가속도센서2 (Accelerometer; 가속도 비례출력 진동센서) 작동원리

Accelerometer(가속도센서)는 변위를 시간의 변수로 두 번 미분한 가속도를 직접 측정할 수 있는 Transducer(변환기, 센서)이다. 이 가속도는 지구에서 기본적으로 중력가속도1G(9.8m/s²)로 잡아당기고 있으며 이를 측정하는 센서로 DC를 측정할 수 있는(운동과 진동을 모두 측정) 가속도센서를 제외한다면 ‘Accelerometer란’ 대체로 AC의 측정(진동, Vibration)이 가능한 범용적인 ‘진동센서’를 의미한다고 할 수 있다. 이 가속도 진동센서의 작동원리를 살펴보자.

Accelometer의 작동원리(압전효과)

가속도 진동센서는 Piezoelectric, Capacitive, Resistive - Strain Gauge, Servo, MEMS, wire potentiometer, Variable Inductance, Fiber Optic 등 다양한 원리와 방식으로 가속도와 비례하는 전하량을 출력할 수 있으나 그 중에서도 압전효과(Piezoelectric)에 의한 방식의 가속도계가 가장 범용적으로 많이 사용되고 있으므로 ‘Accelerometer’란 압전형 진동센서라고도 할 수 있다. 이 Piezoelectric 방식의 가속도센서가 대표할 수 있다고 말할 수 있는 이유는 고주파 선형성도 좋지만 저주파도 계측기가 허용하는 한 측정이 가능하도록 센서의 선택사양이 가능하며 다른 종류의 센서에 비해 견고하고 가격이 비교적 저렴한 편이며 크기도 작은 것을 선택할 수 있으므로 설치와 측정이 편리하기 때문이다.

압전형 가속도계의 원리는 압전형 물질(Crystal소자, 압력과 전하량간의 관계가 가속도와 비례함)의 상부 혹은 측면에 가속도에 반응하는 질량을 부착하게 되고 이 질량의 움직임은 압전소자에 압력을 주게 되므로 이 때 발생하는 압전형 물질로부터 발생하는 전하량을 이용한다. 이 압전효과를 발견하고 시연한 Curie형제의 이름을 따서 ‘퀴리효과’라고도 한다. 또한 이 작용을 거꾸로 시행하면 전기를 주고 진동을 발생시킬 수도 있으며 압전식 가진기(Shaker)의 원리가 된다.

압전소자는 자연석(Quartz crystal)을 사용하기에는 품질이 좋지 않고 아름다우므로 보석류로 사용되며 대부분 Polling처리(결이 한쪽으로 진행되도록 극성화)를 하고 가공한 합성석(Piezoceramic)을 사용한다. 이 Piezoceramic은 압력에 반응하므로 센서내부의 배치방법에 따라 압축형, 전단형, 휨형 등 다양하게 설치하여 제품화하게 되는데 견고하고 정확한 값을 내기 위해서 삼각형의 전단방식(Tri-sheard)같은 복합형 설치방식이 사용되기도 한다. 그 밖에도 내부에 증폭회로(ICP, IEPE), Ground 노이즈차단(Isolated), 3축방향센서 등 다양한 조립공정 등이 투입된다. 이러한 공정은 실제로 일일이 사람에 의한 수공정에 의해 정밀하게 가공하고 교정하므로 크기에 비하면 가격이 싸지는 않은 편이다.

전세계의 수요층과 시장에 공급할 수 있는 Main 공급사는 미국의 PCB(IMI), B&K, Endeveco, Wilcoxon, CTC, Matrix와 독일의 Kistler 등을 말할 수 있다.

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