초음파 센서 지식(4부): 측정 정밀도에 영향주는 요인

공기 온도

초음파 센서 측정 정밀도는 공기 온도의 영향을 가장 많이 받습니다. 센서가 반사 된 음파의 송수신 타임을 측정 후, 음파 속도를 이용하여 물체까지의 거리를 계산 합니다. 하지만 공기 온도가 변함에 따라 음파의 전파 속도는 1 Kelvin 단위에 0.17% 떨어집니다. Pepperl+Fuchs에서 제공하는 다수의 초음파 센서는 온도 탐침이 적재되어 이러한 영향을 보상할 수 있습니다. 이러한 탐침이 환경 온도를 측정하여 센서로 전송하면, 센서가 온도 변화에 따른 거리 측정 값의 변형(온도 보상 부분 참조)을 수정합니다.

습도

실온이나 보다 낮은 환경 온도에서 공기 습도는 음파 전파 속도에 무시해도 될 정도의 미세한 영향을 줍니다. 하지만 높은 환경 온도 조건에서 음파 전파 속도는 습도 인상에 따라 올라갑니다.

기압

해수면으로부터 해발 고도 3,000m사이에서 음파 전파 속도는 1% 미만으로 절감 됩니다. 특정 된 지역의 대기압 변동은 무시해도 될 정도이며, 음파 전파 속도에 대한 영향은 측정이 불 가능 합니다.

기류

물체가 표준 반사판의 반사 특성을 갖고 있을 때, 최대 7kn(50-61.5km/h) 까지의 기류(바람) 는 초음파 측정에 영향이 없습니다. 폭풍우나 태풍이 불안정한 측정 원인(신호의 손실)으로 될 수 있습니다. 음파 전파 속도에 대한 변화 결론은 아직 없습니다. 이는 기류의 방향 및 속도가 항상 변하기 때문입니다. 예를 들면, 불에 들군 쇳덩이를 비롯한 특정된 뜨거운 물체가 심한 난기류를 일으킬 수 있습니다. 이러한 경우 음파가 산발되거나 굴절되어 측정할 수 있는 에코가 반사되어 돌아오지 않습니다.

페인트 안개

페인트 안개는 초음파 센서 동작에 검출 가능하는 영향이 없다고 봅니다. 하지만 페인트 안개가 작동 중인 트랜스듀서 표면에 적재는 트랜스듀서의 감도를 낮출 수 있습니다.

외부 노이즈

외부 노이즈는 물체에 반사되는 에코와 달리 오동작을 일으키지 않습니다.  외부 노이즈와 초음파 센서 동작 주파수가 동일 할 경우, 외부 노이즈의 진폭은 타겟으로부터 반사되는 에코의 진폭 값을 초과하지 않습니다. 예를 들면, 돌멩이로 사일로를 채우면 이러한 증상이 나타납니다.

가스

Pepperl+Fuchs의 초음파 센서는 대기 환경에서 작동하도록 설계 되었습니다. 기타 가스 종류(예를 들면 이산화탄소) 환경에서 작동 할 경우, 음파 전파 속도 편차 및 감쇄율 때문에 엄청난 측정 에러가 발생하거나 모든 기능을 상실합니다.

초음파 센세 작동은 에코 전송 타임 측정법을 이용하는데,이는 송신 초음파 펄스 및 수신 에코의 시간 간격을 측정하는것입니다. 초음파 센서는 음파 전파 속도에 따라서 물체까지의 거리를 계산합니다. 음파가 공기중에서 전파할 때, 실온 환경에서 음파 전파 속도가 약 344m/s 입니다. 하지만 음파 전파 속도가 온도 영향을 받는바, 1 단위의 섭씨온도에 0.17% 떨어집니다. 이러한 변화는 전파 시간을 영향주며, 이어서 거리 계산 값을 왜곡시킵니다. Pepperl+Fuchs의 대부분 초음파 센서는 -25° C - +70° C 환경에서 동작 합니다.

온도 보상 기능이 없을 경우,  100cm 측정 거리에서 20 섭씨도 온도 변화 발생하면 실제 측정 값이 70 섭씨도에서 -8.5cm, -25섭씨도에서 +7.65cm 오차를 보여 줍니다.

그러므로, 대부분의 초음파 센서는 온도 탐침을 장비하여 측정 거리를 수정합니다. 이러한 온도 보상은 -25° C - +70° C  의 초음파 동작 온도 범위내에서 유효하며 약 ±1.5% 정밀도를 보장합니다.

정밀도/앱솔루트 정밀도는 초음파 센서로 측정하여 출력 값과 실제 거리 차이를 가리킵니다. 실질적인 관점에서 보면, 산업용 어플리케이션에 적용되는 초음파 센서가  -25° C - +70° C 환경에서 1%~3% 앱솔루트 정밀도를 보장할 수 있습니다. 아주 안정한 환경 조건에서 더욱 높은 정밀도를 달성할 수 있습니다. 이러한 경우에는 온도 보상 기능 오프 해주시기(프로그래 사용) 바랍니다.

다른 가능성은 참고용 초음파 센서를 사용하는것입니다. 이러한 방식은 동일한 타입의 초음파 센서를 기존 초음파 센서와 평행되게 설치하되, 고정 된 타겟을 조준합니다. 측정 범위 내의 외부 환경이 변하면, 음파 전파 속도가 변함에 따라서 타겟까지의 거리도 변하는데, 최종 측정 값은 이 에러 값으로 수정 계산 가능합니다.