진동 측정 시스템

 진동을 측정하려면 필요한 필수적인 준비물은 센서와 DAQ 장치, 진동 측정 프로그램입니다. 그런데 센서는 다양한 가격대의 제품이 있어서 어느 정도 선택의 여지가 있지만, DAQ 장치나 진동 측정 프로그램은 서로 다른 회사의 제품과는 호환이 되지 않으며, 일반적으로 수백만 원 내지는 수천만 원 정도의 가격을 지불해야 합니다. 게다가 특수한 측정 기능을 추가하려면 그에 대한 비용을 별도로 지불해야 하는 경우가 많습니다.

 예전에 다녔던 회사에서 만든 진동 측정 프로그램은 PCB의 가속도계와 NI의 DAQ 장치를 사용하여 NI의 LabVIEW라는 언어로 제작하였는데, NI의 DAQ 장치 가격이 약 4백만 원으로 완제품에 비하면 꽤 저렴한 편이었습니다. 그런데 최근에 여러 분야에서 다용도로 활용하고 있는 Raspberry Pi와 같은 싱글 보드 컴퓨터(SBC)를 사용하면 한층 더 저렴한 비용으로 진동 측정 시스템을 구성할 수 있을 것 같아서 한 번 만들어 보려고 합니다. 때마침 얼마 전에 미국의 MCC라는 업체에서 IEPE 기능을 지원하는 Raspberry Pi용 DAQ HAT을 출시하였기에 이를 사용할 예정입니다.

 제작 중인 진동 측정 시스템의 구성에 들어간 비용은 다음과 같습니다. MCC 172의 가격은 미국에서 399달러에 판매 중인 제품이지만, 국내 유통사를 통해서 구매한 부가세 포함 가격으로 올해(2020년) 6월에 구매했습니다. 아마도 달러 환율의 변화에 따라서 제품 가격에 차이가 있을 것으로 예상됩니다. 최근에 확인한 결과(2021년 9월) 미국의 전자부품 판매사인 Digilent에 MCC의 DAQ HAT 제품이 등록되어서 디바이스 마트나 엘레파츠와 같은 국내 전자부품 업체에서도 구매가 가능하며, 동축 케이블을 포함하면 약 608,300원, 동축 케이블을 제외하면 약 542,300원에 판매하고 있습니다.

제품명	간략한 사양	가격 (원)
Raspberry Pi 4B - 4GB	Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @ 1.5GHz 2GB, 4GB or 8GB LPDDR4-3200 SDRAM 2.4 GHz and 5.0 GHz IEEE 802.11ac wireless, Bluetooth 5.0, BLE Gigabit Ethernet 2 USB 3.0 port; 2 USB 2.0 ports	69,000
MCC 172	2 Analog Input (IEPE), 24-bit Resolution, Simutaneous Sampling Input voltage range: ±5 V ax Sample Rate : Up to 51.2 kS/s/ch Up to 8 MCC HATs can be stacked onto 1 Raspberry Pi	638,000
합계		707,000

 아래의 그림은 MCC 172 DAQ 장치에 IEPE 타입의 가속도 센서 2개를 연결하여 MCC에서 제공하는 샘플 프로그램(Data Logger Example)을 실행한 것입니다. 주먹으로 책상을 살짝 내려친 후에 신호를 수집했는데, 두 센서의 시간축 데이터는 거의 동일하고, FFT 또한 300Hz 까지는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있습니다.

MCC172 Data Logger 예제

 아래의 그림은 예전에 만들었던 진동 측정 프로그램을 수정해서 MCC 172로 가속도 센서의 데이터를 수집한 화면인데, 첫 번째는 그냥 측정한 것이고, 두 번째는 책상을 손으로 두드리면서 측정한 것입니다. 첫 번째 그림에서 1~4Hz 부분은 약간의 차이가 있지만 나머지는 값이 거의 일치하며, 두 번째 그림에서는 전반적으로 값이 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 다만 FFT의 주파수 해상도는 각각 0.1과 0.5Hz로 차이가 있습니다.

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MCC172 VibLab Pi

 일단 Raspberry Pi와 MCC 172를 사용해서 진동 측정 시스템을 만들어 보았는데, 시험한 결과로 봐서는 일반적인 진동 측정 용도로는 문제가 없을 것 같습니다. 그런데 FRF를 확인했더니 4Hz 미만 대역에서 전달률과 coherence, phase 그래프에서 제법 차이가 있습니다. ±5 V 입력과 24bit 해상도를 계산하면 약 0.6u의 정밀도가 나와야 하는데, 어느 정도 오차를 감안하더라도 기대에는 다소 못 미치는 성능입니다. 1/3 Octave 그래프로 확인한 것은 아니지만, MCC 172를 사용하여 VC-G 수준까지 판별하는 것은 어려울 것 같습니다.

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MCC172 VibLab Pi FFT, FRF

 결과적으로 MCC 172는 저주파 영역의 미세 신호 감지가 취약하여 정밀한 진동 측정을 하기에는 무리가 있으나, 일반적인 분야에서는 얼마든지 활용이 가능할 것으로 보입니다. 다만 LabVIEW LINX의 경우 프로그램 테스트 시에는 GUI를 통해 신호 확인이나 프로그램 조작이 가능하지만, 컴파일하여 Raspberry Pi의 내부에 집어넣게 되면 GUI 사용이 불가능합니다. 그래서 MCC 172를 사용하면서 GUI도 필요하다면 C나 Python과 같은 프로그래밍 언어로 프로그램을 만들어야 합니다.