[주행센서 시리즈 2부] 압력 센서, 회전수 감지 센서, 위치 센서

 앞서 1부에서는 인간의 오감에 대응하는 자동차 센서 기술의 본질과 함께 엔진의 기초 건강을 책임지는 '냉각수 온도 센서(WTS)'를 분석해 보았다.

이번 2부에서는 자동차라는 복잡한 기계 장치가 한 치의 오차도 없이 유기적으로 맞물려 돌아가도록 물리 제어 신호를 공급하는 세 가지 핵심 감각 기관—압력센서, 회전수 감지센서, 위치센서—의 메커니즘을 알아 보고자 한다.

🎈 1. 압력센서 (Pressure Sensor): 보이지 않는 힘의 측정

의외로 자동차 내부에는 실시간으로 기체나 액체의 압력을 정밀하게 측정해야할 곳이 아주 많다.

엔진 전자제어장치(ECU)의 관할 영역만 보더라도 실린더 내부로 흡입되는 공기의 양을 계산하기 위한 흡기관 속의 공기 압력(MAP 센서)이나, 정밀 분사를 위한 연료 라인의 압력을 상시 모니터링해야 한다.

또한 능동 안전 장치인 ABS의 정상 작동을 위해서는 브레이크 유압 장치의 작동 압력을 빠르게 측정할 수 있어야 하며, 이 외에도 타이어 공기압 감시(TPMS)나 현가장치(쇽 옵소버)의 공기압측정을 위해서도 압력센서가 필요하다.

이러한 가혹한 압력을 측정하는 대표적인 센서 구조는 바로 "피에조 효과(Piezoelectric Effect, 압전 효과)"를 이용한 소자다.

피에조 효과란 수정(Crystal)이나 특수 세라믹과 같은 특정 결정 구조 물질의 얇은 조각에 물리적인 압력을 가하면, 그 압력의 크기에 비례하여 표면에 전기(전하 및 전위차)를 발생시키는 물리 특성을 말한다.

피에조 타입 센서는 정확한 압력을 측정할 수 있는 작동 온도 대역폭이 매우 넓고, 신호의 반응 속도가 아주 빠르며 안정적이다. 또한 구조가 콤팩트하여 제작이 용이하므로 자동차용 초정밀 유압·기압 측정을 위한 표준 부품으로 널리 쓰이고 있다.

🔄 2. 회전수 감지센서 (RPM / Speed Sensor): 움직임의 계측

엔진이 분당 몇 바퀴를 돌고 있는지(Engine RPM), 그리고 자동차의 네 바퀴가 현재 도로 위를 얼마나 빨리 구르고 있는지(Vehicle Speed)를 실시간으로 알아내는 것은 전자제어를 위한 기본데이터이다.

회전수 감지하는 일은 앞서 다룬 온도나 압력과 같이 자연계의 정적인 물리량을 측정하는 것과 결이 다르다. 회전체(크랭크축, 캠축, 바퀴 휠 허브)라는 물체의 고속 역학적 움직임을 실시간 전기 신호로 변환해야 하므로 센서의 구동 성격이 완전히 달라진다.

가장 대표적인 방식은 '마그네틱 픽업(Magnetic Pickup) 방식'이다. 회전축에 철로 만든 톱니바퀴(Target Wheel)를 마주 보게 배치하고, 그 바로 위에 영구자석을 코일로 감싼 센서를 근접 배치한다.

발전기 원리와 비슷하게, 톱니바퀴가 고속 회전하면서 자석 앞을 통과할 때마다 자속(Magnetic Flux)의 밀도가 주기적으로 변화하며 코일 양단에 미세한 교류(AC) 전압 신호가 발생하게 된다.

ECU는 이 파형 신호를 받아 내부 전산 회로(트리거 회로)를 통해 깨끗한 디지털 사각형 파형인 구형파(Square Wave)로 변환 처리한 뒤, 일초에 펄스가 몇 번 들어오는지를 계산하여 회전 속도를 1RPM 단위로 정밀하게 연산한다.

📍 3. 위치센서 (Position Sensor): 각도와 행정의 추적

가솔린 내연기관 엔진을 정밀 제어하기 위해 알아야 할 입력신호 가운데 가장 중요한 신호 중 하나는 바로 운전자의 발끝과 연동되는 스로틀 밸브의 개도(開度, 열림 장치 각도)이다. (최근의 시스템들은 스로틀 밸브의 직접적인 제어권을 케이블이 아니라 엔진 ECU에게 완전히 넘겨준 ETC 방식으로 구동된다.)

이 스로틀 밸브의 회전 각도 정보나 이와 유사한 기계적 위치 정보를 알아내기 위해 가장 널리 이용되는 부품이 바로 '와이퍼식 포텐쇼미터(Wiper Potentiometer)'이다.

이 센서의 내부 구조는 매우 영리하면서도 직관적이다. 그림에 도시된 바와 같이 길이에 따라 완벽하게 비례하는 저항 값을 가진 띠 모양의 저항체를 바닥에 깔아놓고, 양단에 일정한 5V의 전원 전압을 가한다.

그러면 전류가 흐르면서 전압을 가해주는 시작점에서는 일정한 기준 전압이 측정되지만, 저항체 띠를 타고 반대쪽 끝으로 갈수록 내부 저항에 의해 전압이 점진적으로 강하되는 물리 법칙이 성립한다.

이 저항체 표면 위를 얇은 도체 브러시(Wiper)가 밀착된 채 미끄러지듯 회전하게 만들고, 회전 각도를 측정해야 하는 스로틀 밸브 축을 이 도체 와이퍼와 기계적으로 직결해 둔다.

밸브가 열리면서 와이퍼가 회전하면 도체가 접촉하는 저항체의 위치가 바뀌게 되므로 출력되는 신호 전압 값도 변하게 된다. ECU는 이 리턴 전압을 계측하여 "아, 지금 운전자가 가속 페달을 45도 각도로 밟아 밸브가 절반쯤 열렸구나!" 하고 위치를 역산해 내는 것이다.

이 가변 저항 타입의 위치 센서는 엔진룸뿐만 아니라 연료 탱크 안에도 매립되어 있다. 탱크 내부에 떠 있는 플로트(부표)의 암(Arm) 대를 이 와이퍼 포텐쇼미터에 연결해 두어, 남은 연료의 양에 따른 위치 전압 변화를 운전석 계기판의 연료 게이지로 송출하는 임무를 수행하기도 한다.

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⚡ hk Automotive 주행센서 정밀 해체 시리즈

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