NI DAQ와 IEPE 센서로 소리와 진동 측정하기

 

1. 소리 및 진동 및 압전기(IEPE) 센서 개요

진동은 물체가 평형 위치에서 운동을 반복하는 현상을 뜻합니다.

진동하는 기계 시스템의 보편적인 예로는 질량-스프링-감쇠 시스템 (spring-mass-damper system) (그림 1)이 있습니다.

진동은 또한 비행기 날개 또는 징 (gong)과 같은 표면에서도 발생합니다.

여러 경우, 진동은 에너지를 소비하고 피로 스트레스 및 노이즈를 유발하기 때문에 불필요하며, 시스템은 진동을 최소화하도록 설계되는 것이 보통입니다. 반면, 진동 구조는 압력파 즉, 소리를 생성하는데 이는 악기에 유용합니다.

그림 1. Spring-Mass-Damper System

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소리 및 진동은 서로 다른 매체에서의 진동이며, 진동과 마찬가지로 소리를 생성하며, 공기 중 이동하는 음향파는 고체 물질에서 진동을 생성합니다.

두 가지의 배경 이론은 상호 연관되어 있으므로 소리 및 진동을 측정하는 것은 본질적으로 유사합니다.

소리와 떨림은 모두 진동 (oscillations)으로 표현할 수 있습니다. 가장 간단한 진동은 로 나타낼 수 있는 사인파형입니다. 여기서 ω 는 각주파수 (angular frequency)이며 φ 는 위상입니다. 각주파수 ω 는 초당 라디안 (rad/sec)으로 나타내며, ω =2πƒ 공식을 따르면 주파수ƒ (Hz or s-1)와 관련됩니다. 각주파수는 항상 위상 (φ)과도 관련이 있는데, 초기 시간 (t0 )에서 특정 점의 파형 오프셋이며, 도 (degrees) 또는 라디안 (radians)으로 나타냅니다.

 

소리 및 진동 측정 분석

실제 어플리케이션에서 측정된 전압 신호는 여러 개의 주파수 요소를 포함한 복합 파형입니다.

소리 및 진동 분석에는 이러한 주파수 요소를 조사하고 식별하는 작업이 포함됩니다. 이를 위해, Laplace, Z- 또는 푸리에 변환을 사용하여 시간 영역의 신호를 수학적으로 반드시 주파수 영역으로 변환해야 합니다.

푸리에 분석은 데시벨 (dB)로 나타나는 크기 (magnitude) 및 각 주파수 컴포넌트에 대한 관련된 위상 (ω )을 포함하고 있으므로 가장 보편적으로 사용됩니다.

 

IEPE 센서

소리 및 진동 측정을 위한 일반적 인디케이터에는 가속 및 소리 압력 레벨이 있습니다.

이 같은 인디케이터는 보통 가속도계 (충격 및 진동) 및 마이크 (소리)와 같은 디바이스를 사용하여 측정됩니다.

가속도 및 압력을 측정하기 위한 여러 센서는 압전 (피에조: piezoelectric) 생성 법칙에 기반합니다.

압전 (piezoelectric) 효과는 세라믹과 수정 결정에 압력을 가하면 전압이 발생하는 현상입니다. 이 같은 기계적 스트레스는 가속, 변형 및 압력과 같은 힘에 의해 발생됩니다.

마이크의 경우, 음향 압력파는 진동판(diaphragm), 즉 얇은 막을 유발하여 진동하며 스트레스를 압전(piezoelectric) 수정(crystal)으로 보냅니다. 반면 가속도계에는 충격 및 진동에 대한 반응으로 수정에 힘을 직접 가하는 큰 질량 (seismic mass)이 있습니다. 생성된 전압은 수정 내부 스트레스에 비례합니다.

압전(piezoelectric} 센서의 한 종류인 IEPE (integral electronic piezoelectric)은 압전 결정 (piezoelectric crystals)에 증폭기를 통합했습니다.

압전 트랜스듀서에서 생성된 전하가 극미하여 센서에서 생성된 전기 신호는 노이즈에 영향 받기 쉽습니다. 따라서 신호를 증폭 및 컨디셔닝하고 출력 임피던스를 줄이기 위해 민감한 전자기기를 사용해야 합니다.

따라서, IEPE는 향상된 노이즈 면역 및 더욱 편리한 패키지를 위해 민감한 전자 기기를 트랜스듀서에 가능한 한 가깝게 통합하는 단계를 구현합니다. 일반적인 IEPE 센서는 외부 전류 소스에서 전원을 공급받으며, 압전 수정의 다양한 부하와 관련된 출력 전압을 변조합니다.

IEPE 센서는 센서 여기 (전류) 및 신호 출력 (전압)을 위해 하나 또는 두 개 와이어를 사용합니다.

 

 

2. 소리 및 진동 측정 방법

소리 및 진동 측정을 위한 신호 컨디셔닝 회로는 지극히 단순 명료합니다.

가속 또는 소리 압력 레벨을 측정하기 위한 일반 시스템에는 다음 컴포넌트가 포함됩니다.

 

• 센서

• 센서 여기를 위한 전류 소스

• 노이즈 픽업을 제거하기 위한 적절한 그라운딩

• 시스템에서 DC 오프셋 제거를 위한 AC 커플링

• 센서의 신호 레벨 증가를 위한 계측 증폭기

• 데이터 수집 시스템의 노이즈를 줄이고 앨리어스를 방지하기 위한 저역 필터

• 여러 신호의 적절한 타임을 유지하기 위한 동시 샘플 및 회로 유지

 

소리 및 진동 측정은 노이즈의 영향을 받기 쉽지만, 시스템을 적절히 그라운딩하면 이를 줄일 수 있습니다.

신호 컨디셔닝 입력 또는 센서가 확실히 접지되거나 둘 다 접지가 되지 않게 하면 접지 루프 및 부동 노드에서 야기되는 적절치 않은 그라운딩을 피할 수 있습니다. 센서가 접지되었다면 이를 반드시 차동으로 연결해야 합니다. 센서가 부동일 경우, 신호 컨디셔닝 시스템의 반전 (inverting) 입력을 접지에 연결해야 합니다.

 

센서에서 측정된 신호는 DC와 AC 컴포넌트로 구성되어 있으며 여기서 DC 부분은 AC 부분을 상쇄합니다.

AC 커플링 (교류 결합)을 사용하면 축전기를 통해 시스템에서 DC 오프셋이 제거됩니다. AC 커플링 센서 시스템은 수명 및 온도 효과로 인해 센서가 가진 장기 DC 표류를 제거하므로, 해상도와 사용 가능한 시스템의 다이나믹 레인지를 대폭 향상시킵니다.

 

정확한 측정을 위해 시스템의 샘플링 속도는 수집되는 신호 주파수의 최소 두 배이어야 합니다. 올바른 범위의 주파수를 샘플링하고 있는지 확인하기 위해 샘플러와 아날로그-디지털 변환기 앞에 저역 필터를 추가합니다. 이를 통해서 높은 주파수 노이즈를 감쇄하고 샘플링 속도를 상회하는 앨리어스 요소가 측정을 왜곡하지 않도록 할 수 있습니다.

 

센서를 인스트루먼트에 연결

한 예로, 가속도계 및 마이크 측정을 위해 제작된 NI 9234 C 시리즈 모듈을 살펴보십시오. (그림 2)

NI 9234는 51.2 kS/s속도로 4개의 아날로그 입력을 동시 샘플링하며, 소프트웨어 선택 가능한 IEPE 신호 컨디셔닝, AC/DC 커플링 및 앨리어스 제거 필터링을 제공합니다.

그림 2. NI CompactDAQ 섀시의 NI 9234 C 시리즈 모듈

 

모듈에는 IEPE 센서에 연결하는4개의 BNC 커넥터가 있습니다. (그림 3)

커넥터의 중간 핀 (AI+)은 DC 여기 및 AC 신호 연결을 제공합니다.

커넥터 쉘 (AI–)은 여기 반환 통로 및 AC 신호 접지 참조를 제공합니다.

그림 3. NI 9234 BNC 커넥터

 

IEPE 센서는 C 시리즈 모듈의 BNC 입력에 연결할 수 있는 적합한 케이블 및/또는 커넥터를 필요로 합니다.

3-축 가속도계에는 3개의 출력 (각 수집 채널 당 하나의 축)이 있으며, 각각은 고유의 신호 컨디셔닝을 요구합니다.

접지 참조된 센서 또는 부동 IEPE 센서를 모두 NI 9234에 연결할 수 있지만, 접지 노이즈를 방지하기 위해서 반드시 부동 연결을 사용해야 합니다. 일반적인 IEPE 센서에는 IEPE 전자기기로부터 전기적으로 절연된 케이스가 있으므로, 센서를 NI 9234에 연결하면 센서의 케이스가 접지되었어도 부동 연결될 수 있습니다.

 

측정 결과 보기: NI LabVIEW

시스템을 일단 구성하고 나면 LabVIEW의 그래픽 기반 프로그래밍 환경을 사용하여 데이터를 수집하고 시각화합니다.

(그림 4)

소프트웨어에서, 스펙트럼 (주파수 영역) 분석 함수를 통해 수집된 전압을 주파수 데이터로 변환할 수 있습니다.

간단한 예로 FFT (Fast Fourier Transform) 함수가 있습니다.

또한 여러분은 NI Sound and Vibration Measurement Suite 등 내쇼날인스트루먼트가 제공하는 다양한 툴을 사용하여 데이터의 더욱 고급화된 소프트웨어 프로세싱을 수행할 수 있습니다.

그림 4. NI Sound and Vibration Toolkit의 전력 스펙트럼