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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박관수
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수11
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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현재, 비파괴 검사 분야에서 배관 결함의 내, 외부 판정을 위해 자기 누설 탐상과 와전류 탐상을 병행하는 연구가 진행되고 있으나 누설 자기장으로 인한 투자율 변화로 인해 적용하지 않은 위치의 결함 성분의 신호를 검출하는 문제가 있다. 그러므로 본 논문에서는 투자율 기반이 아닌, 거리, 형상에 기반하는 정전용량 센서를 이용하여 명확한 내/외부 판정이 가능한 비파괴 검사 시스템을 고안하였다.
정전용량 센서의 주 적용 분야는 터치, 유량, 바이오 센서 등으로 금속체 결함에 대한 적용은 그 사례가 부족하기 때문에 이에 대한 기초적인 분석과 검증이 필요하다. 그러므로 본 논문에서 일반적인 정전용량 센서 구동 모드인 단독형, 위상차 구동형을 결함에 적용시켜 결함에 의한 각 전극의 표면 전하 밀도 및 총 전하량, 정전용량 변화를 분석하였으며 등가회로를 통해 적용 환경 및 배관의 전기적 상태에 따른 센서의 출력 레벨, 민감도, 노이즈 변화를 분석하였다.
센서 제작 및 검증에 앞서, Comsol Multiphysics 시뮬레이션을 통한 FEA 해석으로 무결함 상태의 기본적 특성과 이격 거리 특성, 결함에서의 특성을 분석하였다. 결함의 경우 이격 거리를 가하는 것과 달리, 전극 면적 내에 배관과 거리가 먼 면적과 가까운 면적이 존재하기 때문에 단순히 유전율, 거리, 면적으로 정전용량을 계산할 수 없다. 그러므로 전속 밀도 벡터의 normal 성분을 구하여 표면 전하 밀도를 구한 뒤, 이를 통해 전하량을 구하여 정전용량 계산을 수행하였다.
단독형의 경우, 배관의 전기적 상태에 따라, floating 상태일 때 보다 GND 상태 일 때 출력 레벨이 크게 증가하였다. 배관 위상 180° 차이나는 전압을 각각의 전극에 걸어 중성점을 유지하도록 설계한 위상차 구동형의 경우, 결함으로 인한 각 전극과 배관 간 거리 차이로 인한 중성점 이동이 발생하였으며 이동의 정도는 배관의 전기적 상태에 따라 상이했다. 결과적으로 GND 상태인 경우, (+) 전극이 결함 진입 시 floating 상태일 때 보다 정전용량이 감소하고, 진퇴 시 정전용량이 증가하였다. 그러나 이러한 변동 레벨은 단독형에 변동 레벨에 비해 현저히 낮은 것으로 확인되었다.
검증을 위한 실험은 CAV424를 이용한 정전용량 센서 모듈과 지름 8mm, 12mm, 24mm, 36mm, 깊이 1mm, 3mm, 5mm 결함으로 구성된 탄소강 plate로 진행하였다. 단독형의 경우 floating 상태 배관에서 출력 레벨 및 민감도가 가장 낮고 노이즈에 취약했으며 GND 상태 배관에서 민감도가 가장 높고 노이즈가 저감되었다. 위상차 구동형의 경우 floating 상태 배관에서 동종 단독형 보다 노이즈가 증가하였으나 GND 상태에서 출력 레벨을 유지하고 동종 단독형 보다 노이즈가 감소하였다.
결과적으로 지름 8mm에서 모든 구동 모드가 기준 SNR을 만족하지 못하고 그 이상의 지름에서 모두 만족하였다. 단독형의 경우, 배관의 전기적 상태 등 환경적 요소에 민감하였기에 출력 레벨을 유지하는 위상차 구동형을 고려하였으며 차후 low pass filter와 shield를 통한 개선이 필요할 것이다.
정전용량 센서의 주 적용 분야는 터치, 유량, 바이오 센서 등으로 금속체 결함에 대한 적용은 그 사례가 부족하기 때문에 이에 대한 기초적인 분석과 검증이 필요하다. 그러므로 본 논문에서 일반적인 정전용량 센서 구동 모드인 단독형, 위상차 구동형을 결함에 적용시켜 결함에 의한 각 전극의 표면 전하 밀도 및 총 전하량, 정전용량 변화를 분석하였으며 등가회로를 통해 적용 환경 및 배관의 전기적 상태에 따른 센서의 출력 레벨, 민감도, 노이즈 변화를 분석하였다.
센서 제작 및 검증에 앞서, Comsol Multiphysics 시뮬레이션을 통한 FEA 해석으로 무결함 상태의 기본적 특성과 이격 거리 특성, 결함에서의 특성을 분석하였다. 결함의 경우 이격 거리를 가하는 것과 달리, 전극 면적 내에 배관과 거리가 먼 면적과 가까운 면적이 존재하기 때문에 단순히 유전율, 거리, 면적으로 정전용량을 계산할 수 없다. 그러므로 전속 밀도 벡터의 normal 성분을 구하여 표면 전하 밀도를 구한 뒤, 이를 통해 전하량을 구하여 정전용량 계산을 수행하였다.
단독형의 경우, 배관의 전기적 상태에 따라, floating 상태일 때 보다 GND 상태 일 때 출력 레벨이 크게 증가하였다. 배관 위상 180° 차이나는 전압을 각각의 전극에 걸어 중성점을 유지하도록 설계한 위상차 구동형의 경우, 결함으로 인한 각 전극과 배관 간 거리 차이로 인한 중성점 이동이 발생하였으며 이동의 정도는 배관의 전기적 상태에 따라 상이했다. 결과적으로 GND 상태인 경우, (+) 전극이 결함 진입 시 floating 상태일 때 보다 정전용량이 감소하고, 진퇴 시 정전용량이 증가하였다. 그러나 이러한 변동 레벨은 단독형에 변동 레벨에 비해 현저히 낮은 것으로 확인되었다.
검증을 위한 실험은 CAV424를 이용한 정전용량 센서 모듈과 지름 8mm, 12mm, 24mm, 36mm, 깊이 1mm, 3mm, 5mm 결함으로 구성된 탄소강 plate로 진행하였다. 단독형의 경우 floating 상태 배관에서 출력 레벨 및 민감도가 가장 낮고 노이즈에 취약했으며 GND 상태 배관에서 민감도가 가장 높고 노이즈가 저감되었다. 위상차 구동형의 경우 floating 상태 배관에서 동종 단독형 보다 노이즈가 증가하였으나 GND 상태에서 출력 레벨을 유지하고 동종 단독형 보다 노이즈가 감소하였다.
결과적으로 지름 8mm에서 모든 구동 모드가 기준 SNR을 만족하지 못하고 그 이상의 지름에서 모두 만족하였다. 단독형의 경우, 배관의 전기적 상태 등 환경적 요소에 민감하였기에 출력 레벨을 유지하는 위상차 구동형을 고려하였으며 차후 low pass filter와 shield를 통한 개선이 필요할 것이다.
목차
1. 서론 81.1 연구 개요 82. 정전용량 센서의 구성 122.1 이론적 배경 122.1.1 정전용량 센서의 원리 122.2 전극 배치에 따른 커패시터의 전하 밀도 및 정전용량 분석 152.2.1 평판형 커패시터 152.2.2 병렬형 커패시터 182.3 전극 구성에 따른 정전용량 센서의 전하 밀도 및 정전용량 분석 212.3.1 단독형 정전용량 센서 212.3.2 위상차 구동형 정전용량 센서 262.3.3 이격 거리에 따른 전하 밀도 및 정전용량 변화 312.3.4 결함에 따른 전하 밀도 및 정전용량 변화 343. 정전용량 센서의 구동 633.1 정전용량 센서의 작동 모드 633.1.1 단독형 / 송신형 / 분류형 / 위상차 구동형 633.2 실험 환경을 포함한 정전용량 모델 653.2.1 실험 환경을 포함한 정전용량 센서의 등가회로 653.3 기준 Ground에 따른 표면 전하 밀도 및 정전용량 분석 703.3.1 Ground-target 간 접촉에 의한 전하 밀도 및 정전용량 변화 703.3.2 Ground-target 간 접촉에 의한 이격 거리에 따른 특성 변화 733.3.3 Ground?target 간 접촉에 의한 결함에 따른 특성 변화 744. 정전용량 센서의 신호 분석 및 검증 1014.1 실험 구성 1014.1.1 센서 제작 및 실험 구성 1014.2 결함의 지름 및 길이에 따른 결과 분석 1074.2.1 결함 지름별 (8mm/12mm/24mm/36mm) 결과 1074.2.2 결함 깊이별 (1mm/3mm/5mm) 결과 1125. 결론 119참고문헌 122
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