【중급 정비기술 강의/진동파를 이용한 인젝터의 진단】
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【중급 정비기술 강의/진동파를 이용한 인젝터의 진단】
  • cartech
  • 승인 2002.05.01 10:39
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김인옥<경기 오산 그린카프라자 대표> 어떤 물체가 기준 위치에 대해 반복운동을 할 때 그 물체는 진동한다고 말하며, 물리적인 의미의 진동은 같은 시간 간격으로 되풀이 되는 모든 운동을 주기운동 혹은 조화운동(harmonic motion)이라고 한다. 이 주기운동을 하는 입자가 운동하는 경로마저 같을 경우 이 운동을 진동이라 한다. 우리들이 매일 접하는 자동차에도 이런 진동을 감지하는 것이 있다. 모두 알고 있다시피 노킹(knocking)센서가 그 것이다. 노킹센서가 무슨 일을 하는 센서인지 논하는 것은 이젠 따분한 얘기라 할 수 있을 정도로 많이들 알고 있다. 이 노킹센서를 이용해 인젝터 등과 같이 진동을 수반하는 부품들의 정상작동 여부를 확인하는 방법을 알아보고 더불어 진동과 압전, 피에조 효과란 무엇인지 다시 한번 생각해 보기로 하자. <그림 1> 압전소자와 노킹센서 진동을 측정하는 이유 진동의 예로는 음악시간에 배웠던 타악기 등과 바이올린 줄의 진동 등 음파가 통과해 갈 때 일어나는 공기분자의 진동 등을 연상할 수 있다. 진동은 기준 위치에 대해서 다시 그 위치로 돌아오는데 걸리는 시간을 주기라고 말한다. 1초 동안에 완전한 운동 주기가 일어나는 횟수를 주파수라고 말하며, 단위는 역시 Hertz(Hz)를 사용한다. 진동은 어려서 학교에서 보아온 소리굽쇠와 같이 하나의 주파수에서 발생되는 단일 성분으로 구성되거나, 또는 연소실의 피스톤 운동과 같이 동시에 다른 여러 개의 주파수에서 발생되는 여러 성분들로 구성된다. 실제 대부분의 진동 신호는 동시에 일어나는 매우 많은 주파수들로 구성되어 있으므로 구성되는 주파수 성분과 어떤 주파수에서 진동이 발생되는가를 아는 것은 어렵다고 할 수 있다. 진동은 진폭-시간 혹은 진폭-주파수의 관계로 나타낸다. 대개 진폭-시간의 관계로 진동을 나타내기도 하지만 이 경우 복잡한 진동 신호의 경우 그 구성 주파수와 진동을 발생시키는 주파수를 찾는 것은 매우 어렵다. 따라서 이 관계를 진폭-주파수로 변환시켜 관찰하는데 이처럼 진동신호를 각각의 주파수 성분으로 분리하는 것을 주파수 분석이라고 한다. 이 주파수 분석은 진동을 측정해 해석하는 기본적인 기술이다. 엔진에서 또는 차체에서 발생하는 진동과 소음의 주파수 특성에 따라 문제부위를 찾는 방법은 예전부터 연구되어지고 있는 모양이다. 진동을 측정하는 데에는 여러 가지 이유가 있을 수 있다. 그 이유를 몇 가지 생각하면 우선 진동 시험(Vibration Testing), 노킹센서와 같이 기계의 고장진단(Fault Diagnosis)과 모니터링(Monitoring), 구조해석(Structural Analysis) 등과 같은 이유로 측정한다. '진동시험'이란 생산된 제품이 실제 상황에서 만날 수 있는 진동을 얼마나 견뎌낼 수 있는가를 시험하기 위한 것일 것이고 제품에 정해진 양의 진동을 주고 그때의 제품 상태를 조사해 제품이 견뎌낼 수 있는 진동의 수준을 결정하게 된다. 진동을 측정하는 두 번째 이유는 기계의 고장진단과 기계의 상태를 파악하기 위한 것이다. 이는 기계의 상태를 계속적으로 조사해, 향후 발생할 수 있는 문제에 대해 미리 대처할 수 있도록 해준다. 세 번째는 구조물(예를 들어 다리와 같은 건축물도 해당된다)의 동적 특성을 실험적으로 파악하기 위해 진동을 측정 한다. 압전소자를 이용한 진동 측정방법 기계진동의 측정에 가장 보편적으로 사용되는 압전소자(Piezoelectric Material)를 이용한 진동을 측정하는 방법에 관해 알아보기로 하자. 압전소자는 피에조 전기소자라고도 하는데 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나다고 한다. 이들에서는 어떤 외압을 가하면 압전기 결정판에는 고유의 진동이 있고 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전기와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다는 사실도 발견되었다.(압전기란 어떤 종류의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양 ·음의 전하(電荷)가 나타나는 현상인데 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie; 1859~1906) 형제가 처음 발견했다. 이후 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우 그 양이 크게 증대된다는 것이 알려졌다) 그리고 이들 현상을 이용하는 여러 가지 발명이 뒤따라 마이크로폰이나 전축의 픽업에는 로셸염, 전화기나 라디오의 스피커, 초음파 탐지기, 수정시계의 진동자, 방송기기, 원거리 통신회로 등에는 수정과 티탄산바륨 등이 압전소자로서 많이 사용되고 있다. 특정 물질(고체)에 기계적인(mechanical) 압력을 주면 기전력이 발생하는데 이러한 물질을 압전소자라 하고 그러한 현상을 압전현상(piezoelec

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