[논문]힘평형 서보 가속도계의 질량지지 장치 설계 및 제작

김영담; 고영준; 남효덕; 이두희; 장호경

힘평형 서보 가속도계의 질량지지 장치 설계 및 제작
Design and Fabrication of a Mass-spring System for the Force-balance Servo Accelerometer 원문보기

김영담 (영남대학교 센서 및 시스템공학과) , 고영준 (영남대학교 센서 및 시스템공학과) , 남효덕 (영남대학교 센서 및 시스템공학과) , 이두희 (한국표준과학연구원 음향진동그룹) , 장호경 (경산대학교 전자물리학과)

힘평형 서보 가속도계의 성능특성을 결정하는 4개의 팔로 구성된 질량지지 장치를 설계·제작하였다. 팔의 두께와 인가질량의 변화에 따른 질량지지 장치의 응답특성을 유한 요소법을 이용하여 계산하고, 레이저 간섭계를 이용하여 간섭무의 수의 변화와 응답 전압값을 이용하여 가속도계의 응답특성을 측정하였다 팔의 길이와 두께가 변화함에 따라 응답특성은 크게 변화하였으며, 인가질량의 변화는 질량지지 장치의 응답특성변화에 큰 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다. 수치해석과 레이저 간섭계로 측정한 공진주파수가 5%차이의 근사한 값을 얻을 수 있었다.

The mass-spring system with four arms for the force-balance servo accelerometer was designed and fabricated. The response characteristics of a mass-spring system was calculated with the change of arms thickness and seismic mass by the finite element method (FEM). Furthermore, the response characteristics of accelerometer was measured using the change of interference pattern and response voltage value by Michelson interferometer. The response characteristics with changing length and thickness of arm was changed drastically, and changing seismic mass was minor effect for the response characteristics of mass-spring system. The measured resonant frequencies have good agreement with that of numerical analysis within 5％ range.

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문제 정의

본 연구에서는 힘평형 서보 가속도계의 성능을 향상시키기 위하여 핵심부품인 질량지지 장치를4개의 팔로 구성된 형태로 설계하고, 유한요소법을 이용하여 스프링 두께와 인가질량을 변화시키면서 36가지의 서로 다른 질량지지 장치를 수치 해석하였다. 그리고 마이켈슨 (Michelson) 간섭계를 이용한 절대교정 시스템으로 힘평형 서보 가속도계의 진동 주파수와 가속도에 따른 응답특성을 실험으로 측정하였다.

가설 설정

만일 "= WoCOS 効라고 가정을 하고 계가 정상진동을 한다면 진폭은 식 ⑵와 같다.

제안 방법

각각의 스프링 두께와관성질량의 변화에 따른 공진주파수의 변화를 분석하였다.
하고, 이 때 사용한 관성질량은 표 1과 같이 힘발생기 3종과 관성질량 4종을 조합하여 12개의 서로 다른 질량을 사용하였다. 공진주파수와 변위 응답값의 변화를 쉽게 확인 할 수 있는 19.311 g, 20.305 g, 21.775 g, 23.049 g의 변위응답과 주파수 응답을 분석하였다.
질량지지 장치를 수치 해석하였다. 그리고 마이켈슨 (Michelson) 간섭계를 이용한 절대교정 시스템으로 힘평형 서보 가속도계의 진동 주파수와 가속도에 따른 응답특성을 실험으로 측정하였다. 수치해석을 통해 얻은 결과와 실험의 결과는 공진주파수의 오차가 약 5%로 근사한 값을 얻을 수 있었다.
그리고 진동가속도를 9.8 in/s?로 맞추기 위해 힘평형 서보 가속도계의 윗면에 기준가속도계 (B&K 4375)를 부착하고 증폭기 (charge amp-B&K 2650)를 연결하여 이 기준가속도계의 9.8m/s2에 해당하는 31.5 mV로 맞추고 질량지 지 장치의 주파수 응답특성을 측정하였다.
마이켈슨 간섭계를 이용하여 질량지지 장치의 주파수응답특성을 측정하였다. 마이켈슨 간섭계는 그림 10과 같은 형태로 구성된다[13T5].
마이켈슨 간섭계를 이용한 실험에 앞서 질량지지 장치를 그림 5와 같은 유한요소 모델을 사용하여 응답특성을 분석하였다. 유한요소 해석을 위해서 사용한 소프트웨어는 ANSYS 5.
본 연구에서는 판스프링 형태의 질량지지 장치를 설계하고, 영구자석으로 균일한 자기장을 형성하고, 이 자기장 사이에 원통형 힘발생기가 놓여지도록 하였다.
레이저에서 나온 광은 광 분할기 (beam splitter) 에 의해 둘로 나누어져 일부는 질량지지 장치의 관성질량 위에 부착된 거울에 보내지고 나머지는 기준거울 (reference mirror)에 보내진다. 신호 발생기(HP 33120A)에서 정현파를 발생시키고 증폭기를 이용하여 진동 발생기를 구동시켰다. 그리고 진동가속도를 9.
84 “ m로 응답특성의 변화에 큰 영향을 미치지 못하고 있다. 이와 같이 응답특성의 변화의 폭이 크지 않으므로팔의 두께가 0.5 mm일 때 관성질량의 크기와 응답특성의 관계를 알아보기 위해 12개 다른 질량을 적용하여 유한요소 해석을 수행하였다.
구성된다. 입력가속도에 비례하여 관성질량부의 변위가 변하는 질량지지 장치, 질량 변위 측정장礼 서보제어기, 그리고 힘발생기로 구성된다. 질량지지 장치는 힘평형 서보 가속도계의 특성을 결정하는 부분이므로 일반적으로 질량지지 장치는 진자나 판 스프링의 형태로 제작이 된다[10-12],
힘평형서보 가속도계는 스프링 구조물 대신 폐회로 궤환루프(closed-loop feedback)를 이용한다[1-5]. 즉 폐회로 궤환루프를 통하여 외부에서 입력되는 가속도에 상응하는 복원력을 관성질량에 가해 주어 관성질량을 항상 영점위치에 있도록 한 후, 이 복원력을 전기적 신호로 변환하여 가속도를 측정한다[6]. 비서보 타입의 가속도계들에 비해 정밀도가높고, 동적 성능이나 안정도 및 재현성 등 제반 성능특성이 우수하다는 장점이 있다.
조사하였다. 특히 팔의 길이와 폭은 고정하고 스프링의 두께를 각각 3가지로, 관성질량을 12가지로 하여 두께와 관성질량의 변화에 따른 공진주파수와 변위 응답을 분석하였다.
5 mm². 하고, 이 때 사용한 관성질량은 표 1과 같이 힘발생기 3종과 관성질량 4종을 조합하여 12개의 서로 다른 질량을 사용하였다. 공진주파수와 변위 응답값의 변화를 쉽게 확인 할 수 있는 19.
힘평형 서보 가속도계의 성능특성을 결정하는 질량지지 장치를 설계하고 제작하여 , 유한요소해석과 마이켈슨간섭계를 이용한 절대교정 시스템으로 주파수 응답특성을 조사하였다. 특히 팔의 길이와 폭은 고정하고 스프링의 두께를 각각 3가지로, 관성질량을 12가지로 하여 두께와 관성질량의 변화에 따른 공진주파수와 변위 응답을 분석하였다.

대상 데이터

유한요소 해석을 위해서 사용한 소프트웨어는 ANSYS 5.5를 사용하였고, 해석에 사용된 스프링의 재질은 알루미늄으로서, 특성으로 영률 (Young's modulus)은 7><1俨 N/m?, 이며, 포아슨비 (Poisson's ratio)는 0.34, 밀도는 2690 kg/m, 로 하였다.
질량지지 장치의 관성질량 위에 거울을 부착시키고, 광원으로는 파장 人 가 6.328X l(rtn인 안정화된 He-Ne 레이저를 사용하였다. 레이저에서 나온 광은 광 분할기 (beam splitter) 에 의해 둘로 나누어져 일부는 질량지지 장치의 관성질량 위에 부착된 거울에 보내지고 나머지는 기준거울 (reference mirror)에 보내진다.

성능/효과

질량지지 장치의 특성을 변화시키기 위해서는 관성질량을 변화시키는 것보다 스프링의 두께를 변화시키는 것이 큰 폭으로 특성을 변화시킬 수 있었다. 마이켈슨 간섭계를 이용한 실험의 결과와 유한요소해석 결과는 공진주파수의 오차가 약 10 Hz로 매우 근사한 값을 얻을 수 있었다. 이것은 힘평형 서보 가속도계의 사용가능 주파수대역인 공진주파수의 1/3 대역에서 볼 때 3〜 4 Hz의 차이를 보이므로 유한요소해석 결과를 이용하여 가속도계의 특성을 평가할 수 있음을 알 수 있다.
그리고 주파수 응답특성이 그림 7과 그림 8의 수치해석에서와 비슷한 경향을 나타냄을 볼 수 있다. 마이켈슨 간섭계를 이용한 실험의 결과와 유한요소해석 결과는 공진주파수의 오차가 약 10 Hz로 매우 근사한 값이다. 이것은 힘평형 서보 가속도계의 사용가능 주파수대역 인 공진주파수의 1/3 대역에서 볼 때 3〜4 Hz의 차이를 보이므로 유한요소해석 결과를 이용하여 가속도계의 특성을 평가할 수 있음을 알 수 있었다.
그리고 마이켈슨 (Michelson) 간섭계를 이용한 절대교정 시스템으로 힘평형 서보 가속도계의 진동 주파수와 가속도에 따른 응답특성을 실험으로 측정하였다. 수치해석을 통해 얻은 결과와 실험의 결과는 공진주파수의 오차가 약 5%로 근사한 값을 얻을 수 있었다.
마이켈슨 간섭계를 이용한 실험의 결과와 유한요소해석 결과는 공진주파수의 오차가 약 10 Hz로 매우 근사한 값이다. 이것은 힘평형 서보 가속도계의 사용가능 주파수대역 인 공진주파수의 1/3 대역에서 볼 때 3〜4 Hz의 차이를 보이므로 유한요소해석 결과를 이용하여 가속도계의 특성을 평가할 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 사용주파수를 높이기 위해 공진주파수를 증가시 킬 경우 감도가 감소하게 된다.
그리고 변위응답값은 관성질량에 비례적으로 증가하며, 두께의 세제곱에 비례하였다. 질량지지 장치의 특성을 변화시키기 위해서는 관성질량을 변화시키는 것보다 스프링의 두께를 변화시키는 것이 큰 폭으로 특성을 변화시킬 수 있었다. 마이켈슨 간섭계를 이용한 실험의 결과와 유한요소해석 결과는 공진주파수의 오차가 약 10 Hz로 매우 근사한 값을 얻을 수 있었다.

후속연구

본 연구의 결과는 힘평형 서보 가속도계의 성능향상에 적용될 수 있으며, 정밀한 저주파 진동제어가 필요한 반도체 제조설비나 정밀 가공기계의 능동 진동제어 등 여러 분야에 응용될 수 있다.

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