In this study, in order to develop coupled vibration mode piezoelectric devices for Acoustic Emission (abbreviated as AE) sensor application with outstanding displacement and piezoelectric properties have been simulated by ATILA FEM program. And, From the results of ATILA simulation, the AE sensor s...
In this study, in order to develop coupled vibration mode piezoelectric devices for Acoustic Emission (abbreviated as AE) sensor application with outstanding displacement and piezoelectric properties have been simulated by ATILA FEM program. And, From the results of ATILA simulation, the AE sensor specimen, obtained superior electromechanical coupling factor and displacement, when the size of specimen is $3.45mm{\Phi}{\times}3.45mm$ with ratio of diameter/thickness(${\Phi}/T$)= 1.0. Therefore, AE sensor was fabricated by (Na,K,Li)(Nb,Ta) $O_3$(abbreviated as NKL-NT) system piezoelectric ceramics using coupled vibration mode. The piezoelectric properties of NKL-NT ceramics was exhibited that piezoelectric constant($d_{33}$), piezoelectric voltage constant($g_{33}$) and electro mechanical coupling factor($k_p$) have the excellent values of 261[pC/N], 40.10[$10^{-3}Vm/N$], and 0.44, respectively. The manufactured piezoelectric device with ratio of ${\Phi}/T$= 1.0 indicated the optimum values of resonant frequency(fr)= 556.5[kHz], antiresonant frequency(fa)=631.1[kHz], and effective electromechanical coupling factor(keff)= 0.473. The maximum sensitivity of the coupled vibration mode AE sensor was 55[dB] at the resonant frequency of 75[kHz]. The results show that the coupled vibration mode piezoelectric device is a promising candidate for the application AE sensor piezoelectric device.
In this study, in order to develop coupled vibration mode piezoelectric devices for Acoustic Emission (abbreviated as AE) sensor application with outstanding displacement and piezoelectric properties have been simulated by ATILA FEM program. And, From the results of ATILA simulation, the AE sensor specimen, obtained superior electromechanical coupling factor and displacement, when the size of specimen is $3.45mm{\Phi}{\times}3.45mm$ with ratio of diameter/thickness(${\Phi}/T$)= 1.0. Therefore, AE sensor was fabricated by (Na,K,Li)(Nb,Ta) $O_3$(abbreviated as NKL-NT) system piezoelectric ceramics using coupled vibration mode. The piezoelectric properties of NKL-NT ceramics was exhibited that piezoelectric constant($d_{33}$), piezoelectric voltage constant($g_{33}$) and electro mechanical coupling factor($k_p$) have the excellent values of 261[pC/N], 40.10[$10^{-3}Vm/N$], and 0.44, respectively. The manufactured piezoelectric device with ratio of ${\Phi}/T$= 1.0 indicated the optimum values of resonant frequency(fr)= 556.5[kHz], antiresonant frequency(fa)=631.1[kHz], and effective electromechanical coupling factor(keff)= 0.473. The maximum sensitivity of the coupled vibration mode AE sensor was 55[dB] at the resonant frequency of 75[kHz]. The results show that the coupled vibration mode piezoelectric device is a promising candidate for the application AE sensor piezoelectric device.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 우수한 감도 특성을 갖는 AE센서를 개발하기 위하여 친환경적인 NKN계 세라믹스를 이용해 제작하여 감도 특성을 조사하고자 한다. NKN계 무연 압전세라믹스의 소재는 다양하지만 이전의 논문에서 보고한 NKL-NT 조성을 [16] 채택하였다.
제안 방법
하지만, 소자가 커지는 단점을 갖고 있다. 그러므로 소자의 두께는 최소화시키면서 압전 특성이 큰 소자를 제작하기 위하여 두께 방향과 경방향 모드를 합쳐 결합진동모드 소자를 제작하고, 유한요소 해석프로그램인 ATILA를 사용하여 압전소자를 시뮬레이션 하여 압전소자의 특성을 조사하고 AE센서의 감도를 측정하고자 한다.
본 연구에서는 두께를 3.45 mm로 고정시킨 후에 직경에 변화를 주어 그에 따른 결합진동모드 AE 센서용 압전소자의 우수한 변위 및 압전 특성의 조건을 찾고, NKN계의 물성값을 적용하여 유한요소 해석프로그램인 ATILA로 시뮬레이션 하여 압전소자의 최적의 비율 특성을 찾아서 공기 후면층으로 AE 센서를 제작하여 특성을 측정한 결과는 다음과 같다.
제작된 NKN 세라믹스는 그림 2와 같이 AE센서를 공기 후면층 (air backing)의 구조로 제작하였다. 스텐레스 스틸 (stainless steel)로 된 케이스를 완전 접지구조로 하여 외부 잡음을 차단하도록 하였다. 보호판 (알루미나)은 초음파 탐촉자나 초음파센서에서는 피측정 재질과 압전세라믹과의 임피던스 정합층 (impedance matching layer)에 해당되는 부분으로서 피측정 재질로부터 발생되는 신호가 압전세라믹스에 잘 전달되도록 하며, 압전세라믹스를 기계적으로 보호한다.
압전세라믹스의 압전 특성과 ATILA 시뮬레이션의 특성을 조합하여 가장 우수한 특성을 갖는 결합진동 모드인 (3.45 mmΦ×3.45 mm) 그림 1과 같은 원통형 형태로 압전세라믹스를 가공하여 제작하였다.
하소된 파우더는 다시 재혼합·분쇄하였고, 건조된 파우더에 PVA 수용액을 5 wt% 첨가하였다. 정사각 형태의 샘플을 성형하여 1,110℃에서 5시간 소성하였으며, 유한요소 해석프로그램인 ATILA를 통해 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션을 통하여 얻어진 공진 및 반공진 주파수를 이용하여 k33, keff, kp 등을 다음의 식 (1)로 산출하였다.
측정 방법으로는 조절장치 (indentor)를 서서히 내려서 면도날로 샤프심을 절단함으로써 탄성파원을 발생시키고 이 때 받는 힘을 로드셀 기록기 (load cell indicator)로 기록하여 단위 N 당 센서응답 파형을 디지털 오실로스코프 (LeCroy WS44Mxs-b)로 측정한후 0.2 μs 간격으로 데이터를 저장하였다.
시뮬레이션의 결과가장 우수한 특성을 갖는 두께 3.45 mm일 때, φ/T=1.0 비율의 사이즈로 압전소자를 제작하였다.
제작된 NKN 세라믹스는 그림 2와 같이 AE센서를 공기 후면층 (air backing)의 구조로 제작하였다. 스텐레스 스틸 (stainless steel)로 된 케이스를 완전 접지구조로 하여 외부 잡음을 차단하도록 하였다.
제작된 AE 센서의 감도 특성을 측정하기 위해 그림 3과 같은 과도 탄성파 측정법 (ASTM 1106-86) [15]을 이용한 간이감도측정 시스템을 사용하였다. 탄성파원으로는 샤프심을 사용하였으며, 전달매질로는 감쇄와 분산이 적은 단조강 (직경 50 cm, 두께 5 cm)을 사용하였다. AE센서는 탄성파원의 측면 10 cm에 글리세린 접촉매질 (couplant)로 부착하였다.
데이터처리
2 μs 간격으로 데이터를 저장하였다. 저장된 데이터는 식 (2)를 이용하여 이론적으로 계산된 Green 함수의 속도와 비교하여 감도를 구하였고, 데이터 처리는 MATLAB 프로그램을 사용하여 산출하였다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 우수한 감도 특성을 갖는 AE센서를 개발하기 위하여 친환경적인 NKN계 세라믹스를 이용해 제작하여 감도 특성을 조사하고자 한다. NKN계 무연 압전세라믹스의 소재는 다양하지만 이전의 논문에서 보고한 NKL-NT 조성을 [16] 채택하였다. 이러한 이유는 논문에서 보고한 바와 같이, Vout ∝ g33으로 AE센서에서는 출력값이 높아지면 변위와 감도 특성이 향상되므로 g33가 크면 Vout 또한 같이 커지는 비례 특성을 가진다.
제작된 AE 센서의 감도 특성을 측정하기 위해 그림 3과 같은 과도 탄성파 측정법 (ASTM 1106-86) [15]을 이용한 간이감도측정 시스템을 사용하였다. 탄성파원으로는 샤프심을 사용하였으며, 전달매질로는 감쇄와 분산이 적은 단조강 (직경 50 cm, 두께 5 cm)을 사용하였다.
성능/효과
1. 두께를 3.45 mm로 고정하고 직경의 변화에 따른 결합진동 모드 AE 센서용 압전 소자의 변위와 keff 값은 Φ/T= 1.5의 비율일 때, 변위가 가장 우수하지만 Φ/T= 1.0의 비율에서 k33= 0.598, kp= 0.346, keff=0.559로 나타났으며, 음향방출 (AE) 센서용 압전소자로 최적의 특성으로 사료된다.
2. 두께 3.45 mm 직경 3.45 mm, Φ/T= 1.0 비율인 압전소자의 공진주파수, 반공진주파수, 그리고 변위는각각 553 kHz, 667 kHz, 2.54 × 10-8로 나타났다.
3. 결합 진동모드를 이용하여 제작된 AE 센서의 최대 감도와 주파수는 55[dB], 75[kHz]이었다.
그림 4는 유한 요소 해석프로그램인 ATILA를 사용하여 시뮬레이션 한 결합진동모드가 동작하는 압전소자의 진동 형태이다. 시뮬레이션 결과 압전소자는 장구 모양의 형태에서 경방향 모드와 두께방향 모드의 결합진동모드로 동작하는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
AE 센서의 최대 감도는 55[dB], 최대 감도 주파수는 75[kHz]로 각각 나타났다. 따라서 결합진동 모드로 제작한 AE 센서는 다른 모드의 센서보다 감도 특성이 우수하므로 전력설비 보호를 위한 진단 기술의 응용에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전력설비의 예방 진단법에는 무엇이 있는가?
이러한 전력설비들이 사고로 이어질 때에는 막대한 경제적인 손실과 더불어 인명 피해에 이르기까지 큰 문제로 야기될 수 있다. 전력설비의 예방 진단법으로는 직류특성과 교류 특성 등에 대한 직접검출법과 부분방전 전하법, 초음파 탐상시험법 (UT), 와전류 탐 상법 (ECT) 등 여러 가지 간접 검출법들이 이용된다. 그러나 근래의 방법들은 균열이나 결함 등의 문제점들이 생기고 난 후에 정기검사일 때나, 설비의 준공 시에 점검 및 진단이 가능하다는 단점을 가지고 있다.
음향 방출법이란 무엇인가?
음향 방출법이란 탄성체 표면이나 내부의 국부에서 불연속적이고 돌발적이며 과도적인 운동이 생길 때, 그 에너지가 탄성파로 방출되는 현상이다. 이러한 특성으로 측정하기 어려웠던 재료 내부에서 진행되는 미시적인 현상들에 대한 정보를 알아내는 재료시험이나 특성 평가의 수단으로 이용될 뿐만 아니라 일반적으로 균열의 탐지와 같은 비파괴 검사 (non-destructive test) 방법 중의 하나이다 [3,7].
직류특성과 교류 특성 등에 대한 직접검출법과 부분방전 전하법, 초음파 탐상시험법 (UT), 와전류 탐 상법 (ECT) 등과 같은 전력설비의 예방 진단법들의 단점은 무엇인가?
전력설비의 예방 진단법으로는 직류특성과 교류 특성 등에 대한 직접검출법과 부분방전 전하법, 초음파 탐상시험법 (UT), 와전류 탐 상법 (ECT) 등 여러 가지 간접 검출법들이 이용된다. 그러나 근래의 방법들은 균열이나 결함 등의 문제점들이 생기고 난 후에 정기검사일 때나, 설비의 준공 시에 점검 및 진단이 가능하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 가동 중 일 때, 진단이 실시간으로 가능한 검사법들이 필요하다.
참고문헌 (16)
C. B. Lee, G. W. Kim, and Y. I. Park, KSNVE, 24, 429 (2014).
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