KR100553338B1 - 고충격용 침투이력 측정장치 - Google Patents

고충격용 침투이력 측정장치 Download PDF

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김기륙
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Abstract

본 발명은 고충격용 침투이력 측정장치에 관한 것으로, 종래에는 고충격에도 파손되지 않고 내부에 장착된 가속도 센서에 의해 감가속도를 정확하게 측정할 수 있는 장치가 존재하지 않는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 시험용 탄체에 장착되어 충동 시의 감가속도를 측정하여 저장하기 위한 센서 및 메모리를 포함하는 전자회로부와, 고충격으로부터 이 전자회로부를 보호하여 정상적으로 동작하도록 충격을 흡수하는 각종 재질로 이루어진 몰딩부와 완충부로 구성되어 어떠한 방향의 고충격에서도 정상적으로 감가속도를 측정함으로써 각종 탄들의 충격값 측정장치로서의 가용성을 높인 효과가 있다.

Description

고충격용 침투이력 측정장치{PENETRATION HYSTERESIS MEASURING APPARATUS FOR HIGH IMPACT}
도 1은 본 발명에 의한 침투이력 측정장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 침투이력 측장장치의 회로 구성을 보여주는 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 침투이력 측정장치의 데이터 획득 과정을 나타내는 개념도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100: 탄체 101, 201: 센서
102: 센서 고정부 103: 충격량 측정장치
104: 완충부 1 105: 완충부 2
106: 완충부 3 107: 배터리
108: 배터리 몰딩부 109: 탄체충전부
110: 측정장치 지지부 111: 측정장치 충전부
112: 측정장치 몸체부 202: 센서구동부
203: 증폭 및 필터링부 204: A/D 변환부
205: 제어부 206: 에스램(SRAM)
207: 이이피롬(EEPROM) 208: 입출력 커넥터
209: 전원부
본 발명은 고충격용 침투이력 측정장치에 관한 것으로, 특히 고속 비행 물체가 견고표적을 관통할 때 받는 감가속도를 측정하기 위해 고충격에도 파손되지 않고 내부에 장착된 가속도 센서에 의해 감가속도를 정확하게 측정, 저장할 수 있게 한 고충격용 침투이력 측정장치에 관한 것이다.
발사된 탄체가 견고한 표적에 충돌했을 때 그 탄체 내부에 장착되어 있는 신관 및 이에 전원을 공급하는 배터리가 제 기능을 수행하는 지 여부를 파악하기 위해 충돌 시의 운동 특성을 연구하여 개량할 필요가 있다.
따라서 시험용 탄체 내부에 가속도를 측정하여 저장할 수 있는 장치를 내장하고 충격 판을 관통시켜 그 시점에서의 운동량을 알 수 있으나, 수만 G 이상의 고충격용 침투이력을 측정할 수 있는 장치는 아직 개발되지 않았다.
특히 충격값이 수만 G 이상의 고충격일 경우, 이를 측정하기 위한 전자회로를 보호할 수 있는 몰딩 재질을 선택하기가 쉽지 않으며, 몰딩 방법 및 완충 방법을 구현하기에 상당히 난해한 면이 있다.
상기 언급한 바와 같이 종래 기술에 있어서, 일반적으로 탄체가 목표물을 통과할 때 수만 G 이상의 충격을 받게 되는데 그러한 고충격시 운동량을 측정할 수 없어 탄체 개발에 필요한 정확한 자료를 제공할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 수만 G 이상의 고충격을 받더라도 정상적으로 동작하여 포탄과 같은 고속 비행 물체가 견고표적을 통과할 때의 감가속도를 측정할 수 있도록 한 고충격용 침투이력 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
좀더 구체적으로, 탄체와 충격량 측정장치의 조립 시 측정장치를 탄체로부터 플로팅(floating) 시킬 수 있는 완충 설계가 필요하고, 측정장치 내의 전자회로부를 보호하기 위한 몰딩 재질과 몰딩 방법이 있어야 하며, 고충격에서 견딜 수 있는 내충격성 전자부품의 설계가 필요하다. 또한, 충돌 시 감가속도 감지 센서로부터 출력되는 신호를 메모리에 저장하여 데이터를 획득할 수 있는 전자회로부를 구현함에 있어서, 고충격하에서도 오작동하지 않을 뿐만 아니라 감가속도를 정확히 측정할 수 있는 고충격용 측정장치를 개발하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 감가속도를 측정하고 저장하는 장치가 장착되는 탄체와, 상기 탄체의 감가속도를 감지하여 감가속도 출력신호를 발생시키는 센서와, 상기 센서를 보호하는 물질로 이를 둘러싸는 센서고정부와, 상기 감가속도 출력신호를 증폭시킨 후 디지털 신호로 변환하여 저장하는 충격량 측정장치와, 상기 충격량 측정장치 및 센서에 전원을 공급하는 배터리와, 상기 배터리를 보호하는 물질로 이를 둘러싸는 배터리 몰딩부와, 상기 충격량 측정장치, 배터리, 배터리 몰딩부, 센서 및 센서 고정부가 장착되는 측정장치 몸체부와, 상기 충격량 측정장치 내부의 전자회로를 보호하는 물질로 측정장치 몸체부 내부를 채우는 측정장치 충전부와, 상기 측정장치 몸체부에 부착되어 충격량 측정장치 및 센서로 전달되는 충격을 완화시키는 물질로 이루어진 완충부와, 상기 측정장치 몸체부를 탄체에 고정시키는 측정장치 지지부와, 상기 탄체와 측정장치 몸체부 사이를 채우는 충격 완화 물질로 이루어진 탄체충전부로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 고충격용 침투이력 측정장치의 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이 견고표적에 발사시켜 충돌 시의 감가속도를 측정하기 위해 본 발명에 의한 장치가 장착되어 있는 탄체(100)와, 탄체(100)의 감가속도를 감지하기 위한 센서(101)와, 센서(101)가 측정장치 몸체부(112)에 부착되도록 하고 이를 보호하기 위한 센서고정부(102)와, 센서(101)의 출력신호를 증폭한 후 디지털 신호로 변환하여 저장하는 충격량 측정장치(103)와, 탄체(100)가 견고표적을 관통하여 고충격 발생 시 본 발명의 회로부를 보호하기 위한 완충 물질로 구성된 완충부1(104), 완충부2(105) 및 완충부3(106)과, 충격량 측정장치(103) 및 센서(101)에 전원을 공급하기 위한 배터리(107)와, 배터리(107)를 보호하기 위한 배터리 몰딩부(108)와, 탄체(100) 콘(cone)에서부터 전달되는 충격을 완화시키기 위한 탄체 충전부(109)와, 충격량 측정장치(103)를 장착하기 위한 측정장치 몸체부(112)와, 측정장치 몸체부(112)를 탄체(100)에 고정시키기 위한 측정장치 지지부(110)와, 충격량 측정장치(103) 내부의 전자회로를 보호하기 위한 측정장치 충전부(111)로 구성된 다.
상기와 같이 구성된 탄체(100)에 장착된 각 구성요소들의 재질 및 특성을 살펴보면 다음과 같다.
상기 센서고정부(102)는 센서(101)를 측정장치 몸체부(112)에 고정하여 충격량 측정장치(103) 부위의 충격량을 정확히 측정할 수 있도록 하고 있으며, 센서(101)를 고정시키고 보호하기 위하여 에폭시 몰딩(3M사, DP-100 Clear, 경도: Shore D 80)을 사용하였다.
상기 완충부1(104)은 견고표적 통과 시 탄체(100)에 가해지는 충격을 경감시키기 위하여 사용되는 완충 재질로, 충격량 측정장치(103)와 센서(101)가 오작동하지 않도록 보호하는데 중요한 역할을 한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 완충부1(104)은 테프론(teflon)(경도: Shore D 55, 두께: 10mm) 패드를 사용하며, 충돌 시 발생하는 대부분의 충격량을 흡수하도록 하여 수만 G 이상의 고충격 시험에서도 내부 장치가 보호된다는 것을 확인하였다.
상기 완충부 2(105)는 MC 나일론(경도: HRC 115)을 사용하여 측정장치 몸체부(112)를 통해 전해지는 충격량을 흡수한다.
상기 완충부3(106)은 탄체충전부(109)를 통해 진행하는 충격파를 완화시키는 기능을 하며, 테프론(경도: Shore D 55, 두께: 2mm) 패드 1장과 폴리우레탄(polyurethane)(경도: Shore A 90, 두께: 2mm) 패드 1장으로 완충패드를 구성하며 그 완충패드 바깥 부분은 MC 나일론(경도: HRC 115) 재질의 하우징을 사용하여 탄체충전부(109)를 통해 전달되는 충격파를 완화시킨다.
상기 배터리 몰딩부(108)는, 직병렬로 연결된 3V용 4개의 배터리(107)를 비발포성 폴리우레탄으로 이루어진 크기 43×46×43mm의 몰딩팩으로 몰딩하며, 이는 배터리(107) 하우징에 탈부착이 가능하고 소모성으로 사용된다.
상기 탄체 충전부(109)는 내충격성이 있고 실제 충전되는 화약과 유사한 비중(1.7)을 가지는 비발포성 폴리우레탄을 사용하여 고충격파를 어느 정도 완화시킨다. 여기서 사용하는 비발포성 폴리우레탄은, 폴리우레탄(비중 1.2)에 세라믹 소재를 첨가하여 비중을 1.7로 증가시킨 것으로서 발포성 폴리우레탄보다 비중이 높고, 발포성의 소성거동에 의한 충격 흡수 방식이 아닌 탄성거동에 의한 충격 흡수 방식이므로 내충격성이 더욱 우수하다.
상기 측정장치 충전부(111)는 응력 및 기계적 충격에 가장 강한 반연질형 에폭시(epoxy)(3M사, No.8, 경도: Shore D 68)를 실온경화로 몰딩한 것을 사용하며 실험을 통해 입증한 바와 같이 어떠한 방향의 고충격에서도 충격량 측정장치(103)를 보호하는데 결정적인 역할을 한다.
상기 측정장치 몸체부(112)는 고충격에서도 손상받지 않도록 경량, 고강도의 재질인 두랄루민(Duralumin)(Al7075 T6)을 사용하며, 탄체(100)와의 결합 방식에 따라 플로팅(floating)형과 부착형으로 구분하여 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 침투이력 측정장치의 회로 구성을 보여주는 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 탄체가 견고표적에 충돌할 때의 감가속도를 측정하기 위한 센서(201)와, 센서(201) 구동에 필요한 4mA의 정전류를 공급해주는 센서구동부(202)와, 물리적 충격을 감지한 센서(201)가 발생하는 감가속도 출력신호의 불필 요한 잡음을 제거하고 신호처리에 적합하도록 증폭시키는 증폭 및 필터링부(203)와, 증폭 및 필터링부(203)를 통과한 감가속도 출력신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(204)와, 증폭 및 필터링부(203)를 통과한 감가속도 출력신호가 일정 크기 이상인 경우 A/D 변환부(204)를 동작시켜 데이터를 전송받는 제어부(205)와, 제어부(205)로부터 전송받은 데이터를 실시간으로 저장하는 에스램(SRAM: Static Random Access Memory)(206)과, 에스램(206)에 저장되어 있는 데이터를 영구적으로 저장하는 이이피롬(EEPROM: Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)(207)과, 외부 장치와 데이터 송수신을 위한 입출력 커넥터(connector)(208)와, 상기 각 구성요소에 전원을 공급하기 위한 전원부(209)로 구성된다.
참고로, 센서(201)를 제외한 각 구성요소(202~208)는 도 1에 도시된 충격량 측정장치(103)를 구성한다.
상기와 같은 전자회로부를 포함하는 침투이력 측정장치는, 견고표적을 관통할 때의 충격량을 완화시키기 위한 내부 몰딩 및 탄체 몰딩에 의해 어떠한 충격 각도로 수만 G 이상의 충격을 받더라도 정상적으로 동작함을 시험을 통하여 확인한 바 있다.
이와 같이 구성된 침투이력 측정장치의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
우선, 전원부(209)가 배터리로부터 5.0V~6.0V의 전압을 공급받아 센서구동부(202)에 +24V DC를, 증폭 및 필터링부(203)에 ±10V DC를, 나머지 다른 소자 (204~208)에 +5V DC를 제공함으로써 센서 및 충격량 측정장치가 동작하기 시작한다.
센서(201)는 구동에 필요한 전류를 센서 구동부(202)로부터 제공받아 작동하며, 충격이 가해지면 감가속도 출력신호를 증폭 및 필터링부(203)로 전달한다. 증폭 및 필터링부(203)는 감가속도 출력신호를 필터링한 뒤 A/D 변환부(204)가 처리할 수 있는 크기의 신호로 증폭시켜 A/D 변환부(204)로 전달하고, 감가속도 출력신호가 소정 크기 이상인 경우 1차 트리거(trigeer) 신호를 발생하여 제어부(205)로 전달한다.
그에 따라 제어부(205)가 칩셀렉트 라인(CS_line)을 통해 A/D 변환부(204)로 칩셀렉트 신호를 전송하면, A/D 변환부(204)가 작동되기 시작하고 이로부터 12비트(bit)의 데이터 버스(data bus)를 통해 디지털 신호로 변환된 감가속도 출력신호를 전달받을 수 있다.
또한, 제어부(205)는 전달받은 감가속도 출력신호가 에스램(206)에 실시간으로 기록되도록 제어하며, 여기서, 센서(201)의 감가속도 출력신호가 에스램(206)에 기록되는 시간은 약 40m초 정도이다.
1차 트리거 신호에 의해 A/D 변환부(204)가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 동작을 완료하면 변환종료신호출력선(EOC_line)을 통해 제어부(205)에 이를 알린다.
그러나 에스램(206)에 기록되는 시간이 경과한 후 약 5초 이내에 제어부(205)로 2차 트리거 신호가 입력되면, 다시 상기와 동일한 방식으로 A/D 변환부 (204)를 동작시켜 약 40m초 동안 감가속도 출력신호가 에스램(206)에 기록되도록 제어한다.
상기 1, 2차 트리거 신호에 의해 감가속도 출력신호가 모두 에스램(206)에 저장되었거나 또는 1차 트리거 신호에 의해 에스램(206)에 감가속도 출력신호가 저장된 후 2차 트리거 신호가 발생하지 않을 경우, 제어부(205)는 에스램(206)에 저장되어 있는 데이터가 이이피롬(EEPROM)(207)으로 이동되도록 제어한다.
이와 같이 에스램(206)과 이이피롬(207)으로 구분하여 2가지 종류의 메모리를 사용하는 것은 센서(201)의 감가속도 출력신호를 실시간으로 저장한 후 이를 영구보관하기 위해서이다.
즉, 에스램(206)은 데이터 기록시간은 매우 빠르나 메모리에 인가되는 전원이 차단되면 이와 동시에 메모리에 기록되어 있던 데이터도 지워지므로 감가속도 출력신호를 실시간으로 기록하고, 이이피롬(207)은 데이터 기록시간은 느리나 메모리 내에 기록된 데이터는 전원이 차단된 후에도 지워지지 않으므로 에스램(206)에 임시로 저장되어 있던 데이터를 전달받아 영구적으로 저장하는데 사용한다.
한편, 이이피롬(207)에 기록된 데이터는 입출력 커넥터(208)를 통해 외부 컴퓨터로 읽어 들이고, 이 때 데이터 전송은 RS232C(Recommended Standard-232C) 방식을 통해 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 침투이력 측정장치의 데이터 획득 과정을 나타내는 개념도로서, 이에 도시된 바와 같이 탄체가 발사되는 순간, 즉 1차 충격 발생 시의 충격량을 센서에서 감지하여 약 40m초 동안 1차 데이터를 에스램에 기록하고, 탄체 가 견고표적에 충돌하는 순간, 즉 2차 충격 발생 시의 충격량 정보를 알려주는 2차 데이터를 약 40m초 동안 에스램에 기록한다. 1, 2차 데이터 모두 에스램에 기록되었으면, 이를 이이피롬으로 이동시켜 저장한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 시험용 탄체에 침투이력 측정장치를 장착시켜 발사 시험을 하는데 있어서, 어떠한 방향의 고충격에서도 정상적으로 감가속도를 측정할 수 있으므로 각종 탄들의 충격값 측정장치로서의 가용성을 높인 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 고충격용 침투이력 측정장치는 고충격용뿐만 아니라 저충격용으로도 사용 가능하기 때문에 대부분의 충격값을 측정할 수 있어 다양하게 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 감가속도를 측정하고 저장하는 장치가 장착되는 탄체와,
    상기 탄체의 감가속도를 감지하여 감가속도 출력신호를 발생시키는 센서와,
    상기 센서를 보호하는 물질로 이를 둘러싸는 센서고정부와,
    상기 감가속도 출력신호를 증폭시킨 후 디지털 신호로 변환하여 저장하는 충격량 측정장치와,
    상기 충격량 측정장치 및 센서에 전원을 공급하는 배터리와,
    상기 배터리를 보호하는 물질로 이를 둘러싸는 배터리 몰딩부와,
    상기 충격량 측정장치, 배터리, 배터리 몰딩부, 센서 및 센서 고정부가 장착되는 측정장치 몸체부와,
    상기 충격량 측정장치 내부의 전자회로를 보호하는 물질로 측정장치 몸체부 내부를 채우는 측정장치 충전부와,
    상기 측정장치 몸체부에 부착되어 충격량 측정장치 및 센서로 전달되는 충격을 완화시키는 물질로 이루어진 완충부와,
    상기 측정장치 몸체부를 탄체에 고정시키는 측정장치 지지부와,
    상기 탄체와 측정장치 몸체부 사이를 채우는 충격 완화 물질로 이루어진 탄체충전부로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서고정부는 쇼어(shore) D 80의 경도를 가지는 에폭시 몰딩으로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충격량 측정장치는 상기 센서에 전류를 공급하기 위한 센서 구동부와,
    상기 감가속도 출력신호의 잡음을 제거하여 증폭시키기고, 감가속도 출력신호가 소정 크기 이상일 경우 트리거 신호를 출력하는 증폭 및 필터링부와,
    상기 증폭 및 필터링부를 통과한 감가속도 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부와,
    상기 감가속도 출력신호를 저장하기 위한 메모리부와,
    상기 트리거 신호가 입력되면 아날로그-디지털 변환부를 동작시키고 상기 아날로그-디지털 변환부에 의해 디지털 신호로 변환된 감가속도 출력신호가 메모리부에 저장되도록 제어하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메모리부는 감가속도 출력신호를 실시간으로 저장하는 에스램(SRAM)과 에스램에 저장되어 있는 데이터를 영구 저장하는 이이피롬(EEPROM)으로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 두 번의 감가속도 출력신호가 에스램에 기록되거나 또는 첫 번째 감가속도 출력신호가 에스램에 기록된 후 소정 시간 동안 트리거 신호가 입력되지 않을 때, 에스램에 저장되어 있는 데이터를 이이피롬으로 이동시켜 저장하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부를 통해 메모리부에 저장된 데이터를 읽어 들이는 외부 장치를 접속시킬 수 있는 입출력 커넥터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 몰딩부는 배터리 하우징에 탈부착이 가능한 비발포성 폴리우레탄의 몰딩팩으로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정장치 몸체부는 AL7075 T6의 재질로 이루어지며, 탄체에 부착시킨 형태 또는 탄체와 플로팅시킨 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정장치 충전부는 비발포성 폴리우레탄으로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충부는, 측정장치 지지부와 측정장치 몸체부 사이에 위치한 완충부1과,
    상기 측정장치 회로부와 측정장치 몸체부 사이에 위치한 완충부 2와,
    상기 완충부 2가 장착된 측정장치 몸체부 일면의 외벽에 부착된 다수의 완충 패드가 겹쳐진 완충부 3으로 구성된 것을 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 완충부 1은 테프론 재질로, 완충부 2는 MC 나일론 재질로, 완충부 3은 테프론 재질의 패드 1장, 폴리우레탄 재질의 패드 2장과 이를 둘러싸는 MC 나일론 재질의 하우징으로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정장치 충전부는 반연질형 에폭시 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 고충격용 침투이력 측정장치.
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CN111288858A (zh) * 2020-04-07 2020-06-16 中国工程物理研究院总体工程研究所 炮弹侵彻高冲击过载测试装置及方法

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