근접센서란? 접촉 없이 금속 검출 원리

근접센서란 대상물과 직접 접촉하지 않고 전자기장의 변화를 이용해 금속의 접근과 위치를 검출하는 센서입니다. 유도형 근접센서의 Coil·발진회로·와전류 원리와 PLC 연결방법을 알아봅니다.

근접센서란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

근접센서(Proximity Sensor)는 물체와 기계적으로 접촉하지 않고 대상물이 일정한 검출거리 안으로 접근했는지를 전기적인 신호로 변환하는 센서입니다. 산업현장에서 단순히 근접센서라고 부를 때는 금속물체를 검출하는 유도형 근접센서(Inductive Proximity Sensor)를 의미하는 경우가 많습니다. 센서 내부의 Coil에서 고주파 자기장을 형성하고 금속물체가 가까워졌을 때 발생하는 전자기적 변화를 감지하여 출력상태를 전환합니다. Limit Switch처럼 대상물이 Lever나 Plunger를 직접 누를 필요가 없으므로 물리적인 접점마모가 없고 반복적인 위치검출에 유리합니다. 자동화설비에서는 Cylinder 위치, 기계부품 도착, Gear와 Cam의 회전확인, 금속제품 Count, Machine Position 등의 검출에 널리 사용됩니다. 다만 Proximity Sensor라는 범주에는 정전용량형이나 자기식 등 다른 원리의 센서도 포함될 수 있으므로 검출대상이 금속인지 비금속인지에 따라 적절한 방식을 구분해야 합니다.

유도형 근접센서는 금속을 어떻게 검출할까?

유도형 근접센서의 검출면 내부에는 Coil과 Oscillator가 있으며 교류성분의 전류를 이용하여 검출면 앞쪽에 고주파 Alternating Magnetic Field를 형성합니다. 검출영역에 금속물체가 없으면 발진회로는 정상적인 상태를 유지합니다. 금속물체가 자기장 안으로 들어오면 금속 내부에 전자기유도에 의한 Eddy Current가 발생합니다. 이 와전류는 에너지를 소비하고 원래 자기장에 영향을 주기 때문에 Oscillator의 진폭이나 상태가 변합니다. 센서 내부의 Detection Circuit은 이러한 변화를 감지하고 Schmitt Trigger 등의 회로를 통해 명확한 ON·OFF 신호로 변환한 뒤 Output Circuit으로 전달합니다. 즉 센서가 금속을 물리적으로 만져서 검출하는 것이 아니라 금속이 센서의 고주파 자기장에 미치는 영향을 감지하는 것입니다. 이러한 원리 때문에 일반적인 Inductive Sensor는 플라스틱이나 종이, 목재 같은 비금속을 직접 검출하기 어렵지만 금속대상물에 대해서는 빠르고 반복적인 비접촉 검출이 가능합니다.

검출거리가 금속 종류에 따라 달라지는 이유는 무엇일까?

근접센서의 Sensing Distance는 모든 금속에서 동일하지 않습니다. 일반적인 유도형 근접센서의 정격 검출거리는 제조사가 규정한 표준 Target을 기준으로 표시되며 실제 검출거리는 금속의 재질과 크기, 두께 등에 따라 달라질 수 있습니다. 철과 같은 Ferrous Metal은 센서의 자기장에 강하게 영향을 주기 때문에 비교적 긴 검출거리를 얻기 쉽지만 Aluminum, Copper, Brass, Stainless Steel 등의 비철금속은 제품에 따라 검출거리 감소가 나타날 수 있습니다. 제조사는 이러한 차이를 Correction Factor 또는 Reduction Factor 등으로 제공하기도 합니다. 반면 Factor 1 Sensor처럼 여러 금속에 대해 검출거리 차이를 줄이도록 설계된 제품도 있습니다. 대상물이 센서의 기준 Target보다 작으면 검출거리 역시 감소할 수 있습니다. 따라서 카탈로그에 표시된 최대 검출거리만 보고 설치위치를 결정하기보다 실제 사용금속과 Target 크기를 기준으로 충분한 검출 Margin을 확보해야 안정적인 위치검출이 가능합니다.

NPN·PNP 근접센서는 무엇이 다를까?

DC 3선식 근접센서는 일반적으로 전원 Positive, 0V, Output의 세 배선을 사용하며 출력회로에 따라 NPN과 PNP Type으로 구분됩니다. NPN Output은 출력이 ON되었을 때 부하전류를 0V 측으로 흐르게 하는 Sinking 방식이고 PNP Output은 Positive 전원 측에서 부하로 전류를 공급하는 Sourcing 방식으로 이해할 수 있습니다. 따라서 센서를 PLC Digital Input에 연결할 때는 PLC Input의 Common 구조와 Sink·Source 방식을 확인해야 합니다. 센서의 갈색(Brown), 청색(Blue), 흑색(Black) 배선이 각각 전원+, 0V, 출력으로 사용되는 제품이 흔하지만 모든 제품을 색상만으로 판단해서는 안 되며 Wiring Diagram을 확인하는 것이 안전합니다. 출력동작은 NO와 NC 방식으로도 나뉠 수 있습니다. 일부 근접센서에는 동작상태를 확인할 수 있는 LED Indicator가 포함되어 있어 설치 시 검출위치를 확인하는 데 도움이 됩니다. 잘못된 전원극성이나 부적절한 PLC 입력방식은 정상적인 신호검출을 방해할 수 있습니다.

근접센서를 설치할 때 무엇을 확인해야 할까?

근접센서를 선정할 때는 Sensing Distance와 Target Material뿐 아니라 Shielded와 Unshielded 구조를 확인해야 합니다. Shielded 또는 Flush Type은 센서 검출면 주변을 금속에 비교적 밀착하여 설치할 수 있도록 설계되지만 검출거리가 상대적으로 짧을 수 있습니다. Unshielded 또는 Non-flush Type은 더 넓은 자기장을 형성하여 긴 검출거리를 얻을 수 있는 대신 주변 금속과 일정한 이격거리가 필요할 수 있습니다. 여러 센서를 가까이 설치하면 자기장이 서로 영향을 주는 Mutual Interference가 발생할 수 있으므로 제조사의 최소 설치간격을 확인해야 합니다. 금속 Chip이 검출면에 달라붙으면 오검출의 원인이 될 수 있으며 강한 충격과 진동, 높은 온도, 수분과 Oil이 존재하는 환경에서는 Housing과 IP Rating도 중요합니다. 고속으로 이동하는 물체를 검출한다면 Sensor Response Frequency와 PLC Input Filter도 함께 고려해야 합니다. 결국 근접센서는 전자기장과 와전류의 변화를 이용하여 금속의 위치를 접촉 없이 검출하는 산업자동화의 대표적인 비접촉 센서입니다.