Potentiometer Sensor란? 저항변화 위치 측정 원리

Potentiometer Sensor란 물체의 이동에 따라 저항체 위의 Wiper 위치가 변하면서 출력전압이 달라지는 원리를 이용하는 위치센서입니다. 직선·회전 위치 측정과 활용방법을 알아봅니다.

Potentiometer Sensor란 무엇이며 무엇을 측정할까?

Potentiometer Sensor는 물체의 직선 이동이나 회전각을 저항값 또는 전압의 변화로 변환하여 측정하는 위치센서입니다. 한국어로는 포텐셔미터 센서, 가변저항식 위치센서 또는 전위차계식 센서라고 합니다. 기본 구조는 일정한 저항값을 갖는 Resistive Element와 그 위를 움직이는 Wiper로 이루어집니다. 측정대상이 움직이면 Wiper의 위치도 함께 변하고 저항체가 분할되는 비율이 달라지면서 출력전압이 변화합니다. 이를 이용하면 현재 위치를 연속적인 Analog Signal로 측정할 수 있습니다. 직선운동을 측정하는 Linear Potentiometer와 회전각을 측정하는 Rotary Potentiometer가 대표적이며 Cylinder Stroke, Valve Opening, Joystick, Pedal Position, 기계의 위치 Feedback 등에 활용됩니다. 구조가 비교적 단순하고 별도의 복잡한 Signal Processing 없이 위치에 비례하는 전압을 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 반면 Wiper가 저항체에 직접 접촉하는 방식에서는 마찰과 마모가 발생할 수 있으므로 반복동작 횟수와 사용환경을 고려해야 합니다.

Wiper가 움직이면 왜 출력전압이 달라질까?

Potentiometer의 저항체 양 끝단에 일정한 Excitation Voltage를 인가하면 저항체를 따라 전위가 분포합니다. Wiper는 이 저항체의 특정 지점과 접촉하여 해당 위치의 전압을 출력단자로 전달합니다. 예를 들어 저항체의 한쪽 끝에 0V, 다른 끝에 10V를 공급하고 이상적인 선형 Potentiometer의 Wiper가 전체 이동범위의 중앙에 있다면 약 5V 수준의 출력이 나타날 수 있습니다. Wiper가 0V 쪽으로 이동하면 출력은 낮아지고 반대쪽으로 이동하면 높아집니다. 이처럼 Potentiometer는 Voltage Divider, 즉 전압분배기의 원리를 이용하여 기계적인 위치를 전압으로 변환합니다. 실제 출력은 Wiper 위치뿐 아니라 공급전압의 안정성, 저항체의 Linearity와 연결된 입력회로의 Impedance 등에 영향을 받을 수 있습니다. PLC나 Controller의 입력저항이 충분히 높지 않으면 Loading Effect가 발생하여 이상적인 위치-전압 관계에서 오차가 생길 수 있으므로 입력회로 조건도 확인해야 합니다.

Linear와 Rotary Potentiometer는 무엇이 다를까?

Linear Potentiometer는 Wiper가 직선방향으로 이동하면서 위치를 측정하는 방식입니다. Rod 또는 Slider가 측정대상과 연결되어 움직이는 구조가 많으며 Actuator, Cylinder와 Machine Slide 등의 Stroke Measurement에 사용할 수 있습니다. Rotary Potentiometer는 Shaft의 회전에 따라 Wiper가 원형 저항체 위를 이동하며 회전각을 전압으로 변환합니다. Lever와 Knob, Valve Shaft, Joystick 등의 Angular Position 측정에 활용할 수 있습니다. 저항체 재료로는 Conductive Plastic, Cermet, Wirewound 등의 방식이 있으며 제품에 따라 수명과 Resolution, Linearity 및 허용전력이 달라집니다. Wirewound Type은 저항선이 감긴 구조 때문에 출력이 미세한 단계 형태로 변화할 수 있는 반면 Conductive Plastic 방식은 연속적인 위치측정과 긴 기계수명을 목적으로 사용되는 제품이 많습니다. 따라서 단순히 필요한 저항값만 확인하기보다 이동거리 또는 회전각, Linearity, 반복수명과 환경조건을 함께 고려하여 적합한 구조를 선택해야 합니다.

Potentiometer Sensor와 LVDT는 무엇이 다를까?

Potentiometer Sensor와 LVDT는 모두 연속적인 위치를 측정할 수 있지만 측정원리는 크게 다릅니다. Potentiometer는 Wiper가 Resistive Element에 접촉하면서 위치에 따라 전압분배비가 달라지는 원리를 이용합니다. 회로가 단순하고 비교적 낮은 비용으로 Absolute Position에 대응하는 Analog Voltage를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 반면 접촉부가 반복적으로 움직이기 때문에 장기간 사용하면 저항체와 Wiper가 마모될 수 있고 진동이나 오염이 심한 환경에서는 접촉상태가 측정신호에 영향을 줄 수 있습니다. LVDT는 이동하는 Core와 Coil 사이의 전자유도 변화를 이용하기 때문에 측정원리상 미끄러지는 전기접점이 필요하지 않습니다. 따라서 높은 반복성과 긴 수명이 요구되는 정밀계측에 유리할 수 있지만 AC Excitation과 Signal Conditioner가 필요한 경우가 많습니다. 즉 단순한 위치 Feedback에는 Potentiometer가 효율적일 수 있고 높은 반복성과 정밀성이 필요한 설비에서는 LVDT 등 다른 변위센서를 검토할 수 있습니다.

Potentiometer Sensor를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

Potentiometer Sensor를 선정할 때는 Total Resistance, Electrical Travel, Mechanical Travel, Linearity, Repeatability, Resolution과 Mechanical Life를 확인해야 합니다. 특히 측정범위보다 기계적인 이동량이 커지면 Wiper나 내부 Stop이 손상될 수 있으므로 Stroke와 회전각의 허용범위를 확인해야 합니다. 공급전압은 제품의 정격전력과 저항값을 고려해야 하며 Wiper에 과도한 전류가 흐르지 않도록 입력회로의 Impedance도 검토해야 합니다. 산업용 설비에서는 Cable의 단선과 접촉불량을 진단할 수 있도록 정상 측정범위를 전원 양 끝단과 약간 떨어지게 설계하는 방법도 활용됩니다. 진동과 먼지, 수분이 많은 환경에서는 Housing의 IP Rating과 Wiper 구조를 확인하는 것이 중요합니다. PLC에서 위치를 읽는 경우 Analog Input으로 전압을 측정하고 Raw Data를 실제 mm 또는 Degree 단위로 Scaling하여 사용할 수 있습니다. 결국 Potentiometer Sensor는 기계적인 위치변화를 저항분배비와 출력전압의 변화로 바꾸어 직선거리와 회전각을 간단하고 연속적으로 측정하는 대표적인 접촉식 Position Sensor입니다.