지진 센서 이해
A 지진 변환기 - 지진 센서 또는 관성 변환기라고도 하는 이 제품은 진동 센서로, 내부의 지진 질량(“proof mass”)을 스프링 또는 유연한 플렉셔에 매단 관성 기준으로 사용하여 센서 베이스의 절대 운동을 측정할 수 있게 합니다. 하우징이 진동하면 매달린 질량과 하우징 사이의 상대 운동이 진동을 나타내는 전기 신호로 변환됩니다. 측정 주파수가 질량-스프링 시스템의 고유 진동수에 대해 어디에 위치하는지에 따라 센서는 두 가지 체제 중 하나로 동작합니다. 공진 위에서는 질량이 공간에서 거의 정지하려는 경향이 있어 상대 운동이 하우징 변위를 따르고(고전적인 지진계 및 속도 픽업 체제), 공진 아래에서는 질량의 작은 잔류 처짐이 하우징 가속도에 비례합니다(가속도계 체제). 핵심 특징은 기준이 내부에 탑재되어 있다는 점입니다 내부 센서에 고정된 외부 데이텀이 필요하지 않습니다.
“지진'이라는 이름은 지진 계측기에서 유래한 것으로, 지진계의 매달린 질량은 상대적으로 가만히 있는 반면 지반은 그 아래에서 들썩이는 현상입니다. 기계 모니터링에서는 두 가지 모두 속도 변환기 및 가속도계 는 이러한 의미에서 지진 변환기이지만, 이 용어는 고전적인 속도 픽업과 가장 자주 연관됩니다.
1. 작동 원리
질량-스프링-댐퍼 시스템
모든 지진 변환기는 기본적으로 네 가지 기능 부품으로 구성된 작은 기계식 발진기입니다:
- 지진 질량: 센서 하우징 내부에 보정된 증명 질량이 매달려 있습니다.
- 스프링: 질량을 지지하는 기계식 스프링 또는 얇은 굴곡을 사용합니다.
- 제동: 공기, 자기(와전류) 또는 유체 댐핑을 통해 공명을 길들일 수 있습니다.
- 전달: 질량 대 하우징 상대 운동을 전압으로 변환하는 요소입니다.
주파수 응답 영역
센서의 거동은 여기 주파수가 그 자체의 고유 주파수에 대해 어디에 놓이는지에 전적으로 달려 있으며, 두 주요 센서 계열은 의도적으로 공진의 반대쪽에서 작동합니다:
- 고유 주파수 이하(가속도계 체제): 질량과 하우징이 본질적으로 함께 움직이며, 질량의 작은 잔류 처짐은 하우징의 가속도에 비례합니다. 압전식 및 MEMS 가속도계는 높은 장착 공진보다 아래인 이 영역에서 작동합니다.
- 자연 주파수에서: 시스템이 공진하며 — 출력은 증폭되지만 왜곡되고 신뢰할 수 없으므로, 공진 근처의 측정은 피합니다.
- 고유 주파수 이상(지진계 체제): 질량은 사실상 제자리에 머무르고 하우징이 그 주위를 진동하므로, 상대 운동은 하우징의 변위 (또는 속도)를 따릅니다. 변위 지진계와 이동 코일 속도 픽업은 낮은 고유 주파수보다 위인 이 영역에서 작동합니다.
- Usable ranges: 속도 픽업은 관례적으로 고유 주파수의 대략 2배 이상에서 사용되며, 이 영역에서 응답이 안정되고 평탄해집니다. 가속도계는 장착 공진보다 충분히 낮은 곳, 일반적으로 좋은 정확도를 위해 그 값의 약 1/3까지 사용됩니다.
2. 지진 변환기의 종류
속도 변환기(가동 코일)
- 자석은 고정 코일 내부의 스프링에 매달려 있습니다(또는 그 반대도 마찬가지).
- 자석과 코일 사이의 상대 속도는 전자기 유도에 의해 전압을 생성합니다.
- 자연 주파수는 일반적으로 8-15Hz입니다.
- 약 16~30Hz 이상에서 사용 가능합니다.
- 신호 통합이 필요 없이 속도를 직접 측정합니다.
가속도계
- 압전 유형은 피에조 크리스탈을 사용하여 질량의 관성력을 감지합니다.
- MEMS 유형은 미세 가공된 요소에서 정전 용량 또는 압전 저항 감지를 사용합니다.
- 훨씬 더 높은 (장착된) 고유 주파수, 일반적으로 10–30 kHz.
- 속도 픽업과 달리, 사용됩니다 아래 공진: 약 1 Hz부터 장착 공진 주파수의 대략 1/3까지 사용 가능합니다.
- 가속도를 측정하며, 속도 또는 변위로 통합할 수 있습니다.
3. 시즈믹 센서와 비(非)시즈믹 센서 비교
내진 제품군은 외부 레퍼런스에 의존하는 센서와 대조하여 가장 잘 이해할 수 있습니다.
지진 센서(관성 기준)
- 가속도계 및 속도 변환기.
- 관성 공간에서 절대 모션을 측정합니다.
- 진동하는 구조물에 직접 장착하세요.
- 자체 내부 질량을 기준으로 삼습니다.
- 기계 모니터링을 위한 가장 일반적인 선택입니다.
비지진 센서(외부 참조)
- 근접 프로브 (와전류 센서).
- 두 표면 사이의 상대적인 움직임을 측정합니다.
- 바라볼 수 있는 고정된 마운팅 포인트가 필요합니다.
- 일반적으로 베어링을 기준으로 축의 움직임을 측정합니다.
- 다음과 같은 기계의 샤프트 진동 측정 표준 저널 베어링.
4. 시즈믹 설계의 장점
독립형 참조
- 외부 참조 프레임이 필요하지 않습니다.
- 센서는 진동하는 구조물의 거의 모든 곳에 장착할 수 있습니다.
- 관성 공간에서 진정한 절대 모션을 보고합니다.
다재다능함
- 하나의 센서 유형으로 수많은 애플리케이션을 지원합니다.
- 임시 조사와 영구 설치에 모두 적합합니다.
- 기기 간 이동이 용이합니다.
이러한 다용도성 때문에 휴대용 기기는 이러한 센서에 의존합니다. 2채널 발란셋-1A, 예를 들어, 베어링 하우징에 고정된 가속도계에서 판독값을 가져오는 자체 참조 지진 센서로 고정된 기준점이 필요하지 않으므로 엔지니어가 현장에서 균형을 잡으면서 측정 지점과 기계 사이를 빠르게 이동할 수 있습니다.
5. 제한 사항
주파수 응답 제한
- 속도 픽업은 대략 고유 주파수의 2배 아래에서는 신뢰성 있게 측정할 수 없습니다. 특히 이동 코일형은 15–20 Hz 이하에서 응답이 좋지 않습니다. 여기에는 본질적인 절충이 있습니다. 고유 주파수가 낮을수록 저주파 도달 범위는 좋아지지만 더 크고 무거운 센서가 필요합니다.
- 가속도계는 측정 주파수가 장착 공진에 가까워질수록 정확도가 떨어집니다. 실용적인 상한(일반적으로 장착 공진의 약 1/3)은 장착 방법에 크게 좌우됩니다(ISO 5348 참조).
- 매우 저주파 쪽에서는 가속도계의 응답이 지진 서스펜션보다 센싱 요소와 증폭기 전자회로에 의해 제한되며, 표준 산업용 제품의 경우 보통 약 0.5–1 Hz까지입니다.
하우징 운동 측정
- 센서는 샤프트가 아닌 베어링 하우징의 움직임을 직접 보고합니다.
- 하우징 진동은 샤프트 진동과 달리 베어링 강성 및 주변 구조에 의해 걸러집니다.
- 실제 샤프트 궤도가 중요한 경우에는 근접 프로브가 대신 필요합니다.
6. 애플리케이션
기계 상태 모니터링
- 베어링 하우징 진동 측정.
- 전체 진동 추세.
- 베어링 결함 탐지.
- 일반 회전 기계 진단.
구조 진동
- 건물 및 기초 진동 조사.
- 지진에 대한 모니터링.
- 기계에서 방사되는 지반 진동.
모달 분석
내부에 매달린 질량을 관성 기준으로 사용하는 지진형 변환기는 회전 기계의 진동 측정의 기초를 이룹니다. 지진 원리 — 매달린 질량이 어떻게 절대 운동 측정을 가능하게 하는지, 그리고 왜 속도 픽업은 고유 주파수 위에서 작동하고 가속도계는 장착 공진 아래에서 작동하는지 — 를 이해하면 모든 산업용 진동 분석 프로그램의 이 두 핵심 센서의 강점과 한계를 모두 설명할 수 있습니다.
