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효정 전
5 years ago
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1 초음파센서를이용한거리측정 비파괴평가및신뢰성분석연구실 초음파란? Ultrasonic 20kHz 이상의주파수를가지는음파 ( 가청주파수 : 16Hz - 20,000Hz) 인간의귀로듣는것을목적으로하지않는음파 돌고래-약170kHz 박쥐 -100Hz ~ 200kHz 16Hz - 20,000Hz 20Hz 20kHz 1GHz 1000GHz Subsonic Audible sound Ultrasonic Hypersonic

2 . 정압전현상은검사체에서되돌아오는초음파신호를받을때발생정압전현초음파의발생원리 탐촉자의초음파발생원리 압전효과역탐촉자에서역압전현상을이용하여초음파를발생시킨다. 함수발생기에서교류전압과같이전압 +, - 를짧은시간동안교차하여걸어주면압전소자의변형과원형이교대로일어나고이것이진동에너지가되어초음파를압전현상발생시킨다. 진동자는외부에서에너지 ( 파동 ) 를받으면전압을발생하고, 발생한전압은전압계로측정. 상진동자 초음파의응용 초음파의용도 1. 비파괴검사기기 (S.A.M.) 2. 수중소나, 어군탐지기 3. 인체진단, 치료 4. 두께, 응력, 점도측정기 5. 초음파유량측정 6. 거리측정기, BWS 7. 세척기 (15~50KHz) 8. 가습기 9. 용접 (15~40KHz) 등 10. Actuator( 초음파모터 ) 인체진단 초음파거리측정 초음파유량측정 비파괴검사기기 초음파두께측정 초음파세척기

3 초음파의계측원리 초음파의송수신방법 수신신호 리드선 Pulse generator : 초음파신호발생 역압전현상 초음파의전파반사, 굴절 정압전현상 Amplifier 수신신호 (voltage) 전파시간, 수신신호크기, 주파수변화등을이용하여평가 거리를측정할경우정확한초음파전파속도를알고있어야함 초음파탐촉자의형태 수직탐촉자 사각탐촉자 공중초음파센서 공중초음파센서 Impedance matching layer Piezoceramic Housing (case)

4 초음파의종류 종파 (longitudinal wave) 횡파 (transverse wave) 1. 입자의진동방향이파의진행방향과같은파 1. 입자의진동방향이파의진행방향과수직인파 2. 고체, 액체, 기체중에서도진행이가능 2. 액체와기체중에서는소멸됨.( 전단응력 3. 음파중에서가장빠름 이존재하지않기때문에발생하지않는다 ) 3. 종파속도의약 ½ 진동방향 진동방향진행방향 진행방향 초음파의특징 계측수단으로서의초음파의장점 1. 파장이짧다. ( 공기중 10mm, 액체 고체중 1mm 이하 ) 지향성, 직진성이높다. 2. 전파속도가일정하다. ( 공기중 340m/s, 고체중 5000m/s 이상 ) 3. 투과매질이다양하다. ( 기체, 액체, 고체, 투명체, 불투명체 ) 4. 액체와고체의경계면에서반사, 굴절, 회절성질을가진다.-> 계면에서반사및투과, 공기층과만나면 100% 반사

5 초음파의성질 불연속선 [ 고주파수탐촉자 ] [ 저주파수탐촉자 ] 주파수가높을수록초음파빔의분산각은줄어든다. 직경이클수록, 동일한주파수에서음빔의분산각은줄어든다. 주파수가낮을수록, 투과력은높아지고멀리전파한다. sin 1 0 [1.22 ] D (rad) BWS 후방경보시스템 (BWS, Back Warning buzzer System) ; 후진때후방의시야사각지대를초음파센서를사용, 감시하고해당지역에장애물이있으면운전자에게경보해후진때시야사각지역에서발생할수있는각종사고의경감을목적으로하는후진및주차보조장치. 일부차종에서는후방은물론전방코너부의장애물도감지하므로명칭은 BCWS(Back&Corner Warning System) 라고도한다. 후방경보시스템 자동주차시스템

6 작동원리 대부분의 BWS 용초음파센서는 40kHz 의초음파를발산 초음파거리측정기작동원리 음파가물체에부딪쳐되돌아올때까지의시간을측정함으로서물체까지의거리를측정 음파는 15 에서초당약 340m/s.( 거리측정시반드시속도에대한정보필요 ) t초동안발신된주파수가물체에부딪쳐다시수신되기까지의거리 V(340m/s) t(s). 하지만거리는초음파를발신해수신된왕복거리이므로것을 ½한 V t ½이물체까지의거리. L 초음파센서 1 L t V 2 signal 발진신호 에코수신신호 V : 음파의속도 ( 약 340m/s) t 초음파센서의감지범위 초음파센서의감지범위 1 2 높이가낮은물체는감지할수있으나, 범퍼가까이는아래그림과같이 감지못하는영역이있으므로이곳에는장애물이있어도감지하지못할 수있다. 초음파는지향각을가지며, 센서하나로는모든방향의물체를감지하지못하기때문에여러개의초음파센서를사용한다.

7 BWS 사용시주의점 센서가감지할수없는물체 1 철사줄, 로프, 체인, 가느다란돌출봉등전파가반사될수없는가는물체 2 솜, 스펀지, 섬유, 눈등전파를흡수하는물체 ( 예 : 눈에덮여있는소화전 ) 3 자갈, 모래, 거친콘크리트등으로제작된구조물의경우초음파난반사로인해불규칙한경고음발생 간헐적으로오동작을유발할수있는경우 1 경사진벽면에접근때 ( 초음파가굴절 ) 2 좁은통로, 사방이막혀있는주차장의경우초음파반사로인한불규칙한경보음발생 3 위험경보는차의후진속도및장애물의형상에따라서순차적으로이루어지지않을수있음 실습

8 실험평가항목 1. 초음파속도측정 2. 초음파의주파수 3. 초음파를이용한거리측정및거리에따른반사신호의크기측정 4. 반사각도에따른반사신호의크기측정 5. 측정대상과형상에따른영향 실험구성품 1. 초음파 module 2. 거리측정용판 ( 눈금당 1cm, 5cm마다굵은선으로표시 ) 3. Oscilloscope 4. Power supply 5. BNC cable 2개 6. 측정시편 : 아크릴판, 캔, 종이컵, 스펀지, 철사. Mini 아크릴블록.

9 실험부품소개 -Ultrasonic range finder SRF04 송, 수신분리형 Beam spread 실험부품소개 SRF04 작동원리 Trigger Input to module Sonic Burst From module Echo Signal Echo Pulse output

10 실험전준비사항 1. 초음파모줄 1 다음그림과같이초음파센서의끝과거리측정용판의라인과일치시키고, 중앙에위치시킨다. 2. 기타 1 초음파진행경로에기타물체가없도록하고, 주변기기들 ( 오실로스코프, 모니터등 ) 이초음파의반사를일으키지않도록위치시킨다. L=0 Experimental setting 5V power adapter Trigger chip Output 1 (echo pulse) Output 2 (echo signal) Oscilloscope Ch.1 Ch.2

11 Ultrasonic Signal Ch. 1 (echo pulse) Ch. 2 (echo signal) 실험 1. 초음파속도측정 1. 전원을켠다. 2. 초음파센서로부터 50cm 지점에아크릴판을놓아둔다. 3. 오실로스코프의 scale을이용하여파형을적당한크기로조절한다. ( 참고 1. 오실로스코프소개 참고 ) 4. 오실로스코프를이용하여 output 1(echo pulse output) 의 t를측정한다. ( 참고2. width 측정사용법 참고 ) 5. 초음파의속도를계산한다. 6.Table 1- 초음파속도측정을작성한다. 7. 간단한계산은 matlab 을이용한다. t 주의사항 : 오실로스코프조작간에손이나옷자락등에의해초음파가반사될수있으니주의하시기바랍니다.

12 Table 1 - 초음파속도측정 평가항목횟수 1회 t <Table 1 - 초음파속도측정 > 초음파속도평균이론치오차 (%) (V e,m/s) (m/s) (V h,m/s) 현재온도 : ( ) Ve V V h h 회 L(50cm) 2 초음파속도 ( 실험치 ) : V e 초음파속도 ( 이론치 ) : t V h T ( C) 주의사항 : 단위계산에주의하시기바랍니다. 실험 2. 초음파의주파수및파장측정 1. 초음파센서로부터 30cm 지점에아크릴판을놓아둔다. 2. 신호를적당한크기로조절하고, output 2(echo signal) 의파형을저장한다. ( 참고3. 신호저장법 참고 ) 3. MATLAB 을실행하고, 열기 를하여 lecroy_fft.m FFT.m ( 또는 tektonix_fft) 파일선택한다. 4. 새로열린창에서 F5 또는메뉴에서 Debug>Run 을실행한다. 5. 실행하면파일을찾는윈도우가생성되며 (2) 에서저장한파일을선택한다. 6. 새로열린 plot window에서마우스를이용하여반사파신호의시작과끝을선택한다. click click t(s) 7. matlab 의 command window 에서 main frequency 를확인하고, Table 2- 초음파의주파수및파장측정 을작성한다.

13 Table 2 초음파의주파수및파장측정 <Table 2 - 초음파속도측정 > 평가항목 Main frequency (f, khz) 이론치 (khz) 오차 (%) - 40 FFT 결과를대략적으로그리시오 초음파의주파수측정의예 click click 확대 t(s) FFT kHz

14 실험 3. 거리측정및반사신호크기측정 1. 초음파센서로부터 30,40,50,60,70cm 지점에아크릴판을놓아둔다. 2. 각각에대하여 output 1 로부터 t 를측정하고, 실험 1 에서구한초음파속도로부터거리를측정한다. 3. 각각에대하여 output 2 로부터반사파의 peak-to-peak 를측정한다. (peak to peak는 참고4. Peak to peak 측정법 참고.) 4. 반사파의크기가작은경우 scale 을조정하여측정한다. 5. Table 3- 거리측정및반사신호크기측정 을작성한다. Table3- 거리측정및반사신호크기측정 <Table 3 거리측정및반사신호크기측정 > 거리 t 측정거리 (cm) 오차 반사신호의 Peak-to-peak 30cm 40cm 50cm 60cm 70cm 임의거리 : 임의거리 : 측정거리 : L 1 Ve t 2 V e : 실험 1 에서구한초음파의속도

15 실험 4. 반사각도에따른반사신호의크기측정 1. 초음파센서로부터 50cm 지점에아래그림과같이각각도에대해그려진선에따라반사판을놓아둔다. 2. 각각의각도에대하여 output2 반사파의 peak-to-peak 를측정한다. 3. 반사파의크기가작은경우 scale 을조정하여측정한다. 4. Table 4- 반사각도에따른반사신호의크기측정 을작성한다. Table4- 반사각도에따른반사신호크기측정 <Table 4 반사각도에따른반사신호크기측정 > 각도 (degree) 반사신호의 Peak-to-peak (V)

16 실험 5. 측정대상과형상에따른영향 1. 초음파센서로부터 30cm 지점에측정대상을달리하며반사파의 peak-topeak 를측정한다. 2. Table 5- 측정대상과형상에따른영향 을작성한다. <Table 5 측정대상과형상에따른영향 > 측정대상 반사신호의 Peak-to-peak 측정대상 반사신호의 Peak-to-peak 아크릴판스펀지 캔 기타 종이컵 기타 철사 기타 참고 1. 오실로스코프의소개 채널선택 파형좌우이동 파형상하이동 : 수직한한개의 division 의 Voltage 2 : 수평한한개의 division 의 time

17 참고 2. Width 측정법 stop 2 menu 에서 Measure>setup 선택 3P1 에서 4 Horizontal 5Width 선택 6 C1(ch. 1) 선택 7P1: width(c1) 측정 2 참고 3. 신호저장법 Stop 2File>save waveform 선택 3C2(ch. 2) 선택 4Format은 Matlab 으로설정 5저장할 directory 확인 6파일명확인 7저장 파일은저장순서대로끝번호가 0,1,2 로저장됨

18 참고 4. Peak to peak 측정법 stop 2 menu 에서 Measure>setup 선택 3 P2 에서 4 Vertical 5 Peak to Peak 선택 6 C2(ch. 2) 선택 7 P2: Peak to Peak(C2) 측정 Report 1. 초음파를이용한계측장비및그원리 (1 개이상 ) 2. 초음파를이용한내부결함측정원리조사 ( 비파괴검사 ) 3. 실험결과테이블작성 4. 고찰 주의사항 리포트제출은다음실험시간까지. 1~2번은 2장이내로정리 ( 카피본에대해서는감점

실험 5

실험 5 실험. OP Amp 의기초회로 Inverting Amplifier OP amp 를이용한아래와같은 inverting amplifier 회로를고려해본다. ( 그림 ) Inverting amplifier 위의회로에서 OP amp의 입력단자는 + 입력단자와동일한그라운드전압, 즉 0V를유지한다. 또한 OP amp 입력단자로흘러들어가는전류는 0 이므로, 저항에흐르는전류는다음과같다.