나다에스앤브이 기술연구소
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SERIAL TECHREVIEW/VIBRATION SPECIAL COURSE

진동센서의 특성 및 사용법

실제 산업현장에서 진동현상이 발생하였을 때에, 흔히 인간이 가지고 있는 오감을 사용함으로써 고장 유무의 파악과 같은 기초적인 진단이 가능하다고 한다.
하지만, 기계에서 나타나는 진동 현상이 인간이 느낄 수 있을 정도라면 결함이 과도하게 성장한 상태인 것이다. 보다 효율적이며 경제적인 설비 보전을 수행하고 과학적이며 정확한 진동 진단을 하기  위해서는, 반드시, 실제 기계에서 발생하는 진동의 주파수, 진폭, 위상 등을  파악하여, 정밀하게 이상 진동의 발생 여부와 그 원인을 확인하는 것이 필요하다.
따라서, 일반적으로 진동이 발생하였을 때는 인간의 손, 귀, 눈과 같은 주관적인 감각 기능을 이용하기보다는, 더욱 과학적이고 객관적인 기기인 센서를 사용하여 기계에서 발생하는 이상진동 신호를 취득하게 된다. 이번 글에서는 진단장비 중에서도 인간의 감감 영역과 동일하게 인식할 수 있는 진동 측정용 센서들의 특징과 그 사용법에 대해 자세하게 소개하고자 한다.

귀와 손, 그리고 눈
사람은 비교적 진동에 예민하다고 할 수 있다. 마땅한 진동측정 장비가 없었던 시절에는 모든 진동분석을 감촉과 청각에 의존할 수 밖에 없었다. 이 같이 감각에 의존한 진동분석 방법은 오늘날까지도 측정장비가 없는 현장에서 사용되고 있다.
우리는 피부와 귀에 센서를 갖고 있다고 할 수 있다. 특히, 사람의 귀는 아주 작은 압력변화에 대해서도 놀라울 정도의 예민함을 보인다. 반면에 피부에 장착된 센서는 그처럼 예민하지는 않으나 일정하게 유지되는 압력의 강도와 압력의 변화 그리고 진동에 관해서도 측정 가능한 기능을 갖고 있다.
인간의 능력으로 기계동력이나 유량이나 속도를 측정할 수 있는 능력이 없다. 하지만 얼마나 시끄러운지 또는 얼마나 부드럽게 운전되고 있는지 하는 것은 직접 측정이 가능하기 때문에 이와 같은 인간의 감각이 기계의 품질을 결정하는 기준이 되어 왔다. 또한 이 판단은 매우 중요하며 정확한 것이라고 할 수 있다.
실제로 현장에서 설비를 진단하는 전문가들도 새로운 진동 문제가 발생되었을 경우, 진동측정 장비를 이용하기 전에 우선 손으로 또는 귀로 운전상태를 점검하는 것이 상례로 되어 있다. 이는 전문가로서 자신의 감각을 키우는 것이 무엇보다 중요하기 때문이며, 정밀분석은 불가능하겠지만 그간의 경험을 바탕으로 대개 진동의 형태와 강도를 예상할 수 있기 때문이다.
대부분의 기계에서 심각한 고장이 발생하기 이전에 반드시 큰 진동이 발생한다. 숙련된 전문가는 전문 진단장비가 없어도 이와 같은 사실을 충분히 감지할 수 있으며 실제로 현장에서의 설비보전은 이와 같이 전문가의 감각에 의존하는 경우가 대부분이다.
그러나, 사람이 이와 같이 정밀한 센서를 갖고 있음에도 불구하고 현장에서 심각한 고장이 발생하는 이유는 무엇인가.
실제 현장에서 고장발생을 미연에 대처하지 못하고 벨트가 끊어진다든가 베어링이 심각하게 손상되던가 하는 일상적인 작은 고장 이외에도 모터가 타버린다든가 심지어 회전축이 부러지는 현상까지 빈번히 발생하고 있다. 그 이유는 사람이 생각하는 진동의 심각한 정도는 그의 지각에 의존하고 있는 것으로 절대적인 가치를 갖는 것이 아니기 때문이다.
특히 전문진단 장비와 달리 보정(Calibration)이 불가능하다는 치명적인 약점을 갖고 있다. 예를 들어서, 유사한 여러 기계의 진동을 주기적으로 감각에 의해서 측정한다고 했을 때에, 그 주기가 조금이라도 길어진다면 기계의 진동을 비교하기가 매우 어렵게 될 것이다. 그 측정 자체가 매우 주관적이기 때문이다.
같은 기계에서 발생되는 같은 진동으로도 어떤 사람은 “심하다”라고 할 수 있으며 다른 사람은 “괜찮다”라고 할 수 있다는 것이다. 또한 이 때에 측정할 수 있는 진동은 전체 평균 진동이며 주파수를 분석하여 결함의 원인을 파악하는 것은 불가능하다.
하지만 이 같이 정밀하지 못하고 보정이 안되며 주관적인 감각 센서는 기계의 심각한 고장발생(경보가 울릴 수 있는 수준)을 감지 할 수 있는 좋은 측정장치라고 할 수 있다. 본 기술연구소에서 진단을 요청받는 경우에, 대상 기업들중에는 감각에 의존하여 설비를 관리하는 기업이 많았으며 현장 전문가의 감각을 기준으로 고장이라고 판단되는 수준에서 설비진단을 요청하는 경우가 많다.
이 경우 정밀진단을 통해 분석해 보면, 감각에 의해 고장이라고 판단했던 장비의 70%는 실제 심각한 고장이 발생했거나 진행중인 상태였고 정확한 처방에 의해 심각한 고장을 피할 수 있었다. 하지만 나머지 30% 정도는 고장이라고 볼 수 없는 상태로서 대부분 부하변동에 의해서 얇은 금속판이 공진하거나 고장에 대한 지나친 우려에 의해 감각적으로 진동이 큰 것처럼 느꼈던 경우였다.
이와 마찬가지로 고장이라고 생각되지 않았던 기계들이 갑작스럽게 심각한 고장으로 나타난 경우도 있다. 이와 같은 사실로 숙련된 현장 엔지니어의 감각에 의한 설비진단의 신뢰성은 약 70% 정도라고 할 수 있다. 하지만 이는 전문적으로 설비를 관리하는 숙련된 사람에 해당하는 것으로서 사람에 따라 서 그 편차가 크다.
하지만 특별히 감각에 의해 완벽에 가까울 정도로 수리하고 있는 공장도 있었으며, 특별히 아래와 같은 조건을 갖춘 공장의 경우 개인적으로 자신의 감각을 보정할 수 있는 경우도 있었다.
한 개인에게 할당된 설비가 있어서 그 사람 이외에 아무도 그 설비를 만질 수 없는 정도로 설비 관리가 전담된 경우, 한 개인이 매일 그 설비를 점검함으로써 측정기간이 짧아 진동의 정도를 기억할 수 있는 경우, 전문 진단장비가 있어서 항시 자신이 측정한 진동과 장비에 의한 진동을 비교·검토할 수 있는 경우.
이와 같이 지속적으로 자신의 감각을 훈련할 경우, 그 정밀도는 매우 향상될 것이며 조기에 고장을 진단함으로써 과다한 경제적인 손실을 최소화 할 수 있다. 이 때 가장 필요한 것은 주파수를 분석하는 일이다.
물론 감각에 의해 주파수를 분석하는 것은 매우 어려운 일이다. 하지만 사람의 귀와 두뇌는 매우 정밀한 주파수 분석기이며 놀라운 정도로 예민하다. 물론 사람에 따라 차이가 있고 음악을 전공한 사람의 경우는 더욱 예민하지만 대개의 경우 40Hz의 Bandwidth를 갖는다.
인간의 귀는 20Hz에서 20,000Hz까지의 공기진동에 대해 매우 예민하며, 이를 가청 주파수라고 부른다. 또한 이 주파수 범위는 다행스럽게 기계에서 발생되는 진동의 범위와 유사하다.
아래의 [그림1]은 기계에서 전형적으로 발생되는 진동 주파수로서 10,000Hz까지의 진동을 나타내고 있으며, 10,000Hz 이상의 진동은 기계에서 거의 나타나지 않는다. 그리고 실제로 기계에서 발생되는 대부분의 진동은 5,000Hz이하다.
1,800rpm으로 회전하는 펌프에서는 30Hz 주파수의 진동이 발생한다. 이 30Hz 주파수를 갖는 진동은 사람이 귀로 듣기는 매우 어렵지만 손끝으로는 매우 예민하게 느낄 수 있다. 특히 동전과 같은 금속물체를 손가락끝으로 잡고 진동물체에 접촉시키면 더욱 예민하게 느낄 수 있다. 손으로 느낄 수 있는 진동의 범위는 100Hz 이하의 저주파이다. 이보다 높은 주파수의 진동은 손의 감각으로 느낄 수 없다.
모든 전기모터 또는 변압기에서 발생되는 불쾌한 소음은 대부분 전기에 의한 진동인 120Hz 주파수를 갖는 진동(50Hz 교류전류를 사용한다면 100Hz)에 의한 것이며, 3,600rpm으로 회전하고 있는 기계에서의 불평형 진동은 60Hz 진동으로 나타난다.
구름요소 베어링이 손상되었을 경우는 4가지 형태의 주파수가 발생되는데 1,800 또는 3,600rpm으로 회전하는 기계류에서 3개의 고주파 성분은 50에서 500Hz 성분으로 나타난다. 충격파를 발생시키는 금속간의 충격에 의한 진동은 1,000에서 10,000Hz 성분으로 순간적으로 나타나기도 한다.
또한 유체기계에서 주로 발생되는 캐비테이션(Cavitation) 현상은 3,000에서 5,000Hz 범위에서 폭넓게 나타난다.
이상에서 보는 바와 같이 대부분 기계에서 발생되는 진동의 형태는 사람이 들을 수 있거나 감촉으로 느낄 수 있는 범위에서 나타나는 것을 알 수 있다.
또한 사람의 귀는 두 방향에서 모두 들을 수 있어서 진동의 발생방향을 감지할 수 있기 때문에, 일반적으로 사용하는 전자식 전문진단장비에 비해 더 효과적일 수 있다.
모든 진동분석은 손끝에서 느껴지는 촉감과 귀로 들을 수 있는 소음처럼 감각에 의한 분석이 그 시작이라고 할 수 있으며, 만약 사용할 수 있는 진단장비가 없다면 우리는 더욱 감각에 의존할 수 밖에 없다. 만약 손끝으로 심각한 진동도 느낄 수 없고 소음도 심각하지 않다면 적어도 기계적으로는 아무런 문제가 없다는 것을 확신할 수 있다.
[그림2]는 진동에 관한 인간의 지각을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 보는 바와 같이 주파수에 따라 차이가 있으며, 진동의 심각성에 관한 인간의 판단은 가속도의 값에 비례하는 것임을 알 수 있다.
위의 [그림2]는 100Hz 이하로 국한되어 있다. 이것은 사람이 100Hz 이상의 진동은 감지할 수 없으며 그 이상은 소음으로서 느끼기 때문이다.
지금까지 이야기한 손과 귀와 눈으로 측정하는 방법은 아직까지 구시대적인 것이 아니다. 이런 방법은 아직까지 선진국의 많은 설비보전 부서에서 사용하고 있으며, 효과적으로 사용하고 있는 경우도 볼 수 있다.
설비보전 전문가중 일부는 특히 이와 같은 감각에 의존한 설비보전을 강조한다. 물론 정확한 진동측정에 의한 분석과 진단을 해야할 필요가 없는 것은 아니지만, 올바른 설비보전 전문가라면 정밀한 측정, 분석에 의한 진단을 내리기 이전에 소음, 진동에 대한 감각이 예민해야 한다는 것을 강조하는 것이다.

진동센서
사람의 귀와 손은 진동을 느끼는데 있어서 다분히 주관적이다. 이 때문에 서로 비교할 수 있는 기계에서 발생되는 실제적으로 객관적인 진동값을 원하게 되었으며, 진동센서와 이를 읽을 수 있는 장비가 이 고민을 해결해 주었다. 진동센서는 사람의 감촉보다는 훨씬 예민하며 저주파 신호와 주파수를 분석할 수 있는 기능을 갖는다.
진동센서는 진동의 기계적인 움직임을 전기신호로 변환하는 기구로 일반적으로 ‘수신기(Pick-up)’이라고도 부른다. 진동 변환기에는 일반적으로 3가지 형태가 있는데 진동의 움직인 진폭을 측정하는 변위계와 진동의 속도를 측정하는 속도계, 그리고 진동의 가속도를 측정하는 가속도계가 그것이다.
한편, 측정형태에 따라서 진동센서를 접촉형, 비접촉형으로 구분하기도 한다. 접촉형에는 가속도계와 속도계가 있으며, 비접촉형에는 변위계가 있다. [그림3]은 일반적으로 사용되는 진동변환기의 형태를 나타낸다.

변위계
[그림4]는 가장 일반적인 형태의 변위계인 비접촉 변위계(Proximity Probe)로서 Probe와 진동을 측정하고자 하는 도체 사이 간극에 고주파의 전기장을 형성하며 물체의 움직임에 따라 전기장의 변화가 발생되는 와전류의 원리에 의해 작동되는 센서라고 할 수 있다.
이 비접촉 변위계는 Probe와 신호를 증폭시키는 Oscillator-demodulator, 그리고 이를 연결하는 케이블로 구성된다. 변위계는 Probe 끝단과 물체표면 사이 간극의 변화를 감지하는 것으로 두 물체간의 상대적인 거리를 측정할 수 있다.
이 때 주의해야 할 것은 변위계로 측정하는 값이 절대적인 진동 변위가 아니고 Probe와 물체 표면간의 상대적인 거리라는 것이다. 이 때문에 Probe의 움직임이 발생되어서는 안되며 베어링 하우징에 영구적으로 튼튼하게 고정하고 회전축이 움직임을 감시하는 것이 일반적인 측정방법으로 되어 있다. Probe와 물체 사이 간극은 일반적인 경우 0.2mm∼2mm로 조절하며 진동의 측정은 도체만 가능하고 측정하고자 하는 물체의 종류에 따라 반드시 보정을 해주어야 하는 불편함이 있다.
또한 비접촉 변위계는 긁힘 또는 파임과 같은 축 표면의 흠에 대해 민감하여 진동형태로 출력되기도 하며 비접촉 변위계의 특성은 축의 재질에 따라서 변화되는 전동성, 침투성에 대하여 다르게 나타난다.
따라서 변위계로 측정된 결과는 축의 재질, 표면상태에 관한 오차를 포함한 축과 재질표면간의 상대적인 거리라는 것을 명심해야 한다. 또한 모든 회전축은 가공상태가 완벽하다고 할 수 없으며, 이에 따라 다소간의 Run-out이 있을 수 밖에 없다(축의 진원도).
이와 같은 축의 Run-out은 비접촉 변위계로 측정할 경우에, 진동과 동일하게 나타나기 때문에 실제 진동과 구분하기가 매우 어렵다. 이와 같은 문제 때문에 대개의 경우, 초기에 회전축을 원심력에 의해 변형되지 않을 정도의 저속으로 회전시키고 진동을 측정하여 ‘Slow-roll Vector’라고 하여 저장하여 둔다.
그리고 실제 운전되고 있는 기계에서 측정된 진동값에서 미리 측정된 Slow-roll Vector 값을 빼주어야 한다. 만약 이와 같이 Slow-roll Vector를 빼주지 않을 경우에, 측정된 진동신호에는 축의 표면상태 및 축의 재질에 따른 편차와 함께 축의 Run-out에 의한 오차가 포함되어 있다는 것을 미리 알아둘 필요가 있다.
비접촉 변위계의 최대 측정범위는 1,500Hz, 최소 주파수 범위는 0Hz로서 정지하고 있는 상태의 거리를 측정할 수도 있다. 이와 같이 저주파에 강한 특성을 갖고 있는 장점 때문에 축의 열팽창과 같이 매우 천천히 움직이는 움직임을 관측하기에 용이하다.
비접촉 변위계는 실제 측정하고자 하는 물체와 접촉되지 않기 때문에 컴퓨터 디스크와 같은 얇은 회전판 또는 가벼운 부품의 움직임과 같이, 센서를 부착하기 어려운 경우에 용이하게 사용할 수 있다.
하지만 이런 변위계를 사용하기 위해서는 상기에 서술한 바와 같이 극복해야 할 여러 가지 어려움이 있다. 측정하고자 하는 물체의 표면에 구멍이 있거나 부착물이 있는 곳은 피해야 하며, Probe는 흔들리지 말아야 하고 축의 표면은 매끈하여 흠이 전혀 없어야 하고, 축의 재질에 따른 보정을 실시한 이후에도 Slow-roll Vector를 제거해야 하는 어려운 문제가 있다.

속도계(Velocity Transducer)
속도계는 가장 오래된 전기적인 진동측정 센서중 하나로 오랜 기간동안, 기계진동을 감시할 수 있는 단 하나의 실용적인 센서로 사용되어 왔기 때문에 많은 규격에서 진동계로 측정된 기준들이 제시되어 오고 있다.
진동계는 내부에 영구자석으로 된 질량과 이를 상하에서 지지하고 있는 스프링으로 이루어져 있으며 속도계 내부는 댐퍼 역할을 수행할 수 있도록 기름과 같은 유체로 채워져 있다. [그림5]는 속도계의 구조도를 나타내고 있다.
속도계를 측정하고자 하는 진동체에 부착하게 되면 속도계는 진동체와 함께 움직이게 된다. 이 때 스프링에 의해 지지되어 있는 내부의 질량(영구자석)은 속도계의 외벽과 달리 움직이지 않고 허공에 머물러 있게 되어 외벽의 코일과 스프링에 매달려 있는 영구자석간에 상대운동이 발생되며 이에 의해 전기가 발생된다.
이 때 발생되는 전기량은 코일과 영구자석 간의 상대속도에 비례하기 때문에 전기량을 측정함으로써 진동의 속도를 측정할 수 있다. 속도계는 영구자석이 코일 속을 움직이거나 코일이 자장 내부를 움직일 때 전기가 발생하는 발전기원리를 이용한 것으로 외부전원 없이 강력한 신호를 발생시키는 형태의 센서로서 증폭기와 별도의 외부전원이 필요없다는 장점을 갖고 있으므로 별도의 신호 증폭장치 없이 직접 Oscilloscope나 진동분석장치에 연결하여 사용할 수 있으며, 절대적인 속도값을 기준으로 하고 있어  Seismic Pickup이라고 부르기도 한다.
일반적으로, 기계의 진동을 측정하는 용도로 사용되고 있는 속도계의 고유진동수는 약 8Hz 정도로 알려져 있으며 사용범위는 8에서 1500Hz정도이다. 속도계는 다른 센서에 비해 비교적 크기가 크다. 이와 같은 이유로 작은 장치에 속도계를 부착할 경우, 속도계의 질량에 의해 진동값에 심각한 영향을  받을 수 있다. 또한 내부에 운동하는 부품이 있어서 쉽게 손상되기 쉬우며 결국 내부코일이 민감해지면서 안테나 역할을 함으로써 외부 전자기장에 매우 민감해지는 경향이 있다. 이 때문에 과다한 60Hz 진동이 발생한 경우 외부에 의한 영향인지를 검토해야 한다.

가속도계 (Accelerometer)
가장 일반적인 형태의 가속도계는 압전소자형으로 Quartz Crystal과 볼트로 고정된 질량, 그리고 맨 위에는 Quartz를 누를 수 있는 스프링으로 구성되어 있다. 가속도계의 내부 구조도는 [그림6]에서 보는 바와 같다.
압전소자는 압축될 경우 전기를 발생시키는 특성을 가진다. 운전중인 설비에 부착된 가속도계의 케이스는 진동체와 함께 움직이게 되나 내부의 질량은 허공에 매달려 움직이지 않으려고 한다. 정지하고자 하는 질량과 진동에 의해 움직이고자 하는 케이스에 의해 압전소자는 압축과 이완을 반복하게 되는데 이때 압전소자는 전기를 발생시키게 된다.
출력되는 신호의 크기는 압전소자에 가해지는 힘에 비례하여 나타나며, 이는 Newton의 제2법칙 “F = ma”에 의해 또한 가속도에 비례하는 것을 알 수 있다. 가속도계의 이름은 이 때문에 붙여진 것이다.
또한 가속도계에서 출력되는 값은 기계 내부에서 발생되는 힘에 비례하기 때문에 만약 가속도값이 크다면 그것은 기계내부에 큰 힘이 발생한다는 것으로 힘은 왕복운동을 발생시키고 이 왕복운동은 기계의 과도한 마모와 조속한 파손의 원인이 되기도 한다. 가속도계의 감도(Sensitivity)는  가속도계의 주파수 응답특성을 나타낸다.
가속도계는 crystal과 강철 스프링의 강성에 의해 매우 높은 고유진동수를 가지며 일반적으로 기계의 진동을 측정하는데 사용되는 가속도계의 경우 고유진동수가 25,000Hz 정도로 알려져 있다. 이는 낮은 고유진동수를 갖는 속도계와 대조적인 것으로 가속도계의 측정범위는 1차 고유진동수를 넘지 않는다. 가속도계의 유효 주파수 측정범위는 가속도계의 크기에 따라 차이가 있으나 5∼10.000Hz 정도로 다른 센서에 비해 측점범위가 매우 넓다.
가속도계의 주파수별 응답특성은 가속도계의 크기(Cristal과 질량)와 직접적인 관계가 있다. 작은 가속도계는 감도는 낮은 반면 고주파 응답특성이 좋으며 큰 가속도계는 감도는 뛰어난 반면 고주파 응답특성에 제한을 받는다. 때문에 큰 가속도계는 지면의 움직임과 같은 저주파 진동을 측정하는데 사용되며, 크기가 작은 가속도계(작은 Cristal과 작은 질량)는 고주파 진동을 측정하는데 사용된다. 일반적인 경우에 50,000Hz 이상의 진동을 측정하기도 한다.
위와 같은 이유로 해서 가속도계는 기계의 진동을 측정하는데 가장 적합한 것으로 알려져 있으며 그 장점으로는 매우 튼튼하다는 것과, 소형이며, 측정가능 주파수 범위가 넓고, 작은 진동도 예민하게 측정할 수 있으며, 충격에도 강해서 심각한 진동범위 에서도 쉽게 손상되지 않는다.
[그림7]은 상기의 세 가지 형태의 진동측정 센서의 진동측정 범위를 나타내고 있다. 여기에서 보는 바와 같이 변위계와 속도계는 측정하고자 하는 진동의 주파수와 진폭 범위에서 가속도계에 비해 매우 제한적이며, 기계의 진동을 측정하는데 부적합하다는 것을 알 수 있다. 반면에 가속도계는 기계에서 발생되는 모든 진동범위를 만족시키고 있는 것을 알 수 있다.
이 외에 다음과 같은 여러 가지 이유로 인해서 가속도계는 기계의 진동을 측정하는데 가장 적합한 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
힘에 비례하여 출력이 커지므로 기계내부에서 발생되고 있는 힘의 분포를 알 수 있다.
가속도의 단위는 중력 가속도 단위인 g를 사용하기 때문에 특별히 단위에 대해 불편을 겪을 필요가 없다.
가속도값은 인간이 불편을 느끼는 감각과 매우 밀접한 특성을 갖는다.
가속도계는 고주파 응답특성이 탁월하여 베어링, 감속기 손상 등과 같은 고주파가 발생하는 부품의 진단에 가장 적합하다.

가속도계는 스스로 전류를 발생시키지만, 출력되는 신호는 높은 임피던스(Impedance)를 갖고 있기 때문에 대부분의 측정장비에서 직접 사용하기가 어렵다. 이 때문에 가속도계에서 나온 출력 신호는 특별한 전자회로를 거쳐서 낮은 임피던스를 갖는 신호로 변경해야 할 필요가 있다.
이 특별한 전자 회로는 센서의 내부에 또는 외부에 둘 수 있다. 전하형(Charge type) 가속도계는 바로 곁(1m 이내)에 적절히 임피던스를 맞춰줄 수 있는 전하 증폭기(Charge Amplifier)가 있어야 한다.
또한 가속도계와 증포기 사이를 연결하는 케이블은 짧아야 하는 것이 필수적이며 이와 함께 신호 잡음(Noise)이 매우 낮은 고가의 케이블을 사용해야 하고 제조되는 각각의 모든 센서에 대해 특성곡선과 보정을 실시해야 하고 그 길이를 변화 시켜서는 안된다.
전압형(Voltage type) 가속도계는 임피던스 조정을 위한 전자회로가 가속도계의 내부에 내장되어 있는 형태로 별도의 증폭기 없이 가속도계 내부의 전자회로 가동을 위한 저가의 전원공급장치 정도로 사용이 가능하며 케이블의 길이도 자유롭다. 따라서, 기계를 진단하기 위한 용도로는 가장 적합한 것으로 판단된다. 케이블 가격도 저가이며 케이블의 길이를 2m나 200m로 늘려도 신호의 변화가 적어 편리하다.

센서의 선택
이상에서 우리는 진동을 측정하기 위한 센서의 종류와 그 특징에 대해서 알아 보았다. 일반적인 경우 기계의 상태를 측정하거나 감시하기 위해 가장 좋은 특성을 갖는 것은 가속도계라는 것을 알 수 있었다.
설비진단 전문가에게 센서는 가장 기본적인 것이며 또한 가장 중요한 도구인 만큼 측정하고자 하는 설비, 목적과 용도에 맞는 센서를 선택하는 일 또한 매우 중요한 것이다. 센서의 선택에서 가장 중요한 것은 측정 대상물과 측정 목적이라고 할 수 있다. 만약 일반적인 설비에서 기계의 상태 또는 부품의 손상 등 일반적인 목적으로 설비를 진단하고자 한다면 측정범위가 넓고, 소형이며, 튼튼하고, 기계내부의 힘의 분포를 측정할 수 있는 가속도계가 가장 적합할 것이다.
이중에서도 고열이 발생할 수 있는 소지가 있다면, 내부에 임피던스 조정을 위한 전자회로가 내장된 전압형(Voltage Type)보다는 외부에 전하 증폭기(Charge Amp.)가 있는 전하형(Charge Type) 가속도계가 선택되어야 할 것이다. 하지만 이같이 일반적인 용도 이외의 특수한 경우에 가장 적합한 센서를 선택할 필요가 있다.
만약 지지구조가 매우 무겁고 상대적으로 축이 가벼운 구조를 갖고 있는 대형 스팀-터빈이나 컴프레서의 경우 변위계를 사용하는 것이 효과적인 경우가 있다. 변위계는 축의 거동을 직접 측정할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 특히 이 경우에 지지구조가 매우 무겁기 때문에 설비 자체의 움직임이 적고 대부분 저어널 베어링을 사용하기 때문에 축과 베어링 하우징간에 존재하고 있는 오일필름에 의해 진동전달이 감소된다.
이와 같은 경우 변위계를 베어링 하우징에 별도의 설치용 브래킷을 이용하여 견고하게 부착하여 축과 베어링 하우징 간의 상대진동을 측정하여 사용한다. 만약 구름요소 베어링을 사용하고 있는 중소형 설비를 진단하고자 할 경우에는, 회전축의 운동에 의해서 기계가 진동하게 되므로 속도계나 가속도계를 사용하는 것이 좋다. 이 경우에, 센서는 반드시 베어링 하우징에 볼트나 자석으로 견고히 부착하여 사용해야 하며 축의 거동 뿐만 아니라 베어링의 상태를 진단하는 데에 매우 유용한 결과를 얻을 수 있다.
가속도계를 선택할 때는 측정하고자 하는 대상의 주파수 범위와 감도를 염두에 두어야 한다. 만약 10g 이상의 충격과 같은 높은 진동값을 측정하고자 할 경우 10mV/g 이하의 감도를 갖는 센서를 사용하며, 빌딩 또는 구조물의 진동과 같이 매우 낮은 저주파 특성을 측정하고자 할 경우는 1V/g 정도의 높은 감도를 갖는 센서를 사용해야 한다. 그리고 일반적인 기계설비의 진동을 측정하거나 정확한 밸런싱(Balancing)을 실시하기 위해 알맞은 센서의 감도는 100mV/g 정도라고 할 수 있다.

센서의 비교
요즘 개발된 전문 진단장비에서는 한가지 센서로 측정된 신호를 내부 연산처리에 의해 여러 가지 단위로의 변환이 가능하다.
즉 가속도계로 측정된 신호를 가속도는 물론 속도나 변위의 형태로 분석할 수 있다. 이때 중요한 것은 속도와 가속도는 측정하는 방법도 같으며 실제 정확히 같은 신호라고 할 수 있다.
하지만 변위계로 측정된 신호는 측정방법과 여러 가지 오차 때문에 속도계나 가속도계로 측정된 신호와 근본적인 차이가 있음을 명심해야 한다.
가속도계는 일반적으로 고주파 특성에 민감할 뿐 아니라 고주파 성분이 강조되어 나타난다. 이는 매우 중요한 것으로 받아 들여지는데 그 이유는 기계에서 결함이 생겼을 때 고주파 신호를 발생시키기 때문이다. 때문에 가속도계로 측정된 신호는 기계의 결함을 조기에 발견할 수 있다.
속도성분으로 나타낸 진동 관리규격은 기계 상태의 심각한 정도를 나타내는데 매우 유용하다. 그 이유는 속도계가 최초로 개발된 진동센서일뿐만 아니라 이 때문에 많은 진동에 관한 규격이 속도성분으로 작성되어 있기 때문이다. 변위계는 기본적으로 정확한 진동을 측정하기에 여러 가지 어려움이 있으나 저주파 특성이 탁월하기 때문에 대형저속기계의 밸런싱 작업에 유용하게 사용될 수 있다.
[그림8], [그림9], [그림10]은 각각 같은 시간에 같은 기계를 서로 다른 3가지 센서로 측정한 결과이다. 상기 3가지 센서로 측정한 결과에서 알 수 있는 것처럼 약 60Hz를 기점으로 속도계로 측정한 값에 비해 변위계는 저주파 성분이 강조되며 가속도계는 고주파 성분이 강조되는 것을 알 수 있다. 이 고주파 성분은 설비를 진단하는데 매우 귀중한 자료이며 이와 같이, 변위계 또는 속도계로 측정하여 고주파 성분들이 왜곡되거나 제거된 데이터는 설비진단을 위해서 데이터를 분석하는 전문가의 눈을 가리는 것과 같다.
이번 글에서는 진동신호를 취득하는 장비인 센서에 대해서 자세히 알아보았다. 다음 글에서는 취득된 각 진동신호를 통해 진동여부를 판단할 수 있는 진동 측정장비에 대해서 알아 보도록 하겠다(문의. 나다에스앤브이 기술연구소 <KOREAN=태고딕><ENGLISH=SMgoTRom>www.nadasnv.co.kr, /tel.02)523-2290)