초음파 센서

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초음파 센서의 이론

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초음파 센서

초음파(ultrasonic) 센서는 압전 소자를 사용한 진동자의 송파기로부터 발진된 초음파의 에코가 수파기에 도달할 때까지의 소요시간으로 거리를 검출하는 것이다. 즉, 초음파를 일정 시간 발생시킨 뒤 벽에 반사되어 돌아오는 신호를 검출하여 그 시간차로 거리를 측정한다. 일반적으로 초음파 센서의 종류 중에는 대향형과 반사형이 있다. 대향형은 광전 스위치의 투과형과 같이 송파기와 수파기를 마주 보게 하고, 송파기로부터 방출된 초음파가 물체에 의해 차단될 때 수파기측의 신호 변화를 검출하는 방식이다. 반사형은 그림과 같이 한 쌍의 송파기와 수파기를 동일 unit으로 구성한 것이 반사형이다.

  < 반사형 초음파 센서 > < 대향형 초음파 센서 >  

송파기에서 방출된 초음파는 공기보다 고밀도의 물체, 즉, 대부분의 물체에서 반사되기 때문에 이 반사파를 수파기로 검출한다. 또, 이 반사기는 단순히 물체의 유무를 검출할 뿐만 아니라 물체까지의 거리 측정이 가능하다. 초음파를 발생시키고, 이와 동시에 숫자 세기를 시작하고, 초음파가 돌아온 것이 감지되면, 세는 것을 멈춘다. 이 때 세어진 값을 읽어 초음파가 되돌아오는 데 걸린 시간을 계산하여 거리를 측정하는 것이다. 이것은 일종의 스톱워치(stop watch)로 시간을 잰다고 생각하면 된다. 숫자를 세는 데 걸리는 시간이 1라면, 번 세었을 때 초음파가 되돌아 왔을 때 걸린 시간은 가 된다. 소리의 속도는 340 m/sec(기온 15℃)이므로 거리는 속도×시간으로 구할 수 있다. 초음파는 벽과 센서 사이와의 왕복 거리이므로 벽까지의 거리 는 [m]가 된다. 이때 마지막에 나누기 2를 한 것은 측정한 것이 왕복시간이기 때문이다. 만약, 숫자 세기에 사용한 카운트 변수가 16비트라면 클럭이 1[MHz]이므로 최대로 카운트가 가능한 시간은 65.535 [msec]가 되고, 최대 측정 거리는 340×(65.535×0.001)/2 = 11.14095 [m]가 된다. 1[]의 시간 간격으로 카운트 되므로 11.14095/65535 = 0.00017[m]. 즉 0.17[mm]의 정밀도를 갖는다. 밑의 그림에 초음파의 발생과 검출 과정을 나타내었다.

참고 자료

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