진동측정, 진동센서, 가속도센서란? 측정, 원리, 방법, 피에조일렉트릭 가속도센서

 

 

 

✔ 가속도계가 필요한 이유는?

진동과 충격은 일상 생활의 모든 영역에 존재합니다.

예를 들어 모터, 터빈, 기계 공구, 교량, 타워 또는 인체에 의해 발생하고 전달될 수 있습니다.

일부 진동은 바람직한 것이지만 다른 진동은 방해가 되거나 심지어 파괴적일 수도 있습니다. 따라서 진동의 원인을 이해하고 진동을 측정하고 예방할 수 있는 방법을 개발해야 하는 경우가 많습니다.

 

✔ 가속도계를 이용한 측정 대상은 무엇인가요?

 

진동을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 양은 가속도입니다.

가속도에는 국제 표준 단위인 m/s²(초당 제곱미터)가 사용됩니다.

때때로 가속도에는 SI가 아닌 단위인 중력가속도(g)가 사용되기도 합니다(1g은 약 9.81m/s²).

기계 모니터링과 같은 일부 애플리케이션의 경우 진동 속도(mm/s) 또는 진동 변위(µm, mm)가 측정됩니다.

속도는 단일 적분을 통한 가속도, 변위는 이중 적분을 통해 도출할 수 있습니다.

적분기는 아날로그 회로 또는 소프트웨어 루틴으로 구현할 수 있습니다.

 

 

 

✔ 변위와 속도의 크기 순서는 알고 있지만 가속도는 상상하기 어려울 수 있습니다:

아래는 여러가지 사례에 대한 가속도 값입니다.

 

0.001m/s² 미만의 가속도는 지진 조사에서 측정됩니다.

ICE 3 고속 열차의 평균 가속도는 0.5m/s²입니다.

우주왕복선의 발사 및 재진입 시 최대 가속도는 30m/s²입니다.

경주용 자동차 운전자는 50m/s²를 경험할 수 있습니다.

대부분의 사람은 약 60m/s²에서 의식을 잃습니다.

100m/s²의 자동차 사고는 사람의 뼈를 부러뜨리고, 300m/s²는 안전벨트가 갈비뼈를 부러뜨리는 데 충분합니다. 대부분의 인간에게는 1000m/s²가 치명적인 한계입니다.

점프하는 벼룩은 3200m/s²에 달할 수 있습니다.

1m 높이에서 콘크리트 바닥에 떨어진 노트북 컴퓨터는 20,000m/s²까지 견딜 수 있습니다.

재봉틀의 바늘은 60,000m/s²에 달할 수 있습니다.

100,000m/s² 이상의 가속도는 탄도 및 폭발 테스트에서 발견됩니다.

 

 

✔ 피에조일렉트릭 (Piezoelectric) 센서의 장점

 

"피에조"는 짜내다라는 뜻의 그리스어에서 유래했습니다.

압전 물질은 스트레스를 받으면 전하를 생성합니다.

지진 질량과 결합하면 진동 가속도에 비례하는 전하 신호를 생성할 수 있습니다.

피에조 일렉트릭 센서의 활성 소자는 납-지르코네이트 타이타네이트(PZT)라는 우수한 압전 특성을 가진 엄선된 세라믹 소재로 구성됩니다.

특수 제조된 PZT는 안정적인 성능과 장기적인 안정성을 제공합니다.

세라믹의 감도는 석영 소재에 비해 약 100배 이상 높습니다.

따라서 저주파수 및 저가속 상황에서는 압전 가속도계가 더 나은 선택입니다.

압전 가속도계는 절대 진동을 측정하는 데 가장 적합한 선택으로 널리 인정받고 있습니다.

 

 

✔ 다른 유형의 센서와 비교할 때 압전 가속도계는 중요한 장점이 있습니다:

 

노이즈가 거의 없는 매우 넓은 동적 범위 - 거의 감지할 수 없는 진동뿐만 아니라 충격 측정에도 적합합니다.

동적 범위에서 뛰어난 선형성

넓은 주파수 범위, 고주파수 측정 가능

컴팩트하면서도 고감도

움직이는 부품 없음 - 마모 없음

자가 발전 - 외부 전원이 필요 없음

거의 모든 용도에 사용할 수 있는 매우 다양한 모델

출력 신호의 통합으로 속도와 변위 제공

 

✔ 피에조 일렉트릭 센서 (압전소자센서)의 원리

 

가속도계의 활성 요소는 압전 재료입니다.

아래 그림은 압축 디스크를 사용하여 압전 효과를 보여줍니다.

압축 디스크는 압전 세라믹 소재가 두 전극 사이에 끼워진 커패시터처럼 보입니다.

디스크에 수직으로 가해지는 힘은 전하를 생성하고 전극에 전압을 발생시킵니다.

 

 

압전 가속도계의 감지 요소는 크게 두 부분으로 구성됩니다:

 

◽ 피에조 세라믹 소재

◽ 지진 질량

 

압전 재료의 한쪽은 센서 베이스의 단단한 기둥에 연결됩니다.

다른 쪽에는 소위 지진 질량 (Seismic mass)이 부착되어 있습니다.

가속도계가 진동을 받으면 압전 소자에 작용하는 힘이 생성됩니다 (그림 참조).

뉴턴의 법칙에 따르면 이 힘은 가속도와 지진 질량의 곱과 같습니다.

압전 효과에 의해 가해진 힘에 비례하는 전하 출력이 생성됩니다.

지진 질량은 일정하기 때문에 전하 출력 신호는 질량의 가속도에 비례합니다.

 

그림 : 압전 가속도계의 원리

 

넓은 주파수 범위에서 센서 베이스와 지진 질량은 모두 동일한 가속도 크기를 갖습니다.

따라서 센서는 테스트 대상의 가속도를 측정합니다.

압전 소자는 한 쌍의 전극을 통해 센서 소켓에 연결됩니다.

일부 가속도계에는 높은 임피던스 전하 출력을 낮은 임피던스 전압 신호로 변환하는 통합 전자 회로가 탑재되어 있습니다.

유용한 작동 주파수 범위 내에서 감도는 나중에 언급되는 제한 사항을 제외하고는 주파수와 무관합니다.

압전 가속도계는 공진 피크가 있는 기계적 저역 통과로 간주할 수 있습니다.

지진 질량과 압전 세라믹(및 기타 "유연한" 구성 요소)은 스프링 질량 시스템을 형성합니다.

이 시스템은 일반적인 공진 동작을 보여주고 가속도계의 주파수 상한을 정의합니다.

더 넓은 작동 주파수 범위를 얻으려면 공진 주파수를 높여야 합니다.

이는 일반적으로 지진 질량을 줄임으로써 수행됩니다.

그러나 지진 질량이 낮을수록 감도가 낮아집니다.

따라서 공진 주파수가 높은 가속도계(예: 충격 가속도계)는 감도가 낮은 반면 감도가 높은 지진 가속도계는 공진 주파수가 낮습니다.

 

아래 그림은 가속도계가 일정한 가속도를 가할 때 가속도계의 일반적인 주파수 응답 곡선을 보여줍니다.

이 곡선으로부터 몇 가지 유용한 주파수 범위를 도출할 수 있습니다:

 

공진 주파수의 약 1/5에서 센서의 응답은 1.05입니다. 이는 더 낮은 주파수와 비교하여 측정된 오차가 5%라는 것을 의미합니다.

 

공진 주파수의 약 1/3에서 오차는 10%입니다. 이러한 이유로 "선형" 주파수 범위는 공진 주파수의 1/3로 제한되는 것으로 간주해야 합니다.

 

약 30%의 오차를 갖는 3dB 한계는 공진 주파수의 약 1/2에서 얻을 수 있습니다.

 

주파수 하한은 주로 선택한 프리앰프에 따라 다릅니다.

종종 조정할 수 있습니다.

전압 증폭기의 경우 저주파수 제한은 가속도계, 케이블 및 증폭기 입력 커패시턴스와 증폭기 입력 저항에 의해 형성된 RC 시간 상수의 함수입니다.

 

 

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