KR101617729B1 - 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법, 그 진동 측정 장치를 사용한 샘플분석시스템 및 샘플분석방법 - Google Patents

광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법, 그 진동 측정 장치를 사용한 샘플분석시스템 및 샘플분석방법 Download PDF

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Abstract

시편을 향하여 광을 발생시키는 발광부, 상기 시편에서 반사된 광을 검출하는 수광부 및 상기 수광부에서 검출된 광의 정보를 연산하는 연산장치를 포함하며, 상기 연산장치는 상기 검출된 광의 정보를 기초로 주파수 진동특성, 영율 및 손실계수를 연산하는 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치로, 발광부에서 발생된 광이 시편 또는 반사체 중 어느 하나에 입사되는 단계, 상기 입사된 광이 반사되는 단계, 상기 반사된 광의 변화가 검출되는 단계, 상기 검출된 광의 변화를 기초로 시편의 진동주파수가 연산되는 단계를 포함하는 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법.

Description

광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법, 그 진동 측정 장치를 사용한 샘플분석시스템 및 샘플분석방법{Apparatus and methods for vibration using change of the amount of light, Analysis system for analyzing sample and Method thereof}
본 발명은 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법, 그 진동 측정 장치를 사용한 샘플분석시스템 및 샘플분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간편한 장치로 쉽게 물체의 진동을 정확하게 측정할 수 있는 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법, 그 진동 측정 장치를 사용한 샘플분석시스템 및 샘플분석방법에 관한 것이다.
특정 물체 또는 특정 위치에 설치되어 진동을 측정하는 진동센서는 다양한 분야에 응용되어 사용되고 있다. 일례로, 진동센서는 교량에 설치되어 교량의 진동을 측정하게 된다. 이때, 측정된 교량의 진동량은 교량의 안전도 평가에 중요한 척도로 사용된다. 이외에도, 진동센서 다양한 분야에서 응용되어 이용되고 있다.
이와 같은 종래의 진동센서는 전기적 신호를 이용하여 물체의 진동량을 검출하게 된다. 하지만, 전기적 신호를 이용하여 물체의 진동량을 측정하는 방식은 외부요건에 따라서 측정량이 상이해지는 문제점이 있다. 다시 말하여, 전자파가 많은 곳에 진동센서가 설치될 경우 전자파의 간섭에 의하여 진동량을 정확히 측정할 수 없다. 아울러, 전기적 신호를 이용하여 진동량을 측정하게 되면 외부환경(예를 들면, 비 또는 눈)이 그 측정결과에 영향(예를 들면, 누전발생 등)을 미치게 되므로 진동량을 정확히 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 광 섬유를 이용한 진동 센서가 개발되었다.
광섬유 센서는 지능형 구조물(smart structure)의 감지계이기도 하다. 이러한 광섬유 센서는 빛을 이용하여 측정하기 때문에 전자기파의 간섭을 받지 않는다. 따라서, 전자기파 환경이나 구조물의 운용 중에도 사용이 가능하다. 또한, 감도가 매우 뛰어나고, 결함의 실시간 측정이 가능하다. 또한, 크기가 작고 가벼워서 구조물에 적용할 경우 무게 집중 효과가 적으며, 직경이 매우 작고 유연하여 사용자가 원하는 크기로 제작할 수 있다. 이 밖에도 센서 수명과 직결되는 부식과 같은 환경적 영향에 강하고, 온도특성이 우수하여 넓은 운용온도 범위에서 사용이 가능하며, 원거리에서도 정보를 취득할 수 있어 위험한 환경에서도 실험장비나 인명 손실의 걱정 없이 모니터링(monitoring)이 가능한 장점 등이 있다. 이러한 장점들로 인해 지금까지 광섬유 센서를 이용하여 물리량을 측정하는 다양한 연구가 진행되어 왔다. 또한, 구조물의 건전성을 모니터링하기 위한 감지센서로서 광섬유 센서에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, EFPI(extrinsic fabry-perot interferometric) 센서의 경우에는 간섭신호를 이용하므로 현미경을 이용하여 미소한 간극을 만들어 주어야 하고, 간섭신호가 정현파로 나오지 않기 때문에 신호처리가 복잡하다. 그리고, FBG(fiber Bragg grating) 센서의 경우에는 시스템을 구성하는 데 많은 비용이 소요되기 때문에 비경제적이다. 그리고, 종래에는 격자무늬 패턴을 이용하여 변위, 스트레인 또는 가속도 등을 측정하는 기술들이 있다. 이 기술은 2개의 격자무늬 패턴(Grating Pattern)이 서로 겹쳐져 있을 때 발생하는 무아레 프린지 현상을 이용한다. 따라서, 이 기술은 2개의 격자판이 필요하다. 또한, 이 기술은 투과신호를 이용해 변위, 스트레인 또는 가속도 등을 측정하기 때문에, 발광부와 수광부의 역할을 각각 수행하는 2개의 광섬유를 한 쌍으로 구성해야 한다. 그로 인해, 센서로 제작할 경우에는 양쪽으로 광섬유 라인이 뻗어 있게 되므로 그 구조가 복잡해지는 단점이 있다.
또한, 광을 이용하여 진동을 측정하는 방법에는 레이저 진동계(Laser vibrometer)를 이용하여 진동을 측정하는 방법(100)이 있다. 레이저 진동계에 의해 물체의 진동신호를 잡는 원리는 마이켈슨 간섭계를 이용하여 도플러천이(Doppler shift) 방법을 주로 사용하고 있다. 도 1을 참고하면, 레이저(1)에서 나온 빔이 빔 분배기(beam splitter, 2)에서 둘로 나누어져 하나는 기준거울(reference mirror, 3)로 또 하나는 물체 표면으로 수직 입사된다. 기준 거울(3)에서 반사되는 빔은 광 검출기(photo detector, 4)로 다시 돌아오고, 시편(5)에 반사된 빔도 역시 빔 분배기(beam splitter, 2)에서 다시 광 검출기(photo detector, 4)로 돌아오게 된다. 이때 기준거울(3)에 반사되는 빛의 경로(y)는 항상 일정하지만 시편(5)에서는 진동이 발생되기 때문에 레이저 빔이 지나오는 길이 즉, 경로(x)는 변하게 된다. 이들 두 빔(x, y)의 경로 차를 이용하면 도플러 천이(Doppler shift)의 공식에 의해 시편(5)의 진동 특성을 알게 된다. 하지만 상기 레이저 진동계(Laser vibrometer)는 가격이 비싸고 물체에 수직으로 빔을 입사해야 되는 단점이 있다.
한국 등록특허 제 10-0483341호 한국 공개특허 제 10-2005-0064295호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 높은 신뢰성을 가지는 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 측정하고자 하는 대상에 직접적으로 설치되지 않아 사용의 편리성이 높은 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 간단한 구조로 인해 비용효율적인 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 시편을 향하여 광을 발생시키는 발광부, 상기 시편에서 반사된 광을 검출하는 수광부 및 상기 수광부에서 검출된 광의 정보를 연산하는 연산장치를 포함하며, 상기 연산장치는 상기 검출된 광의 정보를 기초로 주파수 진동특성, 영율 및 손실계수를 연산할 수 있다.
상기 발광부는, 레이저 또는 LED 중 어느 하나인 것을 포함할 수 있다.
상기 수광부는, 상기 반사된 광의 일부를 차단하여 상기 반사된 광의 광량 변화의 검출효율을 증가시키기 위한 광여과유닛, 상기 광여과유닛에 의해 일부가 차단된 광을 일 지점으로 집중시키기 위한 렌즈 및 상기 렌즈에 의해 집중된 광량의 변화를 검출하기 위한 광검출부를 포함할 수 있다.
상기 렌즈는, 볼록렌즈일 수 있다.
상기 연산장치는, 광량의 변화를 분석하여 주파수 진동특성을 측정하고, 상기 주파수 진동특성을 기초로 영율 및 손실계수를 연산할 수 있다.
시편의 반사율을 높이기 위해 시편의 일측에 부착되는 반사체를 더 포함할 수 있다.
광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 사용한 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법에 있어서, 발광부에서 발생된 광이 시편 또는 반사체 중 어느 하나에 입사되는 단계, 상기 입사된 광이 반사되는 단계, 상기 반사된 광의 변화가 검출되는 단계, 상기 검출된 광의 변화를 기초로 시편의 진동주파수가 연산되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입사되는 단계는, 상기 시편 또는 반사체 중 어느 하나에 입사되는 입사각이 5°~ 85°일 수 있다.
상기 시편의 진동이 연산되는 단계는, 상기 검출된 광량의 변화를 기초로 주파수 진동특성을 측정하고, 상기 주파수 진동특성을 기초로 영율 및 손실계수가 연산되는 단계를 포함할 수 있다.
광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치에 있어서, 자유단과 고정단을 구비한 외팔보 형태로 시편이 고정되는 고정수단, 상기 시편에 진동을 발생시키는 진동발생수단, 상기 발생된 진동을 증폭시키는 진동증폭수단을 포함하며, 검출된 광량의 변화 신호를 전송받아 샘플정보를 분석하는 연산장치를 포함할 수 있다.
상기 연산장치는, 상기 광량의 변화 신호를 분석하여 주파수 진동특성을 측정하고, 상기 주파수 진동특성을 기초로 샘플의 주파수에 따른 각각의 영율 및 중 적어도 어느 하나의 정보를 연산할 수 있다.
광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석방법에 있어서, 진동발생수단 및 진동증폭수단에 의해 샘플에 진동이 발생되는 단계, 발광부에서 발생된 광이 상기 샘플에 입사되는 단계, 상기 샘플에 의해 상기 입사된 광이 반사되는 단계, 상기 샘플에 반사된 광의 변화가 광검출기에 의해 검출되는 단계, 상기 광검출기에 의해 검출된 광의 변화를 기초로 상기 광검출기와 연결된 연산장치에서 분석하여 주파수 진동특성을 측정하고, 상기 주파수 진동특성을 기초로 영율 및 손실계수를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법은 측정하고자 하는 대상에 직접적으로 부착되지 않아 사용의 편리성이 높다.
대상에 직접적으로 부착되지 않는 점에서 더욱 작은 측정대상에도 사용가능하며, 간단한 장치들로 인해 적은 비용으로 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
도 1은 선행기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법에서 광량의 변화를 측정하는 원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템을 나타낸 도면이다.
도 6은 선행기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 이용한 샘플분석시스템에서 측정된 샘플의 진동주파수를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 이용한 샘플분석시스템에서 다섯번째 공진주파수를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 이용한 샘플분석시스템에서 주파수에 따른 손실계수를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 이용한 샘플분석시스템에서 주파수에 따른 영율을 나타내는 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치 및 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당해 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치(200)를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치(200)는 발광부(210), 반사체(220), 수광부(230) 및 연산장치(240)를 포함할 수 있다.
발광부(210)는 광을 발생시키기 위한 장치일 수 있으며, 예를 들어, 레이저 또는 LED 중 어느 하나일 수 있다. 발광부(210)는 진동을 측정하기 위한 시편(10) 또는 시편(10)의 일부에 부착된 반사체(220)을 향해 투광될 수 있으며, 반사체(220)을 향해 투광되기 위한 입사각(θ)은 5°~ 85°의 범위 일 수 있으며, 바람직하게는 25°~ 65°일 수 있다. 상기 입사각(θ)가 5° 미만일 경우 오차가 심해져 측정의 오차가 심해지며, 상기 입사각(θ)가 85°를 초과할 경우 광량의 변화가 미약하여 측정의 오차가 생길 수 있다.
반사체(220)는 시편(10)의 일부에 부착되어 발광부(210)에서 발생된 광을 수광부(230)로 반사시킬 수 있으며, 반사체(220)는 50%이상의 반사율을 기지는 것이 바람직하지만 이에 제한되지 않는다. 반사체(220)는 시편(10)의 반사율이 현저하게 낮아 시편(10)에서 반사된 광을 수광부(230)에서 검출하기 어렵거나, 시편(10)의 표면이 일정하기 않아 광의 반사에 왜곡이 생길 경우 설치될 수 있다. 반사체(220)는 시편(10)의 일부에 부착되어 시편(10)과 같은 진동이 발생 될 수 있다.
수광부(230)는 렌즈(231), 광검출부(232) 및 광여과유닛(233)을 포함할 수 있다. 반사체(220) 또는 시편(10)에서 반사된 광은 공기 또는 다른 환경요인에 의해 산란될 수 있다. 상기 광의 산란에 의해 검출되는 광의 오차가 생길 수 있으므로, 렌즈(231)를 이용하여 반사된 빛을 광검출부(232)로 집중시킬 수 있다. 렌즈(231)는 볼록렌즈일 수 있다.
광검출부(232)는 광을 검출하기 위한 장치로 반사체(220) 또는 시편(10)에서 반사된 광을 검출하여 광의 변화를 측정할 수 있다. 광검출부(232)는 반사체(220) 또는 시편(10)에서 반사된 광을 검출할 수 있는 위치에 고정되고, 상기 광을 검출하기 위해 기존에 사용된 모든 광검출기 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
광여과유닛(233)은 반사체(220) 또는 시편(10)에서 반사된 광의 일부를 차단하기 위한 장치일 수 있다. 예를 들어, 일측이 예각으로 형성된 금속부재를 사용할 수 있으며, 상기 금속부재는 칼날과 같은 금속부재일 수 있다. 광여과유닛(233)은 반사체(220) 또는 시편(10)에서 반사된 광의 변화를 광검출부(232)에서 더 좋은 효율로 검출하기 위한 장치일 수 있다. 광여과유닛(233)에 의해 광의 일부가 차단될 경우 광여과유닛(233)에 의해 광의 회절이 발생할 수 있으며, 이를 최소화 하기 위해 날카로운 광여과유닛(233)이 사용되는 것이 바람직하다.
연산장치(240)는 수광부(230)에서 검출된 광의 변화를 기초로 시편의 진동을 연산하기 위한 장치로, 운영체제와 함께 프로그램 코드를 실행하고 데이터를 생성 및 사용하는 동작을 한다. 운영 체제는 일반적으로 공지되어 있으며 이에 대해 보다 상세히 기술하지 않는다. 예로서, 운영 체제는 Window 계열 OS, Unix, LINUX, Palm OS, DOS, 안드로이드 및 매킨토시 등일 수 있다. 예를 들어, 연산장치(240)는 스마트폰, 데스크탑, 노트북 및 태블릿 PC 중 어느 하나일 수 있다. 상기 연산장치에서의 연산과정은 후술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치에 따라 간단한 장치로 시편의 진동을 측정할 수 있으며, 높은 정확도를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 발광부(210)에서 발생된 광을 시편(10) 또는 반사체(220)에 입사된다(S100). 상기 광이 시편(10) 또는 반사체(220)에 입사될 때 입사각은 5°~ 85°의 범위 일 수 있으며, 바람직하게는 25°~ 65°일 수 있다. 상기 입사각이 5° 미만일 경우 오차가 심해져 측정의 오차가 심해지며, 상기 입사각이 85°를 초과할 경우 광량의 변화가 미약하여 측정의 오차가 생길 수 있다.
다음으로, 시편(10) 또는 반사체(220)에 발광부(210)에서 발생된 광이 반사된다(S110). 반사체(220)는 50%이상의 반사율을 기지는 것이 바람직하지만 이에 제한되지 않는다. 반사체(220)는 시편(10)의 반사율이 현저하게 낮아 시편(10)에서 반사된 광을 수광부(230)에서 검출하기 어렵거나, 시편(10)의 표면이 일정하기 않아 광의 반사에 왜곡이 생길 경우 설치될 수 있다.
다음으로, 수광부(230)는 시편(10) 또는 반사체(220)에 반사된 광의 변화를 검출한다(S120). 상기 광의 변화는 도 4를 참조하여 설명한다. 진동이 일어나지 않을 때의 광(410)과 진동시의 광(420)은 수광부(230)의 광검출부(232)에서 검출되고, 이때의 변화는 도 4와 같이 진동이 일어나지 않을 때의 광(410)을 중심으로 변화한다. 진동이 일어나지 않을 때의 광(410)의 광량을 기준으로 하여, 진동시의 광(420)의 광량은 진동이 일어나지 않을 때의 광(410)의 광량에 비해 상대적으로 적거나 많아지며, 이를 통해 광량의 변화에 의한 진동신호 (430)을 측정할 수 있다.
마지막으로, 연산장치(240)는 도 6에서처럼 상기 단계(S120)에서 검출된 광량의 변화와 시편에 진동을 발생시키는 입력부(620)에 가해주는 전기적 신호크기와의 비인 응답함수 H를 측정하여 시편의 진동을 연산한다(S130).
시편의 손실계수(η)는 도 6의 응답함수 H에 대해 도 7처럼 각각의 공진주파수에서의 H의 피크 값으로부터 3dB 감소되는 좌우의 두 지점간의 주파수 차이를 측정하여 간단하게 검출할 수 있다. 상기 공진주파수와 3dB 감소지점들 사이의 주파수 차이는 본 발명에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 통해 측정할 수 있다.
고정단과 자유단을 가지는 외팔보 형태의 시편에 대해 영율(Young's modulus, E)은 [수학식 1]과 같이 공진주파수와 시편의 제원과 밀도에 관련된다.
Figure 112014006040896-pat00001
[수학식 1]에서 L은 시편의 길이, ρ는 질량밀도, t 는 빔의 두께, frn 은 n 번째 공진주파수이고, an은 n 번째 공진 주파수에서의 특성 값으로, a1=0.5596, a2=3.5069, a3=9.8194, a4=19.242, a5=31.809...등의 상수값이다.
상기 [수학식 1]을 통해 영율(Young's modulus, E)을 도 6의 공진주파수 값을 이용하여 연산할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치에 의해 광량 변화를 통해 물체의 진동특성을 측정할 수 있고, 이에 따른 손실계수(η) 및 영율(E)를 산출할 수 있다.
이하, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템과 선행기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 시스템을 이용하여 시편의 진동 측정을 도 5 내지 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치(200)를 이용한 샘플분석시스템을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치(200)를 이용한 샘플분석시스템은 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치(200), 진동발생장치(610) 및 진동증폭장치(620)를 포함할 수 있다.
자유단과 고정단을 구비한 외팔보의 형태로 구조용 강재 샘플(12)이 고정수단(11)에 고정된다. 손실계수의 경우, 관심 주파수대역은 1,000Hz보다 낮다. 따라서 진동 신호들을 진동발생장치(610)을 이용하여 1,000Hz 이상의 주파수를 발생시키고, 진동증폭장치(620)를 사용하여 상기 진동발생장치(610)의 신호를 증폭시킨다. 전자기 유도를 통해 힘을 발생하는 장치인 상기 진동발생장치(610)는 진동을 발생시킬 수 있다. 상기 샘플(12)의 자유단의 길이, 넓이, 및 두께는 각각 200 mm, 9.6 mm, 및 0.8 mm이다. 상기 샘플(12)의 측정된 부피밀도는 8,144 kg/m3. 상기 구조용 강재의 음파속도는 시편에 배치된 두개의 가속도계(미도시) 사이의 펄스 지연시간을 측정하였고, 4,990 m/s로 측정되었다. 상기 테스트시의 온도는 23 ℃± 3 ℃ 였다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치와 종래기술인 레이저 진동계를(100) 통해 상기 샘플(12)의 진동을 동시에 측정하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템과 종래기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 시스템의 결과 그래프이다.
도 6을 참조하면, 종래기술의 진동측정 시스템인 레이저 진동계를 사용하여 샘플(12)의 공진주파수를 측정한 결과 16.1Hz, 101.1Hz, 283.1Hz, 554.7Hz 및 916.5Hz의 값이 측정되었고, 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템을 통해 시편의 공진 주파수를 측정한 결과 15.6Hz, 98.5Hz, 275.6Hz, 545.9Hz 및 898.7Hz의 값이 측정되었음을 알 수 있다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템이 최대 3.5%의 오차를 가지며, 간단한 방법으로 적은 오차를 가짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템과 종래기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 시스템의 비교 값을 도 7 내지 도9를 통해 더욱 상세하게 설명한다.
도 7을 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이 손실계수(η)는 공진주파수(ωr)와 3dB 감소지점(△f) 사이의 주파수 차이를 측정하여 간단하게 연산할 수 있다. 상기 3dB 감소지점(△f)의 값을 더욱 정확하게 측정하기 위하여 상기 3dB 감소지점(△f)의 값을 2000회 실시하여 평균하였다. 도 7은 다섯 번째 공진 주파수(898.7Hz)대역을 확대한 주파수 응답함수의 곡선이다.
도 8를 참조하면, 상기 공진주파수(ωr)와 3dB 감소지점(△f) 사이의 주파수 차이를 측정하여 손실계수(η)를 연산한 방법으로, 일반적으로 손실계수는 주파수에 따라 바뀌게 된다. 본 발명에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템에서 주파수에 따라 측정된 손실계수는 0.0029(98.5 Hz에서), 0.0019(275.6 Hz에서), 0.0020(5,459Hz) 및 0.0028(898.7Hz)으로, 선행기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 시스템과 비교하여 거의 일치한다는 점을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용한 샘플분석시스템에서 주파수에 따라 측정된 영율은 197GPa(98.5Hz), 197GPa(275.6Hz), 202GPa(5,459Hz), 200GPa(898.7Hz)이다. 이는 평균 199GPa로 200GPa를 기준으로 1.0%의 오차를 가진다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 비 접촉식 방법으로 종래기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 시스템 대신에 사용 가능하며, 상기 레이저 진동계에 비해 적은 비용으로 높은 효과를 기대할 수 있다.
주파수 진동특성은 본 발명에 따른 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용하여 측정하고, 이에 따른 손실계수 및 영율을 특정하였고, 이는 선행기술인 레이저 진동계를 이용한 진동측정 장치의 결과와 거의 일치하여, 높은 가격의 레이저 진동계를 이용한 진동측정 장치에 비해 적은 비용으로 신뢰성이 높으며, 편리성이 뛰어난 효과를 가짐을 알 수 있다.
210: 발광부
220: 반사체
230: 수광부
231: 렌즈
232: 광검출기
233: 광여과유닛
240: 연산장치

Claims (12)

  1. 시편 또는 반사체를 향하여 광을 발생시키는 발광부;
    상기 시편 또는 반사체에서 반사된 광을 검출하는 수광부; 및
    상기 검출된 광에 대한 광량을 이용하여 진동신호를 산출하는 연산장치;를 포함하되,
    상기 수광부는,
    일측이 예각으로 형성된 금속부재로써, 반사된 광의 일부를 차단하여 상기 반사된 광의 광량 변화의 검출효율을 증가시키기 위한 광여과유닛;
    상기 광여과유닛에 의해 일부가 차단된 광을 일 지점으로 집중시키기 위한 렌즈; 및
    상기 렌즈에 의해 집중된 광량의 변화를 검출하기 위한 광검출부;를 포함하고,
    상기 연산장치는,
    진동이 발생되지 않는 경우의 광량을 기준으로, 진동 발생시 광량의 변화를 산출하고, 상기 산출된 광량의 변화를 이용하여 상기 진동신호를 산출하는 광량 변화를 이용하되, 광량의 변화를 분석하여 주파수 진동특성을 측정하고, 상기 주파수 진동특성을 기초로 영율 및 손실계수를 연산하고,
    상기 손실계수는 측정된 공진주파수에서의 피크 값으로부터 3dB 감소되는 좌우의 두 지점간의 주파수 차이를 측정하여 검출하는,
    물체의 진동 측정 장치.
  2. 청구항 1에서,
    상기 발광부는,
    레이저 또는 LED 중 어느 하나인, 물체의 진동 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서,
    상기 렌즈는 볼록렌즈인, 물체의 진동 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에서,
    시편의 반사율을 높이기 위해 시편의 일측에 부착되는 반사체를 더 포함하는 물체의 진동 측정 장치.
  7. 시편 또는 반사체에 광이 입사되는 단계;
    상기 입사된 광이 반사되는 단계;
    상기 반사된 광이 검출되는 단계;
    상기 검출된 광에 대한 광량을 이용하여 진동신호가 산출되는 단계를 포함하되,
    상기 산출되는 단계는,
    진동이 발생되지 않는 경우의 광량을 기준으로, 진동 발생시 광량의 변화가 산출되고, 상기 산출된 광량의 변화를 이용하여 상기 진동신호가 산출되는 광량 변화를 이용하는, 제1항의 진동 측정 장치를 이용한 물체의 진동 측정 방법.
  8. 청구항 7에서,
    상기 입사되는 단계는,
    상기 시편 또는 반사체에 입사되는 입사각이 5°~ 85°인 물체의 진동 측정 방법.
  9. 청구항 7에서,
    상기 시편의 진동이 연산되는 단계는,
    상기 검출된 광량의 변화를 기초로 주파수 진동특성을 측정하고, 상기 주파수 진동특성을 기초로 영율 및 손실계수가 연산되는 단계를 포함하는 물체의 진동 측정 방법.
  10. 청구항 1에 따른 물체의 진동 측정 장치;
    자유단과 고정단을 구비한 외팔보 형태로 시편이 고정되는 고정수단;
    상기 시편에 진동을 발생시키는 진동발생수단; 및
    상기 발생된 진동을 증폭시키는 진동증폭수단;을 포함하는, 광량 변화를 이용한 물체의 진동 측정 장치를 이용하는 샘플분석시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
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신수현 외 3인, '진동감쇠특성 시험법 비교', 한국소음진동공학회논문집, 제14권, 제9호, pp.852-860, 2004.

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