KR100844173B1 - Ultrasonic transducer for measuring property of fruit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 과실의 물성 측정을 위한 초음파 탐촉자에 관한 것으로서, 초음파 투과법으로 경도 등 과실의 물성 측정을 위하여 과실에 직접 접촉시켜 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신할 수 있는 과실용 송, 수신 초음파 탐촉자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 과실의 물성 측정을 위하여 과실의 표면에 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신하기 위한 과실용 송, 수신 초음파 탐촉자에 있어서, 케이싱과; 상기 케이싱의 후단에 설치된 커넥터와; 상기 케이싱의 내부에 내설되고 상기 커넥터와는 와이어를 통해 연결되는 원형의 압전소자와; 상기 케이싱에서 압전소자의 후방에 내설되어 압전소자의 진동을 제한하는 댐퍼 역할의 후면재와; 과실의 표면과 직접 접촉하게 되는 부분으로 상기 케이싱의 전면에 설치되어 상기 압전소자의 전방에 위치되는 전면 정합층 부재;를 포함하여 구성되고, 상기 전면 정합층 부재의 전면에 해당하는 과실 접촉 부분은, 초음파 집속 효과 및 초음파 투과 효율을 높이면서 초음파 누설이 최소화될 수 있도록, 과실 표면의 곡면과 매칭될 수 있는 곡면 구조로 된 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an ultrasonic probe for measuring the physical properties of the fruit, an ultrasonic permeation method for measuring the physical properties of the fruit, such as hardness by injecting the ultrasonic wave directly into contact with the fruit to receive the ultrasonic wave transmitted through the fruit, Relates to a receiving ultrasonic transducer. The present invention is a fruit song, receiving ultrasonic probe for receiving ultrasonic waves incident on the surface of the fruit and transmitted through the fruit for measuring the physical properties of the fruit, the casing; A connector installed at a rear end of the casing; A circular piezoelectric element internal to the casing and connected to the connector through a wire; A backing member which is installed at the rear of the piezoelectric element in the casing and serves as a damper for limiting vibration of the piezoelectric element; And a front mating layer member disposed on the front surface of the casing and positioned in front of the piezoelectric element. The fruit contact portion corresponding to the front surface of the front mating layer member includes In order to minimize the ultrasonic leakage while increasing the ultrasonic focusing effect and the ultrasonic transmission efficiency, it is characterized in that the curved structure that can be matched with the curved surface of the fruit surface.
과실, 물성 측정, 초음파, 탐촉자, 트랜스듀서, 센서, 압전소자, 전면 정합층, 후면재 Fruit, physical property measurement, ultrasonic wave, transducer, transducer, sensor, piezoelectric element, front matching layer, back material
Description
도 1은 본 발명에 따른 초음파 센서의 이용상태도로서, 초음파 투과법을 이용한 과실의 물성 측정 장치의 전체 구성,1 is a state diagram of the use of the ultrasonic sensor according to the present invention, the overall configuration of the physical property measurement device of fruit using the ultrasonic transmission method,
도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서의 구성을 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic sensor according to the present invention;
도 3은 본 발명에서 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 배합하여 곡률 구조를 갖는 전면 정합층 부재를 제작하기 위한 성형틀을 나타내는 사진, Figure 3 is a photograph showing a mold for manufacturing a front mating layer member having a curvature structure by blending silicon rubber and tungsten powder in the present invention,
도 4는 도 3에 나타낸 성형틀을 이용하여 제작한 실리콘 러버와 텅스텐 분말 전면 정합층 부재의 사진, 4 is a photograph of a silicon rubber and a tungsten powder front matching layer member produced using the mold shown in FIG. 3;
도 5는 본 발명에서 음향임피던스 값에 따라 선정된 테프론과 아크릴로 제작한 전면 정합층 부재의 사진,5 is a photograph of a front mating layer member made of Teflon and acrylic selected according to the acoustic impedance value in the present invention,
도 6 내지 도 15는 본 발명자에 의해 수행된 시뮬레이션 및 실험, 그리고 그 결과를 설명하기 위한 도면,6 to 15 are simulations and experiments performed by the inventors, and for explaining the results,
도 16과 도 17은 초음파 트랜스듀서 제작 과정에서 후면재를 사용하기 전과 사용한 후의 사진, 16 and 17 are photographs before and after using the backing material in the manufacturing process of the ultrasonic transducer,
도 18은 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 사과의 초음파 투과 실험을 하는 사진,18 is a photograph of the ultrasonic transmission experiment of the apple using the manufactured ultrasonic transducer,
도 19 내지 도 24는 본 발명자에 의해 수행된 실험 및 결과를 설명하기 위한 도면,19 to 24 are views for explaining the experiments and results performed by the present inventors,
도 25는 초음파 트랜스듀서 제작과정 중에서 케이싱을 하기 전 사진, 25 is a photograph before the casing during the ultrasonic transducer manufacturing process,
도 26은 아크릴 전면 정합층 부재로 제작된 초음파 트랜스듀서의 사진,26 is a photograph of an ultrasonic transducer made of an acrylic front matching layer member,
도 27 및 도 28은 초음파 트랜스듀서의 실험 결과를 나타낸 도면,27 and 28 show the experimental results of the ultrasonic transducer,
도 29는 초음파 트랜스듀서의 사진,29 is a photograph of an ultrasonic transducer,
도 30 내지 도 41은 본 발명자에 의해 수행된 시뮬레이션 및 실험, 그리고 그 결과를 설명하기 위한 도면,30 to 41 are simulations and experiments performed by the present inventors, and for explaining the results,
도 42는 본 발명에 따른 최종 제작된 초음파 트랜스듀서의 사진.42 is a photograph of the finally produced ultrasonic transducer according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
20a, 20b : 초음파 센서 21 : 케이싱20a, 20b: ultrasonic sensor 21: casing
22 : 전면 정합층 부재 23 : 압전소자22: front matching layer member 23: piezoelectric element
24 : 후면재 25 : 커넥터24: back material 25: connector
본 발명은 과실의 물성 측정을 위한 초음파 탐촉자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 투과법으로 경도 등 과실의 물성 측정을 위하여 과실에 직접 접촉시켜 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신할 수 있는 과실용 송, 수신 초음파 탐촉자(초음파 센서, 초음파 트랜스듀서)에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic probe for measuring the physical properties of the fruit. More specifically, the ultrasonic permeation method for measuring the physical properties of the fruit, such as hardness in direct contact with the fruit to enter the ultrasonic wave and can receive the ultrasonic wave transmitted through the fruit The present invention relates to fruit transmitting and receiving ultrasonic transducers (ultrasound sensors, ultrasonic transducers).
오늘날 해외 농산물의 급격한 수입 증가, 국민 식생활 패턴 등의 변화에 따라 농산물의 소비성향이 변하고 있으며, 종래의 생산량 증대 위주의 농업기술에서 저비용 고품질화의 고도화된 첨단 농업기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.Today, the consumption tendency of agricultural products is changing due to the rapid increase in imports of overseas agricultural products and the change of national diet, and the development of low-cost and high-quality advanced agricultural technology is urgently needed in the conventional production-oriented agricultural technology.
이에 따라 각종 농산물의 수확 후 처리 기술에 대한 관심과 요구도가 점차 증가하고 있는 실정이다.Accordingly, the interest and demand for post-harvest treatment technology of various agricultural products is gradually increasing.
특히, 생활패턴의 변화와 소득수준이 향상됨에 따라 과실류에 대한 소비자의 기호 성향은 고급 및 신선도를 추구하는 경향이 증가하고 있으며, 따라서 과실의 객관적 품질 판정 기술의 개발이 필요하다.In particular, as the lifestyle changes and the income level improves, the consumer's preference for fruits becomes more inclined to pursue high quality and freshness, and therefore, it is necessary to develop an objective quality determination technique of fruit.
외부 품질 인자들 중에서 과실의 경도는 일차적으로 기계적 특성으로 이해되어 가공기계의 설계시에 이송장치 등과 같이 과실과 직접 접촉하는 부분들에 대한 세부적인 설계에 필요한 기초 물성이 될 뿐만 아니라 포장재 등을 설계하는 중요한 인자로 사용되고 있다.Among the external quality factors, the hardness of the fruit is primarily understood as a mechanical property, so it is not only the basic property necessary for the detailed design of the parts directly contacting the fruit such as the feeder, etc. It is used as an important factor.
또한 경도는 저장 및 유통과정 중에 발생하는 부패 등에도 관련하여 이미 외국에서는 많은 연구가 진행 중에 있으며, 특히 숙도 등과 같은 품질변화와 관계가 있는 것으로 보고되고 있을 뿐만 아니라 소비자의 구매행위시에 가장 중요시되는 선택 기준 중의 하나이고, 과실의 장기 저장성을 결정하는 주요한 품질 인자이다.In addition, hardness is already being studied in foreign countries in relation to corruption, which occurs during storage and distribution, and it is reported that it is related to quality changes such as maturity. It is one of the selection criteria and a major quality factor that determines the long term shelf life of fruit.
실제 사과의 경우 저장 후 상온 유통기간에 따른 과실의 경도 및 감모율 변 화는 유통기간이 길어질수록 경도는 감소하고 감모율은 증가하는 것으로 보고되고 있다.In the case of apples, the change in hardness and wear rate of fruits after storage at room temperature has been reported to decrease in hardness and increase in wear rate as the shelf life increases.
이러한 이유로는 사과의 저장 및 유통과정 중 수분 및 펙틴화합물이 감소되어 과실의 경도가 낮아져서 분질화가 진행되기 때문이며, 특히 복숭아는 다른 과실에 비하여 저장성과 경도가 낮으므로 선별, 포장, 운반시에 많은 손상이 발생한다.This is because the moisture and pectin compounds are reduced during the storage and distribution of apples, and the fruit hardness is lowered, which leads to powderization. Especially, since peaches have lower shelf life and hardness than other fruits, Damage occurs.
경도의 측정방법은 개체의 UTM에 의한 압축실험을 통해 강도를 측정하는 것이 일반적이나, 이러한 방법은 시간이 소요되고 측정 개체가 파괴되는 문제 때문에 전수조사가 필요한 생산현장 및 가공공장에서는 사용할 수 없는 것이 문제이다.Hardness measurement method is generally used to measure the strength through the compression test by the UTM of the object, but this method is not available in production sites and processing plants that require full investigation because of the time-consuming and destruction of the measurement object. It is a problem.
사과의 경우에 미국에서는 품질 평가기준으로 경도를 측정하고 있으며, 일반적인 방법으로 껍질을 벗긴 사과의 표면에 직경 11.1mm의 프로브를 접촉한 다음 외력을 가하여 프로브가 깊이 7.9mm에 도달할 때까지 최대의 힘을 측정하는 마그네스-테일러(Magness-Tayler, MT) 측정 방법이 이용되고 있을 뿐, 비파괴적으로 경도를 측정하는 방법은 아직까지 실용화되어 있는 것이 없는 실정이다.In the case of apples, hardness is measured by quality standards in the United States, and the normal method is to contact the surface of the peeled apple with a 11.1 mm diameter probe and apply an external force until the probe reaches a depth of 7.9 mm. The Magness-Tayler (MT) measuring method for measuring the force is used, but the method for measuring the hardness non-destructively has not been put to practical use.
최근 전자산업의 발달로 첨단기술의 농업적 응용에 필요한 각종 센서가 개발되어 있어, 이를 이용하여 농산물의 각종 품질을 비파괴적으로 측정할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, due to the development of the electronics industry, various sensors necessary for agricultural applications of high technology have been developed, and researches that can nondestructively measure various quality of agricultural products using them are being actively conducted.
그러나, 과실의 여러 물성 인자는 그 중요성에도 불구하고 비파괴적으로 정확히 측정할 수 있는 기술이 거의 개발되어 있지 않다.However, despite the importance of the various physical properties of the fruit, little technology has been developed for nondestructively accurate measurement.
다만, 레이저 분광법과 근적외선 분석법을 이용하는 방법이 있으나, 레이저 분광법의 경우에는 표면의 광 산란현상을 이용하여 경도를 측정할 수 있으나 아직 까지 시스템의 가격이 고가이며, 사용에 많은 제약이 따르고 있다.However, although there are methods using laser spectroscopy and near-infrared spectroscopy, in the case of laser spectroscopy, hardness can be measured by using light scattering phenomenon on the surface, but the price of the system is still expensive and there are many restrictions on use.
또한 근적외선 분석법을 이용한 경도 측정은 현재까지 그 정확도가 매우 낮게 나타나고 있으며, 그 밖에 광학적인 방법 또는 과육의 세포 표면 분석 방법 등을 이용하여 물성 등을 간접적으로 측정하기 위한 연구가 수행된 바 있으나, 실용화된 사례는 없는 것으로 알려져 있다.In addition, the hardness measurement using the near-infrared analysis method has been shown to have very low accuracy until now, and other studies have been conducted to indirectly measure the physical properties by using an optical method or a cell surface analysis method of the flesh. There is no known case.
또한 초음파는 초음파 외의 다른 적용 기술에서 효과적으로 제공할 수 없는 경도 및 공동 등과 같은 내부 결함의 판정에 효과적인 기술로 알려져 있으며, 농산물에 대한 측정이 가능한 초음파 주파수는 1MHz 이하의 주파수가 적당한 것으로 보고되고 있다.In addition, the ultrasonic wave is known as an effective technique for the determination of internal defects, such as hardness and cavity, which cannot be effectively provided by other application techniques other than the ultrasonic wave, and an ultrasonic frequency capable of measuring agricultural products is reported to have a frequency of 1 MHz or less.
초음파 기술의 농축산물에 대한 적용은 현재 육류의 육질 판정에 많이 이용되고 있으며, 과실에 대해서는 기초 연구로서 수행되고 있는데, 이것은 과실의 경우 그 조직이 육류와 매우 다르기 때문에 초음파의 전파 특성도 매우 상이하여 기존의 의료용 초음파 진단 기술을 그대로 적용할 수 없을 뿐만 아니라 과실은 육류와 달리 그 종류가 매우 다양하여 개개의 과실에 대한 초음파 전파 특성이 규명되어야 하기 때문이다.The application of ultrasonic technology to agricultural products is now widely used for meat quality determination, and fruit research is being carried out as a basic study. In the case of fruits, the propagation characteristics of ultrasonic waves are very different because the tissues are very different from meat. Not only the existing medical ultrasound diagnostic technology can not be applied as it is, but the fruit is very different from the meat because the ultrasonic propagation characteristics of the individual fruit has to be identified.
그 외 대학 연구실 수준에서 연구된 내용으로서 주로 콘크리트 탐상용 저주파(50kHz 이하)의 주파수 대역을 가지는 초음파 센서를 이용하여 몇몇 과실에 적용하고자 하는 연구가 시도되었으나, 센서 사용 주파수 및 압전재료의 특성상 센서의 크기가 상대적으로 크기 때문에 과실의 표면 및 내부를 충분히 탐상하기에는 분리한 구조를 가지고 있다.Other researches were conducted at the level of the university laboratory, and attempted to apply it to some fruits using ultrasonic sensors with low frequency (less than 50 kHz) frequency for concrete flaw detection, but due to the nature of the sensor and the characteristics of piezoelectric materials, Due to its relatively large size, it has a separate structure to sufficiently inspect the surface and inside of the fruit.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 본 발명은 과실에 대하여 비접촉식으로 정확한 물성 측정이 가능한 초음파 탐촉자를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented in view of the above, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic probe capable of accurately measuring physical properties in a non-contact manner.
특히, 초음파 투과법으로 경도 등 과실의 물성 측정을 위하여 과실에 직접 접촉시켜 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신할 수 있는 과실용 송, 수신 초음파 탐촉자(초음파 센서, 초음파 트랜스듀서)를 제공하는데 그 목적이 있다.In particular, the ultrasonic transmission method provides a fruit-transmitting and receiving ultrasonic transducer (ultrasound sensor, ultrasonic transducer) capable of directly contacting the fruit to measure the physical properties of the fruit such as hardness and receiving the ultrasonic wave transmitted through the fruit. Its purpose is to.
또한 본 발명은 재료 등의 최적화된 설계에 의하여 측정대상인 과실에 대해 우수한 초음파 집속 효과를 얻을 수 있으면서 향상된 초음파 투과 효율을 가지는 과실용 초음파 탐촉자를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a fruit ultrasonic probe having an improved ultrasonic transmission efficiency while obtaining an excellent ultrasonic focusing effect on the fruit to be measured by the optimized design of the material.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 과실의 물성 측정을 위하여 과실의 표면에 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신하기 위한 과실용 송, 수신 초음파 탐촉자에 있어서, 케이싱과; 상기 케이싱의 후단에 설치된 커넥터와; 상기 케이싱의 내부에 내설되고 상기 커넥터와는 와이어를 통해 연결되는 원형의 압전소자와; 상기 케이싱에서 압전소자의 후방에 내설되어 압전소자의 진동을 제한 하는 댐퍼 역할의 후면재와; 과실의 표면과 직접 접촉하게 되는 부분으로 상기 케이싱의 전면에 설치되어 상기 압전소자의 전방에 위치되는 전면 정합층 부재;를 포함하여 구성되고, 상기 전면 정합층 부재에서 그 전면에 해당하는 과실과 접촉하는 부분은, 초음파 집속 효과 및 초음파 투과 효율을 높이면서 초음파 누설이 최소화될 수 있도록, 과실 표면의 곡면과 매칭될 수 있는 곡면 구조로 된 것을 특징으로 하는 과실의 물성 측정을 위한 초음파 탐촉자를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, the fruit for transmitting the ultrasonic wave on the surface of the fruit for measuring the physical properties of the fruit, receiving ultrasonic probe for transmitting the ultrasonic wave, the casing; A connector installed at a rear end of the casing; A circular piezoelectric element internal to the casing and connected to the connector through a wire; A backing member installed in the rear of the piezoelectric element in the casing and acting as a damper for limiting vibration of the piezoelectric element; And a front mating layer member disposed on the front surface of the casing and positioned in front of the piezoelectric element in direct contact with the surface of the fruit, wherein the front mating layer member contacts the fruit corresponding to the front surface of the casing. Part to provide an ultrasonic probe for measuring the physical properties of the fruit, characterized in that the curved structure that can be matched with the curved surface of the fruit surface to minimize the ultrasonic leakage while increasing the ultrasonic focusing effect and ultrasonic transmission efficiency. .
여기서, 바람직한 실시예로서, 상기 압전소자가 압전변형상수 값 700, 압전전압상수 값 19.8을 가지면서 상기 전면 정합층 부재가 테프론으로 구성되고, 상기 후면재가 에폭시 접합제, 150㎛ 입자 크기의 실리콘 카바이드 분말, 그리고 1㎛ 입자 크기의 텅스텐 분말이 중량비율 1 : 2 : 1로 배합되어 구성된 것을 특징으로 한다.Here, as a preferred embodiment, the piezoelectric element has a piezoelectric strain constant value 700, the piezoelectric voltage constant value 19.8, the front matching layer member is composed of Teflon, the back material is an epoxy binder, silicon carbide of 150㎛ particle size The powder, and the tungsten powder having a particle size of 1 μm are formulated in a weight ratio of 1: 2: 1.
또한 바람직한 다른 실시예로서, 상기 압전소자가 압전변형상수 값 700, 압전전압상수 값 19.8을 가지면서 상기 전면 정합층 부재가 테프론으로 구성되고, 상기 후면재가 에폭시 접합제와 1㎛ 입자 크기의 텅스텐 분말이 중량비율 1 : 2로 배합되어 구성된 것을 특징으로 한다.In another preferred embodiment, the piezoelectric element has a piezoelectric strain constant value of 700, a piezoelectric voltage constant value of 19.8, the front matching layer member is composed of Teflon, the backing material is an epoxy binder and tungsten powder of 1㎛ particle size It is mix | blended and comprised by this weight ratio 1: 2, It is characterized by the above-mentioned.
본 발명은 과실의 물성 측정을 위한 초음파 탐촉자에 관한 것으로서, 경도 등 과실의 물성 측정을 위해 이용되는 초음파 투과법에 의한 과실의 물성 측정 과정에서, 과실에 직접 접촉시켜 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신하기 위해 사용되는 초음파 탐촉자(초음파 센서, 초음파 트랜스듀서)에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic probe for measuring the physical properties of the fruit, in the process of measuring the physical properties of the fruit by the ultrasonic permeation method used for measuring the physical properties of the fruit, such as hardness, in contact with the fruit to enter the ultrasonic wave and permeate the fruit An ultrasonic transducer (ultrasound sensor, ultrasonic transducer) used for receiving ultrasonic waves.
본 발명의 발명자는, 과실의 물성 측정을 위한 접촉식 초음파 센서(초음파 탐촉자)로서, 초음파 트랜스듀서 제작 이론에 따라 압전소자(PZT)를 이용하여 100kHz, 200kHz 초음파 트랜스듀서를 개발하였다.The inventor of the present invention has developed a 100kHz, 200kHz ultrasonic transducer using a piezoelectric element (PZT) according to the ultrasonic transducer manufacturing theory as a contact ultrasonic sensor (ultrasonic probe) for measuring the physical properties of the fruit.
알려진 바와 같이, 초음파는 그 진동모드에 따라 여러 종류가 존재하고, 이들의 전파속도 역시 모드에 따라 상이하다. As is known, there are several types of ultrasonic waves depending on the vibration mode, and their propagation speeds also vary depending on the mode.
또한 탄성파가 매질 내부를 전파하는 동안 매질의 특성에 따라 탄성파의 전파속도, 진폭이나 파형이 달라지며, 이렇게 매질의 특성을 반영하는 초음파 파라미터의 대표적인 것이 전파속도, 음향임피던스, 감쇠계수이다.In addition, the propagation speed, amplitude, or waveform of the acoustic wave varies according to the characteristics of the medium while the acoustic wave propagates inside the medium. The typical propagation speed, acoustic impedance, and attenuation coefficient are the ultrasonic parameters reflecting the characteristics of the medium.
이 중에서 과실의 경도와 관계가 있는 초음파 파라미터로는 전파속도와 음향임피던스 등이 있으며, 특히 전파속도는 초음파가 매질 내부를 전파한 시간을 측정하고 이를 전파거리로 나누어 구하는 것이 일반적이다.Among these, ultrasonic parameters related to fruit hardness include propagation speed and acoustic impedance. Especially, propagation speed is obtained by measuring the time when ultrasonic waves propagate inside a medium and dividing them by the propagation distance.
이와 같이 전파속도를 측정하기 위해서는 초음파를 측정대상물인 과실에 투과시키는 초음파 투과법이 이용될 수 있는데, 상기 초음파 투과법에서는, 초음파를 한쪽에서 과실의 표면에 입사시켜 과실에 투과시키고, 이와 동시에 반대쪽에서는 과실을 투과한 초음파를 수신하여 과실 내부를 투과한 신호를 획득하며, 이렇게 획득된 투과 신호를 소정의 알고리즘에 의해 처리 및 분석함으로써, 과실 내부의 전파속도를 측정할 수가 있게 된다. In order to measure the propagation speed as described above, an ultrasonic permeation method for transmitting the ultrasonic wave to the fruit, which is the object to be measured, may be used. In the ultrasonic permeation method, ultrasonic waves are incident on the surface of the fruit from one side and transmitted through the fruit, and at the same time, In the present invention, an ultrasonic wave passing through the fruit is received to obtain a signal transmitted through the inside of the fruit, and the propagation speed within the fruit can be measured by processing and analyzing the thus obtained transmission signal by a predetermined algorithm.
초음파 투과법에서는 초음파가 과실을 투과한 신호를 획득하고 이를 통해 초음파가 과실을 투과한 시간을 측정하면 과실 내부의 초음파 속도 측정이 가능하다.In the ultrasonic transmission method, when the ultrasonic wave transmits a signal through the fruit and the ultrasonic wave passes through the fruit, the ultrasonic velocity inside the fruit can be measured.
참고로, 초음파의 전파속도에 대해 설명하면 다음과 같다.For reference, the propagation speed of the ultrasonic wave is as follows.
이상적인 유체는 전단변형이 없기 때문에 그 안에서 종파(longitudinal wave) 모드의 탄성파만 존재하지만, 고체의 경우에는 전단변형으로 인하여 종파와 횡파(transverse wave) 모드의 탄성파가 존재한다.The ideal fluid has no shear strain, so there are only seismic waves in longitudinal wave mode, while in solids, shear waves in longitudinal and transverse wave modes exist due to shear strain.
이상적인 무한한 탄성 등방 고체에서의 파동방정식은 다음의 식(1)과 같이 주어진다.The wave equation in an ideal infinite elastic isotropic solid is given by the following equation (1).
여기서, ρ는 매질의 밀도(kg/㎥), λ는 Lame' constant(Pa), G는 shear modulus(Pa)이다.Where ρ is the density of the medium (kg / m 3), λ is the Lame 'constant (Pa), and G is the shear modulus (Pa).
이 방정식은 
여기서, 
여기서, E는 매질의 탄성계수(Young's Modulus), μ는 푸아송비(Poisson's Ratio)이다.Where E is the Young's Modulus of the medium and μ is the Poisson's Ratio.
반면, 
여기서, 
따라서, 매질의 밀도 ρ, 종파속도 
한편, 초음파 투과법, 즉 과실의 내부에 초음파를 투과하고 과실을 투과한 신호를 이용하여 과실의 전파속도 등 과실의 물성을 비파괴적으로 측정하기 위해서 는 과실의 표면을 균일한 압력으로 접촉할 수 있는 초음파 센서(초음파 트랜스듀서 또는 초음파 탐촉자라고도 함)가 필요하다.On the other hand, in order to non-destructively measure the physical properties of the fruit such as the propagation speed of the fruit using ultrasonic transmission, that is, a signal that transmits ultrasonic waves inside the fruit and transmits the fruit, the surface of the fruit can be contacted with a uniform pressure. Ultrasonic sensors (also known as ultrasonic transducers or ultrasonic transducers) are required.
그리고, 전술한 바와 같이 초음파 투과법에서는 초음파가 과실을 투과한 신호를 획득하고 이를 통해 초음파가 과실을 투과한 시간을 측정하면 과실 내부의 초음파 속도 측정이 가능한 바, 이를 위해서 과실을 투과할 수 있는 초음파를 발생시켜 과실에 입사시키는 송신용 초음파 센서와 과실을 투과한 초음파를 수신하는 수신용 초음파 센서가 필요하다.In addition, in the ultrasonic transmission method, as described above, when the ultrasonic wave transmits the fruit, the ultrasonic wave velocity can be measured by measuring the time when the ultrasonic wave passes through the fruit. There is a need for a transmitting ultrasonic sensor for generating ultrasonic waves and entering the fruit, and a receiving ultrasonic sensor for receiving the ultrasonic waves transmitted through the fruit.
종래에는 사과 등 과실에 대하여 초음파를 발생시켜 투과시킬 수 있는 최적화된 초음파 센서(송신기)가 개발되어 있지 않았으며, 따라서 과실에 초음파를 최적상태로 투과시킬 수 없었기 때문에 과실의 정확한 물성 측정이 불가능하였다.Conventionally, an optimized ultrasonic sensor (transmitter) capable of generating and transmitting ultrasonic waves to fruits such as apples has not been developed. Therefore, accurate measurement of fruit properties was impossible because ultrasonic waves could not be optimally transmitted through the fruits. .
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 초음파를 발생시켜 과실을 투과시킬 수 있는 송신기용 및 과실을 투과한 초음파를 수신하기 위한 수신기용 초음파 센서를 제공하고자 한 것이다. Accordingly, the present invention has been made in an effort to provide an ultrasonic sensor for a transmitter capable of generating an ultrasonic wave and transmitting an error therein and a receiver ultrasonic sensor for receiving the ultrasonic wave transmitted therethrough.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 초음파 센서의 이용상태도로서, 초음파 투과법을 이용한 과실의 물성 측정 장치의 전체 구성을 보여주고 있다.1 is a diagram illustrating a state of use of an ultrasonic sensor according to the present invention, and shows an overall configuration of an apparatus for measuring physical properties of fruit using ultrasonic transmission.
이에 도시한 바와 같이, 물성 측정 대상이 되는 과실(1)의 일측면과 반대측면에 각각 접촉시켜 초음파를 입사시키고 투과한 초음파를 수신하기 위한 송, 수신용 초음파 센서(20a,20b)가 구비되고, 상기 송신용 초음파 센서(20a)와 수신용 초 음파 센서(20b)는 각각 초음파 펄서(10)와 초음파 리시버(30)에 연결된다.As shown in the drawing, the
상기 초음파 펄서(10)와 초음파 리시버(30)는 분석장치부의 컴퓨터(50)와 오실로스코프(40)를 통해 연결되며, 결국 초음파 펄서(10)가 초음파 펄스신호를 발생시켜 제공하면 이를 송신용 초음파 센서(20a)가 입력받아 과실(1)의 표면에 입사하고, 과실을 투과한 초음파 신호를 수신용 초음파 센서(20b)가 수신받아 초음파 리시버(30)에 전달하면 이를 오실로스코프(40)를 통해 분석장치부의 컴퓨터(50)가 수신받아 신호 처리 및 분석, 결과의 디스플레이 등을 수행하게 된다.The
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서의 구성을 도시한 단면도로서, 이는 초음파 투과법을 이용한 과실의 물성 측정 장치에서 본 발명에 따른 송, 수신용 초음파 센서(초음파 탐촉자 또는 초음파 트랜스듀서)(20a,20b)의 구조를 보여주는 것이다. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic sensor according to the present invention, which is an ultrasonic sensor (ultrasonic transducer or ultrasonic transducer) for transmitting and receiving according to the present invention in a physical property measuring device of fruit using ultrasonic permeation method ( 20a, 20b) shows the structure.
이에 도시한 바와 같이, 원통형의 케이싱(21) 후단에 커넥터(25)가 구비되고, 상기 케이싱(21)에는 후면재(Backing Materials)(24)와 원형의 압전소자(Piezoelectric Element)(23)가 내설되며, 상기 케이싱(21)의 전면에는 전면 정합층 부재(Wear Plate)(22)가 설치된다.As shown therein, a
상기 커넥터(25)는 후면재(24)를 통과하여 삽입 연결되는 와이어(26)에 의해 압전소자와 접속된다.The
이하, 각 구성부에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, each component will be described in detail.
1. 압전소자(Piezoelectric Element)Piezoelectric Element
물체에 기계적 응력이 작용할 때 물체 표면에 전위차가 발생하는 현상을 "정 압전효과"라 하고, 전기장하에서 물체가 변형되는 현상을 "역압전효과"라 하며, 이러한 특성을 갖는 재료를 압전소자라 한다. "정압전효과"는 초음파 센서의 수신 작용, "역압전효과"는 송신 작용에 이용된다.The phenomenon that potential difference occurs on the surface of an object when mechanical stress is applied to the object is called "positive piezoelectric effect", and the deformation of the object under electric field is called "reverse piezoelectric effect", and the material with this characteristic is called piezoelectric element. . The "positive piezoelectric effect" is used for the receiving action of the ultrasonic sensor, and the "reverse piezoelectric effect" is used for the transmitting action.
예비실험의 결과로서, 국내의 주요 과실인 사과 시편(경기도 화성에서 수확한 부사 사용, 씨방과 과피를 제외한 과육을 사용하여 시편 제작)에 대한 초음파 투과 실험의 결과를 보면, 과실의 과육 시편에 입사된 초음파 감쇠계수의 범위는 0.58 ~ 1.61 dB/mm로 일반 공업용 재료보다 감쇠가 매우 크며, 초음파 속도의 범위도 170 ~ 230m/sec로 공기 중의 초음파 속도보다 낮게 나타났다. 또한 과실을 투과하여 수신된 초음파 신호의 중심주파수는 10kHz 미만으로 나타났다.As a result of the preliminary experiments, the results of the ultrasonic permeation experiments on apple specimens, which are the main fruits of Korea, using the adverbs harvested from Mars, and the fabrication using the pulp except for the ovary and rind, showed that The ultrasonic attenuation coefficient ranged from 0.58 to 1.61 dB / mm, which is much more attenuated than general industrial materials, and the ultrasonic speed ranged from 170 to 230 m / sec. In addition, the center frequency of the ultrasonic signal received through the fruit was less than 10kHz.
따라서, 본 발명에서는 도 2의 압전소자(23)로서, 초음파 송수신 특성이 양호한 저주파 초음파 센서를 제작하기 위하여, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 세라믹 계열의 압전소자(PZT)를 사용하며, 이 중에서도 송신 특성을 나타내는 압전변형상수 d33값과 수신 특성을 나타내는 압전전압상수 g33값이 큰 압전소자를 선정한다.Accordingly, in the present invention, in order to fabricate a low frequency ultrasonic sensor having good ultrasonic transmission and reception characteristics as the
본 발명의 발명자는 후술하는 바와 같이 여러 실험을 통하여 압전변형상수 d33값이 700이고 압전전압상수 g33값이 19.8인 압전소자(하기 표 1에서 K-1 압전소자임)를 사용하는 것이 바람직함을 확인하였다.The inventors of the present invention preferably use a piezoelectric element (K-1 piezoelectric element in Table 1) having a piezoelectric strain constant d 33 of 700 and a piezoelectric voltage constant of g 33 of 19.8 through various experiments as described below. It was confirmed.
그리고, 압전소자는 지름 대 두께 비를 약 2 : 1로 제작하는 것이 바람직한데, 예컨대 초음파 센서의 주파수가 두께 공진 모드로 10kHz의 중심주파수를 갖도록 지름 40mm, 두께 20mm로 설계될 수 있다.In addition, the piezoelectric element preferably has a diameter to thickness ratio of about 2: 1. For example, the piezoelectric element may be designed to have a diameter of 40 mm and a thickness of 20 mm so that the frequency of the ultrasonic sensor has a center frequency of 10 kHz in the thickness resonance mode.
2. 전면 정합층 부재(Wear Plate)2. Front matching layer member (Wear Plate)
전면 정합층 부재(22)는 초음파 센서에서 측정대상물인 과실의 표면과 직접 접촉하게 되는 부분으로, 일종의 마모판(Wear Plate)이다. 상기 전면 정합층 부재는 과실과의 접촉을 최대로 하여 초음파의 누설이 최소가 되도록 설계되어야 하고, 특히 이 부분은 초음파 투과 효율에 관계되어 음향임피던스와 두께가 제작 변수가 된다.The front
예비실험의 결과, 즉 과육 시편에 대한 초음파 투과 실험의 결과, 과실의 음향임피던스는 0.16 ~ 0.3MRayL 범위였으며, 이때 압전소자의 음향임피던스는 상기 표 1에 나타낸 바와 같다.As a result of the preliminary experiment, ie, the ultrasonic permeation experiment on the pulp specimen, the acoustic impedance of the fruit was in the range of 0.16 to 0.3 MRayL, wherein the acoustic impedance of the piezoelectric element is shown in Table 1 above.
전면 정합층의 음향임피던스와 두께는 다음의 식에 의해 계산된다.The acoustic impedance and thickness of the front matching layer are calculated by the following equation.
여기서, Z1 : 압전소자의 음향임피던스, Z2 : 전면 정합층 부재의 음향임피던스, Z3 : 과실의 음향임피던스, λ: 파장, L : 전면 정합층 부재의 두께이다.Where Z 1 : acoustic impedance of the piezoelectric element, Z 2 : acoustic impedance of the front matching layer member, Z 3 : acoustic impedance of the fruit, lambda: wavelength, and L: thickness of the front matching layer member.
상기 식(5)와 식(6), 표 1을 참조하여 계산하면, 이론적인 전면 정합층 부재의 음향임피던스는 2.19 ~ 3.24MRayL이고, 두께는 설계 주파수 100kHz에서 하기 표 2와 같이 계산된다.When calculated with reference to Equation (5), Equation (6), and Table 1, the theoretical acoustic impedance of the front matching layer member is 2.19 to 3.24 MRayL, and the thickness is calculated as shown in Table 2 below at a design frequency of 100 kHz.
따라서, 본 발명에서 사용되는 전면 정합층 부재의 재료는 음향임피던스 값이 2.19 ~ 3.24MRayL인 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 과실과 접촉할 때 과실에 상처를 주지 않고 원하는 음향임피던스를 얻기 위해 실리콘 러버에 100㎛ 입자 크기의 텅스텐 분말을 배합하여 제작한 것, 또는 이론적인 전면 정합층 부재의 음향임피던스 값과 비슷한 값을 갖는 아크릴(3.15MRayL)이나 테프론(3MRayL)을 사용하여 제작한 것이 사용될 수 있다. 하기 표 3은 계산된 음향임피던스 값에 따라 선정된 아크릴과 테프론의 물성을 나타낸 것이고, 하기 표 4는 실리콘 러버와 텅스텐 분말의 배합 비율에 따른 음향임피던스 값을 나타낸 것이다.Therefore, the material of the front matching layer member used in the present invention preferably uses a material with an acoustic impedance value of 2.19 to 3.24 MRayL, and in order to obtain a desired acoustic impedance without damaging the fruit when it comes in contact with the fruit, Tungsten powder with a particle size of 100 μm may be prepared by mixing with acrylic (3.15 MRayL) or Teflon (3 MRayL) having a value similar to the acoustic impedance value of the theoretical front matching layer member. . Table 3 shows the physical properties of acryl and Teflon selected according to the calculated acoustic impedance value, Table 4 shows the acoustic impedance value according to the blending ratio of silicon rubber and tungsten powder.
바람직하기로는, 본 발명에서, 전면 정합층 부재는, 이론적인 전면 정합층 부재의 음향임피던스 범위(2.19 ~ 3.24MRayL)를 만족시키기 위하여, 실리콘 러버와 100㎛ 입자 크기의 텅스텐 분말을 실리콘 러버 : 텅스텐 분말 = 1 : 2 ~ 3의 중량비율로 배합한 뒤 성형 틀을 이용해 성형하여 제작한 것을 사용할 수 있다.Preferably, in the present invention, the front matching layer member is formed of silicon rubber and tungsten powder of 100 µm particle size in order to satisfy the acoustic impedance range (2.19 to 3.24 MRayL) of the theoretical front matching layer member. It can be used to prepare by using a molding mold after mixing in a weight ratio of powder = 1: 2-3.
하기 표 5는 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 1 : 2.5로 배합하여 제작한 전면 정합층 부재와, 아크릴을 사용하여 제작한 전면 정합층 부재와, 테프론을 사용하여 제작한 전면 정합층 부재에 대하여 음향임피던스 값과 초음파 에너지 투과 효율을 계산한 결과를 나타낸 표이다.Table 5 shows the acoustic impedance of the front matching layer member prepared by mixing silicon rubber and tungsten powder in 1: 2.5, the front matching layer member manufactured using acrylic, and the front matching layer member manufactured using Teflon. Table showing the values and the results of calculating the ultrasonic energy transmission efficiency.
그리고, 전면 정합층 부재에서 그 전면 부분, 즉 과실이 접촉하는 부분은 과실 표면의 굴곡을 감안하여 과실 표면의 곡면과 매칭(정합)될 수 있는 곡면 구조로 설계되어야 하는 바, 다양한 크기의 과실을 구입하여 곡률계로 곡률을 측정한 결과 곡률 범위가 57 ~ 62mm이었으며, 따라서 그 중간값인 60mm를 전면 정합층 부재의 곡률로 설계한다. 이 경우, 전면 접합층 부재의 곡률은 초음파 집속 효과가 있으므로 초음파가 과실을 투과하는 투과 효율을 높일 수 있게 된다.In addition, the front part of the front matching layer member, that is, the part where the fruit contacts, should be designed in a curved structure that can be matched with the curved surface of the fruit surface in consideration of the curvature of the fruit surface. The curvature was measured by the curvature and the curvature ranged from 57 to 62 mm. Therefore, the intermediate value of 60 mm is designed as the curvature of the front matching layer member. In this case, since the curvature of the front bonding layer member has an ultrasonic focusing effect, the transmission efficiency through which the ultrasonic waves penetrate the fruit can be increased.
첨부한 도 3은 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 배합하여 곡률 구조를 갖는 전면 정합층 부재를 제작하기 위한 성형틀을 나타내는 사진이며, 도 4는 도 3에 나타낸 성형틀을 이용하여 제작한 실리콘 러버와 텅스텐 분말 전면 정합층 부재의 사진이고, 도 5는 계산된 음향임피던스 값에 따라 선정된 테프론과 아크릴로 제작한 전면 정합층 부재의 사진이다.FIG. 3 is a photograph showing a mold for manufacturing a front mating layer member having a curvature structure by blending silicon rubber and tungsten powder, and FIG. 4 is a silicon rubber and tungsten fabricated using the mold shown in FIG. It is a photograph of the powder front matching layer member, Figure 5 is a photograph of the front matching layer member made of Teflon and acrylic selected according to the calculated acoustic impedance value.
3. 후면재3. Back material
초음파 센서에서 발생되는 초음파 신호의 진동 주기는 분해능과 관계가 있으며, 주파수 대역폭은 감도와 사용 주파수 범위에 관계된다. 후면재(24)는 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 댐퍼(damper) 역할을 하며, 분해능을 높이고 주파수 대역폭을 넓히는 작용을 한다. 후면재의 음향임피던스는 압전소자의 음향임피던스와 거의 같도록 하여 후면재로 음파가 완전 투과되도록 하거나 용도에 따라 후면재의 음향임피던스를 조절해야 한다. The vibration period of the ultrasonic signal generated by the ultrasonic sensor is related to the resolution, and the frequency bandwidth is related to the sensitivity and the frequency range used. The
상기 후면재는 텅스텐 분말과 에폭시 접합제를 소정의 중량비율로 배합하여 성형 제작하거나, 텅스텐 분말과 실리콘 카바이드 분말, 에폭시 접합제를 소정의 중량비율로 배합하여 성형 제작한 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 발명자는 선정된 압전소자의 음향임피던스를 고려하여 적절한 후면재의 제작 조건을 찾고자 하였는 바, 1 ~ 250㎛의 입자 크기를 가지는 텅스텐 분말과 150㎛의 입자 크기를 가지는 실리콘 카바이드 분말에 에폭시 접합제를 적절한 비율로 배합하여 시편을 만든 후 각각의 배합비율에 따른 음향임피던스를 계산하여 가장 적절한 후면재의 배합비율을 찾고자 하였다. 하기 표 6은 각각의 조건에 따라 제작된 후면재의 초음파 속도, 밀도, 음향임피던스를 나타낸다.The backing material may be produced by blending tungsten powder and epoxy binder in a predetermined weight ratio, or by molding and blending tungsten powder, silicon carbide powder and epoxy binder in a predetermined weight ratio. The inventor of the present invention attempted to find a suitable fabrication condition of the backing material in consideration of the acoustic impedance of the selected piezoelectric element, and epoxy bonding to tungsten powder having a particle size of 1 to 250 μm and silicon carbide powder having a particle size of 150 μm. After preparing the specimens by mixing the appropriate ratios, the acoustic impedances were calculated according to the respective mixing ratios to find the most suitable mixing ratio of the backing material. Table 6 shows the ultrasonic velocity, density, and acoustic impedance of the backing material manufactured according to each condition.
본 발명의 발명자는 상기와 같은 기초 연구 과정을 통하여 초음파 센서에 사용되는 압전소자와 전면 정합층 부재, 후면재의 재료를 선정, 조합할 수 있었는 바, 초음파 센서의 최적 설계 조건은 다음과 같다.The inventors of the present invention were able to select and combine the materials of the piezoelectric element, the front matching layer member, and the backing material used in the ultrasonic sensor through the basic research process as described above. The optimum design conditions of the ultrasonic sensor are as follows.
실험 결과에 따르면, 100kHz 초음파 센서의 최적 설계 조건은,Experimental results show that the optimal design conditions for a 100 kHz ultrasonic sensor are:
- 전면 정합층 부재(도 2에서 도면부호 22임) : 테프론-Front mating layer member (22 in FIG. 2): Teflon
- 압전소자(도면부호 23임) : K-2(표 1 참조)Piezoelectric element (note 23): K-2 (see Table 1)
- 후면재(도면부호 24임) : 에폭시 접합제:실리콘 카바이드 분말(150㎛):텅스텐 분말(1㎛)= 1 : 2 : 1이다.-Back material (reference numeral 24): epoxy binder: silicon carbide powder (150 mu m): tungsten powder (1 mu m) = 1: 2: 1.
그리고, 성능 향상과 소형화를 위해 200kHz 초음파 센서를 제작할 경우에 최적 설계 조건은, In addition, the optimum design condition when manufacturing a 200kHz ultrasonic sensor for performance improvement and miniaturization is
- 전면 정합층 부재 : 테프론-Front mating layer member: Teflon
- 압전소자 : K-2(표 1 참조)Piezoelectric element: K-2 (see Table 1)
- 후면재 : 에폭시 접합제:텅스텐 분말(1㎛)= 1 : 2이다.-Back material: epoxy binder: tungsten powder (1 mu m) = 1: 2.
한편, 본 발명의 발명자는, 상기와 같은 최적의 초음파 센서를 제작하기 위하여, 100kHz 초음파 센서에 대하여 시뮬레이션을 실시하였고, 또한 여러 재료를 사용하여 초음파 센서를 제작한 후 성능 등을 확인하였는 바, 그 과정 및 해석 결과를 설명하면 다음과 같다.On the other hand, the inventor of the present invention, in order to produce the optimal ultrasonic sensor as described above, the 100kHz ultrasonic sensor was simulated, and after producing the ultrasonic sensor using a variety of materials and confirmed the performance, such that The process and interpretation results are as follows.
1. 초음파 빔과 음장 해석1. Ultrasonic Beam and Sound Field Analysis
과실용 초음파 트랜스듀서(초음파 센서, 초음파 탐촉자)는 과실과의 접촉면을 최대한 크게 하기 위해 접촉면을 곡률로 제작하였으며, 이 곡률에 의해 초음파 빔이 집중되어 초음파 송수신 효율이 향상되도록 하였다. 이러한 초음파 트랜스듀서의 구조가 초음파 발생에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 초음파 음장 해석 시뮬레이션(Matlab Program 사용)을 실시하였다. 곡률 구조를 갖는 초음파 트랜스듀서의 빔 프로파일을 시뮬레이션하기 위해 O'neil 모델을 적용하였으며, 초음파 트랜스듀서의 음장을 분석하기 위해 가우시안 빔(Gaussian Beam) 모델을 적용하여 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션은 초음파 트랜스듀서의 중심주파수 100kHz, 압전소자의 직경 40mm, 초점거리 60mm, 과실에서 초음파 전파속도 200m/sec의 조건에서 실시하였다.Fruit ultrasonic transducers (ultrasonic sensors, ultrasonic transducers) are manufactured with curvatures in order to maximize the contact surface with the fruit, and the curvature concentrates the ultrasonic beams to improve the ultrasonic transmission and reception efficiency. Ultrasonic sound field analysis simulation (using Matlab program) was conducted to investigate how the structure of the ultrasonic transducer affects the generation of ultrasonic waves. The O'neil model was applied to simulate the beam profile of the ultrasonic transducer with curvature structure, and the Gaussian Beam model was applied to analyze the sound field of the ultrasonic transducer. The simulation was carried out under the condition of the center frequency of the ultrasonic transducer 100kHz, the diameter of the piezoelectric element 40mm, the focal length 60mm, and the ultrasonic wave propagation speed 200m / sec.
도 6은 초음파 빔 프로파일(beam profile) 해석 결과이며, 접촉면의 곡률로 인해 초음파 빔이 20 ~ 60mm 사이에 집중되었다. 도 7은 초음파 빔의 음장 해석 결과이며, 초음파 빔의 집중으로 인해 약 40mm 부근에서 음압이 증폭되는 것을 볼 수 있다. 일반 과실의 직경이 약 70 ~ 100mm인 것을 고려하면 초음파가 충분히 과실을 투과하여 전달될 것으로 판단된다. 6 shows the results of an ultrasonic beam profile analysis, in which the ultrasonic beam is concentrated between 20 and 60 mm due to the curvature of the contact surface. 7 is a sound field analysis result of the ultrasonic beam, it can be seen that the sound pressure is amplified around 40mm due to the concentration of the ultrasonic beam. Considering that the diameter of the common fruit is about 70 to 100mm, it is determined that the ultrasonic wave will sufficiently transmit the fruit.
2. KLM 모델을 이용한 투과 실험 시뮬레이션2. Simulation of transmission experiment using KLM model
KLM 모델을 이용하여 초음파 트랜스듀서의 최적 설계값들을 찾기 위해 시뮬레이션 프로그램(Matlab Program 사용)을 작성하였다. 앞에서 선정된 압전소자, 전면 정합층 부재, 후면재에 따른 초음파 응답 특성을 분석하고, 실제 실험 결과와 비교하였다.A simulation program (using Matlab Program) was created to find the optimal design values of the ultrasonic transducer using the KLM model. Ultrasonic response characteristics of the piezoelectric element, front matching layer member, and backing material selected above were analyzed and compared with the actual experimental results.
시뮬레이션 방법은 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 지름 50mm, 길이 63mm 알루미늄 봉을 투과하는 방법으로 하였으며, 각각의 초음파 트랜스듀서 제작 조건에 따라 얻어지는 응답 신호를 비교하였다. 투과 대상을 과실로 하지 않고 금속을 사용한 것은 음향임피던스와 투과속도만을 이용하는 KLM 모델에서는 과실의 점탄성, 비선형 특성을 나타낼 수 없으므로 잘 알려진 금속인 알루미늄을 투과 대상으로 사용하였다. The simulation method was a method of penetrating the aluminum rod of 50mm diameter and 63mm length using the manufactured ultrasonic transducer, and compared the response signals obtained according to the manufacturing conditions of each ultrasonic transducer. The use of a metal without the permeation object was used as the permeation target because aluminum is a well-known metal because the KLM model using only acoustic impedance and permeation rate cannot exhibit viscoelastic and nonlinear properties of the fruit.
압전소자에 따른 응답 신호의 차이를 비교하기 위해 앞에서 선정된 4가지 압전소자와 이론적으로 계산된 전면 정합층 부재의 음향임피던스(약 3 MRay) 값과 후면재의 음향임피던스(약 16MRayl) 값을 이용하여 시뮬레이션하였다. 그러나, 선정된 4가지 압전소자는 KLM 모델에서 사용되는 변수인 유효 전기-기계 결합 인자, 음향임피던스, 초음파 속도가 비슷하고 중심주파수가 낮아 시뮬레이션을 통해서는 그 차이가 비교되지 않았다. In order to compare the response signals of the piezoelectric elements, the acoustic impedances (about 3 MRay) of the front matching layer member and theoretically calculated acoustic impedance (about 16 MRayl) of the backing material are calculated by using the four piezoelectric elements selected above and the theoretically calculated front matching layer member. Simulated. However, the four selected piezoelectric elements have similar effective electro-mechanical coupling factors, acoustic impedance, and ultrasonic velocity and low center frequency, which are used in the KLM model.
후면재의 음향임피던스에 따른 응답 신호의 차이를 비교하기 위해 압전소자와 전면 정합층 부재는 동일하게 사용하고, 이론적으로 계산된 후면재의 음향임피던스(약 16MRayl) 값과 에폭시의 음향임피던스(2.74MRayl) 값을 이용해 시뮬레이션 하였다. 이때 압전소자는 K-2(표 1 참조), 전면 정합층 부재는 테프론을 사용하는 조건으로 하였다. 도 8 및 도 9를 보면 이론적으로 계산된 음향임피던스 값을 사용한 시뮬레이션 결과가 에폭시의 음향임피던스 값을 사용한 시뮬레이션 결과보다 파형이나 주파수 스펙트럼이 더 작게 나타났다. 이것은 압전소자의 뒤에 위치하는 후면재의 임피던스에 따라 압전소자의 진동이 영향을 받기 때문이다. In order to compare the response signal according to the acoustic impedance of the backing material, the piezoelectric element and the front matching layer member are identically used, and the theoretically calculated acoustic impedance (about 16 MRayl) and epoxy acoustic impedance (2.74 MRayl) Simulation was performed using. At this time, the piezoelectric element was K-2 (see Table 1), and the front matching layer member was a condition using Teflon. 8 and 9, the simulation results using the acoustic impedance value calculated theoretically showed a smaller waveform or frequency spectrum than the simulation results using the acoustic impedance value of epoxy. This is because vibration of the piezoelectric element is affected by the impedance of the backing material located behind the piezoelectric element.
전면 정합층 부재의 영향을 비교하기 위해 테프론, 아크릴 그리고 실리콘 러버와 텅스텐 분말로 제작된 전면 정합층 부재를 사용하여 시뮬레이션하고, 같은 조건으로 제작된 초음파 트랜스듀서를 사용하여 실제 투과 실험을 한 결과와 비교하였다. 이때 사용된 압전소자는 K-2(표 1 참조)이고, 후면재의 음향임피던스는 약 3MRayl로 에폭시와 텅스텐 분말(150㎛)의 비율을 1 : 3으로 제작하였다. 투과 실험은 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 지름 50mm, 길이 63mm의 알루미늄 봉을 투과하는 방법으로 하였다. In order to compare the effect of the front matching layer member, simulation was performed using the front matching layer member made of Teflon, acrylic, silicon rubber and tungsten powder, and the result of the actual transmission experiment using the ultrasonic transducer made under the same conditions. Compared. At this time, the piezoelectric element used was K-2 (see Table 1), and the acoustic impedance of the back material was about 3MRayl, and a ratio of epoxy and tungsten powder (150 μm) was produced at 1: 3. The transmission experiment was performed by transmitting an aluminum rod having a diameter of 50 mm and a length of 63 mm using the manufactured ultrasonic transducer.
도 10, 도 11, 도 12는 테프론, 아크릴, 실리콘 러버와 텅스텐 분말 정합층 부재에 대해 시뮬레이션한 주파수 응답 신호이고 도 13, 도 14, 도 15는 각각의 전면 정합층 부재로 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 직접 실험한 결과이다. 각 전면 정합층 부재에 대한 시뮬레이션 결과를 보면 약 100kHz 부근에서 주파수 성분이 크게 나타나고 있으며, 특히 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 정합층 부재 재료로 사용한 시뮬레이션에서는 100kHz 부근에서뿐만 아니라 약 50kHz 부근에서도 주파수 성분이 크게 나타나고 있다. 이것은 실제 투과 실험을 실시한 결과에서도 유사한 결과를 나타내고 있으며, 실제 실험에서는 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 사용한 정합층 부재가 테프론이나 아크릴을 사용한 정합층 부재보다 수신된 신호가 매우 작은 것을 알 수 있다. 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 사용한 정합층 부재는 실리콘 러버에 텅스텐 분말을 배합하여 제작한 것으로 상대적으로 조직이 균일하지 않아 내부에서의 감쇠가 심하고 투과 속도가 낮아 테프론이나 아크릴에 비해 전달되는 초음파 에너지가 작기 때문이다.10, 11, and 12 are frequency response signals simulated for Teflon, acrylic, silicon rubber, and tungsten powder matching layer members, and FIGS. 13, 14, and 15 are ultrasonic transducers fabricated with respective front matching layer members. This is the result of direct experiment using. The simulation results for each front matching layer member show large frequency components around 100 kHz. Especially, in the simulation using silicon rubber and tungsten powder as the matching layer member materials, the frequency components appear large around 100 kHz as well as around 100 kHz. have. This shows similar results in the results of the actual transmission experiments, and in the actual experiments, it can be seen that the matching layer member using silicon rubber and tungsten powder has a much smaller received signal than the matching layer member using Teflon or acrylic. The mating layer member using silicon rubber and tungsten powder is made by blending tungsten powder with silicon rubber, and its structure is relatively uneven, so that the internal damping is severe and the transmission rate is low, so the ultrasonic energy transmitted is lower than that of teflon or acrylic. Because.
실제 투과 실험을 실시한 결과를 보면 설계 중심주파수인 100kHz부근보다 더 낮은 약 50kHz 부근에서 주파수 성분이 더 크게 나타나고 있다. 압전소자에서 완전히 모드 분리가 되어 종파만을 발생하기 위해서는 압전소자의 지름이 두께보다 3배 이상되어야 한다. 따라서, 선정된 압전소자를 이용하여 중심주파수 100kHz인 종파 모드 초음파를 발생시키기 위해서는 두께가 약 20 mm이고 지름이 60mm 이상이 되어야 한다. 그러나, 이러한 이론적인 수치로 초음파 트랜스듀서를 제작하면 실험 대상인 과실의 크기(70 ~ 100mm)에 비해 초음파 트랜스듀서의 크기가 상당히 크게 되고, 이로 인해 초음파 트랜스듀서에서 발생한 초음파 신호가 과실의 중심을 투과하는 신호와 과실 표면을 따라 전달되는 신호가 함께 수신될 위험이 있다. 또한 초음파 트랜스듀서의 크기가 너무 크면 그 무게와 크기로 인해 실제 적용에는 많은 한계가 있을 것으로 생각된다. 이러한 이유로 압전소자의 지름 대 두께 비를 약 2 : 1로 제작하였으며, 이로 인해 종파와 횡파의 모드 분리가 정확히 이루어지지 않아 나타난 현상으로 판단된다.The results of the actual transmission experiment show that the frequency component is larger in the vicinity of 50 kHz, which is lower than the design center frequency near 100 kHz. The piezoelectric element must be at least three times the diameter in order to be completely mode-separated from the piezoelectric element to generate only a longitudinal wave. Therefore, in order to generate longitudinal mode ultrasonic waves having a center frequency of 100 kHz using the selected piezoelectric element, the thickness must be about 20 mm and a diameter of 60 mm or more. However, when the ultrasonic transducer is manufactured with these theoretical values, the size of the ultrasonic transducer is considerably larger than that of the fruit (70 to 100 mm), which is the result of the ultrasonic signal transmitted from the ultrasonic transducer. There is a risk of receiving both the signal and the signal along the fruit surface. In addition, if the size of the ultrasonic transducer is too large, it is considered that there are many limitations in the practical application due to its weight and size. For this reason, the diameter-to-thickness ratio of the piezoelectric element was manufactured to be about 2: 1, which is why the mode separation between the longitudinal wave and the transverse wave was not made correctly.
3. 초음파 트랜스듀서를 이용한 과실의 투과 실험3. Permeation Experiment of Fruit Using Ultrasonic Transducer
본 실험에서 시뮬레이션을 통해 분석된 트랜스듀서의 설계 조건에 따라 초음파 송수신 트랜스듀서를 제작한 다음 실험을 통해 송수신 특성이 가장 좋은 압전소자를 선정하고, 이에 적합한 전면 정합층 부재와 후면재 부재를 선정하여 최적의 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 초음파 실험 장치는 도 1의 물성 측정 장비와 제작된 과실용 초음파 트랜스듀서(초음파 센서)가 사용되었다.In this experiment, an ultrasonic transceiving transducer was fabricated according to the design conditions of the transducer analyzed through simulation, and then the piezoelectric element having the best transceiving characteristics was selected through the experiment, and the front matching layer member and the backing member were selected. An optimal ultrasonic transducer was constructed. Ultrasonic experimental apparatus was used for measuring the physical properties of Figure 1 and the manufactured ultrasonic ultrasonic transducer (ultrasound sensor).
(a) 실리콘 러버와 텅스텐 분말의 전면 정합층 부재를 사용한 초음파 트랜스듀서(a) Ultrasonic Transducer Using Silicon Rubber and Tungsten Powder Front Matching Layer Member
설계 조건에 의해 선정된 4가지 압전소자(표 1 참조)를 이용하여 실리콘 러버와 텅스텐 분말(실리콘 러버 : 텅스텐 분말 = 1 : 2.5)로 제작된 전면 정합층 부재를 사용하고, 에폭시만으로 후면재를 구성한 4개의 트랜스듀서를 제작하여 실험에 사용하였다. 도 16과 도 17은 초음파 트랜스듀서 제작 과정에서 후면재를 사용하기 전과 사용한 후의 사진이고, 도 18은 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 사과의 초음파 투과 실험을 하는 사진이다.Using four piezoelectric elements selected by design conditions (see Table 1), a front matching layer member made of silicon rubber and tungsten powder (silicon rubber: tungsten powder = 1: 2.5) was used. Four transducers were constructed and used for the experiment. 16 and 17 are photographs before and after using the backing material in the manufacturing process of the ultrasonic transducer, Figure 18 is a photograph of the ultrasonic transmission experiment of the apple using the manufactured ultrasonic transducer.
제작된 4개의 트랜스듀서들 중에서 압전소자 K-2, P-2로 제작된 초음파 트랜스듀서를 송신자로 하고, K-1과 P-1로 제작된 초음파 트랜스듀서를 수신자로 하여 사과에 대한 초음파 투과 실험을 실시하였다. Among the four transducers, ultrasonic transducers made of piezoelectric elements K-2 and P-2 were used as transmitters, and ultrasonic transducers made of K-1 and P-1 were used as receivers. The experiment was conducted.
도 19는 K-2를 송신자로 하고 K-1과 P-1을 수신자로 하여 투과 실험을 한 결과이고, 도 20은 P-2를 송신자로 하고 K-1과 P-1를 수신자로 하여 투과 실험을 한 결과이다. K-1과 P-1을 수신자로 하여 실험한 결과 수신 특성이 좋지 않은 것으로 나타나 수신자를 K-2와 P-2로 바꾸어 투과 실험을 실시하였다. 도 21은 K-2를 송신자로 하고 P-2를 수신자로 하여 투과 실험을 실시한 결과이고, 도 22는 P-2를 송신자로 하고 K-2를 수신자로 하여 투과 실험을 실시한 결과이다. 실험 결과 K-2와 P-2 압전소자를 이용하여 제작한 초음파 트랜스듀서가 K-1과 P-1을 이용하여 제작한 초음파 트랜스듀서보다 수신특성이 우수한 것으로 나타났다. 4개의 압전소자 중에서 상대적으로 송수신 특성이 나쁜 K-1과 P-1을 트랜스듀서 제작에서 제외하였다.Fig. 19 shows the results of the permeation experiment using K-2 as the sender and K-1 and P-1 as the receiver. Fig. 20 shows the transmission through P-2 as the sender and K-1 and P-1 as the receiver. The result of the experiment. As a result of experiments using K-1 and P-1 as receivers, the reception characteristics were not good, and the receiver was changed to K-2 and P-2. Fig. 21 shows the results of the permeation experiment with K-2 as the sender and P-2 as the receiver. Fig. 22 shows the result of permeation experiment with the P-2 as the sender and K-2 as the receiver. Experimental results show that the ultrasonic transducers fabricated using K-2 and P-2 piezoelectric elements have better reception characteristics than the ultrasonic transducers fabricated using K-1 and P-1. Among the four piezoelectric elements, K-1 and P-1, which are relatively poor in transmission and reception characteristics, were excluded from the fabrication of the transducer.
도 19 ~ 도 22에서 사과를 투과한 신호는 송신자의 메인 방 안에 포함되어 수신된 신호를 구분하기 어려운 것으로 나타났다. 메인 방 신호와 수신된 신호를 구분하고 수신 감도를 향상시키기 위해 전면 정합층 부재와 후면재의 제작 조건을 바꾸어 트랜스듀서를 설계 제작해야 할 것으로 나타났다.19 to 22, the signal transmitted through the apple is included in the main room of the sender, and it is difficult to distinguish the received signal. In order to distinguish the main room signal from the received signal and improve the reception sensitivity, it is necessary to change the fabrication conditions of the front matching layer member and the back material to design and manufacture the transducer.
(b) 아크릴로 제작된 전면 정합층 부재를 사용한 초음파 트랜스듀서(b) Ultrasonic Transducers Using Front Matching Layer Members Made of Acrylic
압전소자 K-2와 P-2에 아크릴 전면 정합층 부재를 사용하고 후면재는 제작하지 않은 상태에서 송신자와 수신자를 바꾸어 가며 투과 실험을 실시하였다. 도 23은 K-2를 송신자로 하고 P-2를 수신자로 하여 투과 실험을 실시한 결과이고, 도 24는 P-2를 송신자로 하고 K-2를 수신자로 하여 투과 실험을 실시한 결과이다. 아크릴을 전면 정합층으로 사용하는 것이 실리콘 러버와 텅스텐 분말 전면 정합층보다 수신 감도가 더 우수하게 나타났다. 그 이유는 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 배합하여 제작한 전면 정합층은 비등방성 재료이므로 정합층 내에서 산란과 흡수가 많이 발생하여 전달되는 초음파 에너지와 수신되는 초음파 에너지가 적기 때문인 것으로 판단된다. Permeation experiments were carried out by changing the sender and receiver while acryl front matching layer members were used for the piezoelectric elements K-2 and P-2 and the back member was not fabricated. Fig. 23 shows the results of the permeation experiment with K-2 as the sender and P-2 as the receiver. Fig. 24 shows the result of permeation experiment with the P-2 as the sender and K-2 as the receiver. Using acrylic as the front matching layer showed better reception sensitivity than silicon rubber and tungsten powder front matching layer. The reason is that the front matching layer prepared by mixing silicon rubber and tungsten powder is anisotropic material, so it is considered that the scattering and absorption occurs in the matching layer so that the transmitted ultrasonic energy and the received ultrasonic energy are small.
도 23과 도 24를 보면 메인 방 신호 안에 수신 신호가 포함되어 수신된 신호가 잘 구분되지 않고 있다. 이러한 메인 방 신호를 감소시키기 위해 아크릴 전면 정합층 부재에 에폭시 : 텅스텐 분말(250㎛) = 1 : 13인 후면재를 사용하여 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 실험을 실시하였다. 도 25는 초음파 트랜스듀서 제작과정 중에서 케이싱을 하기 전 사진이고, 도 26은 아크릴 전면 정합층 부재로 제작된 초음파 트랜스듀서의 사진이다. 도 27과 도 28은 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 실험을 한 결과이다. 후면재를 사용한 결과 메인 방 신호가 크게 감소하였고, 감도도 향상되어, 사과를 투과한 신호가 약 500㎲ 근처에서 나타남을 알 수가 있다. 실험에 사용된 사과의 두께가 약 10cm이므로 TOF(Time Of Flight)가 약 500㎲이면 초음파 속도는 약 200m/sec로 계산된다. 이 결과는 예비실험에서 사과 과육에 대한 초음파 속도 측정값과 유사한 값을 갖는 것으로서 수신된 신호가 사과를 투과한 신호임을 증명해 주는 것이다. Referring to FIGS. 23 and 24, the received signals are included in the main room signal, and thus the received signals are not easily distinguished. In order to reduce the main room signal, a permeation experiment was performed using an ultrasonic transducer manufactured by using an epoxy: tungsten powder (250 μm) = 1: 13 backing material on the acrylic front matching layer member. Figure 25 is a photograph before the casing during the ultrasonic transducer manufacturing process, Figure 26 is a photograph of the ultrasonic transducer made of an acrylic front matching layer member. 27 and 28 are the results of the transmission experiment using the manufactured ultrasonic transducer. As a result of using the backing material, the signal of the main room was greatly reduced and the sensitivity was also improved, indicating that the signal transmitted through the apple appeared around 500㎲. The apple used in the experiment is about 10cm thick, so if the TOF (Time Of Flight) is about 500㎲, the ultrasonic velocity is calculated to be about 200m / sec. This result is similar to the ultrasonic velocity measurement of apple pulp in the preliminary experiment, demonstrating that the received signal is a signal transmitted through the apple.
(c) 테프론으로 제작된 전면 정합층 부재를 사용한 초음파 트랜스듀서(c) Ultrasonic transducers using front mating layer members made of Teflon
전면 정합층을 테프론으로 제작하고 수신 신호의 감도를 향상시키기 위해 후면재 재료를 에폭시 : 실리콘 카바이드(150㎛) : 텅스텐 분말(1㎛) = 1 : 2 : 1로 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 실험을 실시하였다. 도 29는 위의 제작 조건에 의해 제작된 초음파 트랜스듀서의 사진이다. 도 30은 K-2 초음파 트랜스듀서를 송신자로 하고 P-2를 수신자로 하여 투과 실험을 실시한 결과이고, 도 31은 P-2 초음파 트랜스듀서를 송신자로 하고 K-2 초음파 트랜스듀서를 수신자로 하여 투과 실험을 한 결과이다. In order to improve the sensitivity of the received signal, the front matching layer is made of Teflon, and the back material is made of ultrasonic transducer made of epoxy: silicon carbide (150 μm): tungsten powder (1 μm) = 1: 2: 1 Permeation experiments were conducted. 29 is a photograph of the ultrasonic transducer manufactured by the above manufacturing conditions. 30 shows the results of a transmission experiment using the K-2 ultrasonic transducer as the transmitter and P-2 as the receiver. FIG. 31 shows the P-2 ultrasonic transducer as the transmitter and the K-2 ultrasonic transducer as the receiver. It is the result of permeation experiment.
실험 결과 아크릴 전면 정합층을 사용하여 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 사과를 투과한 신호의 크기는 약 0.004(V)였던 것에 비해 테프론 전면 정합층을 사용하여 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 사과를 투과한 신호의 크기는 약 0.01(V)로 투과 신호의 크기가 약 28dB 정도 향상되었다. 이렇게 투과 신호의 감도가 크게 향상된 것은 아크릴과 테프론의 물리적 특성의 차이와 후면재 제작 조건의 변화로 인해 제작된 초음파 트랜스듀서의 송수신 특성이 향상된 것이 원인인 것으로 분석된다. As a result of the experiment, the size of the signal transmitted through the apple by using the ultrasonic transducer manufactured using the acrylic front matching layer was about 0.004 (V), whereas the apple was manufactured by using the ultrasonic transducer manufactured using the Teflon front matching layer. The size of the transmitted signal is about 0.01 (V), and the size of the transmitted signal is improved by about 28dB. This improvement in the sensitivity of the transmitted signal is analyzed to be due to the improved transmission and reception characteristics of the manufactured ultrasonic transducer due to the difference in the physical properties of acryl and Teflon and the change in the fabrication conditions of the backing material.
(d) 최적 전면 정합층 선정(d) Optimal front matching layer selection
전면 정합층 재료로 선정된 실리콘 러버와 텅스텐 분말, 아크릴, 테프론 중에서 초음파 송수신 감도가 가장 우수한 재료를 선정하기 위해 압전소자를 P-2로 선정하고, 후면재 조건을 같게 하여 3개의 초음파 트랜스듀서를 제작한 후 각각 초음파 투과 실험을 실시하였다. 도 32는 테프론 전면 정합층을 이용하여 제작한 초음파 트랜스듀서를 송수신 초음파 트랜스듀서로 사용하여 투과 실험을 실시한 결과이다. 도 33은 아크릴 전면 정합층을 이용하여 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 실험을 실시한 결과이다. 도 34는 실리콘 러버와 텅스텐 분말 전면 정합층을 이용하여 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 실험을 실시한 결과이다.The piezoelectric element was selected as P-2 to select the material having the best ultrasonic transmission / reception sensitivity among silicon rubber, tungsten powder, acrylic, and Teflon selected as the front matching layer material, and three ultrasonic transducers were selected with the same back material conditions. After fabrication, the ultrasonic permeation experiments were performed. 32 shows the results of a transmission experiment using an ultrasonic transducer manufactured using a Teflon front matching layer as a transceiving ultrasonic transducer. 33 is a result of the transmission experiment using the ultrasonic transducer manufactured by using the acrylic front matching layer. FIG. 34 shows the results of a transmission experiment using an ultrasonic transducer manufactured by using a silicon rubber and a tungsten powder front matching layer. FIG.
투과 실험 결과 테프론을 전면 정합층으로 사용한 초음파 트랜스듀서의 투과 신호 크기는 0.08V, 아크릴을 전면 정합층으로 사용한 초음파 트랜스듀서의 투과 신호 크기는 0.05V, 실리콘 러버와 텅스텐 분말을 전면 정합층으로 사용한 초음파 트랜스듀서의 투과 신호 크기는 0.03V로 나타났다. 선정된 3가지 전면 정합층 재료의 음향임피던스 값은 서로 비슷하지만 투과 실험 결과 초음파 송수신 감도는 테프론이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이후 최종적으로 제작될 초음파 트랜스듀서의 전면 정합층은 테프론을 사용하였다.As a result of the transmission experiment, the transmission signal size of the ultrasonic transducer using Teflon as the front matching layer was 0.08V, and the transmission signal size of the ultrasonic transducer using acrylic as the front matching layer was 0.05V, and the silicon rubber and tungsten powder were used as the front matching layer. The transmission signal size of the ultrasonic transducer was 0.03V. Although the acoustic impedance values of the three selected front matching layer materials are similar to each other, Teflon shows the best sensitivity of ultrasonic transmission and reception. After that, Teflon was used as the front matching layer of the ultrasonic transducer to be finally manufactured.
(e) 최적 과실용 초음파 트랜스듀서 제작(e) Fabrication of Ultrasonic Transducers for Optimal Fruits
압전소자 K-2와 P-2 두 가지 중에서 송수신 감도가 더 좋은 압전소자를 선정하기 위해 전면 정합층을 테프론으로 하고, 후면재 제작 조건을 같게 하여 2개의 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 도 35는 압전소자 P-2로 제작된 초음파 트랜스듀서를 송수신 초음파 트랜스듀서로 이용하여 투과 실험을 실시한 결과이고, 도 36은 압전소자 K-2로 제작된 초음파 트랜스듀서를 송수신 초음파 트랜스듀서로 이용하여 투과 실험을 실시한 결과이다. 압전소자 K-2로 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 시험을 한 결과가 압전소자 P-2로 제작한 초음파 트랜스듀서를 이용하여 투과 실험을 한 결과보다 더 우수하게 나타났다. 최종적으로 제작된 과실용 초음파 트랜스듀서는 전면 정합층은 테프론, 압전소자는 K-2, 후면재는 에폭시 : 실리콘 분말(150㎛) : 텅스텐 분말(1㎛) = 1 : 2 : 1의 비율로 제작하는 것이 최적 설계 조건인 것으로 나타났다.Two ultrasonic transducers were fabricated using the front matching layer as Teflon and the same conditions for fabricating the backing material to select piezoelectric elements having better transmit / receive sensitivity among the piezoelectric elements K-2 and P-2. 35 is a result of performing a transmission experiment using the ultrasonic transducer made of the piezoelectric element P-2 as a transmission and reception ultrasonic transducer, Figure 36 is a ultrasonic transducer made of the piezoelectric element K-2 as a transmission and reception ultrasonic transducer This is the result of the permeation experiment. The results of the permeation test using the ultrasonic transducer made of piezoelectric element K-2 showed better results than the results of the permeation experiment using the ultrasonic transducer made of piezoelectric element P-2. Finally, the prepared ultrasonic ultrasonic transducer is made of Teflon on the front matching layer, K-2 on the piezoelectric element, and epoxy: silicon powder (150㎛): tungsten powder (1㎛) = 1: 2: 1 on the back material. Has been shown to be the optimal design condition.
(f) 200 kHz 과실용 초음파 트랜스듀서(f) 200 kHz fruit ultrasonic transducer
초음파 트랜스듀서의 성능을 향상시키고 크기를 줄이기 위해 중심주파수 200kHz인 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 제작된 200kHz 초음파 트랜스듀서의 압전소자는 K-2, 전면 전합층은 테프론을 이용하여 제작하였으며, 중심주파수가 200kHz이므로 후면재의 조건을 바꾸어 최적 송수신 조건을 찾았다. In order to improve the performance and reduce the size of the ultrasonic transducer, an ultrasonic transducer with a center frequency of 200kHz was fabricated. The piezoelectric element of the manufactured 200kHz ultrasonic transducer was manufactured using K-2 and the front electrode layer using Teflon. Since the center frequency was 200kHz, the optimum transmission and reception condition was found by changing the conditions of the backing material.
200kHz 초음파 트랜스듀서를 제작하기 전에 제작 조건의 변화에 따른 초음파 트랜스듀서의 특성 변화를 파악하기 위해 시뮬레이션을 실시하였다. 초음파 빔과 음장에 대한 시뮬레이션은 중심주파수 200kHz, 압전소자의 직경 20 mm, 초점거리 60 mm, 과실에서 초음파 전파속도 200m/sec에서 실시하였다. 도 37은 중심주파수 200kHz에서 초음파 빔 프로파일(beam profile)을 나타내며, 도 38은 초음파 음장을 나타낸다. 도 37 및 도 38을 보면 압전소자의 직경이 감소하고 전면 정합층 부재의 호의 깊이가 감소하여, 초음파 빔의 근거리 음장이 증가하고, 음압의 크기가 감소한 것을 볼 수 있다. Before fabricating the 200kHz ultrasonic transducer, a simulation was conducted to investigate the characteristics of the ultrasonic transducer according to the change of fabrication conditions. The simulation of the ultrasonic beam and sound field was carried out at the center frequency of 200kHz, the diameter of the piezoelectric element 20mm, the focal length of 60mm and the ultrasonic wave propagation speed of 200m / sec. FIG. 37 shows an ultrasonic beam profile at a center frequency of 200 kHz, and FIG. 38 shows an ultrasonic sound field. 37 and 38, the diameter of the piezoelectric element decreases and the depth of the arc of the front matching layer member decreases, so that the near sound field of the ultrasonic beam increases and the magnitude of the sound pressure decreases.
제작될 200kHz 초음파 트랜스듀서의 주파수 특성을 파악하기 위해 KLM 모델을 이용해 100kHz 초음파 트랜스듀서를 제작할 때와 같은 방법으로 알루미늄 봉에 대한 투과 시뮬레이션을 실시하였다. In order to understand the frequency characteristics of the 200kHz ultrasonic transducer to be fabricated, transmission simulation was performed for aluminum rods in the same way as the 100kHz ultrasonic transducer was fabricated using the KLM model.
도 39는 압전소자는 K-2, 전면 정합층 부재는 테프론, 후면재의 음향임피던스 4MRayl으로 하고 지름 50mm, 두께 63mm의 알루미늄 봉을 투과하는 시뮬레이션 한 결과이며, 도 40은 시뮬레이션과 같은 조건을 이용하여 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용하여 실제 투과 실험을 한 결과이다. 200kHz 초음파 트랜스듀서에 사용된 압전소자는 지름이 20mm로 종파와 횡파의 모드 분리가 완전히 이루어지지 않았으나 최적 지름인 30mm와 많은 차이가 나지 않고 중심주파수도 높아져 시뮬레이션과 실제 실험 결과가 유사한 결과를 갖는 것으로 나타났다.FIG. 39 is a simulation result of transmitting a piezoelectric element K-2, a front matching layer member with a Teflon, and an acoustic impedance 4MRayl of the backing material and penetrating an aluminum rod having a diameter of 50 mm and a thickness of 63 mm. This is the result of actual transmission experiment using the manufactured ultrasonic transducer. The piezoelectric element used in the 200kHz ultrasonic transducer has a diameter of 20mm, which does not completely separate the longitudinal and transverse waves, but does not differ much from the optimum diameter of 30mm. appear.
하기 표 7은 에폭시와 텅스텐 분말의 배합 비율에 따른 음향임피던스 값이다. 표 7의 후면재 조건에 따라 압전재료와 전면 정합층이 동일한 3개의 200kHz 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 도 41은 3가지 후면재 조건에 의해 제작된 초음파 트랜스듀서를 이용한 투과 실험 결과이다. 실험 결과 각 수신 신호의 크기는 큰 차이가 없었으나 그 중에서 에폭시 : 텅스텐 분말 = 1 : 2인 후면재를 이용한 초음파 트랜스듀서의 수신 감도가 더 우수하였다. 200kHz 초음파 트랜스듀서의 최적 설계 조건은 압전소자는 K-2, 전면 정합층 부재는 테프론, 후면재는 에폭시 : 텅스텐 분말 = 1 : 2인 것으로 나타났다. 도 42는 최종적으로 제작된 100kHz, 200kHz 과실용 초음파 트랜스듀서를 나타낸다.Table 7 shows acoustic impedance values according to the blending ratio of epoxy and tungsten powder. Three 200kHz ultrasonic transducers with the same piezoelectric material and front matching layer were fabricated according to the back material conditions of Table 7. FIG. 41 shows the results of a transmission experiment using ultrasonic transducers fabricated by three backside conditions. FIG. As a result of the experiment, the size of each received signal was not significantly different. Among them, the sensitivity of the ultrasonic transducer using the backing material of epoxy: tungsten powder = 1: 2 was better. The optimum design condition of the 200kHz ultrasonic transducer was K-2 for piezoelectric element, Teflon for front matching layer member, and epoxy: tungsten powder = 1: 2 for back material. 42 shows a finally produced 100kHz, 200kHz fruit ultrasonic transducer.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 과실에 대하여 비접촉식으로 정확한 물성 측정이 가능한 초음파 탐촉자를 제공할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic probe capable of accurately measuring physical properties in a non-contact manner.
특히, 초음파 투과법으로 경도 등 과실의 물성 측정을 위하여 과실에 직접 접촉시켜 초음파를 입사하고 과실을 투과한 초음파를 수신할 수 있는 과실용 송, 수신 초음파 탐촉자(초음파 센서, 초음파 트랜스듀서)를 제공할 수 있게 된다.In particular, the ultrasonic transmission method provides a fruit-transmitting and receiving ultrasonic transducer (ultrasound sensor, ultrasonic transducer) capable of directly contacting the fruit to measure the physical properties of the fruit such as hardness and receiving the ultrasonic wave transmitted through the fruit. You can do it.
또한 본 발명에 의하면, 재료 등의 최적화된 설계에 의하여 측정대상인 과실에 대해 우수한 초음파 집속 효과를 얻을 수 있으면서 향상된 초음파 투과 효율을 가지는 과실용 초음파 탐촉자를 제공할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to provide a fruit ultrasonic probe having an improved ultrasonic transmission efficiency while obtaining an excellent ultrasonic focusing effect on the fruit to be measured by an optimized design of the material.
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