가속도 센서의 원리

가속도 센서의 원리

가속도 센서가 무엇인지 모르시는 분들을 위해 원리를 설명 합니다

 

가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하며 관성력, 전기변형, 자이로의 응용
원리를 이용한 것이다. 가속도 센서는 물체의운동상태를 순시적으로 감지할 수 있으므로, 자
동차, 기차, 선박, 비행기 등 각종 수송수단, 공장자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 있어서 필
수적인 소자이며, 그 활용 분야는 대단히 넓다.
검출 방식으로 크게 분류하면, 관성식, 자이로식, 실리콘반도체식이 있다.
공업계측 분야에서는 기기의 진동 계측이나구조물의 진동계측 등에 사용되고 있다. 또, 항공기 관성 항공장치에서도 사용되고 있다.종래에는 가속도 센서라고 하면 가격이 비싸다는 이미지가 강했지만 최근에는 저가격의 것도 시판되고 있다.

앞으로는 가속도 센서의 저가격화가 시장 확대를 위한 중요한 요인이 될 것이다.

 

1. 가속도의 측정 원리
한쪽 끝이 고정된 막대형 진동체를 생각할 때 끝부분의 변위, 속도, 가속도의 위상은 변위에
대하여 90도, 180도앞선다. 이것은 가속도 센서에서는 넓은 주파수대에 걸친 출력 레벨이 일정하

게 되어 있기 때문에 같은 출력이면 주파수가 높을수록 변위는 작다는 것을 뜻한다. 즉, 인체
가 같은 진폭(변위)을 느끼고 있더라도 그 주기가 짧을수록(주파수가 높을수록) 가속도는 커지
게 되어 큰 충격을 받는다고 할 수 있다.
가속도 센서는 압전형, 동전형, 서보형, 변형 게이지형의 4종류로 크게 분류할 수 있다.

<표1>에 검출 방식과 그 원리를 나타낸다.

2. 가속도센서의 종류
(1) 관성식
     정지계를 기준으로 한 이른바 관성가속도를 측정하는 형식이며, 이에는 질량에 작용하는 가
     속도에 의한 반력, 즉 관성력을 이용한다.

      ① 진자형 : 진자형은 마찰이 적은 피벗 베어링으로 진자를 지지한다. 가속도 α가 가해 지면,

                      진자는 반대 방향으로 변위하는데 이 변위를 측정하여 가속도를 구한다.

                      
                                 

   ② 진동형 : 질량 m 을 양측에서 현으로 지지하고 현의 진동수 f1, f2 의 차를 검출한다. 가속도 α가

                   한방향으로 가해지면 현의장력에 차가 생겨, 그 주파수 차이로 가속도를 구한다.

                          

(2) 자이로식
        자이로란 관성계에 작용하는 각속도를 감지하는 것이다. 자이로를 구성하는 중요한 요소에
        코리올리의 힘이 있다. 관계 식은 다음과 같다.
       ∴F=mr(ω+Ω)²=mrω²+2mrΩ+mγΩ²
        여기서 v=rω이고, 평판을 기준으로 한 m의 회전속도이다. 식의 제 1항은 평판을 기준으로
        한 좌표에서 측정한 경우의 원심력이고, 제 2항 은 m의 회전 w와 평판의 회전 Ω의 벡터곱의
        힘이며, 그것은 v와 Ω에 직각 방향의 힘이고 이것이 이른바 코리올리의 힘이다. 즉, 평판이
        정지하고 있는 것을 기준으로 측정하면, m에는 원심력 mrω²과 코리올리의 힘 2mγΩ 및 제 3항
        의 mγω²이 작용하는 것이 된다. 이 코이올리의힘은 ω=0일 때 0이 되고 Ω의 측정은 제 3항을
        검출하는 것이 된다. 보통 Ω은 작으므로 그 힘도 작다. 그러나 ω≠으로써 ω>>Ω인 각속도로 회
        전시켜 두면 2mrωΩ라는 비교적 큰 힘을 검출하 여 Ω를 측정할 수 있다. 이상과 같이 코이올리
        의 힘을 이용함으로써 Ω를 검출할 수 있다.

        이렇게 이야기 하니까 머리 돌아 버릴꺼다. 그냥 실에다가 돌맹이 달아서 돌리면 무거운거

        하고 가벼 운것 하고 차이가 난다. 즉 일정 질량의 무엇을 돌리면 어떤가를 상상해 보라

 

         ① 진동형 : 자이로를 구성하는 질량의 운동이 일정한 각속도의 회전운동이 아니고, 그림
                         과 같이 음의진동에 의한 것이다. 따라서 Ω 라는 각속도가 가해진 경우 코이올리

                         의  아니 코흘리게 라고 할 까 이 힘은 음의 진동수와 같은 진동수의 진동 토크를

                         발생하고, 이 토크에 의한 진동을 검출하여 Ω를 측정한다. 이 방식은 Ω=0인 경우에

                         ω의 각진동수를 가진 불필요 진동이 생기는 결점이 있다. 그러나 베어링과 같은 마

                         찰 부분이 없는 이점이 있다.

                         
                                                         

         ② 유체형 : 운동체로서의 가스를 쓴 것을 그 림과 같다. 가스 펌프로 일정 방향의 가스류를

                         발생시켜, 브리지의 2변의 저항체를 균등하게 냉각시킨다. 여기서 자이로의 z축에

                         각속도 Ω이 가해지면 가스 분자가 코리올리의 힘을 받아 가스류가 y방향으로 흐르

                         고, 두 저항값이 불평형하게 된다. 이에 의해서 생기는불평형 전압이 Ω에

                         비례한다. 이 자이로의구조는 간단하지만 정밀도가 좋지 않다.

                         이외에도 레이저 자이로형, 회전형 등이 있다.
                                          

[출처] 가속도 센서의 원리|작성자 북청물짱

참고 자료  ↓↓↓↓↓↓↓↓