스트레인게이지와 압전소자 방식의 힘 센서를 이용한 추력 측정 결과 비교

강동혁(Donghyuk Kang),김현준(Hyeon-Jun Kim),제원주(Wonju Je),주성민(Seongmin Joo),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

액체로켓엔진 연소기 연소시험 시 점화구간에서 과도한 추력이 2배 이상 발생하는 현상이 확인되었다. 스트레인 게이지 센서는 점화 구간에서 과도한 추력으로 인해 손상될 수 있다. 하지만, 피에조 센서는 스트레인 게이지보다 측정 범위가 넓기 때문에 폭넓은 범위의 힘을 측정할 수 있다. 본 논문에서는 압전 센서와 스트레인 게이지 센서 사이의 비교 연구를 위해 시험 설비에 2종류의 센서를 설치하였다. 스트레인 게이지 센서 교정으로부터 측정용과 교정용 로드셀 간의 관계를 설명하는 선형식을 얻었다. 결과적으로 서로 다른 종류의 센서는 1% 미만의 작은 오차를 보였다. It had been observed that a thrust was more than two times during the ignition transient event in hot firing test in liquid rocket engine combustor. Strain gauge sensor may be damaged and broken down under this ignition transient. But, piezoelectric sensor can measure a wide range of force because its measuring range is broader than a strain gauge sensor. In this study, two kinds of sensors was installed in the test facility for comparative study between piezoelectric force sensor and strain gauge sensor. An linear equation to describe relationship between measurement and calibration load cell was obtained in test from strain gauge sensor calibration. In conclusion, it has been found that the different types of sensors have small error which was less than 1 %.

텍스타일 스트레인 센서에 마이크로 니들을 이용한 전도성입자 침투력 향상

윤하영,김원진,김주용 한국감성과학회 2022 감성과학 Vol.25 No.4

Recently, interest in and demand for sensors that recognize physical activity and their products are increasing. In particular, the development of wearable materials that are flexible, stretchable, and able to detect the user's biological signals is drawing attention. In this study, an experiment was conducted to improve the dip-coating efficiency of a single-walled carbon nanotube dispersion solution after fine holes were made in a hydrophobic material with a micro needle. In this study, dip-coating was performed with a material that was not penetrated, and comparative analysis was performed. The electrical conductivity of the sensor was measured when the sensor was stretched using a strain universal testing machine (Dacell Co. Ltd., Seoul, Korea) and a multimeter (Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA) was used to measure resistance. It was found that the electrical conductivity of a sensor that was subjected to needling was at least 16 times better than that of a sensor that was not. In addition, the gauge factor was excellent, relative to the initial resistance of the sensor, so good performance as a sensor could be confirmed. Here, the dip-coating efficiency of hydrophobic materials, which have superior physical properties to hydrophilic materials but are not suitable due to their high surface tension, can be adopted to more effectively detect body movements and manufacture sensors with excellent durability and usability. 최근 신체활동에 대해 인식하는 센서와 그 제품군에 대한 관심 및 수요가 증가하고 있다. 특히 유연하고 연신이 가능하며 사용자의 생체신호를 감지할 수 있는 웨어러블 소재에 대한 개발이 주목받고 있다. 본 연구에서는 소수성 소재에 Micro Needle을 통해 미세 구멍을 형성한 후 SWCNT 분산용액에 대한 함침 효율을 향상시키는 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 구멍을 뚫지 않은 소재를 대조(control) 군으로 함침을 진행, 비교 분석하였다. 센서의 전기전도도를 평가하기 위해Strain UTM (Universal Testing Machine, UTM, Dacell)과 저항을 측정하는 멀티미터(Keysight)를 이용해 센서를 인장했을 때의 센서의 전기전도도를 측정하였다. 또한 센서의 내구성을 평가하기 위해 시료별로 500회 인장을 진행한 후에 센서의 전기전도도를 평가하였다. 그 결과 Needling을 한 센서의 전기전도성이 Needling을 하지 않은 센서에 비해 최소 16배이상 뛰어남을 알 수 있었다. 또한 센서의 초기 저항에 비해 게이지 팩터도 우수해 센서로서 좋은 성능을 확인할 수 있었다. 이를 통해 친수성 소재에 비해 물성이 뛰어나지만, 높은 표면장력 때문에 함침 효율이 좋지 않았던 소수성 소재의함침 효율을 높여 신체의 움직임을 더 효과적으로 감지하고 내구성과 활용 가능성이 뛰어난 센서를 제작했다.

나노 탄소 필라멘트 기반 3D 프린팅 압저항 센서 개발 연구

오광원,최백규,김성용,문현우,조정훈,김광희,김병탁,강인필 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.8

In this paper, we experimentally studied the characteristics of 3D printed sensors made from nano-carbon piezoresistive filament (NCPF). Using the piezoresistivity of NCPF made from ABS resin and 2 wt% multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), we fabricated strain and torque sensors using a 3D printer. The strain sensor with a grid pattern showed a linearity of 13% over a range of 0.12% tensile and compressive strains but also exhibited hysteresis characteristics commonly found in polymer-based sensors. The torque sensor with a spoke shape showed lower sensitivity (0.06 V/N·m) than metal strain gauges but demonstrated similar linearity. 본 논문에서는 나노 탄소 압저항 필라멘트(NCPF: nano-carbon piezoresistive filament)로 제작된 3D 프린팅 센서의 특성을 실험 연구하였다. ABS 수지와 2 wt%의 다중벽 탄소 나노튜브로 제작된 NCPF 의 압저항 특성을 기반으로, 3D 프린터를 활용하여 스트레인 센서와 토크 센서를 제작하였다. 그리드 패턴의 스트레인 센서는 0.12% 범위의 인장과 압축에 대하여 13%의 선형성을 보였으나, 고분자를 기반으로 하는 센서에서 발생하는 히스테리시스 특성도 함께 나타났다. 스포크(spoke) 형상의 토크 센서는 금속 스트레인 게이지 보다는 낮은 감도(0.06 V/N·m) 특성을 보였으나 선형성 측면에서 유사한 특성을 보였다.

그래핀/폴리우레탄 나노웹 기반의 스트레인센서 제작 및 호흡측정

이효철,조현선,이유진,장은지,조길수 한국감성과학회 2019 감성과학 Vol.22 No.1

The purpose of this study is to develop a strain sensor based on nanoweb by applying electrical conductivity to polyurethane nanoweb by using Graphene. For this purpose, 1% Graphene ink was pour-coated on a polyurethane nanoweb and post-treated with PDMS (Polydimethylsiloxane) to complete a wearable strain sensor. The surface characteristics of the specimens were evaluated using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) to check whether the conductive material was well coated on the surface of the specimen. Electrical properties of the specimens were measured by using a multimeter to measure the linear resistance of the specimen and comparing how the line resistance changes when 5% and 10% of the specimens are tensioned, respectively. In order to evaluate the performance of the specimen, the gauge factor was obtained. The evaluation of the clothing was performed by attaching the completed strain sensor to the dummy and measuring the respiration signal according to the tension using MP150 (Biopac system Inc., USA) and Acqknowledge (ver. 4.2, Biopac system Inc., U.S.A.). As a result of the evaluation of the surface characteristics, it was confirmed that all the conductive nanoweb specimen were uniformly coated with the Graphen ink. As a result of measuring the resistance value according to the tensile strength, the specimen G, which was treated with just graphene had the lowest resistance value, the specimen G-H had the highest resistance value, and the change of the line resistance value of the specimen G and the specimen G-H is increased to 5% It is found that it increases steadily. Unlike the resistance value results, specimen G showed a higher gauge rate than specimen G-H. As a result of evaluation of the actual clothes, the strain sensor made using the specimen G-H measured the stable peak value and obtained a signal of good quality. Therefore, we confirmed that the polyurethane nanoweb treated with Graphene ink plays a role as a breathing sensor. 본 연구의 목적은 그래핀(Graphene)을 사용하여 폴리우레탄 나노웹(Polyurethane Nanoweb)에 전기전도성을 부여하고, 이를 이용하여 나노웹 기반의 스트레인센서(Strain Sensor)를 개발하는 것이다. 이를 위해 1% 그래핀 잉크를 폴리우레탄 나노웹에 푸어코팅(Pour-coating)한 후 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 후처리를 하여 착용 가능한 스트레인센서를 완성하였다. 시료 표면에 전도성 물질이 잘 코팅되었는지 확인하기 위해 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)를 이용하여 시료의 표면 특성을 평가하였다. 시료의 전기적 특성 평가는 멀티미터(Multimeter)를 사용하여 시료의 선저항(Linear Resistance)을 측정하고, 시료를 각각 5%, 10% 인장하였을 때 선저항이 어떻게 변하는지 비교하였다. 또한 시료의 성능을 평가하고자 게이지율(Gauge Factor)을 구하였다. 착의평가 실험은 완성된 스트레인센서를 더미에 착용시킨 후 MP150(Biopac system Inc., U.S.A.)과 Acqknowledge(ver. 4.2, Biopac system Inc., U.S.A.)를 사용해 인장에 따른 호흡신호를 측정하였다. 표면 특성을 평가한 결과, 모든 전도성 나노웹 시료들이 그래핀 잉크로 균일하게 코팅되어있음을 확인하였다. 인장에 따른 저항값 측정 결과, 그래핀을 처리한 시료인 시료 G가 가장 낮은 저항값을, 그래핀을 처리한 후 열처리를 한 시료인 시료 G-H가 가장 높은 저항값을 가졌고, 시료 G와 시료 G-H의 경우 길이가 5%, 10%로 늘어남에도 선저항값의 변화가 안정적으로 증가하는 것으로 나타났다. 저항값 결과와는 달리, 시료 G가 시료 G-H보다 더 높은 게이지율을 보였다. 실제로 착의평가 결과, 시료 G-H를 이용해 만든 스트레인센서가 안정된 Peak값으로 측정되어 좋은 품질의 신호를 얻었다. 그러므로 본 연구를 통해 그래핀 잉크를 처리한 폴리우레탄 나노웹이 호흡 센서로서의 역할을 충분히 수행하는 것을 확인하였다.

탄소나노튜브/에폭시 나노 복합소재 스트레인 센서의 계측 연구

김종민(Jong Min Kim),강인필(Inpil Kang) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

This paper studies characteristics of carbon nanotube (CNT) composite sensor. The sensor was made of multi-wall carbon nanotube(MWCNT) with epoxy nanocomposite (3 wt%) by using piezoresistivity of the composite. For signal processing of the sensor, signal processing system was developed with the circuit consisted of voltage divider and signal processor. The characteristics of the sensor were studied by its static and dynamic responses. An experimental strain model of the sensor was obtained and response time of the strain sensor was measured under strain deflection as well. For dynamic strain sensing characteristic, the sensor was tested by free vibration response. The characteristics of MWCNT/epoxy strain sensor was compared with foil type strain gauge. From this experimental study, the composite sensor showed fairy good response and it is expected to be a promising strain sensor for mechanical applications.

Design of a Force Sensor for Thigh Force Measurement of a Wearable Walking Robot

정재현(Jae-Hyeon Jung),김갑순(Gab Soon Kim) Korean Society for Precision Engineering 2017 한국정밀공학회지 Vol.34 No.10

We describe the design and fabrication of a three-axis force sensor with parallel plate beams (PPBs) for measuring the force of a patient’s thigh in a wearable walking robot. The thigh link three-axis force sensor is composed of Fx force sensor, Fy force sensor, Fz force sensor and a pulley, which detect the x, y and z direction forces, respectively. The threeaxis force sensor was designed using the Finite Element Method (FEM), and manufactured using strain-gages. Experiments to evaluate the characteristics of the three-axis force sensor were carried out. The results of the characteristics experiment indicate that the repeatability error and the non-linearity of the three-axis force sensor was less than 0.04%, and the results for calibration showed that the errors of the sensor was less than 0.1%. Therefore, the fabricated thigh link three-axis force sensor can be used to measure the patient’s thigh force of the wearable walking robot.

4차 산업혁명의 측정소자 개발을 위한 나노 탄소 스트레인 센서 제작과 그 응용

강인필(Inpil Kang),김광희(Kwang-Heui Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.2

본 논문에서는 4차 산업혁명의 핵심인 측정소자 개발을 위한 나노 탄소 스트레인 센서(Nano-Carbon Strain Sensor, NCSS)의 제작 및 특성과 그 응용을 기술하였다. NCSS는 나노 탄소 소재를 기반으로 하는 전왜성 복합소재(Nano Carbon Piezoresistive Composite, NCPC)로 제작된다. 따라서 NCSS는 인쇄전자 방식이나 3D 프린팅 적층가공 기술을 활용하여 제작될 수 있을 뿐만 아니라 혼합 소재의 선택에 따라 유연성을 부여할 수도 있다. 이로 인하여 다양한 재질과 형상의 구조형 센서들이 자유롭게 설계되고 경제적으로 제작 할 수 있으리라 기대된다. In this paper, we describe the fabrication and characteristics of Nano-Carbon Strain Sensor (NCSS) for the development of sensing device, which is the key technology of the fourth industrial revolution. NCSS is made of Nano-Carbon Piezoresistive Composite (NCPC) based on carbon nanomaterials. Consequently, NCSS can be fabricated using printing electronic or 3D printing additive manufacturing technology. In addition, it can be flexible depending on the choice of mixed materials. Therefore, it is expected that structural sensors with various materials and shapes can be liberally designed and manufactured economically.

직물센서의 종류와 측정 위치가 호흡 신호 검출 성능에 미치는 효과

조현승,양진희,이강휘,김상민,이혁재,이정환,곽휘권,고윤수,채제욱,오수현,이주현 한국감성과학회 2019 감성과학 Vol.22 No.4

The purpose of this study was to investigate the effect of the type and measurement location of a fabric strain gauge sensor on the detection performance for respiratory signals. We implemented two types of sensors to measure the respiratory signal and attached them to a band to detect the respiratory signal. Eight healthy males in their 20s were the subject of this study. They were asked to wear two respiratory bands in turns. While the subjects were measured for 30 seconds standing comfortably, the respiratory was given at 15 breaths per minute were synchronized, and then a 10-second break; subsequently, the entire measurement was repeated. Measurement locations were at the chest and abdomen. In addition, to verify the performance of respiratory measurement in the movement state, the subjects were asked to walk in place at a speed of 80 strides per minute(SPM), and the respiratory was measured using the same method mentioned earlier. Meanwhile, to acquire a reference signal, the SS5LB of BIOPAC Systems, Inc., was worn by the subjects simultaneously with the experimental sensor. The Kruskal–Wallis test and Bonferroni post hoc tests were performed using SPSS 24.0 to verify the difference in measurement performances among the group of eight combinations of sensor types, measurement locations, and movement states. In addition, the Wilcoxon test was conducted to examine whether there are differences according to sensor type, measurement location, and movement state. The results showed that the respiratory signal detection performance was the best when the respiratory was measured in the chest using the CNT-coated fabric sensor regardless of the movement state. Based on the results of this study, we will develop a chest belt-type wearable platform that can monitor the various vital signal in real time without disturbing the movements in an outdoor environment or in daily activities. 본 연구의 목적은 직물형 스트레인게이지 센서의 종류와 측정 위치가 호흡 신호 검출 성능에 미치는 영향을 연구 하는 것이다. 본 연구에서는 호흡 신호 측정을 위하여 두 가지 종류의 센서를 구현하고 이를 밴드에 부착하여 호흡 신호를 검출하였다. 20대의 건강한 남성 8명을 대상으로 호흡 측정 밴드 2종을 순차적으로 피험자에게 착용하도록 하였다. 피험자가 편안하게 서 있는 상태에서 분당 15회의 호흡을 동기화시켰다. 30초 동안의 호흡 신호를 측정하 고 10초간 휴식을 취하도록 한 후 다시 30초 동안의 호흡 신호를 반복 측정하였다. 측정 위치는 흉부와 복부에서 각각 측정하였다. 또한 동작 상태에서의 호흡 측정 성능을 검증하기 위하여 피험자를 80SPM의 속도로 제자리에서 걷게 하고 이 때의 호흡 신호를 동일한 실험 방법으로 측정하였다. 한편 참조 신호를 획득하기 위해 ‘BIOPAC Systems, Inc.’의 SS5LB를 착용하게 한 후 동시에 측정하였다. 센서의 종류, 측정 위치, 동작 상태의 총 8개 조합의 집단 간 측정 성능의 차이를 검증하기 위해서 SPSS 24.0을 사용하여 Kruskal-Wallis test와 Bonferroni 사후검정을 실행하였다. 또한 센서 종류, 측정 위치, 동작 상태에 따라 각각 차이가 있는지를 분석하기 위해 Wilcoxon test를 실시하였다. 분석 결과 동작 상태와 관계없이 CNT기반의 직물센서를 통해 흉부에서 호흡 신호를 측정 했을 때 호 흡 신호 검출 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 기반으로 향후에는 야외 환경에서 또는 일상 활동 중에도 동작에 방해 없이 다양한 생체신호를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 가슴벨트형 웨어러블 플랫폼을 개발하고자 한다.

프로그래밍 노이즈 필터링 방법에 의한 저항 방식 E-밴드 텍스타일 스트레인 센서 신호해석

김승전,김상운,김주용 한국감성과학회 2022 감성과학 Vol.25 No.1

Interest in bio-signal monitoring of wearable devices is increasing significantly as the next generation needs to develop new devices to dominate the global market of the information and communication technology industry. Accordingly, this research developed a resistive textile strain sensor through a wetting process in a single-wall carbon nanotube dispersion solution using an E-Band with low hysteresis. To measure the resistance signal in the E-Band to which electrical conductivity is applied, a universal material tester, an Arduino, and LCR meters that are microcontroller units were used to measure the resistance change according to the tensile change. To effectively handle various noises generated due to the characteristics of the fabric textile strain sensor, the filter performance of the sensor was evaluated using the moving average filter, Savitsky-Golay filter, and intermediate filters of signal processing. As a result, the reliability of the filtering result of the moving average filter was at least 89.82% with a maximum of 97.87%, and moving average filtering was suitable as the noise filtering method of the textile strain sensor. ICT 산업의 글로벌 시장을 선점할 수 있는 다음 세대의 개발이 필요한 상황이 일어남에 따라 웨어러블 디바이스 의 생체 신호 모니터링에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 히스테리시스가 적은 E-Band를 사용하여 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 분산 용액에 함침 공정을 통해서 저항형 직물 인장 센서(Resistive textile strain sensor)를 개발하였다. 전기전도성이 부여된 e-band에 저항 신호를 측정하기 위해 만능재료시험기(UTM)과 Microcontroller unit인 아두이노와 LCR 미터를 이용해서 인장의 변화에 따른 저항 변화를 측정하였다. 원단으로 이 루어진 텍스타일 스트레인 센서의 특성상 발생하는 다양한 노이즈들을 효과적으로 처리하기 위하여 신호처리 과정 (Signal processing)의 노이즈 필터링의 이동평균 필터, 사비츠키-골레이 필터, 중앙값 필터들을 사용하여 센서의 필 터 성능을 평가하였다. 그 결과 이동평균 필터의 필터링 결과의 신뢰도가 최소 89.82%, 최대 97.87%으로 이동평균 필터링이 텍스타일 스트레인 센서의 노이즈 필터링 방식으로 적합하였다.

원판형 토크 센서의 설계 및 변형 해석

윤경선(Kyeogseon Yoon),사공영진(Youngjin Sagong),주진원(Jinwon Joo) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.1

고속 동력 장치나 로봇의 관절용으로 사용되는 토크 센서의 경우에는 원통형 감지부를 가진 플랜지형 토크 센서 대신 원판형의 토크 센서를 사용하면 공간의 제약을 해결하고 진동 등의 회전 특성을 개선시킬 수 있다. 본 논문에서는 전단 변형을 감지하는 원판형 토크 센서를 설계하고, 감지부의 휘스톤 브리지 회로 출력을 예측하기 위하여 변형해석을 수행하였다. 실제 제작된 토크 센서를 시험하여 얻어진 출력은 보 이론에 의한 출력 예측치에 비해 33.7%나 작게 측정되었다. 이 원인을 분석하기 위하여 근사해법에 의한 3차원 변형해석 및 유한요소 해석을 수행하고 감지부의 형상에 따른 전단 변형률 분포를 상세히 분석하였다. 3차원적인 보의 근사해법에 의해 계산된 전단 변형률의 크기와 분포는 2차원적인 보 이론에 의한 변형률 값과는 큰 차이를 보임을 확인하였다. In torque sensors used for high-speed power machines and robot joints, the usage of disk-type torque sensors in place of flange-type torque sensors with cylindrical sensing parts can solve the issue of space limitation and improve the rotational characteristics such as vibration. In this study, a disk-type torque sensor that detects the shear deformation was designed, and a deformation analysis was performed to predict the output of the Wheatstone bridge circuit of the sensing part. The rated output obtained by testing the manufactured torque sensor was measured to be 33.7% smaller than the rated output predicted by the Euler beam theory. To investigate the cause, a three-dimensional deformation analysis using an approximate solution and a finite element analysis were performed. The distribution of the shear strain according to the shape of the sensing beam was analyzed in detail. The magnitude and distribution of the shear strain calculated using the three-dimensional beam approximation solution was significantly different from those calculated using the two-dimensional beam theory.