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압전 페인트 센서를 활용한 충격 모니터링 활용 방안
A Study on Impact Monitoring Using a Piezoelectric Paint Sensor 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.35 no.5, 2015년, pp.349 - 357  

최경후 (한국철도기술연구원) ,  강동훈 (한국철도기술연구원) ,  박승복 (전북대학교 메카트로닉스공학과, 로스알라모스연구소-전북대학교 한국공학연구소) ,  강래형 (전북대학교 메카트로닉스공학과, 로스알라모스연구소-전북대학교 한국공학연구소)

초록
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압전 페인트 센서는 압전 세라믹의 주성분인 압전 파우더와 에폭시의 결합으로 이루어진 페인트형 센서이다. 이 센서는 일반 페인트와 같이 구조물에 도포되기 때문에 다른 어느 센서보다 구조물에 부착이 용이하다. 본 연구에서는 압전 페인트센서가 도포된 구조물의 충격 감지 정도를 판단하고자 하였다. 특히, 철도차량을 대상으로 연구를 진행하고자 하였다. 철도차량 운용 중에 발생하는 자갈 비산으로 인해 발생하는 충격손상이 많이 보고되고 있고, 이러한 충격손상을 방지하고자 차량 하부구조물 전체 표면에 발생하는 충격신호를 실시간으로 감지할 필요가 있다. 철도차량이 운행되는 환경을 고려하여 압전 페인트시편을 $-20{\sim}60^{\circ}C$의 열사이클 환경에 노출시켜 센서의 감도 변화를 측정하였다. 알루미늄 시편에 압전 페인트센서를 도포하여 감도 측정을 수행한 결과, 열사이클 환경 전후에 감도 차이가 크지 않음을 확인하였고 이를 통해 환경 노출 후에도 압전 페인트센서로 충격 감지가 가능함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The piezoelectric paint sensor is a paint type sensor comprising of an epoxy and piezoelectric powder, which is the main component of a piezoelectric material. This sensor can be easily attached to any type of structure as compared to other sensors because it is viable to directly apply it on struct...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 충격 빈도 분석을 통한 차량 하부 설계 반영이나 자갈 비산 빈번발생 지역을 탐지하여 해당 구간에 선택적으로 자갈 네트, 자갈 스크린 등을 설치한다면 경제적으로 안전사고 예방을 할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 것이다. 본 연구에 활용한 압전 페인트 센서를 이용한 철도차량의 충격감지는 차량에 직접 가해지는 충격을 감지하여, 작은 충격에도 발생한 위치를 신속하게 점검하기 위한 방안이다.
  • , Korea)가 사용되었으며 에폭시와 경화제 각각 100:27의 무게비로 혼합하여 사용하였다. 본 연구에서 제작된 페인트는 압전 분말과 에폭시의 무게비를 1:1로 유지하였으며 혼합과정 중 공기 유입을 최소화하기 위해 노력하였다. 페인트 내부의 미세한 기포는 후에 진행되는 분극과정 시 내부 기포들로부터 발생하는 타는 현상을 방지하기 위해 진공 데시케이터 내에서 기포를 제거하였다.
  • 분극과정은 현재까지 연구된 최적의 분극 조건인 4 kV/mm의 전압을 상온에서 30분 동안 진행되었으며[15], Table 1과 같이 총 27개의 동일한 알루미늄 시편을 실험시편으로 사용하여 환경 노출의 정도에 따른 센서의 충격반응 감도를 분석하였다. 본 연구에서는 impact hammer 의 충격력과 페인트 센서에서 출력되는 전압을 비교 분석하여 센서의 감도를 다음과 같이 정의하였다.
  • 본 연구에서는 구조물의 충격검출을 목적으로 하는 유연한 센서 개발을 연구 목표로 압전 페인트센서를 개발하고 충격센서로써의 활용 여부를 연구하였다. 압전 페인트 센서는 페인트 형태로 센서의 역할을 수행할 수 있기 때문에 그 어느 센서보다도 높은 적용성을 지니고 있다.
  • 본 연구에서는 대표적인 압전소자들의 장단점을 적절히 활용하기 위해 압전 복합소자의 연구를 진행하였고, 압전 페인트를 제작하여 그 사용 가능성을 검증하고자 한다. 압전 페인트는 고감도의 압전 세라믹 분말과 고분자 수지의 결합으로 이루어지며[11] 다른 압전소자와 마찬가지로 추가적인 전원공급 없이 센서 역할을 수행할 수 있는 장점을 지니고 있다.
  • 본 연구에서는 수많은 철도의 건전성 평가 방법 중 압전재료를 활용하여 차량 구조물에 가해지는 충격의 유무를 판단하고자 한다. 열차 적용에 앞서 알루미늄 구조물에 압전 페인트를 도포하여 구조물에 충격이 발생한 경우 충격신호 및 충격위치 검출 모니터링을 목적으로 연구하였다.
  • 충격 모니터링을 위한 제조 방법에 대한 표준화가 정립되어 있지 않고, 특성에 대한 기준(두께, 감도, 환경영향 등)도 연구되지 않고 있다. 본 연구에서는 일정한 비율로 혼합된 다섯 가지 시약으로 압전 페인트 센서를 직접 제작하여 알루미늄에 도포한 후, 감도, 내구성, 환경변화에 따른 변화 등을 관찰하여 충격에 대한 센서의 반응을 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 수많은 철도의 건전성 평가 방법 중 압전재료를 활용하여 차량 구조물에 가해지는 충격의 유무를 판단하고자 한다. 열차 적용에 앞서 알루미늄 구조물에 압전 페인트를 도포하여 구조물에 충격이 발생한 경우 충격신호 및 충격위치 검출 모니터링을 목적으로 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압전 페인트 센서가 도포된 철도차량은 어떻게 충격 발생 유무를 판단할 수 있는가? 압전 페인트 센서가 도포된 철도차량에는 도포된 부위에 충격이 발생한 경우, 센서에서 발생하는 전압을 모니터링 함으로써 충격 발생 유무를 판단할 수 있다. 이 센서는 Fig.
압전 페인트 센서는 무엇인가? 압전 페인트 센서는 압전 세라믹의 주성분인 압전 파우더와 에폭시의 결합으로 이루어진 페인트형 센서이다. 이 센서는 일반 페인트와 같이 구조물에 도포되기 때문에 다른 어느 센서보다 구조물에 부착이 용이하다.
압전 페인트 센서의 장점은 무엇인가? 이 센서는 Fig. 1에서 보듯 페인트 형태로 구조물에 적용되기 때문에 페인트가 떨어지지 않는 이상 반영구적인 센서 역할을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 압전재료의 특성상 센서를 작동하기 위한 별도의 외부전원을 필요로 하지 않기 때문에 원하는 부분에 센서의 부착이 용이하다. 이러한 부분을 검증하기 위해 알루미늄 시편에 압전 페인트 센서를 적용하여 충격센서로서의 적합성 연구를 수행하였다.
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참고문헌 (16)

  1. S. J. Lee, J. G. Kim and N. P. Kim, "Application and case studies of infrared thermography technique in railway Industry," Proc. of The Korea Railroad Association 2009 Fall, pp. 3320-3325 (2009) 

  2. H. Kwon and C. Park, "A study on the ballast-flying phenomenon by strong wind induced by high-speed train," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 8, No. 1, pp. 6-14 (2005) 

  3. J. Rho, Y. Ku, S. Yun, H. Park, H. Kwon and D. Lee, "Ballast flying probability analysis for ballast types and underbody flow conditions," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 12, No. 6, pp. 829-834 (2009) 

  4. J. J. Dosch, J. Jeffrey, D. J. Inman and E. Garcia, "A self-sensing piezoelectric actuator for collocated control," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 3, No. 1, pp. 166-185 (1992) 

  5. D. H. Kim, "Recent nondestructive testing using structural health monitoring techniques," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 32, No. 1, pp. 78-85 (2012) 

  6. C. G. Kim, D. U. Sung, and H. J. Bang, "Health monitoring in composite structure using piezoceramic and fiber optic sensors," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 23, No. 5, pp. 445-454 (2003) 

  7. F. Levassort, P. Tran-Huu-Hue, E. Ringaard and M. Lethiecq, "High-frequency and hightemperature electromechanical performances of new PZT-PNN piezoceramics," Journal of the European Ceramic Society, Vol. 21, No. 10, pp. 1361-1365 (2001) 

  8. X. Lin and F. G. Yuan, "Experimental study applying a migration technique in structural health monitoring," Structural Health Monitoring, Vol. 4, No. 4, pp. 341-353 (2005) 

  9. P. Ueberschlag, "PVDF piezoelectric polymer," Sensor Review, Vol. 21, No. 2, pp. 118-126 (2001) 

  10. H. Luo and S. Hanagud, "PVDF film sensor and its applications in damage detection," Journal of Aerospace Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 23-30 (1999) 

  11. K. Shiratsuyu, K. Hayashi, A. Ando and Y. Sakabe, "Piezoelectric characterization of low-temperature-fired $Pb(Zr, Ti)O_3-Pb(Ni,Nb)O_3$ ceramics," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 39, No. 9S, pp. 5609-5612 (2000) 

  12. Y. Zhang, "Piezoelectric paint sensor for nondestructive structural condition monitoring," Proc. SEM X International Congress and Exposition on Experimental and Applied Mechanics, pp. 7-10 (2004) 

  13. Y. Zhang, "In situ fatigue crack detection using piezoelectric paint sensor," Journal of Intelligent Material System and Structures, Vol. 17, No. 10, pp. 843-852 (2006) 

  14. I. Payo and J. M. Hale, "Sensitivity analysis of piezoelectric paint sensors made up of PZT ceramic powder and water-based acrylic polymer," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 168, No. 1, pp. 77-89 (2011) 

  15. D. H. Han, S. B. Park and L. H. Kang, "Study on piezoelectric characteristics of piezoelectric paint sensor according to poling time," The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 38, No. 10, pp. 1069-1074 (2014) 

  16. D. K. Seo, N. R. Ha, J. H. Lee, H. G. Park and J. S. Bae, "Property evaluation of epoxy resin based aramid and carbon fiber composite materials," Journal of the Korean Society of Dyers and Finishers, Vol. 27, No. 1, pp. 11-17 (2015) 

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