압전 가속도계(Piezoelectric Accelerometer)는 일반적으로 진동 및 충격 테스트에 사용됩니다. 이 장치는 유압 및 공압 섭동, 임펄스(충격) 힘, 기계 및 장비 진동, 불꽃 충격 등에서 발견되는 고주파 가속 신호를 측정하는 데 매우 적합할 수 있습니다.
압전 가속도센서의 기본 개념에 대해 알아보겠습니다.
1. 압전 효과
압전 가속도계의 첫 번째 핵심 측면은 압전 효과입니다. 일반적으로 압전 재료는 기계적 응력을 받을 때 전기를 생산할 수 있습니다.
반대로, 압전 재료에 전기장을 가하면 변형되어 작은 기계적 힘을 생성할 수 있습니다. 대부분의 EE는 압전 효과에 익숙하지만 이 흥미로운 현상의 세부 사항은 때때로 완전히 이해되지 않습니다.
이 효과에 대한 더 깊은 통찰력은 압전 센서의 작동을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그림 1은 압전 재료에 대한 외부 기계적 힘의 영향을 보여줍니다.
그림 1(a)에서 볼 수 있듯이 기계적 응력이 없으면 분자의 음전하와 양전하의 중심이 일치하므로 분자가 전기적으로 중성입니다.
그림 1(b)에 표시된 것처럼 기계적 힘을 가하면 구조가 변형되고 분자의 양전하와 음전하의 중심이 분리되어 재료에 많은 작은 쌍극자가 생성됩니다.
일부 고정 전하는 압전 재료의 표면에 나타납니다. 생성된 전하의 양은 적용된 힘에 비례합니다.
2. 압전 재료가 전류를 생성하는 방법
압전은 유전체 재료의 한 종류이며 전류의 절연 또는 매우 열악한 전도체입니다. 그러나 압전 재료의 반대쪽 표면에 두 개의 금속 전극이 증착되면 압전 효과에 의해 생성된 전기장을 사용하여 전기를 생산할 수 있습니다.
그림 1(b)와 같이 와이어를 통해 두 전극을 함께 연결하면 도체의 자유 전자가 양전하를 띤 전극을 향해 흐르고 전류가 생성됩니다. 이 전류 흐름은 양극에 자유 전자를 축적하고 압전 효과에 의해 생성된 원래 자기장의 반대 방향으로 전기장을 생성합니다.
이 효과는 정전기력에 의해 생성된 전류가 짧은 시간 동안만 지속될 수 있는 이유를 설명합니다. 전류는 자유 전자의 축적으로 인한 전기장이 압전 효과에서 자기장을 상쇄할 때까지 계속됩니다.
이제 외력을 제거하면 재료가 원래 모양으로 돌아가고 압전 효과로 인한 전기장이 사라지므로 반대 방향의 전류가 와이어를 통해 흐릅니다.
3. 압전 가속도계의 구조
압전 가속도계에서 압전 소자는 일반적으로 증거 질량이라고 하는 알려진 질량량을 가속도계 본체에 연결하는 데 사용됩니다.
센서 프레임이 외력으로 인해 가속되면 증거 질량은 관성으로 인해 "뒤로 유지"되는 경향이 있으며 압전 소자를 약간 변형시킵니다. 이것은 압전 소자가 입력 가속도를 결정하기 위해 측정할 수 있는 전하 출력을 생성하도록 합니다.
그림 2는 압전 가속도계의 몇 가지 일반적인 기계적 설계를 보여줍니다. 세 가지 기본 설계는 압축 모드, 전단 모드 및 굴곡 모드입니다.
이 그림은 또한 압전 소자에 대한 증거 질량에 의해 가해지는 힘과 센서 본체에 가해지는 가속도를 보여줍니다.
1) 가속도계 기계 설계 모드 장단점
기계적 구성은 여러 가지 방식으로 센서 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 센서 감도, 대역폭, 온도 민감도 및 센서 베이스 변형에 대한 민감도에 영향을 미칠 수 있습니다.
예를 들어, 압축 모드 센서의 경우 상대적으로 더 높은 주파수 범위를 제공할 수 있는 견고한 구조를 가지고 있습니다. 그러나, 압축 모드 센서에서, 압전 재료는 하우징의 베이스와 밀접하게 접촉하고 센서는 베이스 굽힘 및 열팽창에 민감하다.
그렇기 때문에 이 유형은 열적으로 불안정한 환경이나 구부러질 수 있는 금속 구조물에 사용하기에 적합하지 않을 수 있습니다.
전단 모드 센서에서 압전 소자는 가속도를 받을 때 전단 변형을 경험합니다. 이 유형은 또한 고주파 범위를 가지며 베이스 굽힘 및 온도 변화에 덜 민감합니다. 전단 모드 가속도계는 가장 널리 사용되는 구성입니다.
굴곡형은 덜 뻣뻣한 구조를 가지고 있어 더 낮은 주파수 범위를 제공합니다. 이 유형에서 압전 소자는 주어진 가속도 값에 대해 상대적으로 더 큰 변형을 경험합니다. 결과적으로 이 구조는 더 높은 감도를 제공합니다. 그러나 상대적으로 취약합니다. 아래 표는 이 세 가지 유형을 비교한 것입니다.
4. 압전 가속도계 범위: 상한 주파수 한계
MEMS 가속도계와 마찬가지로 압전 가속도계의 작동은 뉴턴의 제2 운동 법칙을 기반으로 합니다. 증거 질량과 압전 소자는 질량-댐퍼-스프링 구조로 모델링할 수 있습니다.
질량 변위는 고전적인 2차 미분 운동 방정식으로 설명할 수 있습니다. 이 기계 시스템의 공진 거동은 그림 3에서 볼 수 있는 압전 가속도계의 주파수 상한을 정의합니다.
일반적으로 입력 가속도의 주파수를 가속도계 공진 주파수의 1/3 미만으로 제한하면 응답 오류는 약 12% 미만이어야 합니다.
5. 압전 가속도계 범위: 하한 주파수 한계
그림 4에서 볼 수 있듯이 압전 가속도계는 실제 DC 응답을 수행할 수 없으며 실제 정적 측정을 수행할 수 없습니다.
압전 가속도계의 하한 주파수 한계는 센서를 따르는 증폭기의 하한 차단 주파수에 의해 결정됩니다.
전압 모드 증폭기의 경우 낮은 주파수 한계는 압전 소자의 매개변수와 가속도계와 증폭기 사이에 배치된 케이블의 커패시턴스에 의해서도 영향을 받습니다.
적절하게 설계된 압전 가속도계의 하한 차단 주파수는 1Hz 미만일 수 있습니다. 그러나 이러한 센서는 진정한 DC 응답을 할 수 없다는 점에 유의해야 합니다.
예를 들어, 중력에 의해 가해지는 힘을 측정할 수 없습니다. 처음에는 이것이 큰 문제처럼 보일 수 있지만 많은 응용 분야에서 헤르츠 분수 범위의 가속 신호 측정이 필요하지 않다는 점에 유의해야 합니다. 결과적으로, 많은 응용 분야에서 진정한 DC 응답의 부족은 실제로 단점이 아닙니다.
또한 증폭기의 낮은 차단 주파수 한계를 제외하고는 압전 기반 감지가 본질적으로 실제 DC 측정에 적합하지 않다는 점도 흥미롭습니다. 이는 센서의 내부 저항(신호 처리 회로의 입력 저항 포함)이 센서와 병렬로 저항을 생성할 수 있기 때문입니다.
이 기생 저항은 센서의 출력 전류에 대해 원치 않는 누설 경로를 생성하고 시스템의 사용 가능한 주파수 범위에 대한 하한을 설정할 수 있습니다.
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