가속도 센서란?
가속도 센서는 가속도를 측정하기 위한 센서입니다.
가속도는 단위 시간당 속도의 증가를 나타내며, 물리학에서 물체에 힘을 가할 수 있는 파라미터로서 가속도는 중요한 의미를 갖습니다.
가속도 센서는 크게 정전용량 방식, 압전형(피에조 저항) 방식, 열 감지 방식으로 구분됩니다. 각 방법의 센서는 감지할 수 있는 가속도에 차이가 있습니다. 정전용량 방식은 중력 가속도를 감지할 수 있지만, 압전식(피에조 저항) 방식은 중력 가속도를 감지할 수 없습니다.
가속도 센서의 사용 용도
가속도 센서는 단순히 가속도를 측정하는 것 외에도 가속도를 통해 다른 파라미터를 측정하는 데에도 사용됩니다. 전자의 활용 방법으로는 스마트폰이나 휴대용 게임기 등에 내장된 센서, 자동차의 에어백을 작동시키기 위한 충격 감지용 센서, 그 외에 지진계 등의 센서 등을 들 수 있습니다.
후자의 활용법으로는 중력 가속도를 감지할 수 있는 정전 용량 방식의 가속도 센서를 이용한 경사계나 만보계 등을 들 수 있습니다.
가속도 센서의 원리
가속도 센서는 크게 정전용량 방식, 압전형(피에조 저항) 방식, 열 감지 방식으로 구분됩니다. 각 방법의 기본 원리는 공통적이며, 센서는 고정형 부품과 유연형 부품으로 나뉩니다. 가속도 센서에 가속도가 가해지면 플렉시블 파트가 변형됩니다.
고정부와 이 변형된 플렉시블 파트의 차이를 요소가 감지하여 가속도를 측정합니다. 정전 용량 방식에서는 픽스 파트와 플렉시블 파트 각각에 전극이 존재합니다. 전극을 가진 픽스 파트와 플렉시블 파트가 교대로 빗살 모양으로 배열되어 있는 것이 센서의 구성입니다.
픽스 파트와 플렉시블 파트의 전극 사이의 정전 용량은 가속도가 부하가 걸리면 변화하기 때문에, 그 변화량으로 가속도를 구할 수 있습니다. 가속도가 부하되지 않은 상태(중력가속도만 부하된 상태)에서도 커패시턴스를 가지므로 중력가속도를 측정할 수 있으며, 3축 가속도 센서로 중력가속도를 감지하는 만보계의 예가 그림 1에 나와 있습니다.
3축 가속도 센서 신호 처리 (만보계)
그림 1. 3축 가속도 센서 신호 처리 (만보계)
(a)는 센서가 직접 측정하는 데이터로, 만보계가 보행자의 적절한 위치에 부착된 경우, 신체 무게중심의 가속도 시계열 데이터를 나타냅니다. 이 데이터에는 저주파(DC) 성분으로 중력 가속도가 포함되어 있으며, 저역 통과 필터를 적용하면 데이터 (b)와 같이 중력 가속도만 추출됩니다.
동시에 데이터 (a)에 대역 통과 필터를 적용하면 저주파 중력 가속도 성분과 고주파 노이즈 성분을 제거한 데이터 (c)를 얻을 수 있다. 데이터 (b) 및 (c)는 각각 3축(x, y, z)의 시계열 데이터로, 보행 중(측정 중) 센서의 방향이 바뀌면 각 축에서 감지되는 수치도 변동하게 됩니다.
여기서 각 시간에서 (b)와 (c) 데이터의 내적(즉, 3차원 벡터의 내적)을 취하면 데이터 (d)와 같은 신체 중심 가속도의 중력 방향 성분(1축)의 시계열 데이터를 얻을 수 있습니다.
이렇게 하면 센서의 방향에 관계없이 중력가속도에 대해 직교한, 즉 벡터량을 스칼라량으로 변환한 보행자 가속도의 중력방향 성분을 얻을 수 있으며, 이 데이터(d)를 바탕으로 보행 피치나 걸음 수를 계산할 수 있습니다.
압전형(피에조 저항) 방식은 압전 소자를 이용해 가속도를 측정합니다. 압전 소자는 가속도가 가해지면 변형되어 전류를 발생시킵니다. 발생된 전류를 가속도로 측정합니다.
가속도 센서의 기타 정보
1. 가속도 센서와 자이로 센서의 차이점
가속도 센서와 비슷한 성능을 가진 센서 중 하나가 ‘자이로 센서’입니다. 여기서는 가속도 센서와 자이로 센서의 차이점에 대해 알아보겠습니다.
가속도 센서는 이름 그대로 ‘가속도’를 측정하는 센서입니다. 반면 자이로센서는 ‘각속도’를 측정하기 위한 센서이기 때문에 양자는 감지하는 물리량이 다르다고 할 수 있습니다.
자이로센서는 코리올리 힘을 이용해 물체의 방향과 자세를 감지하고 이를 전기 신호로 출력합니다. 물체의 기울기를 측정하는 경우 등에 활용되며, 내비게이션, 손떨림 보정 기능이 있는 디지털 카메라, 스마트폰, 게임기 등 다양한 전자기기에 탑재되어 있습니다.
또한, 가속도 센서와 자이로 센서를 결합하여 물체의 움직임을 더욱 세밀하게 측정할 수도 있습니다. 예를 들어, 자동차 용품 중 하나인 내비게이션에도 두 센서를 결합한 복합식 센서 기술이 활용되고 있습니다.
이를 통해 자이로 센서로 자동차의 방향을, 가속도 센서로 이동 거리를 측정할 수 있어 터널 안과 같이 전파가 잘 닿지 않는 곳에서도 현재 위치를 정확하게 표시할 수 있게 됩니다.
2. 가속도 센서 사용법
가속도 센서를 이용해 원하는 애플리케이션을 구현하기 위해서는 필요한 측정 범위나 주파수 대역 등을 미리 확인해야 합니다. 예를 들어, 게임기 컨트롤러에 가속도 센서를 탑재하는 경우, 사용자가 컨트롤러를 흔들어 조작하는 것을 가정하고 필요한 측정 범위 이상의 것을 사용해야 합니다.
측정 대상에 적합한 가속도 센서가 결정되면, 실제로 센서를 배선하고 측정 프로그램을 만들어야 합니다. 이때 중요한 것이 바로 ‘파라미터 설정’입니다. 파라미터 설정에서는 센서의 감도와 0g(중력 가속도가 0일 때) 출력 레벨 등을 변경할 수 있습니다. 이를 적절히 설정하지 않으면 원하는 애플리케이션을 구현하기 어렵습니다.