응용 분야에 따른 가속도계 선택

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○ 가속도계 응용 분야

가속도계를 사용하는 다양한 응용 분야가 있으며,  간략화를 위해 적용 분야를 세 가지 유형으로 요약했다.

운동
운동은 위치 또는 속도의 "느린" 변화로 정의된다. 예 로는 사람의 움직임, 방향 추적, 파도, 로켓 이륙과 같은 지속적인 가속을 받는 경우다.

진동
진동은 평형 위치에 대한 왕복 운동으로 정의된다. 예 로는 전기 모터, 터빈이나 베어링의 모니터링, 상태 모니터링 및 공명 감지가 있다.

충격
충격은 일반적으로 구조물의 공진을 일으키는 가속도의 갑작스런 변화로 정의된다. 예 로는 낙하 시험, 자동차 충돌 시험 및 완충기 / 충격 흡수 장치 시험이 포함된다.

 

○ 3가지 가속도계 형식(Capacitive MEMS, Piezoresistive, and Piezoelectric)

다양한 가속도계 유형을 논의하기 전에 DC 및 AC 응답을 정의하는 것이 중요하다.

DC 응답 가속도계는 출력값이 DC 결합으로 중력 벡터 및 기타 지속적인 가속도를 측정하는 데 필요한 0Hz까지 측정 할 수 있다. 또한 가속 데이터를 적분하여 속도나 변위를 구하는 충격 분야에도 필요하다. DC 응답이 없는 가속도계는 장기 거동에서 대한 수치 적분 중에 심각한 오류를 발생시키는 고유 감퇴 기능이 있다.

AC 응답 가속도계는 출력값이 AC 결합으로 중력 및 지속적인 가속과 같은 정적 가속도를 측정 할 수 없다. 또한 일반적으로 느린 진동 (수 헤르츠 미만)을 측정 할 수 없지만, 0.1Hz까지 내려가는 고감도 가속도계가 있다. AC 응답 가속도계는 넓은 주파수 응답과 높은 신호 대 잡음비로 인해 모든 진동 시험에 선호되는 옵션이다.

1. Capacitive MEMS 가속도계

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)는 가속도계를 제조하는 데 사용하는 제작 기술이다. 사람들이 MEMS 가속도계를 언급 할 때 이 기술은 Piezoresistive 가속도계에도 사용될 수 있지만 Capacitive 가속도계를 언급 할 가능성이 높다. Capacitive MEMS 가속도계는 센서 질량 가속시 Capacitance 변화를 기반으로 작동한다.

MEMS 제작 기술은 더 낮은 제조 비용과 더 작은 크기로 가속도계 제작을 가능하게 했다. 이것은 우리의 일상 생활 (iPhone, Wii 등)에 훨씬 더 널리 퍼지게되었다. 저 비용 및 작은 크기로 인해 Capacitive MEMS 가속도계는 종종 PCB(인쇄 회로 기판)에 직접 장착되는 표면 실장 장치(SMD)로 제공된다. 거의 모든 모바일 장치에는 MEMS 가속도계가 있고 다른 많은 전자 장치에는 동작 추적 및 디스크 드라이브 보호(낙하 감지 용)를 위한 가속도계가 있다.

Capacitive MEMS 가속도계는 DC 커플링되므로 저주파 진동, 동작 및 정상 상태 가속을 측정하는 데 가장 적합하다. 그러나 신호 대 잡음비가 좋지 않고 대역폭이 제한되며 작은 가속도 수준 (200g 미만)으로 제한된다. Capacitive MEMS 가속도계는 매우 저렴하고 전기 시스템에 쉽게 통합 할 수 있으므로 상당히 인기있다.

2. Piezoresistive 가속도계

압저항은 DC 응답 가속도계에 일반적으로 사용되는 감지 기술이다. 압저항 가속도계는 가속도계의 진동 시스템의 일부인 스트레인 게이지에서 저항 변화가 발생한다. 압저항 가속도계는 매우 넓은 대역폭을 가지고있어 충돌 시험과 같은 짧은 주기(고주파) 충격을 측정하는 데 사용할 수 있다. 압저항 가속도계는 가스 또는 유체 감쇠로 가속도계를 보호하며, 가속도계가 내부 공진 주파수에 도달하는 것을 방지하여 동적 범위를 더욱 넓힌다.

압저항 가속도계는 0 헤르츠까지 측정하므로 속도 또는 변위 정보를 정확하게 계산하는 데에도 사용할 수 있다. 압저항 가속도계는 일반적으로 감도가 매우 낮아 정확한 진동 시험에 덜 유용하다. 압저항 가속도계는 온도 변화에 민감하므로 온도 보상이 필요하지만 현재 대부분은 내부적으로 보상을 포함하고 있다. 압저항 가속도계는 Capacitive MEMS 가속도계보다 훨씬 비싸며 일반적으로 낮은 주파수 및 진폭 시험에 사용되지 않는다. 압저항 가속도계는 주파수 범위와 진폭이 일반적으로 높은 임펄스 / 충격 측정에 가장 적합한 유형이다. 예를 들어 자동차 충돌 시험 및 무기 시험이 있다.

3. Piezoelectric 가속도계

압전 가속도계는 일반적으로 가속시의 비례 전하 또는 출력을 생성하는 티탄산 지르콘산 연(PZT)을 감지 요소로 사용한다. 압전 가속도계는 시험 및 측정 분야에 가장 널리 사용되는 가속도계이다. 넓은 주파수 응답, 우수한 감도 및 쉬운 설치로 인해 대부분의 진동 측정에 대해 첫 번째로 선택한다. 또한 매우 인기가 있으므로 다양한 감도, 무게, 크기 및 모양으로 제공된다. 압전 가속도계는 잡음 수준이 매우 낮으므로 모든 유형의 충격 및 진동 시험에 고려된다. 유일한 제외 사항은 AC 커플링이기 때문에 속도 및 변위 데이터가 필요한 분야를 위한 것이다. 또한 정적 가속도를 측정 할 수 없으며 일반적으로 수 헤르츠 미만의 진동을 측정 할 수 없다. 압전 가속도계는 가속도계가 측정 범위를 벗어난 가속도 수준을 경험할 때 포화되면 전하 증폭기가 필요하다. 따라서 측정 범위를 예상되는 가속 수준보다 약간 큰 가속도계를 선택하는 것이 중요하다.

전하 모드 압전 가속도계는 극한 온도 (-200 ° C ~ + 400 ° C)를 포함하는 열악한 환경 조건을 견딜 수있는 능력으로 인해 가장 내구성이 강한 센서 유형으로 간주 될 수 있으며 일부는 핵 환경에서도 작동 한다. 전하 모드 압전 가속도계의 높은 임피던스로 인해 노이즈를 차단하려면 특수 케이블이 필요하다. 또한 전하 증폭기가 필요하므로 일반적으로 이러한 가속도계를 사용하면 시스템이 조금 더 복잡하고 비용이 많이 든다.

전압 모드 내부 전자 압전 (IEPE) 가속도계는 가장 일반적으로 사용되는 가속도계 유형이 되었습니다. IEPE 가속도계는 기본적으로 가속도계에 전하 증폭기가 내장 된 전하 모드 압전 가속도계이다. 이 때문에 IEPE 가속도계는 특별한 케이블 링이 필요하지 않으며 시스템과 통합하기가 매우 쉽다. 일정한 DC 전원이 필요하지만 현재 많은 데이터 수집 시스템에이를 포함합니다. IEPE 가속도계에 포함 된 마이크로 전자 회로는 전하 모드 가속도계와 비교할 때 열악한 환경을 견딜 수있는 능력은 제한된다. IEPE 가속도계는 여전히 대부분의 응용 분야에 충분히 적합한 -40 ° ~ + 125 ° C 이상의 온도 범위를 갖는다.

 

○ 응용 분야별 가속도계 요구사항

다음 표에는 여러 일반적인 시험 분야에서 작동하는 가속도계 유형을 요약하였다. 충격 시험을 수행 할 계획이고 속도 또는 변위에 대한 가속 데이터를 적분하려는 경우 Capacitive MEMS 또는 압저항 가속도계를 사용해야한다는 점을 더이상 말할 필요 없다. 압전 가속도계는 진동 시험에 큰 도움이 된다. 그러나 저주파 응용분야에는 특수 고감도 가속도계가 필요하다.

응용분야	Piezoelectric	Capacitive MEMS	Piezoresistive
Static Acceleration (0Hz, 1g) Gravity, Sensor Grientation		v	v
G-Force (0Hz, < 25g) Rocket, Centrifugal, Aircraft		v	v
Seismic(< 1Hz, < 1g) Earthquake, Waves, Bridges	v
Low Frequency Vibration(< 5Hz, < 25g) Human Motion, Robotics	v	v	v
General Vibration(5Hz to 500Hz, < 25g) Electric Motor, Car Suspension	v	v
High Frequency Vibration(> 500Hz, < 25g) Gear Noise Analysis, Turbin Monitoring	v
General Shock(< 100Hz, < 200g) General Testing, Shock Absorber Testing	v	v	v
High Impact Shock(< 250Hz, > 200g) Drop Testing	v		v
Extreme Shock(> 1,000Hz, > 2,000g) Vehicle Crash Testing, Metal on Metal	v		v