[VR9500] 가속도 센서 교정(Accelerometer Calibration)

 

목차

 

 

 

 

가속도 센서(Accelerometers)

 

가속도계(Accelerometers)는 가속도를 측정하는 데 사용되는 전자 기계 장치입니다. 이들은 모달 분석(Modal Analysis), 환경 스트레스 스크리닝(Environmental Stress Screenin), 상태 및 사용 모니터링 시스템(Health and Usage Monitoring Systems), 예측 유지관리(Industrial Monitorin), 진동 테스트(Vibration test)와 같은 많은 응용 분야에 사용됩니다. 

가속도계는 물리적 크기, 무게, 색상, 모양, 적용분야 등 종류가 다양하지만, 그들 모두의 공통점 중 하나는 정기적으로 교정을 하여야 한다는 점입니다.

 

 

 

가속도 센서 교정(Accelerometers Calibration)

 

가속도계는 수집하는 데이터의 정확성을 보장하기 위해 매년 보정해야 합니다. 교정은 일반적으로 1년 주기로 진행됩니다. 교정 작업은 센서의 전체 수명 동안 계속되어야 합니다.

가속도계 교정 진행은 아래와 같은 방식 중에 한가지로 진행합니다.

 

• 제조업체에서의 교정
• 교정기관에서의 교정
• 내부 교정 장치를 통한 교정

 

교정 방식에는 랜덤 진동(Random vibration) 가속도센서 교정과 근접 가속도(Proximity) 센서 교정과 사인 진동(Sine vibration) 가속도센서 교정 방법이있는데 VR9500 장비는 사인 진동 가속도센서 교정 방법을 지원 합니다.

 

 

 

 

가속도계 제한 및 고려 사항

특정 가속도계와 관련된 한계를 논의할 때 동적(Dynamic) 측정과 정적(Static) 측정을 구별하는 것이 중요합니다. 정적 측정은 측정되고 있는 물리양이 매우 느리게 변화하거나 전혀 변하지 않습니다. 정적 측정의 예로는 중력이 있습니다. 만약 오늘 중력을 측정하고 내일 다시 측정한다면, 그 측정 값은 같을 것입니다. 

정적 측정의 반대는 동적 측정이며, 정의에 따르면 동적 측정은 시간이 지남에 따라 빠르게 변화하는 물리량입니다. 동적 측정의 몇 가지 예는 가속도, 힘, 압력 등이 있습니다. 가속도계 교정은 동적 측정에 큰 영향을 주기 때문에 동적 측정의 특성으로 인한 한계를 이해하는 것이 중요합니다. 민감도(Sensitivity)는 주파수 범위에 따라 특성이 변화며 불확실성 요소가 있습니다.

 

가속도계는 Spring-Mass로 구성된 장치입니다. 내부의 Spring-Mass에 의해 가속도계 자체의 공진영역이 있습니다. 가속도계는 제품의 공명 주파수를 결정하기 위해 사용되지만 센서 자체의 공진 주파수(Resonance Frequency)도 고려해야 합니다. 센서의 고주파 응답 한계는 센서 공명의 함수이므로 유의해야 합니다. 센서의 공진주파수는 제조업체의 데이터시트(Datasheet)에서 확인할 수 있으며 일반적으로 가속도계의 공진 주파수가 측정하는 주파수보다 5배 이상 높은지 확인해야 합니다. 예를 들어, 어떤 가속도계가 32 kHz 에서 공명 주파수를 가지고 있으면 최대 5 kHz까지 교정을 실시 해야 합니다. 

가속도계 교정을 수행할 때 고려해야 할 가장 일반적인 사항으로는 온도(Temperature), 소음(noise) 및 정전기장(electrostatic fields)이 있습니다. 온도를 지속적으로 모니터링하여 정확성을 보장하고 센서와 관련된 보정 인증에서도 쉽게 확인할 수 있어야 합니다. 센서가 소음을 감지하여 판독값에 영향을 줄 수 있으므로 실험실 내의 소음을 최소화해야 합니다. 그리고 정전기 에너지를 최소화하여 교정 정확도를 높여야 합니다.

다른 여러 오류 원인으로는 압력, 불량 케이블 또는 센서 연결, 시스템 내 접지 루프가 있습니다. 가장 정확한 교정 절차를 보장하기 위해 이러한 각 항목을 고려하고 가능한 최저 수준으로 줄여야 합니다.

 

Figure 1: Back-to-back accelerometer schematic

 

 

Back-to-Back 교정(Calibration)

 

진동 가속도계를 교정하려면 교정을 진행할 주파수에서 Sensitivity(mV/g 또는 PC/g 단위)를 정확하게 결정해야 합니다. ISA가 승인한 Back to Back 교정 방법은 가장 편리하고 비용이 적게 드는 기술 중 하나 입니다. Back to Back 교정을 위해서는 교정할 가속도계를 (NIST) traceable double-ended calibration 표준 가속도계에 직접 결합하고 진동 시험기를 사용해서 다양한 주파수 및 가속도(g) 수준으로 줘야합니다. 가속도계가 서로 단단히 결합되어 있기 때문에 양쪽 모두 동일한 운동을 받으므로 Back to Back 가속도계의 교정은 정밀하게 진행 될 수 있습니다[1]. 이 교정 방법은 ISA 승인 교정 방법이며 대부분의 가속도계에 선호되는 교정 방법입니다. 이 교정 방법 유용 주파수 범위는 10 ~ 10,000Hz (+/- 2%)입니다.

 

 

 

팜테크 제공 VR Calibration Package

 

VR Controller는 사용자가 교정을 수행할 수 있는 Turn key 시스템을 제공합니다. 교정 업체에서 교정을 진행하는데 드는 평균 비용은 축 당 약 50~75달러이며, 일반적으로 가속도 센서를 한번에 수십개씩 진행하기 때문에 비용이 많이 듭니다. VR의 가속도계 교정 패키지에 필요한 재료는 진동 컨트롤러(VR9500), VibrationView 소프트웨어, 진동시험기(Shaker), Back to Back 가속도계가 포함됩니다(그림 2 참조).

VR Controller로 교정을 진행할 경우 수에 제한이 없고 반복 비용이 들지 않습니다. 이 프로세스는 자동화로 진행되며 센서 당 5분이 걸리지 않습니다. Back to Back 가속도계는 컨트롤러의 채널 1에 연결되고 교정할 센서는 채널 2에 연결합니다. 컨트롤러의 Drive 출력은 BNC 케이블을 사용하여 Power Amplifier에 연결되고 Power Amplifier는 진동 시험기에 연결됩니다. 이렇게 교정을 수행하는 데 필요한 Closed loop 세팅을 합니다(아래 그림 참조).

 

Figure 2: Accelerometer calibration setup with shaker, amp, accelerometers, controller, computer

 

 

시스템이 올바르게 설정되면 사용자는 소프트웨어 내에 교정 프로필을 클릭합니다. 원하는 대로 테스트 프로필을 변경하거나 default로 설정을 하고 시작 버튼을 누릅니다. 교정 전 사용자가 교정 절차가 시작되기 전에 관련 정보를 입력할 수 있도록 HTML Form이 나옵니다. 이 정보는 테스트 완료 시 자동으로 작성되는 교정 인증 보고서에 가져올 수 있습니다.

기본 교정 프로파일은 5~10,000Hz 사이 Sine Dwell입니다. 교정 값은 100Hz의 Dwell에서 계산됩니다. 이것은 15초의 지속 시간으로 테스트 프로필의 첫 번째 및 가장 긴 Dwell 입니다. 다른 주파수를 선호할 경우 진동 내에서 변경할 수 있습니다.

이 프로세스의 다음 단계는 5~10,000Hz 내에서 5초 씩 Dwell을 진행 합니다. 이 주파수도 사용자가 정의할 수 있습니다. 각 Dwell 이 완료되면 보고서가 자동으로 생성됩니다.

 

Figure 3: 교정 설정화면

 

교정 절차의 결과는 리포트에 숫자 및 그래픽으로 표시됩니다. 가속도계의 응답(Response)은 완전히 선형적이지는 않기 때문에 주파수에 따라 응답과 공차가 달라집니다. 표준 문서(사용자 변경 가능)에는 새로 보정된 가속도계의 위상 및 진폭 응답 각 주파수 Dwell과 해당 주파수에서의 편차를 보여주는 차트와 함께 표시됩니다.

 

Figure 4: 교정 적용화면

 

VR 소프트웨어에는 센서의 TEDS 데이터를 읽고 다시 쓸 수 있는 기능이 있으며, 테스트가 완료되면 이 작업을 수행할지 묻는 메시지가 표시됩니다. TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)는 가속도계 산업에서 비교적 새로운 기술입니다. 변환기에 TEDS 기능이 있으면 사용자가 컨트롤러에 센서를 연결하고 'Read TEDS'를 클릭하기만 하면 컨트롤러가 가속도계에 신호를 전송해 소프트웨어 내 해당 필드에 정확한 감도, 제조사, 제조사, 제조사, 모델 번호 등을 자동으로 입력 받습니다. 이 기술은 새 센서를 사용할 때마다 정확한 센서 교정 인증서를 검색할 필요가 없어 Sensitivity 입력 시 실수를 없애고 시간을 절약해줍니다. 

 

 

 

참조

https://vibrationresearch.com/resources/accelerometer-calibration-using-the-vr9500/

“Back-to-Back Accelerometer Calibration,” Dytran Instruments, Inc., Technical Paper, 

https://vibrationresearch.com/wp-content/uploads/2021/05/back-to-back-accel-calibration.pdf