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온도에 따른 압전 페인트 센서의 충격 감도 변화에 관한 연구
박승복,한대현,강래형,최경후,강동훈 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11
충격감지를 위해 개발한 압전 페인트 센서의 열 환경 노출 전과 후의 감도변화에 대한 연구를 수행했다. 대부분의 구조물은 환경에 노출되어 있기 때문에 이를 고려하여 -20~80℃ 온도에 노출 시킨 후, 노출 횟수를 달리하여 충격에 대한 센서의 감도를 측정했다. 감도 측정을 위해 impact hammer 를 활용해 충격력을 측정하고, 충격을 받은 센서에서 발생하는 전압을 측정하여 충격에 대한 센서의 감도를 계산하였다. 열 환경 노출 횟수를 10 회부터 최대 300 회까지 진행하였고, 27 개의 알루미늄시편을 3 개씩 9 그룹으로 구분하여 감도 변화를 분석하였다. 그 결과, 열 환경 노출 후 경우 감도는 거의 비슷한 결과를 얻었지만 감도 점들의 분산도가 상대적으로 증가한 경향을 보였는데 이는 고온에서 압전 페인트 센서 제작 과정 중 사용한 에폭시의 특성 변화로 시편과의 접착력이 떨어진 것으로 판단된다. 하지만 열 환경 노출 전과 후 모두 충격에 대한 충분한 감도를 보였으며, -20~80℃내에 존재하는 구조물의 충격감지를 위해 압전 페인트 센서가 활용될 수 있음을 알 수 있었다. Thermal exposure experiments were carried out to study the sensitivity characteristics of the piezoelectric paint sensor developed for impact monitoring. Since most of the structure is exposed to the environment, aluminum specimen coated the paint sensor was exposed to the temperature of -20 to 80 degrees Celsius and sensor sensitivity was measured in this condition. For the sensitivity measurement, impact hammer was used in order to measure the impulse strength. Also, by measuring the voltage generated from the sensor subjected to the impact, the sensor sensitivity was calculated. Test specimens were classified into 9 groups according to the repetition number of environmental exposure. In result, before and after the thermal environment experiments, the degree of scattering of the sensitivity measurement data increases a little, but the sensor sensitivity is substantially similar. In other words, this sensor has sufficient sensitivity for impact monitoring and could be used on structures in -20 to 80 degree Celsius environmental condition.
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압전 페인트 센서를 이용한 복합재 구조물의 충격 신호 감지
박승복 ( Seung Bok Park ),한대현 ( Dae Hyun Han ),강래형 ( Lae Hyong Kang ) 한국복합재료학회 2014 Composites research Vol.27 No.4
본 논문은 충격 센서로써 압전 페인트 센서를 사용해 구조물 건전성 모니터링을 수행하였다. 본 연구에 적용된 압전 페인트는 페인트 형태의 압전 재료로 물체에 얇게 코팅할 수 있고, 추가적인 외부 전원 필요 없이 충격 센서로 사용할 수 있다는 장점을 지닌다. 본 논문에서는 복합재 시편에 압전 페인트 센서를 네 부분으로 구분하여 도포한 후 충격 실험을 수행하였다. 압전 페인트 센서의 감도는 충격 힘에 따른 출력 전압을 측정하여 구하였고, 감도 측정과 더불어, 시편에 충격이 가해진 경우 압전 페인트 센서의 출력 신호를 비교하여 충격 위치도 추정하였다. This paper presents a structural health monitoring method using piezoelectric paint sensor designed for an impact sensor. The piezoelectric paint sensor can be flexibly deposited onto most structural surfaces in a thin form of the paint, and measure impact signals without any external device such as a power amplifier. In this study, a composite plate having four zones coated with piezoelectric paint was used for impact monitoring test. The sensitivity of the piezoelectric paint sensor was obtained by measuring the output voltages against the impact force. In addition to the sensitivity measurement, the impact position has been also estimated by comparing the output signals of the paint sensors when the impact occurs on the specimen.
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구조물의 경계조건에 따른 압전 페인트 센서의 충격검출 특성 평가
박승복(Seung-Bok Park),한대현(Dae-Hyun Han),강래형(Lae-Hyong Kang) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.12
압전 페인트는 얇은 막의 형태로 선박이나 항공기 등에 도포되어 광범위한 면적에 발생되는 진동이나 충격을 검출하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 본 논문은 압전 페인트가 코팅된 구조물에 충격이 가해졌을 경우 충격이 가해진 위치를 검출할 수 있는지 평가해 보고, 다양한 경계 조건에 대해 충격 위치 검출에 차이는 없는지 살펴보았다. 실험에 사용된 압전 페인트 센서는 네 영역으로 알루미늄 시편위에 코팅되었고 분극 과정을 거친 후 한 영역에 충격이 가해졌을 경우 전압의 변화를 실시간 모니터링 하였다. 실험 결과, 충격이 가해진 부분 외 나머지 영역에서는 충격신호의 크기가 매우 작아 충격 신호가 거의 검출되지 않았으며, 경계 조건과 무관하게 모든 조건에서 충격이 가해진 부분에서만 큰 충격신호가 검출되었다. Piezoelectric paint can be used to monitor vibrations or impacts occurring in large engineering structures such as ships and airplanes. This study investigated the impact detection characteristics of a piezoelectric paint sensor and possible errors in detecting impacts according to boundary conditions. The piezoelectric paint sensor used in this study was coated on an aluminum plate with four different electrode areas. After the occurrence of the poling process, the output voltages from the paint sensors were obtained when impact occurred in a certain sensor region. The experimental results revealed a large difference in magnitudes between the sensor signal in the impact region and those in the other regions , and this relation was maintained regardless of the changes in the boundary conditions.
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스마트 페인트를 이용한 항공우주구조물의 충격 및 진동 감지
한대현,박승복,강래형 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11
본 연구에서는 연질 압전 세라믹인 PNN-PZT 세라믹과 에폭시 수지를 혼합한 스마트 페인트를 이용하여 항공우주구조물에 발생할 수 있는 충격 및 진동을 모니터링하고자 하였다. 스마트 페인트를 알루미늄보 구조물에 도포하고 센서로 활용하기 위하여 상온에서 4kV/mm, 30 분간 성공적으로 분극 처리를 수행하였다. 진동 실험을 위해 알루미늄 보 구조물을 가진기에 물린 후 가진한 경우, 특히 공진 부근에서 진동을 모니터링한 결과 스마트 페인트 센서 출력신호를 통해 진동 감지가 가능함을 확인하였다. 압전 센서가 고주파수에 보다 더 민감한 특성이 있기 때문에 충격 신호를 보다 잘감지하였다. 충격 망치를 이용해 알루미늄 보에 충격힘을 가한 경우 약 10N 이상의 충격 힘부터 감지가 가능하고, 충격힘이 커짐에 따라 선형적으로 출력신호가 커짐을 확인할 수 있었다. Smart paint in this study is composed of Pb(Nb,Ni)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃ (PNN-PZT) powder and epoxy resin. The smart paint has been coated on an aluminum beam structure, the poling of the smart paint has been conducted successfully at room temperature with the electric field of 4 kV/mm for 30 min. When the cantilevered aluminum beam was under several vibration conditions, especially resonance, the vibration response has been monitored by measuring the output voltage from the piezoelectric paint sensor. In addition to the vibration, impact signal also can be easily monitored using the paint sensor, because the piezoelectric sensor is inherently more sensitive to higher frequency signals. By using the impact hammer, several impacts have been applied to the beam structure. The impact monitoring test results showed that the impact force signal over 10N can be captured using the smart paint.
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