와전류 센서 | 산업 자동화부터 정밀 측정까지 핵심 원리와 적용 가이드

와전류 센서

 

와전류 센서는 비접촉 방식으로 금속체의 변위와 거리를 서브마이크론 수준으로 정밀 측정하며, 분진과 기름 등 열악한 환경에서도 안정적으로 작동하는 산업용 센서입니다.

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와전류 센서의 기본 원리

 

와전류 센서(Eddy Current Sensor)는 전자기 유도 현상을 활용한 비접촉 변위 측정 장치입니다.

센서 헤드 내부의 코일에 고주파 전류를 흘리면 고주파 자계가 발생하고, 이 자기장 내에 금속체가 위치하면 전자 유도 작용에 의해 대상 물체 표면에 와전류가 흐르게 됩니다.

이때 센서 코일의 임피던스가 변화하며, 와전류식 변위 센서는 이러한 발진 상태의 변화를 감지하여 거리를 정밀하게 측정합니다.

고주파 자계의 주파수와 자속밀도, 그리고 측정 대상 도체의 두께에 따라 와전류의 세기가 결정되며, 이를 통해 서브마이크론 단위의 정밀측정이 가능합니다.

렌츠의 법칙에 따라 유도된 와전류는 원래 자기장과 반대 방향의 자기장을 생성하며, 이로 인한 임피던스 변화를 측정하여 정확한 변위 데이터를 얻을 수 있습니다.

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와전류 센서의 핵심 특징

비접촉 변위 측정의 장점

 

와전류 센서의 가장 큰 특징은 측정 대상과 물리적 접촉 없이 변위를 측정한다는 점입니다.

Micro-Epsilon 와전류 센서는 분진, 오염, 오일 등의 영향을 받지 않아 열악한 산업 환경에서도 안정적인 측정을 제공합니다.

비전도체를 검출할 수 없기 때문에 측정 간격의 물이나 기름은 측정값에 영향을 주지 않습니다.

기계적 마모가 없어 장기간 사용 시에도 일관된 성능을 유지하며, 유지보수 비용이 절감됩니다.

내환경성 센서의 우수성

 

산업용 와전류 센서는 IP67 등급의 견고한 구조로 설계되어 분진과 유압 환경에서도 작동합니다.

-40°C부터 +200°C까지의 광범위한 온도 범위에서 사용 가능하며, 능동 온도 보정 기능으로 온도 변화에 따른 오차를 최소화합니다.

Keyence EX-V 시리즈는 서브 미크론의 분해능과 초당 40,000 샘플링의 초고속 성능을 제공합니다.

고속·고정도 디지털 와전류식 변위 센서 - EX-V 시리즈 | KOREA KEYENCE

 

압력, 진동, 충격에도 강한 내구성을 갖추고 있어 가혹한 산업 현장에서 신뢰성 있는 측정이 가능합니다.

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와전류 센서의 작동 메커니즘

고주파 자계와 전자기 유도

 

센서 코일에 수 MHz의 고주파 교류 전류를 공급하면 코일 주변에 교번 자기장이 형성됩니다.

이 고주파 자계 내에 도전성 금속체가 들어오면, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 금속 표면에 소용돌이 형태의 전류가 유도됩니다.

유도된 와전류는 자체적으로 2차 자기장을 생성하며, 이 2차 자기장은 원래의 센서 코일 자기장과 상호작용하여 코일의 임피던스를 변화시킵니다.

금속체와 센서 사이의 거리가 가까울수록 와전류의 세기가 강해지고, 이에 따른 임피던스 변화량도 증가합니다.

임피던스 변화 측정과 신호 처리

센서 내부의 발진 회로는 코일 임피던스의 변화를 실시간으로 모니터링합니다.

임피던스 변화는 발진 주파수나 진폭의 변화로 나타나며, 이를 고주파 검파 회로를 통해 DC 전압 신호로 변환합니다.

변환된 아날로그 신호는 리니어리티 보정 회로(FLL 회로)를 거쳐 높은 직선성을 갖는 출력으로 가공됩니다.

최종적으로 0-5V 또는 4-20mA의 표준 산업용 신호로 출력되어 PLC나 데이터 수집 시스템과 쉽게 연동할 수 있습니다.

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측정 정밀도와 성능 사양

서브마이크론 정밀측정 능력

현대의 와전류식 변위 센서는 서브마이크론(1μm 이하) 수준의 분해능을 제공합니다.

UNIPULSE UEC-1 센서는 0.02% rms FS의 분해능으로 100kHz의 응답 속도를 실현합니다.

와전류 타입센서 UEC-1 : (주)해암이엔지

이러한 고정밀도는 반도체 제조, 정밀 기계 가공, 베어링 검사 등 미세한 변위 측정이 요구되는 분야에서 필수적입니다.

측정 범위는 모델에 따라 0-1mm부터 0-10mm까지 다양하며, 직선성 오차는 일반적으로 ±0.5% ~ ±2% FS 수준입니다.

주파수 응답과 동적 측정

와전류 센서는 DC부터 100kHz(-3dB)까지의 광대역 주파수 응답을 제공합니다.

이는 정적 위치 측정뿐만 아니라 고속 회전체의 진동, 편심, 런아웃(run-out) 측정에도 적합함을 의미합니다.

터빈, 스핀들, 모터 샤프트 등 고속 회전 기계의 동적 변위를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.

샘플링 속도가 빠르기 때문에 순간적인 충격이나 급격한 변위 변화도 정확하게 포착할 수 있습니다.

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산업자동화 센서로서의 활용

제조 공정 자동화

 

와전류 센서는 산업 자동화 시스템에서 위치 제어, 품질 검사, 공정 모니터링의 핵심 요소입니다.

자동화 생산 라인에서 부품의 두께, 갭, 정렬 상태를 실시간으로 측정하여 불량품을 즉시 검출합니다.

로봇 암의 정밀 위치 제어, 프레스 기계의 스트로크 측정, 권취기의 장력 제어 등에 광범위하게 사용됩니다.

Industry 4.0 환경에서는 IoT 게이트웨이와 연동하여 예지 정비(predictive maintenance) 데이터를 실시간으로 수집합니다.

품질 관리 및 검사

 

금속 박판의 두께 측정, 코팅층 두께 검사, 표면 결함 검출 등 품질 관리 분야에서 필수적입니다.

비파괴 검사(NDT) 방법으로 제품에 손상을 주지 않고 내부 결함이나 크랙을 탐지할 수 있습니다.

Keyence 정밀 측정 라이브러리에서는 다양한 산업 적용 사례와 측정 노하우를 제공합니다.

100% 전수 검사가 필요한 대량 생산 환경에서 높은 속도로 정확한 품질 데이터를 수집합니다.

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금속체 측정의 특수성

측정 가능한 금속 재질

와전류 센서는 모든 도전성 금속을 측정할 수 있지만, 재질에 따라 감도와 측정 범위가 달라집니다.

 

재질별 특성 비교

금속 재질	도전율	측정 감도	표준 측정 범위	응용 분야
철(S50C, FC250)	중간	높음	0-2mm	기계 부품, 베어링
스테인레스(SUS430)	낮음	보통	0-1mm	식품 기계, 화학 설비
알루미늄	높음	매우 높음	0-3mm	항공우주, 전자기기
구리	매우 높음	최고	0-4mm	전기 부품, 방열판
티타늄	매우 낮음	낮음	0-0.5mm	의료기기, 항공

 

자성체(강자성 재료)는 비자성체보다 더 강한 신호를 생성하여 측정 범위가 넓습니다.

측정 대상 형상 고려사항

센서 코일 지름의 최소 3배 크기를 가진 평면형 측정 대상이 이상적입니다.

곡면, 모서리, 작은 부품을 측정할 때는 센서 사이즈 선정과 캘리브레이션에 특별한 주의가 필요합니다.

분말 적층 단면이나 선재 다발과 같이 불연속적인 표면은 와전류 형성이 불균일하여 측정 정확도가 저하될 수 있습니다.

다중코일 와전류 센서를 사용하면 복잡한 형상이나 대형 부품의 결함 검출 성능을 향상시킬 수 있습니다.

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산업별 적용 사례

항공우주 산업

터빈 블레이드의 팁 간극(tip clearance) 측정은 엔진 효율과 안전성에 직결됩니다.

Emerson AMS EZ 1000은 가스터빈, 증기터빈, 압축기에서 축의 진동과 위치를 실시간 모니터링합니다.

항공기 착륙 장치, 엔진 마운트, 제어면의 구조적 결함을 비파괴 방식으로 정기 검사합니다.

-35°C부터 +180°C까지의 극한 온도 환경과 10,000 hPa의 차압을 견디며 작동합니다.

자동차 제조

엔진 부품의 크랭크샤프트 런아웃, 캠샤프트 편심, 피스톤 클리어런스 측정에 활용됩니다.

브레이크 디스크의 두께 변화, 서스펜션 스트로크, 배기 시스템의 진동 특성 분석에 사용됩니다.

전기차(EV) 배터리 팩 조립 시 셀 간격과 정렬 상태를 정밀 측정하여 안전성을 확보합니다.

자율주행 차량의 센서 캘리브레이션과 구동계 부품의 마모 모니터링에도 적용되고 있습니다.

반도체 및 전자 산업

웨이퍼 평탄도 검사, 리드프레임 두께 측정, PCB 동박 두께 관리 등 정밀 공정에 필수적입니다.

디스플레이 패널 제조 시 유리 기판의 갭 제어와 증착막 두께 모니터링에 활용됩니다.

스핀들과 척(chuck)의 런아웃을 서브마이크론 수준으로 관리하여 제품 수율을 향상시킵니다.

클린룸 환경에서도 안정적으로 작동하며, 분진 발생이 없는 비접촉 측정의 장점이 극대화됩니다.

에너지 및 발전 설비

화력, 원자력, 수력 발전소의 대형 터빈 로터 진동 모니터링에 사용됩니다.

풍력 발전기의 베어링 간극, 기어박스 정렬 상태를 지속적으로 감시하여 예지 정비를 지원합니다.

송전 설비의 고온 부품 변형, 변압기 코어의 진동 특성 분석에도 적용됩니다.

가혹한 환경에서 장시간 무인 운영이 가능하여 설비 신뢰성과 가동률을 높입니다.

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센서 선정 가이드

측정 범위와 분해능

필요한 측정 범위와 요구되는 정밀도를 먼저 명확히 해야 합니다.

일반적으로 측정 범위가 좁을수록 분해능과 직선성이 우수하므로, 애플리케이션에 꼭 맞는 범위를 선택하는 것이 중요합니다.

서브마이크론 측정이 필요한 경우 0-1mm 또는 0-2mm 범위의 고정밀 모델을 선택합니다.

공정 제어 목적이라면 측정 범위의 여유를 두되, 과도하게 큰 범위는 정밀도 손실로 이어질 수 있습니다.

환경 조건 고려

작동 온도 범위, 습도, 분진, 진동, 화학 물질 노출 등 설치 환경을 종합적으로 평가해야 합니다.

유압 작동유나 냉각수가 있는 환경에서는 IP67 이상의 방수 등급과 내유성 케이블이 필수입니다.

고온 환경(100°C 이상)에서는 센서 헤드의 내열 재질과 능동 온도 보정 기능이 있는 모델을 선택합니다.

전자기 간섭(EMI)이 심한 환경에서는 차폐 케이블과 노이즈 필터링 기능이 강화된 제품이 적합합니다.

 

출력 신호와 인터페이스

산업 표준인 0-10V, 4-20mA 아날로그 출력이 일반적이지만, 디지털 통신이 필요한 경우도 있습니다.

PLC나 DCS와의 연동을 위해서는 아날로그 신호가 편리하고, 데이터 로깅에는 RS-485나 이더넷 인터페이스가 유리합니다.

고속 샘플링이 필요한 진동 분석에는 100kHz 이상의 대역폭과 고속 디지털 출력이 제공되는 모델을 선택합니다.

설정과 캘리브레이션의 편의성을 위해 PC 소프트웨어나 디스플레이가 포함된 시스템을 고려할 수 있습니다.

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설치 및 캘리브레이션

설치 시 주의사항

센서 헤드와 측정 대상 표면이 평행을 이루도록 정밀하게 정렬해야 합니다.

각도 오차는 측정값의 코사인 오차를 발생시키므로, 기계적 마운팅의 정확성이 중요합니다.

센서 주변의 금속 구조물은 자기장을 왜곡시킬 수 있으므로, 충분한 이격 거리를 확보해야 합니다.

케이블은 과도한 굽힘이나 장력 없이 배선하고, 전력선과는 분리하여 전자기 간섭을 최소화합니다.

캘리브레이션 프로세스

대부분의 산업용 와전류 센서는 공장 출하 시 표준 타겟(S50C 강재)으로 캘리브레이션됩니다.

실제 측정 대상 재질이 다른 경우, 현장에서 2점 이상의 기준점을 사용하여 재교정이 필요합니다.

티칭 방식을 지원하는 센서는 측정 범위 내 여러 점에서 실제 거리를 입력하여 직선성을 최적화할 수 있습니다.

온도 보상 캘리브레이션은 전체 작동 온도 범위에서 참조 표준과 비교하여 보정 계수를 설정합니다.

정기적인 교정 주기(일반적으로 6개월 또는 1년)를 준수하여 측정 신뢰성을 유지해야 합니다.

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유지보수와 문제 해결

일상 점검 사항

센서 표면의 이물질, 오염, 손상 여부를 육안으로 확인합니다.

출력 신호의 안정성을 모니터링하여 비정상적인 노이즈나 드리프트가 있는지 체크합니다.

케이블 연결 상태와 커넥터의 접촉 불량, 부식 여부를 점검합니다.

센서 온도 모니터 기능이 있는 모델은 온도 데이터를 주기적으로 확인하여 과열이나 이상 징후를 조기 발견합니다.

일반적인 문제와 해결

출력 신호 불안정: 측정 대상의 진동, 센서 마운팅 느슨함, 전원 노이즈가 원인일 수 있습니다.

측정 범위 초과 경고: 측정 대상이 너무 가깝거나 멀어진 경우이며, 기계적 정렬을 재확인합니다.

온도 드리프트: 능동 온도 보정이 제대로 작동하지 않거나, 센서가 급격한 온도 변화에 노출된 경우입니다.

감도 저하: 측정 대상 표면의 산화, 코팅, 오염층이 두꺼워졌거나, 센서 코일의 노화가 원인일 수 있습니다.

정기적인 캘리브레이션 검증과 예방 정비를 통해 대부분의 문제를 사전에 방지할 수 있습니다.

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최신 기술 동향

AI와 IoT의 융합

인공지능 알고리즘을 통합한 스마트 와전류 센서가 개발되고 있습니다.

머신러닝 기반 결함 검출로 미세한 패턴 변화를 자동으로 분류하고, 정상/비정상을 실시간 판단합니다.

IoT 플랫폼과 연동하여 클라우드 기반 예지 정비 시스템을 구축하고, 빅데이터 분석을 통해 설비 수명을 예측합니다.

엣지 컴퓨팅 기능이 내장된 센서는 현장에서 데이터를 전처리하여 통신 부하를 줄이고 응답 속도를 향상시킵니다.

소형화와 무선 기술

MEMS 기술의 발전으로 센서 크기가 계속 소형화되고 있습니다.

협소한 공간이나 로봇 그리퍼 내부에 설치 가능한 초소형 센서가 개발되고 있습니다.

Bluetooth, Wi-Fi, LoRa 등 무선 통신 프로토콜을 탑재한 와전류 센서는 배선 작업을 대폭 간소화합니다.

배터리 구동 무선 센서는 회전체나 이동 부품의 측정에 특히 유용하며, 에너지 하베스팅 기술과 결합되고 있습니다.

멀티센서 융합

와전류 센서와 가속도 센서, 온도 센서, 음향 센서를 통합한 복합 센서 시스템이 등장하고 있습니다.

다양한 센서 데이터를 융합하여 설비 상태를 종합적으로 진단하고, 고장 원인을 보다 정확히 파악합니다.

디지털 트윈 기술과 연계하여 가상 모델에서 센서 데이터를 실시간 반영하고 시뮬레이션합니다.

센서 네트워크를 구축하여 대형 설비의 전체 상태를 동시에 모니터링하는 분산 측정 시스템이 확대되고 있습니다.

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경쟁 기술과의 비교

레이저 변위 센서와의 차이

레이저 센서는 비금속도 측정 가능하지만, 분진과 증기에 취약하고 가격이 높습니다.

와전류 센서는 금속 전용이지만 환경 내구성이 뛰어나고 비용 효율적입니다.

측정 거리는 레이저가 더 길지만, 단거리 고정밀 측정에서는 와전류 센서가 경쟁력이 있습니다.

레이저는 투명 물질이나 광학 특성에 영향을 받지만, 와전류는 도전성만 있으면 안정적으로 작동합니다.

정전용량 센서와의 비교

정전용량 센서는 비금속도 측정할 수 있고 분해능이 매우 높습니다.

그러나 습도와 유전율 변화에 민감하고, 측정 갭이 좁아 설치가 까다롭습니다.

와전류 센서는 금속 전용이지만 측정 범위가 넓고 환경 변화에 둔감합니다.

고온, 고압, 오염 환경에서는 와전류 센서가 훨씬 안정적이고 신뢰성이 높습니다.

초음파 센서와의 차이

초음파 센서는 재질 제약이 적고 장거리 측정이 가능합니다.

하지만 응답 속도가 느리고, 온도와 압력에 따른 음속 변화로 정확도가 저하됩니다.

와전류 센서는 고속 동적 측정에 적합하고 서브마이크론 분해능을 제공합니다.

진공 환경에서는 초음파를 사용할 수 없지만 와전류 센서는 정상 작동합니다.

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시장 동향과 전망

글로벌 시장 성장

와전류 센서 시장은 2024년 약 6억 7천만 달러 규모에서 2032년 9억 달러로 연평균 3.65% 성장이 예상됩니다.

산업 자동화 확대, 품질 관리 강화, 예지 정비 수요 증가가 주요 성장 동력입니다.

아시아 태평양 지역, 특히 중국, 인도, 일본의 제조업 성장이 시장 확대를 주도하고 있습니다.

전기차 시장의 급성장으로 배터리, 모터, 인버터 제조 공정에서 와전류 센서 수요가 증가하고 있습니다.

주요 제조사와 제품

Micro-Epsilon, Keyence, Emerson, OMRON, Lion Precision 등이 글로벌 시장을 선도하고 있습니다.

상위 5개 업체가 시장의 약 48%를 점유하고 있으며, 기술 혁신과 M&A를 통해 점유율을 확대하고 있습니다.

국내에서는 해암이엔지, 라디안아이 등이 UNIPULSE, NSD 등 일본 제품을 공급하고 있습니다.

맞춤형 센서와 턴키 측정 솔루션을 제공하는 업체들이 차별화 전략으로 부상하고 있습니다.

기술 발전 방향

더 높은 정밀도와 넓은 측정 범위를 동시에 제공하는 광대역 센서 개발이 진행 중입니다.

디지털 신호 처리(DSP) 기술로 노이즈 제거와 온도 보상 알고리즘이 지속적으로 개선되고 있습니다.

표준화된 산업 통신 프로토콜(OPC-UA, MQTT, PROFINET) 지원이 확대되고 있습니다.

자가 진단 기능과 센서 건전성 모니터링이 표준 기능으로 자리잡아 유지보수가 더욱 용이해지고 있습니다.

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결론

와전류 센서는 Eddy Current Sensor의 물리적 원리를 활용하여 비접촉 변위 측정이라는 독보적인 장점을 제공합니다.

서브마이크론 정밀측정 능력과 내환경성 센서로서의 견고함은 산업자동화 센서로서 필수 불가결한 요소입니다.

금속체 측정 전용이라는 제약이 있지만, 분진과 유분이 있는 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동하는 신뢰성은 타의 추종을 불허합니다.

항공우주부터 자동차, 반도체, 에너지 산업에 이르기까지 고주파 자계 기반의 임피던스 변화 측정 기술은 계속 진화하고 있습니다.

AI, IoT, 무선 통신 기술과의 융합으로 산업용 와전류 센서 활용 범위는 앞으로 더욱 확대될 것입니다.

정확한 센서 선정, 적절한 설치, 정기적인 캘리브레이션을 통해 와전류식 변위 센서의 성능을 최대한 발휘할 수 있습니다.

제조 현장의 디지털 전환과 스마트 팩토리 구축에서 와전류 센서는 핵심적인 역할을 계속해서 담당할 것입니다.

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