진동 센서

 진동에 관해서 알아보는 두 번째 시간입니다. 이번 주제는 진동 센서인데, 센서의 종류나 센서를 선택하는 방법 등에 대한 것을 다뤄보도록 하겠습니다. 진동을 측정하는 센서는 크게 가속도, 속도, 변위 센서가 있습니다. 각각의 센서는 내부구조나 기타 여러 가지 차이점으로 인해 또 한 번 다양한 종류로 나뉘는데, 모든 종류의 센서에 대해서 알아보는 것은 다소 무리가 있으므로 진동 측정에 주로 쓰이는 가속도 센서에 대해서만 설명을 하겠습니다.

 가속도 센서는 측정 감도나 주파수 범위, 방향 등에 따라서 매우 많은 종류가 있는데, 진동 측정뿐만 아니라 구조물이나 충돌 시험과 같이 특수한 분야에 사용하는 제품도 있습니다. 개인적으로 많이 접했던 것은 Piezoelectric 타입의 센서인데, 측정 범위가 수백Hz 이하이면서 감도가 뛰어난 제품을 주로 사용했습니다. 최근에는 반도체 기술을 적용한 MEMS 센서를 흔히 볼 수 있는데, 작은 크기와 저렴한 가격 그리고 DC(0Hz)부터 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 실제로 스마트폰에 들어가는 센서는 대부분 MEMS 타입입니다. 그러면 센서의 사양 중에서 중요한 항목을 몇 가지 살펴보겠습니다.

 

1. 방향 (Axis)

 센서는 측정 가능한 방향의 개수에 따라서 1축 센서와 3축 센서로 나뉩니다. 3축 센서를 사용하면 X, Y, Z축을 모두 측정해야 하는 경우에 좀 더 편하게 측정할 수 있지만, 일반적으로 1축 센서에 비해 감도나 출력이 다소 떨어지는 편입니다. 따라서 정밀하게 측정하고 싶다면 3축 센서보다는 1축 센서를 사용하는 편이 좋습니다.

 

2. 감도 (Sensitivity)

 감도는 센서의 민감도를 나타내는 단위인데, 출력이 전압인 경우에는 V/g나 mV/g라는 단위를 사용하고, 전하 타입인 경우에는 pC/g라는 단위를 사용합니다. 보통 낮은 주파수 영역이나 미세진동을 측정할 때는 감도가 높은 센서를 사용하고, 구조물 시험이나 충격과 같이 신호가 큰 진동을 측정할 때는 감도가 낮은 센서를 사용합니다. 감도는 센서의 선택에 크게 영향을 미치는 항목 중의 하나입니다.

 

3. 측정 범위 (Measurement Range)

 측정 범위는 측정 가능한 주파수의 범위를 말하며, 최소 주파수와 최대 주파수로 나타냅니다. 보통 ±5%나 ±3dB와 같은 값을 함께 표시하는데, 이 값은 측정값의 허용오차입니다. 참고로 3dB는 약 30%이며, 최소 주파수가 낮을수록 센서의 크기가 큰 경향이 있습니다.

 

4. 공진 주파수 (Resonant Frequency)

 센서의 공진 주파수입니다. 측정하고자 하는 주파수가 센서의 공진 주파수와 겹치면 측정값이 증폭되어 이상한 값을 출력할 수 있으므로, 센서를 선택할 때 공진 주파수를 확인할 필요가 있습니다. 만약에 센서의 공진 주파수가 측정하려는 주파수 범위에 존재한다면, 필터를 적용하여 신호를 평탄화해서 측정하는 방법도 있습니다.

 

5. 해상도 (Resolution)

 해상도는 센서가 측정할 수 있는 최소한의 단위로 얼마나 미세한 변화까지 감지할 수 있는지를 나타냅니다.

 

6. IEPE (ICP®)

 IEPE는 지금까지 설명한 내용과는 다소 거리가 있는데, 센서의 전원에 관한 내용입니다. 압전소자(Piezoelectric)를 사용하는 센서는 대부분 이 IEPE라는 방식으로 전원을 공급해야 진동을 측정할 수 있기 때문에 측정 장치에서 구동 전압과 전류를 센서의 사양에 맞게 공급할 수 있는지 미리 확인해야 합니다. 구동 전압과 전류 중에 어느 하나라도 사양을 충족할 수 없는 경우에는 별도의 앰프를 사용해야 합니다.

 

 지금까지 센서의 사양에 대해서 알아봤습니다. 센서 제조사에서 표시하는 내용은 이보다 더 많지만, 예전에 다녔던 회사에서 직접 진동 측정용 센서를 선택하면서 중요하다고 느꼈던 내용들만 골라봤습니다. 측정 용도에 따라서 작동 온도나 재질 등의 사양도 고려해야 한다면 따로 관련된 내용을 찾아서 확인해 보시기 바랍니다.