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문제 정의
- 멜론의 경도에 따른 충격신호의 특성을 구명하기 위하여타격을 가할 때 충격력에 따른 타격센서의 반응과 멜론 고정용 받침대가 멜론의 충격신호특성에 어떤 영향을 미치는 가를 구명하기 위하여 타격조건을 변화시켜 가며 실험을 하였다. 진자의 타격각도를 30。에서 90。까지 10。씩 변화를 주면서 타격력의 변화에 대한 멜론의 진동특성을 분석하였고 고정용 받침대(직경 150 mm)는 오목 반구형으로 플라스틱, 고무, 점토 등 3종류의 재료에 대한 영향을 조사하였으며, 공시재료에 대한 물성측정은 직경, 질량, 체적, 경도 및 당도를 측정하였다.
- 가진기로 진동시키는 경우 정현파 진동보다는 임의 진동이 더 좋은 재현성이 있었다고 하였다. 본 연구는 멜론의 경도를 비파괴적으로 측정하기 위한 기술 중 충격신호를 이용하는 기술을 개발코자 멜론을 타격하였을 때 발생하는 충격신호 계측 시스템을 구성하고 분석프로그램을 개발하며, 타격조건과 멜론의 물성이 충격 신호에 미치는 영향을 구명하여 충격신호특성과 멜론 경도와의 상관관계를 분석하고자 수행되었다.
- 본 연구에서도 이러한 충격특성들과 멜론의 경도와의 관계를 분석하였다. 진동센서에 의하여 계측된 충격신호의 전달시간과 경도와의 관계를 그림 13에 나타내었다.
제안 방법
- 경도의 측정에 사용된 시편은 타격 및 진동신호를 측정한 부위, 적도부를 중심으로 약 상하 20 mm의 두께로 절단한 후, 껍질과 과육의 경계지점으로 멜론의 생물체 파괴점이 비교적 균일하게 측정되는 것으로 판단되는 표피로부터 중심 쪽으로 15 mm에 위치한 8개 지점에 대하여 직경 6 mm 플런저(plunger probe, P6, 6 mm dia cylinder stainless)를 이용하여 ASAE Standard (S368.2 1995)의 청과물에 대한 하중재하속도 범위인 24 mm/min 속도로 압축시험을 실시하여 파괴점의 평균값을 경도 값으로 하였다. 당도는 경도를 측정한 시료를 즙내어 디지털 굴절당도계(DBX-55, ATAGO, Japan) 로측정하였다.
- 2 1995)의 청과물에 대한 하중재하속도 범위인 24 mm/min 속도로 압축시험을 실시하여 파괴점의 평균값을 경도 값으로 하였다. 당도는 경도를 측정한 시료를 즙내어 디지털 굴절당도계(DBX-55, ATAGO, Japan) 로측정하였다.
- 두 센서의 시간파형을 퓨리에 변환을 통해 주파수 형태의 스펙트럼으로 살펴보면, 타격 센서는 전원 노이즈인 60 Hz, 진동센서는 실험 매질에 접촉해 있을경우 실험 테이블 위에 있는 PC의 진동 및 전원에 의하여 그림 3에서와 같이 30 Hz, 60 Hz 주파수 성분의 노이즈가 발생하였다. 따라서 매질의 상태를 알기 위한 유효데이터는 1 kHz이내에 있기 때문에 위의 두 가지의 노이즈 약 60 Hz와 1 kHz이상의 노이즈를 제거하기 위해 IIR(Infinite Impulse Response) Filter를 설계하였으며, HR Filter를 통과한 후 센서의 노이즈가 대부분 제거된 형태를 그림 4에서와 같이 확인할 수 있었다.
- 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 멜론을 타격하여발생된 힘이 반대편의 진동센서에 전달될 때 멜론의 질량에따른 진동특성을 살펴보기 위해 질량 1.2〜2.5 kg 범위의 멜론 40개에 대하여 충격신호 특성을 분석하였다. 멜론의 질량에따른 타격센서의 반응을 그림 12에 나타내었다.
- 멜론을 타격하였을 때 발생되는 충격신호 특성을 구명하기위하여 타격조건에 따른 멜론의 타격 및 진동특성을 분석하고, 공시재료의 물성변화에 따른 충격신호 특성을 구명하였으며, 그 결과를 요약하-면 다음과 같다.
- 분석하였다. 분석에 적용하였던 요인들은 멜론의 질량, 충격신호의 전달시간, 타격센서에 의한 충격신호의 진폭, 충격신호의 최고 피크주파수, 충격신호의 전달시간을 질량으로 나누어 정규화 시킨 전달시간, 경도지수 1, 2등이었으며분석은 회귀분석용 패키지인 Datai5t(Oakdale Engineering Co., ver.8.2)를 이용하였다.
- 진자의 타격각도를 30。에서 90。까지 10。씩 변화를 주면서 타격력의 변화에 대한 멜론의 진동특성을 분석하였고 고정용 받침대(직경 150 mm)는 오목 반구형으로 플라스틱, 고무, 점토 등 3종류의 재료에 대한 영향을 조사하였으며, 공시재료에 대한 물성측정은 직경, 질량, 체적, 경도 및 당도를 측정하였다. 경도즉정은 Texture Analyzer(TA-XT2i, Stable micro systems, England)# 사용하였다.
- 앞에서는 멜론의 경도와 관계가 높은 것으로 판단되었던요인들과 경도 각각에 대하여 단순 상관관계를 비교분석하였으나 여기서는 멜론의 경도와 이들 요인들간의 관계를 종합적으로 분석하였다. 분석에 적용하였던 요인들은 멜론의 질량, 충격신호의 전달시간, 타격센서에 의한 충격신호의 진폭, 충격신호의 최고 피크주파수, 충격신호의 전달시간을 질량으로 나누어 정규화 시킨 전달시간, 경도지수 1, 2등이었으며분석은 회귀분석용 패키지인 Datai5t(Oakdale Engineering Co.
- 여기에서 고려하였던 요인들 중 충격신호의 전달시간은 전달속도를 적용하는 것이 합리적이 겠으나 경도측정시스템의 단순화를 위하여 기본적으로 구성되는 질량측정센서를 이용하여 전달시간을 질량으로 나누어 정규화시킴으로써 전달속도의 효과를 나타내도록 하였다. 이것은 멜론과 같은 청과물은 질량과 직경 간에 매우 높은 상관관계가 있으므로 직경대신 질량으로 전달시간을 나누어 준 것도 개념은 속도가 아니지만, 효과는 속도와 유사할 것으로 생각되기 때문이다.
- 충격신호 데이터를 수집하기 위하여 일정한 각도를 유지하는 높이에서 타격부(진자 길이 250 mm)를 자유낙하 시켜 공시재료를 1회에 한하여 타격토록 하고 타격센서에서 가한 충격 신호와 멜론을 통과하여 전달되는 임펄스(Impulse) 신호를 진동 센서로 검출한 후 프리앰프(Pre-amplifier)에서 증폭시키고 A/D변환기(NI PCI-6221, National Instruments)로 데이터를 수집하였다. 샘플링 데이터는 1024점(샘플링 Rate 7.
- 타격 환(#)의 낙하각을 7수준(30。, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90。)으로 하여 타격력을 변화시키면서 멜론을 타격하여 타격 센서 및 진동센서에서 계측한 타격 및 진동신호의 시간 영역 파형 및 주파수영역에서의 스펙트럼을 그림 10과 11에 각각 나타내었다. 진자의 타격각도 즉 타격력이 커질수록 타격 센서와 진동센서의 시간 및 주파수 파형의 진폭이 비례해서 증가하였으나, 공진주파수는 거의 동일하게 나타났다.
- 타격장치에 의하여 멜론에 일정하게 가해진 타격력에 대한 반응 신호와 발생되는 진동신호를 계측하기 위하여 타격장치, 타격센서, 진동센서 및 AAD변환기와 데이터 수집 및 분석을 위한 컴퓨터로 측정시스템을 구성하였다. 타격력의 변화에 따른 충격신호의 응답 특성분석을 위한 진자의 타격각도 변경시험 장치는 그림 1에서 보는 바와 같으며 타격센서는 그림 2 (a) 에서와 같이 아크릴 구에 직경 45 mm 플라스틱 환 (#)을 접합하고 타격접점 내면에 압전필름센서를 접합 제작 하였다.
대상 데이터
- 멜론의 경도에 따른 타격센서의 반응과 멜론을 투과하여 전달된 신호에 의한 진동특성을 살펴보기 위하여 적기수확 10일 전의 미숙과 20개, 적숙과 20개, 수확후 10일된 후숙과 20개를 사용하였다. 충격특성들인 충격신호의 전달시간, 타격에 의하여 발생되는 신호의 진폭, 최고 피크주파수, 경도지수 (firmness index, f%i, f2m"*)등은 청과물 경도와 매우 높은 상관관계가 있다고 많은 연구자들에 의하여 보고되어 있다(Abbott 등, 1995; Sugiyama 등, 1998).
- 수집하였다. 샘플링 데이터는 1024점(샘플링 Rate 7.5 kHz) 이었으며 계측과 동시에 컴퓨터의 하드디스크에 저장을 하였다.
- 타격에 의한 멜론의 응답 신호특성을 분석하기 위해 2007 년 1월과 3월에 경남 진주시 진양농협에서 출하한 멜론(Super VIP) 20개씩을 시중에서 구입하여 각각 사용하였다 또한 미숙, 적숙 및 후숙 과정의 멜론에 대한 충격신호특성을 분석하기 위하여 2007년 3월 5일, 3월 15일에 걸쳐 전남 나주시 세지면 농가에서 재배된 Harmony 품종으로 착과 후 40일된멜론 20개, 50일된 멜론 40개로 구분하여 총 60개를 현지 방문 구입하여 실험에 사용하였으며, 수확후 경과일에 따른 경도변화를 조사하기 위하여 온도 18℃, 습도 40% 조건에 보관하면서 시험하였다. 실험에 사용된 공시재료의 기본적인 물성은 표 1과 같다.
이론/모형
- 공시재료에 대한 타격 및 진동신호를 분석하기 위한 계측분석프로그램을 Labview 7.1 (National Instrument, Inc.)을 이용하여 개발하였으며, 이 프로그램은 진자가 멜론을 타격할때 타격센서의 신호와 반대편에 전달된 진동을 감지하는 진동센서의 신호를 그림 5에서와 같이 동시에 받아들여 각각의주파수 신호 스펙트럼을 화면에 나타내 준다. 이 신호들은 동시에 하드디스크에 저장되고, 타격센서의 진폭값, 진동신호의전파시간을 추출하고, 진동센서 신호를 주파수 스펙트럼으로변환한 후 최대 피크Qeeak)의 주파수를 추출할 수 있다.
성능/효과
- (1) 멜론의 숙도가 수확적기에 다다를수록 밀도 및 당도는 높게 나타났으며, 경도는 수확적기보다 수확 전이 높았으며, 수확 후에는 낮아지는 것으로 나타났다.
- (2) 멜론에 타격을 가할 때 자세유지를 위해 설치한 받침대의 재질은 플라스틱, 고무, 점토 등 3종류이었으며 이들 받침대 간에는 타격이나 진동신호의 피크주파수나 진폭의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- (3) 타격력에 따른 타격 및 진동신호의 특성을 분석한 결과, 진자의 타격각도 즉 타격력이 커질수록 타격센서와 진동센서의 시간 및 주파수 파형의 진폭이 비례해서 증가하였으나, 공진주파수는 거의 동일하게 나타났으므로신호의 크기와 타격력에 따른 손상을 고려하여 타격환의 낙하각은 40#로 정하였다.
- (4) 멜론의 경도변화에 따른 충격신호를 분석하였던 결과 타격에 의한 충격신호의 진폭, 충격신호의 전달시간, 충격신호의 최고 피크주파수, 경도지수 l(/ 12 m), 경도지수 2#)등이 경도에 큰 영향을 미치는 요인들로 분석되었다.
- (5) 멜론의 경도를 추정할 수 있는 모델을 개발하기 위하여충격신호분석을 통하여 얻은 5가지의 요인과 멜론의질량, 전달시간을 질량으로 나누어준 정규화된 전달시간 등 총 7가지 요인들과 경도와의 상관계수를 분석하였던 결과 충격신호의 진폭에서 0.90기로 가장 높았으며, 그 다음은 경도지수 1, 경도지수 2, 전달시간, 최고피크주파수, 정규화된 전달시간 순이었으며 멜론의 질량에서는 -0.0846으로 경도와 거의 상관관계가 없는 것으로 분석되었다.
- (b)에 나타내었다. 그림 9의 (a)에서 보는 바와 같이 시간영역에서 받침대 간의 타격이나 진동신호의 피크주파수나 진폭의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 그러나 주파수 영역에서 FFT의 결과 그림 9의 (b)에서와 같이 타격신호는 플라스틱과 점토 받침대에서는 유사한 피크주파수와 진폭 값을 보이고 있으나, 고무받침대에서는 다르게 나타났으며, 진동 신호는 3종류의 받침대 모두 피크주파수는 유사한 주파수대역에서 존재하나, 진폭 값은 플라스틱, 점토 고무 순으로 약간씩 낮게 나타났는데 이러한 현상은 재질의 감쇠계수에 기인한 것으로 판단되었다.
- 여기서 주파수는 타격센서에서 계측된 신호를 FFT하였을 때의 최고피크주파수를 적용하였다. 그림들에서 보는바와 같이 경도지수 1, 2와 멜론의 경도간에는 정비례관계가 있었으며, 회귀식에 대한 결정계수들도 각각 0.8233 및 0.7804으로 비교적 높게 나타났다. 따라서 경도지수들도 멜론의 경도추정에 좋은인자가 될 수 있을 것으로 판단되었다.
- 7804으로 비교적 높게 나타났다. 따라서 경도지수들도 멜론의 경도추정에 좋은인자가 될 수 있을 것으로 판단되었다. 도시된 그래프들에서경도 값 4에서 8까지의 범위내 빈도가 적은 것은 측정기간을 10일 간격으로 한 결과에 의한 것으로 사료된다
- 멜론의 경도가 증가할수록타격환에서 발생되는 진폭도 크게 나타났으며 이들 간의 회귀식에 대한 결정계수도 0.8227로 매우 높게 나타났다. 따라서 타격에 의하여 발생되는 진폭값은 멜론의 경도추정에 중요한 인자중의 하나임을 알 수 있었다.
- 받침대별 진동특성 분석결과는 Chen(1992), Choi 등(2002) 이 수박의 음파특성 연구에서 보고하였던 결과와도 일치하는결과이었으며, 따라서 멜론의 받침대의 재질에 따른 충격신호에 미치는 영향은 매우 작으므로 받침대의 재질은 어느 것으로 하든지 간에 충격 시 멜론이 움직이지 않을 정도면 충분할 것으로 생각되었다.
- 본 연구에서 사용한 타격센서와 진동센서의 경우 아무런 힘이 가해지지 않아도 외부 환경요인에 의해 일정한 형태의 잡음 신호가 발생되었다. 두 센서의 시간파형을 퓨리에 변환을 통해 주파수 형태의 스펙트럼으로 살펴보면, 타격 센서는 전원 노이즈인 60 Hz, 진동센서는 실험 매질에 접촉해 있을경우 실험 테이블 위에 있는 PC의 진동 및 전원에 의하여 그림 3에서와 같이 30 Hz, 60 Hz 주파수 성분의 노이즈가 발생하였다.
- 0846으로 거의 상관관계가 없는 것으로분석되었다. 이상에서 살펴본 바와 같이 멜론의 경도추정은경도와 상관관계가 비교적 높았던 충격신호의 진폭, 경도지수, 전달시간, 최고 피크주파수 등 4개 또는 5개의 요인으로하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
- 나타내었다. 진자의 타격각도 즉 타격력이 커질수록 타격 센서와 진동센서의 시간 및 주파수 파형의 진폭이 비례해서 증가하였으나, 공진주파수는 거의 동일하게 나타났다. 따라서 이후의 실험에서는 낙하각 40。에서 모든 실험을 수행하였다.
- 타격환에 의하여 발생되는 충격신호를 FFT하여 얻을 수 있는 최고 피크주파수와 멜론경도와의 관계는 그림 15에 나타내었다 이들 두 물리량 간에는 서로 정비례하는 관계를 보였으나 회귀식의 결정계수는 약간 낮은 0.5844로 나타났다.
- 나타내었다. 표 3에서 보는 바와 같이 경도는 수확적기 10일 전에는 약 13 N으로 상대적으로 높은 값을 나타내었으며 수확적기를 지나 수확 후 10일에는 경도가 수확전의 약 1/6 수준인 1.8 N으로 급격히 낮아졌음을 알 수 있었다. 이러한 현상은 청과물의 일반적인 경향으로 미숙과에서는 경도가높고 수확 후 상온에서 저장기간이 길어짐에 따라 노화가 촉진되기 때문인 것으로 알려져 있다.
- 이것은 멜론과 같은 청과물은 질량과 직경 간에 매우 높은 상관관계가 있으므로 직경대신 질량으로 전달시간을 나누어 준 것도 개념은 속도가 아니지만, 효과는 속도와 유사할 것으로 생각되기 때문이다. 표 5에서 보는 바와 같이 멜론의 경도와 이들 요인들 간에는 타격센서에 의한 충격신호의 진폭에서 상관계수가 0.9071 로 가장 높게 분석되었으며 그 다음이 경도지수 1(#)이 0.8899, 경도지수 2(#)는 0.8794, 전달시간은 -0.8197, 최고 피크주파수는 0.7645, 정규화된 전달시간은 -0.6864순이었고 질량에서는 -0.0846으로 거의 상관관계가 없는 것으로분석되었다. 이상에서 살펴본 바와 같이 멜론의 경도추정은경도와 상관관계가 비교적 높았던 충격신호의 진폭, 경도지수, 전달시간, 최고 피크주파수 등 4개 또는 5개의 요인으로하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
- 분석하였던 결과를 표 4에 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 멜론의 경도와 당도간의 상관계수가 -0.6377, 밀도간에 -0.5400으로 이들 두 물리량에서만 상관계수가 상대적으로 높게 분석되었다. 그러나 이 정도의 상관으로는 이들 물리량으로 경도를 추정하는 것은 타당치 못한 것으로 판단되었다.
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