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가속도계

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목차

1. 개요

가속도계는 고유 가속도를 측정하는 장치로, 물체가 느끼는 가속도를 나타낸다. 물리적 원리, 중력 오프셋, 측정 단위 등을 포함하며, 기계식, 전자식, MEMS 방식 등 다양한 구조와 종류가 있다. 가속도계는 공학, 생물학, 산업, 의료, 항법, 운송, 화산학, 소비자 가전 등 광범위한 분야에서 활용되며, 특히 스마트폰, 게임 컨트롤러, 로봇, 드론 등에서 중요한 역할을 한다.

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가속도계

2. 물리적 원리

가속도계는 고유 가속도를 측정하는데, 이는 자유 낙하에 대한 상대적인 가속도이며, 사람과 물체가 느끼는 가속도이다.[2] 등가 원리에 따르면 시공간의 어느 지점에서든 국소 관성 좌표계가 존재하며, 가속도계는 이 좌표계에 대한 가속도를 측정한다.[4]

일반적으로 가속도계는 스프링에 연결된 추의 위치 변화를 통해 가속도를 측정한다. 질량 ''m''인 추에 가속도 ''a''가 작용하면, 추에 작용하는 힘 ''F''는 F=ma이다. 스프링 상수 ''k''인 스프링에 의해 추가 ''x''만큼 변위했다면, 훅의 법칙에 따라 F=kx가 성립한다. 따라서 가속도 a=\frac{F}{m}=\frac{kx}{m}이며, ''k''와 ''m''이 알려져 있으면 변위 ''x''를 측정하여 가속도를 구할 수 있다.

변위 측정에는 정전 용량, 스트레인 게이지, 압전 효과에 의한 전기 저항 변화 등이 사용된다.

기계식 가속도 센서는 크기와 무게 때문에 단시간 계측에 부적합하고, 스프링 진동으로 인해 공진 영역 부근에서 큰 오차가 발생할 수 있다. 또한, 가동부 주유나 금속 부식 등 경시 열화 문제도 존재한다.

고정밀 중력 가속도 측정에는 고진공 용기 내에서 코너 큐브라는 반사체를 낙하시켜 낙하 시간을 측정하는 '절대 중력 가속도계'가 사용되기도 한다.

2. 1. 중력 오프셋

지구 표면에 대해 정지해 있는 가속도계는 약 1g ''상향''을 나타낸다. 왜냐하면 지구 표면은 국소 관성 좌표계(표면 근처의 자유 낙하 물체의 좌표계)에 대해 위쪽으로 수직력을 가하기 때문이다.[2] 지구에 대한 운동으로 인한 가속도를 얻으려면, 이 "중력 오프셋"을 빼고, 관성 좌표계에 대한 지구 자전에 의해 발생한 효과에 대한 보정을 해야 한다.

중력 오프셋이 나타나는 이유는 아인슈타인의 등가 원리[5] 때문인데, 이는 물체에 대한 중력의 효과는 가속도와 구별할 수 없다는 것을 의미한다. 예를 들어 지면 반력 또는 이에 상응하는 위쪽 추력을 가하여 중력장에서 고정된 경우, 가속도계의 기준 틀(자체 케이스)은 자유 낙하 기준 틀에 대해 위쪽으로 가속된다. 이 가속도의 효과는 기기가 경험하는 다른 가속도와 구별할 수 없으므로, 가속도계는 발사대 위에 있는 로켓에 앉아 있는 것과 엔진을 사용하여 1g로 가속하는 동안 심우주에 있는 동일한 로켓에 있는 것 사이의 차이를 감지할 수 없다. 비슷한 이유로 가속도계는 어떤 유형의 자유 낙하 동안 ''0''을 읽을 것이다. 여기에는 질량이 없는 심우주에서 활공하는 우주선, 지구를 공전하는 우주선, 포물선 "무중력" 호를 그리는 비행기, 또는 진공에서의 자유 낙하가 포함된다. 또 다른 예는 대기 효과를 무시할 수 있을 정도로 충분히 높은 고도에서의 자유 낙하다.

그러나 여기에는 공기 저항이 항력을 생성하여 가속도를 감소시켜 종단 속도에 도달하게 하는 (비자유) 낙하는 포함되지 않는다. 종단 속도에서 가속도계는 1g 가속도 상향을 나타낼 것이다. 같은 이유로 스카이다이버는 종단 속도에 도달하면 "자유 낙하" 상태에 있는 것처럼 느끼는 것이 아니라 위로 솟아오르는 공기의 "침대"에서 지지받는 것과 유사한 느낌(1g)을 경험한다.

2. 2. 측정 단위

가속도는 SI 단위인 미터 매 초당 초(m/s2), cgs 단위인 갈(Gal), 또는 일반적으로 표준 중력(''g'')으로 정량화된다.

관성 항법 시스템처럼 지구에 대한 물체의 가속도를 구하는 실용적인 목적을 위해서는 국소 중력에 대한 지식이 필요하다. 이는 정지 상태에서 장치를 보정하거나,[6] 대략적인 현재 위치에서 알려진 중력 모델을 사용하여 얻을 수 있다.

3. 구조

가속도계는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 기본적인 기계식 가속도계는 감쇠된 검증 질량과 스프링을 이용한다. 현대에는 MEMS(미세 전자기계 시스템) 기술을 활용하여 소형화된 가속도계가 많이 사용된다.

추를 매단 용수철을 공진 주파수로 진동시키는 방식도 있다. 추에 가속도가 가해지면 용수철에 가해지는 응력이 변화하여 용수철의 공진 주파수가 변하는데, 이는 기타의 현을 조이거나 느슨하게 하면 소리가 변하는 것과 같은 원리이다. 이 주파수 변화를 감지함으로써 가속도를 감지한다. Q값이 높은 용수철 구조(음차형 등)를 사용하면 주파수 변화의 감지 정밀도가 높아져 높은 측정 정밀도를 얻을 수 있다. 이 원리는 전자 저울 등 정밀하게 물체의 무게를 측정하는 장치에도 사용된다.

3. 1. 기계식 가속도계

기본적인 기계식 가속도계는 감쇠된 검증 질량이 스프링 위에 있는 형태이다. 가속도계가 가속도를 경험하면 뉴턴의 제3법칙에 따라 스프링의 압축이 조정되어 가속도에 상응하는 힘을 질량에 가하여 가속도에 대응한다. 스프링의 힘은 압축량에 따라 선형적으로 증가하고(후크의 법칙) 스프링 상수와 질량은 알려진 상수이므로 스프링의 압축을 측정하는 것은 가속도를 측정하는 것과 같다. 이 시스템은 질량과 스프링의 진동이 측정에 간섭하는 것을 방지하기 위해 감쇠된다. 그러나 감쇠로 인해 가속도계는 주파수 응답을 갖게 된다.[7]

많은 동물들은 가속도, 특히 중력을 감지하기 위한 감각 기관을 가지고 있다. 이 기관에서 검증 질량은 보통 탄산칼슘 결정체(예: 이석) 또는 평형사구이며, 뉴런에 연결된 털 침대 위에서 작용한다. 털은 스프링을 형성하고, 뉴런은 센서 역할을 한다. 감쇠는 일반적으로 유체에 의해 이루어진다. 인간을 포함한 많은 척추동물은 내이에 이러한 구조를 가지고 있다. 대부분의 무척추동물도 비슷한 기관을 가지고 있지만 청각 기관의 일부는 아니며, 평형포라고 한다.

기계식 가속도계는 종종 전자 회로가 약간의 움직임을 감지한 다음, 검증 질량이 멀리 이동하지 않도록 선형 모터의 한 유형으로 검증 질량을 밀어내는 방식으로 설계된다. 모터는 전자석일 수 있으며, 매우 작은 가속도계에서는 정전기를 사용할 수 있다. 회로의 전자적 동작을 신중하게 설계할 수 있고 검증 질량이 멀리 이동하지 않기 때문에 이러한 설계는 매우 안정적(즉, 진동하지 않음)이고, 매우 선형적이며, 제어된 주파수 응답을 가질 수 있다. (이를 서보 메커니즘 모드 설계라고 한다.)

기계식 가속도계에서 측정은 종종 전기적, 압전, 압저항 또는 정전 용량 감지를 사용한다. 압전 가속도계는 압전 세라믹 센서(예: 티탄산 지르콘산 납) 또는 단결정(예: 석영, 전기석)을 사용한다. 이는 고주파 측정, 낮은 포장 무게 및 고온 저항에서 타의 추종을 불허한다. 압저항 가속도계는 충격(매우 높은 가속도)에 더 잘 견딘다. 정전 용량 가속도계는 일반적으로 실리콘 마이크로 머시닝 감지 소자를 사용한다. 이들은 저주파를 잘 측정한다.

현대 기계식 가속도계는 종종 작은 ''미세 전자기계 시스템''(MEMS)이며, 캔틸레버 빔과 검증 질량(''지진 질량''이라고도 함)으로 구성된 매우 간단한 MEMS 장치인 경우가 많다. 감쇠는 장치 내부에 밀봉된 잔류 가스에 의해 발생한다. Q 팩터가 너무 낮지 않은 한, 감쇠로 인해 감도가 낮아지지는 않는다.

외부 가속도의 영향으로 검증 질량은 중립 위치에서 벗어난다. 이 편향은 아날로그 또는 디지털 방식으로 측정된다. 가장 일반적으로 고정 빔 세트와 검증 질량에 부착된 빔 세트 사이의 정전 용량이 측정된다. 이 방법은 간단하고, 신뢰할 수 있으며, 저렴하다. 스프링에서 압저항을 통합하여 스프링 변형을 감지하고, 따라서 편향을 감지하는 것은 좋은 대안이지만, 제작 시퀀스 중에 몇 가지 공정 단계가 더 필요하다. 매우 높은 감도를 위해 양자 터널링도 사용된다. 이는 전용 공정이 필요하므로 매우 비싸다. 실험실 장치에서 광학 측정이 입증되었다.

또 다른 MEMS 기반 가속도계는 열 가속도계이다. 이 가속도계는 매우 작은 돔 안에 작은 히터를 포함하고 있다. 이 히터는 돔 내부의 공기 또는 다른 유체를 가열한다. 열 기포는 검증 질량 역할을 한다. 돔 내부의 보조 온도 센서(예: 서미스터; 또는 열전퇴)는 돔의 한 위치에서 온도를 측정한다. 이는 돔 내의 가열된 기포의 위치를 측정한다. 돔이 가속되면 더 차갑고 밀도가 높은 유체가 가열된 기포를 밀어낸다. 측정된 온도가 변한다. 온도 측정은 가속도로 해석된다. 유체는 감쇠를 제공한다. 유체에 작용하는 중력은 스프링을 제공한다. 검증 질량이 매우 가벼운 가스이고 빔이나 레버에 의해 고정되지 않기 때문에 열 가속도계는 높은 기계적 충격을 견딜 수 있다. 또 다른 변형은 와이어를 사용하여 가스를 가열하고 온도 변화를 감지한다. 온도 변화는 와이어의 저항을 변화시킨다. 2차원 가속도계는 하나의 돔, 하나의 기포 및 두 개의 측정 장치로 경제적으로 구성할 수 있다.

대부분의 마이크로 기계 가속도계는 ''평면 내''에서 작동한다. 즉, 다이 평면의 한 방향에만 민감하도록 설계되었다. 단일 다이에 두 개의 장치를 수직으로 통합하면 2축 가속도계를 만들 수 있다. 다른 ''평면 외'' 장치를 추가하면 3개의 축을 측정할 수 있다. 이러한 조합은 패키징 후 결합된 3개의 개별 모델보다 훨씬 낮은 정렬 오류를 가질 수 있다.

마이크로 기계 가속도계는 다양한 측정 범위로 제공되며, 수천 ''g''까지 도달한다. 설계자는 감도와 측정할 수 있는 최대 가속도 사이에서 절충해야 한다.

가장 일반적인 계측 원리는 스프링(코일 스프링이나 판 스프링)에 연결된 추(매스, 질량)에 가속도가 가해졌을 때의 위치 변화를 포착하는 것이다.

질량 ''m'' [kg]인 추에 가속도 ''a'' [m/s2]가 가해졌을 때, 추에 작용하는 힘 ''F'' [N]은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:F=ma

추를 스프링 상수 ''k'' [N/m](=[kg/s2])인 스프링으로 지지했을 때 추가 ''x'' [m]만큼 변위했다면, 훅의 법칙을 이용하면 다음과 같다.

:F=kx

따라서 가속도 ''a'' [m/s2]는 다음과 같다.

:a=\frac{F}{m}=\frac{kx}{m}

스프링 상수 ''k''와 추의 질량 ''m''이 이미 알려져 있다면 추의 변위 ''x''를 검출함으로써 가속도를 계측할 수 있다. 근본적인 성능은 스프링 상수와 추의 질량으로 결정되기 때문에, 검출 방법의 향상이나 안정성, 내환경성 등이 주요 연구·개발 대상이 되고 있다.

변위의 계측에는 정전 용량의 변화나 스트레인 게이지 또는 압전 효과에 의한 전기 저항의 변화 등을 사용한다.

기계식 가속도 센서는 계측 장치로서 어느 정도의 크기와 무게를 차지하며, 관성 질량이 커지는 경향이 있으므로, 단시간 계측에는 적합하지 않으며, 스프링 자체가 진동을 일으키기 때문에 공진 영역 근처에서의 가속 운동에는 큰 오차가 발생한다. 가동부의 주유나 금속부의 녹과 같은 기계 특유의 경시 변화라는 문제도 있다.

높은 정밀도가 요구되는 지구의 중력 가속도의 계측에서는, 고진공 용기 내에 코너 큐브라는 반사체를 낙하시켜, 그 낙하 시간을 측정함으로써 중력을 정밀하게 측정하는 「절대 중력 가속도계」라는 계측기도 있다.

3. 2. 전자식 가속도계

기계식 가속도계는 종종 전자 회로를 사용하여 약간의 움직임을 감지하고, 선형 모터를 통해 검증 질량을 밀어내어 멀리 이동하지 않도록 설계된다. 이때 모터는 전자석일 수 있으며, 매우 작은 가속도계에서는 정전기를 사용할 수 있다. 이러한 설계 방식은 회로의 전자적 동작을 신중하게 설계할 수 있고 검증 질량이 멀리 이동하지 않기 때문에 매우 안정적이고(즉, 진동하지 않음), 선형적이며, 제어된 주파수 응답을 가진다. 이를 서보 메커니즘 모드 설계라고 한다.[7]

기계식 가속도계에서 측정은 주로 전기적, 압전, 압저항 또는 정전 용량 감지를 사용한다. 압전 가속도계는 티탄산 지르콘산 납과 같은 압전 세라믹 센서나 석영, 전기석과 같은 단결정을 사용하며, 고주파 측정, 낮은 포장 무게 및 고온 저항에서 우수하다. 압저항 가속도계는 충격(매우 높은 가속도)에 더 강하며, 정전 용량 가속도계는 일반적으로 실리콘 마이크로 머시닝 감지 소자를 사용하고 저주파 측정에 적합하다.

3. 3. MEMS 가속도계

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세 전자기계 시스템) 가속도계는 캔틸레버 빔과 검증 질량(지진 질량이라고도 함)으로 구성된 소형 장치이다. 외부 가속도의 영향으로 검증 질량이 중립 위치에서 벗어나는데, 이 변위는 아날로그 또는 디지털 방식으로 측정된다.[7]

MEMS 가속도계는 다양한 측정 방식을 사용한다.

  • 정전 용량 방식: 고정 빔과 검증 질량에 부착된 빔 사이의 정전 용량 변화를 측정한다. 간단하고, 신뢰할 수 있으며, 저렴하다.[7]
  • 압저항 방식: 스프링에 통합된 압저항을 통해 스프링 변형, 즉 편향을 감지한다. 제작 시 추가 공정이 필요하다.[7]
  • 압전 방식: 압전 세라믹 센서(예: 티탄산 지르콘산 납) 또는 단결정(예: 석영, 전기석)을 사용한다. 고주파 측정, 낮은 포장 무게 및 고온 저항에 유리하다.
  • 양자 터널링 방식: 매우 높은 감도를 위해 사용되지만, 전용 공정이 필요하여 비싸다.[7]
  • 열(대류) 방식: 작은 히터로 공기를 가열하여 기포를 만들고, 돔 내부의 온도 센서(예: 서미스터; 또는 열전퇴)로 기포의 위치 변화를 측정하여 가속도를 계산한다. 높은 기계적 충격을 견딜 수 있다.[7]


대부분의 마이크로 기계 가속도계는 ''평면 내''에서 작동한다. 즉, 다이 평면의 한 방향에만 민감하도록 설계되었다. 단일 다이에 두 개의 장치를 수직으로 통합하면 2축 가속도계를 만들 수 있고, 다른 ''평면 외'' 장치를 추가하면 3개의 축을 측정할 수 있다.

4. 종류

가속도계는 측정 원리, 측정 범위, 축 수 등 다양한 기준에 따라 분류된다.

'''측정 원리에 따른 분류'''


  • '''정전 용량형''': 검증 질량의 변위에 따라 발생하는 정전 용량 변화를 측정한다.
  • '''압저항형''': 검증 질량의 변위에 따라 발생하는 압저항 소자의 저항 변화를 측정한다.
  • '''압전형''': 압전 세라믹 센서(예: 티탄산 지르콘산 납) 또는 단결정(예: 석영, 전기석)을 사용한다. 고주파, 고온 환경에 적합하다.
  • '''광학식''': 가속도에 의해 발생하는 위치 변화를 광학적으로 측정한다.
  • '''열형''': 가열된 가스의 이동을 온도 변화로 감지한다.


'''측정 축 수에 따른 분류'''

검출 축 수에 따라 1축, 2축, 3축 센서가 있다. 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 3방향의 가속도를 하나의 장치로 측정할 수 있는 MEMS 센서의 일종이다.

'''기타 분류'''

  • 벌크 마이크로머신 커패시티브
  • 벌크 마이크로머신 압전 저항
  • 커패시티브 스프링 매스 시스템 기반
  • 직류 응답
  • 전기 기계식 서보 (서보 힘 균형)
  • 고중력
  • 고온
  • 레이저 가속도계
  • 저주파
  • 자기 유도
  • 모드 튜닝 임팩트 해머
  • 널 밸런스
  • 광학
  • 진자 적분 자이로 가속도계 (PIGA)
  • 압전 가속도계
  • 양자 (루비듐 원자 구름, 레이저 냉각)
  • 공진
  • 시트 패드 가속도계
  • 전단 모드 가속도계
  • 스트레인 게이지
  • 표면 탄성파 (SAW)
  • 표면 마이크로머신 커패시티브 (MEMS)
  • 열 (서브마이크로미터 CMOS 공정)
  • 삼축
  • 플렉시블 애노드가 있는 진공 다이오드[40]
  • 전위차계형
  • LVDT형 가속도계

4. 1. 측정 원리에 따른 분류

가속도계는 측정 원리에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • '''정전 용량형''': 검증 질량의 변위에 따라 발생하는 정전 용량의 변화를 측정한다.
  • '''압저항형''': 검증 질량의 변위에 따라 발생하는 압저항 소자의 저항 변화를 측정한다.
  • '''압전형''': 압전 세라믹 센서(예: 티탄산 지르콘산 납) 또는 단결정(예: 석영, 전기석)을 사용한다. 고주파, 고온 환경에 적합하다.
  • '''광학식''': 가속도에 의해 발생하는 위치 변화를 광학적으로 측정한다.
  • '''열형''': 가열된 가스의 이동을 온도 변화로 감지한다.


최근 다양한 장치에 사용되는 가속도 센서에는 반도체 방식이 많이 쓰이는데, 모두 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세 전자기계 시스템) 기술을 사용한 것이다.[45]

  • '''정전 용량형''': 빔 구조로 지지되는 미세 가동부의 위치 변화를 정전 용량 변화로 감지하여 전기 회로를 통해 증폭·계측한다. 정전 용량을 감지하는 빗살 모양의 구조를 거친 부분과 미세한 부분으로 만들어 감지 정밀도를 높인다.
  • '''압전 저항형''': 실리콘 반도체 제조 기술을 사용하여 표면을 환형으로 얇게 만들어 다이어프램을 형성한다. 중앙의 추를 이 얇은 금속으로 지지하여 가속도에 의한 변위를 쉽게 감지한다. 다이어프램의 위치 변화를 압전 저항 소자를 통해 감지하여 전기 회로를 통해 증폭·계측한다. 다이어프램과 압전 저항 소자의 부착 방법을 개선하여 3축 방향의 가속도 검출이 가능해졌다.
  • '''가스 온도 분포형''': 공동부 중앙에서 가열되어 가벼워진 가스가 가속도에 의해 이동하는 것을 주변의 온도 측정 저항 브리지의 저항 변화로 감지하여 전기 회로를 통해 증폭·계측한다. 다른 방식에서는 공기보다 무거운 추를 질량으로 사용하지만, 이 방식에서는 반대로 공기보다 가벼운 가스 부분을 질량으로 간주한다. 기계적인 가동 부분이 없기 때문에 MEMS 공정의 수율이 좋고, 결과적으로 저렴하게 제조할 수 있다고 한다.

4. 2. 측정 축 수에 따른 분류

검출 축 수에 따라 1축, 2축, 3축 센서가 있다. 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 3방향의 가속도를 하나의 장치로 측정할 수 있는 MEMS 센서의 일종이다. ±수 [g] 범위의 측정이 가능하다.[45]

대표적인 3축 가속도 센서에는 다음과 같은 것들이 있다.

종류
피에조 저항형 3축 가속도 센서
정전 용량형 3축 가속도 센서
열 감지형 3축 가속도 센서



제조사로는 다음과 같은 회사들이 있다.

제조사
IMV (일본)
크로스보 (Crossbow)
호쿠리쿠 전기 공업 (北陸電気工業)
히타치 금속 (日立金属)
MEMSIC (미국)
ST마이크로일렉트로닉스 (STMicroelectronics, 미국)
아나로그 디바이스 (Analog Devices, 미국)
보쉬 센서텍 (Bosch Sensortec, 독일)
다이트란 (Dytran, 미국)


4. 3. 기타 분류


  • 벌크 마이크로머신 커패시티브
  • 벌크 마이크로머신 압전 저항
  • 커패시티브 스프링 매스 시스템 기반
  • 직류 응답
  • 전기 기계식 서보 (서보 힘 균형)
  • 고중력
  • 고온
  • 레이저 가속도계
  • 저주파
  • 자기 유도
  • 모드 튜닝 임팩트 해머
  • 널 밸런스
  • 광학
  • 진자 적분 자이로 가속도계 (PIGA)
  • 압전 가속도계
  • 양자 (루비듐 원자 구름, 레이저 냉각)
  • 공진
  • 시트 패드 가속도계
  • 전단 모드 가속도계
  • 스트레인 게이지
  • 표면 탄성파 (SAW)
  • 표면 마이크로머신 커패시티브 (MEMS)
  • 열 (서브마이크로미터 CMOS 공정)
  • 삼축
  • 플렉시블 애노드가 있는 진공 다이오드[40]
  • 전위차계형
  • LVDT형 가속도계

5. 응용 분야

가속도계는 공학, 생물학, 산업, 의료, 항법, 운송, 화산학, 소비자 가전 등 다양한 분야에서 활용된다.


  • 공학: 차량, 기계, 건물, 공정 제어 시스템 및 안전 설비의 진동 측정, 지진 활동, 기울기, 기계 진동, 동적 거리 및 속도 측정 등에 사용된다. 중력계는 가속도계를 중력 측정에 사용하도록 특별히 구성한 것이다.
  • 생물학: 동물의 행동 패턴 분석 및 에너지 소비 속도 정량화에 활용된다. 예를 들어, 해리스매의 비행 에너지 소비 연구나 캐나다스라소니의 사냥 행동 연구에 사용된다.
  • 산업: 회전 장비의 베어링 상태 모니터링, 구조물의 움직임 및 진동 측정에 사용된다.
  • 의료: 자동 제세동기에서 흉부 압박 깊이 측정, 스포츠 시계에서 착용자의 속도 및 거리 측정, 만보계에서 걸음 수 측정, 보행 분석 등에 사용된다.
  • 항법: 관성 항법 장치에서 움직이는 물체의 위치, 방향 및 속도를 계산하는 데 사용된다.
  • 운송: 로켓의 원지점 감지, 지능형 다짐 롤러, 전자식 주행 안정화 제어 시스템, 에어백 전개 시스템, 소음, 진동 및 불쾌감(NVH) 모니터링, 틸팅 열차 등에 사용된다.
  • 화산학: 활화산의 움직임을 감지하고 마그마의 움직임을 파악하는 원격 감지 장치에 사용된다.
  • 소비자 가전:
  • 스마트폰, 태블릿 등에서 화면 방향 자동 전환[34]
  • 아이폰, 아이패드, 아이팟 터치, 아이팟 나노 등 다양한 제품에 탑재[34]
  • 하드 디스크의 헤드 크래시를 방지하고 데이터 손실을 막기 위한 자유 낙하 감지[34]
  • Wii 리모컨, 닌텐도 3DS와 같은 게임 컨트롤러에서 모션 입력 감지
  • 캠코더나 디지털 카메라에서 이미지 안정화 기능
  • 자동 충돌 알림 시스템에서 충돌 감지
  • 노트북의 하드 디스크 보호

5. 1. 공학

가속도계는 차량의 가속도를 측정하는 데 사용될 수 있다.

가속도계는 자동차, 기계, 건물, 공정 제어 시스템 및 안전 설비의 진동을 측정하는 데 사용될 수 있다. 또한 중력의 영향을 받거나 받지 않고 지진 활동, 기울기, 기계 진동, 동적 거리 및 속도를 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 가속도계가 중력을 측정하는 데 사용되는 응용 분야, 즉 가속도계가 중력 측정에 사용되도록 특별히 구성된 분야는 중력계라고 한다.

엄밀한 정밀도가 요구되는 과학 실험이나 지진계와 같은 가속도 측정 기기로 사용되는 외에, 만보계나 휴대 전화의 화면의 상하 방향을 결정하는 데 사용되는 등, 이 센서의 용도는 매우 다양하다.

5. 2. 생물학

가속도계는 생물학 분야에서 점점 더 많이 활용되고 있다. 이축[8] 또는 삼축 가속도의 고주파 기록을 통해 동물이 보이지 않는 동안에도 행동 패턴을 분석할 수 있다.[9] 또한, 가속도 기록을 통해 연구자들은 사지 스트로크 빈도[10] 또는 전반적인 동적 신체 가속도[11]와 같은 측정을 통해 야생에서 동물이 에너지를 소비하는 속도를 정량화할 수 있다.

이러한 접근 방식은 주로 시각적 관찰이 어려운 해양 과학자들에 의해 채택되었지만, 육상 생물학자들도 유사한 방식을 활용하는 사례가 늘고 있다. 예를 들어, 가속도계는 해리스매(Parabuteo unicinctus)의 비행 에너지 소비를 연구하는 데 사용되었다.[12] 또한, 연구자들은 캐나다스라소니[14]의 사냥 행동과 같이 야생 동물의 행동을 더 잘 이해하기 위해 카메라나 마이크와 같은 추가 기술을 갖춘 가속도계를 사용하고 있다.

5. 3. 산업

가속도계는 자동차, 기계, 건물, 공정 제어 시스템 및 안전 설비의 진동을 측정하는 데 사용될 수 있다. 또한 중력의 영향을 받거나 받지 않고 지진 활동, 기울기, 기계 진동, 동적 거리 및 속도를 측정하는 데에도 사용될 수 있다.[15][16][17][18][19][20]

가속도계는 터빈, 펌프, 팬, 롤러, 압축기 또는 베어링 결함과 같은 회전 장비의 베어링에서 샤프트의 진동 및 시간 변화를 보고하기 위해 기계 상태 모니터링에 사용된다. 가속도계 진동 데이터를 통해 사용자는 기계를 모니터링하고 회전 장비가 완전히 고장 나기 전에 이러한 결함을 감지할 수 있다.

가속도계는 동적 하중에 노출된 구조물의 움직임과 진동을 측정하는 데 사용된다. 동적 하중은 다음과 같은 다양한 원인에서 발생한다.

  • 인간 활동 – 걷기, 달리기, 춤추기 또는 뛰기
  • 작업 기계 – 건물 내부 또는 주변 지역
  • 건설 작업 – 말뚝 박기, 철거, 드릴링 및 굴착
  • 교량 위의 움직이는 하중
  • 차량 충돌
  • 충격 하중 – 낙하 파편
  • 진탕 하중 – 내부 및 외부 폭발
  • 구조 요소의 붕괴
  • 풍하중 및 돌풍
  • 공기 폭발 압력
  • 지반 파괴로 인한 지지력 상실
  • 지진 및 여진


구조 응용 분야에서 구조물이 이러한 입력에 동적으로 어떻게 반응하는지 측정하고 기록하는 것은 구조물의 안전성과 생존 가능성을 평가하는 데 매우 중요하다. 이러한 유형의 모니터링을 상태 모니터링이라고 하며, 변위 센서(전위차계, LVDT 등), 변형 센서(스트레인 게이지, 신장계), 하중 센서(로드셀, 압전 센서) 등과 같은 다른 유형의 계측기를 일반적으로 포함한다.

5. 4. 의료

Zoll사의 자동 제세동기 Plus는 CPR 흉부 압박의 깊이를 측정하기 위해 가속도계를 포함하는 CPR-D•padz를 사용한다.

지난 몇 년 동안, 여러 회사에서 가속도계를 포함한 발걸이가 장착된 스포츠 시계를 생산하고 판매하여, 착용자의 속도와 거리를 측정하도록 돕고 있다.

벨기에에서는 가속도계 기반의 만보계를 정부에서 홍보하여 국민들이 매일 몇 천 걸음을 걷도록 장려하고 있다.

Herman Digital Trainer는 가속도계를 사용하여 신체 훈련 시 타격력을 측정한다.[21][22]

가속도계는 보행 매개 변수를 계산하는 데 사용되어 왔다. 이러한 종류의 센서는 사람을 측정하거나 모니터링하는 데 사용할 수 있다.[24][25]

5. 5. 항법

관성 항법 장치는 외부 참조 없이 컴퓨터와 모션 센서(가속도계)를 사용하여 움직이는 물체의 위치, 방향 및 속도(이동 방향 및 속도)를 추측 항법을 통해 지속적으로 계산하는 항법 보조 장치이다. 관성 항법 장치 또는 이와 밀접하게 관련된 장치를 지칭하는 다른 용어에는 관성 유도 시스템, 관성 기준 플랫폼 등이 있다.

가속도계만으로는 항공기 및 로켓과 같이 중력의 수직 감소가 상당한 거리에서 고도 변화를 결정하는 데 적합하지 않다. 중력 기울기가 있는 경우 보정 및 데이터 감소 프로세스는 수치적으로 불안정하다.[26][27]

5. 6. 운송

가속도계는 전문[28] 및 아마추어[29] 로켓 모두에서 원지점을 감지하는 데 사용된다.

가속도계는 지능형 다짐 롤러에도 사용되고 있으며, 자이로스코프와 함께 관성 항법 시스템에 사용된다.[30]

MEMS 가속도계는 최신 자동차의 에어백 전개 시스템에 가장 많이 사용된다. 가속도계는 차량의 급격한 음의 가속도를 감지하여 충돌 발생 여부와 심각성을 결정한다. 또한, 코너링 힘을 측정하기 위해 측면 가속도계를 사용하는 전자식 주행 안정화 제어 시스템에도 사용된다. 자동차 산업에서 가속도계의 광범위한 사용은 비용을 크게 낮추었다.[31] 이 외에도 운전자와 승객에게 불편함을 유발하고 기계적 결함의 지표가 될 수 있는 소음, 진동 및 불쾌감 (NVH) 모니터링에도 활용된다.

틸팅 열차는 가속도계와 자이로스코프를 사용하여 필요한 기울기를 계산한다.[32]

5. 7. 화산학

현대 전자식 가속도계는 활화산의 움직임을 감지하기 위해 마그마의 움직임을 감지하는 원격 감지 장치에 사용된다.[33]

5. 8. 소비자 가전

개인 전자 장치에서 가속도계는 화면 방향을 감지하는 데 사용된다. 예를 들어, 스마트폰이나 태블릿에서 화면이 가로 또는 세로 모드로 표시되는지 결정한다.[34] 애플(Apple Inc.)은 아이폰, 아이패드, 아이팟 터치, 아이팟 나노 등 다양한 제품에 가속도계를 포함시켰다.[34]

Kionix의 3축 디지털 가속도계, Motorola Xoom 내부

자유 낙하 센서하드 디스크의 헤드 크래시를 방지하고 데이터 손실을 막기 위해 자유 낙하를 감지하는 데 사용된다. 이 기술은 다양한 컴퓨터 및 소비자 전자 제품에 포함되어 있다.[34]
모션 입력Wii 리모컨과 같은 게임 컨트롤러에서 사용자의 움직임을 감지하여 게임 조작에 활용된다. 닌텐도 3DS와 같은 휴대용 게임기에도 사용된다.
자동 충돌 알림 시스템차량 충돌 시 충돌 강도의 가속도를 감지하여 도움을 요청하는 시스템에 사용된다. OnStar, 포드 911 어시스트, 토요타 세이프티 커넥트, 렉서스 링크, BMW 어시스트 등이 대표적인 예이다.
이미지 안정화캠코더나 디지털 카메라에서 이미지 안정화를 위해 사용된다. 일부 카메라는 흐림 방지 촬영을 위해 가속도계를 사용하기도 한다.
장치 무결성노트북이 떨어질 때 하드 디스크의 헤드를 주차하여 데이터 손실을 방지하는 데 사용된다.

이 외에도 가속도계는 다음과 같은 다양한 용도로 활용된다.

6. 관련 계측기

지진계, 중력계, 경사계 등은 가속도계의 일종이라고 할 수 있지만, 용도에 따라 정밀도, 사용 대역, 다이내믹 레인지, 안정성 등의 성능이 특징적이다.[1] 예를 들어 지진계는 지진파의 주기 근처에 감도를 갖게 하여 지진 이외의 진동(지진의 주기보다 짧은)의 검출을 억제하고 있다.[1]

중력계는 중력 측정법에 사용되는 기기로, 일종의 가속도계이다.[1] 하지만 일반적인 가속도계는 진동을 포함한 모든 소음에 취약하여 진동 가속도를 유발하는 단점이 있다.[1] 중력계는 이러한 단점을 통합 진동 격리 및 신호 처리를 통해 해결한다.[1] 설계의 기본 원리는 가속도계와 동일하지만, 중력계는 일반적으로 1 ''g''의 지구 중력 내에서 매우 미세한 변화를 측정하기 위해 가속도계보다 훨씬 더 민감하게 설계된다.[1] 반면 다른 가속도계는 종종 1000 ''g'' 이상을 측정하도록 설계되었으며, 많은 가속도계는 다축 측정을 수행한다.[1] 시간 해상도에 대한 제약은 일반적으로 중력계에 덜 적용되므로, 더 긴 "시간 상수"로 출력을 처리하여 해상도를 높일 수 있다.[1]

7. 개인 정보 및 보안 문제

가속도계 데이터는 많은 모바일 장치에서 사용자 허가 없이 타사 앱에서 접근할 수 있으며,[41] 운전 행동, 음주 상태, 연령, 성별, 터치스크린 입력, 지리적 위치 등 기록된 동작 패턴을 기반으로 사용자에 대한 풍부한 정보를 추론하는 데 사용된다.[42] 사용자의 인지나 동의 없이 이러한 추론이 수행되는 경우, 이를 추론 공격이라고 한다. 또한, 수백만 대의 스마트폰이 가속도계를 통해 소프트웨어 크래킹에 취약할 수 있다.[43][44]

참조

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[3] 서적 Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms In MATLAB https://books.google[...] Springer
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[7] 간행물 A review of micromachined thermal accelerometers http://stacks.iop.or[...]
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