센서｜기초편
가속도 센서의 동작 원리
2023.06.21
키 포인트
・가속도 센서란, 단위 시간당 속도＝가속도를 측정하는 센서다.
・원리적으로는 이동 및 기울기에 따라 발생되는, 스프링으로 연결된 추의 위치 변화를 측정하여 가속도를 구한다.
이번 편부터는 센서에 대해 구체적으로 설명하겠습니다. 「센서란?」 편에서 기술한 바와 같이, IoT의 관점에서 다룰 예정입니다. 먼저, 「가속도 센서」에 대해 설명하겠습니다. 가속도 센서는, 최근 스마트폰을 비롯한 웨어러블 기기 등 다양한 기기에 사용되는 센서로, 생활 주변에서 가장 흔히 사용되는 센서 중 하나라고 할 수 있습니다.
가속도 센서란?
가속도란 단위 시간당 속도를 뜻하며, 이러한 가속도를 측정하는 센서를 가속도 센서라고 합니다. 가속도를 측정함으로써, 물체의 움직임, 기울기, 진동 등의 정도를 계측할 수 있습니다.
가속도에는 일반적으로 3개의 단위가 사용됩니다.
- ・SI 단위계의 m/s2 (미터 매 초 제곱)
- ・MKS 중력 단위계의 G (지) : 표준 중력 가속도 (1G＝9.806 65 m/s2)
- ・CGS 단위계의 Gal (갈) : 지진 진동의 가속도 (100 Gal＝1 m/s2)
가속도 센서의 동작 원리
아래 그림은 가속도 센서의 일반적인 측정 방법을 모식화한 그림입니다. 그림과 같이 스프링으로 연결된 추는, 상자를 왼쪽 위로 이동시키는 경우 (즉 가속도가 발생하는 경우) 추의 위치가 변화합니다. 이러한 위치 변화를 측정하여 가속도를 도출합니다.
오른쪽 그림은 추의 위치에서 기울기를 측정하는 원리를 나타낸 것입니다. 실제의 정지 상태에서는 중력 1G가 인가됩니다. 상자를 기울이면, 추의 위치가 변화하여 중력 방향을 알 수 있으므로, 이를 기울기로서 검출할 수 있습니다.
가속도 센서의 축
가속도 센서에는 「축」이라는 개념이 있습니다. 예를 들어, 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 (방향)으로, 쉽게 말하자면 좌우전후상하의 G를 측정할 수 있습니다. 어플리케이션에 따라서 필요한 축의 수는 달라지지만 3차원 상태를 파악할 수 있는 3축 타입이 최근 가장 많이 사용되고 있습니다. 3축 가속도 센서는 일정 방향의 G를 측정하는 센서가 각 방향만큼, 즉 3개의 센서가 1개의 디바이스에 탑재된 것입니다.
앞서 동작 원리를 설명한 그림에서는 스프링이 X, Y, Z 방향이므로 3축입니다. 아래 그림은 3축 가속도 센서에서 경사를 검출하는 예를 나타낸 것입니다.
Y축을 수평으로 고정하고 센서가 회전한 경우입니다. 이때 변화하는 것은 X와 Z입니다. 그림은 X와 Z가 변화할 때의 센서 출력을 전압치로 하여 그래프로 나타낸 것입니다. X축 출력 Vx는 수평 상태 (0도 / 0g)에서 90도 회전하면 ＋1g, 또 한번 ＋90도 회전하여 ＋180도 (반전하여 수평)에서는 0g가 됩니다. 당연히 Y축 출력 Vy는 0g에서 변화하지 않습니다. Z축 출력 Vz는 위상에 90도의 지연이 발생합니다.
경사 θ를 구하기 위해서는 그림과 같이, 합성 벡터 |G|＝A일 때, G＝(Vx, Vy, Vz)＝(A sinθ, 0, A cosθ)가 됩니다.
다음 편에서는 가속도 센서의 분류와 어플리케이션 예에 대해 설명하겠습니다.