KR20180071586A - 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치에 관한 것으로, 최대 자속 밀도를 이용해 초기 자화에 무관하게 텐던의 인장력을 측정하되, 급격한 출력 변화를 가지는 파형 전압을 인가하여 텐던을 자화시킴으로써 텐던의 인장력 측정시 측정 시간을 줄일 수 있도록 한 것이다.

Description

최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치{Tensile stress measurement apparatus of tendon using maximum magnetic flux density}

본 발명은 텐던(Tendon) 인장력 측정 기술에 관련한 것으로, 특히 최대 자속 밀도(maximum magnetic flux density)를 이용한 텐던 인장력 측정장치에 관한 것이다.

건축 구조물의 구조를 유지하기 위해 강선을 꼬아 만든 텐던(tendon)이 사용되고 있다. 구조물을 지지하는 텐던이 노후화되어 내부 조직에 인가되는 인장력이 일정 이상이 되면 갑자기 끊어져서 구조물이 붕괴되는 사고가 발생한다. 구조물의 붕괴 사고를 예방하기 위해 구조물에 설치된 텐던의 인장력을 측정하는 기술의 하나로 자성을 이용하는 방법이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2011-0009078호(2011.02.27)에서 측정 대상재가 되는 장척의 자성체의 일부를 감싸도록 배치한 통 형상의 자화기로, 그 자성체를 길이 방향으로 포화접근자화 범위까지 직류 자화하고, 자성체의 자화 구간의 길이 방향 중앙부의 근방에 배치한 홀 소자(자기 센서)로, 응력 변화에 대한 변화가 큰 자성체 표면 근방의 공간 자계 강도를 검출하고, 그 검출치에 기초하여 자성체에 작용하는 장력을 측정하는 장력 측정 장치를 제안하고 있다.

본 발명자들 중 일부를 포함하는 연구자들에 의해 2015. 8. 간행된 한국자기학회지 25(4) 연구논문 "Tendon의 인장응력에 따른 자기이력특성 변화의 측정(Changes of Hysteresis Loop Characteristics of the Tendon Under Tensile Stress)"에 자성을 이용하여 텐던의 인장력을 측정하는 방법이 개시되어 있다.

탈자 상태에서 측정을 해야 하는 기존 방법과 달리 위 방법은 초기 자화에 무관하게 텐던의 인장력을 측정할 수 있다. 이 방법은 교량 등에 부착되어 있는 텐던에 2차코일을 권선하고, 그 위에 1차코일을 권선한 후 외부에서 삼각파형 발생기의 출력을 전력증폭기에 연결한다.

전력증폭기의 출력을 1차 코일에 연결하여 텐던을 자화시키고, 2차 코일에 유도되는 기전력을 자속계에 연결하여 적분을 하면 자속계의 출력은 텐던의 자속밀도에 비례하게 된다. 이 방법에 따르면, 진폭투자율의 최대값은 인장력에 비례한다는 사실에 기초하여, 인장력을 측정한다.

그러나, 이 방법을 통해 자기 이력 곡선을 측정하려면 주기가 수십초에 달하는 아주 낮은 주파수의 삼각파 혹은 정현파를 인가하고 측정해야 하기 때문에 측정에 시간이 많이 걸린다.

따라서, 본 발명자는 초기 자화에 무관하게 텐던의 인장력을 측정하되, 측정 시간을 줄일 수 있는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치에 대한 연구를 하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2011-0009078호(2011.02.27)

한국자기학회지 25(4) 연구논문 "Tendon의 인장응력에 따른 자기이력특성 변화의 측정(Changes of Hysteresis Loop Characteristics of the Tendon Under Tensile Stress)"(2015. 08)

본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 초기 자화에 무관하게 텐던의 인장력을 측정하되, 측정 시간을 줄일 수 있는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치가 텐던(Tendon)을 자화시키는 1차 코일과; 상기 1차 코일에 양극성 구형파 전압을 인가하는 구동부와; 상기 1차 코일에 의해 자화된 텐던에 권선되어 유도 기전력을 발생시키는 2차 코일과; 상기 2차 코일에 유도되는 전압 파형을 검출하는 파형 검출부와; 상기 파형 검출부에 의해 검출된 전압 파형을 적분해 최대 자속 밀도를 계산하고, 계산된 최대 자속 밀도에 대응하는 텐던 인장력을 판단하는 제어부를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 1차 코일이 텐던에 권선된 2차 코일 외주연에 특정 간격 이격되어 권선되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 1차 코일이 텐던에 클램핑 되는 요크에 권선되어 2차 코일과 이격되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파형 검출부에 의해 검출된 전압 파형을 적분한 면적은 자화된 텐던의 최대 자속 밀도에 비례하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파형 검출부에 의해 검출된 전압 파형의 피크치는 자기 이력 곡선의 평균 기울기와 관련되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 구동부가 양극성 구형파 전압을 생성하는 파형 생성기와; 상기 파형 생성기에 의해 생성된 양극성 구형파 전압을 증폭하여 1차 코일에 인가하는 전력 증폭기를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 파형 검출부가 2차 코일에 유도되는 기전력을 측정하는 자속계와; 상기 자속계에 의해 측정되는 기전력에 따라 디지털 전압 파형을 출력하는 디지타이저를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 최대 자속 밀도를 이용해 초기 자화에 무관하게 텐던의 인장력을 측정하되, 급격한 출력 변화를 가지는 파형 전압을 인가하여 텐던을 자화시킴으로써 텐던의 인장력 측정시 측정 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 자화를 위해 입력되는 전압 파형의 일 실시예를 도시한 파형도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 자화를 위해 입력되는 전압 파형의 또 다른 실시예를 도시한 파형도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 최대 자속 밀도 계산을 위해 출력되는 전압 파형의 일 실시예를 도시한 파형도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 최대 자속 밀도 계산을 위해 출력되는 전압 파형의 또 다른 실시예를 도시한 파형도이다.
도 7 은 인장력에 따른 텐던의 자기이력곡선 변화를 도시한 도면이다.
도 8 은 인장력에 따른 특정 최대 자화력에서의 텐던의 최대 자속 밀도 변화를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도, 도 2 는 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치(100)는 1차 코일(110)과, 구동부(120)와, 2차 코일(130)과, 파형 검출부(140)와, 제어부(150)를 포함하여 이루어진다.

상기 1차 코일(110)은 텐던(Tendon)(200)을 자화시킨다. 예컨대, 상기 1차 코일(110)이 도 1 에 도시한 바와 같이, 텐던(200)에 권선된 2차 코일(130) 외주연에 특정 간격 이격되어 권선되도록 구현될 수 있다.

이와는 달리, 상기 1차 코일(110)이 도 2 에 도시한 바와 같이 텐던(200)에 클램핑 되는 요크(111)에 권선되어 2차 코일과 이격되도록 구현될 수도 있다. 도 2 를 살펴 보면, 'ㄷ'자형 요크 양단이 텐던(200)에 물리는 클램프 구조로 되어 있음을 볼 수 있고, 'ㄷ'자형 중앙 부위에 1차 코일(110)이 권선되어 있음을 볼 수 있다.

1차 코일(110)에 전압이 인가되면, 1차 코일(110) 주변으로 자기 퍼텐셜(Magnetic Potential)이 발생하여 이격된 텐던(Tendon)(200)을 자화시키고, 자화된 텐던(200)에 권선되는 2차 코일(130)에 유도 기전력이 발생된다.

상기 구동부(120)는 텐던의 인장력 측정 시간을 줄이기 위해 상기 1차 코일(110)에 급격한 출력 변화를 가지는 양극성 구형파 전압을 인가한다. 예컨대, 상기 구동부(120)가 양극성 구형파 전압을 생성하는 파형 생성기(121)와, 상기 파형 생성기(121)에 의해 생성된 양극성 구형파 전압을 증폭하여 1차 코일(110)에 인가하는 전력 증폭기(122)를 포함할 수 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 자화를 위해 입력되는 전압 파형의 일 실시예를 도시한 파형도, 도 4 는 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 자화를 위해 입력되는 전압 파형의 또 다른 실시예를 도시한 파형도이다.

예컨대, 상기 구동부(120)가 도 3 에 도시한 바와 같이, 특정 구간의 정(+) 피크치와 특정 구간의 부(-) 피크치가 급격하게 반복되는 양극성 구형파 전압을 인가하도록 구현될 수도 있고, 도 4 에 도시한 바와 같이, 특정 구간의 정(+) 피크치와, 특정 구간의 0과, 특정 구간의 부(-) 피크치가 급격하게 반복되는 양극성 구형파 전압을 인가하도록 구현될 수도 있다.

상기 구동부(120)에 의해 1차 코일(110)에 양극성 구형파 전압이 인가되면, 1차 코일(110) 주변으로 자기 퍼텐셜(Magnetic Potential)이 발생하여 이격된 텐던(Tendon)(200)을 자화시키고, 자화된 텐던(200)에 권선되는 2차 코일(130)에 유도 기전력이 발생된다.

상기 2차 코일(130)은 상기 1차 코일(110)에 의해 자화된 텐던(200)에 권선되어 유도 기전력을 발생시킨다. 이 때, 2차 코일(130)에 유도되는 유도 기전력의 전압 파형은 도 3 에 도시한 양극성 구형파 전압이 1차 코일(110)에 인가된 경우에는 도 5 에 도시한 바와 같은 미분 파형이 되고, 도 4 에 도시한 양극성 구형파 전압이 1차 코일(110)에 인가된 경우에는 도 6 에 도시한 바와 같은 미분 파형이 된다.

도 5 는 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 최대 자속 밀도 계산을 위해 출력되는 전압 파형의 일 실시예를 도시한 파형도, 도 6 은 본 발명에 따른 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치의 텐던 최대 자속 밀도 계산을 위해 출력되는 전압 파형의 또 다른 실시예를 도시한 파형도이다.

상기 파형 검출부(140)는 상기 2차 코일(130)에 유도되는 전압 파형을 검출한다. 예컨대, 상기 파형 검출부(140)가 2차 코일(130)에 유도되는 기전력을 측정하는 자속계(141)와, 상기 자속계(141)에 의해 측정되는 기전력에 따라 디지털 전압 파형을 출력하는 디지타이저(142)를 포함할 수 있다.

이 때, 파형 검출부(140)에 의해 검출된 전압 파형을 적분한 면적은 자화된 텐던의 최대 자속 밀도에 비례하고, 파형 검출부(140)에 의해 검출된 전압 파형의 피크치는 자기 이력 곡선의 평균 기울기와 관련된다.

2차코일(130) N₂에 유도되는 기전력 V₂는 텐던(200)의 자속밀도에 비례하며, 다음의 식과 같다.

여기서, A는 텐던의 단면적이고, RC는 자속계(141)의 적분상수이다.

한편, 자화력은 다음의 식에 의해 구해진다.

여기서, N₁은 1차 코일(110)의 권선 수, R_s는 션트(Shunt) 저항 값, V_s는 션트(Shunt) 저항 양단에 걸리는 전압, l_eff는 유효자기경로로 텐던(200)의 길이에 따라 달라질 수 있다.

상기 제어부(150)는 상기 파형 검출부(140)에 의해 검출된 전압 파형을 적분해 최대 자속 밀도를 계산하고, 계산된 최대 자속 밀도에 대응하는 텐던 인장력을 판단한다.

도 7 은 인장력에 따른 텐던의 자기이력곡선 변화를 도시한 도면으로, 인장력에 따른 자기이력곡선의 변화를 나타낸 것이다. 최대 자화력이 2500 A/m에서 측정한 최대 자속 밀도가 선형적으로 변화하고 있음을 볼 수 있다.

도 8 은 인장력에 따른 특정 최대 자화력에서의 텐던의 최대 자속 밀도 변화를 도시한 도면으로, 서로 다른 최대 자화력에서도 최대 자속 밀도가 선형적으로 변화하고 있음을 볼 수 있다.

도 7 및 도 8 에 도시한 바와 같이, 인장력에 따라 최대 자속 밀도가 선형적으로 변화하므로, 인장력에 따라 최대 자속 밀도를 구해 미리 DB화하여 저장하고, 상기 제어부(150)는 상기 파형 검출부(140)에 의해 검출된 전압 파형을 적분해 최대 자속 밀도를 계산하여, 미리 DB화하여 저장된 인장력에 따른 최대 자속 밀도와 비교함으로써 텐던의 인장력을 알 수 있다.

이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 최대 자속 밀도를 이용해 초기 자화에 무관하게 텐던의 인장력을 측정하되, 급격한 출력 변화를 가지는 파형 전압을 인가하여 텐던을 자화시킴으로써 텐던의 인장력 측정시 측정 시간을 줄일 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

본 발명은 텐던(Tendon) 인장력 측정 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.

100 : 텐던 인장력 측정장치
110 : 1차 코일
120 : 구동부
121 : 파형 생성기
122 : 전력 증폭기
130 : 2차 코일
140 : 파형 검출부
141 : 자속계
142 : 디지타이저
150 : 제어부

Claims (7)

1. 텐던(Tendon)을 자화시키는 1차 코일과;
   상기 1차 코일에 양극성 구형파 전압을 인가하는 구동부와;
   상기 1차 코일에 의해 자화된 텐던에 권선되어 유도 기전력을 발생시키는 2차 코일과;
   상기 2차 코일에 유도되는 전압 파형을 검출하는 파형 검출부와;
   상기 파형 검출부에 의해 검출된 전압 파형을 적분해 최대 자속 밀도를 계산하고, 계산된 최대 자속 밀도에 대응하는 텐던 인장력을 판단하는 제어부를;
   포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 1차 코일이:
   텐던에 권선된 2차 코일 외주연에 특정 간격 이격되어 권선되는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 1차 코일이:
   텐던에 클램핑 되는 요크에 권선되어 2차 코일과 이격되는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   파형 검출부에 의해 검출된 전압 파형을 적분한 면적은 자화된 텐던의 최대 자속 밀도에 비례하는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   파형 검출부에 의해 검출된 전압 파형의 피크치는 자기 이력 곡선의 평균 기울기와 관련되는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 구동부가:
   양극성 구형파 전압을 생성하는 파형 생성기와;
   상기 파형 생성기에 의해 생성된 양극성 구형파 전압을 증폭하여 1차 코일에 인가하는 전력 증폭기를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 파형 검출부가:
   2차 코일에 유도되는 기전력을 측정하는 자속계와;
   상기 자속계에 의해 측정되는 기전력에 따라 디지털 전압 파형을 출력하는 디지타이저를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 최대 자속 밀도를 이용한 텐던 인장력 측정장치.

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