광간섭 신호 고조파 성분분석을 이용한 가속도계의 위상 감도 평가 및 응용

Abstract

움직이는 모든 물체는 진동을 수반한다. 기계 장치나 구조물 등에서 진동은 설계 단계에서 고려되지 않은 경우가 많으며 대부분의 경우 원치 않는 현상이다. 이와 같이 불필요한 진동으로 인해 고장 또는 오동작이 유발되며 진동을 억제하기 위한 부가적인 노력이 소요된다. 진동을 감소시키기 위해서는 진동 발생의 원인, 전달 경로 및 기계 구조물의 동특성 등을 파악하여야 하며 이러한 과정에 필수적인 요소가 진동계측이다. 가동중인 기계는 반드시 진동을 수반하므로 진동신호를 감시함으로써 기계의 상태변화를 감지할 수 있으므로 기계나 구조물의 파손 방지 또는 예방 보수 등의 목적하에 진동 측정이 이루어지기도 한다. 근래에 들어 교량, 빌딩 등 구조물의 초대형화화 기계 부품의 초고속, 경량화 추세에 따라 이에 수반되어 발생되는 진동의 주파수 성분은 저주파 및 고주파 영역으로 확대되고 있다.이와 같이 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 높은 정밀도로 진동을 측정하려는 요구가 증가하면서 진동센서(vibration transducer)의 교정(calibration)이 점점 중요해지고 있다. 가속도계(accelerometer)를 사용하여 진동을 측정하고자 하는 경우 외부의 진동에 대한 가속도계의 응답특성을 올바로 알고 있지 않으면 원하는 진동을 정확히 측정할 수 없다. 가속도계는 외부의 진동을 전기적 출력으로 변환해주는 장치이다. 가속도계에 가해지는 진동의 크기와 가속도계로부터의 전기적 출력의 비를 알고 있으면 진동 신호의 절대적인 크기를 측정할 수 있다. 이와 같은 특성을 나타내는 것이 가속도계 감도(sensitivity)의 크기(magnitude) 정보이다. 가속도계에 가해지는 진동과 가속도계의 전기적 출력 사이에는 위상 지연(phase delay)이 존재한다. 이러한 위상 지연을 가속도계 감도의 위상 정보(phase information)이라 한다. 가속도계 감도의 크기와 위상은 주파수의 함수이다. Figure 1-1은 가속도계의 이러한 특성을 설명하고 있다. 가속도계 감도의 크기와 위상 정보를 이용하면 측정 신호로부터 실제 발생되는 진동을 완벽히 찾아낼 수 있다. 본 논문에서는 절대 교정 방법으로 가속도계의 위상 감도를 평가하는 간단한 방법을 제안하였다. 이 방법은 사인 근사법등의 다른 절대 교정 방법에서 사용되는 것과 동일한 호모다인 간섭계를 사용한다. 본 논문에서는 기존과 다른 신호처리 방법을 사용한다. 가속도계가 정현 진동 하에 있다고 가정할 때, 간섭계에서 얻어지는 신호의 푸리에 변환을 통해 주파수 영역에서 고주파 하모닉 성분들의 위상들을 선형 보간하여 초기 위상을 결정하였다. 실험 결과는 이론 및 다른 표준 방법과 잘 일치하였으며, 본 방법은 가속도계의 위상 교정을 평가하는 새로운 표준법이 될 수 있을 것으로 기대한다.