MEMS (미소전자기계 시스템)

기울기센서, 또는 경사계는 중력에 대한 물체의 각도를 측정하는 센서입니다. 미소전자기계 시스템 (MEMS) 기술의 발전으로 우수한 가격대비 성능을 제공하는 양산 제품이 되었습니다.

이러한 경사계의 측정원리는 ASIC에 내장된 MEMS 센서를 이용하는 것입니다.

그림 1 : MEME 센서 구조

표준 질량
전극
스프링
고정 전극

경사계의 측정원리를 그림1과 같이 두 개의 전극으로 단순화된 모델로 살펴 보겠습니다. 이때 전극은 고정전극과, 스프링으로 연결된 표준질량에 부착된 유동전극으로 구성됩니다.

경사계가 수평 상태인 경우(그림 2.1)에 전극 간에 형성된 정전용량이 측정됩니다. 또한 경사계가 기울어진 상태(그림 2.2)에서는 고정전극에 대하여 유동전극의 위치가 변화하며 이때 두 전극 사이의 변화된 정전용량이 센서 셀에 의하여 측정됩니다. 이와 같이 기울기의 변화를 이에 비례하는 정전용량의 변화로 측정할 수 있습니다.

그림 2 : MEMS 센서의 위치

수평상태의 MEMS 센서
기울어진 상태의 MEMS 센서

경사계의 동작원리는 휴대폰의 모션센서나 자동차의 에어백 등에 사용되는 MEMS 가속도 센서와 유사합니다. 이러한 상용제품의 센서들은 1° 정도의 정밀도가 요구되는 반면에 TILTIX 경사계의 MEMS 센서는 측정의 정밀도와 해상도를 높이기 위하여 정밀한 전극 배열로 구성됩니다.

강한 충격이나 진동이 있는 상황에서 스태틱 경사계의 물리적인 완충장치는 교란요인을 제거하기에 충분하지 않을 수 있다. 이러한 경우 이러한 교란요인의 영향을 소프트웨어 필터를 통하여 제한적으로 제거할 수 있다. 스태틱 TILTIX 경사계의 경우, “moving average”, 또는 “exponential” 필터를 활성화하여 출력 신호를 평탄화할 수 있으나, MEM 센서의 빠른 응답을 기대할 수 없으며 센서 응답이 지연된다.

강한 가속이 있는 동적 운동 환경에서 POSITAL의 다이나믹 TILTIX 경사계를 사용하여야 한다. 다이나믹 경사계는 물리적인 완충장치를 사용하지 않는 새로운 기술을 사용하고 있으며, 따라서 안정성과 빠른 응답속도를 모두 만족한다.

급격한 움직임이 있는 환경에서는 충격과 진동이 발생하며, 이러한 환경에서는 센서의 빠른 응답속도와 안정적인 출력신호가 중요하다. POSITAL의 다이나믹 경사계는 두 개의 독립적인 MEMS 센서, 3D 가속도 센서와 3D 자이로스코프를 사용한다. 3D 가속도센서는 스태틱 경사계와는 달리 완충장치를 사용하지 않으며 따라서 급격한 움직임을 더욱 안정적으로 감지할 수 있다. 동시에 3D 자이로스코프는 관성효과를 기반으로 회전 속도를 측정한다. 가속도센서와 자이로스코프의 출력을 조합하여 가속도 성분이 보상된 경사계 출력을 생성한다. 결과적으로 다이나믹 TILTIX 경사계는 건설기계, 채굴설비, 크레인, 또는 기타 로봇 응용 등의 이동형 시계에 안정적으로 사용할 수 있다.

아래의 도표는 강한 충격과 진동을 동반하는 급격한 움직임 환경에서 기존 스태틱 경사계와 자이로스코프가 통합된 다이나믹 경사계의 출력 신호를 비교한 것이다.

가속도센서는 기울기를 측정하며, 자이로스코프는 회전율을 측정한다. 가속 움직임은 가속도센서에 큰 영향을 미치지만 자이로스코프의 회전율 측정에는 큰 영향을 주지 않는다. FRABA의 혁신적인 측정 방식으로 각 센서의 측정값을 조합하여 최상의 측정 결과를 생성한다. 이러한 방식에 의하여 센서는 외부의 가속도 운동에 의한 오차 성분을 제거하고 실제 정확한 위치값을 측정할 수 있다.

TILTIX 경사계는 다음의 두 가지 종류가 있다

1. 수평으로 설치하는 2축 센서. 이 센서는 X축과 Y축의 두 가지 출력을 지원한다. 각 축의 출력은 중력 방향에 대하여 기울어진 각도 값을 제공한다.

2. 수직으로 설치하는 1축 센서

다이나믹 경사계는 센서 파라미터의 추가적인 설정 없이 안정화된 기울기 값을 제공한다. 또한 CANopen 통신 인터페이스를 지원하는 다이나믹 경사계의 경우 3축 각각의 가속도와 회전속도 출력이 가능하다. 이러한 측정값은 CANopen 오브젝트에 저장된다. 제어장치에서는 각 축의 가속도 출력값을 이용하여 추가적인 안전 기능을 구현할 수 있다. 예를 들어 가속도 값이 허용범위 이상이면 장비를 정지하게 할 수 있다. X축의 회전속도와 같은 추가적인 정보를 이용하여, 장비의 수평 회전속도(yaw)를 측정하고 모니터링할 수 있다. 장비제작사와 개발자들은 이러한 추가적인 정보를 이용하여 다양한 기능을 구현할 수 있다.

미세전자제어(MEMS) 기술의 발달로 가성비가 뛰어난 대량생산 제품이 가능해졌다. TILTIX 경사계의 기본 측정 소자는 완전히 차폐된 ASIC 내에 내장된 MEMS 센서 셀이다.

센서 사이클 타임: 베이스 센서의 사이클 타임으로서 5ms는 측정값이 5ms 주기로 업데이트된다는 의미이다.

인터페이스 사이클 타임: 인터페이스 사이클 타임은 측정값이 통신 인터페이스를 통하여 출력되는 사이클 타임이다. 고정된 센서 사이클 타임에 비하여 인터페이스 사이클 타임은 사용자가 간단히 재설정할 수 있다.

엡솔루트 정밀도: 앱솔루트 정밀도는 측정값과 실제 값의 최대오차 범위이다.

오프셋: 경사계가 정위치에 있을 때 경사계가 미세한 편차를 보일 수 있으며, 이때의 오차가 오프셋 오차이다.

다이나믹 정밀도: 다이나믹 정밀도는 센서가 외부 진동 및 가속도 운동 환경에 있을 때의 정밀도이다. 다이나믹 정밀도는 실험실 환경에서 실제 장비의 환경을 시뮬레이션하는 시험 장비로 측정된다. 제조사에 의하여 제시된 다이나믹 정밀도는 참조값으로서, 실제의 진동과 충격 패턴은 센서가 사용되는 장비마다 다르므로 사용자가 자신의 장비에 설치 후 다이나믹 정밀도를 다시 평가해 보기를 권장한다. 실험실 환경은 다음의 장치로 구성된다.

• 선형 가속: 센서는 1초 동안에 1축 방향으로 10 m/s² 가속
• 진동: 1g의 힘으로 1-1000Hz 범위내에서 다양한 진동 주파수 적용

분해능: 센서가 감지할 수 있는 최소 변화량

히스테리시스: 히스테리시스는 시스템의 출력이 실제 입력 뿐만 아니라 이전의 입력에도 영향을 받는 현상이다. 경사계의 경우 측정된 기울기 값이 이전의 위치에도 영향을 받을 수 있으며 0°에서 10° 방향으로 기울어지는 경우와 20°에서 10° 방향으로 기울어지는 경우 미세한 차이가 발생할 수 있다.

온도 편차: 측정된 기울기 값은 온도 변화에 따라 차이가 발생할 수 있다. 경사계가 고정된 상태에서도 외부의 온도가 증가하거나 감소하는 경우, 출력 값이 온도 변화에 따라 변동이 발생할 수 있다.

안정화 시간: 동적인 환경에서 경사계의 측정값이 실제 경사와의 오차 5% 범위 내에 도달하여 안정화되는데 소요되는 시간