센서․액추에이터 중 간 시 험

센서․액추에이터 중 간 시 험

[ 25 점 ]

2002. 10. 21. 대학원 기계공학과

1. [6점] 다음 물음에 답하시오.

(a) electromechanical transducer란 무엇인가?

(b) transducer를 sensor와 actuator로 구분할 때, 각각의 역할은 무엇이며 power level과 size에 있어서의 차이는 어떠한가?

2. [4점] 시스템을 모델링하는 데에 사용되는 변수들 중 power conjugate variable들 은 각 energy domain 별로 다음과 같이 분류된다.

translational : force F, velocity V

rotational : torque τ, angular velocity Ω electrical : voltage e, current i

magnetic : magnetomotive force M, magnetic flux rate φ̇

fluid : pressure P, volume flow rate Q thermal : temperature T, entropy change rate

_s ˙

이들을 expanded impedance analogy에 따라 flow variable과 effort variable로 구분하고, 각 domain의 impedance를 표현하시오.

3. [6점] parallel plate capacitor로 구성된 transducer에서 평행판 사이의 변화하는 거리를 (d+x)로 나타내면, capacitor에 저장되는 전기적 에너지는 다음과 같다.

E = q

² 2

( d + x)

ε A (q : charge, ε : permittivity, A : area) (a) 전압 e와 변위 x의 관계 및 힘 F와 전하 q의 관계를 각각 구하시오.

(b) 거리 변화에 따라 변동하는 전압과 전하를 각각 e = e₀+ eˆ 와 q = q₀+ qˆ 으로 표현하여 eˆ 와 x 간의 선형 관계를 유도하고, sensor로서의 sensitivity와 actuator로서의 sensitivity를 각각 제시하시오.

(뒷면에 계속)

4. [3점] magnetic capacitance, 즉 permeance는 다음과 같이 표현된다.

P =

μ A

l

( μ : permeability, A : cross-sectional area, l : length of the magnetic field)

두 magnetic capacitor가 직렬(series)로 연결되어 있을 때, effective capacitance, magnetic energy, interface force 들을 구하시오.

5. [6점] mechanical stress

T

_i, electric field

E

_m, magnetic strength

H

_m, temperature

^θ

를 독립변수로 하고, mechanical strain

S

_i, electric displacement

D

_m, magnetic field

B

_m, entropy

^σ

를 종속변수로 하는 일반적인 구성방정식은 다음과 같다. (i = 1, 2, … , 6 ; m = 1, 2, 3)

S

_i = s_ij^{E, H, θ}

T

_j + d_mi^{H, θ}

E

_m + d_mi^{E, θ}

H

_m + α_i^{E, H}

dθ D

_m = d_mi^{H, θ}

T

_i + ε_mk^{T, H, θ}

E

_k + m_mk^{T, θ}

H

_k + m_m^{T, H}

dθ B

_m = dmi^{E, θ}

T

_i + m_km^{T, θ}

E

_k + μ_mk^{T, E, θ}

H

_k + i_m^{T, E}

dθ

dσ = α

_i^{E, H}

T

_i + p_m^{T, H}

E

_m + i_m^{T, E}

H

_m + ρ c_i^{E, H, T}

θ

dθ

(a) 여기에 표현된 비례상수들 각각의 의미를 제시하고, 2가지 energy domain을 couple시키는 상수에 대해서는 어떠한 coupling인지 밝히시오.

(b) magnetic effect와 thermal effect는 무시할 만 하다고 가정할 때, 위 식들을 단 순화하여 압전현상을 나타내는 구성방정식(constitutive equations)을 표현하고, 이를 matrix 형태로 나타내시오.

(끝)

센서․액추에이터 학 기 말 시 험

[ 25 점 ]

2002. 12. 16. 대학원 기계공학과

1. [4점] mechanical stress

T

_i, electric field

E

_m, magnetic strength

H

_m, temperature

^θ

를 독립변수로 하고, mechanical strain

S

_i, electric displacement

D

_m, magnetic field

B

_m, entropy

^σ

를 종속변수로 하는 일반적인 구성방정식은 다음과 같다. (i = 1, 2, … , 6 ; m = 1, 2, 3)

S

_i = s_ij^{E, H, θ}

T

_j + d_mi^{H, θ}

E

_m + d_mi^{E, θ}

H

_m + α_i^{E, H}

dθ D

_m = d_mi^{H, θ}

T

_i + ε_mk^{T, H, θ}

E

_k + m_mk^{T, θ}

H

_k + p_m^{T, H}

dθ B

_m = dmi^{E, θ}

T

_i + m_km^{T, θ}

E

_k + μ_mk^{T, E, θ}

H

_k + i_m^{T, E}

dθ

dσ = α

_i^{E, H}

T

_i + p_m^{T, H}

E

_m + i_m^{T, E}

H

_m + ρ c_i^{E, H, T}

θ

dθ

(a) 위 식들을 단순화하여 piezomagnetism을 나타내는 구성방정식(constitutive equations)을 표현하고, 여기에 사용된 비례상수들 각각의 의미를 제시하시오.

(b) 위 식들을 단순화하여 pyromagnetism을 나타내는 구성방정식(constitutive equations)을 표현하고, 여기에 사용된 비례상수들 각각의 의미를 제시하시오.

2. [4점] strain gauge의 electrical resistance는 다음과 같이 표현된다.

R = ^{ρ l}

A

(

^ρ

: resistivity,

l

: length,

A

: cross-sectional area)

다음과 같이 정의되는 gauge factor를 유도하고, 그 결과에서 각 항의 의미를 설 명하시오.

k

_g ≡

^dR/R

dl/l

=

(fractional increase in resistance)/(fractional increase in length)

3. [4점] intensity-modulated fiber optic sensor들을 다음과 같이 분류할 때, 각각의 원리를 설명하시오.

extrinsic sensors : transmission type, internal reflection type, reflection type intrinsic sensors : property-change type, bending type

(뒷면에 계속)

4. [4점] electromechanical transducer에서 input과 output의 effort와 flow의 관계를 표현하는 2-port 방정식들 중에서 transfer matrix 표현방식은 다음과 같다.

{ ^{e f}

ⁱⁿⁱⁿ

} ⁼ [ ^{a a}

²¹¹¹

^{- a - a}

²²¹²

] { ^{e f}

^outout

} { ^{e f}

^outout

} ⁼ [ ^{b b}

¹¹²¹

^{- b - b}

²²¹²

] { ^{e f}

ⁱⁿⁱⁿ

}

transducer의 reciprocity를 나타내는 네 개의 연립방정식을 유도하고, 이를 만족 시키는 aij와 bij (i,j = 1,2)의 관계를 제시하시오.

5. [5점] transducer의 성능을 표현하는 척도로 사용되는 다음 용어들을 설명하시오.

(a) accuracy (b) distortion (c) sensitivity (d) efficiency (e) transient response

6. [4점] analog signal을 digital signal로 변환하였을 때 발생하는 aliasing 문제가 무엇인지 설명하고, 이 문제를 해결하기 위한 방안을 제시하시오.

(끝)