상태 기반 모니터링(condition-based monitoring, CbM)용으로 MEMS 가속도계를 선택할 때 흔히 간과하기 쉽지만 중요하게 고려해야 하는 파라미터로 어떤 것들이 있을까. 결론부터 말하자면 g 범위, 대역폭, 공진 주파수가 그러한 파라미터들이다. 이들 파라미터가 너무 낮거나 충분하지 않으면 측정 결과에 원치 않는 영향을 미칠 수 있다.
 
MEMS 가속도계(MEMS accelerometer)는 결함 조건을 감지하고 예기치 않은 가동 중단이나 그 밖에 다른 금전적 손해가 발생할 수 있는 사고를 예방하는 데 있어서 중요한 역할을 한다.

상태 기반 모니터링(CbM)에 사용하기 위한 센서를 선택하고 설치해야 하는 임무를 맡은 엔지니어라면, 이러한 센서를 선택할 때 여러 중요한 파라미터들을 꼼꼼히 따져보아야 하는데 이것들은 대수롭지 않게 넘기기 쉽다.

이 글에서는 MEMS 가속도계를 선택할 때 염두에 두고 중요하게 고려해야 할 것들을 알아본다.

■ 상태 기반 모니터링(CbM)

CbM은 기계 시스템에 어떠한 결함이나 손상이 발생했는지 여부를 센서들을 사용해서 모니터링하는 프로세스이다. 볼 베어링, 기어, 펌프, 그 외 많은 애플리케이션에서 결함을 모니터링하기 위해서 CbM을 사용한다.

최적의 모니터링을 위해서는 다양한 방식의 센서들을 조합하여 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 센서들을 사용하여 조기에 어떠한 이상을 감지하고 조치를 취함으로써 손상이나 고장을 미연에 방지할 수 있다.

CbM을 도입하면 예방정비(predictive maintenance, PdM)가 가능하다. 예방정비는 센서들이 수집한 데이터를 기반으로 시스템에서 발생할 가능성이 있는 결함을 예측할 수 있다. 이는 가동 중단을 줄이고 운영 효율을 높이는 데 도움이 된다.

CbM은 가속도계, 온도 센서, 자기계, MEMS 마이크 같은 각종 정교한 센서들을 사용하는데, 이 글에서는 MEMS 가속도계에 초점을 맞춰서 살펴보기로 한다.

■ MEMS 가속도계

MEMS 가속도계는 기계적 진동을 전기 전압이나 디지털 값으로 변환한다. 이 MEMS 센서는 커패시터를 형성하기 위해 연동되는 가동형 실리콘 소자와 고정형 실리콘 소자들로 구성된다(그림 1a). 기계적 움직임이 있으면 가동형 소자가 고정형 소자를 향해서 이동한다.

이 구조는 측정된 힘으로부터 가속도를 계산할 수 있는 질량-스프링 시스템(mass-spring system)으로 수학적으로 설명할 수 있다.

아날로그 MEMS 센서(그림 1b)는 이것을 전압으로 변환한다. 디지털 센서는 추가적으로 아날로그-디지털 컨버터를 사용해서 디지털 값을 출력한다(그림 1c).

아나로그디바이스(Analog Devices)는 다양한 MEMS 가속도계 제품을 제공하는데, 여기에는 낮은 잡음 플로어, 높은 대역폭, 그리고 여러 축을 특징으로 하는 센서 제품들이 포함된다.
 

■ CbM용 MEMS 가속도계 선택 시 고려해야 할 주요 파라미터들

○ g 범위

MEMS 센서의 g 범위는 시스템에서 발생하는 모든 가속도를 커버할 수 있도록 선택해야 한다. 만약에 센서의 g 범위가 낮으면 신호가 잘릴 수 있다. 이는 측정 결과에 비대칭적인 신호/오프셋을 초래하여 가속도를 잘못 계산할 수 있다. 여기서 중력 가속도(1g)는 흔히 무시한다.

○ 대역폭

시스템에서 가속도가 일어나는 주파수는 대역폭과 결부하여 함께 고려해야 한다. CbM 애플리케이션에서는 볼 베어링이나 펌프 등과 관련한 결함을 조기에 감지하는 것이 중요하다. 초기에는 결함 징후가 보통 고주파수로 나타난다. 그러므로 선택한 센서의 대역폭이 너무 낮으면 결함을 감지하지 못할 수 있다. 이러한 애플리케이션에서 가속도는 주파수의 제곱 함수로 나타난다. 예를 들어 250nm와 1kHz의 변위에서 실제 가속도는 1g이다. 만약 이 변위가 10kHz에서 발생하면 결과적인 가속도는 100g로서 100배 더 높게 된다. 이는 시스템에서 결함을 조기에 발견하기 위해서는 대역폭이 충분히 높고 g 범위가 적정한 센서를 선택해야 한다는 것을 뜻한다. 중요도 높은 애플리케이션에 사용할 수 있도록, ADI는 최대 24kHz 대역폭과 500g를 특징으로 하는 센서 제품들을 제공한다.

○ 센서 공진 주파수

대역폭과 관련해서 고려해야 할 또 다른 요소는 센서의 고유 공진이다. 센서의 공진 주파수에서 가속도가 발생하면 증폭이 일어나는데, 최악의 경우에 이는 이용 가능한 신호를 왜곡하고 그럼으로써 잘못된 측정 결과로 이어질 수 있다. 이 문제에 대한 해결책은 시스템에 기계적 댐핑/필터링을 하는 것이다. 결함이나 이상을 조기에 감지하기 위해서는 대역폭과 더불어 낮은 잡음 플로어도 중요하다. 우수한 MEMS 가속도계는 잡음 플로어가 100 g/√Hz 이하이다. 

MEMS 가속도계 규격에 대한 전반적인 개요는 ‘가속도계 규격 - 간단하게 알아보는 정의’에서 확인할 수 있다.

■ 맺음말

MEMS 가속도계는 이제 압전 센서에 대한 훌륭한 대안으로 부상했다. 최대 24kHz의 높은 대역폭과 낮은 잡음 플로어를 특징으로 하는 MEMS 가속도계 제품들을 이용할 수 있다.

MEMS 가속도계는 결함이 시작하는 것을 예측하고 감지하는 데 적합한 솔루션으로서, 시스템 고장률을 낮추고 그에 따른 비용을 절감할 수 있게 해준다. ADI는 CbM 애플리케이션용으로 ADXL100x와 ADXL356/ADXL357을 비롯한 다양한 센서 제품들을 제공한다. ADI의 가속도계 제품 페이지에서는 더 많은 MEMS 가속도계 제품들을 볼 수 있다.

※ 저자 소개

벤자민 레이스(Benjamin Reiss), FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

벤자민 레이스(Benjamin Reiss)는 2017년 4월부터 독일 뮌헨 소재 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 재직하고 있다. 2016년에 에를랑겐에 위치한 프리드리히-알렉산더 대학에서 나노테크놀로지를 전공으로 석사학위를 취득했다. ADI에서 수습 과정을 마치고 뮌헨 지사에 합류해서 FAE로서 다양한 시장 분야를 맡고 있다.