경사계
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1. 개요
경사계는 중력에 대한 물체의 각도를 측정하는 기구이다. 고대 이집트와 페르시아에서 사용된 간단한 형태에서 1870년대 개발된 애브니 레벨과 같은 휴대용 측량 기구, 1927년 찰스 린드버그의 항공기, 현대의 MEMS 기술을 활용한 디지털 경사계까지 다양한 형태로 발전해 왔다. 경사계는 인공 수평선을 생성하여 각도 기울기를 측정하며, 센서 종류와 기술에 따라 정확도가 달라진다. 토목, 측량, 항공, 산업, 지질학 등 다양한 분야에서 활용되며, 휴대용 경사계는 측량 및 지도 제작, 광물 탐사, 임업, 포병 등에 사용되고, 영구 설치된 경사계는 댐과 같은 구조물의 안정성을 모니터링하는 데 사용된다.
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| 경사계 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 중력 기반 액체 기반 힘 균형 가속도계 전해액 용량 유도 열 기체 MEMS 광섬유 |
| 응용 분야 | 항공 엔지니어링 구조물 해양 자동차 게임/가상 현실 사진 카메라 짐벌 플랫폼 평탄화 드릴링 측량 의료 로봇 공학 과학 기기 산업 지진학 |
| 정의 | |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 중력, 액체, 힘 균형, 가속도 등을 이용 |
| 유형별 설명 | |
| 중력 기반 경사계 | 중력 방향에 대한 상대적인 각도를 측정 |
| 액체 기반 경사계 | 액체의 수평면을 기준으로 각도를 측정 |
| 힘 균형 경사계 | 힘의 균형을 이용하여 각도를 측정 |
| 가속도계 | 가속도를 측정하여 기울기를 계산 |
| 전해액 경사계 | 전해액의 변화를 감지하여 각도를 측정 |
| 용량 경사계 | 용량 변화를 감지하여 각도를 측정 |
| 유도 경사계 | 유도 코일의 변화를 감지하여 각도를 측정 |
| 열 경사계 | 열 분포 변화를 감지하여 각도를 측정 |
| 기체 경사계 | 기체 압력 변화를 감지하여 각도를 측정 |
| MEMS 경사계 | 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 이용 |
| 광섬유 경사계 | 광섬유의 빛 변화를 감지하여 각도를 측정 |
| 응용 분야별 설명 | |
| 항공 | 항공기의 자세 제어 및 항법 시스템 |
| 엔지니어링 구조물 | 다리, 건물 등의 구조적 건전성 모니터링 |
| 해양 | 선박의 안정성 유지 및 각도 측정 |
| 자동차 | 자동차의 자세 제어 및 안전 시스템 |
| 게임/가상 현실 | 게임 컨트롤러 및 가상 현실 장비 |
| 사진 | 사진 촬영 시 수평 유지 |
| 카메라 짐벌 | 카메라의 안정적인 촬영 각도 유지 |
| 플랫폼 평탄화 | 플랫폼의 수평 유지 |
| 드릴링 | 드릴의 각도 제어 |
| 측량 | 지형의 기울기 측정 |
| 의료 | 환자의 자세 측정 및 재활 치료 |
| 로봇 공학 | 로봇의 자세 제어 및 작업 수행 |
| 과학 기기 | 실험 장비의 수평 유지 |
| 산업 | 산업 장비의 정밀 제어 |
| 지진학 | 지진 활동으로 인한 지반의 기울기 변화 측정 |
2. 역사
경사계의 역사는 고대부터 시작되어 다양한 문명권에서 활용되었다. 웰의 경사계는 평평한 면 또는 받침대와 약간의 무거운 액체로 절반만 채워진 속이 빈 원반이 핵심 부품이었다. 원반의 유리면은 액체 표면이 평평한 받침대를 기준으로 하는 각도를 표시하는 눈금이 있는 눈금으로 둘러싸여 있었다. 0(영)선은 받침대와 평행하며 액체가 그 선에 위치할 때 평평한 면은 수평이었다. 90도는 받침대에 수직이며 액체가 그 선에 위치할 때 평평한 면은 수직 또는 연직이었다. 중간 각도가 표시되어 있었으며 간단한 변환 표를 사용하면 수평 측정의 고정된 거리와 경사선의 고정된 거리당 하강률을 나타냈다.
2. 1. 고대 및 중세
고대 이집트에서는 건축물의 수평을 맞추기 위해 추를 이용한 간단한 형태의 경사계를 사용했다. 페르시아의 박식가 알 비루니는 태양의 높이와 위도 측정을 위해 사분원을 활용한 경사계를 사용했다. 그는 계수판 뒤쪽에 눈금 있는 호를 만들고, 추선을 사용하여 임시 사분원으로 활용했다. 이 사분원은 4분의 1 원형 패널을 기반으로 한 경사계였을 것이다.[1]2. 2. 근대
알 비루니는 태양의 높이를 측정하기 위해 임시 사분원으로 경사계를 사용했다.[1]애브니 레벨은 1870년대에 개발된 휴대용 측량 기구로, 조준 튜브와 경사계를 포함한다. 측량사는 시준선이 경사계에 설정된 각도에 있을 때 시준 튜브(및 십자선)를 경사계의 수평계에 있는 기포의 반사와 정렬할 수 있다.
1927년 찰스 린드버그는 대서양 횡단 비행에 사용한 Ryan NYP "세인트루이스의 정신"의 패널에 가벼운 Rieker Inc P-1057도 경사계를 설치했다.[2]
2. 3. 현대
MEMS 기술을 활용한 디지털 경사계가 현대에 널리 사용되고 있다. 한국에서는 IT 기술 발전과 함께 스마트폰에 경사계 센서가 탑재되면서 일상생활에서도 쉽게 활용되고 있다.기울기 센서 및 경사계는 인공 수평선을 생성하고 이 수평선에 대한 각도 기울기를 측정한다. 카메라, 항공기 비행 제어 장치, 자동차 보안 시스템, 특수 스위치 등에 사용되며 플랫폼 수평 조절, 붐 각도 표시, 기울기 측정이 필요한 기타 응용 분야에도 사용된다.
기울기 센서 및 경사계를 고려할 때 중요한 사양은 기울기 각도 범위와 축 수이다. 축은 대개 직교하지만 항상 그런 것은 아니다. 기울기 각도 범위는 원하는 선형 출력 범위이다.
기울기 센서 및 경사계의 일반적인 구현 방식은 가속도계, 액체 정전 용량, 전해질, 액체 내 기체 버블, 진자 방식이 있다.
기울기 센서 기술은 비디오 게임에도 구현되었다. ''요시의 만유인력'' 및 ''커비 틸트 앤 텀블''은 모두 카트리지에 내장된 기울기 센서 메커니즘을 기반으로 제작되었다. 플레이스테이션 3 및 Wii 게임 컨트롤러도 비디오 게임을 플레이하는 수단으로 기울기를 사용한다.
경사계는 토목 공학에서 사용되며, 예를 들어 건설할 토지의 기울기를 측정하는 데 사용된다.
일부 경사계는 CAN (컨트롤러 영역 네트워크)를 기반으로 하는 전자 인터페이스를 제공한다. 또한, 해당 경사계는 표준화된 CANopen 프로파일(CiA 410)을 지원할 수 있다. 이 경우, 이러한 경사계는 호환되며 부분적으로 상호 교환이 가능하다.
3. 종류
경사계는 작동 원리 및 형태에 따라 다양한 종류로 나뉜다.
알 비루니는 태양의 높이를 측정하기 위해 계수판 뒤쪽에 눈금 있는 호를 만들고, 추선을 사용하여 임시 사분원으로 사용했다. 그는 이 초보적인 도구로 측정한 값을 사용하여 해당 위치의 위도를 결정했다. 이 사분원은 4분의 1 원형 패널을 기반으로 한 경사계였을 것이다.[1]
애브니 레벨은 1870년대에 개발된 휴대용 측량 기구로, 조준 튜브와 경사계를 포함하고 있어 측량사가 시준선이 경사계에 설정된 각도에 있을 때 시준 튜브(및 십자선)를 경사계의 수평계에 있는 기포의 반사와 정렬할 수 있도록 배열되어 있다.
1927년 찰스 린드버그가 세인트루이스의 정신호의 패널에 장착한 가벼운 Rieker Inc P-1057도 경사계는 상승 및 하강 각도 정보를 제공했다.[2]
현대에는 액체 정전 용량, 전해질, MEMS 기술을 활용한 다양한 경사계가 개발되어 사용되고 있다.
- 애브니 레벨(Abney Level): (애브니 레벨에 대한 자세한 내용은 애브니 레벨 하위 섹션에서 다룬다.)
- 액체 정전 용량형 경사계: 액체의 정전 용량 변화를 감지하여 기울기를 측정한다.
- 전해질 경사계: 전해질 용액의 저항 변화를 이용한다.
- MEMS 경사계: 미세 전자기계 시스템(MEMS) 기술을 이용하여 소형화, 정밀화된 경사계이다.
- 자이로스코프 결합 경사계: 자이로스코프와 가속도계를 결합하여 외부 가속도에 의한 오차를 줄인 경사계이다.[3]
3. 1. 전통적인 경사계
웰스 경사계는 평평한 면 또는 받침대와 약간의 무거운 액체로 절반만 채워진 속이 빈 원반이 핵심 부품이다. 원반의 유리면은 액체 표면이 평평한 받침대를 기준으로 하는 각도를 표시하는 눈금이 새겨져 있다. 영(0)선은 받침대와 평행하며 액체가 그 선에 위치할 때 평평한 면은 수평이다. 90도는 받침대에 수직이며 액체가 그 선에 위치할 때 평평한 면은 수직 또는 연직이다. 중간 각도가 표시되어 있으며 간단한 변환 표를 사용하면 수평 측정의 고정된 거리와 경사선의 고정된 거리당 하강률을 나타낸다.[1]알 비루니는 태양의 높이를 측정하기 위해 계수판 뒤쪽에 눈금 있는 호를 만들고, 추선을 사용하여 임시 사분원으로 사용했다. 그는 이 초보적인 도구로 측정한 값을 사용하여 해당 위치의 위도를 결정했다. 이 사분원은 4분의 1 원형 패널을 기반으로 한 경사계였을 것이다.[1]
애브니 레벨은 1870년대에 개발된 휴대용 측량 기구로, 조준 튜브와 경사계를 포함하고 있어 측량사가 시준선이 경사계에 설정된 각도에 있을 때 시준 튜브(및 십자선)를 경사계의 수평계에 있는 기포의 반사와 정렬할 수 있도록 배열되어 있다.
더 유명한 경사계 설치 중 하나는 1927년 찰스 린드버그가 상승 및 하강 각도 정보를 제공하기 위해 선택한 Ryan NYP "세인트루이스의 정신"의 패널에 장착된 가벼운 Rieker Inc P-1057도 경사계였다.[2]
3. 2. 현대적인 경사계
액체 정전 용량, 전해질, MEMS 기술을 활용한 다양한 현대식 경사계가 개발되어 사용되고 있다.- 애브니 레벨(Abney Level): 조준 튜브와 경사계를 결합한 휴대용 측량 기구이다.
- 액체 정전 용량형 경사계: 액체의 정전 용량 변화를 감지하여 기울기를 측정한다.
- 전해질 경사계: 전해질 용액의 저항 변화를 이용한다.
- MEMS 경사계: 미세 전자기계 시스템(MEMS) 기술을 이용하여 소형화, 정밀화된 경사계이다.
- 자이로스코프 결합 경사계: 자이로스코프와 가속도계를 결합하여 외부 가속도에 의한 오차를 줄인 경사계이다.[3]
4. 작동 원리 및 기술
경사계는 인공 수평선을 생성하고 이 수평선에 대한 각도 기울기를 측정하는 장치입니다. 카메라, 항공기 비행 제어 장치, 자동차 보안 시스템, 특수 스위치 등에 사용되며, 플랫폼 수평 조절, 붐 각도 표시, 기울기 측정 등 다양한 분야에 활용됩니다.
기울기 센서 및 경사계를 선택할 때는 기울기 각도 범위와 축 수를 고려해야 합니다. 축은 일반적으로 직교하며, 기울기 각도 범위는 원하는 선형 출력 범위를 의미합니다.
일반적으로 기울기 센서 및 경사계는 가속도계, 액체 정전 용량, 전해질, 액체 내 기체 버블, 진자 방식을 활용하여 구현됩니다.
이러한 기울기 센서 기술은 비디오 게임에도 적용되었습니다. ''요시의 만유인력'' 및 ''커비 틸트 앤 텀블''은 카트리지에 내장된 기울기 센서 메커니즘을 기반으로 제작되었습니다. 플레이스테이션 3 및 Wii 게임 컨트롤러도 기울기를 게임 플레이 방식으로 활용합니다.
경사계는 토목 공학에서도 활용되며, 건설할 토지의 기울기를 측정하는 데 사용됩니다. 일부 경사계는 CAN (컨트롤러 영역 네트워크) 기반 전자 인터페이스를 제공하며, 표준화된 CANopen 프로파일(CiA 410)을 지원할 수 있습니다.
기존의 수평계와 추 기반 전자식 수평 측정 장치는 일반적으로 단일 축과 좁은 기울기 측정 범위로 제한됩니다. 그러나 대부분의 정밀 수평 측정, 각도 측정, 정렬 및 표면 평탄도 프로파일링 작업은 2차원 표면 평면 각도를 포함합니다. MEMS 틸트 센서로 제작된 2축 경사계는 지구 기준면에 접하는 표면 평면의 2차원 각도 판독값을 동시에 제공합니다.
2축 MEMS 경사계를 사용하는 주요 이점은 다음과 같습니다.
- 2차원(X-Y 평면) 기울기 각도(예: 피치 & 롤)를 동시에 측정하여 단일 축 수평계를 사용할 때 발생하는 번거로운 교환을 줄일 수 있습니다.
- 작동 온도 변화와 같은 비선형성에 대한 디지털 보정 및 정밀 보정을 통해 더 넓은 측정 범위에서 더 높은 정확도를 달성할 수 있습니다.
- 가속도계 센서는 진동 프로파일 형태의 수치 데이터를 생성하여 설치 전후의 수평 프로파일을 비교하고 구조물의 위치 안정성을 확인할 수 있도록 지원합니다.
경사계는 중력에 대한 물체의 각도를 측정하기 때문에 급격한 움직임, 진동 또는 충격과 같은 외부 가속은 측정 오류를 유발할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 가속도계 외에 자이로스코프를 사용할 수 있습니다. 알고리즘을 통해 두 신호를 결합하여 각 센서에서 최상의 값을 얻고, 외부 가속으로 인한 오류와 실제 기울기 각도를 분리할 수 있습니다.[3]
경사계의 정확도는 센서 유형, 기술, 각도 범위에 따라 달라지며, 일반적으로 ±0.01–2° 범위입니다. 특정 고감도 전자 경사계 센서는 기술과 각도 범위에 따라 0.0001°까지의 출력 분해능을 달성할 수 있지만, 실제 정확도는 센서 및 상황에 따라 달라질 수 있습니다.
5. 활용 분야
경사계는 측량, 건설, 항공, 우주, 산업, 지질학, 지구물리학 등 다양한 분야에서 활용된다. 
- 위도 결정: 북극성(북반구) 또는 남십자자리(남반구)를 이용하여 위도를 결정한다.
- 지구 자기장 각도 결정: 수평면에 대한 지구 자기장의 각도를 결정한다.
- 편차 표시: 진정한 수직 또는 수평으로부터의 편차를 표시한다.
- 경사각/고각 측정: 측량에서 경사각 또는 고각을 측정한다.
- 장비 전복 경고: 장비 조작자에게 장비가 넘어질 수 있음을 경고한다.
- 고도/경사 측정: 제방과 같은 고도, 경사 또는 경사 각도를 측정한다.
- 유정 기록: 유정 기록에서 드릴링 각도를 측정한다.
- 스키 슬로프 경사 측정: 스키 슬로프의 경사를 측정한다.
- 라인 어레이 스피커 각도 조정: 라인 어레이 스피커의 각도를 측정하고 미세 조정하며, 원격 경사계에 내장된 레이저를 사용하여 달성된 각도를 확인한다.
- 대포/총 발사 각도 설정: 대포 또는 총의 발사 각도를 설정하여 투사체 범위를 결정한다.
- 안전: 안전하지 않은 작업 조건 방지를 지원한다.[6]
- 임업: 산림청은 산림 재고 및 분석 프로그램에서 나무 높이를 측정하기 위해 기울기 센서 (또는 경사계)를 사용한다.
- 물류 운송: 물류 및 운송에 사용되는 기울기 지시계는 일회용 시스템으로, 배송 과정에서 제품에 부착된다.
- 기타: --,
건물 높이 측정
5. 1. 측량 및 건설
경사계는 토지 측량에서 지형의 경사와 고도를 측정하고, 지도 제작에 활용된다. 건설 현장에서는 구조물의 수평 및 기울기를 측정하고 안정성을 검사하는 데 사용된다. 특히 댐, 터널과 같은 토목 공사에서는 구조물의 장기적인 안정성을 모니터링하기 위해 영구적으로 설치된 경사계가 활용된다.5. 2. 항공 및 우주
경사계는 항공기의 자세 제어에 사용되어 항공기의 피치 및 롤 각도를 측정한다.[4] 또한, 위성을 향한 위성 안테나의 "시선 각도"를 측정하는 데에도 활용된다.[5]5. 3. 산업
- 크레인 및 자재 취급: 크레인 및 자재 취급 장비의 붐 각도를 모니터링하여 안전사고를 예방한다.[6]
- 태양광 패널: 태양광 패널을 최적의 각도로 조정하여 발전 효율을 극대화한다.
- 선박: 정지된 물에서의 리스트와 거친 물에서의 롤을 측정하여 선박의 안정성을 유지한다.
5. 4. 지질학 및 지구물리학
경사계는 지질학 및 지구물리학 분야에서 다음과 같은 목적으로 활용된다.- 산사태 및 화산 활동 모니터링: 지반의 미세한 기울기 변화를 측정하여 산사태나 화산 활동과 같은 자연재해를 예측하는 데 사용된다. 특히 지구물리학에서는 화산 모니터링, 산사태 깊이 및 이동 속도 측정 등에 활용된다.[6]
- 광물 탐사: 지질 구조의 주향과 경사를 측정하여 광물 탐사에 활용된다.
- 지층 및 절토 사면 경사 측정: 지층의 경사 또는 절토 사면의 경사를 결정하는 데 사용된다.
- 구조 지질학: 나침반과 함께 암석의 평면 및 선상 구조의 방향을 측정하는 데 사용된다.
5. 5. 기타
경사계는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.- 자동차 안전 시스템: 차량의 기울기를 감지하여 전복 위험을 경고한다.[6]
- 게임: 게임 컨트롤러에 틸트 센서로 활용되어 사용자 인터페이스를 제공한다. (예: 닌텐도 Wii, 플레이스테이션 3)
- 닌텐도는 게임보이 시리즈의 다음 5개 게임에서 틸트 센서 기술을 사용했다.
- 요시의 만유인력 (게임보이 어드밴스)
- 와리오웨어: 꼬여버린! (게임보이 어드밴스)(유럽 미출시)
- 코로코로 퍼즐 해피 파네추! (게임보이 어드밴스)(일본 전용)
- 별의 커비 굴려라! (게임보이 컬러)(유럽 미출시)
- 커맨드 마스터 (게임보이 컬러)(일본 전용)
- 의료: 신체 관절의 가동 범위 측정에 사용된다.[4]
- 스마트폰: 스마트폰에 내장되어 수평계, 나침반 등 다양한 애플리케이션에 활용된다.
- 임업: 삼각 측량을 포함한 표준화된 방법을 사용하여 경사계로 나무 높이 측정을 수행할 수 있다.
- 토목 공학: 건설할 토지의 기울기를 측정하거나, 벽 또는 지반의 움직임을 측정한다.
6. 한국의 특수한 상황
한국은 산지가 많은 지형 특성상, 경사계는 등산, 산림 관리, 지형 분석 등 다양한 분야에서 활용된다. 또한 급격한 도시화와 건설 산업 발달로 인해, 경사계는 건설 현장의 안전 및 효율성 향상에 중요한 역할을 한다. 한국의 발달된 IT 기술은 MEMS영어 경사계와 같은 첨단 기술 개발 및 활용을 촉진하고 있다.
참조
[1]
논문
The Science of Al-Biruni
http://www.ijscience[...]
2013
[2]
웹사이트
Rieker Inc P-1057 Degree Inclinometer
http://www.riekerinc[...]
2018-04-07
[3]
웹사이트
MEMS Inclinometer from POSITAL: How do they work?
https://www.posital.[...]
2017-01-04
[4]
웹사이트
Tracker Freedom® Wireless Dual Inclinometry | Tracker Freedom® Wireless Instruments | Products and Solutions
http://www.jtechmedi[...]
2013-07-19
[5]
웹사이트
Inclinometer – Digital Inclinometers – J-Tech Dualer IQ 12-1059
http://www.quickmedi[...]
2018-04-07
[6]
웹사이트
New Tilt Sensor Helps to Prevent Unsafe Working Conditions
http://www.frederick[...]
www.frederickscompany.com
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