물리변화량 측정방법 및 감지기(센서)

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물리적 변화량
실험실에서 실험을 할때 그 결과를 알기위기위하여 측정은 반드시 필요합니다.
제품을 개발할때 역시 측정을 필요로합니다.
측정을 하여 그 결과물이나 제품이 원하는 대로 만들어졌는지 아닌지를 판단하여
연구나 개발 방향을 설정하고 자료화 해야 하니까요.
한 예를 든다면 화학 분야에서는 일반적으로 실험한 결과물을 IR, NMR, UV-VIS, XRD, ...등 을
이용하여 결과물을 확인할 수 있습니다.
물론 그밖의 다른 기기들도 많이 있고 사용하고 있습니다.
기계분야에서는 선반이나 밀링을 이용하여 재료를 가공할때 원하는 치수로 가공되었는지를
버니어켈리퍼스나 마이크로미터를 사용하여 측정하게 되지요.
일반적으로 측정이란 시간에 따른 혹은 임의의 변화에 다른 물리적량의 변화를 알아내는 것입니다.
물리적 변화량이 무엇인가에 따라 측정방법과 조건이 달라집니다.
물리적인 변화량에는 온도, 습도, 무게, 압력, 광량, ....등 여러가지가 있습니다.
이곳에서는 물리적 특성의 종류와 그것을 측정 할 수 있는 방법과 측정하기위한 감지기(Sensor)에 대하여 설명하고자합니다.


간단한 측정장치 개념도
그림 MEAS-01에서 간단한 측정장치를 보여주고 있습니다.
측정장치는 측정하고자하는 물체, 즉 측정체에서 발생하는 측정하려는 물리 변화량(온도, 압력, ....)을
감지기를 사용하여 전기 신호로 변환한 후 표시장치에 표시하는 구조를 가지고 있습니다.
측정체에서 발생하는 물리 변화량을 측정하려면 측정체에서 발생하는 변화량의 성질을 알아야합니다.


복잡한 측정장치 개념도


그림 MEAS-02는 좀더 복잡한 측정장치를 보여 주고 있습니다.
이러한 물리량을 전기신호로 바꾸어 줄 수 있는 감지기의 종류와 특성 그리고 감지기에서 발생하는 전기신호를 측정하고 표시하는 방법도 알아야 합니다.
이러한 전 과정은 여러가지가 복합되어 있기 때문에 쉽게 접근하기 어렵습니다.
따라서 대부분 기존에 판매하고 있는 장비를 사다가 측정을 하게 되는 것 이고요.
그러나 간단한 물리량을 측정하기위하여 기존의 장비를 사야하거나 혹은 잠깐의 측정을
위하여 장비를 마련하곤합니다.
또한 구입한 장비가 간혹 측정하고자하는 것과 맞지않아 사용을 하지못하는 경우도 있습니다.
따라서 물리량의 측정방법을 알면 필요할때 매우 도움이 될것입니다.
한가지 측정 예로 물의 가열하면서 온도를 측정하는 것을 들 수 있습니다.
온도측정은 실험실 혹은 산업체에서 매우 중요하며 많이 사용하고 있는 특정 항목입니다.
물의 온도를 측정하려면,

1) 측정하려는 물체의 온도 변화 폭을 알고 있어야 합니다.
즉 물을 상온에서 100 도까지인 경우 온도 변화는 20 ~ 100도가 되겠지요.

2) 측정온도 폭이 결정되면 그범위에 맞는 감지기를 선별해야 합니다.
여기서는 온도를 측정하기때문에 온도를 전기신호로 바꿀 수 있는 감지기가 필요하겠지요.
온도측정용 감지기에는 상당히 많은 수가 있습니다.
그중 반도체형태의 온도 감지기 (AD590 또는 AD592) 를 선택합니다.
일반적으로 반도체형 온도 감지기는 온도에 따라 전류값이 변하는 소자입니다.
따라서 전류값의 변화를 측정하면 온도를 알 수 있겠지요.

3) (간단한 장치의 경우, 그림 1-1) 감지기를 결정하면 다음에 표시장치가 필요합니다.
표시장치는 온도 값을 측정자가 볼 수 있도록 해줍니다.
그러나 대부분의 경우 감지기를 표시장치에 직접 연결 할 수 없습니다.
따라서 감지기를 표시장치에 연결 할 수 있는 간단환 전자회로가 필요합니다.
이런 전자회로는 대부분 감지기 판매회사에서 자료로 제공되기때문에 그리 어럽지는 않습니다.
이러한 회로를 만들고 표시장치에 전기 신호를 전달하면 표시장치는 온도에 해당하는 수치를 표시하겠지요.
그러나 이렇게 하면 측정은 할 수 있지만 자료(온도)를 수집하고 기록할 수 없겠지요.
또한 장시간 측정이 필요하다면 매우 힘든 실험이 아닌 작업이 될 것입니다.
이럴때 필요한것이 인터페이스이며 이를 통하여 쉽게 측정량을 기록할 수 있고 다룰 수 있습니다.
이것을 그림으로 표시하면 다음과 같습니다.


AD592소자를 사용한 온도측정의 개념도


그림 MEAS-03은 반도체 온도소자를 사용하여 물의 온도를 측정하는 모습으로
물속에 AD592 온도 소자를 넣으면 소자는 물의 온도에 비례하는 전류가 흐르게됩니다.
이때 흐르는 전류는 전류/전압변환기로 전압으로 바꾸고 증폭기에서 증폭하여 원하는 크기의
전압 신호로 만든 다음 아날로그/디지탈 변환기에서 디지탈로 바꾸어 컴퓨터가 온도 값을 읽게됩니다.
이렇게 읽은 온도 값은 화면에 표시하거나 저장 할 수 있게 됩니다.
위의 예와 같이 측정하고자 하는 물리량의 성질을 알고 그에 합당한 센서를 알고 있으면
그리 어렵지않게 여러 물리량을 컴퓨터를 사용하여 측정하고 기록할 수 있습니다.
이곳에서 그러한 방법에 대하여 다루고자합니다.