[논문]유체 충격 압력 측정용 압전 센서 특징

최영명; 김현이; 박준수; 권순홍; 김동진

유체 충격 압력 측정용 압전 센서 특징
Characteristics of Piezoelectric Sensor for Fluid Impact Pressure 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.6 = no.91, 2009년, pp.17 - 22

최영명 (부산대학교 조선해양공학과) , 김현이 (부산대학교 조선해양공학과) , 박준수 (부산대학교 첨단조선공학연구센터) , 권순홍 (부산대학교 조선해양공학과) , 김동진 (한라대학교 컴퓨터응용설계과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents an investigation of the characteristics of piezoelectric sensors whose main utilization is to measure impact pressure. The piezoelectric sensors were tested from several points of view. Their characteristics were investigated for repeatability, the effect of the diameter, temperature effect, water purity, flush mounting, and AC and DC coupling. Out of these, it was revealed that the temperature effect is very significant. The characteristics of the AC and DC coupling are also very important in understanding the time history of the impact pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

물 온도와 센서 온도가 다르게 되면 실험 결과에 어떠한 영향을 미치는지 온도 효과에 대해서 알아보았다. 실험시 초기 조건으로 물 온도(Water temperature, 이하 WT)와 센서 온도(Sensor temperature, 이하 ST)는 21.
따라서 유체 충격 현상 연구에 있어서 압력 센서는 대단히 중요하며 이들 압력 센서의 특징을 파악하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 실험적 연구를 통한 유체충격 하중 선정에 있어서 매우 중요한 역할을 하는 압력센서의 특징을 살펴보고자 한다. 충격 압력 측정에서는 대부분 압전 센서를 사용하여 충격압력을 측정하게 되나 센서의 특성을 정확하게 파악하지 않으면 잘못된 실험 결과를 얻을 수 있다.
본 연구에서는 압전 압력 센서의 특징에 관하여 연구하였으며 결과는 다음과 같다.

제안 방법

동일한 유체 충격 압력에 대하여 직경이 서로 다른 압력 센서로 압력을 계측함으로서 직경효과(Diameter effect)의 유무에 대한 검증 실험을 수행하였다. 동일한 유체 충격 압력이 서로 다른 직경을 가지는 압력 센서에 동시에 작용할 수 있도록 평판의 시험체에 센서들을 설치하였으며 Fig.
19는 압력 센서의 보정(Calibration)에 사용할 수 있는 공기압 방식의 Metek사의 보정기(Calibrator)이다. 보정기를 이용하여 일정한 압력을 압력 센서에 주입시켜 정압 및 동압을 계측하여 센서의 특성을 살펴보았다.
센서의 반복적인 성능을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험장비는 직경효과에서 사용한 장비와 동일하다.
수조에 담긴 다량의 물(1.6m × 0.31m × 0.3m ≃ 0.149kl)의 온도를 변화시키면서 실험을 수행하는 것은 상당한 어려움이 있어 본 실험에서는 센서 온도를 변화시켜 실험을 하였다.
실험 조건은 0º~9º까지 입수 각도를 바꾸어 가면서 각 5회씩 수행하였다.
충격 압력 측정에서는 대부분 압전 센서를 사용하여 충격압력을 측정하게 되나 센서의 특성을 정확하게 파악하지 않으면 잘못된 실험 결과를 얻을 수 있다. 압전 센서의 특성을 알아내기 위하여 센서의 기본 작동원리, 직경효과, 반복성, 온도 효과, 물의 순수성, 플러시 마운팅(Flush mounting) 효과, 교류(Alternating current)와 직류(Direct current) 커플링의 차이점에 관하여 실험을 수행하여 그 영향들에 대하여 고찰하여 보았다.
7에 나타내었다. 직경이 서로 다른 두 개의 센서를 중심에서부터 같은 위치에 배치하여 동일한 충격 압력이 작용될 수 있도록 하였다. Fig.

대상 데이터

4kS/s까지 샘플링이 가능하다. 강제 입수시, 시험체의 각도를 정확히 유지되게 하였으며, 701A 센서와 211B5 센서를 시험체에 부착하여 동시에 데이터를 받도록 하였다. 그 실험 장치와 시험체는 Fig.
그 실험 장치와 시험체는 Fig. 6(a)과 같이 소형 2차원 수조(Wave flume, L × B × D : 1.6m × 0.31m × 0.3m)와 공기압 실린더(Pneumatic cylinder)를 조합하여 평판에 압력 센서들을 설치하여 실험하였다.
실험에 사용된 압력 센서는 Kistler사의 701A 모델 압전 방식(Piezoelectric type)과 ICP(Integrated circuit piezoelectric) 방식 211B5 모델 압력 센서이다. 각각은 직경이 9.

성능/효과

(1) 압력 계측에 있어 센서의 직경효과를 고려하지 않아도 될 것으로 판단할 수 있었다.
(2) 동일한 실험 조건이 보장된다면, 압전 압력센서는 반복성이 매우 우수한 것으로 확인할 수 있었다.
(3) 유체 충격 압력 계측시 센서의 온도와 매질의 온도차이를 항상 고려하여야 한다는 것을 파악할 수 있었다.
(4) 일반적으로 사용할 수 있는 물의 불순물은 실험의 정도에 미치는 영향이 거의 없을 것으로 검증되었다.
(5) 플러시 마운팅의 영향이 측정된 충격 압력의 패턴에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
(6) 교류 및 직류 커플링의 경우 직류 커플링은 정압과 동압을 측정할 수 있고, 교류 커플링은 동압만을 측정할 수 있다. 그러나 교류 커플링은 고역필터와 전하를 축적하지 못하지 못하는 성질이 있으므로 직류 커플링과 차이가 남을 확인할 수 있었고 동일한 신호를 교류 및 직류 커플링으로 획득했을 때, 직류 커플링에 고역필터를 적용시켜본 결과 교류 커플링과 거의 동일함을 확인할 수 있었다.
12는 센서의 온도가 낮을 때의 압력시계열을 보여주고 있다. 701A 센서의 경우, 센서와 매질사이에 온도차이가 나타나도 측정된 압력 패턴과 최고 압력값이 거의 차이가 없었으나 211B5 센서의 경우, 센서와 매질사이에 온도차이가 있으면 압력패턴이 이동(Shift)하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 유체 충격압력을 측정하는데 있어서 매질과 압전 압력 센서사이에 온도차이가 압력 측정에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
21(b)에 나타내었다. 그 결과 직류 커플링을 이용하여 얻어진 데이터에 High-pass-filtering을 적용시켜 본 결과, 교류 커플링으로 얻어진 데이터와 거의 동일해짐을 확인할 수 있었다. 따라서 직류에 High-pass-filtering을 적용함으로서 무시된 저주파 성분에는 정적인 성분 또한 포함되어 있음을 알 수 있고, 만약 역으로 Filtering을 시킬 수 있다면 교류 커플링으로 얻어진 데이터를 직류 커플링으로 얻어진 데이터로 변환할 수 있을 것이다.
(6) 교류 및 직류 커플링의 경우 직류 커플링은 정압과 동압을 측정할 수 있고, 교류 커플링은 동압만을 측정할 수 있다. 그러나 교류 커플링은 고역필터와 전하를 축적하지 못하지 못하는 성질이 있으므로 직류 커플링과 차이가 남을 확인할 수 있었고 동일한 신호를 교류 및 직류 커플링으로 획득했을 때, 직류 커플링에 고역필터를 적용시켜본 결과 교류 커플링과 거의 동일함을 확인할 수 있었다.
701A 센서의 경우, 센서와 매질사이에 온도차이가 나타나도 측정된 압력 패턴과 최고 압력값이 거의 차이가 없었으나 211B5 센서의 경우, 센서와 매질사이에 온도차이가 있으면 압력패턴이 이동(Shift)하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 유체 충격압력을 측정하는데 있어서 매질과 압전 압력 센서사이에 온도차이가 압력 측정에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
입수각이 0º일 때, −1mm의 경우 두 번째 압력 피크가 0mm에 비해 크게 나타남을 확인할 수 있었고 +1mm의 경우, 0mm에 비해 첫 번쨰 압력 피크에서 더블 피크(Double peak)가 발생함을 알 수 있었다.
13(a, b)에 나타내었다. 증류수와 일반적인 물에 대한 유체 충격 압력에서 얻어진 시계열 데이터의 압력 패턴은 거의 동일하고 최고 압력값도 비슷하게 나타남을 알 수 있었다.
9는 5회 반복 동안의 최고 압력값과 그 평균을 비교한 그래프이다. 측정 결과, Fig. 8, 9에서 볼 수 있듯이 압력 패턴이 비슷하게 나타나며, 최고 압력값의 COV(Coefficient of variation)가 0.077로 나타나서 센서의 반복성이 좋은 것으로 파악된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조선해양공학에서 유체 충격 하중은 무엇으로 나눌 수 있는가?	조선해양공학에서 유체 충격 하중은 통상적으로 슬래밍(Slamming), 슬로싱(Sloshing), 그린 워터(Green water)로 크게 나눌 수 있다. 이러한 유체 충격 하중은 최근 선박의 대형화, 고속화 등의 추세에 따라 주목 받고 있다.
	압전 센서의 특성을 알아내기 위하여 어떤 것에 관하여 실험을 수행하였는가?	충격 압력 측정에서는 대부분 압전 센서를 사용하여 충격압력을 측정하게 되나 센서의 특성을 정확하게 파악하지 않으면 잘못된 실험 결과를 얻을 수 있다. 압전 센서의 특성을 알아내기 위하여 센서의 기본 작동원리, 직경효과, 반복성, 온도 효과, 물의 순수성, 플러시 마운팅(Flush mounting) 효과, 교류(Alternating current)와 직류(Direct current) 커플링의 차이점에 관하여 실험을 수행하여 그 영향들에 대하여 고찰하여 보았다.
	횡방향 효과의 모델은 어떤 특성을 갖는가?	Fig. 2와 같이 전하는 압력이 가해지는 면에 전하가 발생되지 않으며 압력이 가해지지 않는 면에 전하가 발생된다. 전하의 크기는 잘려진 소자의 치수와 관계가 있으며 그 식은 다음과 같다(Gautschi, 2002).

참고문헌 (8)

남종오, 강효동, 정장영, 권순홍, 최한석 (2007a). "강제 입수에 의한 슬래밍 현상에 관한 실험적 연구", 한국해양공학회지, 제21권, 제1호, pp 40-44

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박준수, 김현이, 이기현, 권순홍, 전수성, 정병훈 (2009). "압축성이 슬로싱 현상에 미치는 영향에 관한 실험적 연구", 한국해양공학회지, 제23권, 제4호, pp 12-18

원문보기 상세보기
박준수, 오승훈, 권순홍, 정장영 (2009b) "슬래밍 충격 압력에 관한 연구", 한국해양공학회지, 제23권, 제1호, pp 67-73
최영명, 김현이, 오승훈, 권순홍, 이기현, 박준수 (2009). "충격압력 측정용 압전 센서의 특징", 대한조선학회 추계학술대회 논문집, pp 1283-1290
Gautschi, G. (2002). Piezoelectric Sensorics, Springer-Verlag Berin Heidelberg New York
Jeon, S.S.., Kim, H.Y., Kang, H.D., Oh, S.H., Park, J.S., Lee, K.H. and Kwon, S.H. (2008). "A Study of Scale Dependency of Model Test on Fluid Sloshing Load", OC2008, Osaka
Kim, H.Y., Yun, J.J., Lee, K.H., Park, J.S. and Kwon, S.H. (2008). "An Experimental on Compressibility in Fluid Sloshing", The 4th Asia-Pacific Workshop on marine Hydrodymics-APHydro2008, Taipei, pp 329-334
Sirohi, J. and Chopra, I. (2000). "Fundamental Understanding of Piezoelectric Strain Sensors", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol 11, No 4, pp 246-248

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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