사용한다. 센서에 연결할 수 있는 리드 수는 센서 출력 및 스위치 사항에 따라 달라진다. 고급 구성을 위해서는 최대 10개의 리드가 필요하다.

프로그래밍 기능이 불필요한 비 접촉 센서 응용사례에는 아날로그 출력을 위한 세 개의 선(전원 공급·그라운드·신호 출력)만 있으면 된다. 이러한 센서에서는 신호 조절기가 보통 불필요하다. 모든 센서가 능동 출력(Active Output)을 제공하기 때문이다.

디지털 출력은 보다 많은 선을 필요로 한다. 시작 각과 끝 각의 프로그래밍, 중앙 지점 프로그래밍, 판독 범위 프로그래밍을 위해서다. 여기에 전원 공급, 그라운드, 신호 출력선 역시 필요하다.

일부 센서는 전류 출력 기능을 가지고 있다. 장거리 케이블 연결 시에도 손실을 낮추고 노이즈 문제를 최소화하기 위함이다. 보다 많은 정보를 원한다면 전문 기업의 카탈로그를 확인하거나 상담을 요청하는 것이 바람직하다.

설계상 고려사항
모든 제품이 그렇듯, 비 접촉 로터리 센서 역시 설계 시 고려사항이 존재한다.

첫 번째는 가격이다. 특히 넓은 범위 및 장거리에 걸쳐 적용해야 하는 경우, 비 접촉 로터리 센서보다 큰 자석이 필요하므로 비용 문제가 발생한다. 큰 자석은 비싸고 많은 공간을 필요로 하는 반면, 센서를 마커에서 멀리 떨어트려 설치하거나 장비 혹은 측정 공간 외부에 설치할 수도 있다. 보다 큰 자석은 장비 형상에 따라 샤프트와 센서 부품을 분리하여 구성할 수 있다. 

두 번째 고려사항은 금속 조각으로 인한 성능 저하다. 일부 응용사례에서는 자성을 띤 이물질이 자석 마커에 혼란을 줄 수 있다. 이러한 이물질은 히스테리시스 현상 및 오프셋 에러를 일으키는 주범이다. 따라서 문제를 사전에 예방하기 위한 조치를 취해야 한다.