수요자가 센서를 구입할 경우, 카달로그에는 센서의 특성들이 명시되어 있습니다. 성능과 수명, 그리고 사용 환경 등에 대해서. 이러한 항목들에 대한 정의와 의미를 살펴보고자 합니다. 한글, 가나다 순으로 정리하여 갑니다.
먼저 감도(sensitivity)입니다. 센서가 느끼는 정도, 감도는 입력과 출럭 곡선에서 선형 영역에서의 기울기로 정합니다. 더 넓은 의미로는 인지할 수 있을 정도의 출력을 만들어내는 최소 입력값으로 볼 수 있죠. 입출력 함수, 즉 전달 함수가 비선형적일 경우에는 특정 입력값에서의 감도로 표현하기도 합니다.
다음으로 감도 오차는 센서의 입출력 특성의 기울기가 이상적인 감도로부터 벗어나는 정도를 의미합니다. 이는 주로 온도 변화가 원인이지만, 다른 영향들이 작용하기도 하죠. 오프셋, 즉 영점 변동은 입력이 인가되지 않을 때에도 나타나는 출력값입니다. 감도 변동과 영점 변동이 함께 발생하면 감도 오차는 더욱 커집니다.
교정(calibration)으로 설명을 이어가기 전에 센서 제작이 완료된 후의 진행 과정을 살펴보죠. 새로 만들어진 센서는 먼저 번인(burn-in) 테스트, 즉 센서 소자를 번인 보드에 연결하고 챔버 내 고온(일반적으로 80~125℃ 정도) 환경에서의 일정 시간 작동 테스트로 정상 제품을 선별하는 과정을 진행합니다. 다음으로 교정 작업을 거치는데, 테스트용 센서와 기준 센서에 이미 일고 있는 표준값(known value, standard)을 인가하여 출력을 측정하여 센서의 특성 곡선을 보정하여가는 과정입니다. 센서는 교정 작업을 거친 후에 제품이 완성되며, 이후 현장에 적용이 되죠.
일반적으로 교정은 별도의 교정 장치를 사용하지만, 경우에 따라서는 센서가 사용 환경에서 작동 중일 때 하기도 합니다. 테스트 센서와 기준 센서의 특성 곡선을 각각 측정, 비교하여서 표준 특성 곡선으로부터의 이탈 정도를 줄여가죠. 교정은 센서 소자 자체를 보정하기도 하고(sensor trimming), 동작 영역을 다시 조절하기도 하며(range setting), 출력 신호를 회로로 보정하기도 합니다(output signal trimming).
센서의 동작 범위는 직선성이 유지되는 구간입니다. 입력 동작 범위와 출력 동작 범위, 혹은 span이나 FSO(Full Scale Output) 등으로 표현하기도 합니다. 정격 입력과 정력 출력으로도 나타내죠.
다음으로 동특성과 정특성입니다. 동특성은 입력이 시간에 따라 변할 때, 정특성은 변하지 않을 때의 특성입니다. 현실적으로 동특성과 정특성은 따로보다는 연이어 존재하죠. 즉 센서의 입력값이 바뀔 때 동특성을 먼저 겪고, 입력이 안정화되면 정특성으로 넘어갑니다. 따라서, 과도 영역에서의 응답 특성인 동특성이 주로 관심을 끌죠. 상승 시간(rise time)과 하강 시간(fall time, 혹은 감쇠 시간, decay time)은 각각 입력의 10%에서 90%, 그리고 출력의 90%로부터 10%에 이르는 동안 걸리는 시간을 의미합니다. 혹은 시정수(time constant)로 정의하기도 하는데, 이는 입력 혹은 출력에 있어서 최종값의 '1 - 1/e ~ 63.2%'에 이르기까지 걸리는 시간으로 정의되죠. 이들을 통틀어 응답 시간(response time)로 표현하기도 합니다.
센서의 분해능(resolution)이라함은 센서가 검출할 수 있는 최소 입력 증분(smallest increment)입니다. 입력 신호값이 너무 작아서 센서 내에서 흡수되거나 혹은 전달이 되더라도 잡음보다 작은 값일 경우에는 출력 신호를 얻을 수가 없죠. 분해능이 작을수록 센서의 감도는 우수합니다. 아날로그 센서의 경우 0.1%/FS(Full Scale)과 같이 나타나고, 디지털 센서의 경우 비트로 정해집니다. 즉, 12비트일 경우, 분해능은 1/2^12 = 1/4095 = 0.024%/FS에 해당합니다.
불감대(dead band)는 센서가 측정할 수 없는 입력의 대역입니다. 예를 들어 어느 압력 센서가 측정 가능한 압력의 문턱치가 4Pa이라면 0~4Pa 영역은 불감대에 해당하죠. 입력에 대해 출력이 나타나지 않은 영역, 혹은 포화 영역처럼 입력 변화에 대해 출력이 변화하지 않는 영역 등이 불감대에 해당됩니다.
선택도(selectivety)는 센서에 입력될 수도 여러 신호원들 중에서 원하는 신호만을 선별하여 감지할 수 있는 능력입니다. 원치 않는 신호들을 잡음으로 표현한다면 여러 잡음들과 신호가 석여있을 때 신호만을 정확히 추출, 측정할 수 있는 능력이죠. 선택도에 특별한 단위는 없습니다. 잡음에 비해 몇배로 높은 출력 신호를 가지는지를 표시하죠. 예를 들어 선택도가 2,500이라 함은 잡음으로 인한 출력에 비해 신호의 출력이 2,500배가 높다는 의미입니다. 여러 종류의 기체들이 섞여있을 때 특정한 하나의 기체만을 감지하기 위해서는 높은 선택도가 필요합니다.
잡음(noise)은 원하지 않는 불규칙한 신호입니다. 이는 센서 소자 자체나 신호 처리용 회로, 혹은 센서가 작동하는 주위 환경 등 다양한 요소들로부터 발생하며, 근본적으로 축소나 제거가 어려운 것들도 있습니다. 이러한 잡음이 신호를 묻어버리거나 잡음에 대한 응답이 신호보다 커버리면 센서로서의 동작이 어렵게 되죠. 즉, 센서 출력에서 잡음에 대한 신호의 비율이 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SN비)이며, 이 값이 당연히 높을수록 신호의 품질이 우수해집니다.
일례로 영상 센서의 경우에도 잡음이 신호와 같아지면 영상을 구별할 수 없고, 신호 대 잡음비가 높을수록 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있죠. 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해서는 당연히 신호를 높이거나 잡음을 낮추어야 하며, 이를 위해 센서로부터 회로까지의 신호 전송 거리를 줄이고, 필터를 사용하는 등의 방법이 있으며, 기본적으로 아날로그 방식에 비해 디지털 방식이 유리합니다.
전달함수(transfer function)은 센서에서 입력과 출력간의 함수적인 관계를 나타내는 식이나 그래프, 혹은 표까지를 의미합니다. 주로 입력이 독립변수, 출력이 종속변수가 되죠. S = f(s)에서 이상적인 전달함수로는 선형성을 유지하는 1차 함수인 S = ms + C(m은 기울기, C는 상수)가 바람직하고, C = 0일 경우가 최선입니다. 다만, 대부분의 센서에서는 2차 혹은 그 이상의 함수로서 표현되는 경우가 종종 있으며, 이의 개선을 위해 보정이나 혹은 허용 오자 범위 안에서 조정 등을 하게 되죠.
정확도, 정도(precision)와 확도(accuracy)를 설명합니다. 정도는 센서를 통한 측정의 반복성과 재현성의 척도입니다. 반복성(repeatability)은 동일 신호를 동일 조건(환경, 측정자 등)에서 동일 방법으로 단기간 동안 연속적으로 측정하였을 때 측정값들의 일치 정도를 의미하며, 단위는 주로 %/FS(% of Full Scale)을 사용합니다. 즉, '(△/FS) x 100%'로 얻어지죠. 한편, 재현성(reproducibility)은 동일 신호를 동일 방법으로 장기간 동안 측정하거나 혹은 다른 방법, 즉 다른 환경, 실험실에서 다른 측정자가 측정하였을 때 측정값들이 벗어나는 정도를 나타내죠. 재현성을 향상시키기 위해서는 주기적인 검사나 교정, 보수 등이 필요합니다.
반면에 확도(accuracy)는 센서 출력이 참값(true value)에 가까운 정도를 나타내며, 실제로는 부정확도(inaccyracy, 혹은 오차)로 표시합니다. 즉, 참값과 측정값 사이의 최대 편차를 정격 출력(Full Scale Output, FSO)에 대한 백분율로 나타내죠. 예를 들어 정격 입력이 100kPa, 정격 출력이 10Ω인 압력 센서의 경우 확도는 ±500Pa와 ±0.05Ω, 혹은 ±0.5%처럼 절대 오차나 상대 오차로 표현합니다. 정도와 확도, 둘다 우수하다면 더할 나위가 없겠습니다만, 그렇지 못할 경우 사용자의 사용 목적에 따라 선택을 달리 하게 되죠.
직선성(linearity, 선형성)은 센서의 특성 곡선이 센서 데이터로부터 피팅한 이상적인 직선으로부터 벗어난 정도를 의미합니다. 실제로는 비선형성(non-linearity)으로 표시하죠. 출력 범위에 대해 최대 편차의 백분율로 나타내며, 입력과 출력으로 구분하기도 합니다. 즉, 출력에 대한 비직선성의 경우 '(최대 출력 편차/정격 출력) x 100%', 입력에 있어서는 '(최대 입력 편차/정격 입력) x 100%'입니다.
센서의 입출력 특성에서 직선성이 끝나는 점이 포화입니다. 센서는 저마다 동작 영역이 있죠. 그리고 이 영역 밖에서는 센서의 출력이 입력에 적절히 반응하지 못하는 문제가 있습니다. 이는 불감대로도 표현할 수 있는데, 특히 입력이 증가하여가다가 일점 지점에서부터 직선성을 잃으면서 입력에 대한 출력의 변화가 완만해지며 줄어드는 현상을 포화, 이 영역을 포화 영역이라고 합니다. 직선이 곡선으로 갑자기 변화하지는 않으므로 포화 지점을 정확히 정의하기 정의하기는 어렵고, 대신 5%의 비직선성에 이르는 지점부터 포화 영역으로 정의하는 등의 방법을 쓰고 있죠.
히스테리시스(hysterisis)는 입력 신호를 증가시켜가면서, 그리고 반대로 감소시켜가면서 측정을 하였을 경우에 센서의 출력이 같지 않은 형상, 즉 입출력 고선의 진행 방향에 따라 같은 입력 신호일지라도 출력값이 달라지는 현상을 말합니다. 그리고 이는 동일 신호에서 측정의 차이가 가장 크게 나는 값을 분자로 하고, 정격 출력 범위(FSO값을 분자로 하여 백분율로 얻어집니다.
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