경사계 사양

경사계는 틸트 센서, 클리노미터 또는 경사 센서라고도 하며, 중력 방향에 대한 물체의 각도를 측정하도록 설계되었습니다. 이 센서는 피치 및/또는 롤 각도를 측정하여 적절한 전기 인터페이스를 통해 해당 값을 출력합니다.

MEMS 경사계의 측정 원리

경사계는 물체가 중력에 대해 기울어진 각도를 측정합니다. 이는 탄성 지지 구조에 매달린 작은 질량에 대한 중력의 영향을 감지하는 가속도계를 통해 이루어집니다. 장치가 기울어지면 이 질량이 약간 이동하여 질량과 지지 구조 사이의 정전 용량이 변화하게 됩니다. 경사각은 측정된 정전 용량 값으로 계산됩니다.

증거 질량 포함
전극
스프링
고정 전극

그림 1: MEMS 센서의 원리

이 기능은 두 개의 전극으로 구성된 단순화된 모델로 설명할 수 있습니다. 하나는 고정되어 있고, 다른 하나(증거 질량)는 스프링 요소에 의해 매달려 있어 이동할 수 있습니다 (그림 1 참조). 경사계가 수평 위치에 있을 때(그림 2.1), 전극 간의 정전 용량이 측정됩니다. 센서가 기울어지면(그림 2.2), 가동 질량과 그 전극이 고정 전극에 대해 위치가 변경됩니다. 두 전극 사이의 정전 용량 변화는 센서 셀이 측정하고, 새로운 경사 값을 계산하는 데 사용됩니다.

수평 위치의 MEMS 센서
기울어진 위치의 MEMS 센서

그림 2: MEMS 센서의 위치

Limitations of Static Inclinometers

강한 충격이나 진동이 발생하는 경우, 정적 경사 센서의 물리적 감쇠만으로는 간섭을 충분히 억제할 수 없습니다. 소프트웨어 필터는 이러한 간섭의 영향을 어느 정도만 줄일 수 있습니다. 정적 TILTIX 경사계에서는 "이동 평균" 또는 "지수" 필터를 활성화하고 구성하여 신호를 부드럽게 할 수 있지만, MEMS 경사계의 빠른 반응 속도를 잃고 센서 응답이 느려지는 단점이 있습니다.

강한 가속을 동반한 동적 움직임의 경우, POSITAL의 다이나믹 TILTIX 경사계를 사용하는 것이 좋습니다. 이 센서는 물리적 감쇠가 없는 다른 기술을 기반으로 하여, 안정성과 응답 시간 간의 절충이 필요하지 않습니다.

동적 경사 센서

충격, 진동 또는 급격한 움직임이 예상되는 응용 분야에서는 빠른 반응 속도와 깨끗한 출력 신호를 제공하는 센서가 필수입니다. POSITAL의 다이나믹 경사 센서는 3D 가속도 센서와 3D 자이로스코프라는 두 가지 MEMS 센서를 결합하여 두 가지 측정 원리를 함께 사용합니다. 가속도 센서는 물리적 감쇠 없이 빠른 동적 움직임을 정확히 감지할 수 있고, 자이로스코프는 관성 원리에 따라 회전 속도를 측정합니다. 두 센서의 신호는 통합되어 가속도의 영향을 완전히 보정한 경사 값을 제공합니다. 따라서 다이나믹 TILTIX 경사 센서는 건설 장비, 광산 장비, 크레인, 로봇 등의 이동형 장비에서 안정적으로 사용될 수 있습니다.

아래 도표는 강한 충격과 진동이 수반되는 동적 움직임에 노출되었을 때, 자이로스코프가 통합된 동적 경사 센서와 기존의 정적 경사 센서의 성능을 비교한 것입니다.

이동 중 굴착기에서의 경사 측정

신뢰할 수 있는 결과를 위한 혁신적인 알고리즘

급격한 움직임, 충격, 진동이 발생할 수 있는 응용 분야에서는 빠른 응답 속도와 깨끗한 신호 출력을 제공하는 센서가 필수적입니다. POSITAL의 동적 경사 센서는 두 가지 MEMS 센서인 3D 가속도 센서와 3D 자이로스코프를 기반으로 두 가지 측정 원리를 결합합니다. 가속도 센서는 감쇠 처리가 되어 있지 않아 빠른 동적 움직임을 정확히 감지할 수 있고, 자이로스코프는 관성 원리를 이용해 회전 속도를 측정합니다. 이 두 센서의 신호를 결합함으로써, 가속도의 영향을 완전히 보정한 정밀한 경사 측정이 가능합니다. 따라서 동적 TILTIX 경사 센서는 건설 장비, 광산 장비, 크레인, 로봇 시스템 등 모바일 장비에 안정적으로 사용할 수 있습니다.

아래의 도표는 동적 움직임 중 강한 충격과 진동이 가해졌을 때, 자이로스코프가 통합된 동적 경사 센서와 기존의 정적 경사 센서의 성능을 비교한 것입니다.

측정 범위 및 장착 옵션

TILTIX 시리즈 경사 센서는 두 가지 버전으로 제공됩니다.

듀얼 축

수평 장착용 듀얼 축 센서입니다. 이 버전은 X축과 Y축 각각에 대한 두 개의 출력을 제공합니다. 각 축은 중력 방향에 대한 기울기 각도를 나타냅니다.

단일 축

2. 수직 장착을 위해 설계된 단일 축 경사 측정 버전으로, 하나의 축 출력이 제공됩니다.

동적 경사 센서의 추가 기능

동적 경사 센서의 주요 목적은 센서 매개변수를 설정하지 않고도 안정적인 경사각 데이터를 제공하는 것입니다.
하지만 CANopen 인터페이스가 있는 센서의 경우, 3축 각각에 대한 가속도(가속도 센서) 및 회전 속도(자이로스코프)를 개별적으로 출력할 수 있습니다.
이러한 측정값은 매핑 가능한 CANopen 객체에 저장됩니다.
하나 이상의 축에서 가속도를 모니터링하면, 제어기 측에서 추가 기능 또는 안전 기능을 구현할 수 있습니다.
예를 들어, 특정 가속 임계값을 초과하면 제어기가 기계를 정지시킬 수 있습니다.
X축 회전 속도 정보를 통해 기계의 수평(요우) 회전을 측정 및 모니터링할 수 있습니다.
이러한 추가 정보를 어떻게 사용할지는 기계 제작자 또는 시스템 통합자의 판단에 달려 있습니다.

데이터 처리

고성능 마이크로컨트롤러는 센서 신호를 실시간으로 평가하고 보정된 경사각을 계산합니다.
온도도 함께 측정되며, 보상 알고리즘을 통해 불필요한 영향을 제거합니다.
지능형 디지털 필터 알고리즘은 환경 소음과 진동을 줄여 어떤 환경에서도 정밀하고 안정적인 신호를 제공합니다.
MEMS 센서의 비선형성은 생산 중 기준 측정을 통해 식별되며, 보정 데이터로 센서에 저장됩니다.
작동 중에는 이 데이터를 이용해 MEMS 센서의 원시 값을 보정하고 정확한 선형 경사각을 출력합니다.
사용자는 오프셋 보정(Preset)이나 스케일링 기능(아날로그 출력의 경우)과 같은 사용자 지정 파라미터를 추가할 수 있습니다.

공통 사양

센서 주기 시간
기본 센서의 내부 업데이트 주기입니다. 5ms 주기는 5ms마다 위치 값을 업데이트한다는 의미입니다.

인터페이스 주기 시간
통신 인터페이스를 통한 데이터 전송 주기로, 사용자가 쉽게 조정할 수 있습니다.

절대 정확도
정해진 범위 내에서 측정 위치와 실제 위치 사이의 최대 오차입니다.

오프셋
센서가 0 위치에 있을 때도 약간의 편차가 발생할 수 있으며, 이를 오프셋 오차라고 합니다.

동적 정확도
진동과 가속이 있는 환경에서 평가됩니다. POSITAL은 실험실 테스트를 통해 모바일 환경을 시뮬레이션합니다.
시험 조건: