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SensorTec Co., ltd

Certificated ISO / TS 16949 : 2002

SensorTec Co., ltd

Certificated ISO / TS 16949 : 2002 Ultrasonic Sensor Technology

초음파센서(원리와 응용)

2006년 7월 6일

센서텍주식회사

SensorTec Co., ltd


- 목 차 –

1. 초음파의 개요

2. 초음파 센서

1) 압전 효과

2) 초음파 센서의 종류

3) 공중 초음파 센서

4) 공중 초음파센서의 3대 주요 특성

3. 초음파 응용

1) 초음파센서 이용 시 핵심 요소

2) 초음파 센서의 응용(산업적)

3) 초음파센서의 응용(자동차)

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1. 초음파의 개요

고전적 정의 : 초음파란 ⇒ 진동수가 매초 2만회 이상인 소리로서 귀에 들리지 않는 음파

현대적 정의 : 초음파란 ⇒ 산업적으로 응용하는 음파를 총칭 함

그림 1. 소리의 전파

음파는 세로파이며, 소밀파이다

1) 초음파의 정의

2) 초음파의 전파

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3) 초음파의 음속

]/[6.05.33160714.05.331 smttVt +≅+=

343

1,480

5,180

전파하지 않는다

공기 중

수 중

고체 중(철)

진공 중

전파(종파) 속도[m/s](20℃ 기준)전송 매체

공기 중 음파의 전달 속도는 온도에 따라 변한다.(압력, 진동수, 습도의 영향도 있다)

- 초음파의 파동의 종류 및 음속

100%

60%

67%

세로파 (종파)

가로파 (횡파)

표면파

전파 속도 비율파동의 종류

예) 3기압에서의 음속은 1기압에서의 음속에 비해 0.3% 증가, 9기압에서는 0.5% 증가하나온도가 일정하다면 압력과 밀도는 비례하므로 결국 음속은 압력 변화에 영향을 받지 않는다.

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4) 초음파의 굴절

음파의 굴절 : nVV

===2

1

2

1

3

1

sinsin

λλ

θθ

전반사 임계각 (공기 ⇒ 물 전달일 경우) :

°≅

===

4.13

23175.0480,1

343sin

1

2

11

θ

θVV

2

1

2

1

3

1

sinsin

λλ

θθ

==CC

빛의 굴절 :

즉, 초음파는 대단히 반사하기 쉽다. 고체에서는 거의 대부분 반사 된다.

따라서 이 성질은 초음파 거리계, 두께 측정기 등의 제작에 이용된다.

초음파는 온도나 밀도의 변화에 의해서도 굴절 현상이 발생한다.

주간에는 지표가 더워지고 상공이 차며( 즉 상공이 밀도 높음) ⇒ 음이 하늘쪽으로 휘어짐야간에는 따뜻한 공기가 상공으로 올라감(즉, 지표가 밀도가 높음) ⇒ 음이 지표 근처를 진행

야간에 소리가 더 멀리 들리는 이유?

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5) 초음파의 전달

1) 매질의 음향임피던스( )Cρ

초음파의 전송효율이 좋으려면 전달 매질간의음향 임피던스의 차이를 가능한 작게 해야 한다

- 주요 인자

물과 공기의 경계면에서 약 30[dB] 정도 감쇄된다즉, 1000[W]의 음향에너지를 넣어도1[W]만 통과 된다.

2) 사용 주파수

즉 공기중의 초음파는 공기를 많이 함유하고 있는 물질에 부딪히면 전달이 잘된다(반사되기 어렵다)

10

3

2

20

50

100

음압이 반이 되는 거리[m]주파수[KHz]

⇒ 따라서 원거리 측정하려면 주파수를 내려야 함

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6) 초음파의 강도

22 fAI ∝ (1)

A : 진폭

f : 진동수

- 초음파의 에너지는 진동수와 진폭이 클수록 크다

][1097.12)2( 52 gfa ×=•== ξπξω (2)

예) 진동의 변위를 20㎛, 주파수를 50KHz라고 하면 발생되는 가속도 에너지는 ?

즉, 중력가속도의 20만배가 발생한다 ⇒ 초음파세척, 용접등에 적용되는 원리

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2. 초음파 센서

1) 압전 효과

- 압전(壓電 )효과란(Piezoelectricity)?

수정 또는 세라믹 결정체가 압축 또는 신장할 때 전압을 발생하는 효과 ⇒ 정 효과수정 또는 세라믹 결정체에 교류 전계를 가하면 수축 및 신장하는 효과 ⇒ 부 효과

압전 물질(진동자)이 진동하는 원리

초음파 발생

초음파 발생

소자 수축 단계 소자 신장 단계정상 상태(전계 인가 전)

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2) 초음파센서의 종류

초음파센서란?

20KHz 이상의 음향에너지 발생 및 검출을 위해 압전의 부 효과(송신) 와 정 효과(수신)을 이용한 센서

패시브 센서 (수신 전용 센서) : 가스 배관 누출 감지기, 가속도 센서, AE센서 등

액티브센서 페시브센서

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액티브 센서 : 스스로 초음파를 발생하여 그 반사파를 검지초음파 거리계, 두께 측정기, 어군 탐지기, 측심기, SONAR, 의료용 진단기 등

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3) 공중 초음파센서

공기 중에 스스로 초음파를 방출하거나, 방출된 초음파 에너지를 검출하는 센서

-공장 자동화용 초음파센서

-수위, 액면 검출용

-자동차용 후진센서

-무인 주차장 감지 센서

-수위,액면 검출용

-침입방지

-가정용 로봇용 도

-압전세라믹의 두께진동 이용

-음향정합 층 설계가 중요

-고주파 영역 사용(최대400KHz)

-빔 각도가 매우 예리 함(8˚)

-알루미늄의 굴곡진동 이용

-수신 감도가 비교적 좋다

-내 환경 특성 우수(옥외사용가능)

-충격에 강함

-압전세라믹의 굴곡진동 이용

-음압레벨이 높고 감도가 좋다

-80KHz이상 사용 불가

-내 환경 특성이 나쁨

특 징

구 조

고주파형 센서방적형 센서개방형 센서

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4) 공중 초음파센서의 3대 주요 특성

-음압 특성 : 일반적으로 음압 레벨로 나타내며 이는 기준 음압에 대한 상용로그의 20배

여기서 기준음압 0[dB] = 0.0002[μbar], 또는 0.0002[Pa]

음압 레벨 (SPL:Sound Pressure Level) ][log20 dBPP

ref

=

-감도 특성 : sensitivity 라고 하며 초음파센서에서의 출력량과 입력량의 비율이며

음의 수신레벨을 나타내는 단위

감도(sensitivity) ][

][log20barPVE

µ=

-지향성 : 각도와 음압과의 관계를 측정한 것으로

보통 그 음압 레벨이 정면에 비해–6[dB] (약 50%)감쇠하는 각도로 나타낸다.

60°

50°

40°

30°

20°

100°

90°

-2dB

-4dB

-6dB

-8dB

-10dB

-12dB

-14dB

-16dB

Vertical

Horizontal10

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

80°

70°

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3. 초음파의 응용

1) 초음파센서 이용 시 핵심 요소(액티브 센서인 경우)

- 구동 주파수

Imp e d a n c e C h a r a t e r i s t i c s

(Fr:40.35[Khz] Rr:406.6[Ω] Cp:4314.01[pF])

100

1000

10000

38 39 40 41 42 43

Frequence[Khz]

Impedance[Ω]

- 100

-80

-60

-40

-20

0

Phase[deg]

Impedance

Phase

공진주파수

- 감지 영역 I (최소 감지 영역의 제한)

송신이 최대가 되는 주파수 대역과수신이 최대가 되는 주파수 대역은 다르다.

⇒ 보통 공진과 반공진 주파수 사이에서 구동

송신 후 발생된 잔향이 완전 감소되기전에는 수신 신호 감지가 어렵다

⇒ 잔향시간(ring down time, Decay time)⇒ 시스템 설계 시 중요 factor

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- 감지 영역 I I (최대 감지 영역의 제한)

동일 센서 동일 구동 방식이라도탐지 물체의 종류에 따라 최대 감지 영역(거리 및 각도)은 매우 차이가 난다.

예)

센서 정면(각도 : 0˚)에서 측정 하였을 때

타겟이 700 x 700mm 인 경우 최대 탐지거리 : 약 3.5m타겟이 Φ25mm 봉 인 경우 최대 탐지 거리 : 약 1.8m

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2) 초음파센서의 응용(산업적)

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Ultrasonic Sensor

3) 초음파센서의 응용(자동차) - 현재

(1) 전후방 장애물 감지 센서

(3) 도난 경보 시스템

(2) Knock Sensor

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(4) 오일의 점도, 온도의 인 라인 모니터링 (5) 자동차 핸즈프리 시스템용 초지향성 스피커

41kHz

40kHz

81kHz 41kHz

40kHz

1kHz

(6) 연료 레벨 측정기

(7) 레벨 스위치(상/하한)

4) 초음파센서의 응용(자동차) - 미래

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