능동제어(제어계측실험) 비교 고찰

소개글

능동제어(제어계측실험) 비교 고찰에 대한 보고서 자료입니다.

목차

이론적 배경

1. PDI Controll

2. A/D 변환기

3. D/A 변환기

4. 센서의 종류

5. Piezo-Electric Material(압전재료)

6. 실험결과

7. 고 찰

참고문헌

본문내용

10여종은 응력이 없는 상태에서도 분극을 일으키는 자발분극 현상이 있다. 따라서 주위의 온도변화에 크게 의존하는 자발분극 특성을 갖는다. 이러한 온도함수에 의한 자발분극의 변화는 결정표면에 전위의 변화를 일으키는 음전특성을 갖는데 이 원리를 이용한 것이 초전형 적외선 온도센서이다.
초전특성은 인가한 전계에 의해 쉽게 바뀌는 강유전 특성을 갖는 강유전체와 절연파괴까지 이르러서야 변하는 특성을 갖는 것이 있다.
초전형 센서재료로 활용 가능한 것은 전자의 경우로 세라믹 재료의 일종인 티탄산 바륨(BaTiO₃)이 대표적이다.
고분자 압전필름
고분자를 延伸한 필름은 고온 고전계에서 분극조작을 하면 압전 효과가 나타나는 것으로 폴리불화비닐덴(PTDF)이나 폴리불화비닐(PVF)등이 있다. 이것들은 연신의 종방향 응력에 따라 필름면에 발생하는 분극효과가 크다. 압전성과 분극 구조에 대해서 PVDF를 용융하여 시트상으로 밀어내면 결정이 생긴다. 이것은 분자축 방향으로 불소에 의해 발생하는 커다란 쌍극자를 갖게 되는데 결정 중에서는 2개의 불소 원자가 反平行으로 되기 때문에 쌍극자 모우먼트는 상쇄한다.
60-100℃에서 4배 이상으로 연신시키면 β형 결정이 된다. 또 양면에 알루미늄을 증착시켜 100℃정도의 온도로 높은 전계들 걸면 불소 원자가 한 방항으로 향하고 그의 비 대칭성에 따라 압전성이 큰 필름이 생긴다.
압전 반도체
진동자를 사용한 압전 변환기는 진동자의 두께가 파장의 4분의 1 또는 2분의 1이 되도록 설계한 것으로 고주파 영역에서는 파장이 짧고 진동자의 제작이 안 되기 때문에 압전 반도체를 이용해 변환기를 만들게 되었다.
압전성과 반도체성올 겸해서 가지고 있는 결정을 압전 반도체 결정이라고 말하는데 일반적으로 ZnO, ZnS, CdS, CdSe, CdTe와 같은 IIb-VIb족 화합물과 GaP, GaAs, InSb 등과 같은 IIIb-Vb족 화합물 중에 많이 존재한다.
이들 화합물은 섬아연광 결정구조이거나 우르츠크 광형 결정 구조를 하게 되므로 압전성을 갖고 에너지 대 구조상 반도체 성질을 갖는다.
이들 재료는 물질의 압전성을 유지한 채로 반도체 성질을 제어할 수 있으므로 두께가 엷은 고저항 특성을 만들 수 있다.
공핍층 트랜스듀서
PN접합부에 적당한 직류 역전압을 걸어 공핍층을 형성시키고 고주파 전압을 인가하면 전압은 대부분 높은 저항의 공핍층에 걸리게 된다. 따라서 압전성에 의해서 초음파로 진동하여 P물질 및 N물질로 傳瘢되어 간다. 직류 전압의 값을 변화시키면 어느 정도 공핍층 두께를 변화시킬 수 있다. 또 공핍층의 두께는 불순물 밀도에 관계가 있고 얻어질 수 있는 최고의 두께는 불순물 밀도에 의해 결정된다.
박막 트랜스 듀서
증착과 같은 작업을 통해 CdS, ZnO막 등을 구성한 것으로 압전정수가 크기 때문에 변환자, 필터로서 많이 실용화 되어 사용하고 있다.
이들의 트랜스듀서는 어느 것이나 물질 중에서는 엷은 고저항충으로 만들어져서 고주파 전계를 그 층에 집중시키는 원리로 되어 있기 때문에 저항층 트랜스듀서로 불리고 있다.
압전 반도체에 있어서 압전성과 반도체 특성의 어느 성질이 주가 되고 있는가를 간단하게 판단하려면 유전체 완화 주파수 ωc에 의하는 경우가 많다. 이 ωc는 결정의 도전율을 σ, 유전율을 ε로 하면 ωc = σ/ε로 주어지는데 대상의 각 주파수 ω에 대해 ωc >> ω의 경우는 압전성을 나타내지 않으나 ωc << ω의 경우는 압전성이 매우 크다. 이러한 현상은 ωc >> ω의 경우는 결정중의 자유 캐리어가 기계적 외력에 의해서 결정 내부에서 발생하는 분극이 단락하여 소멸하여 나타나지 않기 때문이다. 따라서 압전변환기의 성능은 ωc 즉, σ를 어떻게 제어하는가에 의해 크게 결정되므로 이 값을 최적으로 결정하기 위해 여러 가지로 연구되고 있다.
세라믹 압전재료
세라믹 압전재료에 대한 물리적 이론 및 특성은 매우 중요하고 다양하게 이용되므로 다음항의 세라믹 재료에서 다룬다.
Damping Ratio 구하는 방법
1)Logurithmic Decrement
2)Half power Point method
최고 진폭과 3dB 아래에 가상의 선을 그어서 응답곡선과 만나는점을 각각 w1,w2라고 하면 damping ratio는 다음과 같이 구할수 있다.
실험결과
Piezo Beam
Simulation results
Natural frequency and damping ratio
Natural Frequency
Damping Ratio
First Mode
Second Mode
First Mode
1.003
0.910
0.0155
Control Gain
P I D
P gain
I Gain
D gain
Transient
160
0
0.002
고 찰
이번 실험에서는 Piezo라는 지능재료를 사용하여 Natural Frequency와 Damping ratio를 측정하였다. Piezo는 외부에서 힘이나 변위를 가하면 내부에서 Voltage가 생기거나 Voltage를 가하면 힘이 생기는 지능재료이다. Voltage는 Sensor로 감지하고 힘은 Actuator로 측정하여 Natural Frequency를 구하는 것이다.
압전센서로부터의 Signal을 모니터링을 하게 되면 여러주파수가 합성된 형태로 보이게 된다.
이렇게 되면 우리가 원하는 Natural Frequency나 Damping ratio를 정확하게 측정할수 없게 된다. 그러므로 FFT analyser로 signal이 들어가기 전 Low Pass Filler를 설치하여 저주파만 통과시키고 고주파는 걸러내어 좀더 깨끗한 형태의 signal을 모니터링 해야 한다.
전에는 공진현상을 일으키는 Frequency가 단 한 개로 알고 있었다. 하지만 이번 실험을 통해
첫 번째 공진현상을 일어날때의 진폭보다는 작지만 두 번째, 세 번째등 공진현상을 일으키는 Frequency가 존재하는 것을 알았다. 공진현상을 일으키는 Frequency중 첫 번째의 주파수에서의 가장 큰 진폭을 나타냈다. 일반적으로 공진주파수가 커질수록 그에 해당하는 진폭은 줄어드는건지, 아니면 이 실험에서의 시스템에서만 줄어드는

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