Magnetic Sensor란? 실린더 위치 검출 원리

Magnetic Sensor란 자석에서 발생하는 자기장을 감지하여 물체의 위치와 움직임을 비접촉으로 검출하는 센서입니다. 공압 실린더 내부 자석을 이용한 Piston 위치검출 원리와 활용방법을 알아봅니다.

Magnetic Sensor란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Magnetic Sensor는 Magnet에서 발생하는 Magnetic Field의 존재나 변화를 감지하여 물체의 위치와 움직임을 전기적인 신호로 변환하는 센서입니다. 산업자동화에서는 특히 Pneumatic Cylinder의 Piston 위치를 확인하는 Cylinder Sensor로 많이 사용됩니다. 실린더 내부의 Piston에 Permanent Magnet을 넣고 Cylinder 외부에 Magnetic Sensor를 설치하면 Piston이 센서 위치에 접근했을 때 자기장을 감지하여 출력상태가 변합니다. 따라서 Piston과 센서가 직접 접촉하지 않아도 전진완료와 후진완료 위치를 확인할 수 있습니다. Magnetic Sensor에는 기계식 접점을 사용하는 Reed Switch 방식과 Hall Effect 또는 Magnetoresistive Element 등을 이용하는 Solid State 방식이 있습니다. 동작원리는 서로 다르지만 외부 자기장을 이용해 위치를 검출한다는 공통점이 있습니다. 자동화설비에서는 실린더의 동작완료 신호를 PLC에 전달하여 다음 Sequence를 실행하거나 지정시간 안에 위치신호가 들어오지 않을 경우 설비 이상을 판단하는 Feedback Sensor로 활용됩니다.

실린더 내부의 자석을 어떻게 감지할까?

공압실린더의 Piston 내부에 Permanent Magnet이 설치되어 있으면 Piston이 움직일 때 자석도 함께 이동합니다. Cylinder Tube가 비자성 또는 자기장이 외부로 전달될 수 있도록 설계된 구조라면 자석에서 형성된 Magnetic Flux를 외부에 설치된 Sensor가 감지할 수 있습니다. 센서를 전진 끝단 근처에 설치하면 Piston이 해당 위치로 이동하면서 자기장의 세기가 증가하고 센서가 Switching Point에 도달하면 Output을 전환합니다. Piston이 다시 멀어지면 자기장이 감소하고 Release Point를 지나면서 출력이 원래 상태로 복귀합니다. 이 과정에서 동작점과 복귀점 사이에는 일정한 Hysteresis가 존재할 수 있으며 이는 경계위치에서 센서 출력이 반복적으로 ON·OFF되는 Chattering을 줄이는 데 도움이 됩니다. 중요한 것은 센서가 Piston 자체를 직접 감지하는 것이 아니라 Piston에 장착된 Magnet의 자기장을 검출한다는 점입니다. 따라서 자석이 없는 일반 Cylinder에는 같은 방식의 Magnetic Position Detection을 적용할 수 없습니다.

Reed 방식과 Solid State 방식은 무엇이 다를까?

Reed Type Magnetic Sensor는 밀봉된 유리관 내부의 Ferromagnetic Contact가 자기장에 반응하여 기계적으로 붙거나 떨어지는 원리를 이용합니다. 구조가 비교적 단순하고 접점이 닫혔을 때 작은 Contact Resistance를 갖는 장점이 있지만 기계접점이기 때문에 Contact Bounce와 접점수명, 부하전류 등의 영향을 고려해야 합니다. Solid State Magnetic Sensor는 Hall Element나 Magnetoresistive Element와 같은 반도체 또는 자기저항 소자를 이용하여 자기장을 전기신호로 변환합니다. 기계적으로 움직이는 접점이 없어 높은 Switching Frequency와 반복동작에 유리하며 LED Indicator와 보호회로 등을 통합하기도 쉽습니다. 반면 전원과 극성, NPN·PNP Output 등 전자회로 조건을 확인해야 합니다. 따라서 단순히 Magnetic Sensor라는 명칭만으로 Reed 방식인지 전자식인지 판단해서는 안 됩니다. PLC와 연결하기 전 제조사의 Wiring Diagram과 Output Specification을 확인하여 센서방식과 제어회로가 서로 맞는지 검토해야 합니다.

실린더 전진·후진 위치는 어떻게 확인할까?

자동화설비에서는 일반적으로 Cylinder의 양 끝 위치에 Magnetic Sensor를 각각 설치하여 전진완료와 후진완료 신호를 검출합니다. 예를 들어 PLC가 Solenoid Valve를 동작시켜 Cylinder를 전진시키면 Piston이 이동하고 전진측 Sensor가 자기장을 감지했을 때 Forward Complete 신호가 입력됩니다. PLC는 이 신호를 확인한 뒤 Clamp, Robot, Conveyor 등의 다음 Sequence를 실행할 수 있습니다. 반대로 후진명령 후 Rear Sensor가 일정시간 안에 ON되지 않는다면 공압부족, 기계걸림, Valve 이상 또는 Sensor 위치불량 등의 가능성을 Alarm으로 처리할 수 있습니다. 이러한 Feedback Logic을 사용하면 단순히 Valve에 출력신호를 보냈다는 사실과 실제 Cylinder가 목표위치까지 이동했다는 사실을 구분할 수 있습니다. 다만 Sensor의 검출신호만으로 기계가 안전한 상태라고 판단해서는 안 되며 작업자 보호가 필요한 설비에서는 별도의 Safety Sensor와 Safety Control System을 적용해야 합니다.

Magnetic Sensor를 설치할 때 무엇을 확인해야 할까?

실린더용 Magnetic Sensor를 선정할 때는 가장 먼저 해당 Cylinder와 Sensor의 Compatibility를 확인해야 합니다. Cylinder의 Magnet 세기와 Tube 구조, Sensor Mounting Groove가 제품마다 다르기 때문에 외형이 비슷하다고 임의로 조합해서는 안 됩니다. 설치할 때는 Piston을 실제 검출위치로 이동시킨 뒤 센서의 Indicator와 Switching Point를 확인하면서 안정적인 검출구간 중앙에 고정하는 것이 좋습니다. 센서를 동작경계에 설치하면 진동이나 압력변화로 Piston 위치가 조금만 변해도 신호가 불안정해질 수 있습니다. 전자식 제품은 Supply Voltage와 NPN·PNP Output, 2-wire·3-wire 구조 및 최대 부하전류를 확인해야 합니다. 강한 Motor와 Solenoid, 용접설비 등의 Magnetic Field가 주변에 존재하는 경우에는 외부자계의 영향도 검토해야 합니다. 결국 Magnetic Sensor는 실린더 내부 자석의 자기장을 외부에서 비접촉으로 감지하여 Piston의 실제 위치를 PLC에 전달하는 자동화설비의 중요한 위치 Feedback Sensor입니다.