Study on the Dynamic Response Characteristics of Impact Force Sensors Based on the Strain Gage Measurement Principle

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1) 전북대학교 자원 ․ 에너지공학과

2) 한국지질자원연구원

* 교신저자 : [email protected] 접수일 : 2011년 6월 19일 심사 완료일 : 2011년 6월 24일 게재 승인일 : 2011년 6월 27일

변형률 게이지 측정원리를 이용한 충격하중 측정 센서의 동적응답 특성에 관한 연구

안중량¹⁾, 김승곤¹⁾, 성낙훈²⁾, 송영수¹⁾, 조상호^1)*

Study on the Dynamic Response Characteristics of Impact Force Sensors Based on the Strain Gage Measurement Principle

Jung-Lyang Ahn, Seung-Kon Kim, Nak-Hoon Sung, Young-Soo Song and Sang-Ho Cho

Abstract In order to estimate blast damage zone and control rock fragmentation in blasting, it is important to obtain information regarding blast hole pressure. In this study, drop impact tests of acrylic, aluminium, steel sensors were performed to investigate the dynamic response characterizations of the sensors through the strain signals. As a result, the strain signals obtained from the steel sensors showed less sensitivity to impact force level and experienced small changes with various length of the sensors. The steel sensors were applied to measure the impact force of an electric detonator.

Key words Impact force sensor, Dynamic strain measurement, Ball drop impact test

초 록 발파에 의한 암반손상영역을 평가하고 암반 파쇄도를 제어하기 위해서는 장약실 내 발생하는 폭발압력에 관한 정보는 중요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 철, 알루미늄, 아크릴 재질의 센서에 대한 낙추 충격 시험으로 부터 동적 변형률 신호를 측정하여 센서의 동적 응답 특성을 분석하였다. 철재 센서의 경우 충격하중에 가장 적은 변형률 출력 값을 보였으며 센서길이에 대한 출력 값의 변화는 적게 나타났다. 철제 센서를 뇌관의 충격하 중 측정에 적용하였다.

핵심어 충격하중 센서, 동적 변형률 측정, 낙추 충격 실험

1. 서 론

발파에서 폭약의 폭발과 함께 발생하는 충격파 및 폭발가스에 관한 정보는 발파손상영역의 평가 및 발 파파쇄도 제어에 중요한 정보가 된다. 발파 시 장약공 내에서 발생하는 폭약의 폭굉압은 10∼140kbar에 달 하며 폭발속도는 2700∼8400m/sec로서 순간적으로 높은 충격파를 발생시키게 된다. 이러한 충격파는 고

온고압으로 주변 암석을 가압하여 장약공 주변에 압 쇄권을 형성시키며, 그 주위에 방사상 인장균열을 형 성시킨다. 충격파와 함께 발생되는 폭발가스는 장약 공 주변의 압쇄권을 통과하여 인장균열 내로 전달되 어 방사상 인장균열을 더욱더 성장시키게 된다. 충격 파와 폭발가스는 암석의 파괴과정에 영향을 미치지만 최근 연구에 의하면 충격파의 역할이 더욱 큰 것으로 보고되고 있다.(Monjiza, 1992; 조상호 외, 2004).

Matsuo와 Nakamura(1980)는 초고속 영상분리형 카 메라(framing camera)와 줄무늬 카메라(streak camera) 를 이용하여 펜트리트(PETN) 폭약의 폭굉으로 발생 하는 충격파의 전파양상을 측정하였다. Osaka 등(1991) 은 변형률 게이지를 부착한 구리봉 센서를 이용하여

Fig. 1. Impact force sensors. Fig. 2. Systematic diagram of a dynamic strain date acquisition system.

수중을 통하는 폭발 충격파를 측정하였다. Fujikake 등(1999)은 변형률 게이지를 부착한 아크릴 센서를 이용하여 고속으로 충돌하는 콘크리트의 응력-변형률 곡선을 측정하였다.

본 연구에서는 폭발 및 고속충돌에 의하여 발생하 는 충격하중을 측정하는데 적합한 센서의 재질을 선 정하기 위하여 변형률 게이지를 부착한 아크릴, 알루 미늄, 철재 봉을 대상으로 낙추 충격 실험을 수행하 고, 측정된 변형률-시간곡선으로부터 재료별 동적거 동특성을 분석한다. 선정된 재료에 대하여 충격하중 보정식을 제안하고 전기뇌관의 충격하중 측정에 적용 하였다.

2. 낙추 충격 실험

2.1 실험개요

낙추 시험은 재료의 동적인 변형거동 및 강도측정 에 가장 많이 적용되는 충격실험법으로, 일정 무게를 갖는 추를 임의의 높이에서 자유 낙하시켜 대상체에 충돌시키는 방식으로 별도의 추진 장치가 필요 없는 간단한 시험법이다. 낙추 시험으로 부터 충격력을 구 하는 방법으로 낙하는 추가 센서의 감압면에 충돌 하 는 과정에서 추의 속도감소량에 해당하는 힘의 면적 을 구하고, 센서의 출력파형으로부터 충격이 가해지 는 시간을 구하여 힘의 면적을 나누어 센서에 가해진 충격력을 평가할 수 있다. 이 경우, 감압면에 추가 맞 닿는 순간의 속도는 에너지보존법칙으로부터 낙하높 이로 산출되며, 작용반작용 법칙으로부터 속도의 감

소를 얻을 수 있다. 구체적으로 반발계수(리바운드속 도/낙하속도)를 e로 하면 감압면에 가해진 충격력 F 는 아래와 같은 식으로 구할 수 있다.





여기서 m은 질량, 는 중력가속도, h는 낙하높이,

Δ

2.2 실험시스템 및 실험조건

폭발에 의하여 발생하는 충격파를 측정하는데 적합 한 센서의 재질을 선정하기 위하여 기존 문헌에서 충 격 센서로 사용한 아크릴, 알루미늄, 철을 사용하였다.

Fig. 1은 변형률 게이지를 부착한 아크릴, 알루미늄, 철재봉으로 직경은 25mm이며, 길이는 오른쪽부터 10, 20, 30cm이다. 사용된 변형률 게이지는 일본 교화사 제품으로 저항은 1kΩ이며 게이지의 길이는 5mm이 다. 센서의 감압면은 낙추와의 접촉면적으로 동일하게 유지시키기 위하여 정밀하게 평탄 가공하였다.

Fig. 2는 충격력에 의한 센서의 동적 변형률 측정을 위한 고속 데이터 획득시스템의 개요도를 보여주고 있다. 낙추가 센서의 감압면에 충돌하여 발생된 충격 력은 변형률 게이지에 도달하여 변형률 게이지를 신 축하게 되는데, 이때 발생하는 변형률 신호는 증폭회 로를 거쳐 디지털 오실로스코프(Tektronix DPO2014,

(a) Acrylic sensor (b) Aluminium sensor

(c) Steel sensor

Fig. 3. Strain voltage-time histories of three kinds of sensors.

1GS/s)에 저장된다. 저장된 변형률 신호로부터 낙추 가 감압면과 접촉하는 시간

Δ

낙추 시험에서는 직경 40mm의 원통형 파이프 속에 시료를 고정하고, 6, 27, 180, 230g의 강철구를 각각 50, 120, 150, 180cm의 높이(h)에서 낙하시킨다.

2.3 실험결과

Fig. 3은 아크릴, 알루미늄, 철 시료에 230g의 추를 낙하시켜 발생된 변형률신호-시간곡선을 보여주고 있 다. 측정회로의 특성상 수축 변형률은 거동은 부(-) 신 호로 신장 변형률 거동은 정(+)으로 표시된다. Fig.

3(a)는 아크릴 센서로부터 측정된 변형률-시간곡선을 보여주고 있다. 살펴보면 수축변형이 먼저 발생하고 신장변형이 뒤따라 강제 진동하는 양상을 보이다가 그 이후에는 자유진동양상을 보이고 있다. 여기서 추 와 센서가 접촉하는 시간

Δ

Fig. 3(b)는 알루미늄 센서로부터 측정된 변형률-시간

곡선을 보여주고 있으며, 추와 센서가 접촉하는 시간

Δ

Δ

반발계수 e의 산정에 필요한 추의 낙하속도와 반발 속도는 고속카메라를 이용하여 충돌전후의 추의 위치 와 경과시간을 파악함으로써 추정이 가능하다. 고속 카메라의 촬영속도는 초당 1200장으로 한 장당 약 0.8ms의 간격을 갖게 되므로, 각 화상에 나타나는 추 의 위치로부터 추의 이동속도가 계산된다. Fig. 4는 120g의 추를 낙하시켰을 때의 고속카메라의 화상을 보여주고 있다. 화상 내 화살표는 추의 위치를 표시하 고 있다. Table 1은 고속카메라 화상으로부터 구한 각 센서 별 반발계수를 나타내고 있다. 아크릴 센서의 반 발계수는 0.357로서 가장 큰 값을 보였으며, 알루미늄 과 철 센서는 비슷한 수준을 보였다.

Fig. 4. Images photographed by high-speed digital camera(1200fps).

Table 1. Estimated coefficients of restitution with high-speed camera images sample

Falling Distance

(m)

Falling Time

(s)

Falling Velocity

(m/s)

Rebound Distance

(m)

Rebound Time

(s)

Rebound Velocity (m/s)

Coefficient of restitution(e)

Acrylic 1.2 0.197 6.091 0.611 0.329 1.859 0.359

Alumi nium 1.2 0.195 6.154 0.126 0.138 0.921 0.176

Steel 1.2 0.197 6.091 0.14 0.145 0.967 0.187

Table 2. Results from steel ball drop impact test Materials Sensor length

(cm)

Drop height (cm)

Ball weight (g)

Output strain

voltage(mV) Δt(㎲) Impact force (N)

Acrylic 10

120 180 436 320 3558

230 558 357 5953

150 180 489 301 3781

230 617 336 6280

Aluminium 10

120 180 74 148 6107

230 162 162 10414

150 180 84 124 7289

230 207 146 11556

180 180 186 119 7595

230 480 137 12315

Steel 10

120 180 36 312 3095

230 48 338 5333

150 180 45 281 3435

230 63 322 5605

180 180 128 216 4470

230 272 277 6507

Table 2는 10cm 길이의 센서에 대한 낙추 시험 결과 로서, 추의 무게와 낙하 높이의 변화에 따른 충격 하중 값을 보여주고 있다. 살펴보면 충격 하중값은 강철구의 무게와 낙하높이가 높아지면서 증가하는 경향으로 보

였으나, 접촉시간

Δ

Fig. 5. Output strain voltage variation with materials of sensors.

Fig. 6. Output strain voltage variation with the length of sensors.

3. 충격하중 센서의 동적응답특성에 관한 고찰

3.1 센서의 재질에 따른 변형률 출력값의 변화 센서의 재질에 따라 발생되는 변형률 출력값의 변 화를 살펴보기 위하여 센서 재질별 Table 2의 변형률 출력값의 평균값과 재질별로 나타내었다(Fig. 5). 발 파 시 장약공 내에 높은 충격하중이 발생하는데 이를 측정하기 위해서는 가장 낮은 변형률을 보여주는 시 료가 가장 적합할 것으로 판단된다. 아래 그림에서는 아크릴 센서가 가장 높은 변형률을 보였으며, 철재 센 서가 가장 낮은 변형률을 보여주었기 때문에 높은 충 격하중의 측정에 가장 적합할 것으로 판단된다.

3.2 센서의 길이에 따른 변형률 출력값의 변화 센서의 길이가 변형률 출력값에 미치는 영향을 살 펴보기 위하여 Fig. 6에 철재 센서 길이별 변형률 출 력 값을 그래프로 나타내었다. 변형률은 추의 무게에 따라 크게 증감하지만, 센서의 길에는 큰 영향이 없음 을 볼 수 있다. 그러므로, 충격하중 측정시 하단부분 이 강체로 고정되어 있다면, 충격센서의 길이는 10cm 정도로 작아도 무관한 것으로 판단된다.

4. 뇌관의 폭력측정에 적용

4.1 개량 충격센서의 충격하중-출력전압 반응 특성 3 절에서 연구내용과 같이 철재의 충격센서 경우, 충격하중에 가장 낮은 값을 보이고 길이의 변화에 가

장 낮은 변형률 출력값을 보여 뇌관의 폭력 측정에 가 장 적합한 것으로 판단된다. Fig. 7은 개량된 철재 충 격센서로서 상단 감압면은 평탄하게 정밀 가공되었으 며 변형률 게이지 부착부위는 뇌관 폭발파를 줄이기 위하여 상단보다 적은 직경으로 가공하였다. 하단부 는 고정이 쉽도록 요철을 주어 뇌관 기폭 시 흔들림을 방지한다. 개량된 충격센서를 대상으로 낙추 시험을 수행하여 변형률 출력값과 충격 하중값의 관계를 Fig.

8에 나타내었다. 뇌관의 위력(충격력)을 정량적으로 평가하기 위하여 다음과 같이 충격력 F와 변형률 출 력값 V를 선형관계식으로 나타내었다.

F(KN) = 0.27V - 0.33 (2)

4.2 전기뇌관 충격력 측정실험

Fig. 9는 뇌관 충격력 실험을 위한 충격센서와 전기 뇌관의 설치현황을 보여주고 있다. 뇌관과 감압면의 사이에는 5mm의 아크릴판을 두어, 뇌관의 폭발파가 직접 센서에 닿는 것을 방지하였다. Fig. 10에 뇌관충 격실험으로 측정된 변형률 출력값을 충격 하중값으로 환산하여 나타내었다. 뇌관이 기폭 후에 1μs후에 충 격파가 변형률 게이지에 도착하는 것을 볼 수가 있는 데, 이격은 뇌관과 감압면의 접촉부와 변형률게이지 가 이격되어 있어 발생된다. 그래프 내 트리거 시작 시간은 이온 갭 게이지 측정회로를 이용하여 획득하 였다. 본 실험으로 추정된 뇌관의 최대 충격하중은 236kN으로 평가되었다. 이러한 정량적인 충격하중

Fig. 7. Improved strain measurement sensors. Fig. 9. Experimental setup for measuring the impact force of an electric detonator.

Fig. 8. Relationship between impact forces and strain output

voltages. Fig. 10. Impact force-time history of the electric detonator.

측정법은 지금까지 사용되는 뇌관 연주확대 시험과 같은 육안에 의한 대략적인 평가로 뇌관의 위력을 측 정하는 시험법을 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 충격하중을 측정하는데 적합한 센서 의 재질을 선정하기 위하여 변형률 게이지를 부착한 아크릴, 알루미늄, 철재 봉을 대상으로 낙추 충격 실 험을 수행하고, 측정된 변형률-시간곡선으로부터 재 료별 동적거동특성을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 고속카메라 화상으로부터 낙하속도 및 리바운드속

도를 구하여 아크릴, 알루미늄, 강철 재질의 센서 에 대한 반발계수 e를 구한결과, 각각 0.357, 0.176, 0.187로서 아크릴 센서가 가장 큰 반발계수를 보 였다.

2) 추의 무게와 낙하 높이의 변화에 따른 충격 하중 값을 살펴보면, 충격 하중값은 강철구의 무게와 낙 하높이가 높아지면서 증가하는 경향으로 보였으 나, 접촉시간

Δ

3) 개량된 철 센서의 충격하중 보정식은 다음과 같다.

F(KN) = 0.27V - 0.33

여기서 F는 충격력, V는 변형률 출력값을 의미한다.

안 중 량 김 승 곤 전북대학교

자원 ․ 에너지공학과 석사과정

전북대학교

자원 ․ 에너지공학과 교수

Tel: 063-270-4636

E-mail: [email protected]

Tel: 063-270-2364

E-mail: [email protected]

성 낙 훈 송 영 수

한국지질자원연구원 광물자원연구본 부 자원탐사개발연구실 책임기술원

전북대학교 자원·에너지공학과 교수

Tel: 042-868-3181 E-mail: [email protected]

Tel: 063-270-2365

E-mail: [email protected]

조 상 호 전북대학교

자원 ․ 에너지공학과 교수

Tel: 063-270-4636

E-mail: [email protected] 충격하중 보정식으로 부터 전기뇌관의 충격력은 236 kN으로 추정되었다.

감사의 글

이 논문은 전북대학교 부설 공학연구원 공업기술연 구센터 지원에 의해 이루어졌습니다.

참고문헌

1. 조상호, 양형식, 가네꼬카츠히꼬, 2004, SB발파에서 지발뇌관의 기폭초시오차가 암반파괴과정에 미치는 영향, 터널과 지하공간, Vol. 14, No. 2, pp. 457-464.

2. Fujikake, K., Y. Shinozaki, T. Ohno, J. Mizuno and A. Suzuki, 1999, Post-peak and strain-softening behaviors of concrete materials in compression under rapid loading, Japan Society of Civil Engineers, pp.

627-44.

3. Matsuo, H. and Y. Nakamura, 1980, Experiments on cylindrically converging blast waves in atmospheric air. American Institute of Physics, pp. 47-52.

4. Munjiza, A., 1992, Discrete elements in transient dynamics of fractured media. Ph.D. Thesis, University of Wales, University College of Swansea, Wales, UK.

5. Osaka, H., M. Fujita, K. Hanasaki and Y. Fujinaka, 1991, The effect of pressure wave control in the underwater explosive forming. Journal of The Industrial Explosives Society, 52-1, pp. 41-50.