진동센서와 가속도센서는 무엇이 다를까

진동은 센서 이름이 아니라 시간에 따라 반복되거나 불규칙하게 움직이는 현상이다. 이 움직임을 변위, 속도, 가속도 중 어떤 물리량으로 관찰할지에 따라 센서와 측정 시스템이 달라진다. 따라서 “진동센서와 가속도센서 중 무엇을 쓸까”라는 질문은 다음처럼 바꾸는 편이 정확하다.

어떤 구조물의 어느 위치에서, 어떤 주파수와 진폭 범위를, 어떤 물리량으로 보고 싶은가?

가속도센서는 진동센서의 한 종류다. 진동센서라는 큰 범주에는 가속도계뿐 아니라 속도 변환기, 와전류식 근접 프로브, 비접촉 레이저 진동계도 들어간다.

같은 움직임도 변위·속도·가속도 값은 다르다

변위가 단일 정현파라고 가정하자.

$$x(t)=X\sin(\omega t),\qquad \omega=2\pi f$$

이를 미분하면 속도와 가속도가 된다.

$$v(t)=\omega X\cos(\omega t)$$ $$a(t)=-\omega^2X\sin(\omega t)$$

따라서 각 물리량의 peak 진폭 관계는 V=ωX, A=ω²X다. 주파수가 10배가 되면 같은 변위에서 속도는 10배, 가속도는 100배가 된다.

변위 진폭이 10 µm peak인 두 진동을 비교하면 차이가 선명하다.

이 계산은 “고주파 결함에는 가속도가 민감하고, 저속 축 거동에는 변위가 직관적”인 이유를 보여준다. 다만 실제 진동은 여러 주파수의 합이므로, 시간 파형을 단순 적분하거나 미분하기 전에 대역 제한과 노이즈를 함께 봐야 한다.

센서는 측정량과 설치 위치로 나눈다

베어링 하우징에 붙인 가속도계는 하우징의 절대 진동을 측정한다. 저널 베어링 안의 축을 바라보는 근접 프로브는 축과 베어링 사이의 상대변위를 측정한다. 두 값은 서로 대체재가 아니며, 같은 기계를 보더라도 전달 경로와 진단 목적이 다르다.

압전 센서는 출력 방식까지 확인해야 한다

압전 가속도계 안의 관성 질량에 가속도가 생기면 압전 소자에 힘이 전달된다.

$$F=ma$$

전하 출력형 센서는 보통 pC/g 감도로 표시하며 외부 charge amplifier가 필요하다. 센서 내부 전자회로가 없어 고온 환경에 유리하지만, 고임피던스 신호이므로 케이블 움직임, 누설과 습도의 영향을 관리해야 한다.

IEPE형은 센서 안에 임피던스 변환 회로가 있고, 데이터 수집 장비가 케이블을 통해 일정 전류를 공급한다. 출력 감도는 100 mV/g, 10 mV/g처럼 표시된다. 배선이 단순하고 장거리 전송에 유리하지만, 장비의 IEPE 전류와 compliance voltage, 센서의 bias voltage가 호환되어야 한다.

100 mV/g 센서로 2 g peak를 측정하면 신호 성분은 200 mV peak다. 그러나 센서의 DC bias 위에 이 신호가 실리므로, 실제 입력 범위는 bias와 최대 진폭을 함께 수용해야 한다.

장착 방법이 사용 가능한 주파수 대역을 바꾼다

센서 데이터시트의 상한 주파수는 이상적인 장착 조건에서 제시되는 경우가 많다. 스터드 장착은 일반적으로 가장 단단하고 높은 주파수까지 전달한다. 접착, 자석 베이스, 휴대용 프로브 순으로 접촉 강성이 낮아지면 장착 공진이 내려오고 고주파 응답이 먼저 달라질 수 있다.

설치 전에는 다음을 확인한다.

1. 측정 방향과 센서 축이 일치하는가.
2. 장착면이 평평하고 깨끗하며 필요한 체결 토크가 적용됐는가.
3. 케이블이 흔들려 센서에 힘을 주거나 마찰전기 잡음을 만들지 않는가.
4. 센서 질량이 대상 구조의 거동을 바꾸지 않는가.
5. 온도, 충격, 접지와 방수 조건이 센서 정격 안에 있는가.

센서 질량을 측정 대상 유효 질량의 10%보다 작게 잡는 기준은 유용한 출발점이지만, 얇은 판이나 가벼운 구조물에서는 10%보다 훨씬 작은 센서도 공진을 바꿀 수 있다. 의심되면 다른 위치·질량의 센서나 비접촉 측정과 비교해야 한다.

센서 대역폭과 샘플링 대역폭은 별개다

센서가 10 kHz까지 응답한다고 해서 10 kHz가 자동으로 유효 데이터가 되는 것은 아니다. 센서, 케이블, 신호조절기, anti-alias filter, ADC가 모두 관심 대역을 통과해야 한다.

샘플링 주파수가 f_s이면 나이키스트 주파수는 f_s/2다. 그러나 실제 저역통과 필터에는 전이대역이 있으므로 관심 최고 주파수를 나이키스트 주파수와 같게 두면 안 된다. 장비의 필터 감쇠 사양을 보고 여유를 정해야 한다.

주파수 분해능은 샘플링 속도가 아니라 기록 시간으로 결정된다.

$$\Delta f=\frac{f_s}{N}=\frac{1}{T_{rec}}$$

0.5 Hz 간격으로 스펙트럼을 보고 싶다면 최소 2 s 기록이 필요하다. 회전수가 그동안 변한다면 단순히 기록을 늘리기보다 tachometer를 사용한 order tracking이나 짧은 구간의 시간-주파수 분석을 검토한다.

적분과 미분은 센서를 바꾸지 않는다

가속도를 한 번 적분하면 속도, 두 번 적분하면 변위를 계산할 수 있다. 하지만 적분은 저주파 잡음과 DC offset을 크게 만들고, 미분은 고주파 잡음을 증폭한다. 계산 결과의 품질은 원 신호의 대역, 필터, 초기조건과 센서 저주파 응답에 제한된다.

센서 선택은 다음 순서로 정리할 수 있다.

1. 대상: 축, 베어링 하우징, 구조물 중 어디를 볼지 정한다.
2. 측정량: 변위·속도·가속도 중 진단 기준과 직접 연결되는 값을 고른다.
3. 대역과 범위: 최저·최고 주파수, 예상 RMS와 peak, 충격 범위를 적는다.
4. 환경과 설치: 온도, 질량, 장착, 케이블, 접지 조건을 확인한다.
5. 측정 체인: 전원, 감도, 입력 범위, 필터, 샘플링과 기록 시간을 함께 설정한다.

“가속도센서가 더 좋다”는 결론은 없다. 관심 현상과 측정 위치를 먼저 정하고, 그 결과로 센서 방식을 선택해야 한다.