[논문]과실용 비접촉 초음파 센서의 성능 개선에 관한 연구

김기복; 이상대; 박정길; 김기석; 김만수

과실용 비접촉 초음파 센서의 성능 개선에 관한 연구
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김기복 (한국표준과학연구원 삶의질표준부 안전그룹) , 이상대 (한국표준과학연구원 삶의질표준부 안전그룹) , 박정길 (충남대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과) , 김기석 (충남대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과) , 김만수 (충남대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과)

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문제 정의

공기 중에서의 초음파 감쇠는 매우 심하며 특히 주파수가 높아지면 감쇠 폭이 매우 커져 효율적인 비접촉 초음파 신호 측정이 어렵게 된다. 따라서 본 연구는 1MHz 과실용 비접촉 초음파 센서의 성능을 개선하기 위해 비접족 초음파 센서의 중심 주파수를 낮추어 공기 중에서의 감쇠를 줄이고 초음파 센서의 감도를 향상시키는 연구를 수행하였다.
본 연구는 과실의 경도 측정에 적합한 비접촉 초음파 센서 개발을 위해 수행되었다. 과실의 경도 측정용 비접촉 초음파 센서는 감쇠가 심한 공기층을 투과하여 두 번째 반사 신호까지 수신하여야 하므로 음향 임피던스가 낮은 1-3 composite를 압전 소자로 이용하였다.
높이고 주파수 대역폭을 넓히는 작용을 한다. 본 연구에서는 선정된 압전소자의 음향임피던스를 고려하여 적절한 후면재의 제작 조건을 찾고자 하였다. 표 3은 제작 조건에 따른 후면재의 음향임피던스 값을 나타낸다.

제안 방법

과실의 경도 측정용 비접촉 초음파 센서는 감쇠가 심한 공기층을 투과하여 두 번째 반사 신호까지 수신하여야 하므로 음향 임피던스가 낮은 1-3 composite를 압전 소자로 이용하였다. 또한 공기층과의 음향 임피던스 매칭을 위해 종이를 전면 정합층으로 이용하였다. 후면 재는 센서와 실험 대상과의 거리를 최소화하고 적절한 크기의 두 번째 초음파 반사 신호를 수신할 수 있도록 제작하였다.
후면 재는 센서와 실험 대상과의 거리를 최소화하고 적절한 크기의 두 번째 초음파 반사 신호를 수신할 수 있도록 제작하였다. 또한 초음파 송 • 수신부의 크기를 증가시키고 과실의 경도 측정시스템 제작이 편리하도록 센서 구조를 개선하였다. 개선된 초음파 센서가 이전의 센서에 비해 수신감도가 약 3배 정도 증가한 것으로 나타났다.
비접촉 초음파 센서는 PZT 5A 1-3 composite를 이용하여 선정된 전면 정합층 재료 2가지와 후면재 조건 3가지를 이용하여 제작하였다. 이 때의 센서 구조는 그림 2(a)를 이용하였다.
또한 공기층과의 음향 임피던스 매칭을 위해 종이를 전면 정합층으로 이용하였다. 후면 재는 센서와 실험 대상과의 거리를 최소화하고 적절한 크기의 두 번째 초음파 반사 신호를 수신할 수 있도록 제작하였다. 또한 초음파 송 • 수신부의 크기를 증가시키고 과실의 경도 측정시스템 제작이 편리하도록 센서 구조를 개선하였다.

대상 데이터

1-3 composite를 제작하는데 사용되는 압전 소자는 PZT 5A과 PZT 5H가 일반적이며 이것들의 물리적 특성은 표1과 같다. 본 실험에서는 PZT 5A와 PZT 5H 두 가지 압전 소자를 이용하여 제작된 1-3 composite를 이용하였다.
0004MRayL)가 낮아 초음파의 감쇠가 크게 나타난다. 비접촉식 초음파 센서는 감쇠가 심한 공기를 투과해야 하므로 음향 임피던스가 낮은 1-3 composite를 압전 소자로 선정하였다. 1-3 composite는 압전 소자를 여러 개의 작은 사각 기둥으로 자른 후 그 사이에 접착제를 채워 제작한다.
심한 공기층을 투과하여 두 번째 반사 신호까지 수신할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 제작하고자 하는 초음파 센서의 중심 주파수를 500kHz로 선정하였다.

성능/효과

그림 5(c)와 비교한 결과 수신 감도가 약 3배 커져 압전 재료를 바꾸고 설계 구조를 변경한 것이 더 우수한 것으로 나타났다.
그림 4는 두 개의 설계도에 따라 제작된 초음파 센서의 사진이다. Phenolic을 전면 정합층으로 이용한 초음파 센서에서는 두 번째 반사 신호가 수신되지 않아 500kHz 비접촉 센서에는 적합하지 않은 것으로 나타났다.
또한 초음파 송 • 수신부의 크기를 증가시키고 과실의 경도 측정시스템 제작이 편리하도록 센서 구조를 개선하였다. 개선된 초음파 센서가 이전의 센서에 비해 수신감도가 약 3배 정도 증가한 것으로 나타났다.
실험 결과 센서 자체의 진동을 나타내는 메인방 신호가 커서 첫 번째 반사 신호가 메인 방의 영향을 받지 않게 하기 위해서는 센서와 바닥면과의 거리가 약 100mm 이상 떨어져야 하는 것으로 나타났다. 이것은 실제 경도 측정 시스템을 제작할 때 과실과 센서 사이의 거리가 100mm 이상 되어야 한다는 의미가 된다.
그림 5(b)는 에폭시와 텅스텐을 1:2로 배합한 후면재를 사용한 것이고 그림 5(c)는 에폭시와 텅스텐을 1:4로 배합한 후면재를 사용한 것이다. 에폭시와 텅스텐의 배합 비율을 1:4 이상으로 하는 것은 메인 방의 신호를 줄이는 것보다 반사 신호의 크기를 줄이는 효과가 더 크므로 배합 비율을 더 크게 하는 것은 의미가 없는 것으로 나타났다. 에폭시와 텅스텐의 배합 비율이 1:4일 때 센서와 바닥면과의 거리는 약 50mm까지 줄일 수 있었다.

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