[29호]측정/센서 필수 길라잡이 3.진동

한국NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

3. 진동

움직이는 대부분의 물체들은 내부에 회전체를 지니고 있습니다. 쉬운 예로, 우리가 거의 매일 사용하는 자동차도 실린더의 수직운동을 회전운동으로 변경하여 차축으로 전달하고 있습니다. 이러한 회전운동들은 물체에 지속적인 진동을 유발하며 때로는 이러한 진동 때문에 구조적인 문제가 발생하기도 합니다. 이번 호에서는 이러한 진동의 기본과 진동을 측정할 때 사용하는 센서에 대해 알아보겠습니다.

우선, 진동을 측정해야 하는 이유를 조금 더 살펴보겠습니다. 상태 모니터링 분야에서는 장비의 상태를 측정하기 위해 진동을 사용할 수 있습니다. 시간에 따른 다른 진동 특징들을 분석하면 장비가 어느 정도 후에 고장이 날 지 예측할 수 있고 안전성과 비용 절감을 위해 적절히 유지관리를 스케쥴링 할 수 있습니다. 대량 생산 시스템에서는 급작스런 생산라인의 정지가 시간당 큰 손실로 이어지기 때문에 이러한 예측 진단이 큰 도움을 줄 수 있습니다.
또는 설계 또는 생산 중 제품의 진동을 측정하여 수용 가능한 설계 허용 공차인지 확인할 수도 있습니다.

이러한 진동을 측정하기 위해 가장 많이 사용되는 센서가 바로 가속도계(Accelerometer)입니다.

가속도계의 기본 목적은 테스트 중인 시스템의 특정 지점에서 가속 레벨을 측정하는 것입니다. 하지만 이 신호가 적절히 연산될 수 있다면 적분을 통해 속도와 변위의 동시 측정도 가능합니다.
진동값은 보통 미터법 단위 (m/s2)로 측정됩니다. 중력 상수 “g”는 보통 가속에 사용되지만, 표준 측정 미터법 단위는 아닙니다. “g”값은 1.0g = 9.81 m/s2 의 수식을 통해 2% 에러만으로 신속하게 환산될 수 있습니다.
간단한 (1D) 가속도계는 가속의 컴포넌트를 하나의 특정 방향으로 측정합니다. 이런 가속도계 세 개가 하나의 센서(3D 가속도계)에 결합되면, 가속도는 세 개의 직각 방향으로 동시에 측정될 수 있습니다. 그렇다면 가속도계는 어떤 방식으로 물리 현상인 중력을 데이터 수집 디바이스가 읽을 수 있는 전기 신호로 변환할 수 있을까요?
석영 등, 몇 가지 물질에는 힘을 전압으로 변환하는 매커니즘을 제공합니다.

힘을 받으면, 전하는 압전효과로 인해 석영의 표면 반대편에 축적되며 축적된 전하 양은 석영에 가해진 힘에 비례하고 석영 위의 전하차는 전압차로 측정됩니다.

진동에 노출되면, 가속도계는 아날로그 출력 전압 신호를 생성하고, 이 신호는 가해진 진동의 가속에 비례합니다. 위의 그림은 가속도계 내부를 나타내는 기본 구조를 나타냅니다. 질량의 움직임으로 인해 압전체에 힘이 가해지고 측정 가능한 전기 신호를 생성합니다.
가속도계는 여러 타입으로 제작될 수 있으며, 각각의 방식에는 어플리케이션에 따른 장단점을 가지고 있습니다. 가속도계 제조업체가 다양한 유형을 제공하므로, 만약 가속도계의 선택을 확신할 수 없다면, 센서 업체에 문의하여 어플리케이션에 가장 좋은 가속도계를 파악하는 것이 최선의 방법입니다. 제조업체가 제공하는 정보가 큰 도움이 될 수 있고 올바른 선택을 하는데 도움을 줄 것입니다.

Compression 타입의 가속도계는 질량과 가속도계 하우징 사이의 석영을 양쪽에서 감쌉니다. 이 방식은 부품이 소량이라는 장점이 있으며 높은 강성을 제공하므로 높은 진동 주파수 범위를 얻을 수 있습니다. 하지만 석영이 하우징의 기반에 닿고 있기 때문에 온도의 변화에 취약합니다.
Flexual 타입의 센서는 빔 모양의 석영으로 제작되어 있으며 구조적으로 중앙에서 지지를 받습니다. 이런 방식에서는 석영이 높은 가중 레벨에 놓여있기 때문에 상대적으로 높은 전압 출력 신호를 출력할 수 있습니다. 하지만 그 대신 제한된 주파수 범위만 측정할 수 있고 석영의 작은 부분에 많은 힘을 받게 되므로 제동에 더욱 취약합니다.
Shear타입의 가속도계는 중앙 기둥과 질량 사이에 석영이 있습니다. 전반적으로 이 방식은 가속도계에 최적의 성능을 제공합니다. 이 구조는 휘지 않기 때문에 측정 가능한 높은 진동 주파수 범위를 얻을 수 있고 석영이 하우징의 기반과 접촉하지 않으므로 열 과도 현상에도 더욱 뛰어난 면역을 가지고 있습니다.

전하 모드 가속도계는 기본적으로 제트 엔진과 같은 고온 환경에서의 측정을 위해 사용되며, 가변 감도도 제공합니다. 하지만 이 가속도계는 고온 환경에서 사용하기 위해 신호 컨디셔닝이 내장되어 있지 않아 전하를 전압으로 변환하기 위한 별도의 컨디셔닝이 필요합니다. 이로 인해 이 타입의 가속도계는 낮은 노이즈의 케이블 연결이 필요하며 환경의 영향에도 민감합니다.

IEPE 가속도계는 내부에 전하 컨버터가 있어 외부 신호 컨디셔닝이 별도로 필요 없습니다. 이 가속도계는 별도의 전력이 필요하며, IEPE 신호 컨디셔닝을 지원하는 데이터 수집 모듈이 해당 전력을 제공할 수 있습니다. IEPE 가속도계의 주 장점은 내부에 마이크로 일렉트로닉스와 간단한 컨디셔너가 존재하기 때문에 간단하고 사용이 쉽다는 것입니다. 단점은 온도 범위(일반적으로는 섭씨 120도이나 상회하는 경우도 있음)가 제한되어 있으며 민감도도 고정되어 있다는 것입니다.

가속도계에서 더욱 일반화되고 있는 다른 기능으로는 TEDS (Transducer Electronic Data Sheet)가 있습니다. TEDS는 센서 및 교정 정보가 센서 자체의 EEPROM에 저장됩니다. 이 정보는 TEDS를 지원하는 데이터 수집 모듈인 NI 9234로 센서에서 읽을 수 있습니다. 이 방식을 통해 측정 시 채널 설정을 자동화하여 초기 설정에 필요한 불필요한 시간을 절감할 수 있습니다.

진동 측정 시스템에서 고려해야 할 다른 사항으로는 가속도계를 타겟 표면에 어떻게 장착할 것인가 입니다. 장착 방식은 일반적으로 핸드헬드, 자성, 접착, 밀랍, 스터드 마운트 5가지가 있습니다.
스터드는 타겟의 물질 속으로 구멍을 뚫고 그 위에 나사로 가속도계를 부착합니다.
다양한 부착 방식들은 가속도계의 측정 가능한 주파수에 영향을 미칩니다. 일반적으로, 연결이 헐거워지면 측정 주파수의 한계도 낮아집니다. 각 가속도계는 다양한 장착 방식을 위한 저마다 고유의 주파수 측정 제한이 있으며 가속도계에 맞는 사양에서 호출되어야 합니다. 위의 표를 보면 100 mV/g 가속도계의 일반적인 주파수 제한을 확인할 수 있습니다. 스터드 마운팅은 가장 좋은 장착 기법이지만 타겟 물질에 구멍을 뚫어야 합니다. 따라서 임시 장착을 위한 다른 방식과는 달리 영구적인 센서 설치를 위해 사용됩니다.
센서에 대한 선정 및 설치가 완료되었다면 실제적인 가속도계의 신호를 받기 위한 하드웨어를 구성해야 합니다.

가속도계에 따른 어플리케이션은 매우 다양합니다. 따라서 National Instruments에서는 이동이 용이한 저가형 단일 USB 측정 제품부터 수백개의 채널을 동기화하여 측정 할 수 있는 시스템까지 모든 플랫폼을 제공하고 있습니다. 이러한 하드웨어의 선정은 일반적인 전문가가 아니라면 해당 업체의 컨설팅 엔지니어에게 채널, 취급 주파수 등 필요한 내용들에 대해 설명한 뒤 추천받는 것이 좋습니다.
지금까지 산업 현장에서 필수적인 센서 중 하나인 진동 센서에 대해 알아보았습니다. 대부분의 시스템은 기본적인 구동 원리로 인해 진동의 발생이 필연적이며 이러한 진동은 시스템에 원하지 않는 영향을 주게 됩니다. National Instruments에서는 진동 측정 및 분석에 대한 경험이 많지 않은 엔지니어들이 빠르고 쉽게 원하는 측정을 할 수 있도록 다양한 HW와 SW를 제공하고 있습니다. 진동측정 어플리케이션 구성이 필요한 경우 ni.com/daq 페이지에서 본인의 어플리케이션에 최적화된 시스템에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 다음 시간에는 물체의 늘어남과 줄어듦을 나타내는 변형률에 대해 알아보도록 하겠습니다.