가속도계로 진동 측정

개요

본 문서는 진동의 기본 개념, 가속도계의 작동 방식은 물론 다양한 센서 스펙이 어플리케이션의 가속도계 성능에 어떤 영향을 미치는지를 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다.


센서 특성은 물론, 가속도계 측정을 적절히 컨디셔닝하고 측정치를 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어도 고려해야 합니다. 예를 들어, 주파수 스펙트럼과 같은 보다 의미 있는 포맷으로 데이터를 표시하려면, 수집한 진동 신호에 신호 프로세싱을 수행해야 합니다. 가속도계 측정에 필요한 측정 하드웨어 및 소프트웨어 처리에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

내용

진동의 정의 

진동이란 기계 또는 구성요소의 평형 위치에 대한 움직임 또는 기계적 떨림입니다. 진동은 진자의 움직임과 같이 주기적일 수도 있고 자갈길에서 타이어의 움직임과 같이 불규칙적일 수도 있습니다. 진동은 미터법 단위(m/s2) 또는 중력 상수 단위 "g"(1 g = 9.81 m/s2)로 표현할 수 있습니다. 사물은 자유 진동과 강제 진동의 두 가지 방식으로 진동할 수 있습니다.

자유 진동은 사물 또는 구조가 변형되거나 충격을 받아서 자연스럽게 떨릴 때 발생합니다. 예를 들어, 소리굽쇠를 치면 울림이 시작되고 점점 약해지는 것을 볼 수 있습니다. 자연 주파수는 주로 충격 또는 변형 후에 구조가 "자연적으로" 진동하는 주파수를 말합니다. 공명은 특정 주파수에서 사물이 보다 격렬하게 진동하는 성향입니다. 사물의 자연 주파수 또는 그 부근에서 강제 진동이 발생하면 구조 내부에 에너지가 형성됩니다. 시간에 지남에 따라 진동은 입력 진동이 극히 적은 경우에도 상당히 커질 수 있습니다. 구조에 일반적인 환경적 진동과 일치하는 자연 주파수가 있는 경우 구조는 훨씬 더 격렬하게 진동하며 예상보다 빨리 고장이 발생할 수 있습니다.



그림 1. 환경 진동과 일치하는 자연 주파수가 있는 경우 교량 등의 구조가 붕괴될 수 있습니다.


강제 진동은 변형력이 작용하여 구조가 진동할 때 발생합니다. 회전 또는 변형 모션이 일어나면 사물이 비정상적 주파수로 진동하기도 합니다. 통의 회전과 동일한 주파수로 흔들리는 세탁기의 불균형이 대표적인 예입니다. 상태 모니터링에서 진동 측정은 압축기, 터빈 또는 펌프와 같은 회전 기계류의 상태를 나타내는 데 사용됩니다. 이런 기계에는 다양한 부품이 있으며, 각 부품은 고유한 진동 패턴 또는 신호를 생성하는 요소가 됩니다. 시간에 따라 서로 다른 진동 신호의 추세를 분석함으로써 기계의 고장 발생 시기를 예측하고 안전성 향상 및 비용 절감을 위해 유지보수 일정을 적절히 수립할 수 있습니다.

 

진동 측정 방법

진동은 일반적으로 압전 세라믹 센서 또는 가속도계를 사용하여 측정합니다. 가속도계는 물리적 디바이스의 동적 가속도를 전압으로 측정합니다. 가속도계는 일반적으로 롤러 베어링, 기어박스 또는 회전날과 같이 고주파수 요소에 직접 장착되는 전면 접촉 트랜스듀서입니다. 이 다목적 센서는 충격 측정 (폭발 및 고장 테스트) 및 느린 저주파수 진동 측정에 사용할 수도 있습니다. 가속도계의 이점에는 폭넓은 주파수 범위와 동적 범위를 포괄하는 선형성이 포함됩니다.

그림 1. 가속도계는 충격 측정뿐만 아니라 
고주파수 또는 저주파수 진동 측정에 사용되는 다목적 센서입니다.

 

진동 측정에 사용할 수 있는 또 다른 센서는 비접촉 변위센서입니다. 가속도계와는 달리 진동을 판별하기 위해 가속도를 측정하는 비접촉 변위센서는 대상까지의 거리를 측정하는 비접촉 트랜스듀서입니다. 이 센서는 회전 기계류에서 샤프트의 진동을 측정하는 데 거의 전용으로 사용됩니다. 보편적인 어플리케이션의 예는 터보 기계류와 같은 기계적 시스템에 대한 기계 모니터링 및 보호입니다. 유연한 유체 윤활 베어링과 무거운 본체 때문에 진동이 외부 케이스로 잘 전달되지 않으므로 가속도계 대신 비접촉 변위센서를 사용하여 샤프트 모션을 직접 측정할 수 있습니다.

 

가속도계의 작동 방식

대부분의 가속도계는 특정 유형의 결정이 압력을 받아서 전압이 생성될 때 발생하는 압전기 효과를 사용합니다. 테스트할 구조의 가속도는 가속도계의 내부에 장착되어 압전성 결정에 비례하여 힘을 생성하는 진동 질량으로 전송됩니다. 그런 다음 결정에 가해진 외부 압력이 작용력에 비례하고 따라서 가속도에 비례하는 전하인 높은 임피던스를 생성합니다.

그림 3. IEPE 가속도계는 압전성 결정의 진동력에 비례하는 전압 신호를 출력합니다.

 

압전 또는 차지 타입 가속도계는 외부 증폭기 또는 인라인 전하 변환기가 필요합니다. 이 기기들은 생성된 전하를 증폭시키고, 측정 디바이스와 호환되도록 출력 임피던스를 낮추고, 외부 노이즈 소스 및 크로스토크에 대한 영향을 최소화합니다. 전하 감도 증폭기가 내장되어 있는 가속도계도 있습니다. 이 증폭기는 정전류 소스를 받으며 압전성 결정의 전하 변동에 따라 임피던스가 달라집니다. 이런 센서들을 IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) 센서라고 합니다. 이와 같은 유형의 가속도계에 사용하도록 제작된 측정 하드웨어에는 증폭기를 위한 전류 구동 기능이 내장되어 있습니다. 이러한 임피던스의 변화를 통해 가속도계 입력 전압의 변화를 측정할 수 있습니다.

가속도계 측정에 대한 다양한 하드웨어 고려사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

 

적합한 가속도계를 선택하는 방법

가속도계는 다목적으로 사용되기 때문에 다양한 디자인, 크기 및 범위를 선택할 수 있습니다. 측정하려는 신호의 특성과 모든 환경적 제약조건을 이해하면 가속도계에 대한 폭넓은 전기적 및 물리적 스펙을 살펴보는 데 많은 도움이 됩니다.

 

진동 진폭

사용할 수 있는 센서 범위는 측정 중인 진동의 최대 진폭 또는 범위에 좌우됩니다. 센서 범위를 벗어난 진동을 측정하는 경우 응답이 왜곡되거나 정확하지 않을 수 있습니다. 일반적으로 높은 진동 수준을 모니터링하는 데 사용되는 가속도계의 민감도와 질량은 낮은 편입니다.

 

민감도

민감도는 가속도계의 가장 중요한 파라미터 중 하나로서, 160 Hz 등의 참조 주파수에서 진동 및 전압 간의 변환을 나타냅니다. 민감도는 mV/G로 지정됩니다. 일반적인 가속도계 민감도가 100 mV/G인 경우 10 G 신호를 측정하면 1000 mV 또는 1 V 출력을 예상할 수 있습니다. 정확한 민감도는 교정을 통해 결정되며, 보통 센서와 함께 제공되는 교정 인증서에 명시되어 있습니다. 민감도는 주파수에 따라 달라지기도 합니다. 민감도가 주파수에 따라 어떻게 달라지는지 판별하려면 가용 주파수 범위에서 전체적인 교정이 필요합니다. 그림 4에는 가속도계의 전형적인 주파수 응답 특성이 나와 있습니다. 일반적으로 낮은 민감도 가속도계를 사용하여 높은 진폭 신호를 측정하고 높은 민감도 가속도계를 사용하여 낮은 진폭 신호를 측정합니다.

그림 4. 가속도계는 민감도가 상대적으로 일정한 폭넓은 가용 주파수 범위를 지원합니다.

 

축의 개수

두 가지 축 타입의 가속도계를 선택할 수 있습니다. 가장 일반적인 가속도계는 하나의 축만을 따라 가속도를 측정합니다. 이 유형은 주로 기계적인 진동 수준을 측정할 때 사용됩니다. 두 번째 유형은 3축 가속도계입니다. 이 가속도계는 가속도의 3D 벡터를 직교 구성요소의 형태로 생성할 수 있습니다. 평행, 수직 또는 회전과 같은 진동 유형을 판별해야 하는 경우 이 유형을 사용하십시오.

 

무게

가속도계는 모니터링하는 구조보다 훨씬 가벼워야 합니다. 구조에 질량이 추가되면 진동 특성이 바뀔 수 있으며 부정확한 데이터와 분석으로 이어질 가능성이 있습니다. 일반적으로 가속도계의 무게는 테스트할 구조 무게의 10%를 초과하지 않아야 합니다.

 

장착 옵션

진동 특정 시스템과 관련하여 또 하나의 고려사항은 가속도계를 대상 표면에 장착하는 방법입니다. 다음과 같은 4가지 장착 방법 중에서 선택할 수 있습니다.

  • 휴대용 또는 탐침기 팁
  • 마그네틱
  • 접착형
  • 스터드 장착

스터드 장착은 현재까지 최고의 장착 기법으로 알려져 있지만, 대상 재질에 구멍을 뚫어야 하므로 센서를 영구적으로 설치하는 경우에 주로 사용됩니다. 다른 방식들은 일시적인 장착을 목적으로 합니다. 다양한 장착 방법은 모두 가속도계의 측정 가능 주파수에 영향을 줍니다. 일반적으로는 연결이 헐거울수록 측정 가능 주파수 한계가 낮아집니다. 접착형 또는 마그네틱 장착 부위 등의 질량이 가속도계에 추가되면 공명 주파수가 낮아지고, 이에 따라 가속도계의 가용 주파수 범위의 정확도와 한계가 영향을 받을 수 있습니다. 다양한 장착 방법이 주파수 측정 한계에 미치는 영향을 파악하려면 가속도계 스펙을 참조하십시오. 표 1에는 100 mV/G 가속도계의 일반 주파수 한계가 제시되어 있습니다.

방법 주파수 한계
휴대용 500 Hz
마그네틱 2,000 Hz
접착형 2,500 - 5,000 Hz
스터드 6,000 Hz 이상

표 1. 100 mv/G 가속도계 장착 시 주파수 한계.

 

환경적 제약조건

가속도계를 선택할 때에는 최고 작동 온도, 유해 화학물에 대한 노출, 습도 등의 주요 환경적 변수에 유의해야 합니다. 대부분의 가속도계는 견고하고 안정적인 구조로 되어 있으므로 유해 환경에서 사용할 수 있습니다. 추가적인 보호를 제공하도록 스테인리스 스틸로 제작된 산업용 가속도계는 부식 및 화학물로부터 센서를 보호할 수 있습니다.

시스템을 극한의 온도에서 작동해야 하는 경우에는 차지 타입 가속도계를 사용해야 합니다. 이 가속도계에는 전자 부품이 내장되어 있지 않기 때문에 구조에 사용되는 감지 요소 및 재질에 의해서만 작동 온도가 제한됩니다. 그러나 차지 타입 가속도계는 내장 컨디셔닝 및 전하 증폭 장치가 없으므로, 환경적 간섭에 민감하고 노이즈가 낮은 케이블 연결이 필요합니다. 환경에 노이즈가 많은 경우에는 내장 전하 증폭기를 갖춘 차지 변환기 또는 IEPE 센서를 사용해야 합니다.

습도 스펙은 가속도계의 밀폐 유형에 따라 정의됩니다. 일반적인 밀폐 방법에는 용접, 에폭시 또는 친환경 밀폐가 있습니다. 이런 밀폐 유형은 대부분 높은 습도를 견딜 수 있지만 유액 차폐 및 과도한 습도의 장기 노출에는 용접 밀폐가 권장됩니다.

 

비용

차지 타입 및 IEPE 가속도계는 비용 면에서 비슷하지만, IEPE 가속도계는 특수 저노이즈 케이블 및 차지 증폭기가 필요하지 않으므로 대규모 멀티채널 시스템을 구축할 때 비용 절감 효과가 뛰어납니다. 또한 IEPE 가속도계는 작동 및 유지보수를 위한 주의, 시간 및 노력이 덜 필요하기 때문에 사용이 훨씬 간편합니다.

 

가속도계에 대한 신호 컨디셔닝

데이터 수집 장비로 정확한 측정을 수행하기 위해 가속도계를 준비할 때에는 다음 사항을 고려하여 신호 컨디셔닝 요구사항을 모두 충족해야 합니다.

  • 측정 분해능을 증가시키고 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위한 증폭
  • IEPE 센서의 증폭기에 전원을 공급하는 전류 구동
  • 입력 장비의 전체 범위를 활용하고 분해능을 증가시키기 위해 DC 오프셋을 제거하는 AC 커플링
  • 외부 고주파수 노이즈를 제거하기 위한 필터링
  • 다양한 접지 전위 간의 전류 흐름에서 노이즈를 제거하는 데 적합한 접지
  • 가속도계의 전체 진폭 범위를 측정하기 위한 동적 범위

 

가속도계 측정을 컨디셔닝하고 측정치를 수집, 분석 및 표시하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

 

참조 문헌

https://www.pcb.com/techsupport/docs/vib/TN_17_VIB-0805.pdf

http://www.pcb.com/techsupport/tech_accel

https://www.endevco.com/news/newsletters/2012_07/tp327.pdf