2-6. 스마트 센서(Smart Sensor)란 무엇인가?

• 스마트 센서의 장점을 파악한다. 
• 현장의 센서중 스마트 센서의 필요가 있는 곳을 파악한다. 
• 도입시 장점과 ROI(투자수익률)을 작성하여 고객에게 제안한다. 

최근 각광받고 있는 스마트 센서는 자체적인 처리 기능을 포함하고 있는 센서를 의미한다. 네트워크 통신을 통해 정보를 주고받는 ‘똑똑한’ 녀석이기도 하다. 스마트 센서를 어떻게 정의하면 좋을지, 이점으로는 무엇이 있는지, 어떤 분야에서 어떤 형태로 사용되고 있는지 등을 알아본다.
 

지능형 센서(Intelligent Sensor)라고도 불리는 스마트 센서의 가장 큰 특징은 마이크로프로세서(중앙처리장치)를 포함하고 있다는 점이다. 

마이크로프로세서는 센서의 출력 신호를 유지하며, 신호를 통해 낮은 수준의(Low-level) 처리를 수행한다. 스마트 센서는 대부분 통신 인터페이스를 가지고 있어 디지털화한 신호를 제어 네트워크로 전송할 수 있다. 

스마트 센서의 좋은 예로 스마트 온도 센서가 있다. 스마트 온도 센서는 원치 않는 잡음(노이즈)을 감지해 걸러내는 것은 물론, 열전대(서모커플) 신호가 디지털화하기 전에 오류를 보상하고, 이 상황을 제어 네트워크로 전송한다. 온도 센서는 또한 감지대상의 온도가 너무 높거나 낮은 상황을 감지해 사용자에게 경고를 보낼 수도 있다.

스마트 센서는 보통 상보형 금속산화 반도체(CMOS)와 초고밀도 집적 회로(Very Large Scale Integration, VLSI), 미세 전자기계시스템(Micro Electromechanical System, MEMS) 그리고 디지털 출력 혹은 반(半)디지털 출력 장치로 구성되어 있다. 반 디지털 출력의 예로는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulated)가 있다.

스마트 센서의 장점
스마트 센서를 사용했을 때 얻을 수 있는 장점은 다양하다.

1. 디지털 센서 신호는 아날로그 센서 신호보다 정확하다. 정확도가 높아 보다 뛰어난 처리 및 공정제어를 실현하며, 연비와 생산량 그리고 생산성 등을 높일 수 있다. (생산량이란 일정한 기간 동안 만들어지는 양을, 생산성이란 투입된 자원과 산출된 생산량 사이의 비율을 말한다. 편집자 주)

2. 스마트 센서는 많은 배선을 필요로 하지 않는다. 특정 제품군마다 동일한 버스를 통해 통신할 수 있기 때문이다. 각 장치 간의 연결이 줄어들면 장치의 신뢰성이 높아진다. 설치를 보다 단순화하고 배선을 줄여 시스템의 무게 및 부피를 줄이는 것도 장점이다.

3. 디지털 출력 방식은 간헐 신호(Intermittent Signal)가 없다. 간헐 신호는 아날로그 센서에서 볼 수 있던 현상이다. 디지털 출력 신호는 있거나(Present) 없거나(Not)의 두 가지 가능성밖에 존재하지 않는다. 이 점을 활용하면 문제를 해결하기까지 걸리는 시간을 줄일 수 있다.

4. 마이크로프로세서를 사용하면 출력 신호에 ‘정보’를 삽입할 수 있다. 여기서 정보란, 센서 및 센서 네트워크를 관찰하고 평가할 수 있는 정보를 말하며, 교정·편차 보상·오류 감지 등에 사용할 수 있다. 
장비의 고장 혹은 공정 상의 변형을 조기에 감지하면 유지보수 계획을 세우는 데 도움이 된다. 장비를 수리하기 위한 예기치 않은 정지시간(다운타임)을 낭비하는 것보다야 바람직한 일이다.

5. 스마트 센서 중 일부는 개방적인 디지털 통신 프로토콜을 활용하고 있다. 이를 통해 스마트 센서를 다양한 제어장치와 함께 사용할 수 있다. 또한 I/O를 추가할 필요를 낮춘다.

6. 센서 자체에서 신호를 조절하고, 신호를 사전에 처리할 수 있다. 기존에 신호를 처리하던 제어장치가 다른 작업을 처리할 수 있게 됨을 의미한다. 이를 통해 보다 빠른 처리속도 혹은 보다 많은 처리량을 실현한다.

스마트 센서의 유지보수
제대로 설계 및 설치하기만 했다면, 일반 센서의 유지보수와 동일한 방식으로 관리하면 된다. 보통의 센서보다 더 많은 유지보수가 필요하지는 않다는 뜻이다. 
하지만 기술자 및 사용자가 스마트 센서의 정비 및 문제해결에 필요한 교육을 받는 것이 바람직하다.

활용이 증가할 분야
다양한 분야에서 스마트 센서의 활용이 빠른 속도로 늘어날 것으로 보인다. 특히 일부 영역에서는 보다 큰 성장세를 보이고 있다. ▲대테러 분야 ▲안전 관련 응용사례 ▲화물 추적 ▲생물 통계학(Biometrics) ▲자동차 제조분야 등이 대표적이다. 

자동차 제조업계에서는 스마트 센서를 통해 사람의 생명을 구할 수 있는 방법을 모색하고 있다. 충돌이 임박했을 때 스마트 센서가 이를 감지하고, 차체 중 어떤 부분에 영향을 받으며, 좌석에는 어린이가 있는지 성인이 있는지 등을 총체적으로 감지한다. 

스마트 센서가 얻은 자료는 에어백을 작동시켜야 하는지, 어떤 속도로 작동시켜야 하는지, 얼마나 크게 부풀려야 하는지 등의 전반적인 작업에 쓰인다. 

에어백은 센서가 얻은 자료를 기반으로 작동한다. 스마트 센서가 사고로부터 승객을 안전하게 보호하는 셈이다.

사용이 어려운 분야
스마트 센서의 성능을 떨어트리거나 장치를 망가뜨리는 요소는 세 가지가 있다. ▲125℃가 넘는 고온에서 일정 기간 이상 작동하거나 ▲높은 수준의 전자 방해(Electromagnetic Interference, EMI)가 있거나 ▲방사선이 강한 환경 등에서는 스마트 센서를 활용하기 어렵다.

가격적인 이점은 천천히 찾아온다
스마트 센서의 비용은 일반 아날로그 센서에 비해 약간 비싼 것이 사실이다(응용사례 및 제품군에 따라 가격 규모가 달라진다). 하지만 제품 유지보수와 새로운 센서의 추가 그리고 성능상의 이점 등을 변수로 적용하면, 장기간 사용에 따른 총 비용은 일반적인 센서와 비슷하거나 오히려 더 저렴하다.

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