진동센서(가속도계)
원리·종류·선정·설치 가이드
피에조일렉트릭 가속도센서가 진동을 어떻게 전기 신호로 변환하는지, 전하출력형과 IEPE(ICP®) 신호 방식의 차이, 압전형·압저항형·MEMS 등 진동센서 종류와 선정 기준, 현장 측정 방식, 그리고 스터드·마그네틱·접착제·프로브 각 설치 방법의 특성과 올바른 장착 절차까지 씨앤디테크가 정리합니다.
가속도·속도·변위
DAQ 직결 가능
스터드·마그넷·접착제 외
가속도·속도·변위 — 무엇을 측정해야 하나요?
진동을 설명하는 물리량은 가속도(Acceleration)·속도(Velocity)·변위(Displacement) 세 가지입니다. 속도는 가속도의 1회 적분, 변위는 2회 적분으로 도출할 수 있어 하나의 센서로 세 가지를 모두 취득할 수 있습니다.
진동의 순간 가속도. 피에조 센서가 직접 생성하는 신호. 고주파 충격·베어링 결함 감지에 가장 민감.
⚡ 사용 시기: 베어링 진단, 충격 계측, 고주파 성분 분석, ISO 10816 가속도 기준
가속도의 단일 적분. 기계 상태 모니터링의 표준 파라미터. 인체 감각과 유사한 주파수 영역.
⚡ 사용 시기: ISO 10816 일반 기계 감시, 펌프·모터·팬 상태 판정
가속도의 이중 적분. 저주파 영역에서 변형 크기를 직접 표현. 저속 대형 기계에 적합.
⚡ 사용 시기: 저주파·저속 대형 기계, 구조물 변형, 불균형량 평가
가속도센서(진동센서) 종류
감지 소자의 원리에 따라 가속도센서는 압전형·압저항형·정전용량형(MEMS)·전자기유도형 등으로 나뉩니다. 산업 현장의 중~고주파 진동·베어링 결함 진단에는 압전형(특히 IEPE)이 가장 널리 사용되며, 나머지 방식은 특정 용도에 보완적으로 사용됩니다.
| 구분 | 압전형(Piezoelectric) | 압저항형(Piezoresistive) | 정전용량형(MEMS) | 전자기유도형(Electrodynamic) |
|---|---|---|---|---|
| DC 응답 | ✕ 불가(교류만) | ◎ 가능 | ◎ 가능 | ✕ 불가 |
| 주파수 범위 | 중~고주파(수십 kHz까지) | DC~수 kHz | DC~수 kHz | 저주파 전용 |
| 감도·노이즈 | 높은 감도, 저노이즈 | 중간, 온도 드리프트 있음 | 중간, 노이즈 플로어 다소 높음 | 중간, 별도 전원 불필요 |
| 내구성·크기 | 매우 우수, 소형 | 우수(충격시험용 설계) | 우수, 소형·경량 | 부피·무게 큼 |
| 주요 용도 | 베어링 결함, 기계 상태 모니터링, 정밀 진동 분석 | 충격시험, 크래시 테스트, 낙하시험 | 저가·소형 IoT 진동감시, 자세 감지 | 구형 저주파 진동 스위치·픽업(현재는 압전형·MEMS로 대체 추세) |
IEPE(ICP®) 방식과 장점
IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric)는 센서 내부에 임피던스 변환 프리앰프를 내장해 정전류로 구동하는 방식입니다. 씨앤디테크가 공급하는 산업용 가속도센서 대부분이 이 방식을 사용합니다.
센서 내부에 임피던스 변환 프리앰프(전하→전압 변환 회로)를 내장해, 2~20mA 정전류로 구동하고 표준 동축(BNC) 케이블 하나로 저임피던스 전압 신호를 출력합니다. 출력 임피던스가 100Ω 이하라 저가 표준 케이블로 수백 m까지 전송할 수 있고, DT9837 등 IEPE 입력 DAQ에 별도 컨디셔너 없이 직결됩니다.
피에조(전하출력형) 방식과 원리
"피에조(Piezo)"는 그리스어로 "짜내다"라는 뜻입니다. 압전 재료(PZT 세라믹)는 힘을 받으면 전하를 생성하고, 이 전하가 지진 질량(Seismic mass)과 결합하면 진동 가속도에 비례하는 신호를 만들어냅니다. 이 전하를 그대로 꺼내 쓰는 방식이 전하출력형(Charge Output)입니다.
감지 요소 구성
① PZT 압전 세라믹 — 두 전극 사이에 끼워진 커패시터 구조. 수직 방향 힘에 의해 전하를 생성하고 전극에 전압을 발생시킵니다.
② 지진 질량 (Seismic mass) — PZT 위에 결합된 질량체. 가속도계가 진동하면 관성력 F = m×a가 PZT에 작용하고, 이 힘에 비례한 전하 신호를 출력합니다.
지진 질량이 일정하므로, 전하 출력 신호는 질량의 가속도에 정비례합니다.
특수 제조된 PZT 세라믹은 석영 대비 감도가 약 100배 높아 저주파·저가속 환경에서 더 유리합니다. 씨앤디테크가 공급하는 HBK(구 B&K/Brüel&Kjær) 센서는 안정적인 PZT 세라믹 소재를 사용합니다.
주파수 응답 특성
가속도계는 공진 피크를 가진 기계적 저역통과 필터입니다. 지진 질량과 PZT 세라믹이 스프링-질량 시스템을 형성하여 공진 주파수를 결정합니다.
공진 주파수의 1/5에서 오차 5%
공진 주파수의 1/3에서 오차 10% → 실용 상한
공진 주파수의 1/2에서 오차 30% (3dB)
공진 주파수↑ → 지진 질량↓ → 감도↓
공진 주파수↓ → 지진 질량↑ → 감도↑
충격용: 고공진·저감도 / 지진용: 저공진·고감도
하한 주파수는 프리앰프에 따라 결정 — 상한이 공진 주파수(기계적 특성)로 결정되는 것과 달리, 하한 주파수는 프리앰프 방식에 좌우됩니다. 전하출력형에 쓰는 전압증폭기는 센서·케이블·증폭기 입력 커패시턴스와 입력저항이 만드는 RC 시상수가 하한을 결정하며, IEPE(전류구동 내장 프리앰프)는 대부분 0.3Hz(전단형·굴곡형) 또는 3Hz(압축형) 수준까지 낮출 수 있습니다.
PZT가 생성한 전하(pC 단위)를 그대로 출력합니다. 센서 자체에 전자부품이 없어 초고온 환경에도 사용할 수 있지만, 출력 임피던스가 매우 높아 별도의 전하 증폭기(Charge Amplifier)가 반드시 필요하고, 저노이즈 특수 케이블을 10m 이내로 사용해야 노이즈에 취약해지지 않습니다.
IEPE vs 피에조(전하출력형) — 한눈에 비교
두 방식은 감지 원리(PZT + 지진 질량)는 동일하지만, 신호를 꺼내는 방식과 DAQ 연동 방법이 완전히 다릅니다. 핵심 차이를 표로 정리했습니다.
| 구분 | 전하출력형 | IEPE(ICP®) |
|---|---|---|
| 출력 신호 | 전하(pC/g) | 전압(mV/g) |
| 출력 임피던스 | 매우 높음 | 낮음(<100Ω) |
| 필요 전원 | 없음(센서 자체는 무전원) | 정전류 파워 2~20mA(통상 4mA) |
| 케이블 | 저노이즈 특수 케이블, 10m 이내 | 표준 동축(BNC) 케이블, 수백 m 가능 |
| 연동 장비 | 전하 증폭기 필수 | IEPE 입력 DAQ 직결(DT9837 등) |
| 자가 진단 | 미지원 | 바이어스 전압으로 단선·과부하 자가 진단 가능 |
| 사용 온도 | 더 높은 온도까지 대응 가능 | 내장 전자부품 한계로 통상 120°C 이하 |
| 주요 용도 | 고온 특수 계측, 배터리 구동 장비 | 산업 현장 상태 모니터링, 정밀 진동 분석 전반 |
가속도센서 선정 시 확인해야 할 사양
측정 목적에 맞지 않는 센서를 선택하면 데이터 신뢰도 자체가 무너집니다. 아래 6가지 사양을 발주 전에 반드시 확인합니다.
- 1측정 주파수 범위 — 대상 진동의 최고 주파수가 센서 공진 주파수의 1/3~1/5 이내에 들어오는지 확인합니다. 베어링 고주파 결함 진단이라면 공진 주파수가 높은(수십 kHz) 모델이 필요합니다.
- 2감도(Sensitivity)와 다이나믹 레인지 — mV/g(IEPE) 또는 pC/g(전하출력) 감도값과 측정 가능한 최대 가속도(g)를 확인합니다. 저진동 정밀 계측은 고감도, 충격 계측은 넓은 다이나믹 레인지가 필요합니다.
- 3신호 출력 방식(IEPE vs 전하출력) — 보유하거나 도입할 DAQ의 입력 방식을 먼저 확인합니다. IEPE 입력 DAQ(DT9837 등)에는 IEPE 센서를, 전하 증폭기가 있는 시스템에는 전하출력형을 선택합니다.
- 4환경 사양 — PZT 소재 자체는 큐리온도(약 320°C)까지 압전 특성을 유지하지만 IEPE 내장 전자회로는 통상 120°C 이하로 제한되므로, 고온 설비라면 전하출력형+리모트 IEPE 컨버터 구성을 검토합니다. 방수·방폭 등급(IEC 60529 IP 등급 — 예: IP67 일시침수, IP68 영구침수), 케이블·커넥터 내구성도 실외·방폭 구역 등 현장 조건에 맞춰 확인합니다.
- 5측정 축 수(단축/3축) — 단일 방향만 필요하면 단축, 여러 방향을 동시에 봐야 하면 3축 일체형 또는 마운팅 큐브 구성을 검토합니다.
- 6무게·크기 및 캘리브레이션 이력 — 센서 무게는 측정 대상의 10% 이내로 유지하고, 개별 캘리브레이션 인증서(감도값)를 확보해 정기 재교정 주기를 관리해야 합니다.
진동센서 설치 방법 5가지
설치 환경·시험 목적에 따라 적합한 방법을 선택합니다. 방법에 따라 특히 고주파 성능에서 큰 차이가 있습니다.
직접 나사 체결 또는 절연 플랜지를 통한 스터드 마운팅. 가장 단단한 기계적 연결로 고주파 성능이 가장 우수합니다. 영구 또는 반영구 설치 포인트에 적합합니다.
자성 표면에 공구 없이 빠르게 착탈. 다수 측정 포인트 순회에 유리합니다. 단, 1~2kHz 이상 고주파에서 스터드 대비 성능 저하. 일반 기계 상태 감시(수백 Hz 이하)에 적합합니다.
밀랍(임시용), 시아노아크릴레이트(Loctite 454 등), 에폭시 접착제 사용. 비자성체·비금속 표면에도 적용 가능. 밀랍은 탈착 용이, 에폭시는 고주파 성능 양호하나 제거가 어렵습니다.
3개의 1축 가속도계를 X·Y·Z 방향으로 정확히 고정하는 큐브. 3방향 동시 진동 측정 및 진동 모드 분석에 사용합니다. 다채널 DAQ와 연동합니다.
영구 장착이 불필요한 점검용. 손으로 누르거나 이동식 팁으로 접촉. 접근이 어려운 좁은 공간에 유용하지만 재현성이 낮고 고주파 성능이 가장 낮습니다.
설치 방법 선택 가이드
→ 스터드 볼트 마운팅 필수
일상 기계 상태 감시 (ISO 10816)
→ 마그네틱 베이스 또는 접착제
비금속·비자성 표면
→ 에폭시·시아노아크릴레이트 접착
다수 포인트 빠른 순회 점검
→ 마그네틱 베이스 또는 프로브
3방향 동시 측정
→ 3축 마운팅 큐브 + 다채널 DAQ
설치 방법별 고주파 성능 비교
아래 그래프는 질량 증가 및 장착 강성 감소에 따른 각 장착 방법의 고주파 성능을 비교한 것입니다. 주파수가 높을수록 방법 간 차이가 커집니다.
| 설치 방법 | 고주파 성능 | 착탈 편의성 | 재현성 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 스터드 볼트 | ◎ 최우수 | ▲ 고정 | ◎ 최고 | 정밀 분석, 고주파 계측 |
| 절연 플랜지 | ○ 우수 | △ 공구 필요 | ○ 우수 | 전기 절연 필요 환경 |
| 마그네틱 베이스 | △ 중간 | ◎ 신속 | △ 중간 | 현장 순회 점검, 일반 기계 감시 |
| 접착제 | ○ 양호 | △ 탈착 제한 | ○ 양호 | 비자성체, 임시~반영구 설치 |
| 프로브 (손 압력) | ✕ 낮음 | ◎ 최고 | ✕ 낮음 | 접근 곤란 부위 간이 점검 |
진동센서 자주 묻는 질문
씨앤디테크에 자주 접수되는 진동 측정 및 가속도센서 관련 질문입니다.
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관련 기술자료 → 휴대용 진동측정기(ISO 10816) · 비틀림 진동 측정 · DAQ 시스템 · DT9837 IEPE DAQ