초음파 센서를 이용한 거리 측정 실험 방법

초음파 센서는 초음파(일반적으로 40kHz)를 발사한 후, 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 물체까지의 거리를 계산하는 장치입니다. 이 원리는 박쥐나 돌고래의 반향 위치 탐지(Echolocation)와 유사하며, 거리 측정이 간편하고 정확도가 높아 다양한 산업 및 교육 분야에 활용되고 있습니다. 이번 글에서는 초음파 센서를 활용한 거리 측정 실험 방법을 소개하며, 음속과 시간 측정을 통해 거리를 계산하는 원리를 이해해 봅니다.

1. 실험 목표

- 초음파 센서를 사용하여 물체까지의 거리를 정확하게 측정하는 방법을 익힌다.
- 초음파의 이동 시간과 거리의 관계를 실험적으로 확인한다.
- 거리 측정의 정확도와 오차 원인을 분석한다.

2. 실험 원리

초음파 센서는 초음파를 보내고, 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 다음 공식을 통해 거리를 계산합니다.

$$\text{거리} = \frac{v \cdot t}{2}$$

여기서, $v$는 초음파의 속도(공기 중 약 343 m/s), $t$는 왕복 시간(초)입니다. 2로 나누는 이유는 초음파가 왕복하는 전체 거리를 측정하기 때문입니다.

3. 실험 준비물

• HC-SR04 초음파 센서 또는 유사 센서

• 아두이노 보드 (UNO 등)

• USB 케이블 (PC 연결용)

• 점퍼선, 브레드보드

• 노트북 또는 PC (Arduino IDE 설치)

• 자 또는 줄자 (실측 거리 비교용)

• 측정 대상 물체 (판자, 책, 상자 등)

4. 회로 연결 방법

• VCC → 5V, GND → GND

• TRIG → 아두이노 디지털 9번 핀

• ECHO → 아두이노 디지털 10번 핀

5. 아두이노 코드 예시

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  float distance = duration * 0.0343 / 2;

  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");

  delay(500);
}

6. 실험 방법

1. 센서를 고정하고, 앞에 판자 같은 물체를 수직으로 세웁니다.

2. 줄자를 이용해 센서와 물체 사이의 실제 거리를 측정합니다.

3. 아두이노를 PC에 연결하고, 시리얼 모니터를 실행하여 측정값을 확인합니다.

4. 거리(5cm, 10cm, 20cm, 30cm...)를 바꿔가며 측정값과 비교합니다.

7. 예시 데이터

실측 거리 (cm)	측정 거리 (cm)	오차 (cm)
10	10.2	+0.2
20	20.1	+0.1
30	29.8	-0.2

8. 실험 팁

• 반사판은 평평하고 단단한 재질(예: 나무판, 금속판)을 사용하는 것이 정확도를 높입니다.

• 측정 거리는 최소 2cm ~ 최대 400cm 범위 내에서 안정적으로 동작합니다.

• 실험 환경의 온도와 습도도 음속에 영향을 주므로, 이론 계산 시 고려해볼 수 있습니다.

결론

초음파 센서를 이용한 거리 측정 실험은 소리의 반사와 전파 시간 측정을 기반으로 하는 매우 직관적이고 유용한 실험입니다. 간단한 회로 구성과 코드로 정밀한 거리 데이터를 얻을 수 있으며, 자동화, 로봇 제어, 측량 기술 등 다양한 분야에 활용됩니다.

이번 실험을 통해 우리는 파동의 속도, 시간-거리 관계, 전자 회로 활용 능력 등을 융합적으로 학습할 수 있었으며, STEM 교육에서 실제 센서 기술이 어떻게 적용되는지를 이해하는 데 큰 도움이 됩니다.