KR100804234B1 - 음향방출 신호 검출용 인장 시험장치 - Google Patents

음향방출 신호 검출용 인장 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치는, 시편(3)이 일정 삽입되도록 가이드홈(4a)이 일단부에 형성된 시편지지대(4), 상기 시편지지대(4)를 내부에 삽입하여 고정결합하므로써 삽입된 시편(3)과 밀착결합되는 인장지그 상판(5) 및 인장지그 하판(6)으로 이루어진 에이(AE)용 인장지그에 시편(3)을 삽입하여 고정시키고, 인장지그 상판(5) 또는 하판(6) 소정지점에 음향방출 센서(8)를 부착하며, 상기 에이(AE)용 인자지그를 인장시험기(10)와 연결된 상기 지그(1,2)에 체결하여 시편(3)과 음향방출 센서(8)의 크기에 관계없이 시편(3)의 음향방출 신호를 정확하게 검출할 수 있는 것으로서, 시편과 음향방출 센서의 크기에 관계없이 음향 방출 신호의 검출이 가능하며, 잡음처리를 위해 특수 코팅된 고정핀으로 인장시험기의 지그와 연결되므로 인장 시험기에서 발생하는 미세 음향방출 잡음이 감소되어 시편의 인장 변형 시 발생하는 낮은 에너지의 미세 신호까지도 용이하게 감지포착할 수 있는 장점이 있다.
인장, 지그, AE, 인장시험, 로드셀, 파단현상

Description

음향방출 신호 검출용 인장 시험장치{The Device of Tensile Test for The Detection of Acoustic Emission}
도 1은 일반적인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 개략적 구성도,
도 2a는 종래의 인장시험을 위한 시편이 결합되는 지그의 정면도,
도 2b는 시편과 시편에 부착된 음향방출 센서 정면도,
도 2c는 상기 도 2a, 도 2b의 지그, 시편, 음향방출 센서가 결합된 상태를 나타내는 정면도,
도 3a는 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 인장지그의 정면도,
도 3b는 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 인장지그의 측단면도,
도 3c는 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 인장지그의 배면도,
도 4a는 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 시편지지대의 정단면도,
도 4b는 상기 도 4a의 시편지지대 측단면도,
도 5a는 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 시편과 인장지그 및 음향방출센서가 결합된 정면도,
도 5b는 상기 도 5a의 측단면도,
도 6은 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 시편이 결합된 인장지그가 지그에 체결된 측면도,
도 7은 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치에 따른 일실시예의 인장 및 음향방출 시험결과 예시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 상부 지그 2 : 하부 지그
3 : 시편 4 : 시편지지대
4a : 가이드홈 5 : 인장지그 상판
6 : 인장지그 하판 7 : 고정볼트
8 : 음향방출 센서 9 : 고정핀
10 : 인장 시험기 11 : 로드셀
12 : 엑츄에이터 13 : 익스텐서메터
14 : 증폭기(Pre Amplifier) 15 : 음향방출신호 저장 및 해석부
16 : 음향방출 신호 처리부 17 : X-Y레코드(X-Y Recorder)
본 발명은 음향방출 신호 검출용 인장시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세 하게는 시편과 결합되는 인장지그를 설치하여 음향방출 센서를 부착하므로써, 인장 시험 중 시편에서 방출되는 음향 방출 신호를 정확하게 검출하는 음향방출 신호 검출용 인장시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 어떤 장치의 구조적 결함 또는 재질상의 결함이 존재하게 되면 결함이 발생된 부위는 타 부위 보다 응력이 집중되므로 장치의 파괴가 일어나게 되며, 이러한 손상을 방지하기 위해서는 피검재의 응력에 따른 변형정도를 검출하고 파괴시점 등을 정확하게 예측하여야 한다.
재료의 변형 및 미시적 파괴 거동을 연구하는 재료 평가수단으로서 음향방출 (Acoustic Emission, 이하 '에이'라 함.) 법이 많이 사용되고 있다.
음향방출법에 대해 간략히 설명하면 물체가 외력 또는 내부의 힘에 의하여 변형이나 파괴가 일어나게 되면 재료 내부에 축적되어 있던 변형에너지(Strain Energy)는 열에너지, 격자변형에너지 및 탄성파 등의 에너지로 검출되는데, 외부에서 계측장치로 가시적으로 검출된 탄성파를 어카우스틱 에미션 시그널(Accoustic Emission Signal)이라 하며 이러한 탄성파를 검출하여 재료를 평가하는 것을 음향방출법이라 한다.
도 1은 일반적인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 개략적 구성도이다. 도시된 바와 같이 인장시험장치는 전체적으로 인장시험기(10)에 연결된 로드셀(11), 익스텐스메터(13), 엑츄에이터(12), 시편(3)이 결합된 지그, 음향방출 센서(8)와 센서에 연결된 증폭기(14), 음향방출신호 저장 및 해석부(15), 음향방출신호 처리부(16), X-Y레코드(17) 등으로 구성된다.
인장시험장치는 기본적인 인장 시험을 행하면서 상기 각 장치를 통하여 시편에서 발생하는 음향 방출 신호를 검출하여 이를 저장, 해석하고, 응력(s), 변형률(e) 등의 변수와 컴퓨터로 처리된 음향방출 변수들과의 상관관계를 통해 재료의 변형 및 파괴 기구에 대한 미시적인 정보를 얻게 된다.
종래에는 인장시험 중 음향방출 신호를 검출하도록 대한민국 특허 공개공보 제 91-12704호(발명의 명칭 : 파단 예측 검사방법)에서와 같이 게이지 길이에 비하여 그립부가 길고 또 전체적으로 사이즈가 큰 인장시편(3)을 제작하여 시편 그립부에 음향방출 센서(8)를 장착하여 인장시험을 하는 방법이 주로 사용되어 왔다.
도 2는 종래의 지그(도 2a), 음향방출 센서(8)가 장착된 시편(도 2b), 지그에 고정핀으로 연결된 시편과 그 음향방출 센서(도 2c)를 도시하고 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이 종래의 인장시험에서는 음향방출 센서(8)의 크기에 비하여 시편(3)의 크기가 작은 경우에는 음향방출 센서(8)의 부착이 용이하지 않으며, 인장 시편(3)의 변형 및 파단 중에는 음향방출 센서(8)가 떨어지는 경우가 자주 발생하여 인장실험이 어려워지는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하도록 인장시험기에 연결된 로드셀(11)이나 엑츄에이터(12))와 직접 연결된 지그(1,2)에 음향방출 센서(8)를 부착하여 신호를 검출하는 방법도 사용되었는데(도 2c참조), 이 역시 인장 시편(3)과 지그(1,2)와의 접촉면이 단지 고정핀(9)과의 접촉면뿐이기 때문에 시편(3)에서 발생되어 음향방출 센서(8)에 전달되는 음향방출 신호가 약하고, 또 인장시험기(10) 자체에서 발생하는 음향방출 잡음이 직접 바로 음향방출 센서(8)에 전달되므로 시편에서 방출되는 미세한 에너지와 관련된 중요 데이터를 포착 또는 센싱하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 시편이 결합되는 에이용 인장지그를 설치하여 시편의 크기에 상관없이 음향방출 센서를 손쉽게 부착하고, 시편과 지그와의 접촉면을 최대한 크게 하여 시편에서 전달되는 음향방출 신호를 보다 명확히 검출할 수 있으며, 엑츄에이터나 로드셀에 연결된 지그로 전달되는 인장시험기 그 자체에서 발생하는 음향방출 잡음을 최소한으로 차단하여 시편에서 발생되는 음향방출 신호만을 명확히 검출할 수 있는 음향방출 신호 검출용 인장시험장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치는, 시편(3)에서 출력되는 음향 방출 신호를 검출하여 시편(3)을 인장시험하는 장치에 있어서,
적어도, 인장시험기(10)에 연결된 지그(1,2)에 체결되는 AE용 인장지그와, 상기 AE용 인장지그에 부착설치되는 음향방출 센서(8)를 포함하여 구성되는데,
상기 AE용 인장지그는, 시편(3)이 일정 삽입되도록 가이드홈(4a)이 일단부에 형성된 시편지지대(4)와 상기 시편지지대(4)의 상, 하부에 각각 고정결합되어 시편지지대(4)에 삽입된 시편(3)과 밀착결합되는 인장지그 상판(5) 및 인장지그 하판 (6)을 포함하여 이루어지며,
상기 음향방출 센서(8)는, 상기 인장지그 상판(5) 또는 하판(6) 소정지점에 부착되어, 시편(3)의 음향방출 신호를 정확하게 감지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치는, 인장시험기(10)에서 전달되는 음향방출 잡음이 에이(AE)용 인자지그와 시편(3)에 전달되지 않도록, 에이(AE)용 인장지그를 인장 시험기(10)에 연결된 지그(1,2)에 에나멜 코팅처리된 고정핀(9)으로 연결한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치는, 시편(3)과 에이(AE)용 인장지그가 밀착 결합되어 시편(3)의 인장특성이 에이(AE)용 인장지그에 양호하게 전달되도록, 상기 시편지지대(4)의 두께가 시편(3)의 두께와 일치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치는, 시편 인장시험시 시편(3)과 에이(AE)용 인장지그가 접촉면이 크게 되어 음향방출 신호가 양호하게 검출되도록, 상기 시편(3)과 시편지지대(4)의 가이드홈(4a)의 형상은 일측이 좁은 사각 홈 형상인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에서는 전체적으로 음향방출 센서(8)를 에이(AE)용 인장지그의 인장지그 상판(5)에 설치하여 시편(3)의 크기 또는 시편(3)의 파단 및 변형에도 무관하게 음향방출 센서가 견고하게 부착되도록 하였으며, 시편(3)의 음향방출신호가 센서(8)에 바람직하게 전달되어 인장시험장치가 정확하게 시험결과를 검출판단하도 록 판상의 형상을 가진 시편(3)을 기본으로 사용하여 시편과 에이(AE)용 인장지그가 접촉하는 면이 넓도록 하였다.
도 3과 4는 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 일실시예에 따른 에이(AE)용 인장지그의 인장지그 상판과 인장지그 하판과 시편지지대를 도시하고 있으며, 도 5는 에이(AE)용 인장지그에 시편과 음향방출센서가 결합된 상태를 도시하고 있다.
도 3a와 도3c에 도시된 바와 같이 인장지그 상판(5)은 상단부에 지그(1,2)와 고정핀(9)을 통하여 체결되도록 관통홀이 형성되어 있으며, 그 중심부와 하단부에는 고정볼트(7)가 삽입되도록 체결공이 각각 4개 형성되어 있고, 상단부는 일정 각도로 꺽인 형상을 취하고 있다. 인장지그 하판(6)은 상판(5)과 고정결합되도록 대응되는 관통홀과 체결공이 또한 형성되어 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이 시편지지대(4)는 인장지그 상판(5)과 하판(6) 사이에 결합설치되어 인장지그 상판(5), 하판(6)과 일체로 에이(AE)용 인장지그를 이루는데, 결합을 위하여 역시 관통홀과 체결공이 형성되어 있다. 그리고 하부측 중앙부분에는 판상의 시편(3)이 삽입되도록 일측이 좁은 사각 홈 형상으로 가공된 가이드홈(4a)이 형성되어 있다.
시편지지대(4)는 인장지그 상판(5)와 인장지그 하판(6) 사이에서 시편(3)을 정확하게 고정시키도록 하는 작용을 하며, 시편(3)의 크기가 달라질 경우에는 시편지지대(4)만을 교환하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
그리고 시편(3)의 두께와 동일한 시편지지대(4)를 사용하여 가이드홈(4a)에 삽입된 시편(3)과 인장지그 상판(5)와 하판(6)이 밀착결합되도록 하는 것이 바람직하다. 밀착고정될수록 시편(3)이 양호하게 인장되며, 또한 시편(3)의 음향방출 신호가 양호하게 에이(AE)용 인장지그의 음향방출 센서(8)에 전달된다.
그리고 인장지그 상판(5)과 하판(6)에서 시편(3)과 접촉하는 면은 일자나 십자 형태의 스크레치를 형성하게 되면 시편(3)과의 지지력이 향상될 수 있다.
도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이 인장지그 상판(5), 시편지지대(4), 인장지그 하판(6)의 체결공에 고정볼트(7)로 전체를 고정결합시켜 에이용 인장지그를 구성하였으며, 시편지지대(4)의 가이드홈(4a)에는 시편(3)이 삽입되어 있고, 인장지그 상판(5)에는 음향방출 센서(8)가 부착설치되어 있다.
본 실시예에서는 음향방출 센서(8)를 기계 연마된 에이(AE)용 인장 지그의 상판(5)에 부착하여 시편(3)에서 나오는 신호를 검출도록 하였다. 따라서 검출 주파수에 따라 다양하게 선택될 수 있는 음향방출 센서(8)를 시편(3)의 크기와 음향 방출 센서(8) 자체의 크기에 상관없이 에이용 인장지그에 용이하게 부착가능하여 신호를 검출할 수 있도록 하였다.
도 6은 본 발명의 인장시험장치에서 에이(AE)용 인장지그가 인장시험기(10)에 연결된 상부 지그(1), 하부 지그(2)에 고정핀(9)로 연결된 상태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 에이용 인장지그는 상부에 형성된 관통홀에 고정핀(9)를 통하여 상부 인장 지그(1)와 하부 인장 지그(2)에 각각 체결되어 있으며, 인장지그 상판(5)에 부착된 음향방출 센서(8)에는 신호를 증폭처리하는 증폭기(14)가 연결되어 있다.
본 실시예에서는 인장 시험기에서 발생하는 음향방출 잡음을 차단할 수 있도록 고정핀(9)의 표면에 에나멜 코팅을 하였는데, 기타 다른 재질의 잡음 방지용 코팅도 가능하다. 이에 따라 인장 시험기에서 발생한 잡음들이 상부 지그(1) 및 하부 지그(2) 까지는 쉽게 전달된다 하더라도, 고정핀(9)으로 분리되어 있는 음향방출 신호 검출용 인장시험 지그인 상기 에이(AE)용 인장지그에는 직접적으로 전달되지 않게 된다. 따라서 에이(AE)용 인장지그 상판(5)에 부착된 음향방출 센서(8)에서는 잡음이 거의 검출되지 않는다.
이하 도면을 참조하여 상기와 같이 구성된 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치의 바람직한 일실시예의 작용을 상세하게 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 먼저 시편(3)의 상,하부를 각각 시편지지대(4)의 가이드홈(4a)에 삽입하고 상기 시편지지대(4)의 양측을 인장지그 상판(5)과 하판(6)으로 고정한 후 체결공에 고정볼트(7)을 삽입하여 시편(3)을 고정시킨다.
그리고 음향방출 센서(8)를 인장지그 상판(5)의 중심부에 부착하고, 시편(3)이 장입된 에이(AE)용 인장지그에 형성된 관통홀에 고정핀(9)을 삽입하여 상부 지그(1)과 하부 지그(2)에 각각 연결한 후 도 1에서 도시된 인장시험장치의 각 장치를 동작시켜 시편(3)을 인장시험하고 그 결과를 측정 및 기록한다.
인장 시험기(10)에 연결된 상부, 하부 지그(1,2)를 통하여 시편(3)에 인장력이 가해지면 시편(3)은 인장되면서 탄성파(Accoustic Emittion)인 음향방출 신호를 출력하고, 인접한 음향방출 센서(8)는 상기 신호를 인가 받아 검출하고 증폭기(14)로 전달한다. 증폭기(14)는 상기 신호를 증폭하여 음향방출 신호 처리부(16)와 음 향방출 신호 저장 및 해석부(15) 등으로 출력한다.
도 7은 본 발명인 음향방출 신호 검출용 인장시험장치에 따른 일실시예의 인장 및 음향방출 시험결과 예시도이다. 이 실험 데이터는 게이지 폭 6 mm, 게이지 길이 15 mm, 두께 3 mm의 소형 시편(3)을 사용하여 측정한 결과값이다.
도시된 바와 같이 로드셀(11)을 통하여 검출된 응력과 시편(3)의 변형율은 양호한 특성을 보이고 있으며, 음향방출 센서(8)를 통해서도 시편(3)에서 발생되는 미세한 신호도 양호하게 포착되는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 작용하는 본 발명은, 음향방출 신호 검출용 인장 시험 지그인 에이(AE)용 인장지그에 시편을 장입하므로써, 시편과 음향방출 센서의 크기에 관계없이 음향 방출 신호의 검출이 가능하며, 잡음처리를 위해 특수 코팅된 고정핀으로 인장시험기의 지그와 연결되므로 인장 시험기에서 발생하는 미세 음향방출 잡음이 감소되어, 시편의 인장 변형 시 발생하는 낮은 에너지의 미세 신호까지도 용이하게 감지포착할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 시편(3)에서 출력되는 음향 방출 신호를 검출하여 시편(3)을 인장시험하는 장치에 있어서,
    적어도, 인장시험기(10)에 연결된 지그(1,2)에 체결되는 AE용 인장지그와, 상기 AE용 인장지그에 부착설치되는 음향방출 센서(8)를 포함하여 구성되는데,
    상기 AE용 인장지그는, 시편(3)이 일정 삽입되도록 가이드홈(4a)이 일단부에 형성된 시편지지대(4)와 상기 시편지지대(4)의 상, 하부에 각각 고정결합되어 시편지지대(4)에 삽입된 시편(3)과 밀착결합되는 인장지그 상판(5) 및 인장지그 하판 (6)을 포함하여 이루어지며,
    상기 음향방출 센서(8)는, 상기 인장지그 상판(5) 또는 하판(6) 소정지점에 부착되어, 시편(3)의 음향방출 신호를 정확하게 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호 검출용 인장시험장치.
  2. 제1 항에 있어서, 인장시험기(10)에서 전달되는 음향방출 잡음이 에이(AE)용 인자지그와 시편(3)에 전달되지 않도록 에이(AE)용 인장지그를 인장 시험기(10)에 연결된 지그 (1,2)에 에나멜 코팅처리된 고정핀(9)으로 연결한 것을 특징으로 하는 음향방출 신호 검출용 인장시험장치.
  3. 제 1항에 있어서, 시편(3)과 에이(AE)용 인장지그가 밀착 결합되어 시편(3) 의 인장특성이 에이(AE)용 인장지그에 양호하게 전달되도록 상기 시편지지대(4)의 두께가 시편(3)의 두께와 일치되는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호 검출용 인장시험장치.
  4. 제 1항에 있어서, 시편 인장시험시 시편(3)과 에이(AE)용 인장지그가 접촉면이 크게 되어 음향방출 신호가 양호하게 검출되도록 상기 시편(3)과 시편지지대(4)의 가이드홈(4a)의 형상은 일측이 좁은 사각 홈 형상인 것을 특징으로 하는 음향방출 신호 검출용 인장시험장치.
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