[랜덤 진동 시험] 가속도 Sigma Clipping이란? Acceleration 제한 이유(Random Vibration Test, TruClip)

 

목차

 

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진동 테스트(Vibration Test)의 목적은 제품이 실제 운영 환경에서 겪게 될 진동을 가능한 한 정확하게 모방하는 것입니다. 엔지니어들은 진동 신호를 조작하여 셰이커 시스템(Shaker, Vibaration Tester)의 한계나 테스트 목표에 맞게 조정할 수 있습니다.

 

'클리핑(clipping)'이라는 방법은 진동 신호에서 드라이브 전압의 최대치를 제한하는 방법입니다. 그러나 많은 사람들이 클리핑이 테스트 대상 기기(Device Under Test, DUT)에서 측정되는 최대 가속도도 제한한다고 잘못 이해하고 있습니다.

 

팜테크에서 제공하고 있는 진동 시험 제어기 VRC는 진동시험기나 DUT를 보호하기 위한 목적으로 Clipping을 사용하는 것에 대해 이전에는 권장하지 않았습니다. Clipping으로 시험을 제대로 실행할 수 없기 때문입니다.

 

그럼에도 불구하고, 엔지니어들은 셰이커를 손상으로부터 보호하고자 이러한 표준 방법들을 계속 사용해왔습니다. 이에 VR은 새로운 신호 클리핑 방법을 개발했는데, 이는 드라이브가 아닌 제어 부분을 조작하는 방식입니다. 과거에는 VR이 드라이브 전압을 제한하기 위해 신호 클리핑을 제안했었지만, 이제는 셰이커 한계를 충족시키기 위해 제어 부분에서 클리핑을 하는 것을 자신 있게 권장할 수 있게 되었습니다.

 

 

 

랜덤 진동 시험과 가우시안 분포(Gaussian Distribution)

 

 

대부분 진동 컨트롤러(Vibartion Controller)는 무작위 진동(랜덤진동, Random Vibration)이 가우시안 분포(Gaussian Distribution)를 따른다고 가정합니다. 통계적으로 이는 무작위 진동 데이터가 평균값 주변에 대칭적으로 분포한다는 것을 의미합니다.

 

가우시안 분포는 특정 표준편차 내에 몇 개의 값이 떨어지는지를 나타냅니다. 여기서 말하는 평균값은 0입니다. 가우시안 무작위 데이터의 첨도(kurtosis)는 가속도 피크가 평균값에서 얼마나 벗어나 있는지를 나타내며, 이는 99.73퍼센트의 경우에 ±3 시그마(σ) 범위 내에 있습니다. 남은 백분율은 테스트 중인 제어 시스템과 장치에 따라 중요할 수 있습니다.

 

가우시안 무작위 신호는 99.99퍼센트의 확률로 ±4σ 범위 내에 떨어집니다. 그러나 최대 5σ(테스트의 평균제곱근(RMS) 수준의 5배) 또는 그 이상의 피크가 가능합니다. RMS는 무작위 스펙트럼에서 평균 강도(Amplitude)를 결정합니다. 이러한 피크들은 가속도, 속도 또는 이동(Stroke)에 대한 셰이커 한계를 초과하거나 민감한 제품에 손상을 줄 수 있습니다.

 

 

 

 

랜덤 진동 시험과 클리핑(Clipping)

랜덤 진동은 확률 분포를 따르기 때문에 최대 Peak 값이 제품에 손상을 줄 수 있어 Clipping이라는 기술을 적용하게 되었습니다. 

 

클리핑은 기본적으로 드라이브 출력의 전압을 제한하는 방법입니다. 이 방법은 극단적인 전압 피크를 줄이지만, 신호가 더 이상 가우시안 형태가 아니도록 신호를 왜곡시킵니다. 이러한 방법들은 셰이커 시스템에 대한 제약을 최소화하는 것처럼 보이지만, 실제로는 드라이브 출력에만 영향을 줍니다.

 

George Fox Lang and Philip Van Baren의 실험에 따르면, 드라이브 신호를 클리핑하는 것은 실제 출력이 설정 값 만큼 제한 되지 않음을 확인하였습니다. 이는 표준 클리핑이 셰이커 테이블의 움직임을 제한하지 않는다는 것을 의미합니다. 클리핑은 증폭기를 보호할 수 있지만, 반드시 셰이커나 테스트 대상 기기(Device Under Test, DUT)를 보호하지는 않습니다.

 

진동 제어기 TRUCLIP이란?

 

 

"TruClip"은 VR(Vibration Research)이 개발한 새로운 클리핑 방법입니다. 이 방법은 Closed-loop control 를 사용하여 셰이커 테이블에서 높은 시그마 피크(Sigma Peak)를 줄입니다. TruClip은 클리핑을 제어 측정에 적용하여 가속도, 속도, 변위 한계 값을 초과할 가능성을 최소화합니다. 실제 설정한 값과 동일하게 제어되어 Clipping이 됩니다.

 

TruClip의 혁신적인 점은 드라이브가 아닌 제어 부분에 클리핑을 적용한다는 것입니다. 사용자는 클리핑을 적용하기 전에 신호를 이동, 속도 또는 가속도로 필터링하여 다양한 측정 유형에서 시그마 피크를 줄일 수 있습니다. 이것은 셰이커를 보호하고 테스트 결과의 정확도를 높이는 데 도움이 됩니다.

 

랜덤 진동 시험 클리핑(Clipping) 적용 예제

 

• Minimizing extreme peaks experienced by a sensitive DUT
• Running a test near the maximum displacement, velocity, or acceleration of the shaker
• Running a test near the maximum voltage of the amplifier
• Running a test that only requires a specific acceleration, velocity, or displacement range

 

엔지니어들은 셰이커 시스템 제어에 문제가 있을 때 클리핑을 고려합니다. 진동시험기는 힘(Force), 질량(Mass), 가속도(Acceleration), 속도(Velocity), 변위(Displacement, Stroke), 그리고 드라이브 전압 등에 한계가 있습니다. 엔지니어들이 클리핑을 적용할 수 있는 상황은 위와 같습니다.