KR20100049893A - 음향을 이용한 하중측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음향을 이용한 하중측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로드 셀에 음향을 가하고 로드 셀에서 발생하는 유도 음향의 변화를 통해 로드 셀에 가해진 하중을 산출해 낼 수 있는 음향을 이용한 하중측정장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치는, 몸체에 가해지는 하중에 따라 유도 음향을 전달하는 하나 이상의 탄성체로 구성되는 로드 셀과; 상기 로드 셀에 음향을 인가하는 가진장치와; 상기 로드 셀에서 발생한 유도 음향을 검출하는 검출장치; 및 상기 가진장치와 상기 검출장치에 연결되어, 상기 로드 셀에 인가된 음향과 상기 로드 셀에서 발생한 유도 음향을 전달받아 상기 로드 셀에 가해진 하중치를 산출하는 분석기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
로드 셀, 음향, 유도 음향, 초음파, 유도 초음파, 탄성체

Description

음향을 이용한 하중측정장치{A measuring instrument for load using sound}
본 발명은 음향을 이용한 하중측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로드 셀에 음향을 가하고 로드 셀에서 발생하는 유도 음향의 변화를 통해 로드 셀에 가해진 하중을 산출해 낼 수 있는 음향을 이용한 하중측정장치에 관한 것이다.
힘은 질량, 길이 및 시간과 같은 기본 단위로부터 유도된 단위이기 때문에 이에 대한 절대적인 값의 측정은 정의되어 있지 않다. 그러나 산업의 발달과 함께 정확한 힘의 측정이 요구되고 있기 때문에 사용 목적, 정확도 등에 따라 여러 가지 힘 측정 방법이 개발되어 사용되고 있다.
힘 측정 방법을 그 기본 원리에 따라 분류하면, 중력을 이용하는 방법, 유체의 압력을 이용하는 방법, 고체의 탄성 변형을 이용하는 방법, 물리적 성질 변화를 이용하는 방법, 가속도를 측정하는 방법 및 회전이나 진동 주파수를 이용하는 방법과 같은 다양한 측정 방법이 존재하고 있다.
그 중 고체의 탄성 변형을 이용하는 방법은 외력에 비례하여 변형되는 탄성체와, 그 물리적 변화량을 전기적 신호, 즉 저항값으로 변경해주는 스트레인 게이지(Strain Gauge)로 구성되는 로드 셀(load cell)과, 상기 저항값의 변화를 전압값 으로 출력해주는 휘스톤 브릿지회로(Wheststone Bridge Circuit) 및 전압값의 증폭을 위한 전기회로를 포함하여 구성되는 하중측정장치를 사용하고 있다.
이러한 하중측정장치의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 로드 셀의 구조이며, 이 구조는 측정하고자 하는 하중 특성, 용량 그리고 정밀도 등에 의해 결정된다.
로드 셀을 구성하는 탄성체는 가해진 하중에 반응하여 스트레인 게이지를 부착한 지점에 집중적으로 균일한 변형률을 발생시킬 수 있어야 하며, 변형률은 하중에 비례하여 직선적으로 변화하여야 하고, 이 직선성은 탄성체 요소의 형상설계, 재료, 제조공정 등에 의하여 좌우된다.
또한, 스트레인 게이지는 탄성체의 변형량에 비례하는 정확한 저항값을 생성하기 위해서 스트레인 게이지의 부착 방법과 하중에 따른 저항변화의 측정방법이 매우 중요한데 이를 위한 매우 정밀한 기술과 보정방법이 요구된다.
이를 위해서는 탄선체의 표면을 아주 정밀하게 가공한 후 스트레인 게이지를 탄성체에 접합해야 하는데, 이때 많은 경험과 노하우가 필요할 뿐만 아니라 탄성체를 가공하는데 많은 비용이 들어 결과적으로는 로드 셀의 가격이 높아지게 되는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 스트레인 게이지를 부착하기 위한 접착제는 온도나 습도 변화에 의해 접착제가 열화되어 장시간 사용하는 경우 내구성이 저하되고, 탄성체의 변형량을 기계적으로 측정함으로써 탄성체에 가해진 하중을 계측하기 때문에 온도 변화에 따라 보정이 요구되며, 측정범위가 상대적으로 제한적이어서 하중의 범위에 따라 그 사양이 달라져야 하기 때문에 사용상에 많은 불편함이 수반되는 문제점도 있다.
게다가 로드 셀의 내부 또는 외부에 구비되는 휘스톤 브리지회로나 증폭을 위한 전기회로는 로드 셀 내부에 구비되는 경우 로드 셀의 구성을 복잡하게 하고, 고온에서는 손상되기 쉬워 다양한 분야에 적용하기 어렵다는 문제점도 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 로드 셀의 외부에 음향을 가하고, 로드 셀에서 발생하는 유도 음향의 변화를 측정하여 유도 음향의 변화에 따라 로드 셀에 가해진 하중치를 측정할 수 있으며, 로드 셀의 변형을 측정하여 전기신호로 변환하기 위한 별도의 센서나 변환된 전기신호를 증폭하기 위한 별도의 전기회로를 부착할 필요가 없어 열악한 환경에서도 용이하게 사용할 수 있는 음향을 이용한 하중측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치는, 몸체에 가해지는 하중에 따라 유도 음향을 전달하는 하나 이상의 탄성체로 구성되는 로드 셀과; 상기 로드 셀에 음향을 인가하는 가진장치와; 상기 로드 셀에서 발생한 유도 음향을 검출하는 검출장치; 및 상기 가진장치와 상기 검출장치에 연결되어, 상기 로드 셀에 인가된 음향과 상기 로드 셀에서 발생한 유도 음향을 전달받아 상기 로드 셀에 가해진 하중치를 산출하는 분석기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치는, 로드 셀에 음향을 가하고, 로드 셀에서 발생하는 유도 음향의 변화로부터 로드 셀에 가해진 하중치를 산출하고 있기 때문에 로드 셀을 정밀하게 가공할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있으며, 넓은 범위의 하중을 측정하는 것이 가능하여 범용성이 우수하고, 로드 셀 내 에 별도의 전기회로를 구비하지 않기 때문에 고온이나 외부 노출등에 의한 열악한 환경에서도 용이하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치의 구성을 간략하게 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드 셀의 다양한 형상을 보여주는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드 셀의 결합방법을 보여주는 분해사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 탄성체의 접합 계면을 보여주는 단면도로서, 서로 연관지어 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치는, 몸체에 가해지는 하중에 따라 물리적으로 변형되며, 물리적 변형량에 따라 유도 음향을 전달하는 하나 이상의 탄성체(100a, 100b)로 구성되는 로드 셀(100)과, 로드 셀(100)에 음향을 전달하는 가진장치(200)와, 로드 셀(100)에서 발생하는 유도 음향을 검출하는 검출장치(300) 및 검출장치(300)에서 검출된 유도 음향을 분석하여 로드 셀(100)에 가해진 하중치를 산출하는 분석기(400)를 포함하여 구성된다.
로드 셀(100)을 구성하는 탄성체(100a, 100b)는 외력, 즉 하중이 가해지면 물리적으로 변형되었다가 가해진 하중이 해제되면 다시 원래 상태로 복원되는 특성을 갖는 재질로 구성된다.
로드 셀(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 원형(a, b, c), 타원형, 다각형(d,g, h), 임의의 형상(e) 등 다양한 형태의 판상으로 구성될 수 있으며, 로드 셀(100) 몸체 내부에 하나 이상의 관통구(120) 또는 부분적으로 요철부위(미도시)가 형성되어 있을 수도 있다(f, g, h). 또한, 로드 셀(100)은 하나의 탄성체가 단독으로 사용되거나(a, f), 하나 이상의 탄성체를 결합시켜 사용(b, c, d, e, g, h)될 수도 있다.
이렇게 하나 이상의 탄성체를 결합시키는 방법은 다양한 방식이 사용될 수 있는데, 예를 들어 두 개의 탄성체(100a, 100b)를 수직방향으로 결합시키는 경우에 대해서 도 3을 참조해서 설명하면 다음과 같다.
우선, 상측에 위치하는 상부탄성체(100a)와 하측에 위치하는 하부탄성체(100b)의 서로 대응하는 위치에 각각 하나 이상의 홀(102)을 형성하고, 홀(102)에 볼트(132)를 삽입하여 상부탄성체(100a)와 하부탄성체(100b)를 서로 연결한 다음, 너트(130)와 볼트(1320)를 연결하여 회전시킴으로써 상부탄성체(100a)와 하부탄성체(100b)를 일체화시킬 수 있다(a).
다음, 상측에 위치하는 상부탄성체(100a)의 하부 가장자리에 수나사부(140)를 형성하고, 하측에 위치하는 하부탄성체(100b)의 상부 가장자리에 암나사부(142)를 형성한 후 수나사부(140)와 암나사부(142)를 서로 결합하여 회전시킴으로써 상부탄성체(100a)와 하부탄성체(100b)를 일체화시킬 수 있다(b). 이때, 수나사부(140)와 암나사부(142)의 형성 위치나 형태는 다양하게 변경될 수도 있다.
그 다음, 상측에 위치하는 상부탄성체(100a)의 하부 가장자리에 체결돌 기(150)를 형성하고, 하측에 위치하는 하부탄성체(100b)의 상부 가장자리에 체결홈(152)를 형성한 후 체결돌기(150)를 체결홈(152)에 삽입하고 압력을 가함으로써 상부탄성체(100a)와 하부탄성체(100b)를 일체화시킬 수 있다(c). 이때, 체결돌기(150)와 체결홈(152)의 형성 위치나 형태는 다양하게 변경될 수도 있다.
이 밖에도 접착제를 이용하여 탄성체를 결합시키거나 부분 용접을 통해서 탄성체를 결합시키는 등 다양한 방식이 사용될 수 있으며, 결합된 탄성체 간에 접합계면이 형성되면 어떤 방법으로 접합하더라도 무방하다.
이러한 구성을 통해 형성된 로드 셀(100)은 탄성체 간에 접합계면(110)을 형성하게 되는데, 접합계면(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 직선형상(a), 사선형상(b), 물결형상(c), 곡선형상(d), 요철 또는 단차형상(e) 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
가진장치(200)는 음향을 발생시켜 로드 셀(100)에 전달하는 역할을 하며, 로드 셀(100)의 일측에 접촉되어 설치되거나 또는 로드 셀(100)로부터 소정 거리 이격되어 비접촉식으로 설치될 수도 있다.
가진장치(200)는 다양한 주파수의 음향을 발생시킬 수 있는 스피커가 사용되거나 또는 초음파를 발생시키는 초음파 발생기 또는 탐촉자가 사용될 수도 있다.
검출장치(300)는 가진장치(200)와 마찬가지로 로드 셀(100)의 일측에 접촉되어 설치되거나 또는 로드 셀(100)로부터 소정 거리 이격되어 설치될 수도 있으며, 가진장치(200)에 대향하여 설치될 수도 있지만, 로드 셀(100)의 어느 부분에도 설치될 수도 있다.
검출장치(300)는 로드 셀(100)에서 발생하는 유도 음향을 검출하기 위한 음향 마이크 또는 초음파 센서가 사용될 수 있다.
한편, 초음파 센서는 초음파 발생 및 검출을 동시에 수행할 수 있는데, 이러한 경우에는 가진장치(200)와 검출장치(300)가 하나의 초음파 센서로 구현될 수 있다.
분석기(400)는 가진장치(200) 및 검출장치(300)에 연결되어 구비되고, 로드 셀(100)에 가해지는 하중에 따른 로드 셀(100)의 변화량과, 로드 셀(100)의 변화량에 따른 유도 음향의 음색 변화량을 미리 데이터 베이스화하고 있다. 여기서 음색은 음파의 주파수로 측정할 수도 있고, 파장, 속도 또는 전파시간을 계측함으로써 결정될 수 있다. 따라서 분석기(400)는 가진장치(200)로부터 로드 셀(100)에 인가되는 음향 정보를 전달받고, 검출장치(300)로부터 로드 셀(100)에서 측정되는 유도 음향 정보를 전달받아 유도 음향의 변화량에 따라 로드 셀(100)에 가해진 하중치를 산출할 수 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 분석기(400)는 로드 셀(100)에 발생되는 다양한 유도파 중 원하는 유도파 신호를 음향 측정센서로부터 추출하고, 계측된 음향 신호를 오실로스코프 등을 통해 입력받아 노이즈 제거를 위한 평균값 처리 과정을 수행한다. 이렇게 처리된 신호를 퓨리에 변환과 위상추출(phase detection)을 통해 음향의 주파수, 전파시간 및 파장 등의 음색을 계산하고, 계산된 음색과 실험을 통해 미리 구축된 음색 변화량을 비교하여 로드 셀(100)에 가해진 하중치를 산출해낸다. 이때, 분석기(400)는 압축실험을 통해 얻어진 비례상수(ζ), 가진장치(200)에서 발 생하는 음향의 주파수(ω), 유도파의 속도(c), 횡파와 종파의 속도(cs, cp) 및 음향 임피던스(Zs)를 이용하여 로드 셀에 가해진 하중치를 산출해내는데, 우선 이들 변수(ω, cs, cp)들과 음향 임피던스 값(Zs)을 미리 저장해놓은 데이터베이스로부터 결정한 후 이 값들과 계측된 유도파로부터 측정된 주파수, 음속 또는 파장을 이용하여 하중치를 산출해낸다.
도 5는 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드 셀에서 발생되는 유도 음향의 형태를 보여주는 도면이다.
가진장치(200)를 통해 로드 셀(100)에 음향을 가하면, 음향은 로드 셀(100)의 접합계면, 표면 또는 내부로 전파되면서 다양한 형태의 유도 음향을 발생시키게 된다. 이때, 음향은 로드 셀(100)의 임의의 위치 또는 임의의 방향으로 가해질 수 있는데, 통상적으로 하중이 로드 셀(100)의 수직방향으로 작용하는 것을 고려할 때 음향은 로드 셀(100)의 측면을 통해 계면방향에 평행하거나 약간 경사를 가지고 가해지는 것이 보통이다.
이렇게 로드 셀(100)에서 발생하는 유도 음향은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 로드 셀(100)의 접합계면을 따라서 발생되는 계면 유도파(Guided Wave)이거나(a), 로드 셀(100)의 표면이나 모서리를 따라 발생하는 표면파(Surface Wave)와 계면파(Interface Wave)를 포함하는 유도파(b), 또는 로드 셀(100) 내부에서 발생하는 판파형 유도파(Plate Wave or Lamb Wave) 등으로 발생될 수 있다. 유도 음향 은 이들 중 로드 셀(100)에 가해지는 하중의 방향이나 정도에 따라 주파수, 파장 및 음속 등의 음색에 따라 변화하기 때문에 이 음색을 측정함으로써 하중치를 산출해낼 수 있다.
다시 말해서, 하중이 가해지지 않은 상태의 로드 셀(100)를 통해 측정된 유도 음향의 음색과, 하중이 가해진 상태의 로드 셀(100)을 통해 측정된 유도 음향의 음색을 서로 비교해보면, 하중이 가해진 상태의 로드 셀(100)은 이 경계조건의 변화로 인한 유도파의 발생 특성에 변화가 생기기 때문에 로드 셀(100)에서 발생되는 유도 음향의 음색이 변화하게 된다. 따라서, 로드 셀(100)에 가해지는 하중에 따른 로드 셀(1000의 변화량과, 로드 셀(100)의 변화량에 따른 유도 음향의 음색 변화량을 미리 데이터 베이스화하고, 검출되는 유도 음향의 음색과 서로 비교함으로써 로드 셀(100)에 가해지는 하중치를 산출해 낼 수 있게 되는 것이다.
참고로, 도 6은 로드 셀에 가해지는 하중과 로드 셀에서 발생하는 유도파의 음색의 관계를 보여주는 그래프로서, 하중에 따라서 로드 셀에 발생하는 유도파의 음색이 비선형적으로 변화하는 것을 보여주고 있으며, 이러한 유도파의 음색변화를 통해 로드 셀에 가해진 하중치를 결정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되 며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음향을 이용한 하중측정장치의 구성을 간략하게 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드셀의 다양한 형상을 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드 셀의 결합방법을 보여주는 분리사시도.
도 4는 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드셀의 접합 계면을 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 음향을 이용한 하중측정장치를 구성하는 로드셀에서 발생되는 유도 음향의 형태를 보여주는 도면.
도 6은 로드 셀에 가해지는 하중과 로드 셀에서 발생하는 유도파의 음색의 관계를 보여주는 그래프.
<도면의 주요부에 대한 설명>
100 : 탄성체 102 : 홀
110 : 접합계면 120 : 관통구
130 : 너트 132 : 볼트
140 : 수나사부 142 : 암나사부
150 : 체결돌기 152 : 체결홈
200 : 가진장치 300 : 검출장치

Claims (14)

  1. 몸체에 가해지는 하중에 따라 유도 음향을 전달하는 하나 이상의 탄성체로 구성되는 로드 셀과;
    상기 로드 셀에 음향을 인가하는 가진장치와;
    상기 로드 셀에서 발생한 유도 음향을 검출하는 검출장치; 및
    상기 가진장치와 상기 검출장치에 연결되어, 상기 로드 셀에 인가된 음향과 상기 로드 셀에서 발생한 유도 음향을 전달받아 상기 로드 셀에 가해진 하중치를 산출하는 분석기;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드 셀은,
    하나의 탄성체가 단독으로 사용되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드 셀은,
    하나 이상의 탄성체가 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 로드 셀은,
    하나 이상의 탄성체를 나사결합, 볼트결합 또는 맞물려 체결함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 로드 셀에는,
    직선형상, 곡선형상, 사선형상, 물결형상 또는 요철형상의 접합 계면이 형성되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성체는,
    다양한 형태의 판상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성체는,
    몸체 내부에 하나 이상의 관통구 또는 부분적 요철부위를 구비하는 다양한 형태의 판상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진장치는,
    소정의 주파수를 갖는 음향을 발생시키는 스피커 또는 초음파 발생기인 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출장치는,
    음향 마이크 또는 초음파 센서인 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진장치와 검출장치는,
    상기 탄성체에 접촉되어 설치되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진장치와 검출장치는,
    상기 탄성체로부터 소정 거리 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 음향은,
    유도파인 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  13. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 유도 음향은,
    상기 탄성체의 표면, 계면, 하나 이상의 탄성체가 결합된 접합계면 및 상기 탄성체의 내부 중 한 가지 이상을 따라 발생되는 유도 초음파인 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측정장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석기는,
    상기 로드 셀에 가해지는 하중에 따른 상기 로드 셀의 변화량과, 상기 로드 셀의 변화량에 따른 유도 음향의 음색 변화량을 미리 데이터 베이스화하고 있으며,
    상기 로드 셀에서 발생되는 유도파 신호를 음향 측정센서로부터 추출하고, 추출된 음향 신호를 입력받아 노이즈 제거를 위한 평균값 처리 과정을 수행하며, 상기 평균값 처리된 신호를 퓨리에 변환과 위상추출을 통해 음향의 음색을 계산하고, 상기 계산된 음색과 상기 데이터베이스화되어 있는 음색 변화량을 비교하여 상기 로드 셀에 가해진 하중치를 산출하는 것을 특징으로 하는 음향을 이용한 하중측 정장치.
KR1020080108922A 2008-11-04 2008-11-04 음향을 이용한 하중측정장치 KR101047353B1 (ko)

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