초음파센서를 이용한 거리측정기기의 제작(Ⅱ)

[산업일보]
지난 2월호 기획특집 II에 기고되었던 ‘초음파센서를 이용한 거리측정기기의 제작 (1)’에서는 초음파 거리 측정기 유니트 회로 설명을 중심으로 작성되었다. 이번호에서는 각기술 센서면으로 자리를 옮겨 부품 설명을 중심으로 기술하려 한다.

초음파 거리 측정기 부품 설명

(1) 초음파 센서
초음파 센서로서 T40-16(송신용)과 R40-16(수신용)라고 하는 공중용 초음파 센서를 사용하고 있으며 공진 주파수는 약 40KHz로 되어 있다.
전극의 다른 한쪽은 케이스에 접속되고 있으므로 접지를 하는 경우에는 케이스측의 단자를 사용하도록 한다.

(2) 사양


(3) 발진기용 IC (555)
타이머, 발진기에 자주 사용되는 IC로 이번은 송신 타이밍 펄스의 발진 및 초음파 주파수의 발진에 사용하고 있다.

(4) 인버터(4069UB)
이 IC는 6개의 인버터가 수용되고 있는 CMOS의 IC로 송신 회로에서는 주로 초음파 센서의 드라이브용으로 사용하고 있으며 수신 회로에서는 초음파 수신 시간의 계측 펄스의 발진 및 카운터 제어 펄스의 정형용으로 사용하고 있다.

(5) 저잡음 유효증폭기(NJM4580)
이 IC는 저잡음 유효증폭기로 초음파의 수신 신호 증폭용으로 사용하고 있다. 약 60dB(1000배)의 증폭을 하므로 저잡음 타입을 사용할 필요가 있으며 LM833, μPC4570C 등도 사용할 수 있다.

(6) 저전력 유효증폭기(LM358)
이 IC는 단전원 타입의 유효증폭기로 수신 신호의 검출용으로 사용하고 있는데 전압 비교기(콤퍼레이터)를 사용하는 일도 가능하다.

(7) NAND 게이트(4011B)
이 IC는 2 입력의 NAND 회로가 4개 수용되고 있으며 SR－FF를 구성하는 것으로써, 초음파 도달시간의 계측을 하고 있다.

(8) BCD 카운터(4553B)
3자리수의 BCD 카운터로 초음파의 도달시간의 계측 펄스를 카운트 하며 LED를 1자리수씩 표시하기 위한 제어 기능도 가지고 있다.

(9) BCD-7 세그먼트(Segment) LED 디코더(4511B)
BCD 코드를 입력해서 7세그먼트(segme nt)의 LED 드라이브용의 신호로 변환하는 IC이다.

(10) ＋9 V용 3 단자전압 레귤레이터(78L09)
＋12V~＋30V의 입력 전원으로부터 ＋9V가 안정된 전압을 얻을 수 있으며, 최대 출력 전류는 100 mA 이다. 이번 회로의 전원 전류를 측정 하면 약 70mA이다.

(11) IC소켓
이번에 제작한 장치에서의 IC는 모두 소켓을 사용했는데 조정을 차례로 실시하는 것이 목적이다. IC1은 초음파 주파수의 조정 때에 놓치는 일이 있으므로 소켓에 설치하는 것이 좋다.

(12) PNP 트랜지스터(2SA1015)
7세그먼트(segment) LED의 점등 제어를 실시하기 위해서 사용하고 있으며 LED의 음극측을 제어하므로 PNP 타입을 사용한다.

(13) 쇼트 키ㆍ바리어ㆍ다이오드(1SS106)
수신한 초음파를 검파하기 위해서 사용하며 초음파 주파수는 약 40KHz이므로 고주파 특성이 좋은 다이오드를 사용한다.

(14) 스위칭ㆍ다이오드(1S1588)
송신 펄스의 마스크 및 카운터 제어용의 펄스를 만드는 부분에서 사용하고 있으며 특수한 것이 아니다.

(15) 7세그먼트(segment) LED (NKR161)
스탠리사제의 고휘도 7세그먼트(segment) LED로 폭 12mm, 높이 19mm, 안길이 8mm이다.

(16) 저항기
저항기의 허용 전력은 1/8W로 좋은데 이번 실장 스페이스의 관계로 수평에 실장하는 저항기에는 1/8W를 사용하고 수직에 실장하는 저항기에는 1/4W를 사용했는데 모두 1/8W로 해도 관계없다.

(17) 가변 저항기
이것은 소형의 가변 저항기로 초음파 주파수의 조정 및 계측 펄스의 주파수 조정에 사용하고 있다.

(18) 필름ㆍ콘덴서
이것은 폴리에스텔의 필름·콘덴서로 발진기의 콘덴서로서 사용하고 있으며 세라믹·콘덴서를 사용해도 좋다.

(19) 세라믹ㆍ콘덴서
이것은 디스크 타입의 세라믹·콘덴서로 고주파 특성이 좋기 때문에 초음파 증폭의 커플링 콘덴서(직류를 컷 해 교류는 통한다)로서 사용하고 있다.

(20) 적층 세라믹ㆍ콘덴서
이것은 0.1μF라고 하는 비교적 큰 용량의 것에서도 소형이다.

(21) 전해 콘덴서
전원 회로의 평활 콘덴서로서 사용하고 있으며 전극에 극성이 있으므로, 실장할 때 잘못하지 않게 조심한다.

(22) 프린트판
양면기판을 사용했으며 프린트 기판 작성 방법에 대해서는 별도의 「프린트 기판 제작」을 참조한다.

(23) 배선 단자
전원의 배선 등 외부 부품과의 배선 단자에 사용하고 있으며 2열의 것은 초음파 센서를 달기 위해서 사용하고 있다.

(24) 스터드
장치를 케이스에 달기 위해서 사용하고 있으며 스터드의 길이는 초음파 센서가 케이스의 거의 중앙이 되는 것을 선택한다. 참고로 이 장치에서는 길이 10mm의 것을 사용했다.

초음파 거리 측정기 유니트 조정

(1) 측정기의 준비
● 테스터
● 오실로스코프(Oscilloscope)
● 고주파 모니터： 오실로스코프(Oscilloscop e)가 없는 경우에 사용한다.

(2) 부품의 설치 방향의 확인
각각의 부품을 달 때에 극성 방향은 충분히 주의하며, 무심코 잘못 알고 있을 가능성도 있다. 부품을 달고 끝난 후, 재차 설치 상황의 확인을 실시한다.
IC의 설치에 소켓을 사용하고 있는 경우, IC의 설치 방향을 반대로 해 버리는 일도 있기 때문에 주의한다.

(3) 전원의 확인
IC소켓을 사용하고 있는 경우에는, IC를 소켓에 설치하기 전에 전원 전압의 확인을 실시한다. 외부로부터 ＋12V이상 ＋30V이하의 전압을 전원 단자에 접속하며 IC1~IC9의 전원 핀의 전압이 ＋9V인 것을 확인한다. ＋9V가 아닌 경우에는 즉시 전원을 멈추어 반전 브릿지(근처의 단자와 반전으로 연결되어 버린다) 등이 없는지 어떤지를 체크한다.

(4) 송신기의 조정
1) 초음파 주파수의 조정
우선은 전원을 끈 상태로 이하의 설정을 하며 IC1를 소켓으로부터 떼어 내, 1번 핀 및 3번 핀을 가는 금속선(부품의 리드 선의 너무 등)으로 합선 시킨다. 이것에 의해, IC3의 1번 핀이 L레벨이 되어, IC2의 4번 핀이 H레벨이 된다. IC2의 4번 핀이 H레벨이 되면 초음파가 연속적으로 송출되게 된다.
수신기의 IC4를 실장하고 IC4의 1번 핀의 전압을 오실로스코프(Oscilloscope)로 모니터 하든가 또는 간이 레벨 미터로 모니터 할 수 있도록 하고 전원을 투입한다.
초음파 센서를 벽 등에 두어, 송신된 초음파가 수신 센서로 받게 되도록 하며 IC4 출력을 모니터 하면서 VR1를 천천히 돌려 IC4의 출력이 최대가 되도록 한다. 최대가 된 점이 송신 센서의 공진 주파수로 이 후, 움직이지 않게 한다.
이상으로 송신기의 조정은 마지막이며 전원을 끈 후, IC1의 합선 선을 제외한 IC1를 실장하고 전원을 투입해 다시 IC4의 출력을 모니터 한다.
IC1를 실장하면 초음파의 송신은 연속은 아니게 되므로, IC4의 출력은 내려지고 오실로스코프(Oscilloscope)로 보면 Burst적인 파형이 보인다. <그림 1>의 초음파 펄스는 수신기측에서 관측한 것이다.

(5) 수신기의 조정
1) 오류 검출 방지용 콘덴서의 조정
조정할 필요는 그다지 없지만, 송신 펄스를 오류 검출 해 버리는 경우에는 콘덴서(C11)를 조금 큰 용량의 것에 교환해 본다.
오류 검출 하고 있는 경우에는 수m이상의 거리를 측정해도 표시가 0.40위로 변화하지 않는다.
<그림 2>는 약 2m의 거리를 측정하고 있을 때의 각 부분의 신호 파형을 관측한 것이다.
● 맨 위는 송신 타이밍 펄스로 IC6의 1번 핀의 파형이다.
● 두번째는 신호 검출 회로(IC6)의 기준 전압으로 D3의 음극측의 파형이며 오류 검출 방지 전압의 변화가 관측되고 있다.
● 3번째는 수신 신호로써 IC4의 1번 핀의 파형으로 송신 펄스와 수신 펄스가 관측되고 있다.
● 4번째는 시간 측정 게이트 회로의 출력 파형으로 IC6의 10번 핀의 파형이다. 송신 신호는 검출하지 않고 수신 신호로 게이트가 닫고 있는 것이 관측되고 있다.

(6) 계측 펄스 주파수의 조정
VR2 및 VR3를 사용해 계측 펄스의 주파수를 조정하며 이 조정은 최종적으로 장치를 케이스에 납입한 후에 실시한다.
시험적으로 조정하는 경우에는 VR3 대신에 쇼트 핀을 사용하면 편리하다.
측정기의 측정 기점은 센서의 진동판의 위치가 되는데 이번 사용한 센서의 경우, 센서의 바닥으로부터 약 5mm의 위치에 진동판이 있기 때문에 여기가 기점이 된다.
센서의 기점으로부터 1m떨어진 것에 수직에 판을 세워 측정기를 그 판을 향한다. 측정 환경의 온도가 약 20℃의 경우에는 VR3를 중앙의 위치로 해 VR2를 돌려, 표시가 1.00이 되도록 조정하며 주위 온도가 바뀌었을 경우에는 1m의 거리를 측정해 VR3를 돌려 표시가 1.00이 되도록 조정한다.

맺음말

이상으로 초음파를 이용한 거리측정기기의 제작에 관해서 간단히 정리해 보았다. 처음 서두에서 언급했듯이 초음파를 사용한 거리 측정기는 예전에 초음파용 직선자를 비롯해 자동차 후방 감지기 등의 발전으로 많은 발전을 해 왔다. 이 거리 측정기는 약 40KHz의 초음파를 사용해 초음파를 송신 후 측정 대상물로 반사되어 튀어 올라 올 때까지의 시간을 계측해 측정기와 대상물과의 거리를 측정한다. 그리고 내부 회로의 저항값을 조정하는 것으로써 약 10m정도까지의 거리를 측정하는 것이 가능하다.
이제는 너무나도 광범위하고 다양한 소스 등이 공개 혹은 제공되고 있어 일반인들도 그다지 어렵지 않게 제작이 가능하게 되었는데 스스로 이러한 자료 등을 토대로 직접 제작해보고 응용해보면 보다 훌륭한 제품을 기대할 수 있을 것 같다.

문의: (02)2292-8570

홍 광 철 / 푸늠정밀


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