KR100724100B1 - 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형건물이나 기계설비의 이상상태 및 미세균열을 감지하는 음향방출센서의 크기를 소형화하는 한편 회로를 개선하여 증폭도를 대폭 증가시킨 증폭기를 내장한 초소형 음향방출센서에　관한　것으로서，외부에서 전달된 탄성파를 감지하여 전기용량변화가 유발되는 탄성파 감지부와; 정전용량변화를 전기적 신호로 증폭시키는 전하증폭기와; 전하증폭기의 출력신호 중 소정 주파수 범위의 신호만을 통과시키는 대역통과필터와; 필터 처리된 출력신호를 소정크기로 증폭시키는 주 증폭기와; 증폭된 출력신호 중 저주파 성분을 제거하기 위한 고역통과필터와; 필터 처리된 신호를 장거리까지 전송하기 위한 전력증폭기; 및 전하증폭기와 상기 전력증폭기에 안정된 전원을 공급하는 직류전원공급장치를 포함하며, 외부에서 직류전원공급장치에 전원을 공급하는 전원선에 출력신호가 합성되는 것을 특징으로 한다．

초소형음향방출센서，압전소자，전하증폭기，대역통과필터，주 증폭기，고역통과필터，전력증폭기，직류전원공급장치，직류차단회로，교류차단회로，파형분석장치

Description

증폭기 내장형 초소형 음향방출센서{SUPER SMALL-SIZED ACCOUSTIC SENSOR WITH AMPLIFIER}

도 1은 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서의 내부 구조를 나타내는 사시도.

도 2는 도 1의 외양을 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서의 동작원리를 나타내는 구성도.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

10: 하부인쇄회로기판 11: 압전소자

12: 전하증폭기 13: 대역통과필터

14: 주 증폭기 15: 고역통과필터

16: 전력증폭기 20: 상부인쇄회로기판

21: 직류차단회로 22: 직류전원공급장치

23: 교류차단회로 30: 파형분석장치

40: 신호연결선 50: 동축케이블

53: 커넥터 70: 하우징

본 발명은 재료의 탄소성 변형시 검출되는 음향방출(Accoustic Emission; AE)신호를 측정하는 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 미세신호도 감지하며, 증폭도도 대폭 증가시킨 증폭기를 내장한 초소형 음향방출센서에 관한 것이다.

일반적으로 어떤 재료의 구조적 결함 또는 재질상의 결함이 존재하게 되면 결함이 발생한 부위는 타 부위보다 응력이 집중되므로 재료의 파괴가 일어나게 되며, 이러한 손상을 방지하기 위해서는 피검재의 응력에 따른 변형정도를 검출하고 파괴시점등을 정확하게 예측하여야 한다.

이와 같이 재료의 변형등의 이상상태 및 미세균열 진전등의 미시적 파괴 거동을 연구하는 재료 평가수단으로서 음향방출법이 많이 사용되고 있다.

음향방출법에 대해 간략히 설명하면, 물체가 외력 또는 내부의 힘에 의해 변형이나 파괴가 일어나게 되면 재료 내부에 축적되어 있던 변형에너지는 열에너지, 격자변형에너지 및 탄성파등의 에너지로 검출되는데, 외부에서 계측장치로 가시적으로 검출된 탄성파를 음향방출신호라 하며, 이러한 탄성파를 검출하여 재료를 평가하는 것을 음향방출법이라 한다.

대형구조물이나 운전중인 기계설비등의 경우, 구조재의 변형이나 균열에 의해 발생하는 사고를 방지하기 위하여, 구조재의 표면에 스트레인 게이지나 음향센서등을 부착하여 변형이 임계값 이상으로 발생하거나 균열이 발생하게 되면 이를 감지할 수 있도록 하고 있다. 그러나, 종래의 센서는 신호가 미세한 경우 전용증폭 기를 별도로 설치하여야 신호를 분석할 수 있었으며, 특히 대형구조물인 경우에 센서는 현장에 설치해야 하지만 분석장치는 작업자 근처 작업가능한 위치에 설치해야 하므로 센서와 분석장치는 최소 50m 이상 멀리 떨어져 있게 된다. 또한, 전용증폭기도 센서 옆에 설치해야 하고, 그럼으로써 전용증폭기용 전원공급장치도 센서있는 곳까지 연결되어야 하므로 설비진단시 매우 번거로움이 있었다. 따라서, 전용증폭기를 센서모듈에 내장하고 또한 출력신호도 전원선에 합성함으로써, 전선 2가닥(한 가닥은 접지선, 다른 한 가닥은 신호가 합성된 직류전원선)으로 센서와 연결하게 되고 간단히 별도의 전용증폭기가 없어도 신호를 측정하고 분석할 수 있게 되었다.

그러나, 기존의 증폭기가 내장된 센서는 외형이 크고(직경 28mm, 높이 31mm) 증폭도가 낮아(40dB 이하) 사용이 제한되는 경우가 많았다. 즉, 접근하기 힘든 부분이나 회전체 및 소형 대상체에 부착하는 경우 센서의 크기로 인하여 여러가지 제약이 있었다. 또한, 센서의 크기의 제한으로 인한 다양한 기능의 회로를 추가하지 못함으로써 증폭도를 충분히 높이지 못하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기계설비의 이상상태 및 미세균열을 감지하는 음향방출센서의 크기를 소형화하는 한편 회로를 개선하여 증폭도를 대폭 증가시킨 증폭기를 내장한 초소형 음향방출센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 재료의 탄소성 변형시 발생하는 음향방출신호를 측정하는 음향방출센서에 있어서, 외부에서 전달된 탄성파를 감지하여 전기용량변화 가 유발되는 탄성파 감지부와; 정전용량변화를 전기적 신호로 증폭시키는 전하증폭기와; 전하증폭기의 출력신호 중 소정 주파수 범위의 신호만을 통과시키는 대역통과필터와; 필터 처리된 출력신호를 소정크기로 증폭시키는 주 증폭기와; 증폭된 출력신호 중 저주파 잡음성분을 제거하기 위한 고역통과필터와; 필터 처리된 신호를 장거리까지 전송하기 위한 전력증폭기; 및 전하증폭기와 상기 전력증폭기에 안정된 전원을 공급하는 직류전원공급장치를 포함하며, 외부에서 직류전원공급장치에 전원을 공급하는 전원선에 출력신호가 합성되는 것을 특징으로 하는 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서에 의해 달성된다.

증폭기 내장형 초소형 음향방출센서는 전력증폭기의 출력신호에 직류전원이 직접 공급되지 않도록 전력증폭기의 출력측과 직류전원 사이에 직류차단회로를 포함하며, 또한, 전원선에 합성된 교류신호가 각 증폭기에 공급되지 않도록 직류전원공급장치 입력측에 교류차단회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 탄성파 감지부는 두께 0.5mm이며 직경이 5mm인 PZT 계열의 압전소자로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 전하증폭기는 0.5 pC 전하변화량에 대해 100mV출력전압 변화량이 발생되도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 대역통과필터는 대략 100kHz 내지 500kHz 주파수만 통과시키고 기타 주파수는 20dB/decade의 비율로 제거하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적들, 분명한 장점들 및 신규한 특징들은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들에 따른 바람직한 실시 예들로부터 더 분명해 질것이다.

이하에서 본 발명의 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서의 내부 구조를 나타내는 사시도이며, 도 2는 도 1의 외양을 나타내는 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서는 하부인쇄회로기판(10), 상부인쇄회로기판(20), 신호연결선(40)　및　동축케이블(50)과　커넥터(53)로 구성된다．

하부인쇄회로기판(10)은　소정　두께를　가진　소정　직경의　원판형상으로서，저면에는　압전소자(11)가　부착되며　상면에는　전하증폭기(미도시)，대역통과필터(미도시), 주 증축기(미도시),　고역통과필터(미도시）　및 전력증폭기(미도시)를　표면실장한다．

압전소자(11)는 소정 두께를 가진 소정 직경의 원판형상으로 PZT(티탄산 지르콘산납) 계열 압전세라믹스로 구성될 수 있다. 압전소자(11)의 두께(ｔ)는 0.5mm, 직경(Ｌ０)은 5mm가 바람직하다.

상부인쇄회로기판(20)은 소정　두께를　가진　소정　직경의　원판형상으로，저면에는　직류전원공급장치(22) 및 직류차단회로(미도시)가　표면실장되며　상면에는　교류차단회로(미도시)를　표면실장한다．

신호연결선(40)은 소정의 길이를 가진 전선으로서, 다수개의 연결선이 하부인쇄회로기판(10)과 상부인쇄회로기판(20)을 대응되게 연결한다.

동축케이블(50)은 전선 2가닥으로 구성되며, 일측은 상부 인쇄회로기판(20) 에 접속되고 타측 말단에는 커넥터(53)가 연결된다.　동축케이블(50)의　길이는　대략 ５０ｍ　내지　１００ｍ　이다．　

또한, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서는 소정 높이(H) 및 소정 직경(L)의 양 단부가 밀폐된 하우징（７０)으로 형성된다．상기 하우징(70)의 크기는 L×H(=15mm×22mm이하 또는 20mm×16mm이하)이다.

도 3은 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서의 동작원리를 나타내는 구성도로서, 탄성파를 감지하기 위한 압전소자(11), 압전소자(11)의 정전용량변화를 전기적인 신호로 변환하기 위한 전하증폭기(12), 일정범위의 주파수 성분만을 통과시키기 위한 대역통과필터(12), 신호를 적정크기로 증폭시키는 주 증폭기(14), 저주파 잡음성분을 제거하기 위한 고역통과필터(15), 장거리까지 신호를 전송하기 위한 전력증폭기(16), 전원공급장치(22), 직류차단회로(21) 및 교류차단회로(23)를 포함하여 구성된다.

이하 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서의 작동시스템을 설명하면 다음과 같다.

대형건물이나 기계설비등의 이상상태 및 미세균열에 의해 발생된 탄성파가 음향방출센서의 탄성파 감지부인 압전소자(11)에 전달되면, 압전소자(11)에는 탄성파 세기에 따라 미소변위가 발생하게 되고 이러한 변위에 대응하여 정전용량변화가 유발된다. 이에 따른 전하량 변화를 이에 상응하는 전압(즉, 전기적인 신호)으로 변환시키는 장치가 전하증폭기(12)이다. 전하증폭기(12)는 0.5pC의 전하량이 변할 때 출력전압이 100mV 변하도록 구성된다. 즉, 전하증폭기(12)는 외부의 탄성파에 의한 용량변화에 따른 전하를 증폭함으로써 탄성파-전기신호의 변환을 구성하게 된다. 전하증폭기(12)에서 출력된 신호는 여러가지 잡음신호와 혼합된 고주파 신호로서, 이 중 100kHz 내지 500kHz의 신호만 대역통과필터(13)에서 통과되고 기타 신호는 제거된다. 이때, 잡음신호는 신호의 주파수에 따라 20dB/decade의 비율로 제거된다. 그러나, 전하증폭기(12)의 출력신호가 아직 미세한 신호이므로, 이를 적당한 크기로 증폭하기 위해 주 증폭기(14)가 사용된다. 주 증폭기(14)에서는 20dB로 증폭한 이후에 고역통과필터(15)를 거쳐 저역측 차단주파수보다 적으면 40dB/decade의 감쇄비율로 필요 없는 잡음신호를 제거한다.

이러한 방법으로 출력된 탄성파 신호를 장거리(50m 이상 수백m까지)까지 전송하기 위해 케이블에서 신호의 감쇄를 감안하여 전력증폭기(16)를 사용한다. 전력증폭기(16)에서　출력된　신호의　증폭도가　５０ｄＢ이상　되도록　조정한다．

이때, 본 발명에 따른 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서 장치가 전선 2가닥방식(전선 한가닥은 접지선으로 사용하고 다른 한 가닥은 직류전원과 탄성파 신호가 합하여진 합성신호를 사용하는 방식)을 채택하기 때문에, 광범위한 입력전압(22~28Vdc)의 직류전원선으로 전력증폭기(16)의 출력신호를 합한 합성된 신호(직류전원+출력신호)가 전송된다. 전력증폭기(16) 출력측과 직류전원선 사이에 직류차단회로(21)를 삽입하여 직류전원이 전력증폭기(16)에 직접 공급되지 않도록 하며, 직류전원에 전력증폭기(16)에서 출력된 탄성파 신호가 효과적으로 합성되도록 한다. 이러한 방법으로 합성된 신호는 파형분석장치(30)에서 다시 탄성파 신호만 검출하 여 분석하고 그 결과를 데이타베이스화 하여 필요한 곳에 적용할 수 있게 된다.

또한, 직류전원선에는 교류신호인 탄성파 신호가 합성되므로 이것을 직접 각 증폭기(12,14,16)의 전원으로 사용한다면 잡음이 매우 크게 발생하게 된다. 따라서, 일단 교류신호를 제거할 수 있도록 하는 교류차단회로(23)를 직류전원공급장치(22) 입력측에 제공한다. 따라서, 입력전원의 변동에도 각 증폭기(12,14,16)에 전원을 안정되게 공급할 수 있도록 하기 위해 직류전원 공급장치(22)를 사용한다.

이러한 동작원리로 구성된 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서의 내부구조는 회로를 최소화하고 또한 음향방출센서의 크기를 최소화하기 위해 표면실장부품을 사용한다．특히, 내부에 포함되는 저항(미도시)은 길이 1mm×폭 0.5mm 크기의 부품을 사용하며, 콘덴서(미도시)는 용량과 허용전압에 따라 길이 1mm×폭 0.5mm 내지 길이 2mm×폭 1.5mm의 부품을 사용함으로서 전체크기를 최소화한다. 또한 각 증폭기(12,14,16)는 사용용도에 따라 기능을 충분히 수행하면서도 최소크기로 만들수 있도록, 8개 핀을 가진 집적회로용 표면실장부품 중 가장 작은 핀 간격이 대략 0.65mm인 MSOP(micro small outline package) 부품을 사용하는 것이 바람직하다.

비록 본　발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시 예에 관해 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위 내에서 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

음향방출센서의 크기를 소형화 하고, 증폭기가 내장된 센서의 크기를 작게하 고 또한 증폭도를 크게 함으로서 공간이 적어 설치하기 어려운 구조물이나 움직이고 있는 곳의 설비나 기계에서 설치가 용이하고 안전진단이 용이하며, 또한 증폭도를 향상시켜 미소한 신호도 용이하게 검출하고　감지할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 외부에서 전달된 탄성파를 감지하여 정전용량변화가 유발되는 탄성파 감지부; 상기 정전용량변화를 전기적 신호로 증폭시키는 전하증폭기(12); 상기 전하증폭기(12)의 출력신호 중 소정 주파수 범위의 신호만을 통과시키는 대역통과필터(13); 상기 대역통과필터(13) 처리된 출력신호를 소정크기로 증폭시키는 주 증폭기(14); 상기 증폭된 출력신호 중 저주파 성분을 제거하기 위한 고역통과필터(15)와; 상기 고역통과필터(15) 처리된 신호를 장거리까지 전송하기 위한 전력증폭기(16); 및 상기 전하증폭기(12)，상기　주 증폭기(14)　및 상기 전력증폭기(16)에 안정된 전원을 공급하는 직류전원공급장치(22)를 포함하는 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서에 있어서,

   상기 탄성파 감지부는 두께 0.5mm이며 직경이 5mm인 PZT(티탄산 지르콘산납) 계열의 압전소자(11)로 형성되고;

   상기 전하증폭기(12)는 0.5pC 전하변화량에 대해 100mV 출력전압 변화량을 발생하도록 형성되며;

   상기 대역통과필터(13)는 100kHz 내지 500kHz 주파수를 통과시키고 그 밖의 주파수는 20dB/decade의 비율로 제거하는 것을 특징으로 하는 증폭기 내장형 초소형 음향방출센서.
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