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생산설비 등 기계류를 원활하게 작동시키기 위해서는 각종 설비의 모니터링 및 진단이 필수입니다. 하나 이상의 요인에 의해 언제든지 진동이 발생할 수 있으며 불균형, 정렬 불량, 마모, 결합부의 느슨함으로 인해 진동이 나타날 경우에는 기계 손상을 유발합니다. 오늘은 설비 진단을 위한 진동 측정에 있어 가속도 센서가 중요한 이유를 소개합니다! 가속도 센서란? 생산설비 등 기계류를 원활하게 작동시키기 위해서는 각종 설비의 모니터링 및 진단이 필수입니다. 하나 이상의 요인에 의해 언제든지 진동이 발생할 수 있으며 불균형, 정렬 불량, 마모, 결합부의 느슨함으로 인해 진동이 나타날 경우에는 기계 손상을 유발합니다. 오늘은 설비 진단을 위한 진동 측정에 있어 가속도 센서가 중요한 이유를 소개합니다! 가속도 센서란?
가속도 센서는 물체의 속도 변화(가속도)나 운동량 변화(충격량) 등을 측정하는 센서를 총칭합니다. 물체의 운동상태를 상세하게 감지할 수 있어 자동화 공장의 로봇, 자동차나 기차, 선박 등의 운송수단에 필수적으로 사용되고 있으며 활용도도 높습니다. 가장 간단한 형태의 가속도 센서는 가속도를 가진 질량이 힘을 발생하는 것을 이용해 스프링 등의 탄성력으로 힘의 크기를 측정하는 장치입니다. 전자식 가속도 센서는 자석과 코일의 기전력 변화로 가속도를 측정하는 방식이며, 이외에도 압전식, 관성식, 자이로식 등 다양한 원리의 가속도 센서가 존재합니다. 최근에는 지속적인 소형화를 통해 통신기기 등에 내장하는 가속도 센서가 해마다 얇아지고 있습니다. 가속도 센서는 물체의 속도 변화(가속도)나 운동량 변화(충격량) 등을 측정하는 센서를 총칭합니다. 물체의 운동상태를 상세하게 감지할 수 있어 자동화 공장의 로봇, 자동차나 기차, 선박 등의 운송수단에 필수적으로 사용되고 있으며 활용도도 높습니다. 가장 간단한 형태의 가속도 센서는 가속도를 가진 질량이 힘을 발생하는 것을 이용해 스프링 등의 탄성력으로 힘의 크기를 측정하는 장치입니다. 전자식 가속도 센서는 자석과 코일의 기전력 변화로 가속도를 측정하는 방식이며, 이외에도 압전식, 관성식, 자이로식 등 다양한 원리의 가속도 센서가 존재합니다. 최근에는 지속적인 소형화를 통해 통신기기 등에 내장하는 가속도 센서가 해마다 얇아지고 있습니다.
설비 진단 시 가속도 센서를 활용하는 이유는 무엇일까요? 진동을 표현하는 방법은 변위, 속도, 가속도의 세 가지로, 어떤 것을 사용해 진동을 표현할지는 엔지니어의 재량이며 상황에 맞게 판단하는 것이 필요합니다. 특히 엔지니어는 진동 측정에 있어서도 변위 센서, 속도 센서, 가속도 센서 중에서 선택해야 합니다. 일반적으로 변위는 저주파(50Hz 미만)에 유리하며 속도는 중주파수(10~100Hz 미만), 가속도는 고주파수 측정에 유리한 것으로 알려져 있습니다. 현재 차량에서의 진동 측정은 특별한 경우를 제외하고는 대부분 가속도 센서를 이용해 측정하고 있습니다. 그 이유는 가속도 센서가 다른 어떤 센서보다 넓은 주파수 범위 측정이 가능하다는 데 있습니다. 일반적으로 우리가 감시할 수 있는 주파수 진동 범위가 0~2kHz인 경우 이를 가장 잘 측정할 수 있는 센서가 가속도 센서입니다! 설비 진단 시 가속도 센서를 활용하는 이유는 무엇일까요? 진동을 표현하는 방법은 변위, 속도, 가속도의 세 가지로, 어떤 것을 사용해 진동을 표현할지는 엔지니어의 재량이며 상황에 맞게 판단하는 것이 필요합니다. 특히 엔지니어는 진동 측정에 있어서도 변위 센서, 속도 센서, 가속도 센서 중에서 선택해야 합니다. 일반적으로 변위는 저주파(50Hz 미만)에 유리하며 속도는 중주파수(10~100Hz 미만), 가속도는 고주파수 측정에 유리한 것으로 알려져 있습니다. 현재 차량에서의 진동 측정은 특별한 경우를 제외하고는 대부분 가속도 센서를 이용해 측정하고 있습니다. 그 이유는 가속도 센서가 다른 어떤 센서보다 넓은 주파수 범위 측정이 가능하다는 데 있습니다. 일반적으로 우리가 감시할 수 있는 주파수 진동 범위가 0~2kHz인 경우 이를 가장 잘 측정할 수 있는 센서가 가속도 센서입니다!
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가속도 센서는 지구 중력 가속도를 기준으로 사물이 얼마나 힘을 받고 있는지 측정하는 센서입니다. 가속도 센서는 시간이 지나도 오차에 강한 특징을 가지며 도출되는 값은 정지된 상태에서도 특정 값을 가지기 때문에 기울어진 정도나 진동을 파악하는 데 사용됩니다. 디바이스 자체의 움직임을 감지하는 대표적인 센서입니다. 가만히 있을 때 센서에 작용하는 중력가속도를 X, Y, Z축으로 벡터 3개로 나누어 크기를 측정하고, 가속도 센서로 측정되는 X, Y, Z값의 벡터합으로 중력가속도를 나타낼 수 있습니다. 즉 중력가속도를 X, Y, Z축으로 성분분해하여 각 축의 크기를 표시함으로써 표면에 수직인 면에 대해 회전하는 각(방위각)은 측정할 수 없다는 단점을 가집니다. 가속도 센서는 지구 중력 가속도를 기준으로 사물이 얼마나 힘을 받고 있는지 측정하는 센서입니다. 가속도 센서는 시간이 지나도 오차에 강한 특징을 가지며 도출되는 값은 정지된 상태에서도 특정 값을 가지기 때문에 기울어진 정도나 진동을 파악하는 데 사용됩니다. 디바이스 자체의 움직임을 감지하는 대표적인 센서입니다. 가만히 있을 때 센서에 작용하는 중력가속도를 X, Y, Z축으로 벡터 3개로 나누어 크기를 측정하고, 가속도 센서로 측정되는 X, Y, Z값의 벡터합으로 중력가속도를 나타낼 수 있습니다. 즉 중력가속도를 X, Y, Z축으로 성분분해하여 각 축의 크기를 표시함으로써 표면에 수직인 면에 대해 회전하는 각(방위각)은 측정할 수 없다는 단점을 가집니다.
가속도는 뉴턴의 제2운동 법칙에 따라 물체의 움직임 특성을 나타내는 물리적인 항목입니다. 정지해 있는 물체는 힘을 필요로 하지 않지만, 물체의 위치가 바뀌는 것은 물체의 속도가 변하는 것으로, 일정한 속도로 계속 움직이면 역시 힘을 필요로 하지 않습니다. 위치나 속도가 시간에 따라 변화하면 물체에 힘이 작용하게 됩니다. 실제로는 잡음이 많은 시스템에서 큰 오차가 발생할 수 있기 때문에 속도와 가속도를 위치 센서에서 구하지 않고 이에 맞는 특수한 센서를 사용합니다. 만약 낮은 주파수 응용(10 ㎐ 이하)에서는 위치와 변위에서 속도와 가속도를 비교적 정확하게 유도할 수 있지만, 중간 주파수 응용(1 ㎑ 이하)에서는 속도를 측정할 필요가 있으며, 높은 주파수 응용에서는 가속도를 측정하는 것이 정확합니다. 가속도계의 기본 시스템은 검증 질량을 사용하여 가속도 방향으로 움직이고, 그로 인해 생긴 변위에서 가속도를 유추합니다. 가속도계에서 공통적인 요소는 검증 질량을 사용한다는 점이며 변위를 어떻게 측정하느냐에 따라 다양한 가속도계가 사용된다. 가속도는 뉴턴의 제2운동 법칙에 따라 물체의 움직임 특성을 나타내는 물리적인 항목입니다. 정지해 있는 물체는 힘을 필요로 하지 않지만, 물체의 위치가 바뀌는 것은 물체의 속도가 변하는 것으로, 일정한 속도로 계속 움직이면 역시 힘을 필요로 하지 않습니다. 위치나 속도가 시간에 따라 변화하면 물체에 힘이 작용하게 됩니다. 실제로는 잡음이 많은 시스템에서 큰 오차가 발생할 수 있기 때문에 속도와 가속도를 위치 센서에서 구하지 않고 이에 맞는 특수한 센서를 사용합니다. 만약 낮은 주파수 응용(10 ㎐ 이하)에서는 위치와 변위에서 속도와 가속도를 비교적 정확하게 유도할 수 있지만, 중간 주파수 응용(1 ㎑ 이하)에서는 속도를 측정할 필요가 있으며, 높은 주파수 응용에서는 가속도를 측정하는 것이 정확합니다. 가속도계의 기본 시스템은 검증 질량을 사용하여 가속도 방향으로 움직이고, 그로 인해 생긴 변위에서 가속도를 유추합니다. 가속도계에서 공통적인 요소는 검증 질량을 사용한다는 점이며 변위를 어떻게 측정하느냐에 따라 다양한 가속도계가 사용된다.
가속도 센서에는 정전용량형(capacitive), 열형(thermal), 압전형(piezoelectric), 압전저항형(piezoresistive) 등이 있다. 정전용량형 가속도 센서는 정지해 있는 상태에서는 전극부의 정전용량에는 변화가 없지만 가속도를 받아 움직이면 전극부 간 간격이 변화하고 이로 인해 정전용량이 변화해 가속도를 인식하게 되는 원리입니다. 가속도 방향으로 검증 질량이 움직이면 고정된 외부 전극 사이에 놓인 검증 질량의 전극 위치가 변화하고, 그 변화량으로부터 가속도를 알 수 있습니다. 열형 가속도 센서는 속도에 반응하는 매질을 검증 질량 대신 히터판을 사용하는 방식과 가스를 사용하는 방식 등이 있습니다. 히퍼판을 사용하는 방식은 가속도 방향으로 움직이는 히터판의 온도를 측정하는 계산방식으로 온도를 측정하기 위한 열전대 방식의 온도센서를 함께 제작하여 열전대에서 측정된 온도로부터 가속도를 환산할 수 있습니다. 정전 용량 방식이나 압전체 방식에 비해 우수하지만, 사용하는 주위 온도나 전자기장에 의한 잡음에 약한 편입니다. 압전형 가속도 센서는 케이스와 검증 질량 사이에 샌드위치 형태로 고정시킨 후 검증 질량이 가속 방향으로 움직이면 압전체에 수직으로 힘이 가해지게 돼 압전체의 신호 출력으로 가속도 정보를 얻게 되는 원리입니다. 청각 센서인 마이크로폰, 소나 등에도 사용되며, 이뿐만 아니라 가속도를 측정하는 용도로도 사용되고 있습니다. 2㎐~5㎑ 정도의 낮은 주파수 대역에서 사용할 수 있으며, 가속도에 대한 선형성이 우수하고 동작 온도 범위가 120℃까지 사용할 수 있을 정도로 비교적 넓습니다. 압전 저항형 가속도 센서에서 압전 저항은 금속 또는 반도체 결정에 외력을 가하면 결정의 저항비가 달라지는 현상으로 이를 응용해 스트레인 게이지 측정용으로 활용되고 있습니다. 센서를 소형화할 수 있어 매우 폭넓은 주파수 영역(DC~13㎑)에서 사용할 수 있으며, 0.01g 정도의 정밀도로 측정할 수 있으며, 약 10,000g 정도의 충격에도 견딜 수 있습니다. 가속도 센서에는 정전용량형(capacitive), 열형(thermal), 압전형(piezoelectric), 압전저항형(piezoresistive) 등이 있다. 정전용량형 가속도 센서는 정지해 있는 상태에서는 전극부의 정전용량에는 변화가 없지만 가속도를 받아 움직이면 전극부 간 간격이 변화하고 이로 인해 정전용량이 변화해 가속도를 인식하게 되는 원리입니다. 가속도 방향으로 검증 질량이 움직이면 고정된 외부 전극 사이에 놓인 검증 질량의 전극 위치가 변화하고, 그 변화량으로부터 가속도를 알 수 있습니다. 열형 가속도 센서는 속도에 반응하는 매질을 검증 질량 대신 히터판을 사용하는 방식과 가스를 사용하는 방식 등이 있습니다. 히퍼판을 사용하는 방식은 가속도 방향으로 움직이는 히터판의 온도를 측정하는 계산방식으로 온도를 측정하기 위한 열전대 방식의 온도센서를 함께 제작하여 열전대에서 측정된 온도로부터 가속도를 환산할 수 있습니다. 정전 용량 방식이나 압전체 방식에 비해 우수하지만, 사용하는 주위 온도나 전자기장에 의한 잡음에 약한 편입니다. 압전형 가속도 센서는 케이스와 검증 질량 사이에 샌드위치 형태로 고정시킨 후 검증 질량이 가속 방향으로 움직이면 압전체에 수직으로 힘이 가해지게 돼 압전체의 신호 출력으로 가속도 정보를 얻게 되는 원리입니다. 청각 센서인 마이크로폰, 소나 등에도 사용되며, 이뿐만 아니라 가속도를 측정하는 용도로도 사용되고 있습니다. 2㎐~5㎑ 정도의 낮은 주파수 대역에서 사용할 수 있으며, 가속도에 대한 선형성이 우수하고 동작 온도 범위가 120℃까지 사용할 수 있을 정도로 비교적 넓습니다. 압전 저항형 가속도 센서에서 압전 저항은 금속 또는 반도체 결정에 외력을 가하면 결정의 저항비가 달라지는 현상으로 이를 응용해 스트레인 게이지 측정용으로 활용되고 있습니다. 센서를 소형화할 수 있어 매우 폭넓은 주파수 영역(DC~13㎑)에서 사용할 수 있으며, 0.01g 정도의 정밀도로 측정할 수 있으며, 약 10,000g 정도의 충격에도 견딜 수 있습니다.
가속도센서주의사항 가속도센서주의사항
가속도 센서는 넓은 주파수 범위를 측정할 수 있지만 그만큼 교란 신호도 많이 측정하게 됩니다. 특히 저주파수 교란 신호가 문제를 일으킵니다. 이때 측정된 가속도 신호를 이용하여 속도나 변위로 적분하여 사용할 경우 저주파 신호에 의해 의미 없는 값이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우에는 적절하게 high-pass filter를 사용해야 하며 필터의 종류나 몇 Hz까지의 저주파 성분을 제거해야 하는지에 대한 정해진 공식이 없어 엔지니어의 재량이 필요합니다. 또한 가속도 센서를 설치하는 방법에 따라서도 측정 범위가 다릅니다. 센서 부착 방식에 따라 접촉 공진 주파수가 달라질 수 있으며, 일반적으로 센서의 측정 한계 주파수는 접촉 공진 주파수의 1/3로 알려져 있습니다. 보통은 강력본드를 사용해 센서를 고정하지만 특정 조건을 충족하거나 진동측정 대상체에 손상을 주지 않기 위해 자석 등으로 고정합니다. 이 부분도 엔지니어의 경험과 재량에 따라 결정합니다. 가속도 센서는 넓은 주파수 범위를 측정할 수 있지만 그만큼 교란 신호도 많이 측정하게 됩니다. 특히 저주파수 교란 신호가 문제를 일으킵니다. 이때 측정된 가속도 신호를 이용하여 속도나 변위로 적분하여 사용할 경우 저주파 신호에 의해 의미 없는 값이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우에는 적절하게 high-pass filter를 사용해야 하며 필터의 종류나 몇 Hz까지의 저주파 성분을 제거해야 하는지에 대한 정해진 공식이 없어 엔지니어의 재량이 필요합니다. 또한 가속도 센서를 설치하는 방법에 따라서도 측정 범위가 다릅니다. 센서 부착 방식에 따라 접촉 공진 주파수가 달라질 수 있으며, 일반적으로 센서의 측정 한계 주파수는 접촉 공진 주파수의 1/3로 알려져 있습니다. 보통은 강력본드를 사용해 센서를 고정하지만 특정 조건을 충족하거나 진동측정 대상체에 손상을 주지 않기 위해 자석 등으로 고정합니다. 이 부분도 엔지니어의 경험과 재량에 따라 결정합니다.
퓨처메인은 전문 엔지니어가 현장을 방문해 해당 설비를 직접 살펴본 후 적절한 센서와 센서 부착 위치 등을 정확하게 제안해 정확한 데이터를 받을 수 있도록 합니다! 퓨처메인의 공장 설비 최적 관리 솔루션인 ‘ExRBM’과 진동&소음 기반 설비 진단에 대해 궁금하신 분들은 아래 연락처로 문의하시기 바랍니다. 도입문의 (주)퓨처메인 영업부 [email protected] / T.031-893-9735 퓨처메인은 전문 엔지니어가 현장을 방문하여 해당 설비를 직접 살펴본 후 적절한 센서와 센서의 부착 위치 등을 정확하게 제안하여 정확한 데이터를 받을 수 있도록 합니다! 퓨처메인의 공장 설비 최적 관리 솔루션인 ‘ExRBM’과 진동&소음 기반 설비 진단에 대해 궁금하신 분들은 아래 연락처로 문의하시기 바랍니다. 도입문의 (주)퓨처메인영업부 [email protected] / T.031-893-9735
존재하지 않는 이미지입니다. 존재하지 않는 이미지입니다.
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