연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)

Ref. 모션센서 (Motion Sensor 초음파 센서)

Last Updated 2000/3/23

1. 개요

모션센서는 0.15-8m 의 탐지범위를 갖는 초음파 탐지기 이다. 인터페이스와 함께 사용될때 모션센서는 초음파를 발생하고 물체로부터 반사되어 돌아오는 펄스를 감지한다.

Science Workshop 프로그램은 음속과 초음파의 반사되어 돌아온 시간의 반(half)으로부터 물체까지의 거리를 계산할 뿐만아니라 거리와 시간 측정값으로부터 속도와 가속도를 계산해 준다.

모션센서에 대한 작동속도(trigger rate)는 원거리 실험과 같은 상대적으로 느린 데이타 저장을 위해 초당 5번 정도로 작게 작동하거나, 자유낙하 실험과 같이 빠른 작동이 필요한 실험에서는 초당 120번 정도 작동하도록 설정할 수 있다.

2. 사용방법

① 노란색 짹은 디지탈 채널1(1,2 또는 3채널에 연결가능)에 연결하고 검은색 짹을 디지탈 채널2(2,3 또는 4채널에 연결가능. 단, 노란색 채널 다음으로 연속 설치해야 함)에 연결한다.

② 노란색 짹은 인터페이스로 부터 센서로의 송신신호(transmit signal)를 위한 것이고 검은색 짹은 센서에서 인터페이스로 돌아오는 반사신호(echo signal)를 위한 것이다.

③ 700 인터페이스에서는 모션센서 2개를 동시에 사용가능하며 센서가 물체를 감지했을때 전면의 LED 가 켜진다. LED가 켜지지 않으면 감지하지 못한 상태이다.

④ 실험에 적절하게 모션센서 상단에 있는 딥 스위치 Narrow/Standard 의 위치를 설정하라.
예를 들어 전형적인 다이나믹 트랙 실험과 같이 2m 이내의 거리에 대해 실험할때 "Narrow"로 맞추면 트랙근처의 방해물체의 영향을 감소시킨다. 상대적으로 긴 거리를 갖는 실험을 할때에는 "Standard"로 맞춘다.
-"Std"를 사용할때는 바닥면으로 부터 영향을 없애기 위해 5-10°정도 위로 기울여 준다.

⑤ 만약 필요하다면 up/down 화살표를 클릭하여 작동속도를 바꿔줄 수 있다. (충돌이나 자유낙하 등과같이 빠른 작동을 필요로하는 실험에서는 디폴트값 20Hz보다 증가시켜야 할 것이다.)

3. 눈금보정(Calibration)

모션센서에서 음속의 디폴트 값은 344 m/s 으로 대부분의 실험에서는 눈금보정이 필요 없지만 온도에 따라 음속이 미소하게 변하므로 최대한의 정밀도를 위해 다음과 같이 눈금보정을 할수 있다.

(1) 모션센서 아이콘을 더블클릭하여 디지탈센서 Setup 대화상자를 열수있다.

(2) 반사체를 모션센서로 부터 1m 거리에 정확하게 떨어져 마주보게 놓는다.

(3) Calibrate를 클릭하면 눈금보정이 진행되는 동안 모션센서가 깜빡거릴 것이다. 만약 모션 센서가 물체를 찾지 못하면 인터페이스는 눈금보정을 하지 않을 것이다.

(4) 프로그램은 기존의 눈금보정거리(1m)와 송신 펄스와 반사파 사이의 걸린시간을 통해 다음의 식에 따라 음속을 계산해 줄 것이다.

거리 = 음속 ×(반사되어 돌아오는 시간)/ 2

V_음속 = (331+0.60T) m/s
여기서 T는 섭씨온도(℃)이다. 예를들어 주위온도가 20℃ 일때 음속은 343 m/s 이다.

4. 작동속도(Trigger Rate)

모션센서에 대한 또 다른 변수는 매 초당 발생할수있는 초음파 펄수의 수이다.
디폴트값은 20개의 펄스(20Hz)이고 펄스의 최대값은 120Hz, 최소값은 5Hz 이다.
표적까지의 최대 거리는 음파가 돌아온 다음 다시 펄스를 보내야 하므로 작동속도에 연관된다.
예를들어 작동속도 20Hz에 대한 최대거리는 8m이다.

현재 실험실에서 보유하고 있는 모션센서는 120Hz 에 대해서는 1.2m, 15Hz 이하에 대해서는 10.0m 정도의 최대거리 측정이 가능하다.

2개의 모션센서를 동시에 사용할수도 있는데 그 경우 최대 작동속도는 더욱 작아질것이다.
그 이유는 이 경우 2개의 모션센서는 초음파를 교대로(alternate) 발산- 한쪽에서 발산한 펄스파가 다른 센서에 의해 반사파로 오작동 되지 않도록- 해야 하기 때문이다.
이러한 교대작동은 모션센서가 직선트랙 (직선형 트랙에서 물체운동을 실험하는 경우)의 양쪽끝에 서로 마주보게 위치하는 경우에도 허용될 수 있다.

5. 작동이론

(1) 정의

초음파란 주파수가 너무 높아 "사람의 귀로 들리지 않는 음"이라고 말하는 것이 일반적이지만, 초음파 기술에서는 "사람이 듣는것을 목적으로 하지 않는 음파의 응용에 관한 기술" 이라고 정의된다.

(2) 초음파 센서의 원리

초음파를 발생시키는 원리로서 여러가지가 있으나 일반적으로 강유전체를 이용한 압전재료를 사용하는데, 압전진동자 (압전세라믹스)는 압력(음압,응력)이 가해지면 전압을 발생하고 반대로 전압을 가하면 삐뚤어지거나 진동하는 성질을 갖고있다. 이러한 성질을 압전효과(Piezoelectric Effect)라고 하는데, 전자를 압전기 직접효과, 후자를 압전기역효과 라고한다.

초음파 센서는 초음파를 발생시키는 발신기(압전기 역효과; 스피커)와 초음파를 수신하는 수신기(압전기 직접효과; 마이크로폰)로 구성되어 있다.
현재 실험실에서 보유하고 있는 모션센서는 공진주파수 (중심주파수)가 약 49kHz 이고 송,수신특성이 우수하다.