유도성 근접 센서의 작동 원리는 무엇인가요?

유도성 근접 센서는 어떻게 작동하나요?

공장에 가본 적이 있거나 생산 라인의 작동 모습을 본 적이 있다면 컨베이어 벨트나 로봇 팔 근처에 설치된 작은 직사각형 형태의 장치들을 눈여겨봤을 것입니다. 이들은 근접 센서입니다: 바로 인덕티브 근접 센서 가장 흔한 유형 중 하나입니다. 하지만 인덕티브 근접 센서가 정확히 무엇인지 알고 계신가요? 생각보다 간단합니다! 센서를 단계별로 살펴보면서 금속 물체를 감지하는 뛰어난 도구가 되는 이유를 이해해 봅시다.

유도성 근접 센서는 빛, 소리 또는 직접적인 접촉 없이 작동합니다. 전자유도라는 오랜 시간 검증된 원리를 통해 감지를 자동화하는 방식입니다. 이러한 센서는 다양한 산업 자동화 작업에서 금속의 존재를 신뢰성 있게 감지합니다. 로봇 암이 금속 부품 근처에서 움직일 때 충돌을 방지하고, 컨베이어 벨트 위의 금속 제품들을 분류하고 카운트합니다. 산업 자동화에서 이러한 센서의 가치를 이해하려면, 센서의 기본 원리와 관련된 공학 및 물리 원리, 그리고 자기장의 변화를 어떻게 사용 가능한 신호로 변환하는지를 이해하는 것이 중요합니다.

작동을 가능하게 하는 핵심 구성 요소

작동 원리는 인덕티브 근접 센서의 다양한 부분에 달려 있습니다. 그것은 여러 부분들로 구성된 체계입니다. 이 시스템을 이해하려면, 모든 센서가 가지고 있는 네 가지 기본 요소가 있다는 사실을 생각해 보세요. 이 기본 부품들은 센서가 작동하기 위해 협력해야 합니다.

첫 번째 구성 요소는 오시레이터입니다. 센서의 자기장 "전력원"이라고 생각해보세요. 고주파 전류를 생산합니다. —일반적으로 킬로헤르츠 범위 —그리고 전류는 빠르게 방향이 변합니다. 이 후 검출 스핀이 따라갑니다. 일반적으로 페리트 코어를 둘러싼 얇고 고품질의 와이어 (예를 들어 구리) 의 루프입니다. 오시일레이터가 코일을 통해 교류류를 보내면 코일은 중요한 기능을 수행합니다. 자기 주위를 교류 자기장을 생성합니다. 이 물질은 센서의 앞면을 둘러싸고 있는 보이지 않는 작은 자기성 "구구리"와 같습니다.

다음 단계는 증폭기 회로를 설계하는 것입니다. 이 부품의 역할은 자기장의 변화를 "감지"하는 것입니다. 곧 살펴보겠지만, 어떤 물체가 그 자기장을 방해하게 되면 코일의 전기적 특성도 함께 변화하게 됩니다. —그리고 이러한 변화는 매우 미세합니다. 증폭기는 이러한 미세한 변화를 증폭시켜 다음 처리 단계에서 더 용이하게 작동할 수 있도록 신호를 강화합니다. 마지막 부분은 출력 회로입니다. 증폭된 신호가 이 부분에 도달하면, 회로는 금속 물체의 존재 여부를 판단하고, 디지털 신호(작동/정지)를 인터페이스된 기계로 전송하여 컨베이어를 정지시키거나, 로봇 팔을 움직이게 하거나, 카운터의 값을 1 증가시키도록 지시합니다.

천웨이 오토메이션은 유도성 근접 센서의 핵심 구성 요소를 최적화하여 설계했습니다. 예를 들어, 검출 코일은 일정하고 정확한 감지를 제공하기 위해 고품질의 구리선으로 제작되었습니다. 이러한 구성 요소 중 어느 하나라도 누락되면 센서는 작동하지 않으며, 이는 모든 구성 요소에 해당됩니다. 이러한 요소들은 시스템의 나머지 부분과 정확히 맞춰져 있습니다.

전자기 유도: 기본 원리

구성 요소를 살펴보았으니 이제 전체 작동을 가능하게 하는 핵심 요소인 전자기 유도에 대해 알아보겠습니다. 이 개념은 1800년대 영국의 과학자 마이클 패러데이에 의해 개척되었으며, 발전기와 변압기의 작동 원리 뒤에 있는 기초입니다. 우리는 이를 유도성 근접 센서의 맥락에서 그 작동 원리를 살펴볼 것입니다.

검출 코일은 고주파 교류를 수신합니다. 전류가 한 방향으로 흐르고 나서 반대 방향으로 흐를 때, 코일은 교번하는 자기장을 생성합니다. 이것은 센서가 작동할 때 근접 센서로부터 최대 30mm 떨어진 지점까지 확장되는 '보이지 않는' 자기 '버블'입니다. 센서가 비활성 상태일 때는 자기장이 정지되어 있으며 일정합니다. 자기장의 소실은 센서 근처에 금속 물체가 있음을 나타냅니다. 이 상태에서는 발진기가 활성화되어 있고, 코일의 임피던스는 일정하며, 변동은 전혀 없습니다.

여기서 패러데이의 전자기 유도 법칙이 유용하게 사용된다. 금속인 도체가 자기장에 노출되면, 변화하는 자기장으로 인해 도체 내부에 전류가 흐르게 된다. 이 전류는 와전류(eddy current)인데, 나선형으로 흐르며 자신에게로 다시 돌아오는 전류이다. 웅덩이에서 물이 소용돌이치며 회전하는 모습을 떠올려보면 된다. 이 와전류는 자체적인 자기장을 형성하며, 센서 코일에서 발생한 자기장과 반대 극성을 갖게 된다. 이것이 렌츠의 법칙이며 전기역학의 일부이다. 이제 일정한 자기장 대신, 코일은 와전류에 의해 생성된 '반발력' 자기장을 가지게 될 것이다.

반대 방향의 자기장 변화는 탐지 코일의 작동 방식에 영향을 미칩니다. 코일 임피던스의 정의를 기억하시나요? 반대 방향의 자기장이 코일과 상호작용할 때, 임피던스가 증가합니다. 오실레이터가 공급하는 교류 전류를 코일이 수용하기 더 어려워지며, 추가적인 저항으로 인해 오실레이터가 약해지거나 느려질 수 있습니다. 이 현상 —임피던스의 증가 또는 오실레이터 출력의 감소 —은 센서의 증폭 회로가 감지하는 유일한 요소일 가능성이 높습니다. 센서가 "금속 물체가 존재한다!"고 신호를 보내고 있다고 결론 내리는 것은 상당히 타당합니다.

금속 물체 탐지 원리 (핵심 메커니즘)

금속 물체가 센서의 전류에 영향을 주고 센서의 자기장을 교란시킨다는 것을 확인했습니다. 그렇다면 센서는 이러한 교란을 어떻게 해석하여 컨트롤러에 '물체 존재' 또는 '물체 없음'을 신호로 전달할까요? 이것이 나머지 회로 구성 요소들의 기능이며, 유도성 근접 센서가 산업 분야에서 신뢰받는 이유입니다. 예를 하나 살펴보겠습니다. 금속 너트를 운반하는 컨베이어 벨트 위에 장치가 설치된 상황을 상상해 보세요. 만약 너트가 센서 근처에 없다면, 너트 주변의 자기장은 왜곡되지 않습니다. 코일의 임피던스는 낮게 유지되며, 발진기의 작동 강도는 높은 상태를 유지하고, 증폭기는 의미 있는 변화를 감지하지 못합니다. 출력 회로는 '정상' 상태를 유지하며, 시스템은 컨베이어 시스템에 '낮음' 신호를 보내 계속해서 움직이도록 지시합니다.

금속 너트가 센서 아래로 슬라이드되어 감지 범위 안으로 들어옵니다. 너트 내부에 와전류가 유도되며 반대 방향의 자기장이 생성됩니다. 코일의 임피던스가 변화하고 발진기의 전류가 감소합니다. 증폭기는 전류의 변화(또는 감소하는 임피던스)를 감지하여 이를 증폭시킵니다. 이 증폭된 신호는 '임계값(threshold)'으로 설정된 출력 회로로 보내집니다. 이 임계값은 특정 동작을 시작하게 하는 기준선입니다. 임계값이 초과되면 출력 회로의 상태가 변하며 제어 시스템에 '고(high)' 신호를 보냅니다. 이 신호는 컨베이어를 잠시 멈추게 하여 로봇 팔이 너트를 집을 수 있도록 하거나, 처리된 너트의 수를 계산하는 카운터를 증가시킬 수 있습니다.

여러분이 알아야 할 점은: 유도성 근접 센서는 특정한 재질의 물체만 감지한다는 것입니다 —그리고 대부분은 강철, 알루미늄, 구리와 같은 금속입니다. 플라스틱, 목재, 유리와 같은 비금속 물질은 전도성이 약하기 때문에 센서는 이러한 물질을 전혀 감지하지 못합니다. 그러나 많은 공장에서는 이것이 큰 장점이 됩니다. 예를 들어, 금속 부품을 플라스틱 봉지(비금속)에 포장하는 경우, 센서는 봉지를 무시하고 금속만 감지할 수 있습니다. 첸웨이 오토메이션의 유도성 근접 센서는 이 점에서 특히 탁월합니다. 이 센서는 서로 가까이 위치한 금속 및 비금속 물체까지도 구별할 수 있으므로 잘못된 신호로 인한 생산 차질을 방지할 수 있습니다.

또 한 가지 이해해야 할 점은 금속의 종류와 크기가 감지 범위에 영향을 준다는 것입니다. 예를 들어, 큰 강철판은 작은 알루미늄 나사보다 더 먼 거리에서 인식되는데, 이는 더 큰 금속 표면이 더 강한 와전류를 유도하기 때문입니다. 그러나 이는 거의 문제가 되지 않습니다. 대부분의 산업용 센서는 다양한 종류의 금속과 작동하도록 설계되어 있으므로, 감지하려는 부품을 변경할 때마다 센서를 교체할 필요가 없습니다.

산업 현장에서의 실용적 동작 원리

생산 공장 내 다양한 산업 응용 분야의 논리를 이해하기 위해서는 과학적 관점에서 개별 구성 요소들이 어떻게 작동하는지를 아는 것이 중요합니다. 우리는 동작 원리를 설명하기 위해 몇 가지 도해를 활용할 것입니다. 이것이 자동화 분야에서 유도성 근접 센서가 널리 사용되는 이유입니다.

자동차 부품 제조업체를 예로 들어보겠습니다. 첸웨이 오토메이션(Chenwei Automation)에서 제작한 유도성 근접 센서가 엔진 블록에 금속 볼트를 조립하는 생산 라인에 사용되고 있다고 가정해 봅시다. 이 센서는 볼트를 잡고 있는 로봇 암에 장착되어 있습니다. 암이 엔진 블록에 볼트를 조이기 위해 움직이기 전에, 센서는 암이 실제로 볼트를 잡고 있는지 확인해야 합니다. 만약 암이 비어 있다면, 공회전을 하게 되어 시간을 낭비하거나 엔진 블록을 손상시킬 수 있습니다. 다음은 그 작동 과정입니다. 로봇 암이 볼트를 집을 때, 볼트가 센서의 감지 범위 안에 들어오게 됩니다. 그러면 볼트 표면에 와전류(eddy current)가 발생하고, 코일의 임피던스가 변화하면서 센서는 로봇 컨트롤러에 '볼트 있음' 신호를 보냅니다. 이후 컨트롤러는 암이 엔진 블록으로 이동하여 조임 작업을 시작하도록 지시합니다. 반면 볼트가 없을 경우, 센서는 '볼트 없음' 신호를 보내고, 컨트롤러는 암을 정지시켜 오작동을 방지하게 됩니다.

다른 예로는 금속 캔의 포장 라인이 있다. 캔은 컨베이어 시스템을 통해 이동하며 탄산음료를 채우고 밀봉해야 한다. 유도성 근접 센서가 충진 노즐 근처에 고정되어 있다. 캔이 충진 노즐 아래 위치하게 되면, 센서는 캔의 금속 구조를 감지하고 충진 시스템을 작동시킨다. 캔이 채워지는 동안 센서는 캔의 존재 유무를 감지하여 캔이 사라지면 충진 노즐에 중지를 신호한다. 이 시스템은 캔을 감지하고 재충전하도록 설계되어 고속 생산 중에도 탄산음료가 낭비되지 않도록 보장한다.

다시 한번, 센서 시스템이 요구하는 응답 시간은 밀리초 범위 내에 있어야 한다. 이는 원하는 생산 속도를 유지하기 위해 매우 중요하다. 센서 시스템의 응답 시간이 단지 1초라도 걸린다면, 이는 생산 공정에 문제가 있음을 나타내게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 첸웨이 오토메이션(Chenwei Automation)은 고속 로봇 시스템과 컨베이어의 움직임에 실시간으로 반응하도록 센서를 설계한다. 대부분의 센서 기술은 먼지가 많은 환경에서 오작동할 수 있으나, 유도성 근접 센서(inductive proximity sensors)는 그렇지 않다. 이 센서들은 먼지와 습기를 견디며 열악한 조건에서도 계속 작동한다. 센서는 자기장이 센서 내부에서 상호작용하여 센서를 비활성화시키기 전까지는 정상적으로 작동을 멈추지 않는다.

다른 하나 주목할 점은 이러한 센서들이 "비접촉식"이라는 것입니다. 이는 센서가 금속 물체에 실제로 닿지 않고도 이를 감지할 수 있다는 의미입니다. 기계식 스위치는 시간이 지남에 따라 마모되는 부품과 접촉해야 하므로, 이와 비교했을 때 큰 장점입니다. 유도성 근접 센서는 어떤 것도 직접 만지지 않기 때문에 훨씬 오랜 기간 동안 사용이 가능하며 거의 유지보수가 필요하지 않습니다. 24시간 내내 가동되는 공장에서는 다운타임을 줄이고 교체 비용을 절감할 수 있기 때문에 이러한 특성이 특히 중요합니다.