[논문]모자이크 패턴 전극 압전 페인트 센서를 이용한 충격 위치 검출

강상현; 강래형

doi:10.20910/jase.2019.13.2.19

모자이크 패턴 전극 압전 페인트 센서를 이용한 충격 위치 검출
Impact Localization Using Piezoelectric Paint Sensor with Mosaic Pattern Electrodes 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.2, 2019년, pp.19 - 25

강상현 (전북대학교 메카트로닉스공학과) , 강래형 (전북대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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구조물의 충격 위치 검출을 위해 본 연구그룹에서는 압전 페인트 센서를 연구하고 있다. 압전 페인트는 고주파 신호 및 충격에 민감한 특성으로 인하여 충격 감지에 사용할 수 있다. 또한, 압전 페인트 센서는 세라믹 센서가 적용될 수 없는 곡선 또는 복잡한 구조에 코팅될 수 있으며 외부 전원을 필요로 하지 않는다. 충격을 검출하기 위해 모자이크 패턴 전극을 시험편 위에 코팅하였고, 충격 신호는 충격이 발생한 전극부에서 얻을 수 있었다. 보다 더 정확한 충격 위치 검출을 위해서는 전극을 더 많은 부분으로 나누어 해당 전극부로부터 충격 데이터 수집이 필요하다. 본 연구에서는, 데이터 수집을 위하여 가볍고 저렴한 간단한 멀티채널 데이터 수집 시스템을 개발하였다. ARM Cortex-M3의 UART 통신을 이용하여 총 4채널의 데이터를 수집하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To detect the impact location of a structure, the authors' group conducted a study on piezoelectric paint sensor. The piezoelectric paint sensors are used for impact detection due to their inherent characteristics: sensitivity to high-frequency signal and impact. Additionally, the paint sensor can be applied on curved and complex structures where ceramic sensor would not be applicable. Moreover it is a self-powered sensor therefore no need for an external power source. For impact localization, mosaic pattern electrodes were coated on the specimen and the impact signal obtained from any part of the electrode where the impact occurred. If we more precise impact localization is required, the electrodes should be divided into more parts and impact data acquisition conducted in all the points of the electrode. In this paper, we developed a light, cheap and simple multi-channel data acquisition system to aid in data gathering. In total four channels data acquisition have been tested using the ARM Cortex-M3.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. AE method for impact localization: (a) in the case of aluminum plate; (b) in the case of composite plate[14]
그림 Fig. 2. Fabrication procedure for the piezoelectric paint sensor
그림 Fig. 3. Specification of the composite specimen
그림 Fig. 4. Test setup for sensitivity measurement
그림 Fig. 5. Graph of impact force and output voltage
그림 Fig. 6. Sensitivity measurement graphs of S1~S4
그림 Fig. 7. Sensitivity measurement graphs of S1~S4 when the impact occurs on the opposite side
표 Table 1 Measured sensitivity of the piezoelectric paint sensor S1~S4
그림 Fig. 8. Overall test setup for ADC data acquisition
그림 Fig. 9. Experimental setup for impact location detection
표 Table 2 Measured sensitivity of the piezoelectric paint sensor when impact is applied to the opposite side of the composite specimen
그림 Fig. 10. Flow diagram for programmable microcontroller
그림 Fig. 11. Impact localization results in the case of: (a) Impact on S1; (b) Impact on S2; (c) Impact on S3; (d) Impact on S4

AI 본문요약
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문제 정의

PNN-PZT/Epoxy 페인트를 Gr/Ep 복합재 시편에 도포하여 센서의 충격 응답을 측정하였다. 모자이크 패턴 전극에서 페인트 센서의 출력 전압을 측정하여 충격이 가해지는 지점을 판단하고자 하였다.
본 논문에서 압전 페인트 센서와 간단한 데이터 수집 시스템을 이용하여 새로운 충격 위치 검출 방법을 제안하였다. 압전 페인트 센서는 소프트 타입의 압전 세라믹 재료(PNN-PZT)와 에폭시 수지로 제조되었다.
본 연구에서는 압전 페인트 센서를 이용한 복합재 구조물의 충격 위치 검출에 초점을 두었다. 이전의 연구에서는 충격 위치 파악을 위한 음향 방출 기술을 다루고 있다.

제안 방법

251 mV/N으로 유사한 감도가 측정되었다. ARM Cortex-M3 마이크로 컨트롤러가 장착된 개발 보드와 신호 조절기가 포함된 간단한 데이터 수집 시스템을 이용하여 페인트 센서의 충격 신호와 발생 위치를 모니터링 하였다. 센서에서 출력된 전압 값으로 충격 위치를 쉽게 확인할 수 있었다.
)/Epoxy 페인트 센서는 충격 검출을 위한 용도로 높은 감도를 필요로 하지 않아, 본 연구그룹에서 기개발된 PNN-PZT/Epoxy 페인트 센서와 비교하여 경제성을 위해 PNN-PZT의 비율을 낮춰 제작하였 다. PNN-PZT/Epoxy 페인트를 Gr/Ep 복합재 시편에 도포하여 센서의 충격 응답을 측정하였다. 모자이크 패턴 전극에서 페인트 센서의 출력 전압을 측정하여 충격이 가해지는 지점을 판단하고자 하였다.
각 페인트 센서의 출력 전압을 모니터링하여 충격 위치 검출을 위한 실험을 수행하였다. 다수의 아날로그 신호를 측정하기 위해 PC와 같은 다른 RS-232 장치와 통신할 수 있는 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 통신 기능이 있는 ARM Cortex-M3 마이크로 컨트롤러를 사용하였다.
각 페인트 센서의 출력 전압을 모니터링하여 충격 위치 검출을 위한 실험을 수행하였다. 다수의 아날로그 신호를 측정하기 위해 PC와 같은 다른 RS-232 장치와 통신할 수 있는 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 통신 기능이 있는 ARM Cortex-M3 마이크로 컨트롤러를 사용하였다. 실험에 대한 개념도는 Fig.
복합재 제작 시 적층각에 대한 정확히 명시된 규정은 없으며, 복합재의 휨을 방지하기 위해 대칭 구조로 적층하여 시편을 제작하였다. 복합재 시편에 압전 페인트를 도포하고, Fig. 3과 같이 도전성 도료를 사용하여 4개의 전극부(S1~S4)를 제작하였다. 각 페인트 센서의 감도를 확인하기 위해 Fig.
복합재 시편은 CU-125NS((주)한국화이바)를 사용하여 제작하였으며, 충분한 강성을 보유하기 위해 총 8장의 시트를 사용하였다. 복합재 제작 시 적층각에 대한 정확히 명시된 규정은 없으며, 복합재의 휨을 방지하기 위해 대칭 구조로 적층하여 시편을 제작하였다. 복합재 시편에 압전 페인트를 도포하고, Fig.
본 연구에서는 제작한 PNN-PZT(Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Zr,Ti)O₂)/Epoxy 페인트 센서는 충격 검출을 위한 용도로 높은 감도를 필요로 하지 않아, 본 연구그룹에서 기개발된 PNN-PZT/Epoxy 페인트 센서와 비교하여 경제성을 위해 PNN-PZT의 비율을 낮춰 제작하였 다. PNN-PZT/Epoxy 페인트를 Gr/Ep 복합재 시편에 도포하여 센서의 충격 응답을 측정하였다.
압전 페인트 센서는 소프트 타입의 압전 세라믹 재료(PNN-PZT)와 에폭시 수지로 제조되었다. 압전 페인트를 복합재 시편에 도포 후, 실온에서 4 kV/mm로 30분 동안 분극을 진행하여 압전 페인트 센서를 활성화하였다. 페인트 센서를 활성화한 후, 센서의 감도를 확인하기 위해 페인트 센서가 도포된 시편의 앞면과 도포되지 않은 시편의 반대면에 충격 감도 실험을 진행하였다.
일반적으로 페인트 센서는 임피던스가 매우 높은 반면, 측정 시스템은 임피던스가 상대적으로 낮아 임피던스 매칭이 필요하다. 임피던스 매칭을 하기 위해 높은 입력 저항(10¹² Ω)과 낮은 출력 저항(25 Ω)을 갖는 연산 증폭기를 이용하여 신호 조절 기능을 가진 증폭 회로를 구성하여 사용하였다.
4와 같은 실험 셋업으로 충격 시험을 수행하였다. 충격 망치의 충격 신호와 압전 페인트 센서의 출력 전압은 10 kHz의 샘플링 주파수로 DS1202(dSPACE) 데이터 수집 장비를 통하여 측정하였다. 시간영역에서 충격 망치의 충격힘과 페인트 센서의 출력 전압을 Fig.
압전 페인트를 복합재 시편에 도포 후, 실온에서 4 kV/mm로 30분 동안 분극을 진행하여 압전 페인트 센서를 활성화하였다. 페인트 센서를 활성화한 후, 센서의 감도를 확인하기 위해 페인트 센서가 도포된 시편의 앞면과 도포되지 않은 시편의 반대면에 충격 감도 실험을 진행하였다. 감도 측정 결과에서 평균 앞면의 감도 0.
10은 압전 페인트 센서가 도포된 복합재 시편의 충격 위치 검출을 위한 마이크로 컨트롤러의 작동 흐름도를 나타내고 있다. 페인트 센서의 데이터 수집을 위하여 12 bit의 분해능을 가지는 ADC (Analog to digital converter) 데이터 레지스터를 설정하여 마이크로 컨트롤러에서 4개의 ADC 채널을 통하여 페인트 센서의 전압을 측정한다. 본 연구에서는 충격 모니터링을 위해 4개의 개별 전극만을 사용하였지만, 더 많은 데이터 수집을 위해 개선할 계획이다.

대상 데이터

복합재 시편은 CU-125NS((주)한국화이바)를 사용하여 제작하였으며, 충분한 강성을 보유하기 위해 총 8장의 시트를 사용하였다. 복합재 제작 시 적층각에 대한 정확히 명시된 규정은 없으며, 복합재의 휨을 방지하기 위해 대칭 구조로 적층하여 시편을 제작하였다.
본 논문에서 압전 페인트 센서와 간단한 데이터 수집 시스템을 이용하여 새로운 충격 위치 검출 방법을 제안하였다. 압전 페인트 센서는 소프트 타입의 압전 세라믹 재료(PNN-PZT)와 에폭시 수지로 제조되었다. 압전 페인트를 복합재 시편에 도포 후, 실온에서 4 kV/mm로 30분 동안 분극을 진행하여 압전 페인트 센서를 활성화하였다.

데이터처리

9와 같다. 마이크로 컨트롤러의 제어를 위한 펌웨어를 컴파일하기 위해 IAR Workbench 프로그램을 사용하였다. Fig.

성능/효과

페인트 센서를 활성화한 후, 센서의 감도를 확인하기 위해 페인트 센서가 도포된 시편의 앞면과 도포되지 않은 시편의 반대면에 충격 감도 실험을 진행하였다. 감도 측정 결과에서 평균 앞면의 감도 0.243 mV/N, 뒷면의 감도 0.251 mV/N으로 유사한 감도가 측정되었다. ARM Cortex-M3 마이크로 컨트롤러가 장착된 개발 보드와 신호 조절기가 포함된 간단한 데이터 수집 시스템을 이용하여 페인트 센서의 충격 신호와 발생 위치를 모니터링 하였다.
센서에서 출력된 전압 값으로 충격 위치를 쉽게 확인할 수 있었다. 이처럼, 압전 페인트 센서는 구동 전압이 필요 없고, 유연하고, 내구성이 있으며 복합재 구조물에 쉽게 적용할 수 있어, 충격 모니터링을 위한 센서로 매우 유망함을 확인할 수 있었다.

후속연구

페인트 센서의 데이터 수집을 위하여 12 bit의 분해능을 가지는 ADC (Analog to digital converter) 데이터 레지스터를 설정하여 마이크로 컨트롤러에서 4개의 ADC 채널을 통하여 페인트 센서의 전압을 측정한다. 본 연구에서는 충격 모니터링을 위해 4개의 개별 전극만을 사용하였지만, 더 많은 데이터 수집을 위해 개선할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 합성물인 압전 페인트의 장점은 무엇인가?	압전 합성물인 압전 페인트는 고감도 압전 세라믹 분말과 고분자 수지의 결합으로 이루어진다[11]. 다른 압전 소자와 마찬가지로 추가적인 전원 공급 없이 센서 역할을 수행할 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한 페인트로서 구조물에 적용되기 때문에 압전 폴리머보다 유연하게 도포가 가능하며, 압전 페인트 제작 시다양한 중합체 재료의 선택이 가능하다[12,13]. 이러한 장점을 지닌 압전 페인트는 구조물의 비파괴 검사나 내부 진단, 외력 측정 등 센서의 역할이 가능하다.
	압전 재료란 무엇인가?	압전 재료는 응력이 가해지면 분극 현상으로 인한 전압이 발생하고, 전계를 가하면 기계적인 변형을 일으키는 압전 효과를 나타내는 재료로 센서, 액추에이터, 점호 장치, 스피커 등 산업의 많은 분야에 활용된다[3,4]. 압전 재료는 크게 압전 세라믹, 압전 폴리머, 압전 합성물로 구분할 수 있다.
	압전 재료는 어떻게 구분되는가?	압전 재료는 응력이 가해지면 분극 현상으로 인한 전압이 발생하고, 전계를 가하면 기계적인 변형을 일으키는 압전 효과를 나타내는 재료로 센서, 액추에이터, 점호 장치, 스피커 등 산업의 많은 분야에 활용된다[3,4]. 압전 재료는 크게 압전 세라믹, 압전 폴리머, 압전 합성물로 구분할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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