투과형 광센서란? 송신기·수신기 검출 원리

투과형 광센서란 송신기와 수신기를 서로 마주 보게 설치하고 물체가 광축을 차단할 때 수광량 변화를 감지하는 센서입니다. Through-beam 방식의 구조와 검출 원리, 장점 및 설치방법을 알아봅니다.

투과형 광센서란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

투과형 광센서는 Photoelectric Sensor의 대표적인 검출방식으로, 송신기(Emitter)와 수신기(Receiver)를 서로 마주 보도록 분리 설치하여 두 장치 사이를 통과하는 물체를 검출합니다. 영어로는 Through-beam Photoelectric Sensor라고 합니다. 송신기는 LED 등의 광원을 이용해 일정한 방향으로 빛을 보내고 수신기는 반대편에서 해당 빛을 지속적으로 감지합니다. 두 장치 사이에 물체가 없으면 수신기에 충분한 빛이 도달하지만 물체가 광축을 가로막으면 수광량이 크게 감소합니다. 센서는 이 변화를 판단하여 ON·OFF 출력신호를 만들고 PLC Digital Input 등에 전달합니다. 대상물에서 반사되어 돌아오는 빛을 이용하는 확산반사형과 달리 물체가 빛을 직접 차단하는지를 확인하기 때문에 대상물의 표면반사율 영향을 상대적으로 적게 받는다는 특징이 있습니다. Conveyor의 제품 통과확인과 개수계수, 포장설비의 위치검출 등 안정적인 비접촉 검출이 필요한 산업자동화 현장에서 널리 사용됩니다.

송신기와 수신기는 어떻게 물체를 검출할까?

투과형 광센서의 Emitter는 Receiver 방향으로 가시광선 또는 적외선 영역의 빛을 방출합니다. 산업용 센서에서는 주변조명과 센서 자체의 신호를 구분하기 위해 변조된 광신호를 사용하는 경우가 많습니다. 정상상태에서는 Receiver의 Photodiode 또는 Phototransistor 등이 충분한 빛을 받아 내부 Signal Processing Circuit이 광축이 확보된 상태라고 판단합니다. 물체가 두 센서 사이에 들어오면 광량이 설정된 Threshold 아래로 감소하고 출력상태가 전환됩니다. 이때 센서 설정에 따라 Dark ON 또는 Light ON 방식으로 출력동작을 선택할 수 있습니다. Dark ON은 수광량이 낮아지는 조건에서 출력이 활성화되고 Light ON은 충분한 빛을 받는 조건에서 출력이 활성화되는 개념입니다. 따라서 PLC에서 물체 검출신호를 어떻게 사용할지는 센서의 출력설정과 프로그램 Logic에 따라 결정됩니다. 안정적인 검출을 위해서는 단순히 송신기와 수신기를 대략 마주 보는 것이 아니라 광축이 정확하게 일치하도록 정렬하는 것이 중요합니다.

투과형 광센서는 왜 검출거리가 긴 편일까?

투과형 방식의 중요한 장점은 비교적 긴 Sensing Distance와 높은 검출안정성을 확보하기 쉽다는 점입니다. 확산반사형은 송신된 빛이 대상물에서 반사된 뒤 다시 센서까지 돌아와야 하므로 물체의 색상과 표면반사율, 설치각도에 따라 수광량이 크게 달라질 수 있습니다. 반면 투과형은 Emitter의 빛을 Receiver가 직접 받기 때문에 광에너지 이용효율이 상대적으로 높고 대상물이 광축을 충분히 차단하기만 하면 검출할 수 있습니다. 검은색이나 반사율이 낮은 물체도 광축을 차단할 수 있다면 안정적으로 검출하기 쉬운 이유가 여기에 있습니다. 또한 충분한 Excess Gain을 확보하면 일정 수준의 먼지나 오염에도 검출여유를 가질 수 있습니다. 다만 실제 최대 검출거리는 제품의 광출력과 Lens 구조, 주변환경에 따라 달라집니다. 또한 매우 작거나 얇은 물체가 광축 전체를 충분히 가리지 못하면 검출이 어려울 수 있으므로 최소 검출물체 크기와 Beam Diameter 등의 사양도 확인해야 합니다.

투과형과 미러·확산반사형은 무엇이 다를까?

투과형은 송신기와 수신기 두 장치를 서로 마주 보게 설치하지만 미러반사형(Retro-reflective)은 송·수광부가 하나의 Housing에 들어 있고 반대편에 Reflector를 설치합니다. 확산반사형(Diffuse-reflective)은 Reflector도 사용하지 않고 물체 자체에서 반사되어 돌아오는 빛으로 검출합니다. 따라서 설치편의성만 보면 확산반사형이 단순한 경우가 많고 투과형은 Conveyor 양쪽에 장치를 설치하고 배선해야 하므로 설치공수가 증가할 수 있습니다. 하지만 검출거리와 대상물 색상에 대한 영향 측면에서는 투과형이 유리한 경우가 많습니다. 미러반사형은 송·수신기 배선을 한쪽에 집중할 수 있어 투과형과 확산반사형의 중간적인 특성을 갖습니다. 투명한 유리나 PET Bottle처럼 빛을 완전히 차단하지 않는 대상은 일반적인 투과형에서도 수광량 변화가 충분하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우에는 투명체 검출용 Photoelectric Sensor 등 대상물의 광학특성에 맞는 제품을 선정하는 것이 중요합니다.

투과형 광센서를 설치할 때 무엇을 확인해야 할까?

투과형 광센서의 성능은 Emitter와 Receiver의 광축정렬에 크게 영향을 받습니다. 설치 후에는 수광표시 LED나 Alignment Indicator를 확인하면서 충분한 수광 Margin을 확보해야 합니다. 진동이 있는 기계에서는 Bracket이 움직이면서 광축이 틀어질 수 있으므로 견고하게 고정하는 것이 중요합니다. Lens에 먼지와 Oil Mist가 쌓이면 Receiver에 도달하는 광량이 감소하므로 오염이 심한 환경에서는 정기적인 청소가 필요합니다. 여러 센서를 가까이 설치하면 다른 Emitter의 빛이 Receiver에 들어가는 Optical Crosstalk가 발생할 가능성도 있으므로 제조사의 설치간격과 상호간섭 방지조건을 확인해야 합니다. PLC에 연결할 때는 NPN·PNP Output과 전원전압, Light ON·Dark ON 설정 및 Response Time을 확인합니다. 고속 Conveyor에서 작은 제품을 검출한다면 센서의 응답속도와 PLC Input Filter, Scan Time도 전체 검출성능에 영향을 줄 수 있습니다. 결국 투과형 광센서는 송신기와 수신기 사이의 광축이 차단되는 현상을 이용하여 물체를 빠르고 안정적으로 검출하는 대표적인 비접촉 센서입니다.