측정 오차에 대해서
측정 오차란
나와야 할 측정 결과(측정값)에 어떠한 요소가 영향을 미쳐 측정 결과가 달라졌을 때, 그 차이를 「측정 오차」라고 합니다.
측정 오차의 원인은 다양하고 원인에 따른 대처가 필요합니다. 측정 오차가 발생했을 때는 「왜 이러한 측정 오차가 발생했는가」를 충분하게 검토하고 대책을 취함으로써 제조물의 품질을 안정시키는 것이 중요합니다.
측정 오차의 원인
측정 오차는 측정기에 따른 측정 오차·측정자에 따른 측정 오차·환경 조건이나 대상 물체에 따른 측정 오차라는 세 가지 패턴으로 분류할 수 있습니다. 각 패턴의 대표적인 원인은 아래와 같습니다.
| 측정 오차의 종류 | 측정 오차의 원인 |
|---|---|
| 측정기에 따른 측정 오차 |
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| 측정자에 따른 측정 오차 |
|
| 환경 조건이나 대상 물체에 따른 측정 오차 |
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측정기에 따른 측정 오차의 해결 방법
사용하는 측정기의 사양과 측정 용도를 맞추는 것과 더불어 설치·사용 방법을 통해서도 오차를 해결할 수 있습니다. 또한 시간 경과에 따른 소모품의 열화 등으로 인한 측정 정도의 저하가 원인인 측정 오차의 해결 방법도 소개합니다.
기준 거리에서의 측정을 통한 반복 정도 향상
삼각 측정 방식(삼각 측량 방식) 변위 센서는 대상 물체의 위치에 따라 반복 정도가 달라집니다. 아래 그림과 같이 대상 물체가 기준 거리에 가까울수록 스폿 직경이 좁혀진 상태가 되어 반복 정도가 향상됩니다. 측정 거리를 변경하기 어려운 경우에는 기준 거리가 맞는 광학계가 탑재된 측정기를 선정·사용하여 측정 오차를 줄일 수 있습니다.
- A
- 나쁘다
- B
- 좋다
- C
- NEAR 측
- D
- 기준 거리
- E
- FAR 측
단, 레이저 변위 센서의 반복 정도는 측정 정도와 다릅니다. 반복 정도란 “대상 물체도 센서 헤드도 정지시킨 상태의 측정값 편차”입니다. 즉 동일한 물체를 반복 이동시켜 완전히 같은 포인트에서 측정했을 때의 측정값 편차량을 말합니다. 그러나 레이저 변위 센서는 대상 물체의 표면 거칠기 및 반사율의 영향을 받아 오차가 발생하기 때문에(자세한 내용 및 대책은 후술) 완전히 같은 포인트를 동일한 조건으로 측정하는 것은 현실적이지 않습니다.
또한 대상 물체의 표면 상태에 따라 얼마나 오차가 발생하는지가 렌즈 등의 광학 설계 및 측정 알고리즘에 따라 상이하기 때문에(실력값이 다름), 레이저 변위 센서의 성능에 따른 가격 차이 및 렌즈 크기에 따른 헤드 사이즈 차이 등으로 나타납니다.
지그 개선 및 필터를 이용한 미세 진동 대책
반복 정도가 개선되어도 측정값 편차가 없어지지 않는 경우 설치 지그의 진동이 원인일 가능성이 있습니다. 변위 센서의 측정 방향이 수평이 아니며 사람이 출입하는 장소인 경우에는 반드시 연직 방향으로 미세한 진동이 발생합니다. 이러한 미세 진동으로 인해 측정값에 0.1 μm~수 μm의 편차가 발생할 수 있으며 다음과 같은 대책이 효과적입니다.
- 로우 패스 필터 기능을 사용한다(또는 로우 패스 필터가 탑재된 변위 센서를 사용한다).
- 센서와 대상 물체를 일체화한 지그로 고정한다.
직선성의 개선을 통한 대책
글라스나 경면 등 입사각과 반사각이 동일해지는 대상 물체의 경우, 정반사로 인한 에러를 회피하기 위해 센서 헤드를 기울입니다. 이때 설치 각도가 어긋나 직선성이 악화되는 것을 방지하면 측정 오차를 시정할 수 있는 경우가 있습니다.
이젝트 핀에 대고 누르면서 센서 헤드를 나사로 고정하는 등 설치 시 충분히 배려해 주십시오. 또한 사용하는 레인지를 최대한 좁히고 해당 범위 내에서 마스터 대상 물체(기준이 되는 대상 물체)를 사용해 스팬 보정하는 방법으로 직선성을 개선할 수도 있습니다.
단, 측정기 자체의 직선성은 광학계에 의존하는 비율이 높으므로 예를 들어 이동 평균 등의 필터를 적용하는 등의 대책은 취해도 효과가 없습니다. 정반사 설치에 대한 직선성이 사양에 명시되지 않은 센서 헤드인 경우 직선성이 예상보다 좋지 않을 가능성이 있으므로 주의가 필요합니다.
- A
- 이젝트 핀
정기적인 교정(캘리브레이션) 실시
정기적인 교정(캘리브레이션)은 측정기의 정도를 유지하기 위해 반드시 필요합니다. 적절한 간격으로 교정과 유지 보수를 실시하면 측정 오차의 근본 원인을 제거할 수 있습니다. 교정 간격은 측정기의 구조 및 부품의 소모·열화 속도 등에 따라 다르므로, 일반적으로 측정기 제조사가 권장하는 교정 간격이 있으며 이를 따르는 것이 중요합니다. 열악한 환경에서 사용했거나 강한 충격을 가했던 기기의 측정 오차가 개선되지 않는 경우는 유지 보수 또는 수리해야 될 가능성도 있습니다. 이러한 경우 교정 시기와 관계없이 제조사에 상담하는 것을 권장합니다.
측정자에 따른 측정 오차의 해결 방법
오프라인에서 버니어 캘리퍼스나 마이크로미터 등의 측정기를 사용하는 경우, 측정자에 따라 측정 포인트에 편차가 발생하거나 경험 및 기량의 차이에 따라서도 측정 결과에 오차가 나타나게 됩니다. 철저한 교육 및 훈련을 실시하여 최대한 편차를 줄이는 노력이 필요하지만 측정값을 완전히 정량화하는 것은 불가능합니다. 또한 대상 물체의 작은 버나 칩핑, 부착된 이물질에 접촉하면서 측정하면 측정값에 오차가 발생하므로 측정 포인트의 상태를 육안으로 신중하게 확인해야 합니다. 그리고 측정값을 실시간 데이터로 파악할 수 없기 때문에 검사와 제조를 병행하는 경우, 수율이 저하되거나 언제부터 불합격품이 발생하기 시작했는지를 통계 데이터로 판단할 수도 없습니다.
또한 투영기나 측정 현미경, CNC 광학 좌표 측정기, 3D 측정기 등의 측정 기기는 측정자에 따른 오차 외에 전문적인 지식이 필요합니다. 측정 업무를 특정 작업자 외에 실시하지 못하게 되는 등의 과제를 해결하려면 철저한 교육과 훈련을 실시하여 장기적으로 측정자를 육성할 필요가 있습니다.
오프라인 측정에서 나타나는 측정 오차를 해결하는 측정기
KEYENCE는 이러한 과제들을 해결하기 위해 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 복수 대상 물체의 여러 포인트를 고정도로 일괄 측정할 수 있는 이미지 치수 측정 시스템을 개발했습니다. 대상 물체의 위치와 방향을 자동 보정하므로 위치 결정이나 방향 조정, 원점 추출 등의 작업이 필요 없습니다.
측정자의 경험이나 기술, 지식과 상관없이 짧은 시간 안에 더욱 많은 대상 물체를 편차 없이 정량적으로 측정할 수 있습니다. 측정 결과는 모두 데이터화되기 때문에 네트워크를 통해 원격지에서 즉시 검사 결과를 파악하거나 데이터 분석 작업을 효율화할 수 있습니다.
환경 조건이나 대상 물체에 따른 측정 오차의 해결 방법
전원을 켠 후 경과한 시간이나 주위 온도와 변위 센서의 온도 특성 관계, 대상 물체의 재질에 따라 발생하는 측정 오차의 원인과 해결 방법을 설명합니다.
온도 변화와 드리프트로 인한 오차의 파악
각 부분의 온도에 따른 드리프트를 파악하여 측정 오차를 해결할 수 있습니다. 측정 시스템 전체의 드리프트는 변위 센서 단독 드리프트 성분·지그 단독 드리프트 성분으로 나뉩니다. 그 중에서도 변위 센서 단독 드리프트 성분에는 초기 드리프트·온도 드리프트·노후화가 있습니다. 여기에서는 사양을 통해 산출하기 쉬운 변위 센서 단독 드리프트와 이로 인해 발생하는 오차의 파악 방법을 설명합니다.
- 초기 드리프트
- 전원을 켠 후 변위 센서의 내부 온도가 안정될 때까지 측정값이 변화하는 성분입니다. 일반적으로 전원을 켠 후 30분에서 1시간이 지나면 내부 온도와 측정값이 안정됩니다.
- 온도 드리프트
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사용 환경의 주위 온도가 변화했을 때 측정값이 변화하는 양을 말합니다. 사양에서는 온도 특성으로 「〇〇％ of F.S./℃」라고 표기됩니다.
예를 들어 측정 레인지가 ±5 mm(환산하면 10 mm의 범위)이고 온도 특성이 「0.01％ of F.S./℃」인 경우,
주위 온도가 10℃ 변화했을 때의 온도 드리프트는 아래의 식으로 구할 수 있습니다.0.01％(온도 특성)×10 mm(측정 레인지)×10℃(주위 온도)=10 μm(온도 드리프트)
이렇게 해서 주위 온도가 10℃ 변화하면 변위 센서의 온도 드리프트로 10 μm의 측정 오차가 발생한다는 것을 알 수 있습니다.
센서 헤드에서 컨트롤러로 아날로그 신호를 통해 전송하는 경우, 컨트롤러의 온도 드리프트도 고려하여 컨트롤러의 온도 특성 사양을 바탕으로 동일하게 계산합니다. 현재 변위 센서의 주류인 디지털 신호를 통한 전송인 경우에는 위의 식으로 계산하면 됩니다.
또한 센서 헤드의 케이스 내 온도가 얼마나 상승하는지 알면 초기 드리프트의 기준을 온도 드리프트에 근거하여 계산할 수 있어, 전원을 켠 후 바로 사용해도 이를 고려해 측정할 수 있습니다. 구하는 방법은 아래와 같습니다.
내부 온도 상승(T℃)×온도 특성(〇〇％ of F.S./℃)×측정 레인지(mm)
- 노후화
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변위 센서 단품의 노후화는 광학계를 고정하는 접착제가 미세한 온도 변화로 인해 팽창·수축하는 것 등이 원인이 되어 발생합니다. 노후화도 센서 헤드에 따라 온도 특성이 다르며 드리프트 방향에도 개체 차가 있습니다. 일반적으로 변위 센서의 온도 특성이 작으면 작을수록 확실한 구조를 가지기 때문에 노후화도 적다고 합니다.
그 밖에 지그나 고정 나사에도 드리프트가 발생합니다. 높은 정도가 요구되는 경우 지그 재질의 팽창 계수나 팽창 방향, 나아가 고정 나사의 잔류 응력 등으로도 드리프트로 인한 오차를 계산할 수 있지만, 요소가 복잡해질수록 실제로 발생하는 측정 오차 산출의 난이도가 높아집니다.
대상 물체의 표면 상태에 따른 오차·편차를 해결하는 대책
고정도 레이저 변위 센서라도 대상 물체 표면 상태의 영향을 받는 경우가 있습니다. 그 이유는 대상 물체에 대한 의존성이 높기 때문입니다. 이는 측정 오차가 발생하는 원인 중 가장 많은 경우를 차지하지만 사양이나 카탈로그를 보는 것만으로는 얼마나 편차가 생기는지 알 수 없습니다.
대상 물체 표면 상태의 영향으로 인한 오차 요인은 색 시프트 성분·표면 요철의 영향에 따른 오차 성분·표면의 반사율 변화라는 세 가지로 분류할 수 있습니다.
이들 중에서도 대표적인 오차 발생 요인인 대상 물체 표면 요철의 영향에 관한 대책·해결 방법을 설명합니다. 표면 요철 상태에 따른 영향을 줄이는 대책으로 다음 세 가지가 있습니다.
- 최대한 대상 물체의 요철 줄이기
- 만일 연마 등 표면 처리 공정이 있다면 그 이전이 아니라 이후에 측정하거나, 표면이 매끄러운 면이 있다면 그쪽을 측정하는 등의 방법으로 오차가 해결되는 경우가 있습니다. 또한 할 수 있다면 표면을 연마해 요철을 줄이거나 세라믹을 부착하는 등의 방법도 효과적이지만 측정만을 위해 공정을 늘리는 것은 현실적이지 않습니다.
- 필터 처리 사용하기
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이동 평균이나 로우 패스 필터, 메디안 필터를 이용해 측정 데이터의 편차를 억제합니다. 대상 물체가 움직이는 경우 이동 평균 필터 처리를 사용하면 표면 상태에 따른 영향을 억제할 수 있습니다.
높이 약 1 mm의 요철이 있는 대상 물체를 반송 중에 측정하여 측정값에 편차가 발생한 경우를 예로 들어보겠습니다. 대상 물체 이동 중에 여러 번 측정한 평균값을 산출하는 이동 평균 필터로 처리함으로써 측정값을 안정시킬 수 있습니다. 단, 필터를 지나치게 많이 적용하면 본래의 파형을 알 수 없게 되므로 필터 설정 시 주의가 필요합니다.
예: 복사 블레이드의 굴곡 측정 
이동 평균 필터 처리 없음 
이동 평균을 적용하면 데이터가 안정 또한 장소에 따라 표면 상태가 달라지는 금속 헤어라인과 같은 대상 물체를 측정하는 경우, 장소에 따라 레이저가 닿는 방식이 다르므로 대상 물체를 움직여 표면 상태가 다른 여러 부분의 측정값 평균을 구하면 측정값의 편차를 억제할 수 있습니다.
- 투광하는 레이저 광이나 수광 소자 와이드화하기
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소스폿 레이저 광보다는 와이드 스폿 광을 투광하면 요철로 인한 값 편차를 억제할 수 있습니다. 투광 렌즈로 특수한 형상의 실린드리컬 렌즈를 탑재한 변위 센서를 사용하면 가로 폭만 넓은 라인 형상의 레이저 스폿을 투광할 수 있습니다.
또한 와이드화된 수광 소자(CMOS나 CCD)를 채택하면 와이드화된 반사광 전체를 그대로 수광할 수 있으므로 산란광으로 인한 수광 위치의 편차를 흡수할 수 있습니다.
넓은 범위에서 미세한 요철 형상을 고정도로 측정해야 하는 경우, 라인 형상의 슬릿 레이저를 채택한 고해상도 레이저 변위 센서를 사용하면 2D 프로파일 데이터 및 3D 형상을 수치 급증 없이 고속으로 정확하게 측정할 수 있습니다.
예: 기판 스크린 인쇄의 두께 측정 
2D 프로파일 데이터 
3D 화상 처리
