[ST마이크로일렉트로닉스=제이 에스판디야리(Jay Esfandyari), 톰 보끼노(Tom Bocchino)] 기울기센서의 정밀도와 정확도는 실제값 측정을 위한 기울기센서를 선택할 때 필수적인 기준이다. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 디바이스에서는 이득(Gain), 오프셋, 잡음, 교차축 감도가 핵심적인 결정 요소다.
수많은 애플리케이션에서 센서 비용은 이러한 주요 파라미터와 관련된 경우가 많다. 종합적인 보정과 조정(Trimming)을 위해 고성능 디바이스는 생산과정 중 추가적인 시간과 장비가 필요하며, 많은 비용이 소모된다.
정밀도와 정확도는 혼용해 사용하는 경우가 많지만 다른 의미로 사용된다.
정확도는 디바이스 출력이 실제값에 얼마나 가까운지를 나타내며 출력이 실제값에 가까울수록 정확도가 높아진다.
한편, 정밀도는 측정 지점이 서로 얼마나 가까이 있는지 또는 모여 있는지를 나타낸다. 측정 데이터가 넓게 퍼져 있으면 낮은 정밀도를 나타내며, 측정된 지점에 조밀하게 분포하거나 모여 있으면 높은 정밀도를 나타낸다. 고성능 디바이스는 높은 정확도와 높은 정밀도의 데이터를 모두 제공해야 한다.
정적 기울기 측정 방법
정적 기울기는 지구의 중력(g = 9.81m/sec² 또는 32.2feet/sec²)이 센서의 관심있는 축에 미치는 영향을 나타낸다. 가속도센서는 센서 축에 미치는 중력으로 인한 가속도의 투영을 측정한다. 하지만 실제 시나리오에서는 기울기센서가 디바이스의 외부 가속도, 잡음, 오프셋도 측정할 수 있다.
정확한 기울기 계산을 달성하려면 이러한 구성요소가 중력 효과 측정에 미치는 영향이 무시할 만한 수준이어야 한다. 이러한 외부 이벤트가 유의미한 경우 그에 따라 측정된 데이터를 보정해야 한다.
MEMS 기반 가속도센서와 기울기센서는 수평면에 대한 물체의 기울기를 측정하는 데 사용할 수 있다. 3축 모두에서 측정된 힘의 합은 중력(1g)으로 인한 힘과 같다. 이러한 예상치를 통해, 기본 삼각 방정식을 사용하여 각 축에 대한 경사각을 계산할 수 있다. 물체를 회전하면 감지축과 수평면 사이의 경사각(α)의 sin에 따라 감지된 가속도의 진폭이 변한다.
가장 간단한 기울기 계산은 단일 축 기울기센서를 사용해 계산하려는 축에 지구의 중력을 측정하는 것이다.
2축 가속도센서는 작은 각도(약 0º )에도 제한되지 않는 선형적인 감도와 높은 분해능을 구현함으로써 기울기 측정에 대한 단일축 디바이스 단점을 제거하며, 전체 360º 범위에서도 측정이 가능하다. 하지만 고려해야 할 두 가지 다른 시나리오가 있다.
3축 디바이스는 많은 이점을 제공한다. 거의 일정한 기울기 감도와 360º 이상에서 가능한 측정, 시스템 아키텍처 요구사항을 충족하는 모든 방향으로 PCB에 디바이스를 장착할 수 있는 유연성 등이 있다.
동적 기울기 측정
동적 기울기는 물체가 지구의 중력 외에도 회전, 진동, 운동, 충격을 경험할 때 물체의 기울기와 슬로프를 지칭한다.
동적 기울기 측정은 정적 기울기 측정보다 조금 더 복잡하다. 솔루션에는 중력 벡터를 결정하는 가속도센서와 동시에 물체의 회전을 측정하는 자이로스코프가 포함돼야 한다.
MEMS 기반 동적 기울기센서는 실시간 기울기 측정을 위해 3축 자이로스코프와 3축 가속도센서를 모두 통합하고 있다. 가속도센서 데이터가 외부 가속 간섭의 영향을 받는 시나리오에서는 3축 자이로스코프가 3개의 축 x, y 및 z의 각속도를 제공해 간섭을 보정한다.
하지만 자이로스코프는 본질적으로 시간이 지남에 따라 약간의 출력 데이터 드리프트가 발생한다. 따라서 자이로스코프와 가속도센서의 결합은 안정적이고 정확한 동적 기울기 측정을 보장해준다. 일반적으로 가속도센서와 자이로스코프의 데이터는 확장된 칼만(Kalman) 필터에 기반한 일련의 알고리즘을 통해 함께 융합되고 처리된다.
기울기 센서의 성능 요건
기울기센서를 선택할 때 수반되는 몇 가지 주요 성능 요건이 있다. 디바이스의 축 수는 첫 번째로 고려해야 할 중요한 지표이다. 애플리케이션과 시스템 요건에 따라 1축이나 2축, 3축 디바이스를 선택할 수 있다.
센서의 오프셋/바이어스 및 이득과 시간 및 온도에 따른 드리프트는 매우 중요하다. 이러한 지표의 값은 센서를 얼마나 자주 보정해야 하는지를 결정한다. 지구의 중력과 회전을 측정하는 센서의 측정 범위는 또 다른 주요 사양이며, 정적 기울기센서의 경우 지구의 중력 구성요소가 필요하기 때문에 보통 +/-1g의 풀스케일이면 충분하다.
센서의 분해능도 중요한 성능 지표다. 이는 디바이스의 잡음, 대역폭, 필터링, ADC(아날로그-디지털 변환) 분해능에 따라 달라진다. 잡음이 많은 센서는 애플리케이션의 정확도 요건에 따라 보정이 추가로 필요할 수 있다.
온도에 따른 오프셋과 감도의 안정성은 센서의 정확도를 결정한다. 정확도도 진동 정류 오차(Vibration Rectification Error, VRE)에 따라 다르다.
동작 온도 범위와 인터페이스가 아날로그인지 디지털인지의 여부도 어떤 애플리케이션에서는 중요할 수 있다. 그 밖의 성능 규격에는 오프셋/감도 보정 오차, 솔더 후 드리프트, 교차축 감도, 비선형성 등이 있다. 이는 주변 온도에서 조립 후 보정 단계에서 측정하고 해결할 수 있기 때문에 관련성이 낮을 수도 있다. 이러한 보정은 높은 정확도의 기울기센서를 위해 필요한 경우가 많다.
기울기센서 애플리케이션
MEMS 기울기센서는 시간과 온도에 대해 높은 안정성을 갖고, 비용 효율적이며, 낮은 전력 소비와 소형 크기로 많은 애플리케이션에서 사용된다. MEMS 정적 기울기센서는 통합하기도 쉬우며, 기술적 이점과 비용 이점 외에도 장기적인 안정성을 제공한다.
기울기센서는 구조 안정성을 모니터링하고, 차량 전복을 방지하며, 로봇과 정확한 안테나 및 플랫폼 위치 지정에도 사용되고 있다.
지난 몇 년간 부상한 애플리케이션 중에는 구조 안전성 모니터링(SHM)이 있다. 그 목표는 구조물에서 안전사고가 발생하기 전에 잠재적 문제를 식별하는 것이다. 이 애플리케이션은 안전과 비용 편익에 대한 예측 모니터링에 속한다.
SHM의 센서는 장기간에 걸쳐 데이터를 수집해 구조물의 전반적 상태에 대한 정보를 제공한다. 진동, 경사, 온도, 압력, 변형, 힘 데이터는 구조 모니터링 시스템의 주요 요소이다. 적절한 시간 간격으로 정기적으로 수집되는 센서 데이터는 시스템 안정성 상태를 나타낼 수 있다.
동적 기울기센서는 6자유도(six-degree-of-freedom) 솔루션을 제공하므로 물체의 슬로프 위치와 기울기에 대한 시간 종속 정보가 필요한 애플리케이션에 유용하다. 동적 기울기센서는 가속도센서와 자이로스코프를 결합해 센서 데이터 융합을 구현한다. 이로써 동적 기울기센서는 잘못된 가속을 받을 때 움직이는 물체의 각도를 안정적으로 측정하게 된다.
동적 기울기센서의 또 다른 일반적 용도는 로봇의 다중 동시 움직임을 모니터링하는 것이다. 자율 주행차는 가장 최근 떠오르는 애플리케이션의 하나이다. 이를 위해서는 자동차의 위치를 실시간으로 정확하게 판단하기 위해 매우 빠른 속도로 대량의 데이터를 안정적으로 수집하는 수백 개의 센서가 필요하다.
최신 MEMS 기울기센서는 높은 성능과 정확도, 시간 및 온도에 따른 높은 안정성, 낮은 전력 소비를 제공하면서도 비용 경쟁력이 매우 크다. MEMS 기울기센서는 매우 작고 전력 효율적이므로 많은 애플리케이션에 적합한 선택이다.
정적 기울기센서는 지구의 중력 성분을 출력해 정적 경사각과 슬로프 위치를 계산한다. 이러한 특성 때문에 모든 외부 운동과 가속도가 정적 기울기센서의 정확도에 영향을 미친다. 반면 동적 가속도센서는 운동, 회전, 진동, 가속도가 있는 애플리케이션에 적합하다. 정적 및 동적 기울기센서는 모두 다양한 애플리케이션이 적용될 수 있다.
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