MEMS 센서 진동계측 성능 번역(한국어 원본)MEMS 센서의 진동계측 성능
본 연구에서는 농용 포장기계의 상시 가동상황을 파악할 수 있는 계측 시스템을 구축하기 위한 전 단계로, MEMS 센서 및 병진가속도계로 농용 차량의 진동 가속도의 시계열 데이터를 획득하고 그로부터 RMS 및 PSD값을 산출하여 비교·분석함으로써 농용차량의 진동 계측에 대한 MEMS 센서의 유용성을 검토하고자 하였다.
측정 외란요소 및 연산오차 등으로 인하여, 상하 방향의 가속도 RMS 및 피칭 각가속도 RMS 공히 MEMS 센서 및 병진가속도계로 측정한 값의 크기에는 차이가 있었지만, 두 방법으로 측정한 값 모두 기체 속도가 빨라질수록 커지는 일반적인 경향을 나타내었다.
PSD 값 역시 RMS 값과 마찬가지로 두 방법에 의한 측정치의 차이는 있었으나, 피크 주파수가 거의 일치되게 나타나서, MEMS 센서로 진동 특성을 매우 정확하게 검출할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
따라서, 대형이고 비용이 많이 드는 기존의 병진가속도계를 대신하여, 단 하나의 센서로 병진 가속도(전후, 좌우, 상하)와 각속도(롤링, 피칭, 요잉) 측정이 모두 가능한 MEMS 센서가 농용 포장 작업기 진동특성 파악에 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단되었다.정보통신 기술을 이용한 영농 지원 및 농작업 관리 시스템을 농업의 경영효율화에 적용하고자 하는 연구가 최근에 활발히 진행되고 있어 농업기계에 있어서도 고효율, 고이용화가 요구되고 있다. 그 때문에, 기체의 안전성을 포함한 농업기계의 가동 정보를 파악할 수 있는 계측시스템의 구축이 매우 중요하게 되었다.
농업 포장기계의 가장 기본적인 가동 정보는 바로 차량의 운동 특성에 관한 것으로 이를 파악하기 위해서는, 진동 가속도의 6 자유도 성분 계측이 필요하다. 지금까지 차량의 6 자유도 성분의 기체 진동의 계측은 일반적으로 병진 가속도계를 이용한 병진 가속도와 자이로에 의한 회전 가속도의 계측을 통해 이루어져 왔다. 그러나 이 방법은 계측 시스템이 대형일 뿐만 아니라 고가여서 상시로 기체의 진동 가속도를 계측하고 가동 상태를 파악하는데 그대로 이용하기에는 여러 어려움이 따른다.
따라서, 본 연구에서는 최근에 초소형·저비용으로 주목을 받고 있는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미소 전기 기계 시스템) 센서를 이용하여 농업 포장기계의 상시 가동상황을 파악할 수 있는 계측 시스템을 구축하기 위한 전 단계로, MEMS 센서 및 병진가속도계로 농용 차량의 진동 가속도의 시계열 데이터를 획득하고 그로부터 RMS(Root Mean Square) 및 PSD(Power Spectral Density) 값을 산출·비교함으로써 농용차량의 진동 계측에 대한 MEMS 센서의 유용성을 검토하고자 하였다.
재료 및 방법
지금까지 차량의 6 자유도 진동성분의 계측은 일반적으로 병진 가속도계 및 자이로를 이용하여 병진 가속도 및 회전가속도를 측정함으로써 이루어져왔다.
그러나 이 계측 시스템은 대형일 뿐만 아니라 그 비용도 많이 들어서 농용 차량의 기체 진동이나 가동상황의 상시 파악에 그대로 이용하기에는 상당한 어려움이 있다.
이에 본 연구에서는 근년 급속하게 연구·개발이 진행되고 있는 반도체 가공 기술의 산물로 매우 소형이면서도 저렴한 MEMS 센서를 1 종 선정하고, 이를 이용하여 농용 차량의 기체 진동 가속도의 시계열 데이터를 획득하고 RMS와 PSD를 산출하여, 기존의 가속도 측정 시스템으로부터 얻어진 그것과 비교함으로써, 농용차량의 진동 계측에 대한 MEMS 센서의 유용성을 입증하고자 하였다.
본 실험에 이용된 MEMS 센서 및 기존의 6자유도 가속도 측정장치의 구체적인 사양 및 실험 방법은 다음과 같다.
MEMS 센서
1) 정전용량형 가속도 센서
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미소 전기 기계 시스템) 센서는 전기 회로뿐만 아니라 센서나 액츄에이터 같은 다른 요소를 실리콘 기판 등에 함께 집적화한 것으로, 소형이면서도 고도의 기능을 수행할 수 있어서 정보 통신, 자동차, 가전, 산업기계, 의학·바이오, 환경·방재 등의 여러 분야에서 그 용도가 급속히 확대되고 있다.
주요 MEMS 센서 중의 하나가 바로 가속도 센서인데, 이것은 가속도를 검출하는 검출소자부와 검출소자로부터의 신호를 증폭, 조정해 출력하는 신호처리 회로로 구성되어 있어서, 검출소자부의 방식에 따라 정전용량 방식, 피에조저항 방식, 열검출 방식으로 나누어진다.
본 연구에 채택한 가속도 센서는 정전용량형으로, 이것은 질량 m의 추에 연결된 스프링상수가 k인 용수철의 시간당 변위량 x로부터 가속도 a를 구하는 방식이다. 즉, 뉴턴의 운동 방정식 F=ma 및 훅의 법칙 F=kx를 연립시킴으로써 얻어지는 a=kx/m에서 k와 m은 상수이므로 스프링의 시간당 변위량 x를 구하는 것으로 가속도 a를 얻을 수 있는 것이다. 검출소자부는 가동부와 고정부로 이루어져있으며 각각 전극을 가지고 있어서 가동전극이 고정전극에 가까워지면 고정전극에 인가된 클록신호와 작용하여 가동전극에 전위변화가 발생하는데, 이 전위변화는 변위량 x에 비례하므로 가속도가 환산되는 원리이다.
Fig. 1 에 검출 소자부의 모식도를 나타내었다.
Fig. 1 가속도 센서 검출 소자부의 모식도(C1과C2의 정전용량으로부터 가속도를 검출)
이상으로부터, 본 MEMS 센서는 단 하나의 센서로 병진 가속도(전후·좌우·상하)와 각속도(롤링, 피칭, 요잉) 측정이 가능하고 무선으로 데이터의 송수신이 가능하여, 본 연구에 매우 적절하다고 판단되었다.
6 자유도 진동 가속도 계측장치(가속도 박스) 및 계측법
기존의 연구에서 진동 가속도를 측정할 때에 사용되어 온, 아크릴 상자에 12개의 병진 가속도계를 단 가속도 박스를 그림2에 나타내었다. 가속도 박스를 이용한 6 자유도 진동가속도 성분 계측법에 대해 아래에 상술 한다. |
MEMS 센서 진동계측 성능 번역(영어 번역본)Performance of Measuring Vibration of MEMS Sensor
The purpose of this study is to examine the usefulness of an MEMS sensor for measuring vibration of agricultural vehicle by obtaining serial data of vibration acceleration of agricultural vehicle using an MEMS sensor and translational accelerometer and thereby calculating RMS and PSD for comparison and analysis as a step before construction of measuring system which can identify operating conditions of agricultural packaging machinery at all times.
Although there are differences between vertical acceleration RMS and pitching angular acceleration measured by an MEMS sensor and translational accelerometer due to disturbance factors and computation errors, both measurements obtained by the two methods typically increase as vehicle body moves faster.
For PSD, likewise RMS, there were differences in measurements, but peak frequencies were almost matched between the two methods, so it was confirmed that an MEMS sensor could exactly detect vibration characteristics.
Therefore, it was considered that instead of large and costly translational accelerometer, an MEMS sensor which can measure both translational acceleration (back-and-forth, lateral, and vertical) and angular acceleration (rolling, pitching, and yawing) only with a single unit could be properly used in identifying vibration characteristics of agricultural packaging machinery.
Recently, many studies on application of farming support and agricultural work management system using information and communication technology to management efficiency of agriculture have been progressed and agricultural machinery of high efficiency and high utilization have also been required. This has brought about consideration of the construction of such measuring system as being important that could identify operating information of agricultural vehicle including safety of vehicle body.
Rudimentary operating information of agricultural packaging machinery is exactly about the characteristics of motion of vehicle. In order to identify them, 6 degrees of freedom components of vibration acceleration are required. Previous studies on measuring the vibration of vehicle body of 6 degrees of freedom components of vehicle have been through measuring of translational acceleration of translational accelerometer and rotational acceleration of gyro. However, this method has problems in that measuring system is so large and costly that it could not be regularly used in measuring vibration acceleration and identifying operating conditions of vehicle body.
Therefore, this study aims to examine the usefulness of MEMS (Micro Electro Mechanical System) sensor, a compact and affordable sensor which has recently received attention, for measuring vibration of agricultural vehicle by obtaining serial data of vibration acceleration using an MEMS sensor and translational accelerometer and thereby calculating and comparing RMS (Root Mean Square) and PSD (Power Spectral Density) as a step before construction of measuring system which can always identify operating conditions of agricultural packaging machinery.
Materials and Methodology
Until now, measurement of 6 degrees of freedom vibration components of vehicle have been performed by measuring translational acceleration and rotational acceleration using translational accelerometer and gyro.
However, since such measuring system is not only large in size but also costly in price, there are substantial difficulties in using the system as it is for measuring vibration and operating conditions of agricultural vehicle body at all times.
Hence, this study aims to demonstrate the usefulness of an MEMS sensor, a compact and affordable product of semiconductor processing technology for which research and development have actively progressed in recent years, by obtaining serial data of vibration acceleration of agricultural vehicle body and thereby calculating RMS and PSD values and comparing them with those obtained from the existing acceleration measuring system. Detailed specifications of the MEMS sensor and the existing device for measuring 6 degrees of freedom acceleration and experimental methods employed in this study are as follows:
MEMS Sensor
1) Capacitive acceleration sensor
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor integrates not only electrical circuits but also other components such as sensor or actuator on silicon substrate. As being compact in size and capable of performing advanced functions, it has been widely used in various fields including information and communication, cars, home appliances, industrial machinery, medicine and biotechnology, and environment and safety control.
One of the major MEMS sensors is acceleration sensor which consists of sensing element which senses acceleration and signal processing circuit which amplifies signals from the sensing element and adjusts and outputs them. MEMS sensors are classified into capacitive type, piezoresistive type and thermal detecting type, depending upon the mode of sensing element.
The acceleration sensor selected for this study is of capacitive type which determines acceleration from x, displacement per hour of a spring of which spring constant is k and which is connected with a pendulum in weight of m. That is, because in = kx/m which is obtained by combining F = m, Newton’s equation of motion, and F = kx, Hook’s law, k and m are constants, acceleration can be calculated by determining , displacement by hour of a spring. The sensing element consists of the operating part and fixing part which have electrodes, respectively. When the operating electrode approaches the fixing electrode, it acts on clock signal applied to the fixing electrode and brings about a potential change in the operating electrode. This potential change is proportionate to the displacement x and acceleration can be converted.
Figure 1 provides a schematic diagram of the sensing element.
Figure 1 Schematic diagram of the sensing element of acceleration sensor (acceleration to be sensed from the capacitance of C1 and C2)
Based on the abovementioned information, the MEMS sensor was determined to be suitable for this study in that it can measure translational acceleration (back-and-forth, lateral and vertical) and angular acceleration (rolling, pitching, and yawing) only with a single sensor and transmit and receive wireless data
6. Measuring Device of Degree of Freedom Vibration Acceleration (Acceleration Box) and Measurement Method
An acceleration box made of an acryl box which was used in measuring vibration acceleration in the existing studies and 12 translational accelerometers is shown Figure 2. The measurement method of 6 degrees of freedom vibration acceleration component using the acceleration box is described below. |
