관성 센서는 많은 최신 장치의 필수 구성 요소입니다. 가속도, 방향 및 각속도를 측정하는 데 사용됩니다. 이것들 센서 항공 우주, 로봇 공학 및 자율 주행 차량과 같이 정확한 위치 지정 또는 이동 추적이 필요한 응용 프로그램에 특히 유용합니다. 기술 발전으로 관성 센서는 더 작고 정확하며 저렴해졌습니다. 이 블로그 게시물에서는 관성 센서, 어셈블리, 애플리케이션 및 향후 동향을 개괄적으로 설명합니다.
관성 센서란 무엇인가요?
관성 센서는 물체의 가속도, 기울기 및 진동을 감지하고 측정합니다. 관성력을 측정 가능한 전기 신호로 변환합니다. 흥미롭고 유용한 능력입니다. 내비게이션, 방향 및 모션 캐리어 제어를 해결하는 데 중요합니다. 관성 센서 부품에는 일반적으로 가속도계와 각속도 센서(자이로)가 포함됩니다. 단일, 이중 및 3축 조합 IMU 및 AHRS는 중요한 역할을 합니다.
MEMS 관성 센서를 생산하는 미세 가공 기술이 가능해집니다. 이 기술은 단결정 실리콘 센서 소자를 사용하여 생산하는 데 사용됩니다. 이렇게 생산된 미크론 수준의 센서는 거의 모든 주요 시스템 설계 동인을 충족할 수 있습니다. MEMS 관성 센서는 거시적 관성 센서와 동일한 원리를 가지고 있습니다. 작은 센서 셀을 사용하여 수 미터 길이의 물체에서 가장 작은 변화를 감지할 수 있습니다. 이러한 사소한 변화에는 개체의 위치, 방향 및 가속도가 포함됩니다.
MEMS 관성 센서에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 하나는 하나 이상의 축에서 선형 가속도를 측정할 수 있는 가속도계입니다. 사람들은 종종 이 가속도계를 사용합니다. 다른 하나는 각도 운동을 측정할 수 있는 자이로스코프입니다. 이것들 센서 모두 특정 응용 프로그램을 위해 사람들이 만든 것 같습니다. 이러한 관성 센서는 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 때문입니다.
이러한 센서의 대역폭, 해상도 및 동적 범위는 제품에 따라 다릅니다. 예를 들어, 자동차 에어백 해제 시스템은 관성 센서에서 매우 높습니다. 최대 0.5KHz의 대역폭과 500mG 이상의 해상도를 가져야 합니다. 동적 범위는 대략 +/-100G 이내여야 합니다. 다른 유형의 장비는 이러한 범위에 대한 요구 사항이 다릅니다. 공기 미세 중력 측정 장비에는 0-10Hz의 광대역을 가진 관성 센서가 필요합니다. 그러나 분해능은 <1µG까지 정확해야 하고 동적 범위는 +/-1G 미만이어야 합니다.
여기 내비게이션 애플리케이션용 관성 센서 기술에 대한 PDF.
관성 센서는 모든 애플리케이션 또는 장비에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 장치 또는 응용 프로그램의 더 큰 제어 시스템의 일부입니다. 물체의 가속도나 각운동만 알고 있다면 그 정보는 그다지 유용하지 않습니다. 이 센서에서 수집된 정보는 주로 기기의 동작을 제어하는 데 사용되기 때문입니다. 물론 자동차에서 에어백을 여는 것과 같은 액추에이터를 작동시킬 수도 있습니다.
관성 센서 어셈블리
가속도계 센서
가속도계 센서는 가속도계라고도 하는 관성 센서의 중요한 구성 요소입니다. 센서는 하나 이상의 축에서 가속도 측정을 지원합니다. 가속도계는 기계식 센서 요소(표준 질량 블록)와 감지 회로로 구성됩니다. 한편, 감지 요소는 주로 기계식 서스펜션 시스템에 의해 기준 프레임에 연결된 질량 블록으로 구성됩니다. 감지 질량은 MEMS 센서에서 매우 작은 지진 질량입니다. 반면 기계식 서스펜션 시스템은 고품질 실리콘 스프링으로 제작됐다.
센서는 가속으로 인한 관성력을 받습니다. 이제 검출 질량이 안정된 위치에서 벗어납니다. 뉴턴의 두 번째 운동 법칙이 이를 잘 설명합니다. 라플라스 방정식은 가속에 대한 질량 블록의 처짐을 표현할 수 있습니다.
X / a = 1 / (s 2 + b / m + s × k / m)이 방정식에서 다른 문자는 다른 것을 나타냅니다. x는 질량 블록의 변위를 나타내고 a는 가속도입니다. s는 Laplace 연산자를 나타내고 b는 감쇠 계수를 나타냅니다. m은 질량 블록의 질량을 의미합니다. k는 서스펜션 시스템의 기계적 스프링 상수입니다.
센서의 공진 주파수는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
fn = √￣(k/m)품질 계수 방정식은 다음과 같이 표현됩니다.
Q = √￣ (m × k) / b센서의 감도(개방 루프에서)는 다음과 같이 표현됩니다.
에스 = 엠 / 케이위의 알고리즘에서 규칙을 볼 수 있음은 분명합니다. 감도를 높이거나 낮추면 항목의 공진 주파수가 변경됩니다. 폐쇄형 루프 시스템을 사용하면 사람들이 이 트레이드 오프를 자유롭게 조정할 수 있습니다. 감쇠 계수는 가속도계의 최대 대역폭을 결정합니다. 댐핑 팩터는 일반적으로 MEMS 가속도계에서 가변적입니다. 이 계수는 감지된 질량의 변위와 함께 증가합니다.
질량 블록의 변위는 모든 마이크로 기계 가속도계에서 측정할 수 있습니다. 사람들은 위치 측정 인터페이스를 통해 이 변위 거리를 측정할 수 있습니다. 측정 방법은 캐패시턴스 측정과 동일합니다. 매스 블록에 부착된 가동판은 고정 용량성 전극 사이를 이동합니다. 가속도계 설계에는 여러 가지 유형의 감지 메커니즘이 적용됩니다. 이러한 감지 방법에는 압전 저항, 압전, 용량성, 광학 및 터널링 전류가 포함됩니다.
가속도계는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 시스템을 지원합니다. 개방 루프 가속도계는 위치 측정 인터페이스의 전기 신호를 사용합니다. 그런 다음 가속도계는 전기 신호를 출력 신호로 변환합니다. 개방형 루프 가속도계는 구축하기 쉽기 때문에 대부분의 사람들이 이를 사용합니다. 개방 루프 가속도계도 단점이 있습니다. 사람들이 높은 허용 오차로 가속도계를 관리해야 합니다. 감쇠 계수는 가속도계가 가변 스프링 상수를 갖기 때문입니다. 개방 루프 가속도계의 질량 변위에는 비선형성 검사도 필요합니다.
폐쇄 루프 가속도계는 감지된 질량이 정지 위치로 돌아갈 수 있도록 합니다. 질량에 의해 가해지는 피드백 힘을 추적하려는 피드백 시스템에 의존합니다. 이 피드백 힘은 폐쇄 루프 가속도계 가속도에 비례합니다. 피드백 힘은 비선형성으로 상쇄되고 감도는 피드백 제어에 따라 달라집니다. 피드백 신호는 전기 신호 컨트롤러를 사용하여 센서의 역학을 제어하는 데에도 사용할 수 있습니다. 정전기, 열 또는 자기력에 의해 구동되어 테스트 질량을 정지 위치로 되돌릴 수 있습니다. 사람들은 종종 피드백 신호를 아날로그 또는 디지털 형식으로 표시할 수 있습니다. 이러한 모든 디자인은 센서의 복잡성을 더합니다.
많은 유형의 가속도계가 있으며 다음은 가속도 감지의 몇 가지 일반적인 방법입니다.
- 기계식 가속도계
- 광학 및 표면 탄성파 가속도계
- 유체 기반 가속도계
- 점성 플로트 기반 가속도계
- 압력 구동 가속도계
- 처리되지 않은 유체 기반 가속도계
각속도 센서
자이로스코프라고도 하는 각속도 센서는 물체의 회전을 측정하도록 설계되었습니다. MEMS 자이로스코프는 주로 코리올리 원리를 사용합니다. 두 가지 힘이 회전 시스템에서 움직이는 질량을 방해합니다. 이 두 가지 힘은 회전축에 수직인 힘과 운동 방향의 힘입니다. 기계적 메커니즘은 일반적으로 MEMS 자이로스코프를 구성합니다. 이 기계적 구조는 코리올리 힘에 의해 공진됩니다. 동일한 또는 2차 구조에서 2차 진동을 여기시킵니다. 물론 코리올리 힘은 구동력보다 작습니다. 따라서 모든 MEMS 자이로스코프는 진동 구조에서 전향력 현상을 사용합니다.
내부 프레임의 질량 블록에 연결된 한 쌍의 스프링이 진동 구조를 형성합니다. 내부 및 외부 프레임은 또 다른 직교 스프링 세트로 연결됩니다. 내부 프레임과 외부 프레임 사이에 정전 용량에 민감한 손가락이 있습니다. 이 커패시턴스 감지 핑거도 직교 스프링을 따라 연결됩니다. 코리올리 힘은 물체의 속도가 증가함에 따라 회전하는 물체의 각속도와 함께 증가합니다. 또한 회전축을 향하거나 회전축에서 멀어집니다. 그런 다음 검사 질량은 내부 스프링을 통해 연속적으로 정현파로 구동됩니다. 공진 테스트 질량은 시스템이 회전할 때 코리올리 힘을 받게 됩니다. 질량은 내부 프레임과 외부 프레임 사이의 직교 스프링에 의해 이 힘을 받게 됩니다. 이 힘이 그것을 변화시킬 것입니다. 이 힘은 정전식 감지 핑거 사이의 거리를 변경합니다. 따라서 각속도 센서는 해당 전기 신호를 동시에 출력합니다. 이 신호는 코리올리 힘에 비례합니다.
다른 각속도 센서 하위 집합의 정확도 범위는 편차가 있습니다. 각속도 센서의 일반적인 유형은 다음과 같습니다.
- 동적으로 조정된 자이로스코프(DTG)
- 진동 자이로스코프
- 광학 자이로스코프
- 유체 기반 각속도 센서
- 속도 통합 자이로스코프
- 전자기유체역학 자이로스코프
- 이중 축 속도 센서
- 제트 및 볼텍스 자이로스코프
- 미세 가공 유체 기반 각속도 센서
관성 센서 애플리케이션
관성 센서는 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있습니다. 이전에는 관성 센서가 일반적으로 군사 및 항공 우주 응용 분야로 제한되었습니다. MEMS 관성 센서의 급속한 개발은 더 많은 응용 분야에서 가능해지고 있습니다. 그것은 자동차 및 다양한 소비자 가전 분야에서 매우 인기가 있습니다.
사람들은 자동차 산업에서 자동차 에어백과 안전벨트에 가속도계를 사용합니다. 그리고 자이로스코프는 전복 방지 보호 및 자동 표시기와 같은 애플리케이션에 사용됩니다.
소비자 전자 제품 분야는 더 넓은 범위의 응용 프로그램을 가지고 있습니다. 사람들은 카메라, 가상 현실 헤드셋, 스마트 장난감 및 게임용 키보드에서 사용할 수 있습니다. 우리 생활에서 사용되는 스마트폰과 태블릿에는 관성 센서 시스템이 장착되어 있습니다. 주로 화면 회전 및 게임을 감지하고 사용자의 현실감 경험을 향상시키는 데 사용됩니다.
또한 사용자가 로봇 조작기 및 무인 로봇 차량의 위치와 방향을 확인하는 데 사용할 수 있도록 지원합니다. 이러한 센서는 의료 분야에서도 사용할 수 있습니다. 의사에게 도움이 될 수 있습니다. 환자 추적 특정 질병을 앓고 있습니다. 예를 들어, 파킨슨병 환자를 모니터링합니다. 고정밀 관성 센서는 주로 군사 및 항공우주 분야에 사용됩니다. 사람들은 스마트 탄약, 충돌 감지 및 비행기/미사일 비행 제어에 사용할 수 있습니다.
관련 자료: 인간 동작 분석을 위한 관성 센서 시스템의 사용
관성 센서의 미래 동향
관성 센서의 정확도는 시간이 지남에 따라 크게 향상되었습니다. 내비게이션 및 안내 응용 프로그램의 크기, 비용 및 정확도 요구 사항을 크게 충족했습니다. 지난 몇 년 동안 순전히 기계적인 것에서 다양한 기술을 통합할 수 있는 것으로 발전했습니다. 이러한 기술에는 핵 자기 공명 기술과 저온 원자 기술이 포함됩니다. 또한 많은 물리적 현상을 사용하여 물체에 적용되는 전력을 정확하게 계산할 수 있습니다. 그러나 관성 센서의 오류 특성은 여전히 연구해야 할 과제입니다. 나는 사람들이 곧 이 도전을 극복할 것이라고 믿습니다.
가속도 센서와 각속도 센서는 관성 센서의 중요한 구성 요소입니다. 그러나 관성 센서 기술은 다양한 산업 분야의 다양한 응용 분야에 적용됩니다. 그러나 제품의 특성에 따라 형성할 관성 센서 부품의 선택이 다를 수 있습니다. 모든 관성 센서가 동일한 것은 아닙니다.
관성 센서 FAQ 정보
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관성 센서란 무엇이며 어떻게 작동합니까?
관성 센서는 가속도와 회전의 변화를 감지하여 움직임과 방향을 측정하는 장치입니다. 미세 전자 기계 시스템(MEMS)을 사용하여 작동하여 작은 질량의 움직임 변화를 감지합니다.
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다양한 유형의 관성 센서는 무엇이며 어떻게 사용됩니까?
관성 센서의 두 가지 주요 유형은 가속도 변화를 측정하는 가속도계와 회전 변화를 측정하는 자이로스코프입니다. 내비게이션, 모션 트래킹, 로보틱스 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.
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내비게이션 및 포지셔닝 시스템에서 관성 센서는 어떻게 사용됩니까?
관성 센서는 GPS 및 기타 포지셔닝 시스템과 함께 사용하여 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 내비게이션을 제공할 수 있습니다. GPS 신호를 사용할 수 없는 실내 포지셔닝 시스템에서도 사용할 수 있습니다.
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관성 센서는 스포츠 및 피트니스 응용 분야에서 동작 추적 및 분석을 어떻게 개선합니까?
관성 센서는 운동 선수와 피트니스 애호가에게 속도, 가속도, 점프 높이와 같은 움직임과 성능에 대한 실시간 데이터를 제공할 수 있습니다. 이 데이터는 훈련을 개선하고 부상을 예방하는 데 사용할 수 있습니다.
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관성 센서는 로봇 공학 및 자동화에 어떻게 사용됩니까?
관성 센서는 로봇 및 기타 기계의 움직임과 방향에 대한 피드백을 제공하기 위해 로봇 공학 및 자동화에 사용될 수 있습니다. 이는 제조 및 기타 산업에서 정밀도와 정확성을 향상시킬 수 있습니다.
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의료 및 의료 기기에서 관성 센서의 잠재적인 응용 분야는 무엇입니까?
관성 센서는 재활 또는 물리 치료와 같은 환자의 움직임과 활동을 모니터링하고 추적하기 위해 의료 및 의료 기기에 사용할 수 있습니다. 또한 노인 인구의 낙상을 감지하고 예방하는 데 사용할 수 있습니다.
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관성 센서는 노인 인구의 낙상을 어떻게 감지하고 예방할 수 있습니까?
관성 센서는 낙상을 나타낼 수 있는 가속도 및 방향의 변화를 감지하기 위해 웨어러블 장치에 사용할 수 있습니다. 이 정보는 간병인이나 응급 서비스에 알리고 부상을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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감시 및 보안 시스템에서 관성 센서를 사용하는 것의 윤리적 의미는 무엇입니까?
감시 및 보안 시스템에서 관성 센서를 사용하면 개인 정보 보호, 데이터 보안 및 오용 가능성에 대한 윤리적 문제가 제기됩니다. 개선된 안전 및 보안의 이점과 개인의 권리 및 자유에 대한 잠재적 위험 간의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.
