KR800000551Y1 - 변형 감지장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

변형 감지장치

제1도는 압전(壓電, Piezoelectric) 감지소자의 횡단면 확대도이다.

제2도는 제1도에 도시된 감지소자(感知素子)의 형(형)에 대해서 다른 형태를취하는 횡단면도이다.

제3도는 제1도의 실예에 대한 변형을 보여주는 횡단면도이다.

제4도는 제1도의 실예에 대해 다른 변형을 도시한 횡단면도이다.

제5도는 제1도의 실예에 대해 또 다른 변형을 도시한 횡단면도이다.

제6도는 본 고안을 실시하는 시스템의 한 실예를 설명한, 일부를 분해 측면도로 나타낸, 개략도이다.

본 고안은 기계적인 변형이나 외곡이 일어났을 때 압전기를 일으키는 것이 발견된 플라스틱 물질로 제조된 유전체(誘電體)를 갖는 감지소자로 부터 얻을 수 있는 압전효과(壓電效果)의 이용에 관한것이다. 그러한 감지 소자는, 예를 들면, 관입(intrusion) 검사계통, 변형측정 계통, 열구배계통(thermal gradient system)에 사용될 수 있다.

종전의 변형 측정 계통의 감지장치는 대체로 두가지로 구분 될 수 있다. (1) 변형이 측정되는 표면에 고정적으로 부착되어 있는 것들로서 , 가장 흔한 형으로서 는 가는 금속와이어나 혹은 금속 박격자(foilgrid)가 이들이 붙어 있는 표면의 응력 변화에 비례해서 저항이 변화되는 저항 와이어게이지가 있다. 이외의 다른 형은 압전 저항게이지나 광탄성(光彈性, Photoelastic) 게이지를 포함한다.

(2) 둘째는 강체의 표준 프레임(frame)과 변형되는 물체 사이에 미리 결정된 길이에 걸친 상대운동을 감지하는 것이다. 변형게이지나 신장계(伸張計, extensiometer)라는 용어로 이들 장치를 표현한다.

(a) 기계적 증폭 (b) 직선적으로 변하는 차동 트랜스포머(transformer) (c) 광학배열 증폭과 (d) 광학적 대비(對比) 트랙킹(tracking)과 같은 여러가지 변환기(transducer) 원리가 사용된다.

광학간섭계, 헥소그라피(hexography), 초음파 탐지기 및 여러가지 무선주파수계통과 같은 다른 측정 기술들이 변형 측정을 하기 위한 특수한 장비로서 사용된다.

이러한 게이지, 장치 및 기술은 일반적으로 구조물의 특정된 영역에서의 표면변형 성분을 측정하도륵 사용되고 또한 설계된다. 영역의 크기는 미시적인 연구 분야에서의 백만분의 수인치로부터 지진 연구에서의 천인치길이 신장계까지 다양하다. 실제 변형 게이지의 대부분은 0.01에서 5.0인치 사이에 있게 된다. 자연적 및 인공적 구조물의 크기를 고려할 때 우리들은 미세 구조 연구 및 이와 반대되는 거대 구조 연구를 위한 것으로 이들 게이지를 일반화할 수 잇다. 대부분의 현존하는 변형게이지의 이점은 거대 구조체의 검사에 이들 게이지를 사용할 때는 불리한 것이 된다. 대부분의 현존하는 변형게이지의 이점은 거대 구조체의 검사에 이들 게이지를 사용할 때는 불리한 것이 된다.

작은 영역에서의 변형을 측정할 수 있는 잇점은 표면 균열과 같은 불연속성이 게이지의 과오동작을 야기시킨다는 점에서는 불리한 것이 된다. 결과적으로, 실험실 외부에서 행해지는 실제 발생하는 변형 측정에서는 변형 게이지는 별로 가치가 없다. 실험실 표준이 합치될 수 있는 용용단이 해결점이다.

공지의 관입 검사기는 확장된 마찰전기 변환기와 같은 동축형(同軸形) 케이블을 사용한다. 이 장치는 케이블이 사람, 동물, 차량에 의해 방해를 받거나 움직일때마다 이들의 존재를 검출하기 위채 감지장치에서의 키이(key) 소자로서 고운잡음의 동축형 케이블을 사용한다. 공지의 장치의 구조에 대한 요체는 케이블의 주(主) 성분을 구성하는 한개 또는 두개의 전도체(電導體)와 중간에 삽입된 절연유전체 사이에서 가동, 마찰 정합을 위한 장치를 갖추는 것이다. 따라서, 마찰전기 효과 혹은 "높은잡음"이 케이블의 성분의 사소한 변위에 따른 절연 유도체와 전도체 사이의 마찰에 의해 발생된다. 마찰에 의해 발생되는 마찰전류는 전기적으로 케이블이 방해를 받았다는 것을 분별하는 전자 장치에 연결된다. 마찰전기 장치의 출력은 항상 같은 극성을 갖는다는, 즉 극성은 운동 방향에 종속되어있지 않다는 것을 주목해야 한다.

본 고안은 기계적 의곡 및 변형을 전기로 바꾸는 압전기의 원리를 사용한, 관입 검사기 혹은 열구배 검사기, 변형게이지와 같은 기능을 하는 새로운 형의 감지장치에 관한 것이다. 특히, 가장 단순한 형태의 장치는, 감지물질의 층으로 덮여진 중심 전도체로 구성되고 감지물질의 층은 외측전기도전체로 덮인다.

감지물질은 압전기 발생기로서 알려진 폴리테트라플루오로 에틸렌과 같은 전기적으로 적합한 물질중의 하나이다. 외측 보호 피복과 감지 물질을 덮는 전기절연체와 같은 부가적인 소자는 사용에 편리하게끔 부가될 수 있으나 장치에 대해 근본적인 것은 아니다. 검출되는 혹은 측정되는 기계적인 변형이나 의곡은, 낮은 기계적 스프링 상수를 갖고 있어 변형이나 의곡이 감지물질의 외측 직경쪽으로 전달 될 때 이 변형이나 의곡에 대해 경미한 저항을 나타내는, 외측전도체에 전달된다. 감지물질의 내부 직경은 내부전도체에 의해 부분적으로 제한되고 이에 의하여 변형강도 및 변형된 길이의 적(積)에 비례하는 진폭 및 극성의 전하를 발생하는 감지물질을 통해 응력이 발생된다. 이 전하는 적당한 전기 및 전자회로의 연결로 유용한 전기 신호로 변환된다.

도면 특히 제1도를 참조하면 예민하게 휠 수 있는 압전기 감지 소자(10)이 도시되어 있으며 이것은 소자에 전달된 의곡 혹은 변형의 양에 비례하는 진폭 및 극성의 전하를 발생하기에 적합하다. 이 소자는 의형 감지물질(14)의 층으로 완전히 덮인 내부전도체(12)를 갖고 있고 감지물질(14)는 소자(10)이 의곡이나 변형을 일으킬때 압전기 발생기의 방식으로 응답한다. 감지물질(14)는 차폐물 혹은 외측전도체(16)으로 덮여 있다. 외측전도체는 2가지 기능을 수행한다. 즉 (1) 회로내에서 복귀 전도체로서 그리고 (2) 원하지 않는 전장 혹은 자장을 억제하는 차폐물로서 작용한다.

기계적인 변형이 본 명세서에서 논의되고 있지만 본 고안의 또 다른 응용은 화제검사기와 같은 열구배 검사를 포함하고 있음을 이해해야 한다.

제2도에는 본 고안에 사용하기에 적합한 다른 감지소자 형태중의 하나가 설명되어 있다. 제2도에서 예민한 압전기 감지 소자(20)은 실질적으로 4각형의 층인 압전기 변형감지물질(24)로 덮여있는 일반적으로 4각형인 내부 전도체(22)를 포함하고, 한 감지물질(24)는 일반적으로 4각형인 외측 전도체 흑은 차폐물(26)으로 덮여 있다.

본 고안의 압전기 감지소자 및 그성분은 여러가지 방법, 예를들면 적층, 연속적인 층, 트위스팅(twisting) 위이빙(weaving) 등으로 제조될 수 있고, 형상은 원형, 사각형, 정사각형, 타원형 등이 될 수 있다는 것은 이 방면의 숙련자에게는용이하게 이해될 것이다. 내부전도체에 적당한 물질은, 단선이나 연선으로, 나동(裸銅), 주석을 입힌 동, 은도금된 동과 은도금된 카드뮴동 혹은 동을 입힌 강, 주석을 입힌 동으로 덮인 강과 은도금된 동으로 덮인 강등을 포함한다. 압전기 변형 감지소자에 적당한 물질은, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리딘, 플루오라이드, 폴리에틸린테레프탈레이트와 폴리프로필렌을 포함한다. 차폐물 혹은 외측도체에 적당한 물질은, 나 동, 주석을 입힌 동, 니켈을 입힌 동, 은도금된 동과 은도금된 동으로 덮인 강을 포함한다. 외측전도체 혹은 차폐물은 보통 짠 형태의 구조물로 형성되지만 알미늄이나 혹은 여러 형태의 도금으로 덮인 동으로 제조되는 고체 외장(外裝, sheath)으로 제조될 수 있다. 금속 테이프도 또한 외측전도체로서 사용될 수 있다.

위에 열거된 예중에서, 케이블의 한가지 좋은 실예는 꼬여진 은도금된 동으로 덮인 강으로 내부도체를 구성하고 폴리 테트라플루오로에틸렌으로 감지소자를 구성 하고 짜여진 은도금된 동으로 외부전도체를 구성하는 것이다.

작동에 있어, 소자(10) 혹은 (20)으로 감지되는 기계적 의곡이나 변형은 적당한 장치에 의해서 압전기 감지소자의 외측도체에 전달된다. 외측전도체는 낮은 기계적 스프링 상수를 갖고 있어 외부의 방해에 대해 경미한 저항을 나타낸다. 변형이나 의형은 외측도체를 통하여 압전기 감지물질의 외부직경 쪽으로 전달된다.

감지물질의 내부 직경은 내부도체에 의해 부분적으로 제한되고 이에 의하여 감지물질을 통하는 응력을 발생한다. 감지물질이 압전기물질이므로, 이 물질은 변형강도와 변형된 길이의 적(積)에 비례하는 진폭 및 극성의 전하를 내부 전도체에 공급한다. 내부도체상의 전하는 적당한 전기 빛 전자 회로로 도전되어 유용한 신호를 발생 한다.

제3도는 제1도의 감지소자에 바람직한 변형을 보여준다. 예를 들면, 보호용 절연 쟈케트(jaclket)(30)이 외측도체(16)을 덮도록 되어 있어 감지소자를 기후나 거치른 취급으로부터 보호하고 이 소자가 물이나, 흙 같은 것에 묻힐 수 있도록 하여준다. 보호용 철연쟈케트에 적합한 물질은 나일론, 폴리비닐 클로라이드, 실리콘고무, 내오프린, 폴리테트라플루오로에틸렌 테이프와 불소처리된 에틴렌프로필렌을 포함한다. 보호용 절연쟈케트(30)을 부가함으로서 소자는 예를 들면 관입 검사계통의 일부로서 지상이나 지하에서 통상적으로 사용될 수 있다.

감지소자(10)을 수정한 제4도에서, 부가적 외측도체 혹은 차폐물(34)를 갖는 부가적 압전기변형 감지소자층(32)이 외측도체(16)과 쟈케트(30) 사이에 놓여 감지소자를 고감도로 만들어 준다. 분명히, 케이블 성분들의 많고 다양한 층을 마련하는 것이 가능하다.

보호층(36)을 외부도체(16)과 쟈케트(30) 사이에 놓음으로서 감지소자(10)을 수정한 것이 제5도에 도시되어 있다.

보호층(36)은, 예를 들면, 폴린테트라플루오로 에틸린으로 구성되고, 이것이 포함되면 습기를 방지하고 핀홀(Pinhole)이라 파단 등에 대한 저항성을 갖는 튼튼한 감지소자를 만들어 준다. 어떤 경우에는 그러한 보호층이 없으면 보호가 안된 감지소자의 효과가 쉽게 감소될 수 있다는 것은 이해할 수 있을 것이다.

제6도를 참조하면, 열구배검사계통, 변형게이지계통 혹은 관입 검사계통에 사용하기 적합한 전자장치와 본 고안의 압전기 감지소자 사이의 상호 연결을 설명하는 개략도가 도시되어 있다. 특히 한쪽 말단에 습기 방지덮개(52)를 갖는 압전기감지소자(50)는, 전하 주종형 어떤 경우에는 높은 입력 임피던스를 갖는 전압 증폭기일 수 있는 증폭기(54)에 연결된다. 증폭기(54)는 압전기 감지소자에 의해 발생된 전하를 증폭한다. 대역 통과여과회로(도시되지 않음)가 원하는 신호를 용이하게 분리시키는데 사용될 수 있다. 압전기 감지소자가 변형 게이지계통에 사용된다면, 증폭기(54)의 출력은 적당한 측정장치 예를 들면 테이프 녹음기나 혹은 오실로스코우프(osciloscope)와 같은 제6도에 (56)으로 표시된 장치에 연결될 수 있다.

압전기감지소자(50)이 관입 검사계통에 사용된다면 제6도에서 각각 (58) 및 (60)으로 표시된 것과 같은 경보장치에 동작신호를 공급하는 한계치 검출기 회로에 증폭기(54)의 출력을 공급하는 것이 바람직하다. 모든 회로는 적당한 전력 공급원(도시되지 않음)에 의해 전력을 공급 받는다. 사람, 동물 및 차량의 존재를 나타내는 것외에 그러한 관입 검사계통의 출력은 또한 광맥이나 혹은 무선간섭 같은 것을 검출하는데 사용될 수 있다. 관입 검사계통을 압전기감지소자의 배치는 지하에 묻는 것에 한정되지 않는다. 감지소자는 예를 들면 울타리 또는 다리에 부착시킬 수도 있다.

압전기 감지소자의 실제 길이는 예를 들면 1인치 이하로 부터 100,000인치로까지 사용자에 의해 결정된다.

본 고안의 중요한 특징은 변형감지가 필요치 않은 비압전기 도체 구역내에서는 겹쳐 이음으로서 감지소자의 활성길이가 단속적일 수 있다는 것이다. 의형감지소자를 부착하는 방법으로 매립, 클램핑(clamping), 접착제나 접착제를 피복한 테이프의 사용을 들 수 있다. 감지소자는 자기 발생적이므로 열이나 전기 신호를 방사하지 않고 자장의 변화에 의한 영향을 받지 않는다.

압전기 감지소자를 사용하는 전형적인 용도들은 다음과 같다. (a) 원방의 자진활동으로 발생되는 대지의 탄설 변형으로 부터 보행자나 동물의 통과로 발생되는 탄성 변형의 범위까지를 포함하는 비균질 입상 물질(粒狀物質) 내에서의 저수준 탄성변형의 측정 (b) 다리나 고층건물과 같은 큰 구조물에서의 작은 동적 변형수준 측정 (c) 벽이나 담을 기어오름으로서 벽 또는 담에 발생되는 변형 (d) 움직임으로서 건물의 마루 바닥에 나타나는 변형 (e) 기계나 차량에서의 진동변형.

휠 수 있고, 연속적인 활성길이를 갖는 압전기 변형 감지소자의 출현은 새로운 측정 가능성을 소개해 주고 있다.

대지변형윤곽은 장차 심장전문의에게 전자뇌파기록기의 역할과 유사한 정도로 공공안전과 토목공학에 대해 중요한 역을 가질 것이다. 건물 전체가 침입자의 존재를 관리인에게 알릴때 범죄는 예방될 것이다.

흙 땜(dam)의 붕괴, 사태 혹은 지진의 임박은 미리 이들의 존재를 알려주는 대지변형 불연속성으로 예고될 수 있다. 미리 결정된 지역에 접근하는 사람, 동물 혹은 기계의 운동을 계산하고 검사하는 것은 압전기 감지소자를 갖고 있는 선택적 대지변형 감지를 통해 이루어질 수 있다. 노면이나 건물토대가 악화되면 반드시 대지 변형 전파작용에 수반되는 변화가 따른다. 지진계통연구에서는 지중청음기의 측정 한계 때문에 보다 높은 고주파의 전파를 중요시하고 있다. 수직으로 혹은 수평으로 설치된 압전기 변형 감지소자의 사용은 연구자들에게 새로운 주파수 영역을 개방할 것이다.

Claims (1)

1. 도면에 표시하고 본문에 상술한 바와 같이, 규정 길이를 갖는 제1도체(12, 22)를 가지고 있으며, 제1도체(12, 22)에 양립할만한 규정 길이를 갖는 제2도체(16, 26)가 간격을 두고 제1도체(12, 22)를 둘러쌓고 있으며, 이 도체들(12, 16, 22, 26) 사이에 이들과 단란히 계합하면서 뻗도록 배치되어 변형을 받았을때 의형 감지압전기 물질(14, 24)에 전달되는 변형의 양에 대하여 그 진폭과 극성이 비례하는 전하를 발생시키는 변형감지 압전기 물질(14, 24)이 있으며, 상기 전하에 응답하는 전자장치(54)가 변형의 발생을 알려주도록 상기 도체들(12, 16, 22, 26)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 변형감지장치.