WO2012081873A2 - 초고주기 피로시험장치 - Google Patents

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WO2012081873A2
WO2012081873A2 PCT/KR2011/009540 KR2011009540W WO2012081873A2 WO 2012081873 A2 WO2012081873 A2 WO 2012081873A2 KR 2011009540 W KR2011009540 W KR 2011009540W WO 2012081873 A2 WO2012081873 A2 WO 2012081873A2
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안세영
권현화
황정호
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메디소스플러스(주)
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    • G01N2203/0617—Electrical or magnetic indicating, recording or sensing means

Definitions

  • the present invention relates to an ultra-high cycle fatigue test apparatus, and more particularly, to a system for detecting cracks in a test piece of an ultra-high cycle fatigue test device and a system for maintaining a temperature of a test piece within a predetermined range during a fatigue test process. will be.
  • an ultra-high cycle fatigue test apparatus or ultrasonic fatigue test apparatus is a device that generates a vibration having a frequency in the ultrasonic range using a piezoelectric transducer and applies it to a specimen to perform a fatigue test. It is used for fatigue testing of parts in which resistance to fatigue stress such as wheels and turbine blades is important.
  • the fatigue test apparatus includes a system for detecting the occurrence and growth of the crack in the specimen. It may be provided.
  • the crack detection system generally uses a method of detecting the occurrence and propagation of cracks in the specimen by photographing the specimen with a camera module such as an infrared camera or a video scope. .
  • the crack detection system of the photographing method is required to visually analyze the image photographed by the camera module in order to detect the occurrence and growth of the crack in the test piece. There is a problem that it is difficult to identify the occurrence and growth quickly and accurately.
  • the fatigue test apparatus may be provided with a cooling device for cooling the test piece by air cooling and / or water cooling.
  • An object of the present invention is to provide an ultra-high cycle fatigue testing apparatus capable of quickly and accurately confirming the occurrence and growth of cracks in a test piece while being able to implement a crack detection system having a simple configuration.
  • the object is, according to the present invention, a vibration generating unit for applying a vibration having a predetermined frequency to the test piece; A power generator for supplying power for driving the vibration generating unit; And a crack detection unit for detecting a crack generated in the test piece based on the change in the electrical resistance of the test piece.
  • the fatigue test apparatus the temperature measuring unit for measuring the temperature of the test piece; And a driving controller configured to control on / off driving of the power generator based on a change in temperature of the test piece measured by the temperature measuring unit.
  • the temperature measuring unit may include a non-contact infrared thermometer.
  • the driving controller stops the operation of the power generator when the temperature of the test piece measured by the temperature measuring unit exceeds a preset threshold temperature, and operates the power generator when the temperature of the test piece falls to a preset operating temperature. Can be resumed.
  • the driving controller may record data regarding at least one of the time for each operation section, the time for the idle section, and the number of times of the operation section in the process of the power generator repeating the operation section and the idle section.
  • a voltage measuring unit measuring a voltage applied to the test piece; And deriving a resistance value of the test piece from a voltage value measured by the voltage measuring part and a current value applied to the current applying part, and generating the crack in the test piece by comparing the resistance value with an initial resistance value of the test piece.
  • a crack detector for detecting growth.
  • the voltage measuring unit may be provided as a micro-voltmeter capable of measuring voltage at least in microvolts.
  • the voltage measuring unit may be provided as a nano-voltmeter capable of measuring voltage in nanovolt units.
  • the fatigue test apparatus may further include a first insulating connector connecting one end of the test piece to the vibration generating unit and electrically insulating the test piece from the vibration generating unit.
  • the fatigue test apparatus may further include a second insulated connector that connects the other end of the test piece to a fixture arranged to face the vibration generating unit and electrically insulate the test piece from the fixture.
  • the crack detection unit may further include first and second measurement terminals provided at both ends of the test piece to electrically connect the test piece and the current applying unit.
  • the first measuring terminal is fixed to the test piece in a state spaced apart from the vibration generating unit by the first insulating connector, and the second measuring terminal is spaced apart from the fixed body by the second insulating connector. Can be fixed relative to the specimen.
  • the first insulated connector passes through the first measurement terminal to interconnect the test piece and the vibration generating unit, and the second insulated connector passes through the second measurement terminal to interconnect the test piece and the fixture.
  • the vibration generating unit includes a piezoelectric transducer provided with a piezoelectric element; And an amplifying horn which amplifies the vibration generated by the piezoelectric transducer and transfers the vibration to the test piece.
  • the vibration generating unit may include a magnetostrictive transducer provided with a magnetostrictive element.
  • the magnetostrictive element may be terfenol-D.
  • the present invention by detecting the cracks generated in the test piece on the basis of the change in the electrical resistance of the test piece in the ultra-high-cycle fatigue testing apparatus, it is possible to implement a crack detection system having a simple configuration, while quickly and accurately You can check it.
  • the present invention also provides a separate cooling device for cooling the test piece by controlling the ON / OFF driving of the power generator that supplies the driving power of the fatigue test apparatus based on the change of the temperature of the test piece. Even without the installation or cooling device installed, it is possible to minimize the use, while maintaining the temperature of the specimen within a certain range during the fatigue test process, as a result can improve the reliability of the fatigue test.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ultrahigh cycle fatigue test apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of region 'A' of FIG. 1.
  • Figure 3 is a schematic diagram of an ultra-high cycle fatigue test apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph for describing ON / OFF driving control of the power generator of FIG. 3.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ultrahigh cycle fatigue test apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the 'A' region of FIG.
  • the ultra-high cycle fatigue testing apparatus 100 includes a vibration generating unit 110 for applying a vibration having a predetermined frequency to the test piece S, and a vibration generating unit 110. And a crack detection unit 130 for detecting a crack generated in the test piece S based on a change in the electrical resistance of the test piece S.
  • the vibration generating unit 110 generates a vibration having a predetermined frequency when a predetermined power is applied by the power generator 120. At this time, the higher the frequency of the vibration generated by the vibration generating unit 110, the shorter the time required for a given fatigue test, the vibration generating unit 110 is preferably to generate a vibration belonging to the ultrasonic range. For example, the vibration generating unit 110 may generate a vibration having a frequency in the range of 20 to 100 kHz. However, the frequency of the vibration generated by the vibration generating unit 110 is not limited to the above-described frequency range.
  • the vibration generating unit 110 may include a piezoelectric transducer 111 and an amplifying horn 113 as shown in FIG. 1.
  • the piezoelectric converter 111 is electrically connected to the power generator 120 to receive a predetermined power from the power generator 120.
  • the piezoelectric transducer 111 is a device that converts electrical energy into mechanical energy using a material having a piezoelectric effect, that is, a piezoelectric device. That is, the piezoelectric converter 111 receives electrical energy (power) from the power generator 120, including a piezoelectric element, and converts it into mechanical energy (mechanical vibration).
  • the amplifying horn 113 amplifies the vibration generated by the piezoelectric transducer 111 and transmits it to the test piece (S).
  • the amplifying horn 113 connects the piezoelectric transducer and the test piece S, but amplifies the vibration generated by the piezoelectric transducer 111 using a resonance phenomenon.
  • the vibration generated in the piezoelectric transducer 111 itself is small in amplitude, when the piezoelectric transducer 111 omits the amplifying horn 113 and is connected to the test specimen S, for the fatigue test in the specimen S It is difficult to produce displacement of the required size. For this reason, the amplifying horn 113 connects the test with the piezoelectric transducer 111, and amplifies the vibration generated by the piezoelectric transducer 111 and transmits it to the test piece S.
  • the vibration generating unit 110 may include a magnetostrictive transducer (magnetostrictive transducer) instead of the piezoelectric transducer (111).
  • Magnetostrictive transducers include a magnetostrictive device that converts magnetic energy into mechanical energy to generate vibrations with a predetermined frequency.
  • the magnetostrictive element is one of the solid displacement elements that use the elastic deformation of the solid generated by the driving energy as an output together with the aforementioned piezoelectric element, and converts magnetic energy into mechanical energy (displacement or stress, etc.)
  • the device has a characteristic of varying in length in order to conserve the total energy to a minimum.
  • the magnetic field is used in a very limited field such as a linear motor, a micro displacement control sensor, and the like.
  • the magnetostrictive element has a larger displacement, a higher energy density, and can be used in a wider frequency range than the piezoelectric element. That is, the magnetostrictive element has a merit that a large displacement can be obtained with a low input power and that the frequency of the generated vibration can be set in various ways compared with the piezoelectric element.
  • the magnetostrictive transducer has an advantage that the amplifying horn 113 can be selectively used, unlike the piezoelectric transducer 111 in which the amplifying horn 113 is required.
  • the magnetostrictive transducer including the magnetostrictive element is electrically connected to the power generator 120 and configured to receive a predetermined power from the power generator 120.
  • a magnetic field is formed around the rod-shaped magnetostrictive element, and the magnetostrictive element is changed in length by the formed magnetic field to generate mechanical vibration.
  • the magnetostrictive transducer may include means for forming a magnetic field around the magnetostrictive element, such as a coil surrounding the magnetostrictive element.
  • the power generator 120 is a device for supplying power for driving the vibration generating unit 110 as shown in FIG. 1. That is, the power generator 120 applies a predetermined power to the piezoelectric transducer 111 of the vibration generating unit 110 so that the piezoelectric transducer 111 generates mechanical vibration.
  • the power generator 120 is preferably configured to change the characteristics of the power applied to the vibration generating unit 110, for example, the frequency and magnitude of the power in accordance with the conditions of the fatigue test.
  • the power generator 120 is well known as a commercial product, the description of the detailed configuration will be omitted.
  • the crack detection unit 130 is a component that detects cracks generated in the test piece S based on the change in the electrical resistance of the test piece S.
  • the crack detection unit 130 may include a current applying unit 131, a voltage measuring unit 133, and a crack detection unit 135 as shown in FIG. 1.
  • the current applying unit 131 applies a constant and stabilized current to the test piece (S). As shown in FIG. 1, the current applying unit 131 is electrically connected to both ends of the test piece S through a wire or the like. To this end, a pair of measurement terminals 137 and 138 may be provided at the end of the test piece S to which wires or the like drawn from the current applying unit 131 may be connected. That is, the crack detection unit 130 may further include first and second measurement terminals 137 and 138 provided at both ends of the test piece S to electrically connect the test piece S and the current applying unit 131. It may include. At this time, the measuring terminals 137 and 138 are made of a conductive conductor such as copper and aluminum. Although not clearly shown in the accompanying drawings, the wires, etc., drawn out from the current applying unit 131 may be connected to the measurement terminal 137.138 by a bonding method or a pin jack method.
  • the current applying unit 131 may be provided as a commercialized constant-current power supply configured to supply a constant current.
  • the voltage measuring unit 133 measures the voltage applied to the test piece S in real time. That is, the voltage measuring unit 133 is configured to measure the voltage between both ends of the test piece (S) as shown in FIG.
  • the voltage measuring unit 133 may measure voltage at least in microvolts. It is preferable to provide a micro-voltmeter possible, and more preferably, to a nano-voltmeter capable of measuring voltage in nanovolt units.
  • the crack detector 135 may derive the real-time resistance value of the test piece S from the voltage value measured by the voltage measuring unit 133 and the current value applied by the current applying unit 131. In this case, the crack detector 135 may derive the real-time resistance value of the test piece S by using Ohm's law. The crack detection unit 135 may detect the occurrence and growth of cracks in the test piece S by comparing the derived real-time resistance value with the initial resistance value of the test piece S.
  • the crack detection unit 135 may be a digital signal processor (DSP), a micro processor, a micro controller, or the like, and may be implemented as software or firmware. It may be.
  • DSP digital signal processor
  • the electrical resistance of the test piece (S) during the fatigue test substantially maintains the initial resistance value until the crack occurs in the test piece (S), the resistance value rises to a predetermined size at the time of the crack occurs, the crack
  • the resistance value gradually increases as the length or area of the crack grows after the occurrence.
  • the specimen (S) has a resistance value of 405 ⁇ at the time of crack generation, and the resistance value continuously after cracking. It was confirmed that the resistance value of 492 ⁇ at the time of increasing the mechanical crack was confirmed. Therefore, the data regarding the change in the resistance value of the test piece S in the fatigue test process may be utilized as data for confirming the occurrence time of cracks, growth or propagation of the cracks in the test piece S.
  • the crack detection unit 130 detects the occurrence and growth of cracks in the test piece S based on a phenomenon in which the resistance value of the test piece S changes as the cracks are generated and grow in the test piece S as described above. It is. In other words, the crack detection unit 130 obtains data on the resistance value of the test piece S that is changed through an electric circuit such as the current applying unit 131 and the voltage measuring unit 133 during the fatigue test process, and the initial resistance By analyzing the rate of increase of the resistance value of the test piece (S) on the basis of the value, it is possible to confirm the occurrence time of the crack, the growth process of the crack in the test piece (S).
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 may further include a first insulating connector 141 and a second insulating connector 142 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the first insulating connector 141 connects one end of the test piece S to the amplifying horn 113 of the vibration generating unit 110 and electrically insulates the test piece S from the vibration generating unit 110.
  • the first measuring terminal 137 described above may be fixed to the test piece S while being spaced apart from the amplifying horn 113 of the vibration generating unit 110 by the first insulating connector 141.
  • the first insulated connector 141 passes through the first measurement terminal 137 and shows the test piece S and the amplification horn 113 of the vibration generating unit 110 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • Body portion 141a for connecting and fixing, and a spaced portion 141b extending radially from the body portion 141a to space the first measurement terminal 137 from the amplifying horn 113 of the vibration generating unit 110. It may include.
  • the body portion 141a of the first insulated connector 141 shown in FIG. 2 interconnects the test piece S and the amplifying horn 113 of the vibration generating unit 110 by a screw coupling method in a substantially cylindrical shape,
  • the spacer 141a has a circular plate shape.
  • the shape and coupling manner of the first insulating connector 141 may be appropriately changed.
  • the body portion 141a and the spaced portion 141b of the first insulating connector 141 shown in FIG. 2 are integrally formed, they may be formed separately and coupled to each other. Meanwhile, the first insulating connector 141 is made of an insulating material such as plastic.
  • the second insulated connector 142 connects the other end of the test piece S to the fixture 150 which is disposed to face the vibration generating unit 110, and simultaneously connects the test piece S to the fixture 150.
  • the second measurement terminal 138 described above may be fixed to the test piece S by being spaced apart from the fixed body 150 by the second insulating connector 142.
  • the second insulated connector 142 penetrates through the second measuring terminal 138 as shown in FIGS. 1 and 2 to connect the test piece S and the fixing body 150 to each other to fix the body portion 142a.
  • a spacer 142b extending in the radial direction from the body portion 142a to space the second measurement terminal 138 from the fixture 150.
  • the second insulating connector 142 has a structure substantially the same as that of the first insulating connector 141 described above, the description of the first insulating connector 141 shall apply mutatis mutandis to the detailed structure thereof.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 is the vibration generating unit 110 and the stationary body 150 through the first and second insulated connectors 141 and 142 having the above configuration.
  • the current applied to the test piece S by the current applying unit 131 of the crack detection unit 130 can be prevented from flowing toward the vibration generating unit 110 and the stationary body 150.
  • the crack detection unit 130 can obtain more accurate data on the resistance value of the test piece S, which is the basis for detecting the occurrence and growth of the crack.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 100 detects cracks generated in the test piece S based on the change in the electrical resistance of the test piece S, thereby detecting cracks having a simple configuration. While the system can be implemented, it is possible to quickly and accurately identify the occurrence and growth of cracks in the specimen (S).
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an ultrahigh cycle fatigue test apparatus according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a graph for explaining ON / OFF driving control of the power generator of FIG. 3.
  • the ultra-high cycle fatigue test apparatus 200 according to the present embodiment, the vibration generating unit 110 for applying a vibration having a predetermined frequency to the test piece (S), and the vibration generating unit (
  • the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 200 has the configuration of the ultrahigh cycle fatigue test apparatus 100 according to the above-described embodiment, except that the temperature measuring unit 210 and the driving control unit 22 are added. Since it is substantially the same as, the same configuration is given the same hibernation code, the description thereof will be applied mutatis mutandis.
  • the temperature measuring unit 210 is installed in an area adjacent to the test piece S as shown in FIG. 3 to measure the temperature of the test piece S which changes during the fatigue test.
  • the temperature measuring unit 210 may be configured to measure the temperature of the test piece S in a contact manner, but when a part for temperature measurement is directly attached to the test piece S, it may affect the result or reliability of the fatigue test. As such, it is preferable to be configured to measure the temperature of the test piece S in a non-contact manner.
  • the temperature measuring unit 210 is preferably provided as a non-contact infrared thermometer.
  • the temperature measuring unit 210 is not limited to an infrared thermometer, and various types of thermometers or temperature sensors may be applied.
  • the driving controller 220 controls the ON / OFF driving of the power generator 120 based on the change in the temperature of the test piece S measured by the temperature measuring unit 210.
  • the driving control unit 220 receives data on the temperature of the test piece S from the temperature measuring unit 210 and transmits a control signal relating to the on / off driving to the power generator 120. Is configured to.
  • the driving controller 220 stops the operation of the power generator 120 when the temperature of the test piece S measured by the temperature measuring unit 210 exceeds a preset threshold temperature T th , and the test piece ( When the temperature of S) drops to a preset operating temperature T op , the operation of the power generator 120 may be resumed.
  • the critical temperature T th and the operating temperature T op may be appropriately selected by the tester in consideration of the material of the test piece S and the degree of influence of the temperature rise of the test piece S on the reliability of the fatigue test. Can be.
  • the threshold temperature T th may be selected as 100 ° C. and the operating temperature T op as 80 ° C.
  • the power generator 120 repeats the operation section and the rest section as shown in FIG. 4 by the drive control unit 220 according to the temperature change of the test piece (S).
  • the idle section is a section in which the operation of the power generator 120 is stopped. In the idle section, power is not applied to the vibration generating unit 110 so that fatigue stress is not applied to the test piece S. Accordingly, the temperature of the test piece (S) in the fatigue test process can be maintained within a certain range.
  • the fatigue test apparatus 200 is the power generator 120 based on the change in the temperature of the test piece (S) through the temperature measuring unit 210 and the drive control unit 220 as described above.
  • the test piece may be used during the fatigue test process while minimizing its use without installing a separate cooling device for cooling the test piece S or installing a cooling device.
  • the temperature of S) can be maintained within a certain range, thereby improving the reliability of the fatigue test.
  • the driving controller 220 in the process of the power generator 120 repeats the operating section and the idle section, as shown in Figure 4 time (t on_1 , t on_2 , t on_3 , ..., t on_N ), time per idle section (t off_1 , t off_2 , ..., t off_N-1 ) and the number of operating intervals (N), etc., are preferably recorded. It can be used as important data to analyze fatigue characteristics for (S). For reference, according to the experiment, it is preferable that the time ratio (t off / t on ) of the idle section to the operating section is set not to exceed 4.0.
  • the present invention can be used in the field of a fatigue testing apparatus for performing a fatigue test by applying vibration to a test piece (specimen).

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Abstract

본 발명의 초고주기 피로시험장치는, 시험편에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동 발생유닛; 상기 진동 발생유닛을 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력 발생기; 및 상기 시험편의 전기적 저항의 변화에 기초하여 상기 시험편에서 발생하는 크랙을 검출하는 크랙 검출유닛을 포함한다. 본 발명에 의하면, 간단한 구성을 갖는 크랙 검출 시스템을 구현할 수 있으면서도 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 신속하고 정확하게 확인할 수 있다.

Description

초고주기 피로시험장치
본 발명은, 초고주기 피로시험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초고주기 피로시험장치의 시험편에서 크랙을 검출하기 위한 시스템 및 피로 시험 과정에서 시험편의 온도를 일정 범위 내에서 유지하기 위한 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 초고주기 피로시험장치 혹은 초음파 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.
시험편의 피로 특성을 분석함에 있어서, 시험편에서 크랙(crack)이 발생하는 시점 및 그 성장 혹은 전파 과정을 확인하는 것이 중요한데, 이를 위해 피로시험장치에는 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 검출하기 위한 시스템이 구비될 수 있다. 종래의 피로시험장치에서 크랙 검출 시스템은 적외선 카메라(infrared camera) 또는 비디오 스코프(video scope) 등의 카메라 모듈로 시험편을 촬영함으로써 시험편에서 크랙의 발생 및 전파 과정을 검출하는 방식을 사용하는 것이 일반적이다.
그런데, 종래의 피로시험장치에서 위와 같은 촬영 방식의 크랙 검출 시스템은, 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 검출하기 위해서는 카메라 모듈에 의해 촬영된 영상을 시각적으로 분석하는 작업이 요구되므로, 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 신속하고 정확하게 확인하기 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 피로시험장치에 의해 시험편에 지속적인 피로 응력이 가해지면, 시험편에 열이 발생하여 시간이 지남에 따라 시험편의 온도가 급격히 상승하게 되는데, 이러한 시험편의 온도 상승은 피로 시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있다. 이에 따라, 피로시험장치에서 시험편의 온도가 일정 범위 내에서 유지되도록 하는 것이 중요한데, 이를 위해 통상 피로시험장치에는 시험편을 공랭식 및/또는 수랭식으로 냉각시키기 위한 냉각 장치가 구비될 수 있다.
그런데, 이러한 냉각 장치에 의한 시험편의 인위적인 냉각은 피로 시험의 신뢰성에 또 다른 문제점을 야기할 수 있으며, 냉각 장치의 설치로 인해 전체 피로시험장치의 구성이 복잡해지고 에너지 소모가 크다는 문제점이 있다. 또한, 냉각 장치의 성능에 따라 다르겠지만, 경우에 따라서는 냉각 장치만으로는 임계온도 이상으로 상승한 시험편의 온도를 요구되는 설정온도로 떨어뜨릴 수 없는 상황이 발생할 수도 있다.
본 발명의 목적은, 간단한 구성을 갖는 크랙 검출 시스템을 구현할 수 있으면서도 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 신속하고 정확하게 확인할 수 있는 초고주기 피로시험장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 시험편에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동 발생유닛; 상기 진동 발생유닛을 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력 발생기; 및 상기 시험편의 전기적 저항의 변화에 기초하여 상기 시험편에서 발생하는 크랙을 검출하는 크랙 검출유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치에 의해 달성된다.
상기 피로시험장치는, 상기 시험편의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 시험편의 온도의 변화에 기초하여 상기 전력 발생기의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어하는 구동 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 측정부는, 비접촉식 적외선 온도계를 포함할 수 있다.
상기 구동 제어부는, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 시험편의 온도가 미리 설정된 임계온도를 초과하면 상기 전력 발생기의 작동을 중단하고, 상기 시험편의 온도가 미리 설정된 작동온도로 떨어지면 상기 전력 발생기의 작동을 재개할 수 있다.
상기 구동 제어부는, 상기 전력 발생기가 작동 구간과 휴지 구간을 반복하는 과정에서, 상기 작동 구간별 시간, 상기 휴지 구간별 시간 및 상기 작동 구간의 횟수 중 적어도 하나에 관한 데이터를 기록할 수 있다.
상기 크랙 검출유닛은, 상기 시험편에 일정한 전류를 인가하는 전류 인가부;
상기 시험편에 걸리는 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압값과 상기 전류 인가부에 인가된 전류값으로부터 상기 시험편의 저항값을 도출하고, 상기 저항값을 상기 시험편의 초기 저항값과 비교하여 상기 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 검출하는 크랙 검출부를 포함할 수 있다.
상기 전압 측정부는, 적어도 마이크로볼트(㎶) 단위로 전압 측정이 가능한 마이크로 전압계(micro-voltmeter)로 마련될 수 있다.
상기 전압 측정부는, 나노볼트(㎵) 단위로 전압 측정이 가능한 나노 전압계(nano-voltmeter)로 마련될 수 있다.
상기 피로시험장치는, 상기 시험편의 일단부를 상기 진동 발생유닛에 연결하고 상기 시험편을 상기 진동 발생유닛에 대해 전기적으로 절연시키는 제1 절연 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 피로시험장치는, 상기 시험편의 타단부를 상기 진동 발생유닛과 대향하도록 배치된 고정체에 연결하고 상기 시험편을 상기 고정체에 대해 전기적으로 절연시키는 제2 절연 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 크랙 검출유닛은, 상기 시험편의 양단부에 마련되어 상기 시험편과 상기 전류 인가부를 전기적으로 연결하는 제1 측정 단자 및 제2 측정 단자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 측정 단자는, 상기 제1 절연 커넥터에 의해 상기 진동 발생유닛과 이격된 상태로 상기 시험편에 대해 고정되고, 상기 제2 측정 단자는, 상기 제2 절연 커넥터에 의해 상기 고정체와 이격된 상태로 상기 시험편에 대해 고정될 수 있다.
상기 제1 절연 커넥터는, 상기 제1 측정 단자를 관통하여 상기 시험편과 상기 진동 발생유닛을 상호 연결하고, 상기 제2 절연 커넥터는, 상기 제2 측정 단자를 관통하여 상기 시험편과 상기 고정체를 상호 연결할 수 있다.
상기 진동 발생유닛은, 압전 소자가 구비된 압전 변환기; 및 상기 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 상기 시험편에 전달하는 증폭 혼을 포함할 수 있다.
상기 진동 발생유닛은, 자기변형소자가 구비된 자기변형 변환기를 포함할 수 있다.
상기 자기변형소자는, 터페놀-디(Terfenol-D)일 수 있다.
본 발명은, 초고주기 피로시험장치에서 시험편의 전기적 저항의 변화에 기초하여 시험편에서 발생하는 크랙을 검출함으로써, 간단한 구성을 갖는 크랙 검출 시스템을 구현할 수 있으면서도 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 신속하고 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은, 시험편의 온도의 변화에 기초하여 피로시험장치의 구동 전력을 공급하는 전력 발생기의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어함으로써, 시험편을 냉각시키기 위한 별도의 냉각 장치를 설치하지 않고서도 혹은 냉각 장치를 설치하였더라도 그 사용을 최소화하면서도, 피로 시험 과정에서 시험편의 온도가 일정 범위 내에서 유지되도록 하여 결과적으로 피로 시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 'A' 영역에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 전력 발생기의 온(ON)/오프(OFF) 구동 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
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 초고주기 피로시험장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 'A' 영역에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 시험편(S)에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동 발생유닛(110)과, 진동 발생유닛(110)을 구동시키기 위한 전력 발생기(120)와, 시험편(S)의 전기적 저항의 변화에 기초하여 시험편(S)에 발생하는 크랙(crack)을 검출하는 크랙 검출유닛(130)을 포함한다.
진동 발생유닛(110)은 전력 발생기(120)에 의해 소정의 전력이 인가되면 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 발생시킨다. 이때, 진동 발생유닛(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수가 높을수록 주어진 피로시험에 소요되는 시간이 단축되므로, 진동 발생유닛(110)은 초음파 범위에 속하는 진동을 발생시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 진동 발생유닛(110)은 20 내지 100 kHz 범위의 주파수를 갖는 진동을 발생시킬 수 있다. 다만, 진동 발생유닛(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수는 전술한 주파수 범위에 한정되는 것은 아니다.
진동 발생유닛(110)은 도 1에 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.
한편, 진동 발생유닛(110)은, 본 실시예와 다르게, 압전 변환기(111) 대신에 자기변형 변환기(magnetostrictive transducer)를 포함할 수 있다. 자기변형 변환기는 자기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 자기변형소자(magnetostrictive device)를 포함하여 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 발생시킨다. 여기서, 자기변형소자는 전술한 압전 소자와 함께 구동 에너지에 의해 발생하는 고체의 탄성 변형을 출력으로 이용하는 고체변위소자 중 하나로, 자기적 에너지를 기계적인 에너지(변위 혹은 응력 등)로 변환하는, 즉 주위에 자계가 인가되면 전체 에너지를 최소로 보존하기 위하여 길이가 변화하는 특성을 갖는 소자로서, 현재 선형모터, 미소변위조절, 센서 등의 분야에서 극히 제한적으로 사용되고 있다. 이러한 자기변형소자는 압전 소자에 비해 변위가 크고 에너지 밀도가 매우 높으며 넓은 주파수 범위에서 사용 가능하다. 즉, 자기변형소자는 압전 소자에 비해 즉 낮은 입력 전력으로 큰 변위를 얻을 수 있으며 발생하는 진동의 주파수를 다양하게 설정할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 자기변형 변환기는 증폭 혼(113)이 필수적으로 요구되는 압전 변환기(111)와 다르게, 증폭 혼(113)을 선택적으로 사용할 수 있다는 이점도 있다. 한편, 자기변형소자로는 터페놀-디(Terfenol-D)를 사용하는 것이 바람직하다. 터페놀-디는 가장 대표적인 자기변형소자로, Tbx Dy1-x Fey 의 화학식(x = 0.27 ~ 0.3, y = 1.9 ~ 2.0)을 갖는 단결정 합금이다. 이러한 터페놀-디는 상당히 넓은 주파수대역에서 거의 일정하고 큰 변위를 발생시킬 수 있으며 응답 속도가 수 ㎲ 정도로 매우 빠르다는 이점이 있다. 또한, 터페놀-디는 상당히 긴 시간 동안 사용해도 피로 현상이 일어나지 않으므로 동작 특성을 오랜 시간 동안 일정하게 유지시킬 수 있으며, 공진 주파수대를 이용하면 훨씬 큰 변위를 얻을 수도 있다.
이러한 자기변형소자가 구비된 자기변형 변환기는, 전술한 압전 변환기(111)와 마찬가지로, 전력 발생기(120)와 전기적으로 연결되어 전력 발생기(120)로부터 소정의 전력을 인가받도록 구성된다. 자기변형 변환기에 전력이 인가되면, 막대 형상의 자기변형소자의 주위에 자계가 형성되고, 형성된 자계에 의해 자기변형소자는 그 길이가 변화하여 기계적인 진동을 발생시킨다. 이를 위해 자기변형 변환기는 자기변형소자의 주위에 자계를 형성하기 위한 수단, 예컨대 자기변형소자를 에워싸는 코일 등을 포함할 수 있다.
전력 발생기(120, power generator)는 도 1에 도시된 바와 같이 진동 발생유닛(110)을 구동시키기 위한 전력을 공급하는 장치이다. 즉, 전력 발생기(120)는 진동 발생유닛(110)의 압전 변환기(111)에 소정의 전력을 인가하여 압전 변환기(111)가 기계적 진동을 발생하도록 한다. 한편, 전력 발생기(120)는 진동 발생유닛(110)에 인가되는 전력의 특성, 예컨대 전력의 주파수 및 크기 등을 피로 시험의 조건에 따라 변경할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 전력 발생기(120)는 상용화된 제품으로 잘 알려져 있는바, 그 세부 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
크랙 검출유닛(130)은 시험편(S)의 전기적 저항의 변화에 기초하여 시험편(S)에서 발생하는 크랙을 검출하는 구성요소이다. 구체적으로, 크랙 검출유닛(130)은 도 1에 도시된 바와 같이 전류 인가부(131), 전압 측정부(133) 및 크랙 검출부(135)를 포함할 수 있다.
전류 인가부(131)는 시험편(S)에 일정하고 안정화된 전류를 인가한다. 전류 인가부(131)는 도 1에 도시된 바와 같이 시험편(S)의 양단부와 전선(wire) 등을 통해 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 시험편(S)의 앙단부에는 전류 인가부(131)로부터 인출되는 전선 등이 접속 가능한 한 쌍의 측정 단자(137,138)가 마련될 수 있다. 즉, 크랙 검출유닛(130)은 시험편(S)의 양단부에 마련되어 시험편(S)과 전류 인가부(131)를 전기적으로 연결하는 제1 측정 단자(137) 및 제2 측정 단자(138)를 더 포함할 수 있다. 이때, 측정 단자(137,138)는 구리, 알루미늄 등의 전기가 잘 통하는 도체로 제작된다. 한편, 첨부된 도면에는 명확히 도시되지 않았지만, 전류 인가부(131)로부터 인출되는 전선 등은 본딩(bonding) 방식이나 핀 잭(pin jack) 방식 등으로 측정 단자(137.138)에 접속될 수 있다.
이러한 전류 인가부(131)는 일정한 전류를 공급할 수 있도록 구성된 상용화된 파워 서플라이(stabilized constant-current power supply)로 제공될 수 있다.
전압 측정부(133)는 시험편(S)에 걸리는 전압을 실시간으로 측정한다. 즉, 전압 측정부(133)는 도 1에 도시된 바와 같이 시험편(S)의 양단 사이의 전압을 측정하도록 구성된다. 통상, 시험편(S)은 금속 재질의 도체로 전기적인 저항이 매우 작기 때문에, 전류 인가부(131)에 의해 전류가 인가되더라도 시험편(S)에 걸리는 전압의 크기는 매우 작은 값을 갖는다. 이에 따라, 시험편(S)에 크랙이 발생하고 이후 성장함에 따라 변화하는 시험편(S)의 전기적 저항의 차이를 확인하기 위해서, 전압 측정부(133)는 적어도 마이크로볼트(㎶) 단위로 전압 측정이 가능한 마이크로 전압계(micro-voltmeter)로 마련되는 것이 바람직하며, 더 나아가 나노볼트(㎵) 단위로 전압 측정이 가능한 나노 전압계(nano-voltmeter)로 마련되는 것이 더 바람직하다.
크랙 검출부(135)는 전압 측정부(133)에 의해 측정된 전압값과 전류 인가부(131)에 의해 인가되는 전류값으로부터 시험편(S)의 실시간 저항값을 도출할 수 있다. 이때, 크랙 검출부(135)는 옴의 법칙(Ohm's law)을 사용하여 시험편(S)의 실시간 저항값을 도출할 수 있다. 그리고, 크랙 검출부(135)는 도출된 실시간 저항값을 시험편(S)의 초기 저항값과 비교하여 시험편(S)에서 크랙의 발생 및 성장을 검출할 수 있다. 이러한 크랙 검출부(135)는 디지털 신호 프로세서(DSP : Digital Signal Processor), 마이크로 프로세서(Micro Processor), 마이크로 컨트롤러(Micro Controller) 등이 될 수 있으며, 소프트웨어(software) 또는 펌 웨어(firmware)로 구현될 수도 있다.
일반적으로, 피로 시험 진행 중에 시험편(S)의 전기적 저항은 시험편(S)에 크랙이 발생하기 전까지는 실질적으로 초기 저항값을 유지하다가 크랙 발생 시점에 저항값이 소정의 크기로 계단 상승하고, 크랙 발생 후 크랙의 길이 혹은 면적이 성장함에 따라 저항값이 점차 증가하는 현상을 보인다. 예컨대, 401μΩ의 초기 저항값을 갖는 알루미늄 재질의 시험편(S)에 대해 피로 시험을 수행한 결과, 시험편(S)은 크랙 발생 시점에 405μΩ의 저항값을 가지고, 크랙 발생 후 그 저항값이 지속적으로 증가하다가 역학적 크랙 확인 시점에 492μΩ의 저항값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 피로 시험 과정에서 시험편(S)의 저항값 변화에 관한 데이터는 시험편(S)에서 크랙의 발생 시점, 크랙의 성장 혹은 전파 과정을 확인하기 위한 데이터로서 활용될 수 있다.
본 발명에서 크랙 검출유닛(130)은 위와 같이 시험편(S)의 저항값이 시험편(S)에 크랙이 발생 및 성장함에 따라 변화하는 현상에 기초하여 시험편(S)에서 크랙의 발생 및 성장을 검출하는 것이다. 다시 말해서, 크랙 검출유닛(130)은 피로 시험 과정에서 전류 인가부(131) 및 전압 측정부(133)와 같은 전기 회로를 통해 변화하는 시험편(S)의 저항값에 관한 데이터를 얻고, 초기 저항값을 기준으로 시험편(S)의 저항값의 증가 비율 등을 분석함으로써, 시험편(S)에서 크랙의 발생 시점, 크랙의 성장 과정 등을 확인할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 절연 커넥터(141) 및 제2 절연 커넥터(142)를 더 포함할 수 있다.
제1 절연 커넥터(141)는 시험편(S)의 일단부를 진동 발생유닛(110)의 증폭 혼(113)에 연결하는 동시에, 시험편(S)을 진동 발생유닛(110)에 대해 전기적으로 절연시킨다. 이때, 전술한 제1 측정 단자(137)는 제1 절연 커넥터(141)에 의해 진동 발생유닛(110)의 증폭 혼(113)과 이격된 상태로 시험편(S)에 대해 접촉 고정될 수 있다. 구체적으로, 제1 절연 커넥터(141)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 측정 단자(137)를 관통하여 시험편(S)과 진동 발생유닛(110)의 증폭 혼(113)을 상호 연결 고정하는 몸체부(141a)와, 몸체부(141a)에서 반지름 방향으로 연장되어 제1 측정 단자(137)를 진동 발생유닛(110)의 증폭 혼(113)에 대해 이격시키는 이격부(141b)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 제1 절연 커넥터(141)의 몸체부(141a)는 대략 원기둥 형상으로 나사 결합 방식에 의해 시험편(S)과 진동 발생유닛(110)의 증폭 혼(113)을 상호 연결하고, 이격부(141a)는 원형 플레이트 형상을 갖는다. 다만, 제1 절연 커넥터(141)의 형상 및 결합 방식 등은 적절히 변경될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 제1 절연 커넥터(141)의 몸체부(141a)와 이격부(141b)는 일체로 형성되지만, 이와 다르게 별도로 형성되어 상호 결합할 수 있다. 한편, 제1 절연 커넥터(141)는 플라스틱 등의 절연 재질로 제작된다.
제2 절연 커넥터(142)는 시험편(S)의 타단부를 진동 발생유닛(110)과 대향하도록 배치된 고정체(150)에 연결하는 동시에, 시험편(S)을 고정체(150)에 대해 전기적으로 절연시킨다. 이때, 전술한 제2 측정 단자(138)는 제2 절연 커넥터(142)에 의해 고정체(150)와 이격된 상태로 시험편(S)에 대해 접촉 고정될 수 있다. 구체적으로, 제2 절연 커넥터(142)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제2 측정 단자(138)를 관통하여 시험편(S)과 고정체(150)를 상호 연결 고정하는 몸체부(142a)와, 몸체부(142a)에서 반지름 방향으로 연장되어 제2 측정 단자(138)를 고정체(150)에 대해 이격시키는 이격부(142b)를 포함할 수 있다. 한편, 제2 절연 커넥터(142)는 전술한 제1 절연 커넥터(141)와 실질적으로 동일한 구조를 가지므로, 그 세부 구조에 대해서는 제1 절연 커넥터(141)에 대한 설명을 준용하기로 한다.
이처럼, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는 위와 같은 구성을 갖는 제1 및 제2 절연 커넥터(141,142)를 통해 시험편(S)을 진동 발생유닛(110)과 고정체(150)에 대해 연결하는 동시에 절연시킴으로써, 크랙 검출유닛(130)의 전류 인가부(131)에 의해 시험편(S)에 인가되는 전류가 진동 발생유닛(110) 및 고정체(150) 쪽으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 크랙 검출유닛(130)은 크랙의 발생 및 성장을 검출하기 위한 기초가 되는 시험편(S)의 저항값에 대해 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)는, 시험편(S)의 전기적 저항의 변화에 기초하여 시험편(S)에서 발생하는 크랙을 검출함으로써, 간단한 구성을 갖는 크랙 검출 시스템을 구현할 수 있으면서도 시험편(S)에서 크랙의 발생 및 성장을 신속하고 정확하게 확인할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하며 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치를 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3의 전력 발생기의 온(ON)/오프(OFF) 구동 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(200)는, 시험편(S)에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동 발생유닛(110)과, 진동 발생유닛(110)을 구동시키기 위한 전력 발생기(120)와, 시험편(S)의 전기적 저항의 변화에 기초하여 시험편(S)에 발생하는 크랙(crack)을 검출하는 크랙 검출유닛(130)과, 시험편(S)의 온도를 측정하는 온도 측정부(210)와, 온도 측정부(210)에 의해 측정된 시험편(S)의 온도의 변화에 기초하여 전력 발생기(120)의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어하는 구동 제어부(220)를 포함한다.
본 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(200)는 온도 측정부(210)와 구동 제어부(22)가 추가된다는 점을 제외하고, 전술한 실시예에 따른 초고주기 피로시험장치(100)의 구성과 실질적으로 동일하므로, 그 동일한 구성에 대해서는 동일한 동면부호를 부여하였으며, 그에 대한 설명은 전술한 실시예를 준용하기로 한다.
온도 측정부(210)는 도 3에 도시된 바와 같이 시험편(S)과 인접한 영역에 설치되어 피로 시험 중 변화하는 시험편(S)의 온도를 측정한다. 온도 측정부(210)는 접촉 방식으로 시험편(S)의 온도를 측정하도록 구성될 수도 있지만, 시험편(S)에 온도 측정을 위한 부품이 직접 부착되는 경우에는 피로 시험의 결과 혹은 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으므로, 비접촉식 방식으로 시험편(S)의 온도를 측정하도록 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 온도 측정부(210)는 비접촉 방식의 적외선 온도계로 마련되는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 온도 측정부(210)는 적외선 온도계에 한정되는 것은 아니고, 다양한 방식의 온도계 또는 온도 센서가 적용될 수 있음은 물론이다.
구동 제어부(220)는 온도 측정부(210)에 의해 측정된 시험편(S)의 온도의 변화에 기초하여 전력 발생기(120)의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어한다. 이를 위해, 구동 제어부(220)는 온도 측정부(210)로부터 시험편(S)의 온도에 관한 데이터를 수신하고 온(ON)/오프(OFF) 구동에 관한 제어신호를 전력 발생기(120)에 전송하도록 구성된다. 구체적으로, 구동 제어부(220)는 온도 측정부(210)에 의해 측정된 시험편(S)의 온도가 미리 설정된 임계온도(Tth)를 초과하면 전력 발생기(120)의 작동을 중단하고, 시험편(S)의 온도가 미리 설정된 작동온도(Top)로 떨어지면 전력 발생기(120)의 작동을 재개할 수 있다. 여기서, 임계온도(Tth)와 작동온도(Top)는 시험편(S)의 재질, 시험편(S)의 온도 상승이 피로 시험의 신뢰성에 미치는 영향의 정도 등을 고려하여 시험자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, 임계온도(Tth)는 100 ℃, 작동온도(Top)는 80 ℃로 선택될 수 있다. 결과적으로, 전력 발생기(120)는 구동 제어부(220)에 의해 시험편(S)의 온도 변화에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 작동 구간과 휴지 구간을 반복하게 된다. 여기서, 휴지 구간은 전력 발생기(120)의 작동이 중단된 상태가 유지되는 구간으로, 휴지 구간에서는 진동 발생유닛(110)에 전력이 인가되지 않아 시험편(S)에 피로 응력이 가해지지 않게 된다. 이에 따라, 피로 시험 과정에서 시험편(S)의 온도는 일정 범위 내에서 유지될 수 있다.
일반적으로, 피로 시험에서 시험편(S)에 지속적인 피로 응력이 가해지면, 시험편(S)에 열이 발생하여 시간이 지남에 따라 시험편(S)의 온도가 상승하게 된다. 이러한 시험편(S)의 온도 상승은 피로 시험의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있으므로, 피로 시험 과정에서 시험편(S)의 온도가 일정 범위 내에서 유지되도록 하는 것이 중요하다.
이러한 측면에서, 본 실시예에 따른 피로시험장치(200)는 전술한 바와 같이 온도 측정부(210)와 구동 제어부(220)를 통해 시험편(S)의 온도의 변화에 기초하여 전력 발생기(120)의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어함으로써, 시험편(S)을 냉각시키기 위한 별도의 냉각 장치를 설치하지 않고서도 혹은 냉각 장치를 설치하였더라도 그 사용을 최소화하면서도, 피로 시험 과정에서 시험편(S)의 온도가 일정 범위 내에서 유지되도록 하여 결과적으로 피로 시험의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 구동 제어부(220)는 전술한 바와 같이 전력 발생기(120)가 작동 구간과 휴지 구간을 반복하는 과정에서, 도 4에 도시된 바와 같이 작동 구간별 시간(ton_1, ton_2, ton_3, ... ,ton_N), 휴지 구간별 시간(toff_1, toff_2, ... ,toff_N-1) 및 작동 구간의 횟수(N) 등에 관한 데이터를 기록하는 것이 바람직한데, 이러한 데이터는 시험편(S)에 대한 피로 특성을 분석하는데 중요한 자료로 활용될 수 있다. 참고로, 실험에 의하면 작동 구간에 대한 휴지 구간의 시간 비율(toff/ton)은 4.0을 초과하지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.
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.
본 발명은 시험편(specimen)에 진동을 인가하여 피로 시험을 수행하는 피로시험장치 등의 분야에 이용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 시험편에 미리 정해진 주파수를 갖는 진동을 인가하는 진동 발생유닛;
    상기 진동 발생유닛을 구동시키기 위한 전력을 공급하는 전력 발생기; 및
    상기 시험편의 전기적 저항의 변화에 기초하여 상기 시험편에서 발생하는 크랙을 검출하는 크랙 검출유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피로시험장치는,
    상기 시험편의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
    상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 시험편의 온도의 변화에 기초하여 상기 전력 발생기의 온(ON)/오프(OFF) 구동을 제어하는 구동 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도 측정부는,
    비접촉식 적외선 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 구동 제어부는,
    상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 시험편의 온도가 미리 설정된 임계온도를 초과하면 상기 전력 발생기의 작동을 중단하고, 상기 시험편의 온도가 미리 설정된 작동온도로 떨어지면 상기 전력 발생기의 작동을 재개하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 제어부는,
    상기 전력 발생기가 작동 구간과 휴지 구간을 반복하는 과정에서, 상기 작동 구간별 시간, 상기 휴지 구간별 시간 및 상기 작동 구간의 횟수 중 적어도 하나에 관한 데이터를 기록하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 크랙 검출유닛은,
    상기 시험편에 일정한 전류를 인가하는 전류 인가부;
    상기 시험편에 걸리는 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압값과 상기 전류 인가부에 인가된 전류값으로부터 상기 시험편의 저항값을 도출하고, 상기 저항값을 상기 시험편의 초기 저항값과 비교하여 상기 시험편에서 크랙의 발생 및 성장을 검출하는 크랙 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    적어도 마이크로볼트(㎶) 단위로 전압 측정이 가능한 마이크로 전압계(micro-voltmeter)로 마련되는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    나노볼트(㎵) 단위로 전압 측정이 가능한 나노 전압계(nano-voltmeter)로 마련되는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 피로시험장치는,
    상기 시험편의 일단부를 상기 진동 발생유닛에 연결하고 상기 시험편을 상기 진동 발생유닛에 대해 전기적으로 절연시키는 제1 절연 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피로시험장치는,
    상기 시험편의 타단부를 상기 진동 발생유닛과 대향하도록 배치된 고정체에 연결하고 상기 시험편을 상기 고정체에 대해 전기적으로 절연시키는 제2 절연 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 크랙 검출유닛은,
    상기 시험편의 양단부에 마련되어 상기 시험편과 상기 전류 인가부를 전기적으로 연결하는 제1 측정 단자 및 제2 측정 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 측정 단자는, 상기 제1 절연 커넥터에 의해 상기 진동 발생유닛과 이격된 상태로 상기 시험편에 대해 고정되고,
    상기 제2 측정 단자는, 상기 제2 절연 커넥터에 의해 상기 고정체와 이격된 상태로 상기 시험편에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 절연 커넥터는, 상기 제1 측정 단자를 관통하여 상기 시험편과 상기 진동 발생유닛을 상호 연결하고,
    상기 제2 절연 커넥터는, 상기 제2 측정 단자를 관통하여 상기 시험편과 상기 고정체를 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 진동 발생유닛은,
    압전 소자가 구비된 압전 변환기; 및
    상기 압전 변환기에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 상기 시험편에 전달하는 증폭 혼을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 진동 발생유닛은,
    자기변형소자가 구비된 자기변형 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 자기변형소자는,
    터페놀-디(Terfenol-D)인 것을 특징으로 하는 초고주기 피로시험장치.
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