진동계란?
진동계(영어: Vibration meter)는 피측정물의 진동 크기를 측정하는 장치입니다. 진동의 크기는 변위, 속도, 가속도의 세 가지 척도로 표현하는 것이 일반적입니다.
측정하고자 하는 진동의 종류와 평가하고자 하는 항목에 따라 어떤 파라미터를 측정할 것인지 선택하는 것이 중요합니다. 가속도를 측정할 때는 가속도계라고 부르기도 합니다.
진동계의 사용 용도
진동계는 연구개발, 생산현장, 환경보전 등의 분야에서 널리 사용되고 있다. 연구개발 분야에서는 예를 들어 제품 개발 단계에서 부품 등의 진동 특성을 측정하여 공진, 파손, 이상음 등을 미연에 방지합니다.
생산 현장에서는 제품 출하 검사의 한 방법으로, 예를 들어 엔진의 진동 측정을 통해 제품의 양호 여부를 판단합니다. 또한, 운송으로 인한 파손 등을 방지하기 위해 운송 중 진동을 시험기로 재현하여 포장 등을 개선합니다.
또한, 터빈 발전기 등에서는 가동 중 진동을 모니터링하여 고장을 조기에 발견하는 작업을 하고 있습니다. 환경 분야에서는 공장이나 공사 등에서 발생하는 진동으로 인한 공해 문제를 해결하기 위해 진동 측정이 필수적입니다.
또한, 진동이 인체에 미치는 영향은 기준가속도 대비 비율을 나타내는 진동 레벨을 측정하여 판단합니다. 진동 레벨은 ISO나 JIS에 규정되어 있으며, 자동차나 철도 차량의 승차감 판단에도 사용됩니다.
또한, 지진의 진동을 측정하여 경보를 발령하거나 지진의 진동 파형을 측정하여 건물의 내진 및 면진 구조 평가에 사용하기도 합니다.
진동계의 원리
진동계에서 진동을 감지하는 것은 픽업이라는 것을 사용합니다. 픽업에는 압전식, 전자기식, 기계식, 광학식, 전자기파식 등이 있습니다.
1. 압전식 진동계
진동에 의해 발생한 힘은 피에조 소자의 압전 효과에 의해 그 힘에 비례하는 전압으로 변환됩니다. 피에조 소자 표면의 변형량을 측정하는 전단형과 피에조 소자에 추를 얹은 간단한 구조의 압축형 두 종류가 있다. 작고 가벼우며, 높은 주파수 영역까지 측정할 수 있습니다.
2. 전자기식 진동계
자석과 코일로 구성되어 있으며, 진동에 의해 자석과 코일의 위치관계에 따라 발생하는 전자기 유도에 의한 전류의 변화를 측정합니다.
3. 기계식 진동계
MEMS(micro electric mechanical system) 반도체 소자를 사용하여 가변 전극의 변위에 따른 커패시턴스 변화를 측정합니다.
4. 기타 진동계
레이저 빛을 조사하여 변위를 측정하는 광학식 및 마이크로파 도플러 레이저를 사용하여 상대적인 변위를 측정하는 전자파식 진동계도 있습니다. 이들 방식은 픽업이 진동체에 장착할 필요가 없어 미세한 물체나 고온의 물체 및 액면 등의 진동 측정에 적합합니다.
진동계의 기타 정보
1. 진동계 사용법
픽업의 고정방법은 비측정물에 밀착되도록 스터드 볼트 등으로 단단히 고정하는 것을 권장합니다. 고정방법이 제대로 고정되지 않으면 필터가 되어 정확한 측정이 불가능할 수 있으므로 주의가 필요합니다.
스터드 볼트 이외의 고정 방법으로는 접착제를 이용하는 방법, 자석을 이용하는 방법 등이 있습니다. 진동을 분석할 때는 주파수 분석이 널리 사용됩니다. 측정된 파형이 어떤 주파수가 각각 얼마나 큰 강도로 포함되어 있는지를 알아보는 방법입니다.
2. 진동의 단위
기계 진동의 정의는 기계계의 운동 또는 변위를 나타내는 양의 크기가 어떤 평균치 또는 기준치보다 큰 상태와 작은 상태가 교대로 반복되는 시간적 변화로 JIS에서 규정되어 있습니다. 진동은 진폭, 주파수, 위상의 세 가지 요소로 구성되어 있습니다. 진동을 측정할 때 변위, 속도, 가속도 세 가지 파라미터가 있으며, 이를 측정하기 위해 진동계를 사용합니다.
진동의 실용 단위는
변위 : cm, μm(=10-6 m), nm(=10-9 m)
속도: cm/s, mm/s
가속도: cm/s2, Gal(Gal=cm/s2), G(G=9.80665m/s2) 입니다.
또한, 환경진동 측정으로 사용되는 진동 레벨계는 인체의 진동감각 특성에 따른 측정값인 진동 레벨(dB)로 환경진동의 크기를 평가합니다. 이는 소음 레벨과 같은 개념으로, 물리적 진동량에 인체의 감각 특성에 따른 보정을 한 후 측정값을 평가 대상으로 삼고 있습니다.
진동 레벨 L=20log(V/ V0) [dB] [dB
V0 : 기준 진동 가속도
V : 진동가속도의 실효값(r.m.s.)
V0는 일본에서는 10-5 m/s2, 해외에서는 10-6 m/s2가 사용되고 있습니다.