[논문]저전력 MEMS 기반 3축 가속도계의 성능 시험

이병렬; 이승재; 문대중; 정진우

doi:10.11112/jksmi.2014.18.1.160

저전력 MEMS 기반 3축 가속도계의 성능 시험
Efficiency Test for Low Electric Power Type and MEMS Based 3-axis Accelerometer 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.1, 2014년, pp.160 - 165

이병렬 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 이승재 (한국기술교육대학교 건축공학부) , 문대중 ((주)이제이텍 연구소) , 정진우 ((주)이제이텍)

초록
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본 연구에서는 MEMS 기반 3축 가속도 센서 모듈을 제작하여 성능 시험을 수행하였고, 지진 모니터링 시스템을 구성하였다. 3축 가속도 센서 모듈의 성능 향상을 위하여 데이터 수집장치를 24bit ADC (Analog to Digital Converter)가 내장된 NI-9239를 사용하였고, 잡음을 줄이기 위해 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였다. 또한 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하는데 초점을 맞추었다. 진동을 감지하기 위한 방법으로 각 축의 가속도 크기 뿐만 아니라 3축 가속도의 벡터 합을 구하여 이 벡터 합이 미리 설정한 값을 초과할 때의 수치를 별도로 표시하고 이를 파일로 저장하는 알고리즘을 사용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an efficiency test was performed by fabricating MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) based 3-axis acceleration sensor modules and an earthquake monitoring system was composed. Data acquisition device (NI-9239) with a 24bit ADC (Analog to Digital Converter) was used for improving the performance of 3-axis acceleration sensor modules and filtered data (100Hz Low Pass Filter) was used for reducing noises. Also this paper focused on detecting meaningful vibration in the building by developing the earthquake monitoring software. If vector sum of 3-axis acceleration is greater than the preset value, the value will be recorded and saved to the file.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3축 가속도 센서 모듈의 성능 향상을 위하여 24bit ADC (Analog to Digital Converter)가 내장된 데이터 수집 장치를 사용하였으며, 잡음을 감소시키는 방법으로 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였다. 또한 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하는데 초점을 맞추었다. 진동을 감지하기 위한 방법으로 각 축의 가속도 크기 뿐만 아니라 3축 가속도의 벡터 합을 구하여 이 벡터 합이 미리 설정한 값을 초과할 때의 수치를 별도로 표시하고 이를 파일로 저장하는 알고리즘을 사용하였다.
본 논문에서는 MEMS 기반 3축 가속도 센서 모듈을 제작하여 성능시험을 수행하였다. 3축 가속도 센서 모듈의 성능 향상을 위하여 24bit ADC (Analog to Digital Converter)가 내장된 데이터 수집 장치를 사용하였으며, 잡음을 감소시키는 방법으로 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였다.

제안 방법

가속도 센서 모듈과 DAQ를 이용하여 고속으로 받아들인 지진계급 3축 가속도 센서의 데이터를 이용하여 연속적으로 진동을 모니터링하고 일정 수준 이상의 진동이 발생되는지 여부를 파악할 수 있는 기능을 NI LabView로 구현하였다. 이와 관련하여 기존에 주로 사용하던 구성은 3축 가속도 센서를 장착하고 각 센서가 초기 값에서 일정 수준 이상의 크기로 벗어나면 지진에 의한 진동이라고 판단하는 방식이다.
본 연구에서는 MEMS 가속도 센서를 이용하여 3축 가속도계를 제작하였고, 가속도계의 성능시험을 수행하였다. 또한 24bit 급 ADC를 내장한 DAQ 보드를 사용하여 DAQ의 분해능을 향상시켰다. 잡음을 줄이기 위해 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였으며 그 결과 가속도계의 동적범위를 100dB로 개선하였다.
지진 모니터링 시스템을 구성하기 위해선 3축 가속도센서와 출력신호를 아날로그 방식에서 디지털 방식으로 변환하기 위한 DAQ (Data Acquisition) 및 변환된 데이터로부터 정보를 추출하는 응용 소프트웨어가 필요하다. 본 논문에서 구성한 시제품은 MEMS 가속도 센서의 성능 테스트가 주목적이므로 아날로그 출력 방식의 상용 가속도 센서를 이용하여 구현하였다. 이 경우 센서 뿐만 아니라 DAQ의 분해능에 따라 전체 시스템의 성능이 결정되므로 24bit 급 ADC를 내장한 DAQ 보드를 사용하였다.
본 연구에서는 MEMS 가속도 센서를 이용하여 3축 가속도계를 제작하였고, 가속도계의 성능시험을 수행하였다. 또한 24bit 급 ADC를 내장한 DAQ 보드를 사용하여 DAQ의 분해능을 향상시켰다.
이 경우 센서 뿐만 아니라 DAQ의 분해능에 따라 전체 시스템의 성능이 결정되므로 24bit 급 ADC를 내장한 DAQ 보드를 사용하였다. 응용 소프트웨어는 National Instruments 사의 LabView를 기반으로 제작하여 기본적인 데이터 수집장치 기능을 수행하도록 구성하였다.
이 때 경고 수준 이상의 외란이 들어오면 이를 의미 있는 진동이라고 판단하고 이를 알리는 신호를 발생시켜 그 순간의 각 축의 가속도 크기와 발생 시간을 로그파일에 저장하도록 구성하였다. 전체 소프트웨어는 LabView를 이용하여 구현하였으며 Fig.
잡음을 줄이기 위해 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였으며 그 결과 가속도계의 동적범위를 100dB로 개선하였다. 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하고자 하였으며, 진동을 감지하는 알고리즘은 각 축의 가속도 값을 별도로 판단하는 방식이 아닌 3축 가속도의 벡터 합을 이용하여 유의한 진동 여부를 판단하는 방식을 이용하였다.
또한 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하는데 초점을 맞추었다. 진동을 감지하기 위한 방법으로 각 축의 가속도 크기 뿐만 아니라 3축 가속도의 벡터 합을 구하여 이 벡터 합이 미리 설정한 값을 초과할 때의 수치를 별도로 표시하고 이를 파일로 저장하는 알고리즘을 사용하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 MEMS 기반 3축 가속도 센서 모듈을 제작하여 성능시험을 수행하였다. 3축 가속도 센서 모듈의 성능 향상을 위하여 24bit ADC (Analog to Digital Converter)가 내장된 데이터 수집 장치를 사용하였으며, 잡음을 감소시키는 방법으로 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였다. 또한 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하는데 초점을 맞추었다.
그리하여 MEMS 센서는 동적범위 120dB급 단축가속도 센서인 Colibrys SF1600을 선정하였다. DAQ 하드웨어로는 24bit SDM (Sigma Delta Modulation) 방식의 ADC가 내장된 NI-9239를 사용하였다. NI-9239는 USB 플랫폼에서 작동하며 기존 PC기반 플랫폼에 비해 소형이기 때문에 노트북에 연결하면 외부에서도 쉽게 계측이 가능하다는 장점이 있다.
이 두 가지 특성은 지진 발생 시 진도 계급 표출을 위해 반드시 필요하며 가속도 센서의 동적범위를 산정하는데 직접적인 연관이 있기 때문이다. 그리하여 MEMS 센서는 동적범위 120dB급 단축가속도 센서인 Colibrys SF1600을 선정하였다. DAQ 하드웨어로는 24bit SDM (Sigma Delta Modulation) 방식의 ADC가 내장된 NI-9239를 사용하였다.
본 논문에서 구성한 시제품은 MEMS 가속도 센서의 성능 테스트가 주목적이므로 아날로그 출력 방식의 상용 가속도 센서를 이용하여 구현하였다. 이 경우 센서 뿐만 아니라 DAQ의 분해능에 따라 전체 시스템의 성능이 결정되므로 24bit 급 ADC를 내장한 DAQ 보드를 사용하였다. 응용 소프트웨어는 National Instruments 사의 LabView를 기반으로 제작하여 기본적인 데이터 수집장치 기능을 수행하도록 구성하였다.
또한 24bit 급 ADC를 내장한 DAQ 보드를 사용하여 DAQ의 분해능을 향상시켰다. 잡음을 줄이기 위해 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였으며 그 결과 가속도계의 동적범위를 100dB로 개선하였다. 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하고자 하였으며, 진동을 감지하는 알고리즘은 각 축의 가속도 값을 별도로 판단하는 방식이 아닌 3축 가속도의 벡터 합을 이용하여 유의한 진동 여부를 판단하는 방식을 이용하였다.

후속연구

NI-9239는 USB 플랫폼에서 작동하며 기존 PC기반 플랫폼에 비해 소형이기 때문에 노트북에 연결하면 외부에서도 쉽게 계측이 가능하다는 장점이 있다. 또한 무선 DAQ를 지원하므로 향후 무선 데이터로거로 확장이 가능하다.
현재 제안한 방식으로 간이 실험을 통해 장기간에 걸친 건물의 모니터링에 적용 가능함을 확인한 상태이다. 추후 보완해야 할 부분으로는 센서 출력에서 잡음의 속성을 분석하여 신호대 잡음비를 개선해야 하는 부분과 전체 센서 모듈의 소형화와 저전력화를 위한 보완 설계가 진행되어야 할 것이다.
현재 제안한 방식으로 간이 실험을 통해 장기간에 걸친 건물의 모니터링에 적용 가능함을 확인한 상태이다. 추후 보완해야 할 부분으로는 센서 출력에서 잡음의 속성을 분석하여 신호대 잡음비를 개선해야 하는 부분과 전체 센서 모듈의 소형화와 저전력화를 위한 보완 설계가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MEMS 기반 3축 가속도 센서 모듈 성능 향상을 위하여 무엇을 사용하였는가?	본 논문에서는 MEMS 기반 3축 가속도 센서 모듈을 제작하여 성능시험을 수행하였다. 3축 가속도 센서 모듈의 성능 향상을 위하여 24bit ADC (Analog to Digital Converter)가 내장된 데이터 수집 장치를 사용하였으며, 잡음을 감소시키는 방법으로 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였다. 또한 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하는데 초점을 맞추었다.
	가속도 센서는 어디에 적용되어 왔는가?	가속도 센서는 자동차 산업, 가전 산업, 항공 우주 산업 및 구조물 계측 산업 등에 적용 되어 왔다. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 기술이 발달함에 따라 MEMS 가속도 센서의 응용분야가 점차 확대되고 있다 (Stauffer, 2004).
	MEMS 기반 3축 가속도 센서 모듈은 무엇을 개발하여 무엇에 초점을 맞추었는가?	3축 가속도 센서 모듈의 성능 향상을 위하여 24bit ADC (Analog to Digital Converter)가 내장된 데이터 수집 장치를 사용하였으며, 잡음을 감소시키는 방법으로 100Hz LPF (Low Pass Filter)를 통과시킨 데이터를 사용하였다. 또한 지진 모니터링 소프트웨어를 개발하여 구조물에 유의한 진동을 감지하는데 초점을 맞추었다. 진동을 감지하기 위한 방법으로 각 축의 가속도 크기 뿐만 아니라 3축 가속도의 벡터 합을 구하여 이 벡터 합이 미리 설정한 값을 초과할 때의 수치를 별도로 표시하고 이를 파일로 저장하는 알고리즘을 사용하였다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
Li, G., Chen, D., Wang, J., Jian, C., He, W., Fan, W., and Deng, T. (2012), A MEMS based Seismic Sensor using the Electrochemical Approach, Procedia Engineering, 47, 362-365.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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