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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 초음파를 사과의 비파괴 품질판정에 이용하기 위한 기초연구로서 사과표면에 입사, 반사되는 초음파 신호를 계측 및 분석하기 위한 시스템을 구축하고, 저장기간에 따른 사과의 초음파 특성을 계측하고자 하였다.
- 본 연구에서는 초음파를 사과의 비파괴 품질판정에 이용하기 위한 기초 연구로서 사과 표면에 입사, 반사되는 초음파 신호를 계측 및 분석하기 위한 시스템을 구축하고, 저장기간에 따른 사과의 초음파 특성을 계측하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 기본적인 물성값을 측정한 후 시료 각각에 대해 초음파 반사 실험을 수행하였다. 500kHz의 비접촉식 초음파센서를 사 용하여 사과표면과 센서와의 간격이 5mm의 일정간격이 되도록 유지하면서 실험을 수행하였다. 투과방법은 센서에서 보내진 신호를 다시 같은 센서에서 받는 반사법과 시료의 한쪽 끝에서 신호를 보내고 다른 한쪽 끝에서 신호를 받는 투과법이 있는데, 사과의 경우 씨방 등의 영향으로 투과되는 초음파가 산란 및 감쇠될 우려가 있어서 투과법보다는 반사법이 더 효과적이므로 본 실험에서는 반사법을 사용하였다.
- 하나의 군에 대해 실험을 수행할 때 나머지 군들은 상온(room temperature, 18'C)하에 보관하였다 저온저장을 하지 않은 이유는 상온하에 보관함으로서 시료들의 빠른 경도변화를 보기 위함이었다. 각 군(群)의 시료 각각에 대해 기본적인 물성값인 질량, 체적 및 밀도를 측정하였다. 저울을 이용해 중량을 측정한 후 시료를 물에 잠기게 하였을 때 시료가 배제한 물의 무게를 측정하여 이로부터 각각 시료의 체적과 밀도를 계산하였다.
- 01)으로 작성된 신호처리 프로그램을 이용하여 초음파 응답신호를 시간 및 주파수영역에서 분석하였다. 계측된 초음파 응답신호 의 시간파형에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)가 실행되며, 이 주파수 파형에 대해서 주파수 대역의 에너지(파형면적 즉 에너지 스펙트럼 밀도함수 nergy spectral density function) 및 대역/대역의 에너지비를 검출하였다. 또한 주파수 영역에서의 각 피크주파수 및 매그니튜드를 검출하기 위하여 최대엔트로피법(Maximum Entrophy Method, MEN^을 적 용하였다.
- 그림⑴에서 보는 바와 같이 지지대 위에 사과를 고정시키고, 사과 표면으로부터 5mm의 일정거리를 유지하기 위해 3 축 구동의 마이크로미터에 달린 센서흘더에 500kHz의 초음파센서를 고정시켰다. 본 실험에 사용된 초음파센서는 그림(4)에서 보는 바와 같이 비접촉식 센서(Ultran, 미국)이다.
- 기본적인 물성값을 측정한 후 시료 각각에 대해 초음파 반사 실험을 수행하였다. 500kHz의 비접촉식 초음파센서를 사 용하여 사과표면과 센서와의 간격이 5mm의 일정간격이 되도록 유지하면서 실험을 수행하였다.
- 본 실험은 시료 50개를 10개씩 5개의 군(群)으로 나누어서 7일 간격으로 5차례 수행하였다. 하나의 군에 대해 실험을 수행할 때 나머지 군들은 상온(room temperature, 18'C)하에 보관하였다 저온저장을 하지 않은 이유는 상온하에 보관함으로서 시료들의 빠른 경도변화를 보기 위함이었다.
- 사과의 초음파 응답신호의 시간 및 주파수영역에 대한 파라미터들을 분석하기 위해, 그림(5)와 같이 작성된 신호처리 프로그램을 이용하여 초음파 응답신호에 대하여 시간 및 주파수영역으로 도시하였다.
- 본 실험에 사용되어진 과실은 아오리 품종의 국내산 사과이었으며, 일반농가에서 재배되어 20이년 8월에 수확된 후 약 3일 정도 저온저장(2±1C 85±5% rh)된 50개를 임의 추출하여 실험에 사용하였다. 저온저장 후 공시재료들을 실험실의 환경조건(18C, 75% rh)으로 저장 과정 중 5개 저장기간별로 실험을 수행하였다. 시료들의 저장 기간별 기본적인 물성들은 표⑴과 같다.
- 각 군(群)의 시료 각각에 대해 기본적인 물성값인 질량, 체적 및 밀도를 측정하였다. 저울을 이용해 중량을 측정한 후 시료를 물에 잠기게 하였을 때 시료가 배제한 물의 무게를 측정하여 이로부터 각각 시료의 체적과 밀도를 계산하였다.
- 500kHz의 비접촉식 초음파센서를 사 용하여 사과표면과 센서와의 간격이 5mm의 일정간격이 되도록 유지하면서 실험을 수행하였다. 투과방법은 센서에서 보내진 신호를 다시 같은 센서에서 받는 반사법과 시료의 한쪽 끝에서 신호를 보내고 다른 한쪽 끝에서 신호를 받는 투과법이 있는데, 사과의 경우 씨방 등의 영향으로 투과되는 초음파가 산란 및 감쇠될 우려가 있어서 투과법보다는 반사법이 더 효과적이므로 본 실험에서는 반사법을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용되어진 과실은 아오리 품종의 국내산 사과이었으며, 일반농가에서 재배되어 20이년 8월에 수확된 후 약 3일 정도 저온저장(2±1C 85±5% rh)된 50개를 임의 추출하여 실험에 사용하였다. 저온저장 후 공시재료들을 실험실의 환경조건(18C, 75% rh)으로 저장 과정 중 5개 저장기간별로 실험을 수행하였다.
- 그림⑴에서 보는 바와 같이 지지대 위에 사과를 고정시키고, 사과 표면으로부터 5mm의 일정거리를 유지하기 위해 3 축 구동의 마이크로미터에 달린 센서흘더에 500kHz의 초음파센서를 고정시켰다. 본 실험에 사용된 초음파센서는 그림(4)에서 보는 바와 같이 비접촉식 센서(Ultran, 미국)이다. 접촉식 센서는 접촉압력에 따라 초음파 파형이 변하고 사과표면 과 센서가 완전히 밀착되지 않았을 경우 파형이 잡히지 않는 등의 문제가 있는데 비접촉식을 사용함으로써 이같은 문제 를 해결하였다.
데이터처리
- 1. 구성된 비 접촉식 초음파 장치를 이응하여 전압-시간 그래프에서 전압의 진폭(FTP)값을 구하였고 신호처리용 프로그램을 이용하여 획득한 신호를 주파수 영역에서 분석하여 피크주파수, 영역별 에너지 밀도함수 등을 구하였다
- 초음파 센서를 통해 받아들여진 신호는 오실로스코프 상에서 실시간으로 전압-시간 그래프로 나타나며, 이를 데이타파 일로 저장하여 통계 프로그램을 이용해 초음파 응답신호의 진폭(Peak-To-Peak PTP)값을 계산하고 Matlab(ver 5.01)으로 작성된 신호처리 프로그램을 이용하여 초음파 응답신호를 시간 및 주파수영역에서 분석하였다. 계측된 초음파 응답신호 의 시간파형에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)가 실행되며, 이 주파수 파형에 대해서 주파수 대역의 에너지(파형면적 즉 에너지 스펙트럼 밀도함수 nergy spectral density function) 및 대역/대역의 에너지비를 검출하였다.
이론/모형
- 계측된 초음파 응답신호 의 시간파형에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)가 실행되며, 이 주파수 파형에 대해서 주파수 대역의 에너지(파형면적 즉 에너지 스펙트럼 밀도함수 nergy spectral density function) 및 대역/대역의 에너지비를 검출하였다. 또한 주파수 영역에서의 각 피크주파수 및 매그니튜드를 검출하기 위하여 최대엔트로피법(Maximum Entrophy Method, MEN^을 적 용하였다.
- 사과의 저장기간에 따른 초음파 응답신호에 대한 각 피크주파수 및 매그니튜드를 검출하기 위하여 최대엔트로피법을 적용하였다. 그림(7)은 시간영역의 응답신호에 대하여 최대엔트로피법을 적용하여 나타낸 것이다.
성능/효과
- 표(4)는 주파수 영역에서의 초음파 응답신호의 각 주파수 대역(1〜400, 401-800, 801-2500 Hz)에 해당되는 에너지 스 펙트럼 밀도함수를 저장기간별로 나타낸 것이다. 1 및 2 영역에서의 에너지 스펙트럼 밀도함수는 사과의 저장기간에 따 라 일정한 경향을 나타내지 않았으나, 3영역 주파수 대역의 에너지 스펙트럼 밀도함수는 사과의 저장기간이 길어질수록 증가하는 경향을 나타내었다. 이것은 주파수 영역에서의 피크주파수 대역이 3영역(801〜253 Hz)의 주파수 대역에 편중되어 있기 때문으로 판단되었다.
- 2. 사과의 초음파 특성을 분석한 결과 사과의 저장기간은 초음파 응답신호의 진폭(FTP) 및 제3영역 에너지 스펙트럼 밀 도함수와 높은 상관성이 있는 것으로 나타났다.
- 3. 초음파를 농산물의 비파괴 품질판정에 적용시 문제가 되고 있는 센서와 시료와의 접촉응력에 의한 응답신호의 변형에 의한 문제를 해결하고자 비 접촉식 센서를 사용하였으며, 실제 농산물에 적용이 가능한 것으로 판단되었다.
- 표(5)는 각 영역의 에너지 스펙트럼 밀도함수의 비를 나타내었다. 표 및 그림에서 알 수 있듯이 3영역의 에너지 스펙트럼 밀도함수의 영향을 받는 1영역/3영역의 비는 사과의 저장기간이 길어질수록 감소하는 경향이었으며, 3영역/2영역의 비는 저장기간이 길어질수록 증가하는 경향을 나타내었다.
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