제조 공정에서는 진동을 측정하기 위해 가속도 센서를 이용하여 제품의 불량을 검수하는 작업을 하게 된다. 예를 들어 변속기 생산 후 품질을 검사하기 위해 변속기를 회전시켜 진동을 발생시키는데, 가속도 센서를 부착하여 진동 신호를 수집한다. 부착한 가속도 센서는 진동을 검출하고, 검출한 신호로 주파수 분석을 하게 된다. 이때 정상품 신호와 불량품 신호의 차이로 제품의 양/불량을 진단할 수 있다.
모듈형 진동 센서는 일반적으로 사용되는 부착식, 조립형 센서가 아닌 접촉식 센서로, 공정에서 센서를 부착하는 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 그렇지만 접촉식이기 때문에 제품이 모든 진동 신호를 수집할 수 없다는 단점이 있다. 본 논문에서는 모듈형 진동 센서의 모델을 확립하여 제품의 신호와 모듈형 진동 센서의 신호를 분석하고 분석 시에 발견한 오차의 원인을 찾고, 모듈형 진동 센서의 설계 및 제작을 위한 도구를 개발하는 것을 목표로 한다.
모듈형 진동 센서의 진동학적 모델을 수립하고, 모델을 구성하는 진동학적 요소의 차이가 수집 신호에 어떠한 영향을 미치는지 분석한다. 이를 위하여 MATLAB R2022b 버전을 활용하여 Runge-Kutta 수치해석법과 FFT를 이용하여 시뮬레이션을 진행한다.
진동학에서 강성과 감쇠 성분이 병렬로 형성되어 있는 모델이 가장 일반적인 1-자유도 모델이다. 질량, 강성, 감쇠의 세 가지 요소로 이루어져 있는데, 이를 직렬로 연결하면 다자유도 모델이 된다. 다자유도 모델을 변형한 모델과 1-자유도 모델, 강성과 감쇠 성분이 직렬 배치인 Maxwell 모델 등 여러 가지 모델을 비교하여 모듈형 진동 센서의 응답에 적절한 모델을 선정한다.
이를 위하여 Runge-Kutta 방법을 이용하여 여러 파라미터들에 대하여 모델의 응답을 비교한다. 여러 가지 모델에 대한 미분방정식을 MATLAB에서 ODE 함수(Runge-Kutta 방법)를 이용하여 해석한다. 먼저 1-자유도 시스템에 대하여 ODE 함수가 정상적으로 작동하는지 확인하고, 다른 모델에 대해서도 적용하여 시간 영역 응답에서 최적의 그래프를 형성하는 모델을 선정한다. 그 후 생성된 시간 영역 응답을 주파수 영역 응답으로 변환하여 외력으로 인한 피크에 대해서 정상 응답하는지 검증한다.
이 도구를 활용하여 접촉식 모듈형 진동 센서의 응답성을 최적화하는 파라미터들의 값을 찾는다. 모듈형 진동 센서에서 사용하는 부품의 물리적 특성을 파악하여 선정을 위한 파라미터의 범위를 특정하고 범위 안의 파라미터를 단계로 나누어 모델에 적용한다. 이 결과를 서로 비교하여 특정 피시험체를 검사하기 위한 특정 모듈형 진동 센서를 제작하기 위한 적합한 파라미터 값을 도출한다.