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계측공학
임노빈 교수
KAIST 대학원 생산공학과 석사과정
KAIST 대학원 기계공학과 박사졸업
KAIST 대학원 생산공학과 석사과정
KAIST 대학원 기계공학과 박사졸업
한성대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 13개 챕터, 23강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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[1강] 오리엔테이션
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계측공학의 정의와 제어와의 관계 및 산업적 중요성
• 계측공학의 정의 및 학문적 특성: 사물의 양적 정보 측정 방법론 정의와 물리·화학·전자가 융합된 다학제적 응용공학 구조 분석 • 계측과 제어의 상호 관계: 정밀 제어 수행을 위한 필수 전제 조건으로서의 계측 기능과 시스템 제어 간의 불가분적 연결성 정립 • 산업적 중요성 및 경제적 가치: 반도체 미세 공정화에 따른 계측 시스템 비용 비중 확대와 산업 현장의 공학적 문제 해결 역량 강조 |
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| 1장. 계측 시스템의 기초 | ||
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[2강] 계측의 개요
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계측의 개요 및 계측 시스템의 기초 이론
• 계측 시스템 구성 단계: 검출-신호처리-출력-제어의 4단계 구조와 센서·측정전략·시스템 설계 기반의 공학적 소급성 확보 • 보정 및 정적·동적 특성: 표준 입력값과 출력값의 선형성 확인 절차 및 정적 감도($K$)와 주파수 응답 기반의 데이터 신뢰성 정립 • 오차 분석 및 통계적 평가: 바이어스·정밀오차·히스테리시스 구분 및 자유도($n-1$)를 반영한 표준편차와 정확도·정밀도의 정량적 관리 |
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[3강] 계측의 표준과 단위 및 실험 데이터
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계측의 표준과 차원 단위 및 실험 데이터 평가
• SI 기본 단위 및 표준 체계: 미터(m)·킬로그램(kg) 등 7대 기본 단위 정의와 산업 호환성 확보를 위한 국제 표준 규격 정립 • 물리량 차원 및 단위 분석: 길이(L)·질량(M)·시간(T) 기반의 유도 단위 구조 파악 및 10의 거듭제곱 접두어를 활용한 단위 변환 • 실험 설계 및 오차 관리: 변수 분류와 랜덤 테스트를 통한 데이터 신뢰성 확보 및 RSS(제곱합의 제곱근) 방식의 계측기 총오차 산출 |
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[4강] 계측값의 시간종속특성
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계측값의 시간종속특성과 조화해석 및 주파수 분석
• 계측값 시변 특성 및 조화 운동: 정적·동적(주기·과도) 신호 분류 체계와 변위·속도·가속도 간 위상차 및 오일러 공식을 활용한 수식 표현 • 맥놀이 및 조화 해석: 근접 주파수 간 합성 신호의 진폭 변화 원리와 푸리에 급수를 통한 복잡 주기 함수의 삼각함수 성분 분해 • 주파수 스펙트럼 및 FFT: 시간 영역 신호의 주파수 도메인 변환 및 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용한 진폭·위상 성분 추출 및 데이터 정제 |
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[5강] 계측시스템의 응답
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계측시스템의 응답 전달함수 및 시간응답 특성
• 비례·미분·적분 요소 : 라플라스 변환 기반 전달함수 정의와 입출력 신호의 비례·변화율·누적 특성 분석 • 1차 및 2차 지연요소 : RC·RLC 회로 및 질량-스프링-댐퍼 모델의 시정수와 응답 진동·감쇠 특성 규명 • 낭비시간요소 : 순수 지연 현상의 지수 함수($e^{-\tau s}$) 표현과 공정 계측 내 물리적 도달 시간 분석 |
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[6강] 센서
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계측공학 센서 정의 특성 및 분류 체계
• 센서 정의 및 오감 대응: 물리·화학적 정보를 전기·광 신호로 변환하여 인간의 오감 기능을 기계적으로 실현하는 계측 소자의 핵심 원리 정립 • 성능 지표 및 선정 기준: 분해능·감도·선형성·응답 시간과 시스템 신뢰성을 결정하는 정확성 및 반복정밀도 등 센서 선택 시 필수 고려 요건 분석 • 센서 분류 체계: 구성 재료, 구동 메커니즘(구조·물성형), 에너지 제어 방식(능동·수동) 및 출력 신호 형식에 따른 계측 목적별 최적 센서 분류 및 선정 기준 최적화 |
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| 2장. 계측 데이터의 처리 | ||
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[7강] 신호조정
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계측공학 신호조정 원리와 OP앰프 회로 분석
• 신호조정(Signal Conditioning): 센서의 미세 아날로그 출력을 디지털 처리에 적합하도록 증폭·변환·정제하여 신호 무결성 확보 및 노이즈 제거 수행 • OP앰프 기반 회로: 이상적 특성 기반의 반전·비반전·계측 증폭기 및 필터(LPF·HPF·BPF) 설계를 통한 정밀 데이터 수집 및 임피던스 매칭 • 계측 성능 지표: 게인(Gain)과 데시벨(dB)을 이용한 입출력 효율 정량화 및 보드선도를 활용한 주파수 응답 특성 분석 |
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[8강] 계측 시스템의 데이터 기술 및 판독
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계측 시스템의 디지털 기술 및 데이터 판독 핵심 요약
• 디지털 데이터 및 전송 체계: 비트·워드 구조와 MSB/LSB 가중치 기반 데이터 표현 및 직렬·병렬 통신 규격 • ADC/DAC 변환 및 오차 분석: 분해능·SNR 중심의 신호 변환 메커니즘과 양자화·갈라짐·변환 오차 제어 원리 • 샘플링 정리 및 데이터 획득 시스템: 나이키스트 주파수 기반 샘플링 최적화와 알리아싱 방지를 통한 DAS 신호 복원 절차 |
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| 3장. 위치 변위 예측 | ||
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[9강] 위치 변위 예측
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위치 및 변위 계측 센서 종류와 원리
• 포텐쇼미터 및 LVDT: 전기저항과 상호유도작용 기반의 직선·회전 변위 계측 및 비례 전압 출력 원리 정의 • 싱크로 및 리졸버: 코일 배치와 파형 조합을 통한 아날로그 회전각 검출 및 고온·진동 환경의 절대각 측정 구조 • 로터리 엔코더: 전기 펄스 기반의 디지털 위치 검출과 위상차를 이용한 방향 판별 및 그레이 코드 활용 기술 |
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| 4장. 길이 치수 측정 | ||
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[10강] 길이 치수 측정
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정밀 계측공학 길이 및 각도 치수 측정 기술
• 길이 계측 기구 및 원리: 버니어 캘리퍼스·마이크로미터의 부척 분할 및 나사 피치 활용 기술, 아베의 원리 준수를 통한 측정 오차 최소화 • 정밀 표준 및 품질 검사: 게이지블록의 밀착(Wringing) 기술, 한계 게이지와 테일러의 원리를 이용한 양산품 공차 판정 및 표면거칠기 분석 • 각도 및 3차원 형상 측정: 사인바의 삼각함수 기반 경사각 산출, CMM 터치프로브를 활용한 공간 좌표 및 기하공차 데이터 취득 구조 |
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| 5장. 점유 근접센서 | ||
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[11강] 점유 근접센서(1)
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점유 근접센서 기초 및 광전센서의 원리와 종류
• 점유 및 근접센서: 비접촉 기반 물체 유무 판별 및 자동화 프로세스 제어를 위한 센싱 체계와 접촉·비접촉 분류 • 광전센서 검출 체계: 투과식(장거리), 반사식(설치 용이), 확산식(근거리) 등 빛의 매개 방식에 따른 유형별 작동 메커니즘 • 광학 정밀 제어 원리: 코너-큐브 프리즘과 편광 필터를 활용한 광택 물체 오작동 방지 및 고해상도 비접촉 검출 기술 |
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[12강] 점유 근접센서(2)
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계측공학 유도형 정전용량형 자기식 초음파식 근접센서 특징
• 유도형 근접센서: 고주파 발진 및 와전류(Eddy Current) 원리를 이용한 금속체 검출과 임피던스 변화 분석 • 정전용량형 및 자기식 센서: 유전율 기반의 비금속체 검출 및 리드 스위치를 활용한 자기장 반응 접점 제어 • 초음파식 근접센서: 음파 반사 기반의 거리 산출 원리와 블라인드 존(Blind Zone) 및 환경적 제약 사항 정리 |
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| 6장. PSD와 속도센서 | ||
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[13강] PSD와 속도센서
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PSD와 속도센서의 구조 및 동작원리 요약
• PSD(Position Sensitive Device): 핀 포토다이오드 및 표면저항 기반 입사광 위치 검출과 삼각법을 활용한 정밀 거리 측정 체계 • 경사각 센서(Inclinometer): 수은·전해질·광전식 매질의 위치 변화를 이용한 중력 방향 대비 기울기 산출 및 메커니즘 • 속도 센서(LVT/Tachometer): 전자기 유도·광학적 펄스·홀 효과를 통한 직선 및 회전 운동의 물리량 전기 신호 변환 기술 |
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| 7장. 정밀측정 | ||
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[14강] 정밀측정
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정밀측정 레이저 응용 및 초정밀 형상측정 기술
• 레이저 간섭계 및 측정 원리: 단색성·가간섭성 기반 파장 측정 및 호모다인·헤테로다인 방식을 이용한 나노미터급 변위 산출 • 측정 불확도 및 환경 보정: Edlen 공식을 통한 공기 굴절률 보정 및 아베 오차 제어를 통한 정밀 측정 시스템의 정확도 유지 • 나노/표면 형상 분석 기술: STM·AFM의 원자간 상호작용 및 SEM·EDS 기반 이차 전자 검출을 통한 초정밀 시료 형상·성분 측정 |
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| 8장. 힘, 토크, 촉각 | ||
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[15강] 힘 센서
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계측공학 힘 센서의 원리와 스트레인 게이지 및 로드셀 응용
• 탄성체 변형 원리 및 재료역학 기초: 응력·변형률·영의 계수·포아송 비를 이용한 힘의 기계적 변환 구조 분석 • 스트레인 게이지 및 휘스톤 브리지: 저항 변화 기반 게이지 율 정의와 회로 구성을 통한 측정 감도 및 온도 보상 최적화 • 로드셀 구조 및 산업 응용: 밴딩·전단·기둥·링형 등 구조적 분류에 따른 하중 측정 특성과 현장 모니터링 적용 파악 |
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[16강] 토크센서, 촉각센서, 압력센서
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계측공학 토크 촉각 압력센서 원리 및 응용
• 토크센서 메커니즘 : 탄성체 변형 및 회전각 측정을 통한 토크 검출과 접촉·무접촉식 신호 전달 기술 구조 • 촉각센서 유형 : 센싱 엘러먼트 어레이 기반의 힘 분포 감지와 저항·압전·광학 방식을 활용한 패턴 인식 기술 • 압력센서 기술 : 절대·게이지 압력 정의 및 MEMS·피에조저항·공진형 소자를 활용한 환경별 압력 계측 메커니즘 |
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| 9장. 가속도 센서 | ||
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[17강] 가속도 센서
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가속도 센서의 구동 원리 및 유형별 특징 요약
• 가속도계 동작 원리: 질량-스프링-댐퍼 시스템 기반의 관성력 변환 및 감도($S$)와 고유 진동수($\omega_n$) 간의 역비례 상충 관계 분석 • 유형별 구조 특성: 압전형(압축·전단 구조)·정전용량형(MEMS 기술 및 전극 간격 변화)·열식(기체 온도 분포) 등 검출 방식별 메커니즘 정리 • 측정 및 응용 기술: 중력 가속도 성분을 이용한 경사각 산출 및 자동차 에어백·ABS·모바일 진동 제어 등 산업별 실무 적용 원리 |
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| 10장. 관성센서 | ||
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[18강] 관성센서
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관성센서 종류별 동작 원리와 자이로스코프 응용 기술
• 자이로스코프 및 코리올리 원리: 기계식·광학식 분류 체계와 코리올리 가속도($a_c = 2v \times \Omega$)를 이용한 각속도 측정 및 2차원 진동 검출 메커니즘 • MEMS 진동식 자이로 구조: 직선·회전·링 형태별 구동-검출 모드 특성과 표면·벌크 마이크로머시닝 기반의 소형화 제조 기술 요약 • 광섬유 자이로 및 응용 기술: 샤낙 효과(Sagnac Effect) 기반의 위상차 검출 원리와 차량 자세 제어(ESP)·손떨림 보정(OIS) 등 산업별 핵심 적용 사례 |
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| 11장. 자기센서 | ||
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[19강] 자기센서(1)
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자기센서 및 자성재료의 기초와 홀센서 원리
• 자성재료 및 자화 특성: 자계 변화 검출 메커니즘과 자화곡선·히스테리시스·큐리온도 중심의 물리적 성질 정의 • 홀효과 및 센서 원리: 로렌츠 힘 기반 홀전압 공식 산출과 전자농도·이동도·형상계수를 통한 감도 최적화 절차 • 구동 제어 및 산업 응용: 정전류·정전압 방식 비교와 오프셋 보상 회로 및 모터·위치 센서용 제어 시스템 구성 |
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[20강] 자기센서(2)
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자기저항소자 및 자속게이트 센서의 원리와 특징
• 자기저항소자(MR·AMR·GMR): 로렌츠 힘 및 스핀 의존성 산란을 활용한 자계 유도 저항 변화 측정 원리 • 자속게이트(Fluxgate) 센서: 강자성체 비선형 포화 특성과 이중·링 코어 구조를 통한 고감도 자계 검출 • 정밀 검출 시스템: 휘스톤 브리지와 제2고조파 PSD 방식을 활용한 신호 복조 및 선형성 확보 기술 |
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| 12장. 온도센서 | ||
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[21강] 온도센서(1)
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계측공학 온도센서 원리 및 RTD 서미스터 열전대 특성 분석
• RTD (측온 저항체) : 백금의 전기저항 선형 변화 원리와 3선식 브리지 결선을 통한 리드선 저항 오차 보정 기술 • 서미스터 (Thermistor) : 반도체 소자의 고감도 저항 변화 특성을 이용한 NTC·PTC 방식별 온도 감지 및 응용 • 열전대 (Thermocouple) : 제베크 효과에 따른 이종 금속 간 열기전력 발생 원리와 광범위 측정을 위한 기준접점보상 기법 |
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[22강] 온도센서(2)
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반도체 및 비접촉식 온도센서의 원리와 특성 비교
• 반도체 및 접촉식 센서: PN 접합 전압의 온도 의존성을 이용한 IC 센서의 직선성 확보 및 열전대·RTD·서미스터의 성능 지표 비교 • 스테판-볼츠만 법칙: 방사 에너지와 절대온도 4제곱 비례 관계 기반의 비접촉식 온도 측정 원리와 흑체 대비 실제 방사율 보정 • 비접촉식 검출 시스템: 양자형·열형 검출기의 파장별 응답 특성 분석과 대기창 파장 활용 및 비율 고온계를 통한 환경 오차 제어 |
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| 13장. 불확도 | ||
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[23강] 불확도
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37
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계측공학 불확도 개념과 확률 통계 기반 분석
• 확률·통계적 측정 데이터 분석: 정규분포 및 스튜던트 T 분포를 활용한 측정값의 신뢰구간 설정과 참값 추정 원리 정리 • 회귀분석 및 최소제곱법: 측정 데이터 간 함수적 관계 정립과 편차 제곱합 최소화를 통한 최적 보정식 산출 및 계수 결정 기법 • 불확도 전파 및 RSS 분석: RSS(Root Sum Square)법을 이용한 다중 변수 오차 합성 및 설계·측정 단계별 계측 시스템 신뢰성 확보 과정 |
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임노빈 교수님
계측공학