KR970004820Y1 - 압전재료를 이용한 하중센서 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

압전재료를 이용한 하증센서

본 고안은 압전재료를 이용한 하중센서에 관한 것으로, 특히 하중에 의하여 분역의 재배열이 쉬우며 향전계가 극히 낮은 압전재료롤 이용하여 압력에 따른 공진주파수와 반공진주파수의 차를 구함으로써, 연속해서 가해지는 정하중을 측정할 수 있는 압전재료를 이용한 하중센서에 관한 것이다.

일반적으로, 압전개료는 내부에 분포된 분역이 직류자계를 가할때 전계방향으로 재배열되는 분극처리공정(2kv∼3kv의 전압을 이용함)에 의해서 압전재료에 압전성이 주어지는데, 이때 직류자계의 크기는 압전재료의 향전계 이상으로 가하여야 한다

이와 같이 분극처리공정에 의해 압전성이 부여된 압전재료에 기계적인 충격을 가하게 되면 전하가 발생하게 된다. 그러나 이러한 충격은 반드시 동적인 충격이어야 하머 정적인 충격하에서는 전하발생이 일어난후 그 전하는 급격히 사라지게 되는 특성을 갖고 있다. 또한 분극처리된 압전재료는 특정주파수에서 임피던스가 최대, 최소가 되는 점이 존재하여 최소가 되는 점을 공진주파수, 최대가 되는 점을 반공진주파수라 한다

그리고 통상적인 하중센서로 사용하는 것은 스트레인 게이지를 이용한 휘스톤브리지 방식이 보편적이지만, 이것은 제조가 어렵고 센서 가격이 비싼 것이 단점으로 되어 있다. 한편 압전세라믹의 압전성을 이용한 하중센서도 있으나 압전세라믹에 정하중이 가해질 경우 전하발생이 없으므로 동하중 상태의 하중측정에만 사용되므로 사용상 제약을 받게 된다.

제 1 도는 종래의 압전세라믹을 이용한 하중센서 구성도로써, 하중센서(12) 상부에 질량체받침대(11)를 설치하고, 상기 질량체받침대(11)상부에 질량체(10)가 놓여지고, 상기 하중센서(12)에 발생된 전하량을 전하증폭기(13)에서 증폭되게 구성하고, 상기 전하증폭기(13)에서 중폭된 신호를 하증변환기(14)로 제공되게 구성한다

상기와 같이 구성된 종래의 압전세라믹을 이용한 하중센서는 질량체받침대(11) 상부에 질량체(10)가 놓여지게 되면, 그 순간 질량체(10)의 크기에 비례하는 전하량이 발생하게 되며, 이것은 질량크기에 비례하는 커지게 된다. 이 신호를 전하증폭기(13)에 의하여 중폭한 후 그 크기에 해당하는 하중으로 변환하면 질량체(10)의 하중을 알 수 있게 된다.

그러나, 상기한 종래의 하중센서는 하중이 놓여지는 순간에만 나타나는 동하중 측정은 가능하지만, 반면에 연속해서 가해지는 정하중 측정이 불가능한 문제점이 있었던 것이다.

본 고안의 목적은 하중에 의해서 분역 재배열이 쉬우며 향전계가 극히 낮으며 압전세라믹에 NN(PbNiNb)이 첨가된 PNN-PZT 압전세라믹 재료를 사용하여 압력에 따른 공진주파수와 반공진주파수의 차를 구함으로써, 연속해서 가해지는 정하중을 측정할 수 있는 압전재료를 이용한 하중센서를 제공하는데 있다

상기한 본 고안의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 고안의 압전재료를 이용한 하중센서는 분극 후 분역 상태를 만들기 위하여 진동자에 직류전압이 제공되게 직렬로 접속한 직류전원; 특정 주파수를 발생시켜 저항을 통해서 진동자로 제공하는 발진기; 상기 직류전원의 직류전압에 의해서 분극 후 분역상태로 되고, 상기 발진기의 특정주파수에 따른 최대임피던스 및 최소임피던스를 발생시키며, 상기 최대임피던스 및 최소임피던스가 하중에 따라 변화되는 진동자; 상기 진동자의 임피던스에 따른 전압을 측정하는 전압계; 상기 진둥자로부터의 최대임피던스 및 최소임피던스에 해당하는 공진주파수간의 차주파수(△f)를 산출하는 제1연산기; 상기 제1연산기(35)의 차주파수(△f)를 하중으로 환산하는 제2연산기; 상기 제2연산기로부터의 하중을 화면출력하는 디스플레이; 를 구비함을 특징으로 한다

제 1 도는 종래의 압전세라믹을 이용한 하중센서 불럭도이다.

제 2 도는 본 고안의 설명에 필요한 압전세라믹의 분극전 분역상태도이다.

제 3 도는 본 고안의 설명에 필요한 압전세라믹의 분극후 분역상태도이다.

제 4 도는 본 고안의 정전압회로도이다.

제 5 도는 본 고안의 하중에 따른 압전세라믹의 △f 변화특성도이다.

제 6 도는 본 고안에 따른 하중센서를 사용한 하중측정 및 표시회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : PNN-PZT 압전세라믹 31 : 발진기

32 : 진동자 33 : 전압계

34 : 직류전원 35 : 제1연산기

36 : 제2연산기 37 : 디스플레이

이하, 본 고안에 따른 압전재료를 이용한 하중센서의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 고안에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다. 제 2 도는 본 고안의 설명에 필요한 압전세라믹의 분극전 분역상태도이고, 제 3 도는 본 고안의 설명에 필요한 압전세라믹의 분극 후 분역상태도이고, 제 4 도는 본 고안의 정전압회로도이고, 제 5 도는 본 고안의 하중에 따른압전세라믹의 △f 변화특성도이고, 제 6 도는 본 고안에 따른 하중센서를 사용한 하중측정 및 표시회로도이다

제 4 도 및 제 6 도를 참조하면, 본 고안의 압전재료를 이용한 하중센서는 분극 후 분역상태를 만들기 위하여 진동자(32)에 직류전압이 제공되게 직렬로 접속한 직류전원(34)와, 특정 주파수를 발생시켜 저항(Rs)을 통해서 진동자로 제공하는 발진기(31)와, 상기 직류전원(34)이 직류전압에 의해서 분극 후 분역상태로 되고, 상기 발진기(31)의 특정주파수에 따른 최대임피던스 및 최소임피던스를 발생시키며, 상기 최대임피던스 및 최소임피던스가 하중(F)에 따라 변화되는 진동자(32)와, 상기 진동자(32)의 임피던스에 마른 전압을 측정하는 전압계(33)와, 상기 진동자(32)로부터의 최대임피던스 밋 최소임피던스에 해당하는 공진주파수와 반공진주파수간의 차주파수(△f)를 산출하는 제1연산기(35)와, 상기 제1연산기(35)의 차주파수(△f)를 하중(F)으로 환산하는 제2연산기(36)와, 상기 제2연산기(36)로부터의 하증(F)을 화면출력하는 디스플레이(37)로 구성한다

이와같이 구성된 본 고안의 암전재료를 이용한 하중센서에 따른 동작을 첨부도면에 의거하여 하기에 상세히 설명한다.

제 2 도에서 제 6 도까지를 참조하여 본 고안에 따른 압전재료를 이용한 하중센서에 대해서 설명하면, 먼저, 제 2 도는, PNN-PZT 압전세라믹의 분극전 분역상태를 나타낸 것으로써 직류전계를 인가하지 않은 경우에 분역상태가 무질서하여 PNN-PZT 압전세라믹 자체의 쌍극자 모멘트는 전기적으로 제로(zero)인 상태를 나타내며 제 3 도는 제 2 도와 같이 분극전 분역상태에서 PNN-PZT 압전세라믹(20)에 강한 직류전계를 인가한 경우에 대한 분역상태를 나다내고, 이때 분역은 직류전계 방향으로 배열되어 압전성을 나타나게 되는 것이다

상기 제 2 도 및 제 3 도에 도시한 바와같은 분역상태를 나타내는 PNN-PZT 압전세라믹을 이용하여 진동자(32)를 제작하여 본 고안의 하중센서를 제 4 도 및 제 6 도 도시한 바와같이 구성한 것으로, 상기 제 4 도 및 제 6 도에 도시한 발진기(31)에서는 특정주파수(120KHz∼210KHz)를 발생시킨 후 상기 진동자(32)로 저항(Rs)을 통해서 인가하면 상기 진둥자(32)는 상기 특정주파수에 따른 최대임피던스 밋 최소임피던스를 나타내게 되는데, 상기 진동자(32)의 임피던스에 따른 전압을 전압계(33)에서 검출한다

상기 전압계(33)에서 검출되는 전압온 하기 식(1)과 같은 관계를 갖는다.

V=1Rs×(|Z|×Vo).....(1)

여기서, V는 검출전압, Vo는 진동자의 방출전압, |Z|는 진동자의 임피던스이다.

상기 식(1)에서, 검출전압과 수정자의 임피던스는 비례관계에 있으므로, 상기 검출전압이 최대가 되는 주파수가 반공진주파수이고, 최소가 되는 주파수가 공진주파수이다

한편, 제 5 도는 PNN-PZT 압전세라믹을 일정한 향전계 이상의 진압을 가한후, 하중에 따른 공진주파와 반공진주파수의 차이를 나타내는 특성도로써, 제 5 도에 보인 바와 같이 하중의 크기가 커질수록 차주파수(△f=반공진주파수-공진주파수)가 0(ZERO)에 가까워지며 일정구간에서 선형성을 갖는다. 따라서 하중이 증가함에 따라 차주파수(△f)가 직선적으로 감소하는 관계에 있으므로, 상기 차주파수(△f)를 측정하게 되면 가해진 하중을 알 수 있게 된다.

한편, 상기 제 5 도에서 선형적으로 변화하는 구간은 1MPa=1N/mm²≒0 .1kgf/mm²의 관계가 있으므로 PNN-PZT 압전세라믹의 단면적 1mm²당 0∼5kgf의 하중을 측정할 수 있다. 이와같은 차주파수(△f)의 변화는 하중이 계속가해져도 변화하지 않으므로 정하중센서로 사용될 수 있는 것이다.

제 6 도는 본 고안의 회로도로서, PNN-PZT 압전세라믹으로 제작한 진동자(32)에 직류전원(34)으로부터의 직류전압을 인가하여, 상기 진동자(32)의 압전세라믹을 분극 후 분역상태로 형성시킨 다음에, 상기 발진기(31)의 특정주파수를 진동자(32)에 인가하여 상기 진동자(32)에서 나다내는 임피던스에 따른 전압을 전압계(33)로 검출한다.

또한 제1연산자(35)에서는 상기 진동자(32)의 임피던스에 따른 공지주파수와 반공진주파수와의 차주파수(△f)를 구하여 제2연산기(36)로 제공한다. 상기 제2연산기(36)에서는 상기 차주파수(△f)를 하중(F)값으로 환산시킨다

따라서, 하중(F)이 가해지면 하중에 의해 최대임피던스 및 최소임피던스점에 바뀜에 따라 차주파수(△f=공진주파수-반공진주파수)가 변하게 되고, 상기 차주파수(△f)에 대응하는 하중값을 제2연산자(36)에서 계산한 후 디스플레이(37)를 통해서 감지한 하중값을 표시하는 것이다. 상기 제2연산기(36)에서는 사전에 차주파수(△f)와 하중(F)간을 1:1로 대응시겨서 저장해둔 상태이다.

한편, PNN(PbNiNb)을 첨가하지 않은 PZT 압전세라믹 소자의 향전계는 통상 2∼3kV/mm인 반면, PNN-PZT 압전세라믹 소자의 향전계는 0.4kV/mm로 극히 낮으므로 소자두께를 0.1mm 이하로 하면 40V의 전압만으로도 분역을 초기상태로 두는 것이 가능하다.

상술한 바와같은 본 고안에 따르면, 센서의 구조가 간단하여 초소형으로 제작이 가능할 뿐만아니라, 연속해서 가해지는 정하중을 측정할 수 있는 특별한 효과가 있는 것이다

이상의 설명은 본 고안의 일실시예에 대한 설명에 불과하며, 본 고안은 그 구성의 범위내에서 다양한 변경 및 개조가 가능하다. 또한, 본 고안의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 상기 압전재료를 이용한 하중센서가 상기 기술한 실시예에 한정되지 않음을 용이하게 알 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 압전재료를 이용한 하중센서에 있어서,

   분극후 분역 상태를 만들기 위하여 진동자(32)에 직류전압이 제공되게 직렬로 점속한 직류전원(34);

   특정 주파수를 발생시켜 저항(Rs)을 통해서 진동자로 제공하는 발진기(31);

   상기 직류전원(34)의 직류전압에 의해서 분극후 분역상태로 되고, 상기 발진기(31)의 특정주파수에 따른 최대임피던스 및 최소임피던스를 발생시키며, 상기 최대임피던스 및 최소임피던스가 하중에 따라 변화되는 진둥자(32);

   상기 진동자(32)의 임피던스에 따른 전압을 측정하는 전압계(33);

   상기 진동자(32)로부터의 최대임피던스 및 최소임피던스에 해당하는 공진주파수와 반공진주파수간의 차주파수(△f)를 산출하는 제1연산기(35);

   상기 제1연산기(35)의 차주파수(△f)를 하중으로 환산하는 제2연산기(36);

   상기 제2연산기(36)로부터의 하중을 화면출력하는 디스플레이(37);

   를 구비함을 특징으로 하는 압전재료를 이용한 하중센서.