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문제 정의
- 본 연구에서는 기기의 진동 계측이나 구조물의 진동계측에 이용할 수 있는 MEMS 3축 가속도 센서를 이용하여 진동 자극 시스템의 진동 주파수와 가속도를 측정할 수 있는 무선 진동 측정 시스템을 개발하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 3축 가속도 센서를 사용하여 무선 진동 측정 시스템을 구현하였다. LVDT 센서가 부착된 진동 자극 시스템을 이용하여 측정 주파수와 가속도의 정도를 확인하였다. 가속도 신호에서 주파수를 측정하는 데에 있어서는 정확한 주기를 판별하는 소프트웨어의 한계로 최대 0.
- 4의 (a)는 LVDT 센서를 이용한 데이터 획득 프로그램으로 1차적으로 1 kHz 저역통과필터 회로를 통과한 데이터들을 실시간으로 획득되도록 하였다. 그리고 획득된 데이터는 IIR(infinite impulse response) 60 Hz 저역통과필터로 노이즈를 제거한 후 디스플레이 되도록 하였다. 또한, 필터를 거친 신호를 미분하여 가속도 변화를 나타내었으며, 가속도의 변화 값으로 주파수를 측정하도록 하였다.
- 유선통신을 이용하여 데이터를 측정하는 경우 무선 통신을 이용할 때와 비교하여 데이터의 손실이 적기 때문에 보다 정확하게 데이터를 획득할 수 있지만 움직이는 물체에 측정을 위한 배선이 연결되는 것은 측정 오차를 가중시킨다. 따라서 본 시스템은 측정하는 진동 주파수와 가속도 신호를 소형, 저전력으로 구동할 수 있는 회로를 사용하여 무선통신을 이용하여 전송하도록 설계하였다. 무선 통신부는 데이터를 전송하는 송신부와 데이터를 수신하는 수신부로 구성하였다.
- 그리고 획득된 데이터는 IIR(infinite impulse response) 60 Hz 저역통과필터로 노이즈를 제거한 후 디스플레이 되도록 하였다. 또한, 필터를 거친 신호를 미분하여 가속도 변화를 나타내었으며, 가속도의 변화 값으로 주파수를 측정하도록 하였다. Fig.
- 본 논문에서는 3축 가속도 센서를 사용하여 무선 진동 측정 시스템을 구현하였다. LVDT 센서가 부착된 진동 자극 시스템을 이용하여 측정 주파수와 가속도의 정도를 확인하였다.
- 송신부에서는 3축 가속도 센서에 의해 획득한 데이터를 8051core를 기반으로 구현된 SoC 칩인 nRF24LE01(NORDIC Semiconductor Co., Norway) 에 내장된 8-bit MCU (microprocess control unit)으로 데이터를 획득하고 처리하여 2.4 GHz 무선 통신 송신부를 통하여 전송하였다. 데이터 획득 모듈의 전원부는 소형화 및 효율을 고려하여 소형 직류-직류변환기(DC-DC Converter) 소자인 MCP1252(Microchip Technology Co.
- , USA)를 사용하였다. 수신부에서는 전송 받은 데이터를 컴퓨터로 전송하기 위하여 CP2102(Silicon Laboratories Co., USA) 칩을 사용하여 UART(universal asynchronous receiver and transmitter) 통신을 할 수 있게 설계하였다. 본 연구에 의해 구현된 무선 진동 측정 시스템의 구성도와 사용된 부품들의 특징을 Fig.
- , USA)를 이용하여 신호 처리 프로그램을 개발하였다. 위치 측정의 기준으로 LVDT(LDC500C, RDP Electrosense Co., USA) 센서를 사용하였고, 개발한 진동측정시스템에서의 가속도 센서와 각각 주파수 및 가속도를 전송 처리하는 프로그램으로 구성되었다.
- 타 연구자에 의해 실험에 사용된 진동 시스템에 인가하는 주파수 및 가속도를 Table 2에 정리하였다[1, 11-15]. 이를 바탕으로 17 Hz, 30 Hz, 45 Hz, 50 Hz의 진동 주파수와 0.3 g, 0.6 g, 1 g, 2 g의 가속도를 진동 자극 시스템에 인가하여 측정 시스템을 평가하였다.
- 측정값을 비교평가 할 수 있도록 정밀하게 위치를 측정할 수 있는 LVDT 센서를 진동 자극 시스템에 부착하고 측정한 위치로부터 각각 40회 반복 계측한 후 진동 주파수와 가속도의 크기를 도출하고 3축 가속도계의 측정값과 비교·검토 함으로써 진동 측정 시스템의 정도를 평가하였다. 주파수와는 달리 진동 가속도의 경우는 크기가 큰 진동판의 경우 분할진동이나 좌우요동이 발생할 수 있어서 기준값과 일치가 어렵기 때문에 추가적으로 진동 측정 시스템을 설치하여 그 차이를 통계적인 기법을 적용하여 평가하였다.
- 중력가속도를 기준으로 가속도 크기가 일치되도록 조정한 2세트의 진동 측정 시스템을 진동 자극 시스템의 두 지점에 부착하여 가속도의 차이가 없는가를 측정하였다. 측정값은 통계적인 기법으로 분석하여 시스템의 uniform stimulation 을 평가하였다.
- 무선 진동 측정 시스템의 유용성을 평가하기 위하여 다음과 같이 실험을 진행하였다. 진동 자극 시스템에 인가하는 주파수 및 가속도를 설정하기 위하여 타 연구자들에 제시된 실험 프로토콜에서 많이 사용하였던 주파수와 가속도를 토대로 평가를 수행하였다. 타 연구자에 의해 실험에 사용된 진동 시스템에 인가하는 주파수 및 가속도를 Table 2에 정리하였다[1, 11-15].
- 진동 측정 시스템의 데이터 획득하고 분석하기 위하여 LabView(LabView 2009, National Instrument Co., USA)를 이용하여 신호 처리 프로그램을 개발하였다.
- 측정값을 비교평가 할 수 있도록 정밀하게 위치를 측정할 수 있는 LVDT 센서를 진동 자극 시스템에 부착하고 측정한 위치로부터 각각 40회 반복 계측한 후 진동 주파수와 가속도의 크기를 도출하고 3축 가속도계의 측정값과 비교·검토 함으로써 진동 측정 시스템의 정도를 평가하였다.
대상 데이터
- 가속도 측정에 있어서 t-검정 결과를 살펴보면 2세트의 진동 측정 시스템의 측정치가 차이를 유의확률 p 값이 0.05 미만이 될 때 까지 데이터 획득을 하였다. 0.
- 4 GHz 무선 통신 송신부를 통하여 전송하였다. 데이터 획득 모듈의 전원부는 소형화 및 효율을 고려하여 소형 직류-직류변환기(DC-DC Converter) 소자인 MCP1252(Microchip Technology Co., USA)를 사용하였다. 수신부에서는 전송 받은 데이터를 컴퓨터로 전송하기 위하여 CP2102(Silicon Laboratories Co.
데이터처리
- LVDT 변위 센서와 진동 측정 시스템을 사용하여 40회의 반복 측정으로 데이터를 획득한 후 측정한 주파수의 평균, 표준편차, t-검정 등을 분석하여 제작한 시스템의 유용성을 평가하였다.
- 개발된 시스템의 유용성을 평가하고자 사용된 통계 프로그램은 MiniTAB 16.0(Minitab, Inc., USA)과 SPSS 18.0(IBM SPSS Co., USA)을 사용을 하여서 분석하였다.
- 가속도의 경우는 중력가속도를 이용하여 충분한 정확도를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 개발한 진동측정기를 동물 실험용 진동 자극 시스템의 진동판 중심부와 외각의 두 곳에 부착하여 가속도의 차이를 평가하는데 적용하였으며, 통계적 분석을 이용하여 유의수준 5 % 미만에서 0.0005 g 정도의 차이를 파악하였다.
- 중력가속도를 기준으로 가속도 크기가 일치되도록 조정한 2세트의 진동 측정 시스템을 진동 자극 시스템의 두 지점에 부착하여 가속도의 차이가 없는가를 측정하였다. 측정값은 통계적인 기법으로 분석하여 시스템의 uniform stimulation 을 평가하였다.
- , USA)을 사용을 하여서 분석하였다. 통계적인 파라미터는 평균(mean), 표준편차(SD, standard deviation), 상관분석법인 독립표본 t-검정을 이용하여 비교 분석하였다. t-검정은 일반적으로 두 실험군의 평균값의 차이를 보는데 사용하는 방법이지만 이 실험에서는 측정치의 일치를 위하여 조정하는데 사용하였다.
성능/효과
- 2세트의 진동 측정 장치로 측정한 가속도의 평균을 비교한 결과 0.0005 g 차이로 유사함을 확인 할 수 있었다.
- 1Hz 차이로 유사함을 확인 할 수 있었다. 그리고 표준편차의 결과를 살펴보면 0.08 Hz 이하로 분포하는 것으로 나타났다. 두 번째, t-검정을 LVDT 센서의 측정결과와 3축 가속도 센서에서 측정한 주파수의 결과를 비교·분석한 결과 Table 3에 제시하였다.
- 0005 g 의 차이로서 진동인가 시스템에 있어 유의한 오차가 있다고 볼 수 있으나 그 절대치는 계기 오차 수준 미만임을 알 수 있다. 따라서 진동 자극 시스템의 정도를 평가함에 있어 본 연구에서 구현한 무선 진동 측정 시스템 2세트를 사용하여 위치에 따른 가속정도가 충분함을 평가할 수 있었다.
- 본 연구에서 구현한 3축 가속도 센서를 이용한 무선 진동 측정 시스템은 주파수와 가속도를 측정함에 있어 충분한 정확성을 가지고 있으면서도 다양한 설치 상황에 편리하게 적용할 수 있었다.
- 이러한 결과들은 진동 측정 시스템의 가속도 측정이 정밀하게 계측됨을 확인 할 수 있었고 진동 자극 시스템의 진동판 양측에 인가되는 가속도의 차이가 없는 것을 확인하였다.
- 주파수 측정에 있어서 t-검정 결과를 살펴보면 양 측정치 모두 인가 주파수와 일치된 값을 측정함을 알 수 있다.
- 평균 및 표준편차를 살펴보면 평균의 경우에는 두 센서에서 측정한 주파수의 값을 비교한 결과는 최소 0.01 Hz 에서 최대 0.1Hz 차이로 유사함을 확인 할 수 있었다. 그리고 표준편차의 결과를 살펴보면 0.
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