KR20130017532A - 초음파 피로시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는, 시험편에 초음파 진동을 인가하는 진동 발생기; 상기 진동 발생기에 구동전압을 인가하는 전력 발생기; 상기 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 컨트롤러; 및 상기 제어신호를 빛을 매개로 하여 상기 컨트롤러에서 상기 전력 발생기로 전달하는 신호 전달부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 피로시험 중 전력 발생기에 의해 진동 발생기에 인가되는 구동전압을 안정적이고 정확하게 제어하여 피로시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

초음파 피로시험장치{HIGH FREQUENCY FATIGUE TESTING APPARATUS}
본 발명은, 초음파 피로시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 피로시험 중 전력 발생기에 의해 진동 발생기에 인가되는 구동전압을 제어하기 위한 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 피로시험장치 혹은 초고주기 피로시험장치는 압전 변환기(piezoelectric transducer)를 이용하여 초음파 범위의 주파수를 갖는 진동을 발생시키고 이를 시험편(specimen)에 인가하여 피로 시험을 수행하는 장치로, 열차의 차륜, 터빈 블레이드 등의 피로 응력에 대한 저항이 중요시되는 부품에 대한 피로 시험에 활용되고 있다.
이러한 초음파 피로시험장치는 시험편에 초음파 진동을 인가하는 진동 발생기와, 상기 진동 발생기에 구동전압을 인가하는 전력 발생기와, 상기 전력 발생기를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함할 수 있다.
한편, 피로시험 과정에서 시험편의 진동 특성은 전력 발생기에 의해 진동 발생기에 인가되는 구동전압의 특성에 의해 결정되므로, 피로시험 중 컨트롤러는 전력 발생기의 구동전압을 요구되는 조건에 따라 적절히 제어할 필요가 있다.
그런데, 종래의 초음파 피로시험장치는 컨트롤러가 전력 발생기와 전기적으로 연결된 상태에서 전력 발생기에 구비된 가변저항기, 즉 전력 발생기의 볼륨을 직접 조절하여 전력 발생기의 구동전압을 제어하는 구조이기 때문에, 컨트롤러가 전력 발생기의 구동전압을 제어하는 과정에서 그라운드나 전원 혹은 신호 라인을 역으로 타고 유도 전류 등이 들어와서 회로의 오작동을 일으키거나 제어 오차를 야기하여 결과적으로 피로시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 피로시험 중 전력 발생기에 의해 진동 발생기에 인가되는 구동전압을 안정적이고 정확하게 제어하여 피로시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 초음파 피로시험장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 시험편에 초음파 진동을 인가하는 진동 발생기; 상기 진동 발생기에 구동전압을 인가하는 전력 발생기; 상기 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 컨트롤러; 및 상기 제어신호를 빛을 매개로 하여 상기 컨트롤러에서 상기 전력 발생기로 전달하는 신호 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치에 의해 달성된다.
상기 컨트롤러와 상기 전력 발생기는, 상기 신호 전달부에 의해 전기적으로 상호 분리될 수 있다.
상기 신호 전달부는, 상기 컨트롤러에 전기적으로 연결된 발광소자; 및 상기 전력 발생기에 전기적으로 연결된 수광소자를 포함할 수 있다.
상기 신호 전달부는, 상기 컨트롤러에 의해 상기 신호 전달부의 입력단에 소정의 제어전압이 인가되면 상기 발광소자가 상기 제어전압에 대응하는 빛을 발생시키고, 상기 수광소자가 상기 빛을 전달받아 상기 신호 전달부의 출력단을 통해 상기 제어전압을 상기 전력 발생기에 인가할 수 있다.
상기 발광소자는, 포토 다이오드(photo diode)로 마련되고, 상기 수광소자는, 포토 트랜지스터(photo transistor)로 마련될 수 있다.
상기 피로시험장치는, 상기 시험편의 진동 특성을 검출하기 위한 변위 측정부를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 변위 측정부로부터 전송받은 상기 시험편의 진동 특성에 관한 데이터에 기초하여 상기 전력 발생기에 의해 상기 진동 발생기에 인가되는 상기 구동전압을 자동 제어할 수 있다.
상기 전력 발생기는, 상기 구동전압의 크기를 변경하기 위한 가변저항기를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 가변저항기의 저항값을 조정하여 상기 구동전압을 제어할 수 있다.
본 발명은, 전력 발생기에 의해 진동 발생기에 인가되는 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 컨트롤러가 전력 발생기에 직접 인가하는 것이 아니라, 빛을 매개로 신호를 전달하는 신호 전달부를 통해 전력 발생기에 제어신호를 인가함으로써, 컨트롤러와 전력 발생기 사이를 전기적으로 분리시키면서도 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 컨트롤러에서 전력 발생기로 안정적으로 전달할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은, 제어신호를 컨트롤러에서 전력 발생기로 전달하는 과정에서 전도 노이즈의 영향을 차단하여 전력 발생기에 의해 진동 발생기에 인가되는 구동전압을 안정적이고 정확하게 제어할 수 있으므로, 궁극적으로 피로시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 높은 주파수를 취급하는 회로에 있어서 빛을 매개로 제어신호를 전달하는 방식을 취하고 있기 때문에, 회로의 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 피로시험장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 초음파 피로시험장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 피로시험장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 초음파 피로시험장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는 진동 발생기(110), 전력 발생기(120), 컨트롤러(130) 및 신호 전달부(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 컨트롤러(130)는 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 이를 구동하기 위한 소프트웨어(혹은 프로그램)의 기능적, 구조적 결합에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(130)는 도 1에 도시된 바와 같은 퍼스널 컴퓨터(100)에 내장된 디지털 신호 프로세서(DSP : Digital Signal Processor), 마이크로 프로세서(Micro Processor) 등으로 구현될 수 있으며, 퍼스널 컴퓨터(100)에 미리 설치된 소프트웨어(software) 또는 펌 웨어(firmware)로 구현될 수도 있다. 또한, 신호 전달부(140)는 퍼스널 컴퓨터(100)에 장착 가능한 전기전자부품으로 구현될 수 있다.
진동 발생기(110)는 미리 정해진 주파수를 갖는 초음파 진동을 시험편(S)에 인가한다. 진동 발생기(110)는 전력 발생기(120)에 의해 소정의 전력이 인가되면 초음파 진동을 발생시키도록 구성된다. 예컨대, 진동 발생기(110)는 20 내지 100kHz 범위의 주파수를 갖는 초음파 진동을 발생시킬 수 있다. 다만, 진동 발생기(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수는 전술한 주파수 범위에 한정되는 것은 아니다.
진동 발생기(110)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 압전 변환기(111, piezoelectric transducer) 및 증폭 혼(113, amplifying horn)을 포함할 수 있다. 압전 변환기(111)는 전력 발생기(120)와 전기적으로 연결되어 전력 발생기(120)로부터 소정의 전력을 인가받는다. 압전 변환기(111)는 압전 효과를 가진 재료, 즉 압전 소자(piezoelectric device)를 사용하여 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 즉, 압전 변환기(111)는 압전 소자를 포함하여 전력 발생기(120)로부터 전기적 에너지(전력)를 인가받아 이를 기계적 에너지(기계적 진동)로 변환한다. 증폭 혼(113)은 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편(S)에 전달한다. 증폭 혼(113)은 압전 변환기와 시험편(S)을 연결하되 공진 현상을 이용하여 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동을 증폭시킨다. 일반적으로, 압전 변환기(111) 자체에서 발생하는 진동은 그 진폭이 작기 때문에 압전 변환기(111)를 증폭 혼(113)을 생략하고 시험편(S)에 연결할 경우에는 시험편(S)에서 피로 시험을 위해 요구되는 크기의 변위를 발생시키기 어렵다. 이러한 이유로, 증폭 혼(113)은 압전 변환기(111)와 시험을 연결하고, 압전 변환기(111)에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 시험편(S)에 전달하는 것이다. 다만, 본 발명에서 진동 발생기는 전술한 바와 같은 압전 소자를 이용하는 구조에 한정되지 아니하고, 예컨대 터페놀-디(Terfenol-D) 등의 자기변형소자(magnetostrictive device)를 이용하는 구조로 제공될 수도 있다.
전력 발생기(120, power generator)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 진동 발생기(110)를 구동시키기 위한 구동전압을 진동 발생기(110)에 인가한다. 즉, 전력 발생기(120)는 진동 발생기(110)의 압전 변환기(111)에 소정의 구동전압을 인가하여 압전 변환기(111)가 기계적 진동을 발생하도록 한다. 이때, 진동 발생기(110)에 인가되는 구동전압의 특성은 진동 발생기(110)에 연결된 시험편(S)의 진동 특성을 결정한다. 따라서, 전력 발생기(120)는 진동 발생기(110)에 인가되는 구동전압의 특성, 예컨대 구동전압의 주파수 및 크기 등을 피로시험의 조건에 따라 변경할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 전력 발생기(120)에 의해 인가되는 구동전압의 크기는, 피로시험 중 시험편(S)에서 발생하는 진동의 진폭 크기를 결정하므로, 피로시험의 조건에 따라 요구되는 시험편(S)의 진폭 크기를 유지할 수 있도록 적절히 제어되어야 하는데, 이를 위해 전력 발생기(120)는 구동전압의 크기를 변경하기 위한 가변저항기(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 전력 발생기(120)는 상용화된 제품으로 잘 알려져 있는바, 가변저항기를 포함한 그 세부 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 컨트롤러(130, controller)는 전력 발생기(120)에 의해 진동 발생기(110)에 인가되는 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 신호 전달부(140)는 이러한 제어신호를 빛을 매개로 하여 컨트롤러(130)에서 전력 발생기(120)로 전달할 수 있다. 여기서 '제어신호'는 전술한 바와 같이 구동전압의 크기를 변경하기 위해 전력 발생기(120)에 구비되는 가변저항기(미도시)의 저항값을 조정하기 위한 제어신호일 수 있다. 즉, 컨트롤러(130)는 전력 발생기(120)의 가변저항기(미도시)의 저항값을 조정하여 구동전압을 제어할 수 있다.
이를 위해, 신호 전달부(140)는 발광소자(141) 및 수광소자(143)를 포함할 수 있다. 이때, 발광소자(141)는 신호 전달부(140)의 입력단을 통해 컨트롤러(130)와 전기적으로 연결되고, 수광소자(143)는 신호 전달부(140)의 출력단을 통해 전력 발생기(120)와 전기적으로 연결된다. 한편, 본 실시예에서 발광소자(141)는 포토 다이오드(photo diode)로 마련되고, 수광소자(143)는 포토 트랜지스터(photo transistor)로 마련되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 참고로, 포토 트랜지스터는 빛의 세기에 따라 흐르는 전류가 변화하는 광기전력 효과를 이용하는 것으로 포토 다이오드의 PN접합을 베이스-이미터 접합에 이용한 트랜지스터를 말한다.
구체적으로, 신호 전달부(140)는 그 입력단에 컨트롤러(130)에 의해 소정의 제어전압이 인가되면 발광소자(141)가 인가된 제어전압에 대응하는 빛을 발생시키고 수광소자(143)가 빛을 전달받아 신호 전달부(140)의 출력단을 통해 제어전압을 전력 발생기(120)에 인가할 수 있다. 여기서 '제어전압'은 컨트롤러(130)에 의해 생성되는 제어신호가 전압 형태의 전기적 신호로 표현된 것을 말한다. 이때, 컨트롤러(130)에 접속된 발광소자(141)와 전력 발생기(120)에 접속된 수광소자(143)는 서로 전기적으로 아무런 연결이 없고 단지 빛을 통해서만 신호를 주고받는 구조이므로, 컨트롤러(130)와 전력 발생기(120)는 신호 전달부(140)에 의해 전기적으로 상호 분리될 수 있다. 즉, 신호 전달부(140)는 컨트롤러(130)와 전력 발생기(120) 사이에 절연 구조를 제공할 수 있다.
한편, 컨트롤러(130)는 전력 발생기(120)의 구동전압을 제어하는 것 이외에도 초음파 피로시험장치의 각 구성요소들에 대한 전반적인 제어를 담당할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(130)는 후술할 변위 측정부(150) 및 센서위치 조절부(160) 등에 대한 제어를 담당할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는, 컨트롤러(130)가 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 전력 발생기(120)에 직접 인가하는 것이 아니라, 빛을 매개로 신호를 전달하는 신호 전달부(140)를 통해 전력 발생기(120)에 제어신호를 인가함으로써, 컨트롤러(130)와 전력 발생기(120) 사이를 전기적으로 분리시키면서도 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 컨트롤러(130)에서 전력 발생기(120)로 안정적으로 전달할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는, 컨트롤러(130)에서 전력 발생기(120)로 전달되는 제어신호에 전도 노이즈가 포함되는 것을 차단하여 전력 발생기(120)에 의해 진동 발생기(110)에 인가되는 구동전압을 안정적이고 정확하게 제어할 수 있으므로, 궁극적으로 피로시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는, 높은 주파수를 취급하는 회로에 있어서 빛을 매개로 제어신호를 전달하는 방식을 취하고 있기 때문에, 해당 회로의 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는, 시험편(S)의 진동 특성을 검출하기 위한 변위 측정부(150)를 더 포함할 수 있다.
변위 측정부(150)는 피로시험 중 시험편(S)에서 발생하는 진동의 특성, 즉 진동의 진폭 및 주파수를 검출하기 위한 것으로 통상의 피로시험장치에서 흔히 채용되는 구성요소이다. 예컨대, 변위 측정부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이 시험편(S)의 하단과 약간의 간격을 두고 배치되어 시험편(S)을 향해 조사된 빛이 시험편(S)에 의해 반사되는 것을 검출할 수 있는 광 센서(photo sensor)로 제공될 수 있다. 구체적으로, 변위 측정부(150)는 시험편(S)의 길이 방향(혹은 진동 방향)에 대해 시험편(S)의 변위를 측정하여 시험편(S)의 진동 특성을 검출할 수 있다.
한편, 변위 측정부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이 센서위치 조절부(160)에 의해 시험편(S)에 대해 접근 및 이격이 가능하도록 지지될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 초음파 피로시험장치는, 시험편(S)에 대해 변위 측정부(150)를 접근 및 이격시키는 센서위치 조절부(160)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 센서위치 조절부(160)는 변위 측정부(150)가 장착되는 이동 프레임(161)과, 이동 프레임(161)이 상하 방향으로 이동 가능하게 이동 프레임(161)을 지지하는 지지 프레임(163)을 포함할 수 있다. 이때, 첨부된 도면에는 명확히 도시되지 않았지만, 이동 프레임(161)과 지지 프레임(163)은 LM가이드(Linear Motion Guide) 방식으로 상호 결합하고, 리니어 모터(Liner Motor) 등의 구동수단에 의해 이동 프레임(161)이 지지 프레임(163)에 대해 상하 방향으로 이동하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 변위 측정부(150)에 의해 검출된 시험편(S)의 진동 특성은 전력 발생기(120)를 제어하기 위한 피드백 데이터로 사용될 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(130)는 피로시험 중 변위 측정부(150)로부터 시험편(S)의 진동 특성에 관한 데이터를 실시간으로 전송받고, 이에 기초하여 전력 발생기(120)에 의해 진동 발생기(110)에 인가되는 구동전압을 자동 제어할 수 있다. 다시 말해서, 피로시험 과정에서 시험편(S)의 진동 특성(진폭 및 주파수)은 피로시험이 완료될 때까지 미리 설정된 값을 유지하여야 하는데, 컨트롤러(130)는 변위 측정부(150)에 의해 검출된 시험편(S)의 진동 특성을 피드백 데이터로 활용하여 시험편(S)의 진동 특성이 미리 설정된 값을 유지하도록 구동전압의 크기 및/또는 주파수를 자동으로 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(130)에 의한 구동전압의 제어는 전술한 바와 같이 변위 측정부(150)에 의해 검출된 시험편(S)의 진동 특성에 관한 데이터에 기초하여 컨트롤러(130)에서 생성된 제어신호가 신호 전달부(140)를 통해 전력 발생기(120)로 전송됨으로써 이루어질 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : 진동 발생기
120 : 전력 발생기
130 : 컨트롤러
140 : 신호 전달부
141 : 발광소자
143 : 수광소자
150 : 변위 측정부

Claims (7)

  1. 시험편에 초음파 진동을 인가하는 진동 발생기;
    상기 진동 발생기에 구동전압을 인가하는 전력 발생기;
    상기 구동전압을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 컨트롤러; 및
    상기 제어신호를 빛을 매개로 하여 상기 컨트롤러에서 상기 전력 발생기로 전달하는 신호 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
  2. 제1항에 있어서
    상기 컨트롤러와 상기 전력 발생기는,
    상기 신호 전달부에 의해 전기적으로 상호 분리되는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
  3. 제2항에 있어서
    상기 신호 전달부는,
    상기 컨트롤러에 전기적으로 연결된 발광소자; 및
    상기 전력 발생기에 전기적으로 연결된 수광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
  4. 제3항에 있어서
    상기 신호 전달부는,
    상기 컨트롤러에 의해 상기 신호 전달부의 입력단에 소정의 제어전압이 인가되면 상기 발광소자가 상기 제어전압에 대응하는 빛을 발생시키고, 상기 수광소자가 상기 빛을 전달받아 상기 신호 전달부의 출력단을 통해 상기 제어전압을 상기 전력 발생기에 인가하는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
  5. 제3항에 있어서
    상기 발광소자는, 포토 다이오드(photo diode)로 마련되고,
    상기 수광소자는, 포토 트랜지스터(photo transistor)로 마련되는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 피로시험장치는, 상기 시험편의 진동 특성을 검출하기 위한 변위 측정부를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 변위 측정부로부터 전송받은 상기 시험편의 진동 특성에 관한 데이터에 기초하여 상기 전력 발생기에 의해 상기 진동 발생기에 인가되는 상기 구동전압을 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 전력 발생기는, 상기 구동전압의 크기를 변경하기 위한 가변저항기를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 가변저항기의 저항값을 조정하여 상기 구동전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 피로시험장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105510443A (zh) * 2015-12-28 2016-04-20 四川大学 一种低温超声振动疲劳实验系统
KR102148977B1 (ko) * 2020-05-07 2020-08-27 선문대학교 산학협력단 초고주기 피로 시험 장치
KR20210156390A (ko) 2020-06-17 2021-12-27 한국철도기술연구원 저온 초고주기 피로시험장치
KR20230034710A (ko) * 2021-09-03 2023-03-10 선문대학교 산학협력단 초음파 피로 시험 장치

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