가속도센서, 가속도계란 무엇입니까?

가속도센서(가속도계) 설치 사진

가속도계(Accelerometer) 또는 가속도센서는 "물체의 가속도(즉, 속도의 변화량)을 측정하는 센서 입니다. 쉽게 말해서 물체가 얼마나 빠르게 움직이고 있는지, 또는 멈추거나 방향을 바꿀 때 얼마나 빨리 변하고 있는지를 측정해주는 센서 입니다.가속도계는 진동을 비례하는 전기 신호를 발행시키며, 이는 물체에 작용하는 힘(뉴턴)이 가속도(m/s² 또는 g)에 정비례하고, 질량에 반비례한다는 뉴턴의 운동 제2법칙을 기본 원리로 하고 있습니다. 즉, 가속도계는 축 가해지는 힘을 감지하여 간접적으로 가속도를 측정하는 것입니다.

가속도계에서 일반적으로 사용되는 측정 방법은 움직이는 질량에 의해 발생된 힘을 측정하는 것으로써 아래 구조를 참고하시면 도움이 되실 겁 입니다.

변환 방식은 가속도계의 유형에 아래와 같이 여러종류가 있으며 서로 다른 기계적 구조를 가지고 있으나 이번 포스팅에서는 산업용으로 가장 많이 사용되는 압전형 가속도계에 대해서만 다루도록 하겠습니다.

1. 압전형 (Piezoelectric) 가속도계

구조 및 원리: 압전 소자는 외부에서 힘이 가해지면 전하를 발생하는 특성을 가지고 있습니다. 압전형 가속도계는 질량체와 압전 소자로 구성되어 있어, 가속도가 가해지면 질량체가 압전 소자에 힘을 가하고, 이때 발생하는 전하량을 측정하여 가속도를 감지합니다.(아래 사진 참고)

피에조 세라믹 압전소자

 

특징:

• 넓은 주파수 응답 특성을 가집니다.
• 높은 감도를 나타냅니다.
• AC 응답 특성으로, 정적인 가속도 측정에는 부적합합니다.
• 진동 및 충격 측정에 주로 사용됩니다.
• IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) 또는 ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) 타입은 센서 내부에 신호 증폭 회로가 내장되어 있어 편리하게 사용할 수 있습니다. 아래와 같이 가속도계+케이블만 가지고 DAQ(데이터 취득 장치)에 바로 연결하여 사용 가능 합니다.

가속도센서, 케이블, 데이터 수집 장치

진동을 이용한 설비진단시 가속도계, 가속도센서가 중요한 것 무엇때문 입니까?

진동 설비 진단 모니터링에서 가속도계가 주로 사용되는 이유는 다음과 같습니다.

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1. 넓은 주파수 대역 측정 가능:

가속도계는 저주파에서 고주파까지 넓은 범위의 진동을 효과적으로 측정할 수 있습니다. 설비의 다양한 결함은 각기 다른 주파수 대역에서 특징적인 진동 신호를 발생시키므로, 넓은 주파수 응답 범위를 갖는 가속도계는 다양한 잠재적 문제를 감지하는 데 유리합니다.특히 회전 기계의 경우, 베어링, 기어 등의 고주파 결함을 진단하는 데 가속도 측정이 필수적입니다.

가속도센서의 주파수 응답

2. 초기 결함 감지 용이:

설비에 이상이 발생하기 시작하면 일반적으로 고주파 성분의 미세한 진동 변화가 먼저 나타납니다. 가속도계는 이러한 초기 단계의 변화를 민감하게 감지하여 잠재적인 고장을 사전에 예측하고 예방하는 데 효과적입니다.

가속도센서를 이용한 베어링 주파수 결함 측정

3. 다양한 환경 조건에 대한 적응성:

압전형 가속도계와 같은 일부 유형은 외부 전원 없이 자체적으로 신호를 생성할 수 있어 다양한 산업 환경에서 사용하기 편리합니다. 견고한 구조를 가진 가속도계는 열악한 환경 조건에서도 안정적인 측정을 제공할 수 있습니다.

4. 데이터 분석의 용이성:

가속도 신호는 시간 영역 분석뿐만 아니라 주파수 영역 분석(FFT 분석 등)을 통해 특정 결함 주파수를 식별하는 데 용이합니다. 이를 통해 결함의 종류와 심각도를 더욱 정확하게 진단할 수 있습니다.

가속도 신호를 적분하여 속도 및 변위 정보를 얻을 수도 있어, 다양한 진동 분석 파라미터를 활용할 수 있습니다.

진동 주파수 분석

5. 높은 감도 및 넓은 동적 범위:

최신 가속도계는 매우 작은 진동부터 큰 진동까지 넓은 범위의 진동 크기를 정확하게 측정할 수 있는 높은 감도와 넓은 동적 범위를 제공합니다.물론 설비 진단에는 가속도계 외에도 속도계, 변위계 등 다른 종류의 진동 센서가 사용될 수 있습니다. 각 센서는 특정 주파수 대역이나 측정 목적에 더 적합한 특성을 가지고 있습니다. 하지만 넓은 주파수 범위, 초기 결함 감지 능력, 데이터 분석 용이성 등의 장점 때문에 가속도계는 진동 설비 진단 모니터링 분야에서 가장 널리 활용되는 센서 중 하나입니다.

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참고로 가속도계, 가속도센서에 대한 구조 및 마운팅 방법을 아래 포스팅 내용을 참고하시면 좋습니다.

 

https://blog.naver.com/its-21/222882867264

산업용 IEPE(ICP) 진동 가속도센서 내부구조 및 마운팅 원리

 

 

추가로 마운팅 또는 설치 방법은 아래 포스팅 내용에 자세히 설명되어 있습니다.

 

https://blog.naver.com/its-21/222083727451

진동센서의 올바른 설치(Mouting)방법

 

 

또한 홀 가공 마운팅 관련 내용은 아래 포스팅 내용을 참고하시면 됩니다.

 

https://blog.naver.com/its-21/223797375059

진동센서 마운팅 (가속도계, 가속도센서)