진동의 측정

Chapter 4

진동의 측정

• 최근의 기계구조물은 고속, 경량화가 되어 가고 있는 추세

• 이러한 기계구조물의 동적 특성을 파악하고자 할 때 정적인 응력과 변형률 측정 만으로는 충분하지 않게 되었다.

• 복잡한 기계장치나 구조물의 진동은 순수한 해석으로 규명하기 어렵기 때문에

• 이론적인 진동해석과 병행하여 또는 측정을 통한 규명이 필요

• 구조물의 동특성을 알기 위해서는 실제 진동값보다는 진동력에 의한 응답이 더 중요하다.

• 가진에 대한 시스템의 응답은 진동을 전달 또는 감쇠시키는 능력을 알아낼 때나 혹은 공진시에 구조물의 진동 모드를 해석하는데 적용된다.

• 진동측정

시스템의 고유진동수와 진동형을 구하거나 이론적 해석 결과의 타당성을 검증하거나 또는 기계의 보수유지를 위한 기계상태의 진단 자료를 획득

4-1 진동 측정장비의 구성

기본적인 구성

① 가진 장치 : 진동을 발생시키는 가진력을 가하는 장비

② 센서 : 구조물의 응답을 측정하는데 사용하는 것

③ 신호 조절기 : 센서에서의 신호를 조정

④ 해석기 : 신호분석기 FFT

4-2 가진 장치

 구조물의 동특성을 알기 위해서는 실제 발생되는 진동레벨보다는 일정크기와 형태를 갖는 가진력에 의한 응답이 더 필요하다.

 알고 있는 가진력에 대한 시스템의 응답 -. 진동을 전달 또는 감쇠시키는 능력

-. 공진 발생하는 경우의 진동 모드를 해석.

 가진 장치로 많이 사용되는 전자식 가진기와 충격 햄머

 실제 가진에 의한 실험 예 -. 구조물 가진의 예

가진기의 종류

 기계식 가진기(Mechanical Exciter),

 전기유압식 가진기(Electro-hydraulic Exciter),

 전자식 가진기(Electromagnetic Exciter)

•

가진기의 종류

 기계식 가진기



편심력에 의하여 가진력을 발생



비교적 넓은 주파수대역에서 사용



낮은 진동수 영역에서는 효과적이지 못하는 등 사용에 제한이 따른다.

 전기유압식 가진기



전기신호에 의하여 구동되는 서보 밸브에 의하여 유압을 가하여 가진력을 발생시킨다.



큰 가진력과 큰 진폭



낮은 진동수 영역에서 우수한 특성을 갖는다.



장점

동적인 하중 뿐 아니라 정적인 상태의 하중도 동시에 가할 수 있다.



단점

-. 진폭의 비선형성과 가진 파형의 형태가 좋지 않다.

-. 장비의 가격이 고가라는 단점을 가지고 있다.

구조물 가진기의 예

전자식 가진기

 작동원리



자기장내에 놓여 있는 도선에 전류가 흐를 때 도선에 힘이 작용되는 것



스피커의 원리와 비슷하다.



운동 부분을 움직이게 하는 힘은 흐르는 전류와 자속에 비례한다. 그러므로 전류를 조절하면 가진기의 진동레벨이 조절될 수 있다.



최대전류와 하중에 따라 얻어질 수 있는 최대 가속도 레벨이 결정



낮은 진동수 범위에서는 운동부분의 변위 제한에 의해 최대 가속도 레벨은 감소한다.



가진기의 상한 진동수는 운동부분의 공진 진동수에 의하여 결정된다. -. 가속도계와 전자식 가진기의 예

가진기의 성능-가속도 제한

가진기의 성능-변위제한

정현 운동을 취급할 때, 가속도와 변위 사이에는 다음과 같은 공식이 성립한다.

위 식에서 알 수 있듯이, 고정된 가속도 레벨에 대하여 저주파수에서 변위는 매 우 커진다.

Moving element가 mechanical stops 사이를 움직이는 것만 허용되므로, 저 주파수 에서 이 사이의 변위가 최대 허용 변위가 되며 12dB/octave 의 직선 기울기를 갖는다.

π f 2

on Accelerati nt

Displaceme =

전자식 가진기의 장비구성도

 전자식 가진기의 기본적인 장비구성도



신호 발생기(Signal Generator) : 필요한 신호발생



비교기(Comparator) :



전력 증폭기(Power Amplifier)



가속도계



가진기(Shaker)

가진기의 연결 및 고정



가진기의 연결은 원하는 지점과 방향으로 가진력을 가해도 회전이나 횡적 구속 력을 갖지 않으며 용이하게 피시험체에 연결할 수 있어야 한다.



시험 대상 구조물을 가진기의 가진 테이블에 부착할 때에는 직접 연결되거나 또 는 직접 연결하지 못하는 경우에는 고정구(fixture)를 사용한다.



고정구는 충분히 강하여 발생된 가진력이 균일하게 대상체에 전달되도록 하며 가진 범위 내에서는 어떠한 공진점도 발생하여서는 안 된다.



고정구의 질량효과 때문에 일반적으로 알루미늄을 사용하며 높은 공진 진동수 를 얻기 위하여 두껍게 제작한다.

구조물의 고정

지지대(fixture)

This System offers the same basic features of the MonoBase System, but is designed to mount the entire shaker assembly, including the shaker's standard

support base, directly to a common steel and concrete platform.

dual I-Beam style steel construction, provides maximum stiffness between the shaker and the horizontal slip table for improved controllability and dynamic response during frequency and/or high acceleration testing.

ISOLATED PLATFORMS

The standard platform provides simple isolation from

the laboratory floor down to 10Hz. Low frequency

isolators that provide isolation down to 3.5 Hz, is also

available.

충격햄머(Impact Hammer)

-. 햄머에 힘 변환기(Force transducer)를 부착하여 제작하며,

-. 복잡하고 비싼 가진 장비가 필요 없이 구조물에 충격 가진력을 발생시킬 수 있는 간단한 가진기

-. 대상체에 가해지는 힘은 팁을 통하여 힘 변환기에 의해 측정된다.

충격햄머의 팁의 강성

그림 4 - 6 충격햄머의 팁의 강성과 부가질량에 따른 응답 -. 관심 있는 모든 진동수 범위에 거의 일정한 힘으로 구조물을 가진시킬 수 있다.

-. 팁의 강성에 따라 임펄스 파형이 변화

⇒ 가진 진동수 대역(Bandwidth)이 결정되는 일종의 필터 역할을 하게 된다.

-. 팁의 강성이 높으면 임펄스 파형이 첨예하고 신호의 폭이 좁으며 고주파까지 가진되지만 Power의 크기는 낮다.

-. 팁의 강도가 무르면 신호의 파형이 넓게 퍼지고 저주파는 충분히 가진하여 낮은 진동수 영역이 모드는 좋은 결과를 얻을 수 있으나,

높은 진동수는 가진하지 못한다.

변위 센서



Displacement Transducer, Non-contact Transducer, Proximitor, Gap Sensor

 ^{측정 원리}

-. 대상 축 표면의 상대적 위치 변화에 비례하는 신호를 측정 -. 상승 피크에서 하강 피크까지의 움직임이 곧 변위가 되므로 -. 표현 단위 : ‘Peak to Peak’.

-. Eddy Current, 즉 센서에서 흘러 나오는 전류의 흐름으로 거리를 감지해 내는 방식이다.

-. Probe에 근접한 위치에서 물체가 이동을 하게 되면 그 주 변

에 형성된 전류의 크기에 따라서 근접 위치를 확인해서 측 정

을 하게 된다.

-. 주로 물체의 미세 떨림, 진동, 회전, 근접 거리 등을 측정하 는

변위센서-1

 ^{프록시미터} (Proximitor)

-. Probe의 Tip에서 방출되는 RF 신호를 발진시키는 발진기(oscillator)와 다시 돌아오는 RF신호를 검출하는 복조기(demodulator)로 구성되어 있다.

-.-17.5~ -26Vdc의 전원을 필요

-. Oscillator에서 500kHz~2.0MHz 범위의 RF 신호를 발생

변위센서-2

-. RF신호는 프루브 코일로부터 전송되어 프루브 팁(Probe Tip) 주위에서 RF장을 형 성한다.

-. 전도체가 RF장 내에 존재하면, 그 전도체 표면에 와전류(Eddy Current)가 흐르게 된다.

-. 프루브와 대상 물질 사이의 거리(Gap)가 최소가 될 때, 진폭은 최소가 되며, 와전 류는 최대가 된다. 즉, 전도체에 많은 RF 신호가 흡수되어서 복조기에서 검출하는 RF 신호의 양은 최소가 된다.

변위센서-3

APPLICATIONS

1) 일반 기계 회전축의 진동(Vibration)으로 인한 변위 측정

2) 냉동기 및 유공압 컴프레셔(Compressor)의 진동 및 변위 측정

3) 선박 및 항공기, 소형 일반 터빈(Turbine)의 미세 변위(Gap) 측정으로 수 명 및 효율

확인

4) 자동차 엔진 룸의 엔진 밸브, 크랭크 축, 커넥팅 로드, 피스톤, 가스킷, 브레이 크 슈

등의 미세 변위 측정

5) 반도체, CD-ROM 등 정밀 전자 부품 제작시의 정확도 측정시 적용 FEATURES

1) Non contact 2) Detect all kinds of conductive metals 3) Measurement up to 10mm (25mm type)

4) No affection by sticking of water or oil

5) Broad frequency range : 0∼4kHz 6) High resolution : 1μm (8mm type) 7) Easy to use

속도 센서

 ^속도

-. 단위는 in/sec나 mm/sec로 표현

-. 변위의 경우와는 달리 진동 신호 파형이 그 중심점을 기준으로 위, 또는 아래 방향으로 속도 크기를 표현하는 것이므로 ‘Zero to Peak’ 또는 ‘0 - pk’, ‘pk’라 는 단위를 사용한다.

-. 현장의 일부 엔지니어와 기계 제작사, 그리고 진동 관련 사양에서는 신호의 실 효값인 ‘rms (root mean square)’ 단위를 사용하기도 한다.

-. 예.

Direct Signal Amplitude: 25mm/sec pk

1X Filtered Signal Amplitude: 20mm/sec pk∠150°

속도 센서-2

 Velocity Transducer/ Pickup 또는 Seismic Transducer라고도 함

 가장 먼저 개발되어 현장에 이용된 센서



측정 원리

- 센서 내부의 고정된 자석과 스프링에 지지 되어 움직이는 코일 간의 부착 대상 표면의 속도에 비례하는 신호를 발생하게 된다.

장점 : 움직임에 의한 자체적인 전압 발생으로 외부 전원이 필요 없이 이용할 수 있다.

단점 : 기계적으로 움직이는 부분이 존재함으로 일정 기간 사용 시 피로 응력의 누적으로 센서의 감도가 변한다.

-. 설치 각도가 타 센서에 비해 제한을 받는다.

-. 진동을 기계적 움직임에 비례하여 측정하는 방식의 한계로 인해 표준 타입의 센서의 경우 측 정 범위가 다소 적은 ’10Hz ~ 1kHz’이다.

가속도센서

 보편적으로 많이 사용되는 진동 센서는 압전형의 가속도계이다.



압전형 가속도계의 특성

-. 어떤 다른 진동 센서보다 넓은 진동수에서의 사용범위 -. 좋은 선형성을 가지며

-. 비교적 튼튼하고 신뢰성이 있어 장기간동안 특성이 변화하지 않는다.

 압전 소자(piezoelectric materials)

-. 압전효과 : 기계적 변형 즉 압축, 인장 혹은 전단 을 받으면 전극면 사이에 그 힘이 비례하는 전기적 전 하를 발생

-. 강전기적 세라믹이다.

가속도센서-2

압축형 가속도계(Compression Type) : 질량이 압전 소자에 압축력을 가하는 형으 로 심한 충격(shock) 측정이나 특수목적에 특별히 사용된다.

전단형 가속도계(Shear type) : 질량이 압전 소자에 전단력을 가하는 형으로, 제품 을 매우 작게 만들 수 있다는 잇점을 가진다. 따라서 이 방식의 가속도계는 가벼운 구조물의 진동측정이나, 제한된 공간에서의 진동 측정 등에 사용 가능하다.

델타 전단형 가속도계(Delta shear type) : 델타 전단형은 실제적으로 어떤 용도에 도 사용 가능하다. 이 방식은 뛰어난 사양(specification)을 가지며 측정 환경조건 에 영향을 받지 않는다는 잇점이 있다.

가속도센서-3

가속도계의 종류

다른 종류의 가속도계로는 먼저 높은 레벨이나 고주파수의 측정, 구조물, 판넬 등 에서 사용하도록 고안되어진 무게가 0.5~2g 정도의 아주 작은 크기의 가속도계 가 있다. 다른 특수한 목적에 이용되는 것으로는 서로 직교하는 3축을 동시에 측 정하는 3축가속도계(Triaxial accelerometer)(e), 고온용, 교정용(Calibration), 높 은 충격용(g), 고감도형 등이 있다.

(a) (b) © (d) (e) (f) (g)

가속도계의 특성



감도(Sensitivity)

-.가속도계에서 제일 먼저 고려되어지는 특성

-. 가속도계가 받고 있는 가속도의 크기가 일정하다면, 가속도의 주파수가 달라져도 가속도계의 공진주파수(Resonance frequency) 보다 약간 낮은 주파수 범위까지의 넓은 범위에 걸쳐서 가속도계는 일정한 크기의 출력(Output)을 발생시킨다.



질량(Mass)

-. 측정지점에서 진동의 크기와 주파수를 심각하게 변화시 -. 일반적으로 가속도계의 질량은 설치하고자 하는

진동부분의 동적질량의 1/10을 넘어서는 안 된다.



동적범위(Dynamic range)

-. 하한 한계(Lower limit) : 연결 케이블과 증폭회로로부터의 전기적 잡음에 의해 결정되 어 지는데 보통 0.01 m/s² 정도이다.

-. 상한 한계(Upper limit) : 가속도계의 구조적 강도에 의해 결정되는데 50,000~

100,000 m/s²까지 선형적으로 변한다.

가속도계의 주파수영역

-. 기계적 시스템은 대부분의 진동 에너지가 10~1000Hz 사이의 비교적 좁은 주파수 영역에 존재한다. 높은 주파수에도 관심이 있으므로 측정은 약 10kHz 까지 한다.

-. 저주파수 영역 한계

증폭기의 저주파 차단, 한계가 보통 1Hz 이하이므로 문제가 되지 않는다.

주위 온도 변화에 대한 영향. 전단형 가속도계에서는 1Hz 이하의 측정도 가능.

-. 고주파수 영역 한계

가속도계 자체의 질량-스프링계의 공진 주파수에 의해 결정.

경험적으로 상한한계를 가속도계 공진 주파수의 1/3로 정한다면 상한 주파수 한계에서 측정된 진동 성분은 +12% 이 내의 오차를 갖게 되는 것이다. 그리고 필터(Fiter)를 가속도계와 함께 사용하 면 가속도계의 공진에 의한 측정오차를 크게 줄일 수 있다.

Accelerometer Mounting Considerations

올바른 고정 방법을 선택해야 한다.

적당하지 못한 고정은 공진 주파수의 감소를 초래 가장 이상적인 고정 방법 : 나사못을 사용하여 고정

다른 주위의 영향

케이블 잡음 :

압전형 가속도계는 높은 출력 임피던스를 갖고 있어 연결케이블에서도 잡음문제가 발생 한다. 접지루프에 의한 잡음은 절연 나사못이나 운모 와셔를 사용하여 제거,

가속도계 케이블의 기계적 운동에 의해 자체 유도되는 마찰전기잡음은 특수 케이블을 사 용하던가 케이블을 접착제나 테이프로 고정시키면 피할 수 있다. 운전중인 기계 근처에서 유도되는 전자가 잡음은 이중 쉴드 케이블을 사용하면 도움이 된다.

베이스의 변형 : 가속도계가 변형이 발생되는 면에 설치되면 변형이 압전 소자에 전달되 어 그 결과로 출력이 발생한다.

핵방사 : 대부분의 가속도계는 웬만한 감마 방사선 조사량에는 아무런 특성 변화 없이 사 용할 수 있다.

자장 : 압전형 가속도계는 자기에 대한 감도가 매우 낮다.

습도 :

음향소음 : 음향으로 인한 진동은 무시할 만하다.

충격 : 가속도계에 지나친 충격이 가해지지 않도록 매우 주의를 하며 사용하여야 한다.

신호조절기(Signal Conditioner)

 전치증폭기(Preamplifier)라고도 한다.

 가속도계에서 발생되는 신호를 분석하기 위하여 해석기에 연결하기 전에 분 석의 정확성, 목적, 방법 등에 따라 적합한 형태의 신호로 변환

 가속도계 출력 신호를 전치증폭기에 통과시켜 신호의 크기를 크게 증폭시킨 후 즉 매우 낮은 임피던스로 변환시킨 후 사용하면 비교적 낮은 입력 임피던스 를 가진 측정장치 및 부속장치에도 적합한 신호의 형태가 된다.

Voltage Preamplifier Charge Amplifier Line drive Preamplifier

- 전압감도가 선 길이에 따라 다르다.

- 신호대 잡음비가 크다.

- 저렴한 가격

- 낮은 진동수 대역에서는 정 확도가 떨어진다

- 전압감도가 선 길이와 무 관하다.

- 가속도계와 가까워야 잡 음이 적다.

- 가속도계 내에 장착되어 있거나 가속도계에 붙여 사 용한다.

- 선의 잡음으로 인한 잡음 은 매우 작다.

- 고장 나기 쉽다.

- 사용 진동수 대역이 한정 되어 있다.

가속도계의 연결

Typical In-Line Charge Converter System

Laboratory Charge Amplifier

해석기_FFT(Fast Fourier Transform)

FFT는 프랑스 수학자인 푸리에(Fourier)가 제창한 것으로 "어떠한 주기함수는 그 배수의 정현파의 합으로 나타낼 수 있다."는 Fourier Series에 그 기초를 두고 있 다.

스펙트럼(Spectrum) : 정현파가 주파수 축으 로 표시되는 것

간단히 FFT를 설명하면 시간 축 파형을 주파수 축으로 보여주는 기기

FFT적용 예-1

함 수 적 용 보충설명 사용장비

Spectrum

공작기계의 진동.

소음분석

진동. 소음의 레벨

- 전체 값(Overall) : 규격치 관리

- 주파수별 : 각 부품별 영향 확인 타기계에서 진동

확인 FFT

가속도 센서 마이크로폰 공작기계의 간이

공진점 확인 Peak Average 사용으로 간이 공진점 확인 작동중인 기계의

진동전달

Cross Spectrum으로 평가

: 어느 부위에서의 진동이 어느 기계와 연관성을 가 지고 있는지를 확인(주파수축에서)

타 기계와의

진동분리 Time Average로 분리(회전 수 상이)

Order

Tracking

회전기기의 RPM 별 추이관찰

RPM별 진동.소음측정(Order 축) - 작동추이

- 회전수에 따른 공진확인

Order : 스펙트럼의 주파수축에서 Hz는 1초당 몇 번 반복을 하느냐는 의미 인데, 회전 수에 따라 주파 수가 변화됨으로 1회전에 몇 번 반복하느냐의 단위 가 필요한데, 이것이 Order이다.

FFT 가속도 센서

마이크로폰 Tachometer

FFT적용 예-2

Correlation

작동중인 기계 의 진동 전달

Cross Correlation으로 확인

- 진동 또는 소음진행속도 및 경로 등을 조사 FFT

가속도 센서 마이크로폰 기계간의 공명

및 반사 음분석

Auto Correlation으로 분석

Octave

소음분석 규제치 평가 (1/1 Octave, 1/3 Octave) FFT, 마이크로폰 방음실 또는 무향실

FRF

(Frequency Response

Function)

부품의 공진 및 전달상태 확인

고유진동수 및 측정

- 햄머(또는 가진기)로 부품에 가진하는 힘을 입력(기준)으로 하여, 이 가진으로 인해서 발생 하는 가속도를 출력(응답)으로 계산한 것을 주 파수 응답 함수라 하고, 특정주파수에서 높은 값 이 나오면 이것이 공진이다

FFT

가속도 센서 마이크로폰

해머 또는 가진기 힘 센서

신호발생기 방음 및 방진

상태확인

음이나 진동을 발생시킨 쪽을 입력으로 방음이 나 방진 된 쪽을 출력으로 하여 그 비를 주파수 별로 분석

제어계의

동 특성 파악 동적 제어 능력 평가

FFT적용 예-3

Modal Analysis

동적 구조 해석

동적 구조해석

- 제품 또는 부품의 동적 고유 특성조사(질량, 스프링 상수, 감쇠상수)

- 고유 모드 가시화 - 실 운전 상태 가시화

(시간, 축, 주파수 축)

문제될 수 있는 주파수 영역을 파악해서 대책을 마련할 수 있다.

FFT

가속도 센서 마이크로폰

해머 또는 가진기 힘 센서

신호발생기 분석소프트웨어

주파수 분석기인 FFT 해석기를 사용하여 각 파형에 대한 주파수 분석을 함으로서, 각 요소별 진동.소음을 분리하여 해석할 수 있으므로, 어느 요소가 가장 문제가 있 는지 또는 어떤 경로로 전달되어 문제를 일으키는지 확인 할 수 있기 때문에, 정확 하게 또는 쉽게 근본적인 문제 해결이 가능하다.