일반적으로 가속도계에는 AC-응답 및 DC-응답의 두 가지 유형이 있습니다.
이름에서 알 수 있듯이 AC 가속도계에서는 출력이 AC 커플링됩니다. 예를 들어, AC 커플링 장치는 중력 및 일정한 원심 가속도와 같은 정적 가속도를 측정하는 데 사용할 수 없습니다. 동적 이벤트 측정에만 적합합니다.
반면 DC 가속도계는 DC 커플링되어 있으며 0헤르츠까지 응답할 수 있습니다. 따라서 동적 가속도뿐만 아니라 정적 가속도를 측정하는 데도 사용할 수 있습니다. 그러나 정적 가속도 측정이 DC 응답 가속도계를 선택해야 하는 유일한 이유는 아닙니다.
대부분의 진동 연구는 가속도, 속도 및 변위에 대한 지식을 요구합니다. 이는 엔지니어가 구조물을 설계하거나 검증할 때 찾는 중요한 변수입니다. 일반적으로 g 값은 좋은 기준을 제공하지만 속도와 변위는 대부분의 설계 계산에 필요한 변수입니다. 가속도 출력에서 속도와 변위를 도출하기 위해 가속도계의 신호는 아날로그 또는 디지털 영역에 각각 통합되고 이중으로 통합됩니다. 여기서 AC 응답 가속도계에 문제가 발생할 수 있습니다.
문제를 설명하기 위해 AC 응답 가속도계를 사용하여 긴 지속 시간 반정성 입력 펄스를 측정하는 그림을 표시합니다. 이 장치의 출력은 RC 시간 상수에 의해 부과되는 본질적인 제한 때문에 반 사인 입력의 피크를 제대로 추적할 수 없습니다. 반정현 펄스의 끝에서 AC 커플링 가속도계의 출력은 동일한 이유로 언더샷(오프셋)을 생성합니다. 아래 그림의 빨간색 트레이스는 긴 지속 시간 반정현 입력 후 AC 커플링 장치의 출력을 나타냅니다.
겉보기에는 작은 진폭 편차로 인해 수치 적분 중에 상당한 오류가 발생할 수 있습니다. DC 응답 장치는 느리게 움직이는 입력을 정확하게 따를 수 있기 때문에 이러한 문제가 없습니다. 실제 일상적인 애플리케이션에서 물리적 입력은 반정성 임펄스와 유사하지 않지만 AC 커플링 장치로 느린 동작을 추적해야 할 때마다 기본 문제가 남아 있습니다.
가장 일반적인 AC 응답 가속도계는 감지 메커니즘에 압전 소자를 사용합니다. 가속도계의 지진 질량으로 인해 압전 소자가 전하를 "치환"하여 가속도에 비례하는 전기 출력을 생성합니다. 전기적으로 압전 소자는 일반적으로 109옴의 유한 내부 저항을 가진 소스 캐패시터처럼 보입니다. 이는 장치의 하이패스 특성을 정의하는 RC 시간 상수를 형성합니다. 이러한 이유로 압전 가속도계는 정적 이벤트를 측정하는 데 사용할 수 없습니다. 압전 소자는 자연적이거나 인공적일 수 있습니다. 다양한 수준의 변환 효율성과 선형성 특성을 제공합니다. 충전 출력 유형과 전압 출력 유형의 두 가지 유형의 압전 가속도계가 시중에 판매되고 있습니다.
대부분의 압전 센서는 매우 넓은 온도 범위, 넓은 동적 범위 및 넓은 대역폭(10kHz 이상에서 사용 가능)을 제공하는 지르코네이트 티타네이트 세라믹(PZT)을 기반으로 합니다. 밀폐된 용접 금속 케이스에 보관될 경우, 충전 모드 가속도계는 적대적인 환경 조건을 견딜 수 있기 때문에 가장 내구성이 높은 센서 중 하나로 간주될 수 있습니다.
높은 임피던스 특성으로 인해 충전 모드 장치는 가급적 동축 구성에서 저소음 차폐 케이블과 함께 사용해야 합니다. 저소음은 케이블 자체에서 발생하는 동작 유도 스플리어스 출력인 저삼투전 노이즈를 말합니다. 이러한 노이즈 처리 케이블은 일반적으로 센서 제조업체에서 구입할 수 있습니다. 충전 증폭기는 일반적으로 병렬 케이블 캐패시턴스와 관련된 문제를 방지하기 위해 충전 모드 가속도계와 인터페이스하는 데 사용됩니다.
최신 충전 증폭기를 사용하면 충전 모드 센서의 광범위한 동적 범위(>120dB)를 쉽게 실현할 수 있습니다. 압전 세라믹의 작동 온도 범위가 넓기 때문에 일부 충전 모드 장치는 -200°C ~ +640°C 이상에서 사용할 수 있습니다. 특히 터빈 엔진 모니터링과 같이 극단적인 온도에서의 진동 측정에 사용하기에 적합합니다.
다른 유형의 압전 가속도계는 전하 대신 전압 출력을 제공합니다.
이는 가속도계 하우징 내부에 전하 증폭기를 통합함으로써 이루어집니다. 전압 모드 장치에는 3와이어(신호, 접지, 전원) 모드 또는 2와이어(전원/신호, 접지) 모드가 있습니다. 2-와이어 모드는 Integral Electronics PiezoElectric (IEPE)이라고도 합니다. IEPE는 AC 신호가 DC 전원 라인에 중첩되는 편리한 동축(2-와이어) 구성으로 인해 가장 널리 사용됩니다.
센서 신호 출력에서 DC 바이어스를 제거하려면 차단 캐패시터가 필요합니다. 많은 최신 신호 분석기는 IEPE 가속도계에 직접 인터페이스할 수 있는 IEPE/ICP 입력 옵션을 제공합니다. IEPE 전원 옵션을 사용할 수 없는 경우 이 유형의 장치와 인터페이스하려면 정전류 전원이 있는 신호 조절기/전원 공급 장치가 필요합니다. 3-와이어 모드 장치가 올바르게 작동하려면 별도의 DC 전원 공급 라인이 필요합니다.
세라믹 감지 요소만 포함하는 충전 모드 장치와 달리 전압 모드 장치에는 장치의 작동 온도를 전자 장치의 최대 작동 온도(일반적으로 +125°C)로 제한하는 마이크로 전자 회로가 포함되어 있습니다. 일부 설계에서는 +175°C로 제한을 적용하기도 하지만 성능 범위의 다른 부분에서 타협점을 제공합니다.
DC 가속도계를 만드는 데는 다음과 같은 두 가지 널리 사용되는 감지 기술이 기술은 다음과 같습니다:
정전 용량 및 피에조 저항성.
정전식 유형(가속 중 지진 질량의 정전 용량 변화에 기초함)은 오늘날 가속도계에 사용되는 가장 일반적인 기술입니다. 그것들은 에어백과 모바일 장치와 같은 대형 상업용 응용 프로그램에 의해 인기를 끌었습니다. 대용량 애플리케이션에 규모의 경제성을 제공하는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 제조 기술을 사용하여 제조 비용을 낮춥니다.
그러나 이러한 종류의 저가 용량성 가속도계는 일반적으로 신호 대 잡음 비율이 낮고 동적 범위가 제한되어 있습니다. 모든 용량성 장치의 고유한 특성 중 하나는 내부 클럭입니다. 클럭 주파수(~500kHz)는 전류 감지 회로의 필수 부분으로, 내부 누출로 인해 출력 신호에 항상 존재합니다.
고주파 노이즈는 가속 측정 범위를 벗어날 수 있지만 신호와 함께 항상 존재합니다. 내장된 앰프/IC로 인해 3-와이어(또는 차동 출력의 경우 4-와이어) 전기 인터페이스는 직선형이므로 전원에 안정적인 DC 전압 소스만 필요합니다.
정전식 가속도계의 대역폭은 대부분 물리적 형상과 무거운 가스 감쇠로 인해 수백 헤르츠(일부 설계에서는 최대 1500Hz)로 제한됩니다. 정전식 센서 구조는 낮은 범위의 가속도 측정에도 적합합니다. 최대 범위는 일반적으로 200g 미만으로 제한됩니다. 이러한 제한 사항 외에도 현대적인 정전식 가속도계, 특히 기기 등급 장치는 양호한 선형성과 높은 출력 안정성을 제공합니다.
피에조 저항은 DC 응답 가속도계에 일반적으로 사용되는 또 다른 감지 기술입니다. 피에조 저항 가속도계는 (용량 장치와 같은) 지진 질량의 정전 용량 변화를 감지하는 대신 가속도계의 지진 시스템의 일부인 변형률 게이지에 저항 변화를 생성합니다.
대부분의 엔지니어는 변형률 게이지에 익숙하며 출력과 인터페이스하는 방법을 알고 있습니다. 대부분의 피에조 저항 설계의 출력은 일반적으로 온도 변화에 민감합니다. 따라서 내부적으로 또는 외부적으로 출력에 온도 보정을 적용해야 합니다. 현대의 피에조 저항 가속도계는 모든 형태의 온보드 신호 조절뿐만 아니라 현장 온도 보상을 위한 ASIC를 통합합니다.
피에조 저항 가속도계의 대역폭은 7,000Hz 이상에 이를 수 있습니다. 피에조 저항 설계의 대부분은 가스 감쇠(MEMS 유형) 또는 유체 감쇠(결합 변형률 게이지 유형)입니다. 댐핑 특성은 가속도계를 선택하는 데 중요한 요소가 될 수 있습니다. 기계적 입력이 매우 높은 주파수 입력(또는 고주파 응답)을 포함할 수 있는 응용 분야에서 감쇠 가속도계는 센서 링잉(공진)을 방지하고 다이내믹 레인지를 보존하거나 개선할 수 있습니다.
피에조 저항 센서 출력은 차동 및 순수 저항성이기 때문에 일반적으로 신호 대 잡음 성능이 탁월합니다. 동적 범위는 DC 브리지 앰프의 품질에 의해서만 제한됩니다. 매우 높은 g 충격 측정의 경우 일부 피에조 저항 설계는 10,000g을 훨씬 초과하는 가속 수준을 처리할 수 있습니다.
더 넓은 대역폭 기능으로 인해 피에조 저항형 가속도계는 주파수 범위와 g 레벨이 일반적으로 높은 임펄스/충격 측정에 가장 적합합니다. DC 응답 장치이기 때문에 통합 오류 없이 가속도 출력으로부터 원하는 속도와 변위 정보를 정확하게 도출할 수 있습니다. 피에조 저항 가속도계는 일반적으로 자동차 안전 테스트, 무기 테스트 및 VC 가속도계의 사용 가능한 범위를 넘어서는 더 높은 충격 범위 측정에 사용됩니다.
각 가속도계 감지 기술에는 장점과 단점이 있습니다. 선택하기 전에 다양한 유형의 기본적인 차이점과 테스트 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다.
우선 정적 또는 매우 낮은 주파수(<1Hz) 가속도를 측정하거나 가속도 데이터에서 속도 및 변위 정보를 추출할 경우 DC 응답 가속도계만 선택합니다. DC 및 AC 응답 가속도계는 모두 동적 이벤트를 측정할 수 있습니다. 동적 측정만 다루는 경우 DC 또는 AC 응답 장치 중에서 선택하는 것이 실제로 선호도의 문제입니다. 일부 사용자는 DC 응답 센서의 제로 오프셋을 다루는 것을 좋아하지 않으며 압전 유형의 AC 결합 단일 종단 출력을 선호합니다. 다른 사람들은 제로 오프셋과 4선(싱글 엔드 모드일 경우 3선)을 다루는 것을 개의치 않으며, 션트 보정과 DC 응답 가속도계의 내장 기능 테스트(2g 회전) 기능을 좋아합니다.
충전 모드 압전 설계는 구조가 단순하고 재료 특성이 견고하여 가장 내구성이 뛰어난 가속도계 유형입니다.
고온(150°C 이상) 동적 측정 애플리케이션의 경우 충전 모드 압전이 확실한 선택입니다. 대부분의 경우 유일한 선택입니다. 충전 모드 장치의 경우 높은 임피던스 출력으로 인해 저소음 동축 케이블을 사용하고, 충전 출력을 조절하기 위해 원격 충전 증폭기(또는 인라인 충전 변환기)를 사용해야 합니다.
전압 모드 압전은 동적 측정에 가장 널리 사용되는 가속도계 유형입니다. 소형, 넓은 대역폭 및 내장 충전 컨버터를 제공하여 많은 최신 신호 분석기 및 데이터 수집 시스템(통합 IPE/ICP 전원을 제공하는 시스템)과 직접 인터페이스할 수 있습니다. 전압 모드 압전은 일반적으로 125°C 미만으로 제한되지만 임피던스 출력이 낮기 때문에 더 이상 저소음 동축 케이블을 사용할 필요가 없습니다.
용량성 설계 기능은 저주파 측정에 적합한 과도한 감쇠 응답에 매우 적합합니다. 저렴한 SMD 등급의 장치는 궁극적인 정확도가 우선시되지 않는 대용량 자동차 및 소비자 애플리케이션에 적합합니다. 더 비싼 계측 등급의 실리콘 MEMS 용량성 가속도계는 바이어스 안정성이 좋고 노이즈가 매우 낮습니다. 정전식 가속도계는 낮은 임피던스 출력과 ±2V ~ ±5V 최대 스케일 출력을 가지고 있습니다. 대부분의 설계에서는 전원에 대해 조절된 DC 전압이 필요합니다.
피에조 저항 가속도계는 주파수 및 동적 범위 기능 측면에서 다목적입니다. DC 응답 장치이기 때문에 정적 가속을 처리하고 정확한 속도 및 변위 데이터를 생성할 수 있습니다. 넓은 대역폭은 또한 대부분의 동적 측정 요구를 충족합니다. 피에조 저항 설계는 다양한 수준의 감쇠(θ = 0.1 ~ 0.8) 응답을 제공하므로 충격 테스트를 비롯한 다양한 테스트 조건에서 사용하기에 적합합니다.
일반 피에조 저항 가속도계(전자 장치 없음)는 작고 가벼우며 ±100~±200mV의 풀 스케일 출력을 제공합니다. 증폭된 모델(ASIC 내장)은 낮은 출력 임피던스(<100Ω)와 ±2V ~ ±5V 풀 스케일 출력을 특징으로 합니다.
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