기술기고문
상태 모니터링에서 진동 감지를 위한 MEMS 기반 솔루션 구현 방법
글: 토마스 브랜드(Thomas Brand) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
오늘날 모터, 발전기, 기어 같은 장치들을 사용하는 기계 설비나 기술 시스템에서는 상태 모니터링이 매우 중요한 과제가 되었다. 산업용 분야뿐 아니라 기계 장비를 사용하는 모든 분야들에서 가동 중단의 위험성을 최소화하기 위한 예방 정비가 갈수록 중요해지고 있다. 이를 위해서는 기계 장비의 진동 패턴을 감지하고 분석해야 한다. 예를 들어 기어박스에 의해 발생하는 진동은 대개 주파수 도메인에서 여러 개의 샤프트 속도로 감지된다. 서로 다른 주파수들에서 일정하지 않은 패턴이 감지된다면 이는 마모, 불균형, 또는 부품이 느슨해진 것을 나타내는 신호일 수 있다. 주파수 측정에는 종종 MEMS(microelectromechanical system) 기반 가속도계가 사용된다. 압전 센서에 비해, MEMS 센서는 분해능이 높고, 드리프트와 감도 특성이 뛰어나며, 신호대 잡음비(SNR)가 우수할 뿐만 아니라, DC에 가까운 수준의 저주파 진동까지 감지할 수 있다.
이 글에서는 ADI의 ADXL1002 MEMS 가속도계를 기반으로 한 고도로 선형적이고 잡음이 낮은 광대역 진동 측정 솔루션을 소개한다. 이 솔루션은 베어링 분석이나 엔진 모니터링 같이 최대 ±50g의 높은 동적 범위와 DC ~ 11kHz까지의 주파수 응답을 필요로 하는 모든 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
그림 1은 회로 예시이다. ADXL1002의 아날로그 출력 신호를 2극 RC 필터를 통해서 SAR(successive approximation register) ADC인 AD4000으로 전달한다. 그러면 이 ADC가 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환해서 추가적인 신호 처리 작업을 수행할 수 있다.
그림 1: ADXL1002를 사용한 회로 예시
ADXL1002는 고주파 단일 축 MEMS 가속도계로서, 센서의 공진 주파수 범위를 넘는 출력 신호 통과대역을 제공한다. 따라서 3dB 대역폭을 벗어나는 주파수까지 감지할 수 있어서 유익하다. 이를 위해 ADXL1002의 출력 증폭기가 70kHz의 소신호 대역폭을 지원한다. ADXL1002의 출력 증폭기로 100pF에 이르는 용량성 부하를 직접 구동할 수 있다. 100pF 이상의 부하이면 8kW 이상의 직렬 저항을 사용해야 한다.
ADXL1002의 출력에서 외부 필터는 ADXL1002의 출력 증폭기 및 그 밖에 다른 내부 잡음 소자들로부터 앨리어싱 잡음을 제거하기 위해 필요하다. 예를 들어 내부 200kHz 클럭 신호 결합으로 인해 이러한 잡음이 발생할 수 있다. 따라서 필터 대역폭을 그에 맞게 구현해야 한다. 그림 1의 조건(R1 = 16kW, C1 = 300pF, R2 = 32kW, C2 = 300pF)으로는 200kHz로 약 84dB의 감쇠를 달성할 수 있다. 또한 ADC 샘플링 레이트를 증폭기 대역폭(가령 32kHz)보다 높게 선택해야 한다.
ADC를 위해서 ADXL1002의 전원 전압을 해당 레퍼런스에 적합하도록 선택해야 한다. 출력 증폭기가 전원 전압과 비례 관계이기 때문이다. 이 사례에서, 가속도계와 ADC 사이에서 전원 전압 허용오차와 전압 온도 계수(흔히 이들은 외부 레귤레이터에 연결됨)가 상호작용해서 전원 전압 및 레퍼런스 전압과 연관된 내재적 오차를 상쇄한다.
그림 2: ADXL1002의 주파수 응답
ADXL1002는 측정 범위 오버슈트(오버레인지)를 표시하기 위한 출력(OR 핀)을 갖고 있다. 심각한 오버레인지(범위 초과)가 발생하면 내장된 모니터링 기능이 경고를 발생한다.
오늘날 모터, 발전기, 기어 같은 장치들을 사용하는 기계 설비나 기술 시스템에서는 상태 모니터링이 매우 중요한 과제가 되었다. 산업용 분야뿐 아니라 기계 장비를 사용하는 모든 분야들에서 가동 중단의 위험성을 최소화하기 위한 예방 정비가 갈수록 중요해지고 있다. 이를 위해서는 기계 장비의 진동 패턴을 감지하고 분석해야 한다. 예를 들어 기어박스에 의해 발생하는 진동은 대개 주파수 도메인에서 여러 개의 샤프트 속도로 감지된다. 서로 다른 주파수들에서 일정하지 않은 패턴이 감지된다면 이는 마모, 불균형, 또는 부품이 느슨해진 것을 나타내는 신호일 수 있다. 주파수 측정에는 종종 MEMS(microelectromechanical system) 기반 가속도계가 사용된다. 압전 센서에 비해, MEMS 센서는 분해능이 높고, 드리프트와 감도 특성이 뛰어나며, 신호대 잡음비(SNR)가 우수할 뿐만 아니라, DC에 가까운 수준의 저주파 진동까지 감지할 수 있다.
이 글에서는 ADI의 ADXL1002 MEMS 가속도계를 기반으로 한 고도로 선형적이고 잡음이 낮은 광대역 진동 측정 솔루션을 소개한다. 이 솔루션은 베어링 분석이나 엔진 모니터링 같이 최대 ±50g의 높은 동적 범위와 DC ~ 11kHz까지의 주파수 응답을 필요로 하는 모든 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
그림 1은 회로 예시이다. ADXL1002의 아날로그 출력 신호를 2극 RC 필터를 통해서 SAR(successive approximation register) ADC인 AD4000으로 전달한다. 그러면 이 ADC가 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환해서 추가적인 신호 처리 작업을 수행할 수 있다.
그림 1: ADXL1002를 사용한 회로 예시
ADXL1002는 고주파 단일 축 MEMS 가속도계로서, 센서의 공진 주파수 범위를 넘는 출력 신호 통과대역을 제공한다. 따라서 3dB 대역폭을 벗어나는 주파수까지 감지할 수 있어서 유익하다. 이를 위해 ADXL1002의 출력 증폭기가 70kHz의 소신호 대역폭을 지원한다. ADXL1002의 출력 증폭기로 100pF에 이르는 용량성 부하를 직접 구동할 수 있다. 100pF 이상의 부하이면 8kW 이상의 직렬 저항을 사용해야 한다.
ADXL1002의 출력에서 외부 필터는 ADXL1002의 출력 증폭기 및 그 밖에 다른 내부 잡음 소자들로부터 앨리어싱 잡음을 제거하기 위해 필요하다. 예를 들어 내부 200kHz 클럭 신호 결합으로 인해 이러한 잡음이 발생할 수 있다. 따라서 필터 대역폭을 그에 맞게 구현해야 한다. 그림 1의 조건(R1 = 16kW, C1 = 300pF, R2 = 32kW, C2 = 300pF)으로는 200kHz로 약 84dB의 감쇠를 달성할 수 있다. 또한 ADC 샘플링 레이트를 증폭기 대역폭(가령 32kHz)보다 높게 선택해야 한다.
ADC를 위해서 ADXL1002의 전원 전압을 해당 레퍼런스에 적합하도록 선택해야 한다. 출력 증폭기가 전원 전압과 비례 관계이기 때문이다. 이 사례에서, 가속도계와 ADC 사이에서 전원 전압 허용오차와 전압 온도 계수(흔히 이들은 외부 레귤레이터에 연결됨)가 상호작용해서 전원 전압 및 레퍼런스 전압과 연관된 내재적 오차를 상쇄한다.
주파수 응답
가속도계의 주파수 응답은 시스템의 가장 중요한 특성으로서, 이는 그림 2에서 확인할 수 있다. 약 2 ~ 3kHz의 주파수부터 이득이 증가하기 시작한다. 공진 주파수(11kHz)의 경우, 출력 전압에서 약 12dB(약 4배)로 이득이 피크 값을 이룬다.그림 2: ADXL1002의 주파수 응답
ADXL1002는 측정 범위 오버슈트(오버레인지)를 표시하기 위한 출력(OR 핀)을 갖고 있다. 심각한 오버레인지(범위 초과)가 발생하면 내장된 모니터링 기능이 경고를 발생한다.
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