IEPE Accelerometer Saturation ; IEPE 가속도계의 포화

진동, 소음 계측기 전문 업체 싸이러스㈜입니다.
이번에는 “IEPE Accelerometer Saturation ; IEPE 가속도계의 포화”를 정리 하였습니다.

정상적인 충격 신호, 그림 1

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IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric) 가속도계
IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric) 가속도계는 압전소자(Piezoelectric element)를 사용하여 진동을 전하 신호로 변환하고, 내장된 증폭기를 통해 이 신호를 저 임피던스 전압 신호로 변환하여 출력합니다.

3056D2 가속도계 내부, 그림 2

 

IEPE가속도계의 포화(Saturation)란 무엇이며 그 원인은 무엇인가요?
• 포화 (Saturation): 압전형 가속도계(Piezoelectric Accelerometer)에서 생성된 출력 신호가 내장 증폭기(internal amplifier)의 최대 입력 범위를 초과할 때 발생하며, 이는 신호 왜곡(signal distortion)을 초래합니다.
  o 포화는 부정확한 측정을 야기합니다. 이 기간 동안 센서 출력은 정상 작동으로 돌아오기 전에 베이스라인 이동(baseline shifts)이나 신호 왜곡을 보일 수 있는 복구 기간(recovery period)을 포함합니다.
• 원인
  o 과도한 기계적 충격 또는 진동
      IEPE 가속도계는 어느 정도의 과입력 범위(overranging)를 허용하지만, 내장 증폭기는 차단(shutdown)되기 전까지 받아들일 수 있는 전하(charge)의 양에 한계가 있습니다.
  o 공진 (Resonance)
     고유 주파수(natural frequencies)가 가진(Excitation)되어 급격한 증폭을 초래합니다.
  O 부적절한 센서 선택
     선택한 적용 분야에 비해 감도(Sensitivity)가 너무 높습니다.
     일부 환경에서는 알려진 공진을 피하기 위해 기계적/전기적 필터링 (Mechanical/Electrical filtering)을 사용해야 할 수도 있습니다.

 

IEPE가속도계의 포화(Saturation)된 신호와 정상적으로 입력된 신호, 그림 3

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기계적 필터링 (Mechanical Filtering)
• 기계적 필터링: 압전 소자(Piezoelectric Element)를 특수 재질로 만들어진 지지대(supports)에 매달아(고정하여), 고주파(high frequency)가 소자 구조로 전파(propagation)되는 것을 막도록 설계한 방식입니다.
   o 이러한 유형의 구조는 감지 소자(sensing element)의 공진 주파수(resonant frequency)를 더 낮게 만듭니다 (예: 13kHz).
   o 이 공진은 매우 작은 품질 계수(quality factor, Q-factor)를 가지므로, 내장된 전기 필터(electrical filter)가 센서 출력을 평활화(smoothing)하여 원하는 선형 측정 범위(linear measurement range)를 달성할 수 있습니다.

 

• 장점: 이러한 설계 방식은 센서가 증폭기 포화(amplifier saturation)나 신호 과입력(signal overrange) 없이 고주파 가진(high frequency excitation)이 포함된 환경에서도 작동할 수 있게 합니다.
   o 높은 충격(high shock)이나 빠른 상승 시간(fast rise time) 이벤트 후에 발생하는 '제로 쉬프트(zero-shift, 영점 이동)'를 방지합니다

Frequency Response 비교 (3099A (filter내장) vs. 일반 가속도계, 그림 4

 

3143D10 가속도계 Frequency Response, 그림 5

 

Mechanical/Electrical Filter가 내장된 Dytran사 3143D10 가속도계는 위와 같이 10kHz이상에서 주파수 응답 특성이 일반 가속도계와 다릅니다.  


포화 방지 방법 (How to Avoid Saturation) ; 적절한 가속도계 선택
o 낮은 감도
     (나이퀴스트 주파수(Nyquist Frequency) 이상의 주파수까지 포함하여) 존재하는 모든 주파수 성분을 고려하여, 의도한 측정에 적합한 감도를 가진 가속도계를 선택하는 것이 필수적입니다.
    나이키스트 주파수 : 샘플링 주파수의 1/2 주파수

o 높은 공진 주파수
    측정값에 압전 감지 소자(Piezoelectric Sensing Element)의 지정된 공진 주파수에 근접한 주파수 성분이 포함된 경우, 압전 소자가 공진 상태가 되어 이 입력이 급격하게 증폭될 수 있습니다.
    압전 소자의 공진으로 인한 포화를 피하려면, 압전 감지 소자의 공진 주파수가 측정 입력 주파수 범위 밖에 있는 가속도계를 선택할 수 있습니다.

o 기계적/전기적 필터링
    장치의 감도나 압전 소자의 고유 주파수(natural frequency)로 피할 수 없는 고주파 성분이 존재할 경우, 압전 소자를 기계적으로 필터링하여 고주파 성분이 증폭기에 도달하는 것을 걸러낼 수 있습니다.

단축 Shock 시험용 가속도계 (3224A1, 3200B1, 3099A5), 그림 6

 

삼축 Shock 시험용 가속도계 (3603A3T, 3143D10), 그림 7

 

3603A3T.pdf

0.64MB

 

3143D10.pdf

0.26MB

 

3143D8.pdf

0.42MB

 

자세한 내용을 원하시면 sales@cylos.co.kr, 031-251-1905로 문의를 주시거나, 싸이러스 홈페이지를 참고하시기 바랍니다.

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 참고자료 (reference) : 
1. 싸이러스 홈페이지 (http://www.cylos.co.kr)
2. 다이트란 홈페이지 (http://www.dytran.co.kr)
3. Dytran by HBK 홈페이지 (http://www.dytran.com)
4. 싸이러스 네이버 블로그 (https://blog.naver.com/cylos_co)

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