부산대학교 - NI LabVIEW로 FFT 분석기 모듈 개발하기

Author(s):
최기수 석사과정 - 부산대학교 소음진동실험실

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
기존 분석기의 경우 계측 시스템을 구축하기 위한 비용이 만만치 않고 부피가 커 실제 산업현장에서 사용하는데 불편한 점이 많다.

The Solution:
FFT 분석기의 인터페이스 환경을 구축하였다. 기존의 분석기 시스템과 차별화를 두기 위해 데이터 수집 및 분석을 위한 모듈과 시험 구조물의 모드 특성을 가시화하기 위한 모듈로 구성하여 보다 편리한 계측 시스템을 마련하였다.

요약
시스템의 동적 특성을 분석하기 위한 방법으로 가장 널리 사용되는 것이 고속 푸리에 변환(FFT)이다. 그 중 충격해머를 이용한 진동시험은 실험절차가 간단하고 편리해 구조물의 모드해석을 위한 대표적인 방법 중 하나이다. 본 솔루션에서는 이러한 원리를 적용하여 FFT 분석기의 인터페이스 환경을 구축하였다. 기존의 분석기 시스템과 차별화를 두기 위해 데이터 수집 및 분석을 위한 모듈과 시험 구조물의 모드 특성을 가시화하기 위한 모듈로 구성하여 보다 편리한 계측 시스템을 마련하였다.

개발 배경
 Easy & Simple : 보다 쉽고 간편하게
 Fast & Accurate : 보다 빠르고 정확하게
 Excellent & Luxury : 보다 우수하고 고급스럽게
 Economical & Moderate : 보다 경제적이고 저렴하게

기존 분석기의 경우 계측 시스템을 구축하기 위한 비용이 만만치 않고 부피가 커 실제 산업현장에서 사용하는데 불편한 점이 많다. 또한 제공되는 프로그램의 구동이 복잡하고 GUI 환경이 고정되어 있어 유저가 인터페이스에 적응하지 않으면 안된다. 그러므로 본 모듈은 실험의 주체가 사람이라는 점에 입각하여 최대한 간단하고 편리한 환경을 구축하는 데 목적을 두었고, 각 항목에는 도움말을 두어 처음 보는 사람도 쉽게 사용할 수 있도록 하였다. 뿐만 아니라 실험용도가 극히 제한되어 있던 타사의 시스템과는 대조적으로 NI 솔루션은 광범위하게 적용할 수 있어 보다 여러 분야에서 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

본론
LabVIEW를 이용하여 개발한 모듈은 크게 FFT 분석기 모듈과 모달 비주얼라이저 모듈으로 나뉜다. FFT 분석기에서는 A/D보드를 통해 입력 받은 신호를 분석하고 그 결과를 화면상에 띄워 사용자가 원하는 스펙트럼을 볼 수 있게 구성하였다. 핵심적인 부분은 분석한 데이터를 평균화하기 위해 기능적 로컬변수를 둔 점과 두 개의 While 루프를 사용했을 때 첫 루프에서 얻은 값을 분석한 후 다음 입력의 유무와 상관없이 선형, 로그 및 dB 등의 스케일 변환과 스펙트럼의 선택 등을 원활하게 하기 위해 큐 동작을 사용한 것으로써, 기존의 계측 시스템의 장점을 그대로 구현하였다. 가장 중요한 것은 데이터 분석의 신뢰도를 위해 LabVIEW에서 제공하는 FFT 함수가 아닌, 직접 FFT 알고리즘을 구성하여 서브 VI 형태로 만든 것이다. LabVIEW에 포함된 FFT 함수의 경우 스펙트럼을 얻기 위한 과정이 모두 비슷함에도 불구하고 같은 연산을 반복하도록 되어 있어 리소스 낭비가 심하지만 직접 구성한 코드는 중복되는 과정을 최대한 배제하고 분석된 결과를 원하는 형태로 쉽게 출력할 수 있어 시스템 분석에 훨씬 효과적이다. 개발한 모듈의 구성은 다음과 같다.

그림 1. FFT Analyzer 모듈의 프런트패널 및 블록다이어그램

그림 2. 모달 비주얼라이저 모듈 프런트패널 및 블록다이어그램

FFT Analyzer 모듈은 4가지 상태를 케이스로 두어 선택할 수 있게 하였고 MODE 불리언을 클릭하면 Modal Visualizer 모듈이 실행되어 분석한 데이터를 이용해 구조물의 주파수에 따른 모드 형상을 애니메이션으로 가시화한다. 여기에서는 구조물의 형상 정보가 필요하기 때문에 CAD/CAM 툴을 이용하여 외부에서 모델링한 것을 불러오거나 모듈 상에서 직접 간단하게 모델링할 수 있도록 제작하였다. 신뢰도 검증을 위해 기존의 계측기에서 측정된 값과 비교하여 그림 3에 나타내었고, Nastran 해석결과와 비교한 그림을 그림 4에 나타내었다.

그림 3. 수집된 데이터와 분석된 데이터의 비교

그림 4. Nastran과 비교한 modal shape

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
테스트 결과 충분히 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있었다. 개발된 솔루션을 이용함으로써 기존의 시스템에서 문제였던 고가의 비용적 측면을 해결할 수 있고 실험 후 모드형상을 가시화하기 위해 Fortran 및 Tecplot 등 다른 프로그램을 이용해야 했던 불편함을 모두 한 모듈 내에서 손쉽고 간단하게 구현할 수 있어 시간적으로도 훨씬 효율적일 것으로 짐작한다. NI 솔루션의 장점을 정리하면 다음과 같다.

① 실험을 위한 시스템 구축 비용이 기존에 사용하던 타사 제품보다 훨씬 저렴하다.
② 인터페이스 구성의 자유도가 뛰어나 GUI 환경을 개발자가 원하는 대로 설계할 수 있다.
③ 수집 및 분석된 데이터의 신뢰도가 높고 신호처리와 관련한 학습에 도움이 된다.

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최기수 석사과정
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