산업용 센서를 선택할 때 제품 사양표를 확인하다 보면 정확도(Accuracy), 정밀도(Precision), **반복성(Repeatability)**과 같은 용어를 자주 만나게 됩니다. 처음 센서를 접하는 사람이라면 정확도와 정밀도가 비슷한 의미라고 생각하기 쉽습니다.
하지만 센서와 측정기술에서 정확도와 정밀도는 서로 다른 개념입니다.
예를 들어 실제 온도가 50℃인 환경에서 센서가 49.9℃, 50.0℃, 50.1℃를 반복해서 측정한다면 측정값이 실제 값에 매우 가깝기 때문에 정확도가 높다고 볼 수 있습니다. 반면 센서가 실제로는 50℃인 환경에서 47.0℃, 47.1℃, 47.0℃처럼 측정한다면 값들이 서로 비슷하더라도 실제 값과 차이가 크기 때문에 정확도가 높다고 보기는 어렵습니다.
이처럼 정확도와 정밀도는 센서의 성능을 판단할 때 반드시 구분해야 하는 개념입니다.
이번 글에서는 산업용 센서에서 말하는 정확도와 정밀도의 차이, 반복성의 의미, 측정 오차가 발생하는 이유, 센서 선택 시 어떤 기준을 확인해야 하는지까지 쉽게 알아보겠습니다.
정확도(Accuracy)란 ?
정확도는 쉽게 말해 측정한 값이 실제 값에 얼마나 가까운지를 나타내는 개념입니다.
예를 들어 실제 온도가 정확하게 100℃라고 가정해 보겠습니다.
어떤 온도센서가 다음과 같이 측정했다고 생각해 보겠습니다.
- 99.8℃
- 100.1℃
- 100.0℃
- 100.2℃
측정값이 실제 온도인 100℃ 주변에 있기 때문에 비교적 높은 정확도를 가진 센서라고 생각할 수 있습니다.
반대로 다른 센서가 다음과 같이 측정했다고 가정해 보겠습니다.
- 95.0℃
- 95.1℃
- 94.9℃
- 95.0℃
측정값끼리는 서로 비슷하지만 실제 온도인 100℃와는 차이가 있습니다.
따라서 이 센서는 측정값의 일관성은 높을 수 있지만 실제 값에 대한 정확도는 낮을 수 있습니다.
즉, 정확도를 이해할 때 가장 중요한 질문은 다음과 같습니다.
“측정값이 실제 값에 얼마나 가까운가?”
정밀도(Precision)란?
정밀도는 측정값이 서로 얼마나 일관되고 모여 있는지를 나타내는 개념으로 이해할 수 있습니다.
같은 조건에서 동일한 대상을 여러 번 측정했을 때 값들이 서로 비슷하게 나온다면 정밀도가 높다고 표현할 수 있습니다.
예를 들어 실제 압력이 10bar라고 가정하겠습니다.
센서 A가 다음과 같이 측정했다고 생각해 보겠습니다.
- 9.9bar
- 10.1bar
- 10.0bar
- 9.9bar
센서 B는 다음과 같이 측정합니다.
- 8.0bar
- 12.0bar
- 9.0bar
- 11.0bar
센서 A는 실제 값에 가까울 뿐만 아니라 측정값도 비교적 일정하게 나타납니다. 반면 센서 B는 측정값의 편차가 크기 때문에 정밀도가 낮다고 볼 수 있습니다.
정밀도를 이해할 때 중요한 질문은 다음과 같습니다.
“같은 조건에서 반복 측정했을 때 결과가 얼마나 일정한가?”
정확도와 정밀도의 차이를 쉽게 이해하는 방법
정확도와 정밀도의 차이는 과녁을 생각하면 쉽게 이해할 수 있습니다.
과녁의 중앙이 실제 값이라고 가정해 보겠습니다.
1. 정확도가 높은 경우
측정값이 과녁의 중심 주변에 모여 있다면 실제 값과 가까운 것이므로 정확도가 높다고 볼 수 있습니다.
2. 정밀도가 높은 경우
측정값이 중심에서 조금 벗어나 있더라도 서로 아주 가까운 위치에 모여 있다면 정밀도가 높다고 볼 수 있습니다.
예를 들어 실제 온도가 50℃인데 센서가 계속 48℃ 근처를 측정한다면 측정값끼리는 매우 일정할 수 있습니다.
이 경우 정밀도는 높지만 정확도는 낮을 수 있습니다.
반대로 측정값이 48℃, 52℃, 49℃, 51℃처럼 넓게 퍼진다면 평균적으로 실제 값에 가까울 수 있지만 반복 측정의 일관성이 떨어지므로 정밀도가 낮다고 볼 수 있습니다.
결국 좋은 측정 시스템을 만들기 위해서는 정확도와 정밀도를 모두 고려해야 합니다.
정확도와 정밀도가 중요한 이유
산업 현장에서 센서의 측정값은 단순히 화면에 표시되는 숫자가 아닙니다.
센서가 측정한 값은 PLC, 컨트롤러, 데이터 수집 시스템 등에 전달되어 생산설비를 제어하거나 품질을 판단하는 데 사용됩니다.
예를 들어 온도센서가 실제보다 낮은 온도를 지속적으로 측정하면 제어 시스템이 히터를 계속 작동시킬 수 있습니다.
압력센서가 실제보다 높은 압력을 측정한다면 설비의 제어 조건이 달라질 수 있습니다.
유량센서의 측정값이 실제 유량과 크게 차이가 난다면 원료 투입량이나 생산 공정의 관리에도 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 센서의 정확도와 정밀도는 단순한 제품 사양이 아니라 생산 품질과 설비 운영에 직접적인 영향을 줄 수 있는 중요한 요소입니다.
반복성(Repeatability)이란?
센서 사양을 확인하다 보면 정확도와 정밀도 외에 반복성(Repeatability)이라는 용어도 볼 수 있습니다.
반복성은 동일한 조건에서 같은 대상을 반복해서 측정했을 때 측정값이 얼마나 일정하게 나오는지를 판단하는 데 사용되는 개념입니다.
예를 들어 동일한 압력을 여러 번 센서에 가했을 때 측정값이 거의 동일하게 나온다면 반복성이 좋다고 볼 수 있습니다.
다만 실제 제품의 데이터시트에서는 정확도, 반복성, 히스테리시스, 비선형성 등을 서로 다른 사양으로 표시할 수 있으므로 단순히 하나의 수치만 보고 센서의 전체 성능을 판단해서는 안 됩니다.
특히 제조사마다 정확도 사양을 정의하고 표현하는 방식이 다를 수 있기 때문에 제품 데이터시트의 정확도 정의와 시험 조건을 함께 확인하는 것이 중요합니다.
센서의 정확도는 어떻게 표시할까?
산업용 센서의 정확도는 제품에 따라 다양한 방식으로 표시됩니다.
대표적으로 측정 범위의 백분율인 %FS 또는 % of Full Scale과 같은 방식이 사용될 수 있습니다.
예를 들어 어떤 압력센서의 측정 범위가 0~10bar이고 정확도가 ±0.5% FS라고 가정해 보겠습니다.
이 경우 전체 측정 범위인 10bar를 기준으로 오차 범위를 계산하게 됩니다.
10bar × 0.5% = 0.05bar
따라서 단순화하면 전체 범위를 기준으로 약 ±0.05bar 수준의 오차가 발생할 수 있다는 의미로 이해할 수 있습니다.
하지만 실제 제품의 정확도는 온도 영향, 비선형성, 히스테리시스, 반복성 등을 어떻게 정의하고 있는지에 따라 달라질 수 있습니다.
따라서 ±0.5%라는 숫자만 보고 모든 조건에서 동일한 오차가 발생한다고 해석해서는 안 됩니다.
정확도와 측정 범위의 관계
센서를 선택할 때 흔히 하는 실수 중 하나는 정확도 숫자만 비교하는 것입니다.
예를 들어 A센서의 정확도가 ±0.5%이고 B센서가 ±1.0%라고 하면 A센서가 더 정확해 보입니다.
하지만 실제 사용 환경에서는 측정 범위가 더 중요할 수도 있습니다.
예를 들어 실제로 측정하려는 압력이 0~2bar인데 0~100bar 측정 범위의 센서를 사용한다면 센서의 전체 측정 범위가 실제 공정 범위에 비해 지나치게 넓을 수 있습니다.
따라서 센서를 선택할 때는 단순히 정확도 수치만 비교하기보다 실제 측정 범위와 필요한 측정 분해능, 오차 허용 범위 등을 함께 고려해야 합니다.
센서의 측정 오차의 발생 이유
센서의 측정값이 실제 값과 차이가 나는 이유는 매우 다양합니다.
1. 센서 자체의 특성
모든 센서는 일정 수준의 측정 오차를 가질 수 있습니다.
센서의 감지 소자와 신호 처리 회로의 특성에 따라 측정값에 차이가 발생할 수 있습니다.
2. 주변 온도의 영향
특히 산업 현장에서는 주변 온도가 크게 변할 수 있습니다.
센서 자체의 온도 특성에 의해 측정값이 영향을 받을 수 있기 때문에 제품의 사용 온도 범위와 온도에 따른 영향 등을 확인해야 합니다.
3. 설치 상태
센서를 잘못된 위치에 설치하면 실제 측정 대상의 상태를 정확하게 반영하지 못할 수 있습니다.
온도센서를 측정 대상과 충분히 접촉하지 않거나 압력센서를 진동이 심한 위치에 설치하는 경우 등이 대표적인 예입니다.
4. 전기적 노이즈
산업 현장에는 모터, 인버터, 전원 케이블 등 다양한 전기 장비가 존재합니다.
이러한 환경에서는 전기적 노이즈가 센서 신호에 영향을 줄 가능성이 있습니다.
5. 센서의 노후화
센서는 장기간 사용하면서 감지부나 전자회로의 특성이 변할 수 있습니다.
따라서 중요한 측정 시스템에서는 센서의 상태를 주기적으로 점검하고 필요한 경우 교정이나 교체를 검토해야 합니다.
센서 교정(Calibration)이 중요한 이유
정확한 측정이 필요한 산업 현장에서는 교정(Calibration)이 중요한 관리 항목입니다.
교정은 일반적으로 측정기의 표시값이나 출력값을 기준이 되는 측정값과 비교하여 측정 특성을 확인하는 과정입니다.
예를 들어 기준이 되는 온도 조건에서 센서의 측정값을 확인하고 실제 기준값과 얼마나 차이가 나는지 평가할 수 있습니다.
센서의 측정값에 지속적인 편차가 발생한다면 교정 결과를 바탕으로 필요한 조치를 검토할 수 있습니다.
중요한 점은 교정이 센서를 무조건 더 정확하게 만들어주는 작업이라는 의미보다는 센서가 기준에 대해 어떤 측정 특성을 가지고 있는지 확인하고 관리하는 과정이라는 것입니다.
정확도가 높은 센서를 선택하면 무조건 좋은 것일까?
반드시 그렇지는 않습니다.
산업용 센서를 선택할 때는 가장 높은 정확도를 가진 제품을 선택하는 것보다 실제 공정에 필요한 성능을 갖춘 센서를 선택하는 것이 중요합니다.
예를 들어 단순히 설비가 과열되고 있는지를 감시하는 용도라면 극도로 높은 정확도가 필요하지 않을 수 있습니다.
반면 반도체 제조나 정밀한 온도 제어처럼 작은 측정 오차도 공정에 영향을 미칠 수 있는 환경이라면 높은 수준의 정확도와 안정성이 필요할 수 있습니다.
또한 센서 가격뿐만 아니라 설치 비용, 유지보수 비용, 교정 비용, 교체 주기까지 함께 고려해야 합니다.
따라서 센서 선택에서는 다음과 같은 질문을 순서대로 확인하는 것이 좋습니다.
- 무엇을 측정하는가?
- 측정 범위는 얼마인가?
- 어느 정도의 오차까지 허용할 수 있는가?
- 반복 측정의 안정성이 중요한가?
- 주변 환경은 어떠한가?
- 얼마나 빠르게 측정해야 하는가?
- 어떤 출력 신호가 필요한가?
- 교정과 유지보수는 어떻게 할 것인가?
산업용 센서를 선택할 때 데이터시트를 보는 방법
센서의 데이터시트를 확인할 때는 단순히 정확도 하나만 보는 것보다 전체 사양을 함께 확인해야 합니다.
대표적으로 다음과 같은 항목을 살펴볼 수 있습니다.
측정 범위
센서가 측정할 수 있는 최소값과 최대값을 확인합니다.
정확도
실제 기준값과 측정값 사이의 차이에 관련된 사양입니다.
반복성
같은 조건에서 반복 측정했을 때 측정값이 얼마나 일정한지 확인합니다.
응답 시간
측정 대상의 변화가 센서 출력에 얼마나 빠르게 반영되는지 확인합니다.
사용 온도 범위
센서가 정상적으로 작동할 수 있는 주변 환경의 온도 조건을 확인합니다.
출력 방식
4-20mA, 0-10V, 디지털 통신 등 제어 시스템과 연결할 수 있는 방식을 확인합니다.
보호등급
먼지와 물 등의 외부 환경에 대한 보호 수준을 확인합니다.
이러한 정보를 종합해야 실제 현장에 적합한 센서를 선택할 수 있습니다.
정확도와 정밀도를 한 문장으로 정리하면
정확도와 정밀도의 차이를 가장 간단하게 정리하면 다음과 같습니다.
정확도는 “실제 값에 얼마나 가까운가”이고, 정밀도는 “측정값이 얼마나 일관적인가”입니다.
센서가 실제 값에 가깝고 반복 측정에서도 일정한 값을 보여준다면 정확도와 정밀도를 모두 만족하는 좋은 측정 성능을 기대할 수 있습니다.
하지만 실제 산업 현장에서는 센서의 사양뿐만 아니라 설치 환경, 배선, 온도, 진동, 전기적 노이즈, 교정 상태 등에 따라서도 측정 결과가 달라질 수 있습니다.
따라서 센서의 성능을 평가할 때는 제품의 데이터시트와 실제 사용 환경을 함께 고려해야 합니다.
마무리
산업용 센서에서 정확도(Accuracy)와 정밀도(Precision)는 비슷해 보이지만 서로 다른 개념입니다.
정확도는 측정값이 실제 값에 얼마나 가까운지를 나타내고, 정밀도는 동일한 조건에서 반복 측정했을 때 결과가 얼마나 일정한지를 이해하는 데 도움이 되는 개념입니다.
여기에 반복성, 히스테리시스, 비선형성, 온도 영향 등 다양한 측정 특성이 더해져 센서의 전체적인 성능을 결정합니다.
따라서 산업용 센서를 선택할 때는 “정확도가 가장 높은 제품”만 찾는 것보다 측정 범위, 정확도, 반복성, 응답 속도, 설치 환경, 출력 방식, 유지보수 조건을 종합적으로 확인하는 것이 중요합니다.
특히 센서 데이터시트에서 표시하는 정확도의 정의와 시험 조건은 제조사와 제품에 따라 다를 수 있으므로 숫자 하나만 단순 비교하지 않는 것이 좋습니다.
결국 좋은 센서란 가장 비싼 센서가 아니라 실제 측정 목적과 환경에 필요한 정확도와 정밀도를 갖춘 센서입니다.
이 차이를 이해해 두면 앞으로 온도센서, 압력센서, 유량센서, 거리센서 등 다양한 산업용 센서의 사양표를 확인할 때도 제품의 성능을 훨씬 정확하게 비교할 수 있습니다.
다음 글에서는 산업용 센서의 아날로그 출력과 디지털 출력의 차이점에 대해 알아보도록 하겠습니다.