Photoelectric Sensor란? 빛으로 물체 검출 원리

Photoelectric Sensor란 발광부에서 빛을 보내고 물체에 의해 차단되거나 반사되는 빛의 변화를 수광부에서 감지해 물체를 검출하는 센서입니다. 투과형·미러반사형·확산반사형의 원리를 알아봅니다.

Photoelectric Sensor란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Photoelectric Sensor는 빛을 이용하여 물체의 존재와 통과 여부, 위치 등을 비접촉 방식으로 검출하는 산업용 Sensor입니다. 국내에서는 광전센서, 포토센서 등으로도 부릅니다. 기본적으로 빛을 방출하는 Emitter와 빛을 받아들이는 Receiver, 수광량을 판단하여 ON·OFF 신호를 만드는 Signal Processing Circuit으로 구성됩니다. Emitter에서는 주로 가시광선 또는 적외선 영역의 LED 등을 사용하며 Receiver에서는 Photodiode나 Phototransistor와 같은 광검출소자를 이용합니다. 물체가 검출영역에 들어오면 빛이 차단되거나 반사되는 양이 달라지고 센서는 이 변화를 전기적인 출력신호로 변환합니다. 기계적으로 대상물에 접촉할 필요가 없기 때문에 Conveyor에서 이동하는 제품을 빠르게 계수하거나 포장재의 위치를 확인하는 등 반복동작이 많은 자동화설비에 적합합니다. 금속뿐 아니라 플라스틱, 종이, 유리 등 다양한 재질을 검출할 수 있지만 검출방식과 대상물의 색상·표면·투명도에 따라 성능이 달라질 수 있습니다.

빛으로 물체를 어떻게 검출할까?

Photoelectric Sensor의 기본원리는 송광량과 수광량의 변화를 판단하는 것입니다. Emitter가 일정한 빛을 방출하면 Receiver는 정상상태의 광량을 감지합니다. 이때 물체가 광경로를 가로막으면 Receiver에 도달하는 빛이 감소하고 센서 내부 Comparator와 Signal Processing Circuit이 이를 검출하여 출력상태를 변경합니다. 반사방식에서는 반대로 센서에서 방출한 빛이 물체에 반사되어 돌아오는 양을 측정하여 대상물의 존재를 판단합니다. 산업용 광전센서는 주변조명의 영향을 줄이기 위해 단순히 빛을 계속 방출하는 대신 변조된 광신호를 사용하고 수광회로에서 해당 신호를 구분하는 방식이 사용될 수 있습니다. 검출감도와 Threshold는 제품에 따라 Potentiometer, Teach-in Button 또는 Digital Setting 방식으로 조정합니다. 다만 검출거리는 단순히 빛의 세기만으로 결정되지 않습니다. Lens 구조와 대상물의 크기, 색상, 표면 반사율, 설치각도 및 주변환경도 검출성능에 영향을 주므로 제조사가 제시하는 Sensing Distance와 검출조건을 함께 확인해야 합니다.

투과형·미러반사형·확산반사형은 무엇이 다를까?

Photoelectric Sensor는 대표적으로 Through-beam, Retro-reflective, Diffuse-reflective 방식으로 구분합니다. 투과형(Through-beam)은 Emitter와 Receiver를 서로 마주 보게 설치하고 물체가 두 장치 사이의 빛을 차단하면 검출하는 방식입니다. 송·수광기가 분리되어 설치공간과 양쪽 배선이 필요하지만 일반적으로 긴 검출거리와 높은 검출안정성을 얻기 쉽습니다. 미러반사형(Retro-reflective)은 Emitter와 Receiver가 한 Housing에 있고 반대쪽에 Reflector를 설치합니다. 물체가 센서와 Reflector 사이의 빛을 차단하면 검출합니다. 확산반사형(Diffuse-reflective)은 별도의 Receiver나 Reflector 없이 물체 자체에서 반사되어 돌아오는 빛을 이용합니다. 설치가 간단하지만 대상물의 색상과 표면상태에 따라 수광량이 달라질 수 있습니다. 검은색이나 반사율이 낮은 물체는 검출거리가 짧아질 수 있으며 광택이 강하거나 투명한 물체는 일반적인 방식에서 오검출이 발생할 수 있어 전용 광학방식이나 적절한 센서선정이 필요합니다.

Light ON과 Dark ON은 어떤 의미일까?

Photoelectric Sensor의 출력동작을 이해할 때 Light ON과 Dark ON의 개념이 중요합니다. Light ON은 Receiver가 설정기준 이상의 빛을 받는 조건에서 출력이 활성화되는 방식이고 Dark ON은 수광량이 감소하여 어두운 상태가 되었을 때 출력이 활성화되는 방식입니다. 하지만 실제로 물체가 있을 때 ON이 되는지 없는 상태에서 ON이 되는지는 투과형·반사형 등 검출방식과 Light ON·Dark ON 설정의 조합에 따라 달라집니다. 따라서 단순히 Dark ON을 ‘물체 검출 시 ON’으로 외우기보다 수광상태를 기준으로 이해하는 것이 정확합니다. 산업용 DC Sensor의 출력에는 NPN Open Collector와 PNP Open Collector 방식도 널리 사용되므로 PLC Digital Input의 Sink·Source 방식과 맞춰 배선해야 합니다. 일부 제품은 NO·NC 동작을 설정하거나 Complementary Output을 제공하기도 합니다. PLC에서는 Photoelectric Sensor 입력을 이용하여 제품 Count, Conveyor Position, Presence Check 등의 Logic을 구성하며 고속으로 이동하는 물체에서는 센서의 Response Time도 함께 고려해야 합니다.

Photoelectric Sensor를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

Photoelectric Sensor를 선정할 때는 검출거리만이 아니라 대상물의 크기와 재질, 색상, 표면상태 및 이동속도를 함께 확인해야 합니다. 먼지와 Oil Mist가 많은 환경에서는 Lens가 오염되면서 수광량이 감소할 수 있으므로 주기적인 청소와 충분한 광량 Margin이 필요합니다. 강한 외부조명이나 다른 광센서의 빛이 간섭할 가능성이 있는 환경에서는 설치각도와 센서 간 간격, 상호간섭 방지기능 등을 검토합니다. 투명 Bottle이나 Film을 검출할 때는 일반 Photoelectric Sensor보다 Transparent Object Detection에 최적화된 제품이 적합할 수 있습니다. 반사체가 많은 기계에서는 Background Suppression 기능을 갖춘 센서가 유용할 수 있습니다. 또한 전원전압과 NPN·PNP 출력방식, Response Time, IP Rating 및 Cable Connection을 PLC 시스템과 맞춰야 합니다. 결국 Photoelectric Sensor는 빛의 차단과 반사를 전기적인 ON·OFF 신호로 변환하여 물체를 빠르게 비접촉 검출하는 자동화설비의 대표적인 센서입니다.