KR101293615B1 - 교육용 진동실험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교육용 진동실험 장치에 관한 것으로, 가진기에 의해 가진되는 강체의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 거동을 관찰하기 위한 질량-스프링 시스템 실험장치와 상기 가진기에 의해 가진되는 외팔보 고정지그에 고정되는 외팔보의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 외팔보의 거동을 관찰하기 위한 보의 진동실험 장치와 상기 가진기에 의해 가진되는 현의 고유진동수를 확인하고 주파수 변화에 따른 모드형상을 관찰하기 위한 현의 진동실험 장치가 하나의 실험대 위에 일체로 구비되며, 상기 실험장치들을 제어하기 위한 컨트롤 박스를 포함한다.

Description

교육용 진동실험 장치{Vibration experimental apparatus for education}
본 발명은 교육용 진동실험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질량-스프링 시스템 실험장치, 보의 진동실험 장치 및 현의 진동실험 장치가 일체로 구비된 교육용 진동실험 장치에 관한 것이다.
종래 교육용 진동측정 실험장치는, 강체의 고유진동수 확인을 위한 질량-스프링 시스템 실험장치, 외팔보의 거동을 확인하기 위한 보의 진동실험 장치, 현의 고유진동수를 확인하기 위한 장치, 판 형태의 진동에서 모드현상을 관찰할 수 있는 판 진동 실험장치 등이 사용되고 있다.
이러한 실험장치들을 별개로 구비하는 경우 실험실의 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라, 유사한 구성임에도 별도의 가진기와 컨트롤 박스를 구비함으로써 비용면에서 불리한 단점이 있다.
본 발명의 목적은 4가지의 기본적인 진동현상을 실습할 수 있는 진동실험 장치가 일체로 구비되고, 센서를 이용하여 진동시스템의 신호를 측정하고 측정된 신호는 ADC를 통하여 윈도우 소프트웨어에서 실시간으로 관측을 할 수 있는 교육용 진동실험 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 교육용 진동측정 실험장치에 있어서, 가진기에 의해 가진되는 강체의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 거동을 관찰하기 위한 질량-스프링 시스템 실험장치와 상기 가진기에 의해 가진되는 외팔보 고정지그에 고정되는 외팔보의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 외팔보의 거동을 관찰하기 위한 보의 진동실험 장치와 상기 가진기에 의해 가진되는 현의 고유진동수를 확인하고 주파수 변화에 따른 모드형상을 관찰하기 위한 현의 진동실험 장치가 하나의 실험대 위에 일체로 구비되며, 상기 실험장치들을 제어하기 위한 컨트롤 박스를 포함한다.
상기 교육용 진동측정 실험장치는 판의 형태의 진동에서 모드현상을 관찰할 수 있는 판 진동 실험장치를 더 포함할 수 있다.
상기 판 진동 실험장치는 상기 가진기에 연결되며 상기 실험대 면과 평행하게 설치되는 판과 상기 판의 하부에 설치되는 모래 받침대를 포함할 수 있다.
상기 가진기는 사인파 형태의 진동을 발생시킬 수 있다.
상기 질량-스프링 시스템 실험장치의 가진 방향과 상기 보의 진동실험 장치 및 상기 현의 진동실험 장치의 가진 방향은 서로 90도 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
상기 질량-스프링 시스템 실험장치는 상기 가진기에 연결되는 스프링 연결부와 상기 스프링 연결부에 연결되는 제1 스프링과 상기 제1 스프링의 말단에 연결되는 제1 강체를 포함할 수 있다.
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상기 보의 진동실험 장치는 상기 외팔보 고정지그의 진동을 가이드 하는 LM 가이드와 상기 외팔보를 따라 설치되는 가속도 센서를 포함할 수 있다.
상기 현의 진동실험 장치는 상기 외팔보 고정지그의 일측에 고정되는 로드셀과 상기 로드셀에 현을 고정하기 위한 현 조인트를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤 박스는 표시등, 가속도센서 커넥터(BNC), 변위센서 커넥터, 스트레인게이지 커넥터 및 로드셀 커넥터를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤 박스는 차단기, 노이제즈거필터, 24V 파워서플라이 및 DAQ보드가 내장될 수 있다.
상기 교육용 진동측정 실험장치는 상기 컨트롤 박스에 연결되는 제어용 PC를 더 포함하며, 상기 제어용 PC를 이용하여 상기 교육용 진동측정 실험장치의 가진설정 및 영점조정이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 제어용 PC는 상기 질량-스프링 시스템 실험장치, 보의 진동실험 장치, 현의 진동실험 장치 및 판 진동 실험장치의 입력설정, 가진설정, 신호처리, 그래프설정 및 데이터 저장 메뉴를 포함하는 소프트웨어를 포함할 수 있다.
상기 입력설정은 시스템 가진부의 입력 신호를 측정하는 센서종류와 채널, 센서 감도를 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템의 응답부의 출력 신호를 측정하는 가속도 센서의 개수와 채널, 센서감도를 설정할 수 있다.
상기 가진설정 메뉴는 가진기를 동작할 때 최대최소 출력 한계 전압과 진폭, 생성할 파형의 버퍼개수와 주기수를 설정할 수 있다.
상기 신호처리 메뉴는 ADC로부터 수집된 데이터를 주파수영역에서 나타낼 때 리퀴지현상(누수현상)을 방지하기위한 윈도우함수와 차단주파수(Cutoff Frequecny) 이상의 신호를 걸러내는 필터와 취득한 데이터 셋트를 평균화해서 Random Noise를 걸러주는 에버리징 기능을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 그래프 설정 메뉴는 1번그래프에서는 입력신호, 코히런스함수, 위상스펙트럼을 보여 주는 1번 그래프와 주파수영역의 신호 FFT와 파워스펙트럼, 주파수응답함수(FRF)를 선택해서 볼 수 있는 2번 그래프를 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 데이터 저장 메뉴는 ADC로부터 취득한 데이터를 파일로 저장하여 Matlab, 엑셀과 같은 프로그램에서 활용할 수 있도록 기능을 제공하며, 상기 데이터는 시간영역 데이터와 주파수영역 데이터를 각각 따로 저장할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 4가지의 기본적인 진동현상을 실습할 수 있는 진동실험 장치가 일체로 구비되고, 센서를 이용하여 진동시스템의 신호를 측정하고 측정된 신호는 ADC를 통하여 윈도우 소프트웨어에서 실시간으로 관측을 할 수 있는 교육용 진동실험 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 교육용 진동실험 장치의 시스템 구성도이다.
도 2는 도 1의 교육용 진동실험 장치의 평면 사진이다.
도 3은 본 발명의 교육용 진동실험 장치를 구성하는 질량-스프링 시스템 실험장치의 사시도이다.
도 4는 도 3의 질량-스프링 시스템 실험장치의 질량(강체) 및 스프링 교체 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 교육용 진동실험 장치를 구성하는 보의 진동 실험장치의 사시도이다.
도 6은 도 5의 외팔보 고정지그의 분해 사시도이다
도 7은 본 발명의 교육용 진동실험 장치를 구성하는 현의 진동 실험장치의 사시도이다.
도 8은 도 7의 현 고정지그의 사시도이다.
도 9는 도 7의 현의 장력 조절장치의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 교육용 진동실험 장치를 구성하는 판의 진동 실험장치의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 교육용 진동실험 장치를 구성하는 컨트롤 박스의 외관 사진이다.
도 12는 컨트롤 박스의 내부 사진이다.
도 13은 컨트롤 박스의 배선도이다.
도 14는 본 발명의 교육용 진동측정 장치의 소프트웨어 구성도이다.
도 15는 질량-스프링 실험장치의 제어창을 나타낸다.
도 16은 도 15의 가진설정 제어창을 나타낸다.
도 17은 도 15의 신호처리 제어창을 나타낸다.
도 18은 도 15의 그래프설정 제어창을 나타낸다.
도 19는 데이터 저장 제어창을 나타낸다.
도 20은 파일 다이얼로그창을 나타낸다.
도 21은 저장된 엑셀파일을 나타낸다.
도 22는 보의 진동 실험장치의 제어창을 나타낸다.
도 23는 현의 진동 실험장치의 제어창을 나타낸다.
도 24는 판의 진동 실험장치의 제어창을 나타낸다.
도 25는 사용자가 설정한 진동수에서 실험에 의한 모드형상과 소프트웨어에서 제공되는 시뮬레이션 모드형상의 비교표이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 25을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
교육용진동실험장치는 학부과정의 ‘기계진동학’ 및 ‘진동제어 및 실습’ 교과목에서 활용될 수 있는 교육용 실험장치이다. 실험장치는 4가지의 기본적인 진동현상을 실습할 수 있도록 단일기구 다중실험의 체제로 구성되며, 센서를 이용하여 진동시스템의 신호를 측정하고 측정된 신호는 ADC를 통하여 윈도우 소프트웨어에서 실시간으로 관측을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 교육용 진동실험 장치의 시스템 구성도이며, 도 2는 평면 사진이다. 실험은 총 4가지, 질량-스프링 진동 실험, 현 진동 실험, 판 진동 실험, 외팔보 진동 실험으로 구성되어 있으며, 사용자의 필요에 따라 확장하여 실험할 수 있도록 조립이 쉽도록 제작하였다.
각각의 모듈은 하나의 실험대위에 배치되고 하나의 가진기(11)에 의해 가진된다. 질량-스프링 진동 실험장치가 배치되고, 질량-스프링 진동 실험장치(10)의 가진 방향과 수직하는 방향으로 가진되는 보 진동 실험장치(20)와 현 진동 실험장치(30)가 배치된다. 판의 진동 실험장치(40)는 실험대와 수직하는 방향으로 가진기(11)가 설치되며 이에 대해서는 후술한다.
각각의 실험에서 센서로부터 취득한 데이터를 데이터수집장치로부터 AD컨버팅을 하여 제어소프트웨어로 입력한다. 가진기(11) 또한 아나로그 출력(Analog Output) 장치를 통해 제어되어 함수발생기와 같은 역할을 한다. 시스템의 제어는 모두 제어 소프트웨어를 통해 이루어지며 이러한 과정을 통해 통합 패키지화된 시스템을 구성할 수 있다.
이렇게 구성된 시스템은 실습자에게 실험에 앞서 불필요한 작업을 강요하지 않으며 실험과정과 결과에만 집중함으로써 쉽게 이해할 수 있도록 돕게 된다.
각각의 실험장치의 구성에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
질량-스프링 진동 실험장치(10)는 기계진동학의 기초가 되는 1자유도 및 2자유도 시스템의 실험을 수행할 수 있는 실험장치이다. 질량-스프링 시스템 실험은 질량-스프링 시스템의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 강체의 거동을 조사하고, 진동계의 동특성에 의해 결정되는 주파수응답함수(FRF)를 실험적으로 구하며, 시스템의 자유도, 고유진동수, 모드형상간의 관계를 확인하기 위해 행해진다.
도 3은 질량-스프링 실험장치의 사시도이며, 도 4는 질량(강체) 및 스프링 교체 방법을 나타낸다. 이를 참조하면, 본 실험장치의 하드웨어는 크게 가진기(11), 가진기에 연결되는 스프링 고정지그(12), 스프링(15), 질량(13), 스프링 고정지그(12)의 직선운동을 가이드 하는 LM 가이드(14)를 포함한다. 운동방향을 직선으로만 고정시키고, 마찰을 줄이기 위해 LM 가이드(14)를 사용하였다. 시스템의 질량(13)과 강성(스프링)을 변경할 수 있게 함으로써 실험을 통한 이해도를 높일 수 있도록 하였다. 도 4를 참조하면, 시스템의 질량(13)은 고정시키는 추의 개수로 변경할 수 있다. 시스템의 강성(스프링)은 스프링을 고정하고 있는 볼트와 너트를 풀고 스프링을 교체함으로써 변경할 수 있다.
스프링 고정지그에는 로드셀과 가속도 센서가 사용되며 응답부(질량)에는 가속도 센서가 사용된다. 로드셀은 스트레인게이지타입의 로드셀을 이용하여 가진기(11)로부터 시스템에 가해지는 입력하중을 측정한다.
압전소자형 가속도센서는 압전소자에 힘이 가해졌을 때 발생하는 전하를 검출하여 시스템에 가해지는 입력가속도와, 가진기(11)로부터 시스템이 가진이 되었을 때의 출력 가속도를 측정한다.
후술되는 소프트웨어에서는 데이터 수집장치로부터 얻은 데이터를 이용하여 FFT, Power Spectrum, Frequency Response Function를 보여주게 된다. 실습자는 공진에서의 Magnitude와 신호간의 위상차를 통해 시스템의 동특성을 이해할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성에 의하여 가진기(11)의 가진에 의한 강제진동의 의미와 주파수 변화에 따른 시스템응답의 변화를 확인할 수 있다. 또한 실험의 결과로부터 자유도에 따른 고유진동수 및 각각의 고유진동수에 해당하는 모드형상, 방진의 원리 등을 확인할 수 있다.
외팔보 진동 실험장치(20)는 무한 자유도계라고도 불리는 연속계의 진동을 살펴보는 실험장치이다. 이산계의 거동과는 대조적으로 무한개의 고유진동수와 모드형상을 갖는 연속계의 강제진동 응답을 알아볼 수 있다. 주파수에 따른 모드형상의 변화를 여러가지 계측장치를 통하여 알아볼 수 있으며 모달해석을 통하여 보의 모드형상을 알아볼 수 있다. 외팔보의 진동 실험은 외팔보의 고유진동수 확인과 주파수변화에 따른 외팔보의 거동을 조사하고, 진동계의 동특성에 의해 결정되는 주파수응답함수(FRF)를 실험적으로 구하기 위해 행해진다.
도 5는 외팔보의 진동 실험장치(20)의 사시도이며, 도 6은 외팔보 고정지그의 분해 사시도이다. 이를 참조하면, 본 실험장치는 외팔보(23), 외팔보 고정지그(22), LM 가이드(21), 가진기(11)를 포함한다. 가진기(11) 질량-스프링 진동 실험장치(10)의 가진기(11)와 동일하나 가진 방향을 90도로 변경할 필요가 있다. 따라서 가진기를 실험대로부터 분리하여 방향을 바꾸어 재조립할 필요가 있다. 외팔보 고정지그(22)에는 로드셀(미도시)과 압전소자형 가속도 센서(25)가 사용된다. 로드셀은 스트레인게이지 타입의 로드셀을 이용하여 가진기(11)로부터 외팔보의 베이스부에 가해지는 하중을 측정한다. 압전소자형 가속도 센서(25)는 가진기(11)로부터 외팔보의 베이스부에 가해지는 입력 가속도를 측정한다. 변위센서(24)는 비접촉식으로 변위를 검출하는 와전류센서를 외팔보에 근접하게 위치하여 가진기(11)로부터 외팔보의 베이스부에 가해지는 입력 변위와 외팔보(23)가 진동할 때의 변위를 측정한다. 장점은 측정위치 가변이 쉬워 위치를 옮겨가며 절점을 찾을 수가 있다. 스트레인 게이지(미도시)를 외팔보의 해석에서 구한 2차와 3차모드 형상의 절점에 부착하여 각 지점에서의 주파수에 따른 변형률을 측정한다. 2차공진에서의 절점에 부착된 센서는 출력값이 0에 가깝게 되고 다른위치의 센서의 변형율은 매우 크게 될 것이다. 따라서 주파수에 따른 센서별 응답을 비교하여 모드형상을 유추할 수 있다. 하지만 위치를 한번 고정하면 변경할 수 없어 이론값과 오차가 나게 되면 정확한 절점을 찾기가 어렵다.
가진기(11)는 외팔보 고정지그(22)를 보와 수직한 방향으로 가진하게 되며 고정지그는 마찰이 적은 LM 가이드(21)에서 직선운동을 하게 된다. 외팔보를 잡고 있는 외팔보 고정지그를 가진하는 방법이므로 베이스(Base) 가진에 해당한다. 이때 외팔보 고정지그(22)에 고정된 보가 진동을 하며 주파수에 따라 그 진동 형상이 달라지게된다. 외팔보(23)의 각지점마다 센서를 이용하여 변형량 또는 변위량을 검출하여 전달함수를 구할 수 있다.
외팔보 고정지그(22)는 경계부에서 Fixed 조건(처짐각=0, 처짐량=0)을 만족하도록 한다. 실험시편(보)의 교체가 용의하도록 구성된다. 조임 볼트(222)와 프레셔(224)가 연결되어 있고, 조임 볼트(222)와 덮개(223)는 나사로 결합되어 있어 조임 볼트(222)를 조이면 프레셔(224)가 외팔보(23)를 고정대(221)에 고정시키도록 되어있다.
후술되는 소프트웨어는 기본적으로 질량-스프링 시스템의 형태와 같으며 사용법도 같다. 동시에 여러 채널의 입력신호를 데이터수집장치로부터 샘플링하여 전달함수를 구한다. 절점에 위치한 센서들은 출력을 거의 가지지 못하므로 센서들간의 FRF 대조와 위상차이를 파악하여 모드 형상을 유추할 수 있다.
현 진동 실험장치(30)는 연속계 중 하나인 현 또는 케이블의 진동을 살펴볼 수 있도록 만들어진 장치이다. 주파수에 따른 모드형상의 변화를 눈으로 관찰 할 수 있으며 현의 장력(Tension)에 따라, 또 길이에 따라 각각의 고유진동수가 어떻게 달라지는지를 확인하여 변인과 주파수간의의 관계를 정립해 볼 수 있다. 본 실험은 현의 고유진동수를 확인하고 주파수 변화에 따른 모드형상을 관찰하고, 고유진동수와 현의 길이, 장력의 관계를 이해하기 위해 행해진다.
도 7은 현 진동 실험장치(30)의 사시도이며, 도 8은 현 고정지그의 사시도이고, 도 9는 현의 장력 조절장치의 사시도이다.
이를 참조하면, 본 실험장치는 현(34), 장력조절장치(33), 현 고정지그(32), LM 가이드(21), 가진기(11)를 포함한다. 가진기(11)는 가진부를 현과 수직한 방향으로 가진하게 되며 현 고정지그(32)는 마찰이 적은 LM 가이드(21)에서 직선운동을 하게 된다.
실험장치 중 가진기(11)와 외팔보 고정지그(22), LM 가이드(21)는 외팔보 진동 실험장치(20)의 것을 그대로 사용한다. 즉, 현 고정지그(32)가 외팔보 고정지그(22)의 고정대(221)에 부착되고, 가진기(11)에 연결된 외팔보 고정지그(22)가 가진력을 현에 전달하게 된다. 현 조인트(322)와 외팔보 고정지그(22)의 고정대(221)에 로드셀(321)이 위치하여 현에 걸리는 장력을 측정하게 된다. 현 조인트(322)는 현(34) 끝에 부착되어있는 볼 헤드(34a)를 잡아주고 로드셀(321)에 고정된다. 이에 따라 외팔보 고정지그(22)에 가해지는 가진력을 현에 전달하게 된다.
장력 조절부(331)는 현의 반대쪽을 고정시키면서 장력을 조절한다. 장력을 조절하는 장치는 도 9에서와 같이 줄감개를 사용한다. 웜기어가 내장되어 있는 줄감개는 미세한 힘 조절이 가능하다.
현의 진동 시스템 소프트웨어는 로드셀을 이용하여 장력을 측정하며 가진주파수를 설정하여 현을 가진시킨다. 장력에 따른 현의 고유진동수가 변함을 실험적으로 확인할 수 있다.
판의 진동 실험장치(40)는 현과 같은 단순 연속계가 아닌 판의 형태에서의 진동에서 모드현상을 관찰할 수 있는 실험장치이다. 경계부에 와전류 센서를 이용하여 강제진동에서의 주파수 응답을 알아볼 수 있으며 선의 형태로 나타나는 절점위치를 주파수에 따라 어떻게 바뀌는지를 알아볼 수 있는 장치이다. 본 실험은 단순형태의 판에서의 모드형상을 관찰하고, 판의 모드형상이 나타나는 원리를 이해하기 위해 행해진다.
현의 진동, 막의 진동 혹은 특정한 기하학적 구조 내에서의 공기의 진동 등 갇혀 있는 파동의 공명상태는 그 경계조건을 부과한 파동방정식의 해를 구하여 알아낼 수 있다. 이 파동방정식을 만족하는 진동을 일반적으로 정상파라 하고 그 진동수를 고유진동수라고 한다.
현의 경우에는 단순한 정현파 혹은 이들의 합성파로서 표시할 수 있으나 막의 진동의 경우 경계조건에 따라 진동형태를 예측하기 어려울 정도로 복잡해진다. 임의의 경계조건일 경우에는 방정식을 완전히 풀 수 없어 수치해석 방법으로 근사적인 해를 구할 수밖에 없으나, 직사각형, 원형, 타원형 등 기하학적인 구조가 비교적 간단한 경우에는 이들 경계조건에 상응하는 특수함수로서 풀 수 있다.
도 10은 판의 진동 실험장치(40)의 사시도이다. 이를 참조하면, 판의 진동실험 장치는 판, 모래 받침대, 가진기(11), 모래 받침대(41), 판(42)를 포함한다. 경계부에 와전류 센서를 이용하여 강제진동에서의 주파수 응답을 알아볼 수 있도록 한다. 변위센서는 비접촉식으로 변위를 검출하는 와전류센서를 판에 근접하게 위치하여 가진기(11)로부터 판에 가해지는 입력에 대한 판(42)의 변위를 측정한다.
소프트웨어에서는 주어진 판에서의 공명진동이 나타나는 주파수별로 버튼을 배치하고 그 진동수에서의 모드형상을 보여준다. 판은 사용자가 설정한 진동수에서 모드형상을 나타나게 되며 이는 소프트웨어에서 보여주는 그림과 일치함을 확인할 수 있다(도 25참조). 설계한 판을 실험하여 분석(Ansys)을 통해 얻은 이론치와 실제 형상이 나타난 실험치를 비교볼 수 있다.
이상 설명한 4개의 실험장치는 컨트롤 박스와 제어 소프트웨어 의해 제어된다.
도 11은 컨트롤 박스(50)의 외관 사진이며, 도 12는 컨트롤 박스의 내부 사진이고, 도 13은 컨트롤 박스의 배선도이다. 이를 참조하면, 컨트롤 박스는 신호 수집 및 AD변환을 위해 NI사의 DAQ보드(59)를 사용한다. DAQ보드(59)에 실험에 사용하는 여러 계측장치와 액추에이터를 연결하여 센서와 가진기(11), USB통신에 필요한 복잡한 배선을 간략화시킬 수 있다.
컨트롤 박스(50)의 외부에는 여러 계측장치와 액추에이터, USB 통신을 위한 커넥터를 배치하였다. 앞면에는 표시등(51), 가속도센서 커넥터(BNC)(52), (와전류, 레이져)변위센서 커넥터(53), 로드셀 커넥터(54), 스트레인게이지 커넥터(55)이 위치하고, 뒷면에는 전원소켓 스위치, 출력 커넥터, USB 단자가 설치된다.
컨트롤박스의 내부에는 차단기(57), 노이제즈거필터(56), 24V 파워서플라이(58), DAQ보드(59)가 내장된다.
도 14는 본 발명의 교육용 진동측정 장치의 소프트웨어 구성도이다. 소프트 웨어는 Microsoft Visual Studio 2008을 이용하여 작성되었고 개발언어는 C++를 사용하였다. 라이브러리는 NI Measurement Studio를 사용하였다.
소프트웨어는 실험장치들과 마찬가지로 총 4가지 섹션으로 구성이 되며 실험 테마별로 해당하는 섹션을 실행시켜서 시스템을 제어할 수 있다.
도 15는 질량-스프링 실험장치의 제어창을 나타낸다. 질량-스프링 실험장치의 소프트웨어 구성은 측정, 가진 버튼을 가지며, 측정버튼을 누르면 컨트롤러로부터 ADC를 시작하여 측정신호를 실시간으로 그린다. 한번더 누르면 측정을 정지한다. 가진버튼을 누르면 설정된 주파수와 진폭으로 가진 출력을 시작한다. 다시한번 누르면 정지 한다.
가진기(11)의 주파수는 키보드의 방향키로써 조절이가능하며 0.1단위로 조정할 수 있다. 임의의 숫자를 입력하면 그 주파수로 바로 가진을 한다.
영점조정(Offset Nulling)은 변위센서, 스트레인게이지, 하중센서같은 센서들은 초기에 센서마다의 변위와 변형율이 모두 다르기 때문에 영점조정이 필요하다. 측정을 시작한 후 가진을 하지 않은 상태에서 버튼을 누르면 영점조정을 자동으로 수행한다.
1번 그래프 시간영역에서의 측정신호와 주파수영역에서의 코히런스함수와 위상스펙트럼을 선택해서 보여주는 그래프이다. 표시 모드 설정은 그래프표시 설정 탭에서 할 수 있다. 그래프의 오른쪽 축은 출력함수 왼쪽 축은 입력함수를 그리게 된다.
2번그래프 주파수영역의 FFT 신호와 PowerSpectrum 그리고 주파수 응답함수를 보여준다.
각각의 그래프는 2개의 커서를 가지고 있으며 커서를 임의위치로 마우스로 이동시킬수 있으며 현재 위치한곳에서 가장 가까운 Plot에 자동으로 Fitting 되어 좌표값을 보여준다. 아래는 각각의 Plot에대한 Caption을 나타낸다.
평균된횟수 모든 센서에서나오는 출력은 V 단위이며 여기에는 Random Noise가 포함되어있다. 주파수영역에서 Signal을 무한개 만큼 더하여 평균화하면 Noise는 0으로 수렴한다. 따라서 노이즈 제거를 위하여 평균화는 필수이다. 이 창은 현재 평균화 된 횟수를 표시한다.
제어창 상단의 시스템 설정메뉴는 총 5가지의 탭으로 구성되어있다.
1. 입력신호
ADC하여 입력된 신호의 파라메터를 설정하는 탭이다. 계속하여 도 15를 참조하면, 입력신호는 입력함수탭, 출력함수탭, 신호수집탭으로 구성된다. 입력함수탭은 시스템 가진부 입력 신호를 측정하는 센서종류와 채널, 센서 감도를 설정한다. 감도의 단위는 가속도 센서는 mV/g 하중센서는 mV/N 이다. 출력함수탭은 시스템의 응답부의 출력 신호를 측정하는 가속도 센서의 개수와 채널, 센서감도를 설정한다. 자유도에따라 센서의 개수가 달라진다 1자유도라면 1개 2자유도에서는 2개의 가속도 센서가 필요하다. 감도의 단위 단위는 mV/g 이다. 신호수집탭은 ADC 샘플링 할 샘플링주파수와 취득할 데이터 개수를 입력한다.
2. 가진설정
도 16을 참조하면, 가진설정은 가진기(11)를 동작할 때 최대최소 출력 한계 전압과 진폭, 생성할 파형의 버퍼개수와 주기수를 설정한다.
3. 신호처리
도 17을 참조하면, 신호처리는 세가지 탭이 제공된다. Window Funcion탭은 ADC로부터 수집된 데이터를 주파수영역에서 나타낼 때 리퀴지현상(누수현상)을 방지하기위한 윈도우함수를 제공한다. 제공되는 윈도우 함수의 종류는 Rectangular, Hanning, Hamming, BlackmanHarris, ExactBlackman, Blackman, FlatTop, BlackmanHarris4Term, BlackmanHarris7Term, LowSideLobe와 같다. 각각의 신호특성에 맞는 윈도우 함수를 선택하면 되고 질량-스프링 실험에서는 주로 연속된 Sine파형태의 신호이므로 Hanning 윈도우를 사용한다.
저주파 통과 필터탭은 차단주파수(Cutoff Frequecny) 이상의 신호를 걸러내는 필터이다. 나이키스트주파수가 높고 실측하는 주파수영역이 작다면 측정하는 영역의 주파수만 걸러내고 이상의 주파수성분을 걸러내어서 사용할 수 있다. 제공되는 필터의 종류는 Butterworth filter, Chebyshev filter, Inverse Chebyshev filter와 같다.
에버리징탭은 취득한 데이터 셋트를 평균화해서 Random Noise를 걸러주는 기능을 한다. 에버리징 방식은 Linear Averging 이며 에버리징 횟수를 입력 한다.
4. 그래프 설정
도 18을 참조하면, 그래프 설정에서 1번 그래프 설정탭은 입력신호, 코히런스함수, 위상스펙트럼을 보여 주게 된다. 입력신호는 시간영역에서 신호가 겹칠시 보기가 난해할 수 있으므로 신호별로 표시할 수 있도록 체크박스를 제공한다.
스케일 조정창을 살펴보면 1번 그래프는 왼쪽 오른쪽 두가지 기준축이 제공되므로 범위설정도 왼쪽과 오른쪽으로 나뉘게 된다. 그래프는 기본적으로 자동스케일에 맞추어진다. 따라서 원하는 영역만을 보고 싶을 때는 범위를 수동으로 조정하여서 볼 수 있으며 버튼을 다시 한 번 누르면 자동스케일로 변경된다.
2번 그래프 설정탭에서는 2번그래프에서는 주파수영역의 신호 FFT와 파워스펙트럼, 주파수응답함수(FRF)를 선택해서 볼 수 있다. 1번 그래프와 마찬가지로 기본적으로 자동범위로 보여주지만 사용자가 원하는 영역을 볼 수 있도록 범위를 수동으로 조절 할 수 있다. 축의 표시단위를 Log Scale 로 볼수 있도록 기능을 제공한다.
5. 데이터저장
도 19는 데이터 저장 제어창이며, 도 20은 파일 다이얼로그창을 나타내고, 도 21은 저장된 엑셀파일을 나타낸다. 이들을 참조하면, 데이터 저장기능은 ADC로부터 취득한 데이터를 파일로 저장하여 Matlab, 엑셀과 같은 프로그램에서 활용할 수 있도록 기능을 제공한다. 시간영역데이터와 주파수영역 데이터를 각각 따로 저장할 수 있다.
시간 영역 입력 신호는 측정이 시작되면 활성화가 되고 레코딩 시작버튼을 누른 시점부터 시간영역의 데이터를 레코딩을 시작한다. 레코딩이 시작되면 버튼은 다음그림과 같이 “데이터레코딩종료” 로 바뀌게 된다. 데이터레코딩종료를 클릭하면 파일다일로그가 띄워지면서 저장할 파일이름을 지정할 수 있다. 확장자는 txt이다. 저장된 데이터 파일을 엑셀에서 불러오면 다음과 같은 순서대로 저장이 된다. 칼럼의 좌측부터 시간, 입력신호1, 입력신호2, 입력신호3, 입력신호4의 순서대로이며 입력신호 개수에따라 개수만큼 컬럼이 생성되어 저장이 된다.
주파수 영역 신호에서는 시간영역 신호와 마찬가지로 신호측정을 시작하면 활성화가 된다. 시간영역처럼 따로 레코딩할 구간을 지정하는게 아니라 현재시점의 주파수영역 데이터를 모두 저장한다. 버튼을 누르면 마찬가지로 파일다이얼로그가 활성화되며 저장할 파일이름을 선택하면 아래와 같이 총 3가지의 확장자를 가진 파일이 한 번에 저장이 된다.
*.fft : FFT 신호를 저장한 데이터 파일
*.frf : FRF 신호를 저장한 데이터 파일
*.coh : 코히런스함수를 저장한 데이터 파일
파일을 엑셀에서 불러오면 다음과 같이 보여진다. 칼럼은 좌측부터 주파수,입력신호-응답신호1, 입력신호-응답신호2, 입력신호-응답신호3의 순서로 기록이 된다.
외팔보의 진동 실험장치(20)의 제어 소프트웨어의 기본틀은 질량-스프링시스템과 같고 입력설정 메뉴에서 차이가 있다. 따라서 입력설정만 따로 설명을 한다.
도 22는 외팔보의 진동 실험장치(20)의 소프트웨어 제어창을 나타낸다. 입력 센서탭의 화면은 가진부입력 측정센서와 응답부출력측정 센서 종류에 따라 화면구성이 달라진다. 입력함수에서 가진부 입력센서는 총3가지 센서를 선택할 수 있다.
하중센서,가속도센서,변위센서 중 한가지를 선택해서 가진입력으로 사용할 수 있다. 센서감도의 단위는 하중센서 : mV/N, 가속도센서 : mV/g, 와전류센서 : mV/mm 가된다.
출력함수에서 외팔보의 응답부에 해당하는 센서를 선택한다. 센서타입은 외팔보에 직접 부착된 스트레인게이지와 비접촉신 변위센서를 사용할 수 있다. 스트레인게이지는 1게이지, 2게이지, 4게이지법을 이용할 수 있으며 게이지펙터와 게이지의 저항 그리고 4게이지법을 이용할 경우 푸아송비를 입력하도록 제공한다. 변위센서를 사용 할 경우에는 각각 변위센서의 채널과 그리고 센서감도를 입력하도록 한다.
현의 진동 실험장치(30)의 제어창은 도 23을 참조하면, 로드셀을 이용하여 장력을 측정하며 가진하는 주파수를 설정한다. 로드셀 감도의 단위mV/N 이다. 가진주파수는 0.1hz단위로 미세 조정이 가능하며 고유진동수 근처에서 조정하여 확실한 모드형상을 볼 수 있도록 제공한다.
판의 진동 실험장치(40)의 제어창에서는, 도 24를 참조하면, 제공되는 판의 종류에 따라 모드형상이 나타나는 주파수가 자동으로 바뀌게 된다. 가진을 시작하기 전에는 주파수버튼이 활성화 되지 않으며 가진 시작 후에 활성화된다. 주파수 버튼를 클릭하면 해당하는 모드형상을 그림으로 보여 준다. 실험시에 제대로 모드형상이 나타나지 않는 경우는 0.1단위로 주파수를 조정하여서 근처에 있는 모드형상을 찾아낼 수가 있다.
도 25는, 사용자가 설정한 진동수에서 실험에 의한 모드형상과 소프트웨어에서 제공되는 시뮬레이션 모드형상이 일치함을 보여준다.
10: 질량-스프링 진동 실험장치 11: 가진기
12: 스프링 고정지그 14: LM 가이드
20: 외팔보 진동 실험장치 30: 현 진동 실험장치 40: 판 진동 실험장치 50: 컨트롤 박스

Claims (20)

  1. 교육용 진동측정 실험장치에 있어서,
    가진기에 의해 가진되는 강체의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 거동을 관찰하기 위한 질량-스프링 시스템 실험장치와,
    상기 가진기에 의해 가진되는 외팔보 고정지그에 고정되는 외팔보의 고유진동수 확인과 주파수 변화에 따른 외팔보의 거동을 관찰하기 위한 보의 진동실험 장치와,
    상기 가진기에 의해 가진되는 현의 고유진동수를 확인하고 주파수 변화에 따른 모드형상을 관찰하기 위한 현의 진동실험 장치가 하나의 실험대 위에 일체로 구비되며,
    상기 질량-스프링 시스템 실험장치, 상기 보의 진동실험 장치 및 상기 현의 진동실험 장치를 제어하기 위한 컨트롤 박스를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 교육용 진동측정 실험장치는 판의 형태의 진동에서 모드현상을 관찰할 수 있는 판 진동 실험장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 판 진동 실험장치는 상기 가진기에 연결되며 상기 실험대 면과 평행하게 설치되는 판과 상기 판의 하부에 설치되는 모래 받침대를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가진기는 사인파 형태의 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 질량-스프링 시스템 실험장치의 가진 방향과 상기 보의 진동실험 장치 및 상기 현의 진동실험 장치의 가진 방향은 서로 90도 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 질량-스프링 시스템 실험장치는 상기 가진기에 연결되는 스프링 연결부와 상기 스프링 연결부에 연결되는 제1 스프링과 상기 제1 스프링의 말단에 연결되는 제1 강체를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 보의 진동실험 장치는 상기 외팔보 고정지그의 진동을 가이드 하는 LM 가이드와 상기 외팔보를 따라 설치되는 가속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 현의 진동실험 장치는 상기 외팔보 고정지그의 일측에 고정되는 로드셀과 상기 로드셀에 현을 고정하기 위한 현 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤 박스는 표시등, 가속도센서 커넥터(BNC), 변위센서 커넥터, 스트레인게이지 커넥터 및 로드셀 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤 박스는 차단기, 노이제즈거필터, 24V 파워서플라이 및 DAQ보드가 내장되는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  13. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 3항 또는 제 4항 또는 제 5항 또는 제 6항 또는 제 9항 또는 제 10항 또는 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 교육용 진동측정 실험장치는 상기 컨트롤 박스에 연결되는 제어용 PC를 더 포함하며, 상기 제어용 PC를 이용하여 상기 교육용 진동측정 실험장치의 가진설정 및 영점조정이 가능한 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제어용 PC는 상기 질량-스프링 시스템 실험장치, 보의 진동실험 장치, 현의 진동실험 장치 및 판 진동 실험장치의 입력설정, 가진설정, 신호처리, 그래프설정 및 데이터 저장 메뉴를 포함하는 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 입력설정은 시스템 가진부의 입력 신호를 측정하는 센서종류와 채널, 센서 감도를 설정하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 입력설정은 시스템의 응답부의 출력 신호를 측정하는 가속도 센서의 개수와 채널, 센서감도를 설정하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 가진설정 메뉴는 가진기를 동작할 때 최대최소 출력 한계 전압과 진폭, 생성할 파형의 버퍼개수와 주기수를 설정하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 신호처리 메뉴는 ADC로부터 수집된 데이터를 주파수영역에서 나타낼 때 리퀴지현상(누수현상)을 방지하기위한 윈도우함수와 차단주파수(Cutoff Frequecny) 이상의 신호를 걸러내는 필터와 취득한 데이터 셋트를 평균화해서 Random Noise를 걸러주는 에버리징 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 그래프 설정 메뉴는 1번그래프에서는 입력신호, 코히런스함수, 위상스펙트럼을 보여 주는 1번 그래프와 주파수영역의 신호 FFT와 파워스펙트럼, 주파수응답함수(FRF)를 선택해서 볼 수 있는 2번 그래프를 설정하는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 데이터 저장 메뉴는 ADC로부터 취득한 데이터를 파일로 저장하여 Matlab, 엑셀과 같은 프로그램에서 활용할 수 있도록 기능을 제공하며, 상기 데이터는 시간영역 데이터와 주파수영역 데이터를 각각 따로 저장할 수 있는 것을 특징으로 하는 교육용 진동측정 실험장치.
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