제품기초지식

스코프코더의 기초 지식 3회｜진동, 소음, 회전, 토크, 스트레인 측정에 사용되는 모듈

진동 측정용 모듈과 가속도 센서

메카트로닉스 기기에서는 모터나 엔진 등 동력 장치가 내장돼 있기 때문에 기기나 장치에서 발생하는 진동을 측정하는 경우가 많습니다.

진동을 측정하는 센서

진동은 물체가 움직이는 것이므로 변위, 속도, 가속도를 측정함으로써 진동의 움직임을 모니터링 할 수 있습니다. 변위, 속도, 가속도는 미분, 적분의 관계에 있기 때문에 어느 하나를 측정하면 구할 수 있습니다.  변위, 속도, 가속도는 각각 센서가 있습니다.

그림 50 여러가지 진동 센서

아래 그림과 같이 진동 주파수에 따라 변위, 속도, 가속도 센서 중 어느 하나를 선택할지 결정할 수 있습니다.

그림 51 진동 측정에서의 변위, 속도, 가속도의 해당 범위

진동 측정에서 압전 소자를 사용한 가속도 센서는 저렴하고 취급이 간단하여 자주 사용됩니다. 압전형 가속도 센서에는 압전 소자로부터의 검출 신호를 직접 꺼내는 전하 출력형과 차지 앰프를 내장한 앰프 내장형이 있습니다.

그림 52 대표적인 앰프 내장 압전형 가속도 센서

아래 그림과 같이 압전형 가속도 센서와 측정 대상 물체는 다양한 고정 방법이 있습니다.

그림 53 측정 대상 물체와 압전형 가속도 센서의 고정 방법

각각 센서의 고정 방법에 따라 주파수 특성이 다르므로 주의가 필요합니다.

그림 54 압전형 가속도 센서의 고정 방법의 차이에 따른 주파수 특성

가속도 모듈

DL950에는 40kHz까지의 진동을 모니터링 하기 위한 모듈이 준비되어 있습니다. 가속도 센서 구동용 전원이 모듈에 내장되어 있어 앰프 내장형 가속도 센서를 직접 연결할 수 있습니다. 모듈의 사양은 아래 표와 같습니다.

표 8 가속도 모듈의 사양 개요

가속도 모듈의 블록도는 아래 그림과 같습니다. 입력은 절연되어 있으나 대지간 최대 전압은 42V이므로 전위를 가진 물체에 가속도 센서를 부착할 경우 별도로 절연할 필요가 있습니다.

그림 55 가속도 모듈(701275)

전하 출력형 가속도 센서를 이용할 경우에는 외부에 충전 앰프 혹은 충전 컨버터를 준비할 필요가 있습니다. 아래 그림은 전압 출력형 가속도 센서를 가속도 모듈과 전압 모듈에 입력하는 경우의 사례를 나타낸 것입니다.

그림 56 전하 출력형 가속도 센서를 DL950에 연결할 경우의 결선

소음측정

메카트로닉스 기기나 파워 일렉트로닉스 기기에서는 기계적 진동 등 다양한 소음이 발생합니다. 소음을 분류하면 아래 표와 같습니다.

표 9 기기와 장치로부터 발생하는 다양한 소음

소음 측정은 측정 대상 이외의 암소음이 포함되지 않도록 하기 위해 암소음과 충분히 레벨 차이를 확보할 수 있는 환경(예를 들어 무향실)에서 측정하는 것이 바람직합니다. 소음의 발생원이 되는 회로나 부품의 움직임과 소음의 관계를 밝혀 나가기 위해 스코프 코더가 사용됩니다. 아래 그림에는 EV용 대용량 급속충전기 소음측정 사례를 보여줍니다. 소음 측정은 소음계를 주파수에 따른 가중치를 부여하지 않은 Z특성으로 설정하여 아날로그 출력을 스코프코더에 접속하여 측정합니다.

그림 57 EV용 대용량 급속 충전기의 소음 측정

토크 측정과 토크 검출기

메카트로닉스 기기에서는 모터와 엔진 등 동력원이 사용되기 때문에 토크 측정이 이루어집니다. 토크 측정에는 토크 검출기가 사용됩니다. 토크 계측은 회전기기를 평가할 때 필수적입니다.

토크 검출기

토크란 회전하는 기계 등의 회전축에 발생하는 힘을 표현한 것입니다. 일상생활 속에서는 자동차 타이어 휠을 나사로 자동차에 장착할 경우 안전을 위해 규정된 토크로 나사를 조이는 것이 필요하며 정비공장에서는 토크 렌치라는 토크 측정 기능을 가진 공구가 사용됩니다.

아래 그림과 같은 장치가 발생하는 토크는 반경 R(단위는 m(m))에 가해진 힘 F(단위는 N(뉴턴))의 곱 N(N·m(뉴턴 미터))로 나타냅니다.

그림 58 토크 정의

토크의 값을 검출하는 센서가 토크 검출기입니다. 토크 검출기에는 아래 그림과 같이 다양한 것이 있습니다. 토크 검출기는 제어를 위해 메카트로닉스 기기에 내장되어 사용되는 경우가 많습니다. 이 중 계측용으로 사용되는 것이 전자기어 위상차 방식, 전자유도 위상차 방식, 변형 게이지 식, 자기 변형식입니다.

그림 59 다양한 원리를 이용한 토크 검출기

전자기어 위상차 방식의 토크 검출기를 사례로 하여 아래 그림에 기본 구조를 나타냅니다. 토크 검출기는 구동 장치와 부하 장치 사이에 놓여져 토크 검출축의 비틀림을 2개의 톱니바퀴와 전자 픽업(전자식 검출기)에 의해 위상차로서 검출합니다.  그 위상차로부터 토크가 도출되는 구조입니다. 실제 전자기어 위상차 방식의 토크 검출기에서는 축의 회전이 정지되어도 토크를 측정할 수 있도록 전자 픽업(전자식 검출기)이 회전하는 구조로 되어 있습니다.

그림 60 전자 기어 위상차 방식의 토크 검출기 내부 구조

측정용으로 사용되는 대표적인 토크 검출기는 아래 그림과 같은 외관을 하고 있습니다. 토크 검출기의 종류마다 특징이 다르므로 용도에 맞는 선정이 필요합니다.

그림 61 측정에 사용되는 대표적인 토크 검출기

토크 검출기를 사용하는 경우는 이하의 주의가 필요합니다.

•  - 구동 장치, 토크 검출기, 부하 장치를 접속하는 커플링의 센터 정밀도를 사양 내로 합니다.
•  - 토크 검출기의 축에 직접 벨트 걸이가 없도록 합니다.
•  - 구동 장치, 토크 검출기, 부하 장치를 고정하는 가대의 강도를 확보합니다.
•  - 자기를 검출하는 센서가 내장된 토크 검출기에서는 강한 자기장의 영향을 받지 않도록 합니다.
•  - 토크 검출기에는 수명이 있으므로 오래된 토크 검출기를 사용할 경우 제조사에 확인이 필요합니다.

스코프코더에 의한 토크 측정

토크 검출기에서는 토크 신호와 회전 신호를 얻을 수 있습니다.

아래 그림에 EV용 모터/인버터 시험을 할 때의 사례를 나타냅니다. 이 사례에서는 모터를 구동하는 인버터의 전기적 거동과 모터의 구동 상태를 동시에 모니터링 할 수 있습니다.

그림 62 EV용 모터 / 인버터 측정