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SENSOR 의 종류
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작성일
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2007-12-06 10:23:50
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조회수
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9626
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SENSOR 의 종류
센서는 측정된 물리량(압력, 온도, 변위등)을 마이크로 컴퓨터나 전기/전자 회로에서
다루기 쉬운 형태의 전기신호로 변환 시키는 역할을 한다.
특히 자동차에서 다루는 센서는 그 신호 형태 및 특성 자체가 광범위 하며, 전기적으로도 서로 다른 특성을 보인다.
그러므로 0 ∼ 5V 범위의 전압만을 다루는 마이크로 컴퓨터에서 센서 신호를 받아서
처리하기 위해서는 별도의 회로가 필요하며 이 기능을 하는 것이 입력 처리회로이다.
쓰로틀 포지션 센서 (TPS-Throttle position sensor)
TPS는 쓰로틀 바디의 한 부분으로 되어 있으며, 쓰로틀 밸브의 열림량을 검출하는
센서이다.
즉 쓰로틀 개도, 물리량으로는 각도 변위를 전기저항의 변화로 바꿔주어 공전상태,
가속상태, 감속상태, 전부하 상태등의 정보를 ECU에 알려주어 연료 분사량을 결정하고
점화시기를 보정하게 하는 기능을 한다.
AT차량의 경우에 변속시점을 결정하는 요소로도 사용된다.
쉽게 얘기해서 운전자가 악셀 페달을 밟았는지 밟지 않았는지와 밟은양을 감지하는 센서로 이 센서를 통해 ECU는 운전자의 가속 또는 감속 의지를 판단 할 수 있게 되는 것이다.
작동원리는 악셀 페달에 연동되어 TPS 축이 회전하며 그 회전량은 저항의 변화분으로
변환된다.
흔히들 사용하는 포텐시오메터(Potentiometer)라고 보면 된다.
그러나 엔진 전자제어모듈(ECU)안에 있는 마이컴은 저항값의 변화를 바로 정보로
인식하지는 못하기 때문에 TPS에 전원을 공급하여 전압값으로 바꾸고 다시 ECU내의 A/D(Analog to Digital) 컨버터에서 디지털로 변환시킨 디지털 정보를 입력으로 받는다.
센서의 구조와 출력 특성은 아래와 같다.
공기유량 센서(AFS-Air Flow Sensor)
공기유량 센서는 칼만와류 방식, 맵센서 방식, 베인식, 핫와이어 방식, 핫필름 방식 등
5가지 종류가 있다.
이 가운데 칼만와류 방식만 펄스제어 방식이고 나머지는 모두 전압검출 방식이다.
1) 맵 센서 (MAP-Manifold absolute pressure sensor)
흡입 공기량을 측정하는 센서로 이름에서 알 수 있듯이 흡기 매니폴드의 서지탱크에
장착되어 흡입 공기압을 전압의 형태로 측정한다.
그러나 실제 측정 하려고 하는 물리량은 흡입 공기량인데 비해 공기압을 측정하여
사용하므로 간접 측정 방식인 셈이다.
실리콘 다이아프레임의 양단에 한쪽은 대기압에, 한쪽은 흡기 매니폴드의 서지탱크
내부에 연결 된다.
그리고 엔진이 동작하게 되면 실린더 내의 부압이 형성되고 대기압은 일정하니까 당연히
압력차가 생긴다.
맵 센서는 실리콘 다이아프레임의 압전효과(압력차를 전압차로변환) 를 이용하여
흡입 공기압을 전압의 형태로 변환 시킨다.
이 출력 역시 아날로그 형태의 신호이므로 ECU에서는 A/D 변환이 필요하다.
맵센서의 구조는 아래와 같다.
2) 핫 필름 에어 플로우 센서 (HFM-Hot film air flow sensor)
공기량 측정 센서(Air Flow Sensor)의 일종으로 맵 센서와 같이 공기량을 간접 측정하는
것이 아니라 직접 측정하는 방식의 센서이다.
장착위치는 에어 클리너와 쓰로틀 바디 사이로, 맵 센서 보다는 훨씬 앞에 장착 된다.
그러므로 맵 센서보다 정확하고 빠른 공기량 측정이 가능하다.
핫 필름은 흡입 공기가 흘러 가는 통로에 동그란 원 형상의 형태(보통 메쉬-Mesh Type)로 위치시켜 놓는다.
동작 원리는 우선 핫 필름을 가열시키고, 엔진이 작동하면 실린더로 공기가 유입되며
상대적으로 온도가 낮은 유입 공기에 의해 핫 필름은 냉각된다.
이 온도 강하는 브리지 회로를 구성하고 있는 핫 필름의 저항을 변화 시키고 이 변화가
최종적으로 전압의 형태로 나타나게 된다.
이 신호도 ECU내의 마이컴이 인식키 위한 A/D 변환이 필요하다.
3) 기타 공기 유량센서 방식
칼만와류 방식
칼만와류 방식을 이용하여 흡입공기량을 측정한후 전기적 신호로 바꾸어 ECU로
전달하면 ECU는 흡입공기량 신호와 엔진회전수 신호를 이용해 기본 분사시간을
결정.
베인식
실린더로 흘러오는 공기를 에어플로우미터를 이용해 간접 측정.
핫와이어 방식
백금선(Hot Wire)과 온도센서와의 온도차를 전류를 이용해 일정하게 유지하도록
제어.
냉각수온 센서 (CTS-Coolant Temp. Sensor)
냉각수온 센서는 냉각수 온도를 검출하는 일종의 가변저항기로 온도를 전압으로 변환 시켜 ECU에 전달하는 역할을 한다.
냉각 수온은 엔진 제어에 있어 가장 널리 쓰이는 변수로서, 특성이나 측정 방법은
간단 하지만 매우 중요한 신호이다.
냉각수온센서(CTS)는 냉각수가 흐르는 실린더 블록의 워터자켓(Water Jacket),
흡기다기관(Intake Manifold) 또는 실린더 헤드의 냉각수 통로에 써미스터(온도저항기-Thermistor)부분이 냉각수와 접촉할 수 있도록 장착되며, ECM은 해당단자를 통하여
참고전압(5V Ref)을 쎈서에 공급하고 엔진의 온도에 따라 시그날전압을 감지한다.
엔진의 온도가 낮을때는 쎈서의 저항값이 증대되어 ECM은 높은 시그날 전압을 감지하게
되고 엔진이 워밍업 됨에 따라 쎈서의 저항값은 감소되어 ECM은 낮은 시그날 전압을
감지하게 된다.
ECM은 입력되어지는 시그날 전압에 따라 엔진의 온도를 감지하여 냉간 때에는
공회전 속도의 보상, 농후한 혼합기 공급, 점화 진각 등의 역할을 하며, 열간 때에는
전동 팬을 고속으로 회전시켜 엔진과열을 방지해 주는 기능을 하도록 한다.
온도센서는 써미스터가 온도에 따라 저항값이 변화하는 특성을 이용한 것이며,
써미스터를 구성하는 물질에 따라 측정 가능한 온도범위와 특성이 달라진다.
보통 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 특성을 NTC (Negative Temperature Coefficient)라 하며 그 반대의 경우를 PTC (Positive Temperature Coefficient)라 한다.
엔진에서 사용하는 센서는 NTC 특성을 갖고 있으나 ECU 내부 계산에서는 PTC형 변수(수온에 해당하는 변수가 최대치일 때 120도를 나타내야 한다.)를 사용하므로 A/D변환후 NTC를 PTC로 바꾸는 선형화 작업이 필요 하다.
흡입온 센서 (ATS-Air Temp. Sensor)
흡기온 센서는 냉각수온 센서와 마찬가지로 흡기의 온도를 검출하는 센서로 흡기
써지탱크내에 흡입온 센서의 써미스터 부분이 흡입 공기와 접촉할 수 있도록 장착 된다.
보통 에어플로 센서와 함께 일체로 되어 있는 방식과 흡기온도 센서만 독립적으로 달려있는 방식이 있으며 흡기온 센서도 엔진으로 흡입되는 공기 온도 변화에 따라 저항값이 변하는
일종의 NTC 저항이다.
ECU는 내부 고정 저항을 통해 약 5V의 참고전압을 센서측에 공급하고 흡입공기에 따라
변화되는 센서 저항값에 의한 시그널을 감지하여 흡입공기 온도에 따른 점화진각, 분사량, 공회전 속도 등을 정밀 보정하는 역할을 한다.
시스널 전압은 흡입되는 공기의 온도가 낮을 때는 높고, 공기의 온도가 높아질수록
낮아진다.
산소 센서 (O2 sensor)
산소 센서는 배기가스 중에 함유된 산소의 농도를 측정하여 전압 값으로 변환시키며,
그 출력 값을 ECU로 전달하는 역할을 한다.
ECU는 산소 센서의 신호를 받아 인젝터의 시간을 제어해 항상 이론 공연비에 가깝도록
자동 조정함으로써 촉매 변환기의 정화율을 높여준다.
이 산소 센서를 흔히 λ센서 라고도 한다. 그 이유는 공기 과잉률 (Excess Air Factor)을
나타내는 λ(또는 A/F Ratio : Air to Fuel Ratio)값이 1인 부분에서 센서의 출력 전압이
급격히 변화하는 특성을 보이기 때문이다.
λ=1인 상태가 기준이 되는 이유는 이때 삼원 촉매 장치(Three way Catalyst )의
배기가스 정화율이 가장 좋기 때문에 배기가스의 농도가 이 값 주위로 유지되면 유해한
배기가스 성분을 최대로 줄일 수 있기 때문이다.
ECU의 λ 또는 A/F 피드백 콘트롤의 목적도 크게는 배기가스 저감에 있고 작게는
산소 센서의 출력을 λ=1로 유지하는데 있다.
산소 센서는 배기 매니폴드와 삼원 촉매 장치 사이에 센서의 감지 부분이 배기가스 중에 노출 되도록 장착 된다.
출력 특성은 리치(Rich)와 린(Lean)의 2가지 상태 만을 감지하며 출력 전압의 범위도
다른 센서(0∼5V)와는 달리 0∼1V를 출력 한다.
Rich는 λ<1 (공기 < 연료, 전압 1V 부근) 상태를 Lean은 λ>1 (공기 > 연료, 전압 0V 부근) 를 말한다.
즉, 얼마만큼 리치 한지 또는 얼마만큼 린 한지에 대한 정보는 제공하지 못한다.
센서의 감지부 내측은 대기가 흡입되고 외측은 배기가스가 접촉하여 산소 농도 차이에
의해 기전력이 발생한다.
즉 산소 분압이 높은 대기압으로 부터 산소 분압이 낮은 배기가스 쪽으로 산소 이온이
흘러 전극간에 기전력이 발생한다.
단, 감지부의 온도가 250도 이하일 경우에는 기전력이 발생하지 않으며 배기가스 온도가
약 200~250℃ 이상일때 작동을 시작해 약 400∼800℃ 사이에서 원활하게 작동한다.
산소 센서는 이러한 작동 조건 하에서 이론 공연비인 14.7:1을 유지하기 위해 ECU와 함께
지속적으로 정보를 주고받아 피드백 작동을 하는 센서이다.
하지만 배기 온도가 200~250℃ 이하 때에는 센서 작동이 이루어지지 않아
유해 배출 가스가 그대로 대기로 방출되게 되며, 자동차 배출 가스의 거의 대부분이
이때에 다 배출되게 된다.
따라서 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 산소 센서에 히터 선을 따로 연결해 엔진이 워밍업 전이라도 산소 센서가 작동하도록 돕고 있다.
산소센서의 종류로는 질코니아와 티타니아형이 있지만 대부분 질코니아 방식을 많이 쓴다.
크랭크 포지션 센서(CPS-Crank position sensor)
크랭크 포지션 센서는 각각 엔진 회전수와 현재의 실린더의 위치를 감지하는 센서이다.
엔진 회전수는 전자제어 엔진에 있어 가장 중요한 변수일 뿐만 아니라 신호처리 자체도
상당히 어렵다.
이 신호가 엔진 ECU로 입력이 되지 않으면 연료는 물론 컨트롤 릴레이(메인 릴레이)가
작동하지 않게 되어 절대 운행할 수 없다.
ECU로 엔진 RPM신호를 보내는 크랭크 위치 검출 방식이 차종이나 시스템 별로 틀린
경우가 많으나 작동원리는 동일하다.
크랭크 포지션 센서는 실린더 블럭에 장착되며, 크랭크샤프트 축 선상 또는
플라이 휠 옆에 장착된 링 기어와 조합하여 현재의 피스톤 위치가 어느 행정에 있는지를
판단한다.
센서는 링기어(또는 타겟휠)와 근접하게 설치하여 엔진 회전시 링기어과 센서 사이에
발생하는 자기장(Magnetic Flux Field)에 의해 교류 전압을 발생 시킨다.
센서에 링기어의 돌기 부분이 접근하면서 자속이 커지다가 돌기 부분이 중심에 위치할 때는 자속의 변화가 없다가 다시 멀어지면서 자속의 붕괴로 인한 - 전압이 발생하는 교류 전압을 발생한다.
보통 링기어는 4기통 엔진에는 크랭크 각(CA : Crank Angle) 360도에 일정한 갯수(58개 또는 60개)의 이빨을 가공하여 사용하며 이중 기준위치에 위치한 이빨 2개는 빼고 가공 한다(Missing Tooth).
그러나 4기통 엔진에서는 1번과 3번 그리고 2번과 4번 피스톤이 동일하게 움직이므로
크랭크 포지션 센서 만으로는 정확한 각 피스톤의 위치 확인은 불가능 하다.
따라서 크랭크 포지션 센서만이 있을 경우는 1번과 3번 그리고 2번과 4번 실린더에 연료를 동시에 분사를 해주는 Group injection 방식 만이 가능하다.
캠 포지션 센서 (Hall Sensor)
캠 포지션 센서는 캠 샤프트의 위치를 검출하는 센서로, 크랭크 포지션 센서와 동일
기준점으로 하여 크랭크 포지션 센서에서 확인이 불가능한 개별 피스톤의 위치를 확인할
수 있게 한다.
캠 포지션 센서는 캠 샤프트 또는 캠 기어에 기준 위치에 잡고 센서에 의해 이를 감지한다.
이 캠 포지션 센서는 Hall Sensor라고도 하며, Hall Sensor에는 Hall Effect IC가 내장되어
있으며 이 IC에 전류가 흐르는 상태에서 자계를 인가하면 전압이 변하는 원리로 작동된다.
이 캠 포지션 센서에 의해 비로서 정확한 각 실린더의 위치(행정)을 알수 있으며,
이경우 각실린더별로 독립적으로 순차 연료분사(Sequential Injection)가 가능하게 된다.
차속 센서 (VSS-Vehicle speed sensor)
차속 센서는 말그대로 차속을 측정하는 센서로, 스피드 미터 속에 설치되어 있는
리드 스위치로 부터 신호를 측정하는 타입과 홀센서 원리를 이용한 것으로 트랜스 액슬의
스피드 미터 드리븐 기어에 설치된 것이 있다.
리드 스위치 형식은 출력 기어 1회전에 4펄스 신호가 출력된다.
ECU에서 공급된 5V의 전원을 리드 스위치로 차단함으로써 발생되는 차속 신호를
펄스 신호로 변환시켜 ECU로 보내면 이 정보를 기초로 공회전 속도조정을 하게 된다.
홀센서 방식은 자동차가 공회전 상태인지 혹은 주행 상태인지(작동할 때)를 파악한다.
즉 전류가 흐를 때는 0.5V, 홀 센서가 작동하지 않을 때는 12V 신호를 받아 차 속도를
감지한다.
즉 부하와 부하를 감지하는 역할도 한다.
자동 변속기 차량의 경우에는 출력 속도 센서(Hall type)가 변속기 내부에 장착되어
현재의 차량 속도를 TCM이 ECU로 전달한다.
내부의 홀 소자를 작동시키기 위한 기본적인 전원이 공급된다.
노크 센서 (Knock sensor)
노킹 현상 이란 엔진의 이상 연소로 인해 엔진 출력이 떨어 지고 심한 경우 피스톤의
손상까지도 유발 시킬 수 있는 것으로 전혀 도움이 안되는 현상이다.
그래서 엔진 제어에서는 이 노킹이 발생했는지의 유무를 판단하고 점화 시기를 지각시켜
엔진 출력을 향상시키고 엔진을 보호하는 녹 제어를 하고 있다.
녹 센서는 노킹이 발생 했는지의 유무를 판단하는 센서로 내부에 장착된 압전 소자와
진동판을 이용하여 압력의 변화를 기전력으로 변화시킨다.
노킹 감지를 위한 압력 측정은 가속도계(Accelerometer)를 실린더 내부에 장착하여
직접 실린더 내압을 측정하는 방법도 있지만 대부분의 상용화된 엔진 제어 시스템에서는
실린더 블록에 장착하여 노킹을 감지하는 공진형 녹 센서를 사용한다.
공진형 녹 센서의 특성은 특정 주파수에서만 큰 출력 나타내는 특성을 이용하여 노킹이
발생했을 때의 엔진의 진동 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖는 녹 센서를 선정하면
노킹이 발생했을 때에 큰 값의 진폭을 센서출력으로 얻을 수 있다.
노킹이 감지되면 점화 시기는 ECU에 입력되어 있는 고정량 만큼 늦춰진다.
이런 과정은 노킹이 발생 한다고 인지되는 연소 과정과 실린더에 대해 반복적으로 실시되며 더 이상의 노킹이 없으면 점화 시기는 서서히 점화 시기 맵값(초기값)에 도달할 때까지
다시 진각된다.
에어컨 압력(ACP)센서
에어컨 압력 센서(Air Conditioning Pressure Sensor)는 압전 소자로 구성되어 있으며,
에어컨의 고압 파이프에 설치하여 에어컨 고압 라인의 압력의 변화에 따라 시그널 전압이
변화되며 ECM은 전압 변화에 따른 고압 라인의 압력을 감지하여 전동 팬을 저속 혹은
고속으로 구동시켜 주며 압력이 규정 이상일때 에어컨 컴프레서를 차단하는 기능도
수행한다.
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