가속도계로 진동 측정하기

이 문서는 기본 진동 개념, 가속도계 작동 방식, 다양한 센서 스펙이 어플리케이션의 가속도계 성능에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다. 센서를 결정한 후에는 마이크 측정을 적절하게 컨디셔닝, 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 고려할 수 있습니다. 또한 센서에 필요한 추가 신호 컨디셔닝을 고려할 수도 있습니다.

진동이란? 

 

 

진동은 기계 또는 부품의 평형 위치에서의 움직임입니다. 이는 진자의 움직임과 같이 주기적이거나 자갈길에서 타이어의 움직임과 같이 무작위일 수 있습니다. 진동은 미터법 단위(m/s2) 또는 중력 상수 g의 단위(1g = 9.81m/s2)로 나타낼 수 있습니다. 물체는 자유 진동과 강제 진동의 두 가지 방식으로 진동할 수 있습니다.

 

자유진동은 물체나 구조물이 변위되거나 충격을 받은 후 자연스럽게 움직일 때 발생합니다. 예를 들어, 소리굽쇠를 치면 소리가 나다가 결국에는 소리가 줄어듭니다. 고유 진동수는 종종 충격이나 변위 후 구조물이 소위 원하는 진동수를 나타냅니다. 공진은 시스템이 일부 주파수에서 다른 주파수보다 더 격렬하게 진동하는 경향입니다. 물체의 고유 진동수 또는 그 근처에서 강제 진동이 생기면 구조물 내부에 에너지가 쌓입니다. 시간이 지나면 전달된 강제 진동이 매우 작더라도 진동이 상당히 커질 수 있습니다. 구조물의 고유 진동수가 일반적인 환경 진동과 일치하면 구조물이 더 심하게 진동하여 조기에 파손됩니다.

 

강제 진동은 변형력이 가해져 구조물이 진동할 때 발생합니다. 회전 또는 교차되는 동작은 물체가 부자연스러운 주파수로 진동하도록 할 수 있습니다. 예를 들어 세탁기가 불균형해지면서 회전과 동일한 주파수로 흔들리는 경우가 있습니다. 상태 모니터링에서 진동 측정을 사용하면 압축기, 터빈 또는 펌프와 같은 회전 기계의 상태를 표시할 수 있습니다. 이러한 기계에는 다양한 부품이 있으며 각 부품은 고유한 진동 패턴을 만듭니다. 시간에 따라 다른 진동 신호의 경향을 파악하면 기계가 언제 고장날지 예측하고 안전성 개선과 비용 절감을 위해 유지 관리를 적절하게 예약할 수 있습니다.

그림 1: 고유 진동수가 환경 진동과 일치하면 구조물이 붕괴할 수 있습니다.
Figure 1. Structures may fail if their natural frequencies match environmental vibration.

진동 측정하기 

 

진동은 세라믹 압전 센서 또는 가속도계를 사용하여 가장 일반적으로 측정됩니다. 대부분의 가속도계는 압전 효과의 사용에 의존합니다. 이는 특정 종류의 결정체에 응력이 가해지면서 전압이 생성될 때 발생합니다. 테스트 구조의 가속도가 가속도계 내부의 지진 물체로 전달되고 이는 압전 수정에서 비례하는 힘을 생성합니다. 그런 다음 결정체에 대한 이러한 외부 응력은 적용된 힘에 비례하는, 따라서 가속도에 비례하는 높은 임피던스의 전하를 생성합니다. 

 

 

 

가속도계에는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다. 압전(전하 모드) 가속도계 및 IEPE(Integrated Electronic Piezoelectric) 가속도계.

 

가속도계는 일반적으로 구름 베어링, 기어박스 또는 회전 블레이드와 같은 고주파 부품에 직접 장착되는 완전 접촉식 트랜스듀서입니다. 이러한 다용도 센서는 폭발 및 고장 테스트와 같은 충격 측정과 느린 저주파 진동 측정에도 사용할 수 있습니다. 가속도계의 이점에는 넓은 주파수 범위와 넓은 동적 범위에 대한 선형성이 포함됩니다.

 

전하 모드 가속도계는 생성된 전하를 증폭하고, 측정 디바이스와의 호환성을 위해 출력 임피던스를 낮추고, 외부 노이즈 소스 및 누화에 대한 민감성을 최소화하기 위해 외부 증폭기 또는 인라인 전하 변환기가 필요합니다.

 

IEPE 가속도계에는 내부에 전하 감지 증폭기가 내장되어 있습니다. 이 증폭기는 정전류 소스를 받으며 압전기 결정체의 전하 변동에 따라 임피던스가 달라집니다. 이러한 유형의 가속도계용으로 제작된 측정 하드웨어는 증폭기용으로 내장 전류 구동을 제공합니다. 그런 다음 가속도계 입력에 걸쳐 임피던스 변화로 전압 변화를 측정할 수 있습니다.

 

진동을 측정하는 데 사용할 수 있는 또 다른 센서는 근접 프로브입니다. 진동을 결정하기 위해 가속도를 측정하는 가속도계와 달리 근접 프로브는 대상까지의 거리를 측정하는 비접촉 트랜스듀서입니다. 이 센서는 샤프트의 진동을 측정하기 위해 회전 기계에서 거의 대부분 사용됩니다. 일반적인 어플리케이션의 예는 터보 기계와 같은 기계 시스템에 대한 기계 모니터링 및 보호 측정입니다. 유연한 유체 필름 베어링과 무거운 외관으로 인해 진동이 외부 케이스로 잘 전달되지 않으므로 가속도계 대신 근접 프로브를 사용하여 샤프트 모션을 직접 측정합니다.

 

그림 2: 가속도계는 고주파 또는 저주파 진동과 충격 측정에 사용되는 다용도 센서입니다.
Figure 2. Accelerometers are versatile sensors used for high or low frequency vibration as well as shock measurements.
그림 3: IEPE 가속도계는 압전 수정에 가해지는 진동의 힘에 비례하는 전압 신호를 출력합니다.
Figure 3. IEPE accelerometers output voltage signals proportional to the force of the vibration on the piezoelectric crystal.

적합한 가속도계 선택하기

 

가속도계는 매우 다양하기 때문에 다양한 설계, 크기 및 범위를 선택할 수 있습니다. 측정할 것으로 예상되는 신호의 특성과 환경적 제약을 이해하면 가속도계에 대한 다양한 전기 및 물리적 스펙을 분류하는 데 도움이 됩니다.

 

 

진동 진폭

 

측정 중인 진동의 최대 진폭 또는 범위에 따라 사용할 수 있는 센서 범위가 결정됩니다. 센서 범위 밖의 진동을 측정하려고 하면 응답이 왜곡되거나 잘립니다. 일반적으로는 가속도계를 사용하여 낮은 감도와 낮은 질량으로 높은 진동 레벨을 모니터링합니다.

 

 

 

민감도

 

민감도는 가속도계에서 가장 중요한 파라미터 중 하나입니다. 이는 160Hz와 같은 참조 주파수에서 진동과 전압 사이의 변환을 설명합니다. 민감도는 G당 mV로 지정됩니다. 일반적인 가속도계 민감도가 100mV/G이고 10G 신호를 측정하는 경우, 1000mV 또는 1V 출력을 예상할 수 있습니다. 정확한 민감도는 교정에서 결정되며 일반적으로 센서와 함께 제공된 교정 인증서에 나열되어 있습니다. 또한 민감도는 주파수에 따라 다릅니다. 주파수에 따라 민감도가 어떻게 변하는지 확인하려면 사용 가능한 주파수 범위에서 전체 교정이 필요합니다. 그림 4는 가속도계의 일반적인 주파수 응답 특성을 보여줍니다. 일반적으로 고진폭 신호를 측정하려면 저감도 가속도계를 사용하고, 저진폭 신호를 측정하려면 고감도 가속도계를 사용하십시오.

 

 

축의 개수

 

두 가지 축 유형의 가속도계 중에서 선택할 수 있습니다. 가장 일반적인 가속도계는 단일 축만을 따라 가속도를 측정합니다. 이 유형은 종종 기계적 진동 수준을 측정하는 데 사용됩니다. 두 번째 유형은 3축 가속도계입니다. 이 가속도계는 직교 부품의 형태로 가속도의 3D 벡터를 생성할 수 있습니다. 측면, 가로 또는 회전과 같은 진동 유형을 결정해야 할 때 이 유형을 사용합니다.

 

 

무게

 

가속도계는 모니터링하는 구조물보다 훨씬 가벼워야 합니다. 구조에 질량을 추가하면 진동 특성이 변경되고 잠재적으로 부정확한 데이터 및 분석으로 이어질 수 있습니다. 가속도계의 무게는 일반적으로 테스트 구조 무게의 10%를 넘지 않아야 합니다.

 

 

장착 옵션

 

진동 측정 시스템에 대한 또 다른 고려 사항은 가속도계를 대상 표면에 장착하는 방법입니다. 네 가지 일반적인 장착 방법 중에서 선택할 수 있습니다.

 

  • 휴대용 또는 프로브 팁
  • 자성
  • 점착
  • 스터드 장착

 

스터드 장착은 단연 최고로 가장 좋은 장착 기술이지만, 대상에 구멍을 뚫어야 하며 일반적으로 센서를 영구적으로 설치할 때 사용됩니다. 다른 방법들은 임시 부착용입니다. 다양한 부착 방법은 모두 가속도계의 측정 가능한 주파수에 영향을 미칩니다. 일반적으로 연결이 느슨할수록 측정 가능한 최고 주파수가 낮아집니다. 가속도계에 접착제 또는 자성 장착 판과 같은 질량을 추가하면 공진 주파수가 낮아져 가속도계의 사용 가능한 주파수 범위의 정확도와 한계에 영향을 미칠 수 있습니다. 다양한 장착 방법이 주파수 측정 한계에 미치는 영향을 확인하려면 가속도계 스펙을 참조하십시오. 테이블 1은 100mV/G 가속도계의 일반적인 주파수 한계를 보여줍니다.

 

 

 

테이블 1. 100mv/G 가속도계 장착을 위한 주파수 한계.

 

 

 

그림 5는 스터드 장착, 접착 장착, 자석 장착 및 3축 블록 장착을 포함한 다양한 장착 기술의 대략적인 주파수 범위를 보여줍니다.

 

환경 제약

 

가속도계를 선택할 때는 최대 작동 온도, 유해 화학 물질에 대한 노출, 습도와 같은 중요한 환경 파라미터에 주의하십시오. 견고하고 안정적인 구조 덕분에 대부분의 가속도계는 위험한 환경에서 사용할 수 있습니다. 추가적인 보호를 위해 스테인리스 스틸로 제작된 산업용 가속도계는 부식 및 화학 물질로부터 센서를 보호할 수 있습니다.

 

시스템이 극한의 온도에서 작동해야 하는 경우 전하 모드 가속도계를 사용하십시오. 이러한 가속도계에는 전자 장치가 내장되어 있지 않기 때문에 작동 온도는 사용된 센서 부품과 재료에 의해서만 제한됩니다. 그러나 내장 컨디셔닝 및 전하 증폭 기능이 없기 때문에 전하 모드 가속도계는 환경 간섭에 민감하고 저잡음 배선이 필요합니다. 환경에 노이즈가 있는 경우, 인라인 전하 변환기나 전하 증폭기가 내장된 IEPE 센서를 사용해야 합니다.

 

습도 스펙은 가속도계의 밀폐 유형에 따라 정의됩니다. 일반적인 밀폐 종류에는 밀봉, 에폭시 또는 환경적 방법이 포함됩니다. 이러한 밀폐 방법 대부분 높은 수준의 습기를 견딜 수 있지만 유체에 잠기고 과도한 습도에 장기간 노출되는 경우 밀봉 방식을 사용하는 것을 NI는 권장합니다.

 

 

비용

 

전하량 모드와 IEPE 가속도계는 비용이 비슷하지만 IEPE 가속도계는 특수 저노이즈 케이블과 전하 증폭기가 필요하지 않기 때문에 더 큰 다중 채널 시스템의 경우 비용이 훨씬 저렴합니다. 또한 IEPE 가속도계는 작동 및 유지 관리에 더 적은 관심, 주의 및 노력을 필요로 하기 때문에 사용이 더 쉽습니다.

Figure 4. Accelerometers have a wide usable frequency range where sensitivity is relatively flat.
Figure 5. The different frequency ranges of different mounting techniques.

가속도계의 신호 컨디셔닝

 

가속도계를 DAQ 디바이스로 올바르게 측정되도록 준비할 때는, 모든 신호 컨디셔닝 요구사항을 충족시키려면 다음을 고려해야 합니다.

 

  • 측정 분해능을 높이고 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 증폭
  • IEPE 센서의 전하 증폭기에 전력을 공급하기 위한 구동 전류
  • DC 오프셋을 제거하고 분해능을 높이며 입력 장치의 전체 범위를 활용하기 위한 AC 커플링
  • 외부 고주파 노이즈 제거를 위한 필터링
  • 서로 다른 접지 전위 사이의 전류 흐름으로 인한 노이즈를 제거하기 위한 적절한 접지
  • 가속도계의 전체 진폭 범위를 측정하기 위한 동적 범위

 

가속도계 측정값을 컨디셔닝, 수집, 분석 및 표시하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 가이드를 다운로드하십시오.

가속도계를 NI 하드웨어에 연결하기

 

센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다.

 

NI는 진동 데이터를 수집할 수 있고 다양한 IEPE 센서와 호환되는 여러 사운드 및 진동 하드웨어를 제공합니다.

 

NI 사운드 및 진동 디바이스와 IEPE 센서, 가속도계 등 사이의 호환성을 확인하려면, NI 카드의 IEPE 센서에 대한 구동 및 준수 전압을 참조하십시오. 전치 증폭기를 사용하는 경우에도, NI 사운드 및 진동 하드웨어는 계속 작동하지만 신호 특성이 변경될 수 있습니다. 전치 증폭기의 출력이 사운드 및 진동 하드웨어 입력 범위 내에 있는지 확인하십시오. 마찬가지로, 비 IEPE 센서의 경우, 센서 출력이 디바이스 입력 범위를 준수하는지 확인하십시오.

센서를 찾고 계십니까?

 

NI는 PCB의 통합 회로 압전(ICP®) 센서를 제공합니다. ICP®는 PCB Piezotronics, Inc.의 상표이며, 이 회사에서 제조하는 IEPE(Integrated Electronic Piezoelectrics) 가속도 및 진동 센서를 말합니다. 센서는 범용, 산업용, 3축 및 임팩트 해머 폼 팩터로 제공됩니다.

간단한 하드웨어 설정

가속도계와 권장 하드웨어의 결합

CompactDAQ Sound and Vibration Bundle은 널리 사용되는 사운드 및 진동 모듈 및 CompactDAQ 섀시의 번들로 가속도계 또는 진동 센서를 간편하게 연결할 수 있게 합니다.

진동 측정용 기타 제품

 

다음 제품은 가속도계와 연결되어 진동 신호를 측정합니다. 오디오 테스트, 머신 상태 모니터링 및 노이즈, 진동, 강도​(NVH) 어플리케이션에 이 제품을 사용할 수 있습니다. 이 제품들은 사운드 및 진동 측정 모두에 사용할 수 있습니다. 마이크를 사용한 소리 측정에 대해 더 알아보고 적절한 센서를 골라 NI 제품과 함께 사용하십시오.

방법 주파수 한계
휴대용 500 Hz
자성 2000 Hz
점착 2500 - 5000 Hz
스터드 > 6000 Hz

 

 

참조 문헌

  • Lally, Jim. “ACCELEROMETER SELECTION CONSIDERATIONS, Charge and ICP® Integrated Circuit Piezoelectric.” PCB Group Inc. 2005. https://www.pcb.com/techsupport/docs/vib/TN_17_VIB-0805.pdf
  • “Introduction to ICP® Accelerometers.” PCB Piezoelectronics. http://www.pcb.com/techsupport/tech_accel
  • “Steps to selecting the right accelerometer.” Endevco. https://www.endevco.com/news/newsletters/2012_07/tp327.pdf