가우스·테슬라 미터(자속밀도 계측기) 측정 방법

알리익스프레스와 같은 중국산 쇼핑몰 덕분에 개인들도 계측기를 값싸게 구입할 수 있습니다.

🛒AMST-1 가우스·테슬라 미터(자속밀도 측정)

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이 글은 측정 방법에 대해 기록합니다. 정확한 측정을 위해 기본 지식을 알아두는 것이 좋습니다.

측정 기본

홀 효과 IC

리니어(Linear) 센서

대부분의 센서는 리니어 센서입니다. 자속 세기에 따라 출력이 비례합니다. 센서 표면에 수직으로 통과하는 자기력선을 측정합니다.

스위치(Switch) 센서

스위칭 센서는 N/S 극에 대해 극성 신호가 On/Off로 출력됩니다.

앵글(Angle) 센서

앵글 센서는 자석의 회전각과 각속도를 측정하는 목적으로 사용되며 센서에 수평 방향으로 통과하는 자기력선의 방향을 측정합니다. 3축 센서를 사용하면 XYZ 방향을 알 수 있습니다. 극 방향을 알면 접촉식 홀센서로 정확한 측정을 할 수 있습니다.

프로브(Probe) 형태

프로브 측정 형태는 두 가지입니다.

라디얼(Radial)과 엑시얼(Axial)

출처: tunkia.cn

라디얼 프로브는 측방향의 자속밀도를 측정하며, 엑시얼 프로브는 축방향의 자속밀도를 측정합니다. 사용하기 쉬운 것은 라디얼 프로브입니다.

라디얼 프로브는 대부분 얇은 PCB를 사용하여 부드럽게 휩니다. 엑시얼 프로브는 단단한 재질의 환봉을 사용합니다.

위 그림을 보면 자기력선의 방향에 대해 센서를 수직방향으로 두어 측정하는 것을 알 수 있습니다.

⚠️자기력선이 센서에 대해 수직이 아닌 조금이라도 틀어진 각도로 입사된다면 측정값은 낮아지게 됩니다.

영점(Zero) 사용

계측기의 전원을 켜면 자동으로 영점을 설정합니다. 프로브에서 출력되는 신호를 기준으로 잡고 0mT로 오프셋 설정하는 것입니다. 만약 센서 주변에 자력이 있는 상태에서 전원을 켜거나 Zero 버튼을 누르면 그 상태가 영점이 되므로 부정확한 측정을 하게 됩니다. 주변에 자성 물질이 없는 곳이나 차폐기를 사용하여 영점을 설정해야 합니다.

피크(Peak) 사용

계측기에는 Peak 버튼이 있습니다. 이는 최댓값을 유지시키는 기능을 합니다. 사람의 손으로는 자기력선이 센서에 수직으로 입사되는 지점을 찾는 것과 반복적으로 같은 위치를 찾는 것이 불가능하기 때문에 Peak 기능을 켜놓고 프로브를 움직이면서 측정해야 합니다.

디스플레이의 갱신 속도는 느리지만, 아날로그 회로의 센싱 속도는 매우 빠르기 때문에 프로브를 빠르게 움직여도 피크값이 검출됩니다.🤓 자석면을 펜으로 칠하는 것처럼 프로브를 휙휙~🫨

측정 지점

기판 표면 실장 형태인 SMD 타입의 센서는 측정 위치가 센서 표면 중앙이며 측정 방향이 센서 바닥면입니다. 정확하게는 센서 내부가 측정점입니다. 바닥면이 측정면인 센서는, 윗면에 N극을 갖다 대면 S극으로 인식합니다.

데이터시트를 보고 센서의 측정 위치와 방향을 알아야합니다.

위 내용은 계측기를 제작할 때 참고해야 하며, 완제품 사용자에게는 해당되지 않습니다.

센서는 수직 방향으로 들어오는 자기력선을 측정한다고 했습니다. 다음 그림을 보고 어떤 측정 방법이 올바른지, 어떤 측정 방법에서 자속 밀도가 가장 높게 측정되는지, 극성은 어떻게 측정되는지 알아봅시다.🤓

 

1. 제일 정상적인 측정 방법입니다. 자기력선이 센서에 수직으로 통과합니다. 극 표면에 근접할수록 수직으로 통과하는 자기력선이 많으므로 높은 값을 측정할 수 있습니다. 계측기에서는 N극으로 측정됩니다.

⚠️센서 내부가 측정점이기 때문에 자석 표면에 센서를 밀착시킨다고 하여 정확한 자속밀도를 측정할 수는 없습니다. 그래서 연구소·품질·생산팀에서는 자석 표면과 센서 내부의 측정점까지의 기준 거리(gap)를 정하여 측정하게 됩니다. 예를 들어 갭을 1.0mm로 정했을 때, 어떤 센서의 표면에서 센서 내부의 측정점까지 거리가 0.1mm이면, 센서 표면에서 자석 표면까지의 거리는 0.9mm만큼 띄워 놓습니다. 이렇게 정해진 거리에서 측정하면 두꺼운 센서를 사용하더라도 동일한 측정이 가능하여 자석의 성능을 비교할 수 있게 됩니다.

🤬알리에서 판매하는 계측기들은 센서에 대해 데이터시트가 없기 때문에 내부 측정점의 위치는 알 수가 없습니다.🤣

2. 잘못된 측정 방법입니다.🤣 자기력선이 센서에 수평으로 통과하며, 수직으로 통과하는 자기력선이 없기 때문에 극 중앙을 측정하면 0T(테슬라)로 측정됩니다. 극성은 알 수 없습니다. 나침반이 뱅뱅 회전하는 영화의 한 장면과 같습니다.🤣

이런 형태로 측정하는 센서는 앵글 센서입니다. 자기력선이 센서에 수평으로 통과하는 각도를 측정합니다.
어떤 제품의 샤프트(Shaft) 끝에 2극 착자 된 자석을 붙인 후 센서를 축 방향 끝에 위치시키면 기계의 회전각을 알 수 있습니다. 시간을 적용하면 각속도까지 측정이 됩니다.

3. N➡️S로 이동하는 자속밀도를 측정합니다. S극으로 측정됩니다. 쓸데없는 측정입니다. 굳이 사용한다면 자석 방향에 대해 트리거 신호로 사용할 수 있습니다.

4. 두 자석 사이의 자속밀도를 측정합니다. N극으로 측정됩니다. B-H Curve Tracer와 같이 폴과 폴 사이를 측정할 때 사용하는 방법입니다.

5. 잘못된 측정 방법입니다. N극으로 측정됩니다. 자석과의 간격이 넓고 프로브 방향도 뒤집혔습니다.🤣🤣

극성 표시가 없는 자석은 어떻게 측정을 하나요?

마그네틱 뷰어로 극 분할 형태를 파악하거나, 3차원 센서로 극을 찾는 방법이 있습니다.

알리익스프레스: 마그네틱 뷰어 

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수평 2극 분할

위 사진은 맥세이프용으로 사용되는 자석링을 마그네틱 뷰어로 보고 있습니다. 푸른색이 자력이 강한 곳이며 극을 나타냅니다. 평면을 기준으로 양쪽으로 2극 분할된 자석이 여러 개 붙어있는 것을 알 수 있습니다.

측정을 하는 방법은 자석링 윗면에서 바깥쪽과 안쪽을 측정하는 방법이 있으며, 각 자석의 바깥 측면과 안 측면을 측정하는 방법이 있습니다.
2극 정가운데를 측정하게 되면 0mT로 측정이 됩니다.

수직 2극 분할

사각 형태의 직육면체 자석입니다. 마그네틱뷰어로 보면 극 분할 위치가 보이지 않습니다.🤔

그 이유는 수직 분할 되었기 때문입니다. 측면을 마그네틱뷰어로 보면,

극이 분할된 위치를 볼 수 있습니다. 이런 자석은 넓은 면을 측정하면 최대 자속밀도 값을 얻을 수 있습니다.

2극 분할 자석에서 N·S극은 정확히 50%:50% 분할인가요?

❌아니오. 자석을 자화 시킬 때, 자석 위치나 방향 또는 요크의 폴 성능에 따라 한쪽 극으로 치우치게 됩니다. 중심이 어긋나는 것입니다. 중심이 S극 쪽으로 치우쳐 있다면, N극의 자속밀도가 높게 측정됩니다. 그래서 자석 생산 라인에서는 N·S극을 모두 측정하여 치우침을 계산하고 양불 판정을 합니다. 치우침 정도가 클수록 마그네틱 뷰어로 쉽게 파악할 수 있습니다.

막대자석의 분극점이 치우쳐있어요. 불량인가요?

교육용 막대자석의 경우, 지구의 북쪽은 S극이기 때문에 북반구에 있는 지역에서는 자석의 N극이 민감하게 작용하므로 N극을 작게 만들어서 수평을 유지할 수 있도록 만듭니다.

S극으로 치우친 막대자석