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FSR 센서 작동 원리

압력-저항 관계​

FSR 센서의 핵심은 압력과 저항의 반비례 관계입니다.

기본 특성 곡선​

저항 (Ω)
   ↑
10MΩ │ ●
     │  ╲
 1MΩ │   ╲●
     │    ╲
100kΩ│     ╲●
     │      ╲
 10kΩ│       ╲●
     │        ╲●
  1kΩ│         ●━━━●
     └──────────────────→ 압력 (N)
     0   1   5   10  20

수학적 관계​

FSR의 저항값은 다음과 같은 관계식을 따릅니다:

R = R₀ / (F^α)

여기서:
- R: 측정된 저항값 (Ω)
- R₀: 초기 저항값 (무부하 시)
- F: 가해진 힘 (N)
- α: 센서 특성 계수 (일반적으로 0.5~1.0)

전도성 폴리머의 역할​

미세 구조 변화​

FSR 센서 내부의 전도성 폴리머는 압력에 따라 다음과 같이 변합니다:

  1. 무압력 상태

    • 전도성 입자들이 폴리머 매트릭스 내에 분산
    • 입자 간 거리가 멀어 전류 흐름 차단
    • 저항: >10MΩ

  2. 압력 인가 시

    • 폴리머가 압축되며 입자 간 거리 감소
    • 전도성 경로 형성 시작
    • 저항: 급격히 감소

  3. 높은 압력

    • 다수의 전도성 경로 형성
    • 최소 저항값에 도달
    • 저항: ~1kΩ

측정 회로 설계​

1. 기본 전압 분배 회로​

가장 간단하고 널리 사용되는 방법입니다.

     +5V
      │
      │
    [FSR]  ← 가변 저항
      │
      ├──── Vout (to ADC)
      │
    [R_ref] ← 고정 저항 (10kΩ)
      │
     GND

출력 전압 계산:

Vout = Vcc × R_ref / (R_fsr + R_ref)

2. Arduino 연결 예제​

const int FSR_PIN = A0;
const float VCC = 5.0;
const float R_REF = 10000.0; // 10kΩ

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int adcValue = analogRead(FSR_PIN);
  
  // ADC 값을 전압으로 변환
  float voltage = adcValue * (VCC / 1023.0);
  
  // 전압으로부터 FSR 저항 계산
  float fsrResistance = R_REF * (VCC / voltage - 1.0);
  
  // 저항을 힘으로 변환 (센서별 교정 필요)
  float force = calculateForce(fsrResistance);
  
  Serial.print("ADC: "); Serial.print(adcValue);
  Serial.print(" | V: "); Serial.print(voltage);
  Serial.print(" | R: "); Serial.print(fsrResistance);
  Serial.print(" | Force: "); Serial.println(force);
  
  delay(100);
}

float calculateForce(float resistance) {
  // 간단한 변환 예제 (실제로는 교정 필요)
  if (resistance > 100000) return 0; // 100kΩ 이상: 무압력
  if (resistance < 1000) return 20;   // 1kΩ 이하: 최대 압력
  
  // 로그 스케일 변환
  return 20.0 * (1.0 - log10(resistance/1000.0) / 2.0);
}

3. 고급 측정 회로​

장점: 선형 출력, 높은 정확도

     +5V
      │
    [FSR]
      │
      ├───┬─── Vout
      │   │
      │  ╱│╲
      │ ╱ │ ╲ OP-AMP
      │╱  │  ╲
      ●───┴───●
      │       │
    [Rf]      │
      │       │
     GND     GND

신호 처리 기법​

노이즈 필터링​

// 이동 평균 필터
const int SAMPLES = 10;
int readings[SAMPLES];
int readIndex = 0;
int total = 0;
int average = 0;

int getFilteredReading() {
  total = total - readings[readIndex];
  readings[readIndex] = analogRead(FSR_PIN);
  total = total + readings[readIndex];
  readIndex = (readIndex + 1) % SAMPLES;
  average = total / SAMPLES;
  return average;
}

임계값 검출​

const int THRESHOLD = 500;
const int HYSTERESIS = 50;
bool isPressed = false;

void checkPressure() {
  int reading = analogRead(FSR_PIN);
  
  if (!isPressed && reading > THRESHOLD + HYSTERESIS) {
    isPressed = true;
    onPressDetected();
  } else if (isPressed && reading < THRESHOLD - HYSTERESIS) {
    isPressed = false;
    onReleaseDetected();
  }
}

실제 측정 시 고려사항​

1. 응답 시간​

  • 일반적으로 1~2ms
  • 빠른 변화 감지에는 부적합
  • 정적/준정적 측정에 최적

2. 드리프트 현상​

  • 장시간 압력 유지 시 저항값 변화
  • 주기적 재교정 필요
  • 동적 측정으로 최소화

3. 온도 영향​

  • 온도 상승 시 저항 감소
  • 온도 계수: 약 -0.5%/°C
  • 온도 센서와 함께 사용하여 보상
실습 팁
  1. 항상 풀다운 저항(10kΩ)을 사용하세요
  2. ADC 입력 전 0.1μF 캐패시터로 노이즈 필터링
  3. 센서별로 교정 곡선을 작성하여 정확도 향상

다음 단계​

작동 원리를 이해하셨다면 다음 내용을 학습해보세요: