An accelerometer is a device used to measure the movement of an object and is widely used for many applications such as structural monitoring, natural hazard monitoring, and electrical devices. However, some developed accelerometers are undamped systems, causing sensor structure failures. Consequently, the lack of damping can result in measuring problems. To guarantee the reliability of the system in real applications, a damping system should be applied to the accelerometer. A damping system can protect the accelerometer at resonance frequency and lead to improved sensing performance. Various damping systems have been proposed for the accelerometer. However, there are some disadvantages for the conventional damping system such as its complicated structure, high cost, necessity of an electrical system, and temperature dependent property.
In this study, the research objective is the design and fabrication of a hybrid damper for accelerometers. To achieve this goal, an air damper and an eddy current damper are selected. An air damper is characterized by its low cost, simple structure, non-electric system, and non-sealing method. Furthermore, It features properties independent of temperature change. On the other hand, an eddy current damper is characterized by its simple structure, non-electric system, non-contacting system, and semi-permanent property. Parameters of an air damper structure were investigated using finite element analysis (FEA). For a parametric study, the effects of the shape and air flow gap in a damper structure were investigated. Based on the FEA results, an air damper structure was fabricated. Additional parameters of an air damper structure were investigated experimentally. Experiments were conducted with only one side of the seismic mass to increase efficiency because the air damper structure is symmetric. The effects of the air flow gap, depth, location and inner shapes of the fixed structure in a damper structure were investigated. To obtain the additional damping force, parameters of an eddy current damper were investigated. Also, effects of the gap, between the magnet and the conducting material, and conducting material thickness were investigated. From the experimental results, maximum air damping ratio of 0.14731 and maximum eddy current damping ratio of 0.23210 were obtained through the experiments. A hybrid damper using an air damper and an eddy current damper was fabricated to obtain targeted damping ratio. The damping ratio of 0.35 was easily obtained from the hybrid damping system, and hybrid damping structure that can satisfy the targeted damping ratio of 0.7 was proposed by applying the hybrid damping system to both sides of the seismic mass in a symmetric manner.
가속도센서는 물체의 움직임을 측정하는 장치로써 구조 모니터링, 자연재해 모니터링, 그리고 전자 장비와 같이 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 그러나 몇몇 가속도 센서는 비감쇠 시스템을 이루고 있으며, 이 경우 센서구조물의 파손과 측정 문제를 야기하게 된다. 따라서 실제 적용에 있어서 센서의 신뢰성을 확보하기 위해 감쇠 시스템이 적용되어야 한다. 감쇠 시스템은 가속도 센서를 고유진동수에서 보호할 수 있으며 센서의 측정 성능을 향상시킨다. 현재 다양한 감쇠 시스템이 개발되어 있으나 기존의 감쇠시스템의 경우 복잡한 구조와 높은 가격, 전기 시스템의 도입, 그리고 온도에 의존적인 감쇠 성능과 같은 여러 단점이 존재한다.
본 연구에서는 가속도 센서를 위한 복합감쇠 설계 및 제작을 목표로 연구를 수행한다. 이러한 목표를 달성하기 위해 공기 감쇠기와 와전류 감쇠기가 선정되었다. 공기감쇠는 낮은 가격과 간단한 구조, 비전기 시스템과 밀봉 기술이 필요 없으며, 또한 온도에 무관한 감쇠 성능을 보인다. 한편, 와전류 감쇠는 간단한 구조와 비전기 시스템, 비접촉식이며, 또한 반영구적인 사용이 가능하다. 공기 감쇠기를 제작하기에 앞서 유한요소해석을 이용한 매개변수 연구가 수행되었다. 공기 감쇠기의 유동 간격과 유동 형상에 대한 매개변수 연구가 수행되었으며, 이를 바탕으로 공기 감쇠기가 제작되었다. 이때 공기 감쇠기는 기본적으로 대칭적으로 구성되므로 실험의 효율성을 높이기 위해 질량체의 한쪽 면에만 감쇠를 적용하여 실험을 수행하였다. 제작된 공기 감쇠기를 이용하여 공기 유동 간격과 유동 깊이, 유동 위치, 그리고 유동 형상에 대한 실험을 수행하였다. 공기 감쇠에 추가적인 감쇠력을 얻기 위해 와전류 감쇠기의 매개변수 연구가 수행되었다. 이를 위해 자석과 전도체 사이의 거리와 전도체 두께에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과 공기 감쇠를 통해 0.14731의 가장 큰 감쇠비를 얻었으며 와전류 감쇠를 통해 0.23210의 가장 큰 감쇠비를 얻었다. 목표로 하는 감쇠비 값을 얻기 위해 복합 감쇠기가 제작 되었으며, 복합 감쇠 시스템을 통해 0.35의 감쇠비 값을 쉽게 얻을 수 있었다. 복합 감쇠 실험 결과를 통해 목표로 하는 임계 감쇠비 값인 0.7을 만족시킬 수 있는 복합 감쇠 시스템을 질량체 양단에 적용한 복합 감쇠 구조를 제안하였다.
