KR20040007170A - Accelerometer for low frequency vibration - Google Patents

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KR20040007170A
KR20040007170A KR1020020041832A KR20020041832A KR20040007170A KR 20040007170 A KR20040007170 A KR 20040007170A KR 1020020041832 A KR1020020041832 A KR 1020020041832A KR 20020041832 A KR20020041832 A KR 20020041832A KR 20040007170 A KR20040007170 A KR 20040007170A
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Abstract

PURPOSE: An acceleration sensor for measuring a low frequency vibration is provided to measure a fine amount of acceleration speed, to simplify the structure thereof and to secure the reliability thereof during a long time by removing the structural operation unit. CONSTITUTION: An acceleration sensor for measuring a low frequency vibration includes a shield case(1), a plurality of piezoelectric devices(5), a pair of top and bottom printed circuit boards(3a,3b) and a basic structure(4). The shield case(1) isolates the piezoelectric devices(5) and the inertial mass from outside and shields the electromagnetic wave. The plurality of piezoelectric devices(5) supports the inertial mass. The pair of top and bottom printed circuit boards(3a,3b) are formed between the inertial mass and the piezoelectric devices(5). And, the piezoelectric devices(5) is positioned in symmetric with respect to the center line of gravity and connected in serial to draw a signal line to outside.

Description

저주파 진동 측정용 가속도 센서 {ACCELEROMETER FOR LOW FREQUENCY VIBRATION}Accelerometer for Low Frequency Vibration Measurement {ACCELEROMETER FOR LOW FREQUENCY VIBRATION}

본 발명은, 압전 세라믹 소자를 사용하여 진동체의 가속도를 검출하는 압전형 가속도 검출기에 관한 것이며, 특히 저가속도 저주파 영역의 가속도 검출에 있어서 고감도, 고출력화를 도모하고 신뢰성과 안정성을 향상시키는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric acceleration detector that detects the acceleration of a vibrating body using a piezoelectric ceramic element. In particular, the present invention aims at high sensitivity and high output in detecting acceleration in a low speed low frequency region, and improves reliability and stability.

물리량인 가속도는 다음의 수식1과 같이 표현된다.Acceleration, which is a physical quantity, is expressed by Equation 1 below.

F = ma (여기서, F : 힘, m : 질량, a : 가속도 ) [수식 1]F = ma (where F: force, m: mass, a: acceleration) [Equation 1]

수식1에서 보듯이 가속도는 가하여진 힘과 비례관계에 있다.As shown in Equation 1, acceleration is proportional to the applied force.

가속도 검출기는 상기한 힘이라는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 검출하는 기기이다. 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 방식에 따라 가속도 검출기는 압전형, 서보형, 비틀림 게이지형 등으로 구분되는데, 이중에서 압전형 방식이 가속도 센서에서는 가장 널리 사용되는 방식이다.An acceleration detector is a device that converts the mechanical energy of the above-mentioned force into electrical energy and detects it. Acceleration detectors are divided into piezoelectric, servo, and torsion gauge types according to the method of converting mechanical energy into electrical energy. Among them, piezoelectric type is the most widely used method for acceleration sensors.

압전형 가속도 검출기는 검지부에 위치한 압전소자에 외부 힘이 가해져서 변형이 발생하면 그 힘의 크기에 비례하여 전기에너지가 발생하는 압전효과를 이용한 것이다. 압전형 가속도 센서의 주요 구성은 기초구조물, 관성 질량, 검지용 압전체 등으로 이루어져 있으며, 검지부에 위치한 압전 소자의 변형발생 방식에 따라 대략 3종류가 있다. 이를 도1을 기준으로 간단히 설명하면 다음과 같다.The piezoelectric acceleration detector utilizes a piezoelectric effect in which electrical energy is generated in proportion to the magnitude of the force when an external force is applied to the piezoelectric element located in the detector. The main structure of the piezoelectric acceleration sensor is composed of a basic structure, an inertial mass, a piezoelectric body for detection, and the like, and there are about three types according to the deformation generation method of the piezoelectric element located in the detection unit. This is briefly described with reference to FIG. 1 as follows.

1) 압축형 :1) Compression Type:

도1a에 도시된 바와 같이, 관성질량 M에 힘 F가 가하여지면 관성질량 M과 기초구조물 B 사이에 있는 압전소자 P가 압축되고 압전소자의 분극방향과 같은 방향으로 변형이 발생한다.As shown in Fig. 1A, when the force F is applied to the inertial mass M, the piezoelectric element P between the inertial mass M and the base structure B is compressed and deformation occurs in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric element.

2) 전단형 :2) Shear type:

도1b에 도시된 바와 같이, 압전소자 P를 통해서 장착된 추 M에 힘F가 가하여 진다면, 압전소자 P가 전단력을 받아서 변형이 압전소자 P의 분극방향과 방향이 같은 면에 대한 전단력으로 발생한다.As shown in Fig. 1B, if a force F is applied to the weight M mounted through the piezoelectric element P, the piezoelectric element P receives a shearing force and deformation occurs as a shearing force on the same plane as the polarization direction of the piezoelectric element P. .

3) 일방지지보형 :3) Work prevention support type:

도1c에 도시된 바와 같이, 압전소자 P가 한쪽이 지지된 형태로 장착되고 그 선단에 장착된 추 M에 대해서 힘 F가 가하여지면 비틀림이 압전소자의 분극축 방향에 대하여 직각으로 발생한다.As shown in Fig. 1C, when a piezoelectric element P is mounted in a supported shape on one side and a force F is applied to the weight M mounted on the tip thereof, twist occurs at right angles to the polarization axis direction of the piezoelectric element.

이러한 여러 가지 방식의 압전형 가속도 센서들은 주파수, 가속도량, 측정범위 등의 조건에 따라 분류되어 사용되게 된다.These piezoelectric acceleration sensors of various types are classified and used according to conditions such as frequency, acceleration amount, and measurement range.

일예로, 중고주파의 검출에는 압축형과 전단형이 사용되고 저주파 진동을 감지하기 위해서는 이들 방식보다 검출 감도가 높고 미소진동의 검출이 가능한 일방지지보형이 사용되게 된다.For example, the compression type and the shear type are used for the detection of the medium frequency, and the one-precision support type that can detect the micro vibrations has a higher detection sensitivity than these methods to detect the low frequency vibration.

그러나, 본 발명에서 시도하고자 하는 저주파 영역의 가속도 검출에 사용되는 일방지지보형은, 저주파의 가속도를 측정하기에 용이한 구조이기는 하나 압전소자의 지지구조가 용이하게 구현하기 어려우며 구조상의 난점으로 정밀한 측정이나 안정된 감도를 확보하기 곤란하다는 취약점이 있다. 특히 감지부의 보가 기계적으로 취약한 압전 세라믹스로 제조되어야 하기 때문에 제조가 곤란하고 충격에 약하여 신뢰도 확보에 어려운 점이 있다.However, the work prevention support type used in the low frequency region acceleration detection to be tried in the present invention is easy to measure the acceleration of low frequency, but it is difficult to easily implement the supporting structure of the piezoelectric element and precise measurement due to structural difficulties. However, there is a vulnerability that it is difficult to secure stable sensitivity. In particular, since the beam of the sensing part should be made of piezoelectric ceramics that are mechanically weak, it is difficult to manufacture and weak in impact, making it difficult to secure reliability.

한편, 저주파의 가속도 검출에 사용되는 대표적인 센서로는 서보형 가속도 검출기를 들 수 있다. 서보형 검출기에는 크게 가동 코일(moving coil)형과 가동매스(moving mass)형이 있는데, 이러한 센서는 구조적으로 기계적 구동부를 포함한 구조가 특징이며 신호의 궤환을 이용하므로 회로부와 튜닝이 특별히 중요하다. 따라서 서보형 가속도 검출기는 장기적으로 조정없이 사용하기에는 적합하지 않은 방식이라고 볼 수 있다On the other hand, a representative sensor used for low frequency acceleration detection is a servo type acceleration detector. There are two types of servo detectors: moving coil type and moving mass type. These sensors are structurally characterized by a mechanical drive part and circuit feedback and tuning are particularly important because they use signal feedback. Therefore, the servo acceleration detector is not suitable for long-term use without adjustment.

최근 대형구조물의 붕괴 사고가 큰 사회적 문제로 대두되어 안전진단에 대한 관심이 증가되고 있다. 이에 따라, 종래에 사용되던 부재별 평가나 육안검사 등의방법으로부터 최근에는 각종 센서를 이용한 계측과 자료분석을 이용한, 보다 객관적이고 과학적인 방법이 점차 도입되고 있는 추세이다. 이러한 계측분야에서 가속도 검출기는 가장 기본적인 검출기 중에 하나로 구조물의 진동을 검출함으로서 거시적인 거동을 감지하여 구조물의 상태를 평가하는데 이용된다.Recently, the collapse of large structures has emerged as a big social problem, increasing the interest in safety diagnosis. Accordingly, recently, more objective and scientific methods using measurement and data analysis using various sensors have been gradually introduced from methods such as member evaluation and visual inspection, which are conventionally used. In this field of measurement, the acceleration detector is one of the most basic detectors used to detect the behavior of the structure by detecting the macroscopic behavior by detecting the vibration of the structure.

대형구조물의 안전진단에 있어서 통상의 가속도 검출과 기술적으로 크게 다른 점이 주파수 대역이다. 즉, 대형건물의 고유진동수는 1Hz - 0.1Hz 내외로 매우 낮은 주파수 대역을 가지고 있으므로, 이에 적절한 검출기를 적용하는 것이 중요하다.The frequency band is very different from the normal acceleration detection in the safety diagnosis of large structures. That is, the natural frequency of a large building has a very low frequency band of about 1Hz-0.1Hz, it is important to apply an appropriate detector to it.

이러한 저주파수 진동의 검출을 위해서는 첫번째로 일방지지보형 검출기를 이용하거나, 두번째로 압전형중에서 압전소자에 관통공을 형성하거나 펀지지부 등을 설계한 압전형 센서 검출기를 이용하는 방법이 있다. (일본실개소61-99026호 "압전형 센서", 국내특허공고 93-6644호 "압전형 가속도 센서" 등)In order to detect such low frequency vibration, there is a method using a first prevention support type detector, or a second method using a piezoelectric sensor detector in which a through hole is formed in a piezoelectric element or a punching part is designed. (Japanese Patent No. 61-99026 "Piezoelectric Sensor", Domestic Patent Publication 93-6644 "Piezoelectric Acceleration Sensor", etc.)

그러나, 전술한 바와 같이, 일방지지보형 센서와 일본실개소 61-99062호에서의 압전 센서의 경우 구조적인 취약성을 가지며 온도 변화등에 대해 충분한 신뢰성을 가지기 힘들고, 국내특허공고 93-6644호의 경우 고분자계 압전체를 사용함으로써 장시간 외부에서 연속적인 계측을 하는 경우 검출의 안정성을 확보하는데 문제가 있다고 하겠다. 뿐만 아니라, 상기의 대부분의 방식에 있어 매우 낮은 힘을 발생시키는 저주파 진동에서는 검출된 신호 또한 매우 미약하여 고성능의 증폭기와 여파회로가 부가되어야만 어느 정도 수준의 검출력을 확보할 수 있다.However, as described above, the work prevention support sensor and the piezoelectric sensor in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-99062 have structural weaknesses and are difficult to have sufficient reliability against temperature changes, and in the case of Korean Patent Publication No. 93-6644, By using the piezoelectric element, there is a problem in securing the stability of detection when continuous measurement is performed outside for a long time. In addition, in the low frequency vibration that generates a very low force in most of the above schemes, the detected signal is also very weak so that a high level of detection power can be secured only when a high performance amplifier and a filter circuit are added.

따라서, 저주파수의 진동측정을 위한 새로운 가속도계를 설계해야 하는 당위성이 증가하게 되었다.Thus, the need to design new accelerometers for low frequency vibration measurements has increased.

또한, 압전체를 이용하는 센서의 경우 전하 감도가 낮기 때문에 전하증폭기를 사용하게 되는데 전하증폭기와 압전체 사이에 고역통과필터가 형성되어 저주파수에서 차단 주파수(CUT-OFF FREQUENCY)가 발생한다. 이 경우 저주파 대역을 감지하기 위해서는 전하증폭기의 임피던스를 충분히 증가시켜야 한다 그러나 입력 임피던스가 증가하게 되면 신호의 노이즈가 증가되어 S/N 비가 저하된다.In addition, a sensor using a piezoelectric member uses a charge amplifier because its charge sensitivity is low. A high pass filter is formed between the charge amplifier and the piezoelectric member to generate a cut-off frequency at a low frequency. In this case, the impedance of the charge amplifier must be sufficiently increased to detect the low frequency band. However, when the input impedance increases, the noise of the signal increases, and the S / N ratio decreases.

일반적으로 원격지에서 가속도를 측정하고자 하는 경우 검출기 자체로만 이용되지 않고 신호의 증폭 등을 목적으로 하는 시그널 컨디셔너부 및 전송변환부를 포함하는 경우가 일반적이다. 그러나 이러한 신호처리부는 일반적으로 실내용으로 구성된 경우가 대부분으로 외부환경에 노출되어 사계절동안 측정정밀도를 확보하는 것은 곤란한 실정이다.In general, when the acceleration is to be measured at a remote location, a signal conditioner and a transmission conversion unit for amplifying a signal, etc., which are not used only as the detector itself, are generally included. However, these signal processing units are generally configured for indoor use, and it is difficult to secure measurement accuracy during the four seasons due to exposure to the external environment.

이상과 같이, 종래의 시스템을 완전개선한 저주파 진동용 가속도 센서에 대한 기술 개발의 필요성이 급증하게 되었고, 이에 수반되는 신호처리 기술의 개발도 시급한 과제로 대두되게 되었다.As mentioned above, the necessity of the development of the technology for the acceleration sensor for low frequency vibration which fully improved the conventional system has rapidly increased, and the development of the signal processing technology accompanying this has become an urgent problem.

따라서 본 발명은 1Hz 이하의 주파수 대역에서 충분한 측정 감도를 가지는 신규한 구조의 가속도 검출기를 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an acceleration detector having a novel structure having sufficient measurement sensitivity in a frequency band of 1 Hz or less.

본 발명의 또 다른 목적은 실외에 설치하여 사계절동안 충분한 측정정밀도를 가지는 내환경성이 우수한 가속도 검출기를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an acceleration detector having excellent environmental resistance, which is installed outdoors and has sufficient measurement accuracy for four seasons.

본 발명의 또 다른 목적은 장기적 신뢰성을 확보할 수 있는 압전형 가속도검출기를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a piezoelectric acceleration detector capable of ensuring long term reliability.

본 발명의 또 다른 목적은 검출된 가속도 신호를 안정하게 장거리 전송이 가능하도록 신호전송계가 내장된 압전형 가속도 검출기를 제공하는 것이다It is another object of the present invention to provide a piezoelectric acceleration detector with a built-in signal transmission system to enable stable long-distance transmission of the detected acceleration signal.

제 1도는 압전소자의 변형발생 방식에 따른 압전형 가속도 센서의 분류1 is a classification of the piezoelectric acceleration sensor according to the deformation generation method of the piezoelectric element

도1a : 압축형1a: Compression type

도1b : 전단형Figure 1b: Shear

도1c : 일방지지보형Figure 1c: work prevention support

제 2도는 본 발명의 가속도센서에 대한 개념도2 is a conceptual diagram of the acceleration sensor of the present invention

제 3도는 관성질량 위에서 바라본 투시도3 is a perspective view from the inertial mass

제 4도는 본 발명의 가속도센서의 구조를 나타낸 사시도4 is a perspective view showing the structure of the acceleration sensor of the present invention

제 5도는 본 발명의 가속도센서의 구조를 나타낸 수직 단면도5 is a vertical cross-sectional view showing the structure of the acceleration sensor of the present invention

제 6도는 압전체 상하에 위치하는 인쇄회로 기판의 사시도6 is a perspective view of a printed circuit board positioned above and below the piezoelectric body.

도6a : 하부인쇄회로 기판6a: lower printed circuit board

도6b : 상부 인쇄회로 기판6b: upper printed circuit board

제 7도는 센서의 내부에 위치하는 전자회로부의 개념도7 is a conceptual diagram of an electronic circuit unit located inside the sensor

도7a : 기존센서의 회로부 개념도7A: Circuit diagram conceptual diagram of an existing sensor

도7b : 본 발명의 센서 회로부 개념도Figure 7b: conceptual diagram of the sensor circuit portion of the present invention

제 8도는 본 발명에 의해 검출된 센서의 신호예8 is a signal example of a sensor detected by the present invention.

〈 도면 주요 부분에 대한 부호설명 〉〈Code Description for Main Parts〉

1: 실드 케이스 (Shield case)1: Shield case

2: 관성질량2: inertial mass

3a: 상부 인쇄회로기판3a: upper printed circuit board

3b: 하부 인쇄회로기판3b: bottom printed circuit board

4 : 기초구조물4: Foundation Structure

41: 기초구조물의 본체41: main body of the foundation structure

42: 기초구조물의 하부 덮개42: lower cover of the foundation structure

43: 기초구조물 내부의 공간43: space inside the foundation

5 : 압전체5: piezoelectric

6 : 신호 인출선6: signal leader

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 본 발명의 기본적인 구성을 도면 제2도 및 제3도와 더불어 설명한다. 본 발명의 기본구성은, 가속도에 의해 힘을 발생시키는 관성질량(2)과 이 관성질량을 지지하는 압전체(5)와 기초구조물(4)로 구성된다. 이때 관성질량(2)을 지지하는 압전체(5)는 도3에 나타낸바와 같이 관성질량(2)의 무게 중심선을 기준으로 대칭으로 위치한다. 양쪽으로 위치한 압전체 지지체는 서로 동일한 방향으로 분극되어 있는 구조를 가지며 서로 직렬로 연결되어 외부 신호선(6)으로 인출된다.The basic configuration of the present invention of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3. The basic structure of this invention consists of the inertial mass 2 which generate | occur | produces a force by acceleration, the piezoelectric body 5 which supports this inertial mass, and the foundation structure 4. As shown in FIG. At this time, the piezoelectric body 5 supporting the inertial mass 2 is located symmetrically with respect to the center of gravity line of the inertial mass 2 as shown in FIG. Piezoelectric supports positioned on both sides have a structure in which they are polarized in the same direction and are connected to each other in series and are drawn out to the external signal line 6.

이 상태에서 관성질량을 비롯한 센서의 전체 구성품이 수평방향으로 가속도 운동을 하게 되면 관성질량은 지지점의 불안정성에 의해 수직방향의 힘을 발생시키게 되는데 무게 중심선을 기준으로 가속도 방향과 같은 방향에는 압축력이, 그 반대 방향에는 인장력이 발생하게 된다. 이렇게 인가된 힘에 의해 압전체 지지체는 서로 동일한 방향의 전압이 유기되고 회로적으로 직렬연결 구조를 가지므로 2배의 전압을 발생시킨다. 이때 나타나는 전압감도의 향상은 다음 수식2 및 수식3과 같이 나타낼 수 있다.In this state, when all the components of the sensor including the inertial mass are subjected to the acceleration movement in the horizontal direction, the inertial mass generates a vertical force due to the instability of the support point. In the opposite direction, tension is generated. As a result of the applied force, the piezoelectric support generates voltage twice as long as voltages in the same direction are induced and have a series connection structure. The improvement of the voltage sensitivity appearing at this time may be represented by Equations 2 and 3 below.

전압 감도 ∝ 압전계수(d33) * 힘(F) [수식 2]Voltage Sensitivity ∝ Piezoelectric Coefficient (d33) * Force (F) [Equation 2]

전압 감도 = V인장 + V 압축 = 2V [수식 3]Voltage Sensitivity = V Tension + V Compression = 2 V [Equation 3]

상기 식에서, 압전계수가 크고 인가된 힘이 큰 경우에 전압감도가 향상됨을 알 수 있으며, 같은 가속도가 발생하는 경우 관성질량이 큰 경우에 보다 큰 힘이 발생함을 알 수 있다.In the above equation, it can be seen that the voltage sensitivity is improved when the piezoelectric coefficient is large and the applied force is large, and when the same acceleration occurs, a larger force is generated when the inertial mass is large.

또한 압전체 지지체는 온도변화에 의한 초전압을 발생하게 되는데 동일한 방향으로 분극된 지지체는 서로 반대방향의 전압을 발생하므로 외부로 유기되는 전압은 0이 된다. 이러한 오차보정 현상을 식으로 나타내면 다음 수식4와 같다.In addition, the piezoelectric support generates an ultra-voltage due to temperature change. Since the support polarized in the same direction generates voltages in opposite directions, the voltage induced to the outside becomes zero. This error correction phenomenon is represented by the following equation (4).

초전 전압(온도 오차) = V인장 - V압축 = 0 [수식 4]Pyroelectric voltage (temperature error) = V tension-V compression = 0 [Equation 4]

또 수직방향의 힘이 작용하는 경우에도 동일한 방향으로 분극된 지지체는 서로 반대방향의 전압을 발생하므로 외부로 유기되는 전압은 0이 되며 식으로 나타내면 다음과 같다.In addition, even when the force in the vertical direction is the support polarized in the same direction generates a voltage in the opposite direction to each other, the voltage induced to the outside becomes 0, expressed as follows.

압축 감도(수직력 오차) = V인장 - V압축 = 0 [수식 5]Compression sensitivity (vertical force error) = V tensile-V compression = 0 [Equation 5]

이러한 효과는 실외에 설치되어 장기간 운전하는 동안 발생되는 온도변화에 의한 오차요인을 차단할 수 있으며 수직방향의 진동에 의해 생길 수 있는 오차도 원천적으로 배제할 수 있다.This effect can be installed outdoors to block the error factors caused by temperature changes that occur during long-term operation, and can also eliminate the error caused by the vertical vibration.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 같이 관성질량(2)과 이 관성질량을 지지하는 압전체(5)와 기초구조물(4)로 이루어지고 이때 관성질량(2)을 지지하는 압전체(5)는 관성질량(2)의 무게 중심선을 기준으로 대칭으로 위치하도록 하고 양쪽으로 위치한 압전체 지지체는 서로 동일한 방향으로 분극되어 있는 구조를 가지며 서로 직렬로 연결되어 외부 신호선(6)으로 인출시킨 압전형 가속도 검출기는, 상기한 이론적 근거로부터 저주파수용 가속도 검출에 매우 탁월한 성능을 발휘하는신규한 구조의 가속도 검출기임을 알 수 있다. 후술하는 바와 같이 그 실시예 등에서 본 가속도 검출기의 성능이 검증될 것이다.As described above, as in the present invention, the inertial mass 2, the piezoelectric body 5 supporting the inertial mass, and the base structure 4, wherein the piezoelectric body 5 supporting the inertial mass 2 is inertial. The piezoelectric acceleration detectors, which are positioned symmetrically with respect to the center of mass of the mass 2 and positioned on both sides, are polarized in the same direction and connected in series with each other and drawn out to the external signal line 6. From the above theoretical basis, it can be seen that it is an acceleration detector with a novel structure that exhibits very excellent performance for low frequency acceleration detection. As will be described later, the performance of the acceleration detector as seen in the embodiment and the like will be verified.

또한, 상기와 같이 구성된 구조체의 기초 구조물(4)내에 공간을 확보하여 전하증폭기, 신호증폭기, 신호전송계 등의 회로를 내장할 수 있도록 가속도계를 설계한다.In addition, an accelerometer is designed to secure a space in the base structure 4 of the structure configured as described above so as to incorporate circuits such as a charge amplifier, a signal amplifier, a signal transmission system, and the like.

이러한 신호처리부의 내장은 전체적인 시스템의 신뢰도를 향상시킬 뿐만 아니라 검출기 전체의 크기를 최소화할 수 있다.The built-in signal processing unit not only improves the reliability of the overall system but also minimizes the size of the entire detector.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 더욱 자세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

실시예 1Example 1

첨부된 제4도 및 제5도를 참조하여 본 발명의 가속기 검출기가 설명된다. 상기 가속도 검출기는 관성질량(2), 인쇄회로기판(3), 기초구조물(4), 압전소자(5) 4개와 금속제의 실드 케이스(1)를 포함하고, 상기 압전소자(5)를 지지하고 회로를 구성하는 인쇄회로 기판(3a,3b), 기초구조물(4) 및 2개의 도전성 리드(6)를 포함한다.The accelerator detector of the present invention is described with reference to the attached FIGS. 4 and 5. The acceleration detector includes an inertial mass (2), a printed circuit board (3), a foundation structure (4), four piezoelectric elements (5) and a shield case (1) made of metal, and supports the piezoelectric elements (5). Printed circuit boards 3a and 3b constituting the circuit, a base structure 4 and two conductive leads 6 are included.

본 발명에 사용된 압전소자(5)는 원기둥모양의 압전소자로 상하면에 은전극을 소부하여 전극을 형성하고 분극을 행하여 압전성을 부여한 것이다. 상기 압전소자(5)는 제6도에 도시된 바와 같이 도전성 패턴이 형성되어 있는 인쇄회로 기판에 중심을 대칭으로 해서 서로 직각방향으로 배치된다. 6a도는 하부 인쇄회로 기판의 사시도이고 6b도는 상부 인쇄회로 기판의 사시도를 나타낸 것으로써, 4개의 압전소자는 빗금친 원형내에 위치하게 되는 것이다.The piezoelectric element 5 used in the present invention is a cylindrical piezoelectric element, which is formed by baking silver electrodes on the upper and lower surfaces to form electrodes and polarizing them to impart piezoelectricity. As shown in FIG. 6, the piezoelectric elements 5 are arranged at right angles to each other with the center symmetrical to the printed circuit board on which the conductive pattern is formed. FIG. 6A shows a perspective view of the lower printed circuit board and FIG. 6B shows a perspective view of the upper printed circuit board, where the four piezoelectric elements are located in the hatched circle.

압전소자(5)의 상하에 위치하는 인쇄회로기판(3a, 3b)의 도전성패턴은 서로 대칭으로 배치된 압전소자를 연결하여 직렬 구조로 회로망을 구성하게 되며 반대편 인쇄회로기판에 신호 인출용 도선(6)을 연결하여 외부로 신호를 인출할 수 있도록 구성한다. 인쇄회로기판은 FR-4계열의 유리전이온도가 130℃ 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.The conductive patterns of the printed circuit boards 3a and 3b disposed above and below the piezoelectric element 5 form a network in a series structure by connecting the piezoelectric elements arranged symmetrically to each other, and conducting signal extraction leads to the opposite printed circuit board. 6) Connect so that the signal can be drawn out. As for the printed circuit board, it is preferable that the glass transition temperature of FR-4 series is 130 degreeC or more.

압전소자와 소자의 상하에 위치하는 인쇄회로기판의 접착은 전도성 열경화 에폭시계 접착제를 사용하여 접착한다. 전도성 에폭시계 접착제는 에폭시 수지상에 은분말을 분산시켜 양호한 접착 안정성을 확보함과 동시에 전도성을 부여할 수 있다. 이때 전도성 접착제의 경화온도는 120℃ 이내의 것을 사용하는 것이 바람직한데 그 이유는 온도가 더 높을 경우 인쇄회로 기판의 변형과 압전소자 특성의 열화가 발생할 가능성이 있기 때문이다.Bonding of the piezoelectric element and the printed circuit boards positioned above and below the element is performed using a conductive thermosetting epoxy adhesive. The conductive epoxy adhesive may disperse the silver powder on the epoxy resin to secure good adhesion stability and impart conductivity. In this case, it is preferable to use a curing temperature of 120 ° C. or less because the deformation of the printed circuit board and the degradation of the piezoelectric element may occur when the temperature is higher.

서로 직각으로 위치한 압전 소자쌍은 전기적으로 서로 절연되어 있게 된다. 중심을 기준으로 일직선상에 대칭으로 위치한 2개의 압전소자 한쌍이 한 방향에 대한 검출기 역할을 하게 된다. 본 실시예에서는 서로 직각방향으로 위치하는 두쌍의 압전소자를 이용하여 X,Y 두축 방향의 가속도를 동시에 검출할 수 있도록 구성하였다. 이상과 같이 구성하는 경우, 압전소자는 동심원상에서 등간격으로 4곳을 지지하는 구조로 되어 구조적으로 안정한 구조가 된다. 압전소자가 위치하는 동심원의 반경은 센서의 검출력과 직접적 연관이 있으며 그 위치의 결정은 검출력과 센서구조물의 안정성사이에 적절한 절충 위치로 결정할 필요가 있다. 다시 말해서 동심원 반경이 관성질량의 반경과 비교하여 작아질수록 관성질량의 불안정성이 증가하여검출기가 가속도 운동을 하는 경우 압전소자에 인가되는 수직방향의 힘이 증가하여 검출력이 증가하는 경향을 보이게 된다. 반면 관성질량의 불안정성이 증가함에 따라 구조적으로 문제가 되므로 관성질량의 반경에 비해서 동심원이 2/3 - 1/2이 되도록 하는 것이 바람직하다.Piezoelectric element pairs positioned at right angles to each other are electrically isolated from each other. A pair of two piezoelectric elements positioned symmetrically in a straight line with respect to the center serves as a detector in one direction. In this embodiment, two pairs of piezoelectric elements positioned at right angles to each other are configured to simultaneously detect accelerations in X and Y biaxial directions. In the configuration as described above, the piezoelectric element is structured to support four places at equal intervals on the concentric circle, resulting in a structurally stable structure. The radius of the concentric circle in which the piezoelectric element is located is directly related to the detection force of the sensor, and the determination of the position needs to be determined as an appropriate compromise position between the detection force and the stability of the sensor structure. In other words, as the concentric radius becomes smaller than the radius of the inertial mass, the instability of the inertial mass increases, and when the detector performs the acceleration movement, the force in the vertical direction applied to the piezoelectric element increases and the detection force tends to increase. On the other hand, since the instability of the inertial mass is structurally problematic, it is preferable that the concentric circles be 2/3-1/2 compared to the radius of the inertial mass.

압전소자와 인쇄회로기판으로 구성된 구조물은 다시 위로는 관성질량과 접착제를 이용하여 접착하고 아래는 기초 구조물과 접착제를 이용하여 접착한다. 상기 구조물을 결합하기 위한 접착제는 비전도성 접착제를 사용하는데, 장기적 신뢰성과 온도안정성을 확보하기 위해 유리 전이온도가 100℃ 이상이 되는 에폭시계 접착제를 사용하는 것이 바람직하다.The structure consisting of a piezoelectric element and a printed circuit board is bonded again using an inertial mass and an adhesive, and the bottom is bonded using a base structure and an adhesive. The adhesive for bonding the structure uses a non-conductive adhesive, it is preferable to use an epoxy-based adhesive having a glass transition temperature of 100 ℃ or more in order to ensure long-term reliability and temperature stability.

상기 관성질량은 검출기의 소형화를 위해서 부피를 작게 할 필요가 있으며 큰 검출력을 위해서는 큰 질량을 필요로 한다. 이와 같은 상반된 목적은 비중이 큰 재료를 사용함으로써 해결할 수 있다. 아울러 장기적 신뢰성 확보를 위해 대기중에서 안정한 재료를 사용해야 하는 바, 본 실시예에서는 텅스텐 카바이드(WC) 초경합금을 이용하여 질량을 형성하였다. 이 경우 가속도 센서의 요구에 잘 부합되는 소재로 양호한 결과를 나타내었다. 물론, 관성질량을 텅스텐 카바이드계 합금으로 한정할 필요는 없다. 비중이 크고 안정성이 있는 재료라면 어느 재료일지라도 사용 가능하다.The inertial mass needs to have a small volume for miniaturization of the detector and a large mass for large detection power. This conflicting purpose can be solved by using a material having a high specific gravity. In addition, in order to secure long-term reliability, it is necessary to use a stable material in the air. In this embodiment, a mass was formed using tungsten carbide (WC) cemented carbide. In this case, the material showed good results with the material that meets the needs of the acceleration sensor. Of course, it is not necessary to limit the inertial mass to tungsten carbide alloy. Any material can be used as long as it has a high specific gravity and stability.

상기 압전소자의 정렬방향과 가속도의 감지축은 직접적인 관련이 있기 때문에 접착위치나 소자의 정렬상태는 검출기의 정확성에 영향을 주게 된다. 따라서 정확한 조립을 위해 인쇄회로 기판의 외주면에 정렬을 위한 가이드를 구성하는 것이바람직하다.Since the alignment direction of the piezoelectric element and the sensing axis of the acceleration are directly related, the bonding position or the alignment state of the element affects the accuracy of the detector. Therefore, it is desirable to construct a guide for alignment on the outer circumferential surface of the printed circuit board for accurate assembly.

상기 압전소자들로부터 인출된 신호선은 기초구조물 중심에 형성된 구멍을 통해서 구조물 내부에 형성된 공간(43)으로 인도되고 이 공간에 위치하는 내장회로부와 연결된다.The signal line drawn from the piezoelectric elements is led to a space 43 formed inside the structure through a hole formed in the center of the foundation structure and is connected to an internal circuit part located in the space.

내장회로부는 제7도에 나타낸 바와 같이 신호입력부에 위치한 전하증폭기기와 검출된 신호를 증폭하는 비반전 증폭기 증폭된 신호를 전류신호로 변경 장거리 전송에 용이하도록 해주는 신호변환부 등으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 7, the internal circuit is composed of a charge amplifier located in the signal input unit and a non-inverting amplifier for amplifying the detected signal.

장거리 신호의 전송은 전압신호의 경우 외부의 방사노이즈, 신호선내의 저항 등에 의해서 신호가 왜곡되는 경우가 있으며 이러한 영향으로 수십m 이상 전송하는 것은 곤란하다. 전류신호로 전송하는 경우는 상기의 요인에 대한 영향이 현저히 줄어들며 수 Km까지 전송이 가능해지므로 장거리 전송의 경우는 전류신호의 전송이 유리하다고 할 수 있다.In the case of a long-distance signal transmission, the signal may be distorted due to external radiation noise, resistance in the signal line, etc., and it is difficult to transmit more than several tens of meters due to this effect. In the case of transmitting the current signal is significantly reduced the effect on the above factors and can be transmitted up to several Km, it can be said that the transmission of the current signal in the case of long distance transmission.

상기 검출기는 전기적인 노이즈에 민감하기 때문에, 이것은 금속제의 실드 케이스(3)내에 둘러싸여진다. 상기 실드 케이스(3)는 기초구조물과 연결이 가능한 개구로 형성된 원형 단면을 가진다. 기초구조물 또한 내부에 위치한 회로부를 노이즈로부터 보호하기 위해 전도성 재료를 사용하는 것이 바람직하며 밑면의 개구부도 전도성 재료로 제작된 커버를 이용하여 완전히 실드 케이스내에 있도록 하는 것이 바람직하다.Since the detector is sensitive to electrical noise, it is enclosed in a metal shield case 3. The shield case 3 has a circular cross section formed by an opening that can be connected to the foundation structure. It is also desirable to use a conductive material to protect the circuitry located therein from noise and the underlying structure to be completely inside the shield case using a cover made of a conductive material.

다음에 도8에 실시예의 센서에 의한 검출신호를 나타내었다. 그림에 표시된 바와 같이 1Hz 이하의 저주파 가속도의 검출이 가능함을 알 수 있다.Next, Fig. 8 shows a detection signal by the sensor of the embodiment. As shown in the figure, it can be seen that low frequency acceleration below 1Hz can be detected.

본 발명에 의한 가속도 검출기는 1Hz 이하의 저주파 가속도 영역에서 양호한 검출성능을 제공하는 가속도 검출기로서 10-4g ( 1g = 9.8m/sec2)이하의 미세한 가속도 양을 측정할 수 있으며 구조적으로 단순하고 기계적 가동부가 없으므로 장기간에 걸쳐 신뢰성을 확보할 수 있다.The acceleration detector according to the present invention is an acceleration detector that provides good detection performance in the low frequency acceleration region of 1 Hz or less, and can measure minute acceleration amounts of 10 -4 g (1g = 9.8 m / sec 2 ) and is structurally simple. Since there is no mechanical moving part, reliability can be secured over a long period of time.

본 발명의 또 다른 효과는 하나의 검출기안에 두 축 방향의 가속도량을 동시에 검출할 수 있으며 이들 값을 비교함으로써 가속도운동의 방향각을 알 수 있다.Another effect of the present invention is to detect the acceleration amount in the two axial direction at the same time in one detector and by comparing these values it is possible to know the direction angle of the acceleration motion.

본 발명의 또 다른 효과는 온도차이에 의한 오차요인이나 수직방향 운동에 대한 오차요인을 근원적으로 제거할 수 있는 구조를 가지므로 실외환경에서 신뢰성 높은 신호를 검출할 수 있다.Yet another effect of the present invention is to have a structure that can fundamentally eliminate the error factors due to the temperature difference or the vertical motion error can detect a highly reliable signal in the outdoor environment.

본 발명의 또 다른 효과는 신호처리에 관련된 회로부를 검출부에 근접하여 내장함으로서 검출신호의 신뢰성을 높일 수 있으며 전체적으로 소형화를 이룰 수 있다.Another effect of the present invention is to embed the circuit portion related to the signal processing in close proximity to the detection portion, thereby increasing the reliability of the detection signal and achieving miniaturization as a whole.

본 발명의 또 다른 효과는 신호전송방식을 전류신호방식을 채택함으로써 장거리의 신호전달이 가능하도록 할 수 있다.Another effect of the present invention is to enable the long-distance signal transmission by adopting the current signal method as the signal transmission method.

Claims (3)

압전체와 광성질량을 외부와 차단하고 전자파를 차단시키는 실드 케이스(1) ;A shield case (1) which blocks the piezoelectric body and the photonic mass from the outside and blocks electromagnetic waves; 관성질량(2) ;Inertial mass (2); 관성질량을 지지하는 2개씩의 쌍으로 이루어진 압전소자들(5) ;Piezoelectric elements 5 consisting of two pairs each supporting an inertial mass; 관성질량과 압전체 사이에 형성된 상하부 인쇄회로 기판(3a,3b) ;Upper and lower printed circuit boards 3a and 3b formed between the inertial mass and the piezoelectric body; 기초구조물(4); 로 이루어지고,Foundation structure (4); Made up of 압전체(5)는 관성질량의 무게 중심선을 기준으로 대칭으로 위치하도록 하고 서로 직렬로 연결되어 외부 신호선(6)으로 인출되도록 한 것을 특징으로 하는 압전형 가속도 검출기The piezoelectric body 5 is positioned symmetrically with respect to the center of gravity line of the inertial mass and is connected in series with each other to be drawn out to the external signal line 6. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 각 압전소자 쌍은 서로 같은 분극방향을 갖는 것을 특징으로 하는 압전형 가속도 검출기Piezoelectric acceleration detector, characterized in that each piezoelectric element pair has the same polarization direction 제1항에 있어서,The method of claim 1, 검출기의 기초구조물(4) 내부의 공간(43)에,In the space 43 inside the foundation 4 of the detector, 전하 증폭회로, 신호 증폭회로, 신호 전송계로 이루어진 내장형 센서 회로부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 가속도 검출기Piezoelectric acceleration detector further comprises a built-in sensor circuit consisting of a charge amplifier circuit, a signal amplifier circuit, a signal transmission system
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