진동 가속도센서 (Accelerometer)의 작동원리

 

진동 가속도센서 (Accelerometer)의 작동원리

진동 가속도센서 (Accelerometer)의 작동원리

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가장 보편적인 진동센서인 Accelerometer(가속도센서)는 진동 가속도를 직접 측정할 수 있는 Transducer(변환기, 센서)이다. 이 가속도는 지구에서 기본적으로 중력가속도1G(9.8m/s²)로 잡아당기고 있으므로 이를 측정하는 센서인  DC형(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(피에조;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 이 것이 압전식 가진기(Shaker)의 원리가 된다.

AC형 피에조가속도센서는 동센서이다. (가만히 있으면 가속도의 값도 '0'이 된다.  움직이는 진동 가속도만을 측정할 수 있다. 반면에 DC형 가속도센서는 모두 측정가능)

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, Hansford, Wilcoxon, CTC, Matrix와 독일의 Kistler 등을 말할 수 있다
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