상태 모니터링, 기계 장비 가동 중단 최소화
진동 감지 및 분석, MEMS 가속도계 적합
ADXL1002, DC~11kHz 진동 감지 가능


오늘날 기어, 모터, 발전기 같은 장치들을 사용하는 기계 설비나 기술 시스템의 상태 모니터링은 매우 중요한 과제다. 산업 분야뿐 아니라 기계 장비를 사용하는 모든 분야에서 가동 중단의 위험성을 최소화하기 위한 예방 정비가 갈수록 중요하게 여겨지고 있다. 이는 기계 장비의 진동 패턴 감지와 분석으로 이뤄진다.

예를 들어 기어박스에 의해 발생하는 진동은 대개 주파수 도메인에서 여러 개의 샤프트 속도로 감지된다. 서로 다른 주파수들에서 일정하지 않은 패턴이 감지된다면 이는 마모나 불균형, 혹은 부품 결합이 느슨해진 것을 나타내는 신호일 수 있다.

주파수 측정에는 종종 미세전자 제어기술(Micro-Electro Mechanical Systems; MEMS) 기반 가속도계가 사용된다. 압전 센서와 비교해 MEMS 센서는 분해능이 높고 드리프트와 감도 특성이 뛰어나다. 또한, 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio; SNR)가 우수할 뿐만 아니라, 직류(DC)에 가까운 수준의 저주파 진동도 감지할 수 있다.

아나로그디바이스(ADI)의 ‘ADXL1002’ 저잡음 고주파 MEMS 가속도계를 활용하면 고도로 선형적이고 잡음이 적은 광대역 진동 측정 솔루션을 설계할 수 있다. 해당 솔루션은 베어링 분석이나 엔진 모니터링같이 최대 ±50g의 높은 동적 범위와 DC~11kHz까지의 주파수 응답이 있어야 하는 모든 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

위의 그림은 회로 예시다. ADXL1002의 아날로그 출력 신호를 2극 RC 필터를 통해서 SAR(Successive Approximation Register) ADC인 ‘AD4000’으로 전달한다. AD4000은 추가적인 신호 처리 작업을 수행할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환한다.

ADXL1002는 고주파 단일 축 MEMS 가속도계로서, 센서의 공진 주파수 범위를 넘는 출력 신호 통과대역을 제공한다. 따라서 3dB 대역폭을 벗어나는 주파수까지 감지할 수 있다. ADXL1002의 출력 증폭기는 70kHz의 신호 대역폭을 지원한다. 100pF에 이르는 용량성 부하를 직접 구동할 수 있다. 100pF 이상의 부하면 8kΩ 이상의 직렬 저항을 사용해야 한다.

ADXL1002의 출력에서 외부 필터는 ADXL1002의 출력 증폭기나 그 밖에 다른 내부 잡음 소자들로부터 앨리어싱 잡음을 제거하는 데 필요하다. 예를 들어 내부 200kHz 클럭 신호 결합으로 인해 이러한 잡음이 발생할 수 있다. 따라서 필터 대역폭을 그에 맞게 구현해야 한다.

위의 그림의 조건(R1=16kΩ, C1=300pF, R2=32kΩ, C2=300pF)으로는 200kHz로 약 84dB의 감쇠를 달성할 수 있다. 또한 ADC 샘플링 레이트를 증폭기 대역폭, 가령 32kHz보다 높게 선택해야 한다.

설계자는 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.


ADXL1002의 주파수 응답과 실장 관련 기계적 고려사항
가속도계의 주파수 응답은 시스템의 가장 중요한 특성으로, 약 2~3kHz의 주파수부터 이득이 증가하기 시작한다. 공진 주파수(11kHz)의 경우, 출력 전압에서 약 12dB(약 4배)로 이득이 피크 값을 이룬다.

ADXL1002는 측정 범위 오버슈트(오버레인지)를 표시하기 위한 출력(OR 핀)을 갖고 있다. 심각한 오버레인지가 발생하면 내장된 모니터링 기능이 경고를 발생한다.

ADXL1002를 적절히 탑재하기 위해 몇 가지 주의할 점이 있다. 회로 보드 자체의 진동으로 인해 측정 오차가 발생하지 않도록, 센서를 보드의 견고한 지점에 탑재해야 한다. 이러면 회로 보드 진동이 기계적 센서 공진 주파수보다 높게 되므로 실질적으로는 가속도계에 잡히지 않는다.

센서의 여러 지점을 고정하고 보다 두꺼운 보드를 사용하는 것 또한 시스템 공진이 센서 성능에 영향을 미치는 것을 줄일 수 있다.


이 기사는 아나로그디바이스(ADI)에서 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하는 토마스 브랜드(Thomas Brand)이 저술한 ‘상태 모니터링에서 진동 감지를 위한 MEMS 기반 솔루션 구현 방법(How to Build a MEMS-Based Solution for Vibration Detection in Condition Monitoring)’이란 제목의 글을 정리한 것입니다.