Mechatronics

1.센서의 정의

대상물이 어떠한 정보를 가지고 있는가를 감지하는 장치이다. 인간의 5감을 대신해 검출 대상의 물리량을 정량적으로 계측해 주므로 인간의 5감에서도 느낄 수 없는 형상 예를 들면 적외선 등의 전자파, 에너지가 작은 초음파 등을 검출할 수 있는 장치 또한 인간의 5감을 훨씬 넘는 에너지를 가지고 있는 형상도 검출할 수 있는 장치이다.

2. 센서 응용시 고려 해야할 사항

기능성 적용성 규격성 생산성 보존선을 많이 고려해야한다. 신속한 감응과 신속한 원상복귀가 중요

3. 센서의 기본 요건

외부로부터의 자극이나 신호를 선택적으로 감지해야 하는 본질적기능과 감지된 원초적신호감도, 선택도, 안전도, 복귀도를 갖추어야함

4. 자동화시스템의 영역

자동화시스템은 말 그대로 자동으로 움직이는 모든 것을 할 수 있는 것이다. 기계 가동분야 기계 및 자동화설계분야 자동화 시스템 제작 분야 자동화설비 제어 및 유지보수분야 기계 정비 분야 항공 기계 제작 분야 등이 있다.

FA 공장자동화 LA 실험자동화 OA 사무자동화 HA 가정자동화

미래에는 모든 사물에 컴퓨팅 능력과 무선 통신 능력을 부여하여 언제 어디서나 사물들끼리 통신할 수 있는 유비쿼터스 모든 사물에 전자 태그를 부착 센서 네트워크 환경을 구현하는 자동화 시스템이 실용화 될 것이다.

5. 센서가 대상으로 하는 정보량의 분류

광, 역학, 온도, 전기, 자기, 압력, 화학, 가스

6. 인간과 센서 기능

인간의 5감을 대신해 검출 대상의 물리량을 정량적으로 계측해 주므로 인간의 5감에서도 느낄 수 없는 형상 예를 들면 적외선 등의 전자파, 에너지가 작은 초음파 등을 검출할 수 있는 장치 또한 인간의 5감을 훨씬 넘는 에너지를 가지고 있는 형상도 검출할 수 있는 장치이다.

시각 = 포토다이오드 청각 = 진동자 촉각 = 반도체 압력센서 미각 = 입자센서 후각 = 지르코니아센서

7. 센서에서 왜 반도체 재료를 사용하는가

소형화가 용이 응답속도가 빠름 고감도실현 가능 선택성 부여가 상대적으로 용의하다. 집적화 지능화가 가능. 경제적이다.

8. 반도체 재료의 특성

세라믹 = 재료 내식성 내열성 내마모성이 뛰어나고

유기재료 = 바이오센서용 또는 무개재료의 단점을 보완하기 위해서 사용

9. 비정질 재료에 대해서 서술하시오

비정질 또는 비결정질 반도체라고도 한다. 원자배열에 있어 3차원적인 주기성을 가지는 고체를 결정질이라 하는데 이러한 주기성을 갖지 않는 고체를 비결정성물질(비결정질)이라 한다. 비결정질은 단거리에서의 원자 배열은 결정과 매우 비슷하지만 장거리질서가 없기 때문에 융점 등의 물성상수가 정확하게 정해지지 않는다. 이러한 물질을 사용한 반도체가 비결정질 반도체이다. 이러한 비결정질 반도체의 대표적인 예는 비결정질 실리콘이다. 비결정질 실리콘은 밴드 구조가 명확하지 않고 밴드갭 내에 state가 존재하여 반도체로서 단결정질에 비해 성능은 떨어지지만 소재비가 싸고 미결합상태를 수소로 포화시킨 수소화 비결정질 실리콘으로는 가전자제어가 가능하기 때문에 단결정 반도체와 같이 pn접합 다이오드나 트랜지스터를 만들 수 있다.

10. 세라믹 재료의 기능에 대하여 서술하시오.

강한 원자간 결합력으로 높은 경도 고융점 및 화학적 안정성, 낮은 인성 연성 취성이 큼, 전기와 열의 좋은 절연체

11. 세라믹 재료의 특성에 대하여 서술하시오.

세라믹은 열과 냉각 활동으로 마련된 무기 화합의, 비금속 고체이다. 점토 등 천연의 원료를 사용해서 만들며, 용기로 사용되어 왔다. 이에 대하여 파인 세라믹스는 고순도의 인공 원료를 사용해서 만들며, 전자재료, 정밀기계 재료 등 다양한 용도에 쓰인다. 세라믹스는 금속과는 반대로 전기를 잘 전도하지 않을 뿐 아니라, 유기 재료와는 달리 고온에도 잘 견딘다는 것이 특징이다.

특징

세라믹스는 최근에는 생체재료로도 쓰인다. 파인 세라믹스는 금속이나 플라스틱에 비하여 녹이 슬지 않고 불에 타지 않으며 손상되지 않는 특징을 지닌다.

거기에 전자기적, 광학적, 기계적, 생체공학적으로 뛰어난 특성을 갖는 것이 많다. 파인 세라믹스의 주요한 응용으로는 텔레비전, 에어컨 등 가전제품의 각종 소자, 집적회로의 기반, 콘덴서, 가스누출 센서, 헤어 드라이어, 가스 레인지의 점화장치, 스페이스 셔틀의 내열 타일 등이 있다.

하지만 신축성이 없고 부서지기 쉬운 단점도 있다. 한편 바이오 세라믹스는 생체물질 대용으로 사용하는 세라믹스로서 열에 강하고, 약품에 잘 견디며, 잘 긁히지 않고 변형이 거의 없다. 또 생물이나 인체에 해를 입히지 않는다. 바이오 세라믹스의 한 종류인 다공질 세라믹스는 인공치아나 인공뼈, 효소반응 운반체로 널리 쓰인다.

또한 바이오 세라믹스는 맥주의 맛을 좋게 하는 증류 필터나 음식물을 오랫동안 신선하게 보관하기 위한 그릇으로도 이용된다.

12. 세라믹 재료에 검출이 가능한 정보는

13. 합체계란

복합 전후에 있어서 구성 소재의 재질, 분율, 형태가 거의 변화하지 않는 것을 말한다.

14. 생성계란

어떤 물질이 화학 변화를 일으켜 생성되는 한 종류 이상의 물질, 화학반응식에서는 -> = 의 기호 오른쪽에 두는 계이다.

15. 포토센서의 정의

검출용 센서에는 응용하는 매체에 따라 여러 가지로 구분 되는데 특히 광을 매체로서 응용한 것을 포토센서라 한다.

16. 광기전력이란

반도체에는 p형과 n형의 2가지 전도형이 있으며, 이 2가지 형의 반도체를 접합한 것이 pn접합이다. pn접합면에 어떤 파장의 빛을 쬐면 p형에는 (＋), n형에는 (－)의 전압이 나타나 전류를 흐르게 할 수 있는 광기전력이 생긴다. 광기전력은 광전지 등에 응용된다.

17. 광도전형이란

황화아연 등의 결정에 빛이 닿으면 그 전기전도성이 크게 높아져서 변화하는 양이 조사된 빛의 양에 비례하는 현상을 말한다. 광흡수로 인하여 가전자대의 전자가 전도대로 여기되면서 가전자대에 정공이 생기고, 불순물 준위로부터 전도대로 전자가 여기되거나 가전자대로부터 불순물 준위로 전자가 여기되어 가전자대에 정공이 생기는 등 캐리어가 증가되기 때문에 이런 현상이 나타난다.

18. 포토센서의 설치방법(투과형 포토센서, 미러반사형, 직접반사형) 그림으로 작도할 것

19. 포토다이오드의 원리를 서술하시오

포토다이오드는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서의 한 종류이다. 이것은 반도체의 PN 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로 그 회로기호는 다음과 같다.

[그림] 포토다이오드

빛이 다이오드에 닿으면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 흐르며, 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례한다. 이처럼 광전 효과의 결과 반도체의 접합부에 전압이 나타나는 현상을 광기전력 효과라고 한다.

포토다이오드는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다는 특징이 있다. 주로 CD 플레이어나 화재경보기, 텔레비전의 리모컨 수신부와 같은 전자제품 소자에 사용되며, 빛의 세기를 정확하게 측정하기 위하여 활용되기도 한다.

APD는 PN접합 중간에 사태(avalanche)층이 있고, 입사한 빛의 여기에 따라서 발생한 캐리어가 높은 전기장에 의해 사태층 내에서 원자에 충돌하여 새롭게 홀과 전자의 쌍을 만들고, 그들이 또 새롭게 충돌을 일으키는 과정에서 사태효과를 일으킴으로써 광전류가 증대되는 원리를 이용한다. 따라서 APD는 장거리 통신에 주로 이용된다.

20. 포토인터럽트란

물체의 통과를 검출하기 위하여 발광부와 수광부 사이에 공간을 노출시킨 광검출 소자이다. 자동화의 위치 결정용 및 광학식 엔코더에 사용되며 그 구조에 따라서 투과형과 반사형으로 나누어 진다.

21. 광파이버 원리, 특징, 용도에 대하여 서술하시오.

원리

중심부에는 굴절률이 높은 유리 바깥부분은 굴절률이 낮은 유리를 사용하여 중심부 유리를 통과하는 빛이 전반사가 일어나도록 한광학적 섬유이다.

특징

외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼선이 없고 도청이 힘들며 소형 경량으로서 굴곡에도 강하고 하나의 광섬유에 많은 통신회선을 수용할 수 있고 외부환경의 변화에도 강하다.

용도 - 통신용, 영상 전달용, 검출기용

통신용 : 가정용 산업용 등 일반 통신망과 케이블텔레비전 등의 통신매체로 쓰이며 산업용 군사용 자동기기의 데이터 전송용 컴퓨터의 각 유닛 사이의 통신용으로 쓰인다.

영상 전달용 : 주로 짧은 길이의 광섬유 다발로 만들어 의료용 내시경 영사증폭기의 부품등 좁고 굴곡된 부분의 내부를 볼수 있도록 하는데 쓰인다.

검출기용 : 주로 단일 모드 광섬유가 쓰이는데 이는 이 광섬유가 외부의 변화 즉 압력 온도 속도 자속등에 예민한 점을 이용하여 자이로스코프 고전압전류측정기 수중음파탐지기 등에 사용된다.

22. 자기센서의 원리에 대하여 서술하시오.

반도체에 흐르는 전류에 대해 수직으로 자기장을 걸면 전압이 발생하는 홀효과나 자기장의 영향으로 전기저항이 증대하는 자기저항효과 등을 이용하는 것이다.

23. 리드스위치에 대하여 서술하시오.

접정 부분이 비활성 가스를 충전한 유리관 속에 봉입되어 있는 스위치, 코일에 전류를 흘리면 자력선은 자성체로 만들어진 리드 속을 좀 더 많이 통과하기 때문에 자기적 흡입력이 생겨 접촉하게 된다.

24. 리드스위치의 용도에 대하여 서술하시오.

꽤 광범위한 전기 회로 제어 분야에 사용된다. 특별히 통신 분야에 많이 사용된다. 밤도둑 알람으로 창문센서, 자전거 휠에 있는 속도 센서는 리드스위치를 사용하는데 매시간 휠이 정확히 회전하는 것을 측정해준다.

25. 음파의 주파수의 영역이란.

초장파 진동수 20Hz 이하 코끼리 통신수단

가청음파 진동수 20~20KHz 인간의 청각범위

초음파 진동수 20KHz 이상 돌고래 박쥐의 통신수단 공기와 액체 진동을 공업적으로 활용한다. 세처기, 용착기, 어군탐지

26. 음향주파수와 그 관계를 작도할 것.

27. 초음파센서의 정의

초음파센서란 음향 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서 20Khz 전후 이상의 음향 에너지의 검출소자라고 한다. 초음파 센서는 압전 세라믹 진동자의 비약적인 발달로 응용대상 분야는 특수용도 수중탐사용 공업계측 의료계측 및 자동차 등 활용도가 매우 넓어지고 있다.

초음파센서란 초음파를 만들어 송출하고 반사되어 돌아오는 시간차를 계산하면 거리계가 되고 단지 수신량의 변화나 세기를 비교 검출하면 물체의 유무 탐지기가 된다.

초음파의 특성을 이용하거나 초음파를 발생시켜 거리나 두께, 움직임 등을 검출하는 센서. 초음파 용접기, 세척기, 플라스틱 본딩, 가공 등에 이용되는 고음압용과 생산 제어, 비파괴 검사, 침입 검사, 물성 측정, 의료 진단, 지연 선로, 신호 처리 등에 활용되는 저음압용이 있다. 로봇이나 u-센서에서 물체를 지각하고 거리를 측정하는 데 이용되는 초음파 센서로는 음의 발생과 검출을 겸하는 것으로 특정한 결정 구조를 갖는 물질의 압전소자와 고전압 펄스를 인가할 경우 정전 인력에 의해 진동이 발생하는 정전 효과 방식이 있다.

센서중간.hwp

1. 비중에 대하여 서술하시오.

어떤 물질의 질량과 그것과 같은 체적의 표준물질의 질량과의 비율. 고체나 액체의 경우에는 표준물질로서 4℃의 물을 사용하며, 기체의 경우에는 일반적으로 0℃에서의 1기압의 공기를 표준으로 한다.

2. 비열에 대하여 서술하시오.

물질 1그램의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량과 물 1그램의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량과의 비율. 물의 비열은 1cal/g℃

3. 동력의 단위 -> 동력에 대하여 ps, hp, kw 에 대하여 서술하시오

마력은 주로 엔진·터빈·전동기 따위에 의해 이루어지는 일의 비율이나, 구동하고 있는 작업기계에 의해 흡수되는 일의 비율을 나타내는 데 사용한다.

영국마력(기호 HP) 1영국마력의 전기당량은 746W

프랑스마력(기호 PS) 1미터마력=0.9858영국마력이 된다. 1미터마력 3/4kW이다.

PS : 735.5W (미터 마력) HP : 746W (영국 마력) kw : 1

4. 차원과 단위계

1) 힘 kgm/s2 F=m(질량)a(가속도)(N)

2) 속도 m/s v=s/t 속도=거리 /시간

3) 압력 kg/ms2 P=F/A 압력 = 무게/ 면적 단위 Pa 파스칼 또는 N/m2 무게는 9.8를 곱한다.

5. 자동차로 20분 동안 50km를 달렸다 이 자동차의 평균 속도는 몇 km/h 인가

답 : 150km/h 20분에 50km 이면 1분에 2.5km를 달린 것이다.

6. 탄성에 대하여 서술하시오

외부 힘에 의하여 변형을 일으킨 물체가 힘이 제거되었을 때 원래의 모양으로 되돌아가려는 성질로 일상생활에서는 고무나 스프링 등에서 쉽게 볼 수 있다.

체적탄성과 형상탄성

탄성은 크게 부피 변화에 대해 일어나는 체적탄성과 모양 변화에 대해 일어나는 형상탄성으로 나눌 수 있다. 고무공에 힘을 빼면 원상태로 되돌아가는 것은 기체의 체적탄성에 의한 것이다. 이에 대해 스프링의 탄력 등은 주로 형상탄성에 의해서 일어난다.

훅의 법칙

힘이 어느 값 이하일 때 물체의 변형량은 힘의 크기에 비례한다. 즉, 힘을 많이 줄수록 변형이 많이 일어나는데, 이것을 '훅의 법칙'이라 한다. 그리고 탄성은 모든 물체에서 나타나는데, 고체의 경우에는 힘이 어느 한계를 넘으면 탄성이 없어져 힘을 제거해도 변형이 남는다. 이렇게 탄성을 유지할 수 있는지 없는지의 경계가 되는 힘의 크기를 그 물체의 탄성한계라고 한다.

7. 역학 센서에 대하여 서술하시오

기계량을 측정하는 센서로 압력, 기계적 변위, 힘, 속도, 진동, 등을 측정하는 센서

변위 길이 : 차동트렌스, 스트레인 게이지, 이미지 센서, 콘덴서 변위계

속도 가속도 : 회전형 속도계, 동전형 가속도계

회전수 진동 : 인코더, 리졸버, 스코프, 압전형 검출계

압력 : 다이어그램, 로드 셀, 수정 압력계

힘 토크 : 저울, 천칭

8. 힘과 질량의 관계식을 서술하시오

F=ma<N> a=v/t 힘은 질량과 가속도의 곱과 같다. 가속도가 일정할 때 힘과 질량은 반비례한다.

9. 기계식 압력센서의 종류를 서술하시오.

10. 기계식 압력센서의 종류별 특성에 대하여 서술하시오

부르돈관 : 현재 가장 많이 사용되고 있는 것으로 단면이 원상 또는 평면상의 금속 파이프이고 개방된 고정단으로부터 측정압력을 도입하면 다른 밀폐된 관의 선단이 dld동하는 원리를 이용하고 있다. 이관선 이동량은 관내의 압력 크기에 비례하므로, 이동량은 기계적으로 확대된 압력을 지시한다.

다이어프램 : 압력차에 비례한 원판의 휨정도로 압력 측정. 스프링의 반발력에 의해 현재의 상태를 유지하다가 밀봉된 공간에 압력이 형성되면 다이어프램은 변형이 발생

미소압 저압 영역 측정이 가능하다. 고무등의 비금속 다이어프램도 가능하다.

벨로우즈 : 원통 내부와 외부의 압력차에 의해 주름상자가 신축하여 그 변위량이 압력차에 비례하는 것으로부터 압력 측정. 압력제어용 엘리먼트로서 많이 사용된다. 변위가 비교적 크게 잡힌다.

캡슐

11. 브리지의 구동방법에서 정전압 방식 회로도를 작성하시오

휴스톤 브리지

12. 싱크론에 대하여 서술하시오

싱크론은 코일간의 전자유도 현상을 이용하는 것으로 발신기와 수신기로 구성되어있으며 전선형 발신기와 유사하다. 발신기 회전축의 회전각 변위를 전기 신호로 변환하여 그것을 수신기 회전축의 회전각 변위로 변환된다.

13. 리졸버에 대하여 서술하시오

싱크론과 동일한 아날로그형 센서로서 자기식이 일반적이다. 최근의 리졸버는 철심과 권선으로 구성되어 있는 프랜지리스 리졸버가 많다. 충격과 진동에 강하고 고온에서 동작이 요구되는 로봇이나 NC 공작 기계를 중심으로 광범위하게 사용되고 있다.

리졸버의 정도는 위상오차로서 표시하며 5~10분정도이다. 또 자기식에 대체되는 광학식 리졸버가 앞으로 유망하다.

14. 엔코더에 대하여 서술하시오

부품수가 적어 소형화 할수 있다. 리졸버보다 구조가 간단하여 여자회로를 필요로 하지 않는다. 기름이나 이슬방울에 대한 출력이 저하되고 주파수 특성도 좋지만 강력한 외부자계에 대한 오차가 발생하기 쉽다. 크게 자기식 로터리 인코더와 광학식 로터리 인코더가 있다. 자기식 로터리 인코더에는 자기 드럼형과 리액턴스형이 있다.

15. 변위센서에서 직선변위센서의 종류를 서술하시오

퍼텐쇼미터, LVDT, 정전 용량형

16. 변위센서에서 회전변위센서의 종류를 서술하시오

퍼텐쇼미터, RVDT, 싱크론, 리졸버, 정전용량형, 엔코더

17. 로드셀의 용도에 대하여 서술하시오

로드셀은 하중계이므로 저울에서부터 자동차 화물의 중량계측 및 생산공장의 자동화, 합리화에 사용

18. 로드 셀의 특징에 대하여 서술하시오

하중센서 또는 힘센서로서 스트레인게이지를 피측정물에 일체화한 것이다. 힘 또는 하중을 측정하기 위한 변환기로서 출력을 전기적으로 변환하는 것이다. 로드셀은 하중을 받는 금속 탄성체의 수감부 4곳에 스트레인게이지를 가로와 세로 방향으로 접착하고 이들 게이지를 휘스톤 브리지회로로 구성하여 하중에 비례하는 저항 변화를 출력하는 것이다.

19. 음파와 전파의 차이점을 서술하시오

음파는 음향에너지이고 반드시 진동매체가 존재한다. 즉 아무리 주파수가 높게 되더라고 음향 에너지인 초음파는 진공안을 전파할수 없게 된다.

전파는 전자기장 진동이고 그것에는 반드시 전기장과 자기장이 존재한다. 즉 전파에는 전자기장 에너지가 존재하고 이것은 진공중에서도 전파할수 있다.

20. 마이크로폰의 변환 원리에 대하여 서술하시오

마이크로폰에 응용되고 있는 것은 대개 동전형, 정전형, 압전형, 접촉저항형(탄소형) 중 한가지이다.

현재 음향 계측용으로 사용되고 있는 마이크로폰은 대부분이 직류 바이어스 방식의 정전형이며, 일부에서 초저주파음 또는 초고음압을 계측하는데 세라믹 소자를 사용한 압전형이 사용되고 있다.

정전형

음압에 따라 진동변위하는 가동 전극(진동막)과 대단히 좁은 간격으로 대항하는 고정전극(배극) 으로 평행판 콘덴서를 구성하고 음압에 따라 진동막이 변위하면 이의 정전 용량이 약간 변화한다. 이러한 정전 용량 변화를 검출하는 방법으로 양쪽 전극 사이에 직류 바이어스 전압을 가하는 방법이 있는데 가장 일반적인 방법이다.

압전형 마이크로폰

물질에 외력을 가하여 변형이 생기면 그 변형에 비례한 전하가 생겨서 전압을 발생하는 것이 있는데 이러한 현상을 압전효과라 한다. 마이크로폰에는 지르콘지탄산연 등의 자기에 의한 소자를 사용하고 있다.

21. 스트레인게이지

금속 또는 반도체에 응력을 가할 때 발생하는 변형으로 인해 그 저항값이 변화는 성질을 이용한다. 금속체를 잡아당기면 가늘게 늘어남으로 전기 저항이 증가하며 반대로 압축하면 줄어들어 전기저항이 감소하게 된다. 스트레인게이지의 분류는 가해진 변형에 의해 전기저항값이 변화하는 원리를 이용한 금속 저항선 게이지 박 게이지 박막 게이지 반도체 게이지의 종류가 있다.

센서공학.hwp