Vibration Sensor란? 설비 진동 측정 원리

Vibration Sensor란 설비에서 발생하는 반복적인 움직임을 전기신호로 변환해 진동의 크기와 상태를 측정하는 센서입니다. 가속도·속도·변위 측정 원리와 설비보전 활용방법을 알아봅니다.

Vibration Sensor란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Vibration Sensor는 Motor, Pump, Fan, Compressor, Gearbox와 같은 기계설비에서 발생하는 진동을 감지하고 이를 분석 가능한 전기신호로 변환하는 센서입니다. 회전체가 정상적으로 운전될 때도 일정한 진동은 존재하지만 Unbalance, Misalignment, Bearing Damage, Looseness 등의 이상이 발생하면 진동의 크기나 주파수 특성이 달라질 수 있습니다. 이러한 변화를 측정하면 설비를 분해하지 않고도 운전상태를 파악하는 Condition Monitoring에 활용할 수 있습니다. 산업용 진동측정에서는 주로 Acceleration, Velocity, Displacement가 사용됩니다. 어떤 값을 측정하는지가 설비와 분석목적에 따라 달라지며 하나의 값만으로 모든 고장을 판단할 수 있는 것은 아닙니다. 센서에서 얻은 신호는 Vibration Analyzer, PLC, Condition Monitoring System 등으로 전달되어 Trend Monitoring이나 Frequency Analysis에 활용됩니다. 따라서 Vibration Sensor는 단순히 기계가 흔들리는지를 확인하는 장치가 아니라 회전체의 상태변화를 조기에 발견하고 Predictive Maintenance에 필요한 데이터를 제공하는 핵심 계측센서입니다.

가속도센서는 진동을 어떻게 전기신호로 변환할까?

산업현장에서 널리 사용되는 진동센서 중 하나가 Accelerometer입니다. 대표적인 Piezoelectric Accelerometer는 내부의 Seismic Mass와 압전소자(Piezoelectric Element)를 이용합니다. 센서가 설치된 기계가 진동하면 내부 질량에 관성력이 발생하고 이 힘이 압전소자에 전달됩니다. 압전소자는 기계적인 힘이나 변형을 받으면 전하를 발생시키는 Piezoelectric Effect를 가지므로 설비의 진동을 전기적인 신호로 변환할 수 있습니다. 제품에 따라 Charge Output 방식이나 IEPE와 같이 내부 전자회로가 포함된 방식 등이 사용됩니다. MEMS Accelerometer 역시 진동측정에 활용되며 미세구조물의 움직임에 따른 정전용량 등의 변화를 이용하여 가속도를 측정할 수 있습니다. 가속도는 일반적으로 m/s² 또는 g 단위로 표현됩니다. 특히 비교적 높은 주파수에서 나타나는 Bearing 이상이나 충격성 진동을 분석할 때 유용하지만 실제 측정가능한 주파수범위와 감도는 센서의 구조와 사양에 따라 달라지므로 측정목적에 맞는 센서를 선택해야 합니다.

가속도·속도·변위는 어떤 차이가 있을까?

기계진동은 가속도(Acceleration), 속도(Velocity), 변위(Displacement)로 표현할 수 있으며 세 값은 서로 수학적인 관계를 갖습니다. 변위는 물체가 기준위치에서 얼마나 움직였는지를 나타내고 속도는 변위의 시간에 대한 변화율, 가속도는 속도의 시간에 대한 변화율입니다. 따라서 가속도 신호를 적분하면 속도를 얻을 수 있고 다시 적분하면 변위로 변환할 수 있지만 실제 계측에서는 Noise와 저주파 Drift 때문에 단순 적분만으로 항상 정확한 값을 얻을 수 있는 것은 아닙니다. 일반적으로 가속도는 고주파 진동과 충격을 분석하는 데 유용하고 진동속도는 회전체 설비의 전반적인 진동상태를 평가하는 데 많이 활용됩니다. Shaft와 Bearing 사이의 상대적인 움직임을 측정하는 대형 회전기계에서는 Proximity Probe를 이용한 변위측정이 사용되기도 합니다. 따라서 어떤 단위를 사용해야 하는지는 Motor의 크기와 회전속도, Bearing 구조, 분석하려는 고장형태 및 적용되는 진동평가기준 등을 종합적으로 고려해야 합니다.

진동으로 설비 이상을 어떻게 찾을 수 있을까?

설비진단에서는 단순히 진동값이 높다는 사실만 보는 것이 아니라 시간에 따른 Trend와 Frequency Spectrum을 함께 분석하는 것이 중요합니다. 회전체에 Unbalance가 발생하면 회전속도와 관련된 특정 주파수성분이 증가할 수 있고 Shaft Misalignment나 Mechanical Looseness에서는 다른 Harmonic Pattern이 나타날 수 있습니다. Bearing의 내륜과 외륜, Rolling Element에 결함이 발생하면 베어링 구조와 회전속도에 관계된 특징적인 주파수성분이나 충격신호가 나타날 수 있습니다. 센서에서 측정한 Time Waveform을 FFT(Fast Fourier Transform)로 변환하면 복잡한 진동신호를 여러 Frequency Component로 나누어 분석할 수 있습니다. RMS, Peak, Crest Factor 등의 지표도 설비상태를 평가하는 데 활용됩니다. 다만 특정 주파수가 나타났다는 이유만으로 고장원인을 단정해서는 안 됩니다. 운전속도와 부하, 설비구조, 과거 Trend 및 다른 계측정보를 함께 비교해야 신뢰도 높은 진단이 가능합니다.

Vibration Sensor를 설치할 때 무엇을 확인해야 할까?

진동센서는 설치방법에 따라 측정결과가 크게 달라질 수 있습니다. 센서를 Bearing Housing과 같이 진동이 실제로 전달되는 단단한 위치에 설치하고 측정하려는 방향에 맞게 Sensor Axis를 배치하는 것이 중요합니다. Stud Mounting은 높은 주파수까지 안정적인 전달특성을 확보하기 쉽지만 Magnetic Mount나 Adhesive Mount는 설치편의성과 측정주파수 범위 사이의 Trade-off를 고려해야 합니다. 센서의 Sensitivity와 Measurement Range, Frequency Range도 예상되는 진동수준에 맞아야 합니다. Cable이 흔들리거나 전기적 Noise가 유입되면 측정신호에 영향을 줄 수 있으므로 배선과 Shielding도 중요합니다. PLC로 단순 상태감시를 한다면 4-20mA Vibration Transmitter를 사용할 수 있고 정밀한 설비진단에는 Raw Vibration Signal을 수집할 수 있는 Analyzer가 필요할 수 있습니다. 결국 Vibration Sensor는 설비의 미세한 움직임을 정량화하여 이상징후를 조기에 발견하고 계획적인 설비보전을 가능하게 하는 핵심 Condition Monitoring Sensor입니다.