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기초공학실험(오실로스코프)

REPORT과 목 :수업시간 :학 과 :학 번 :제 출 일 :담당교수 :? 실험목적오실로스코프는 전압의 파형을 측정하는 기기이다. 따라서 전류, 속도, 온도, 조도, 유량 등의 시간에 따른 변화량을 전압의 형태로 변환하면 디지털 오실로스코프로 측정할 수 있다. 이 실험에서는 디지털 오실로스코프를 사용하여 파형을 측정하고 실험 자료를 얻고 처리하는 방법을 배운다.이 실험은 다음과 같이 크게 3종류의 실험으로 나누어져 있다.< 오실로스코프> ? 실험 #1 : 디지털 오실로스코프의 사용법? 실험 #2 : 디지털 오실로스코프를 이용한 전압 측정? 실험 #3 : 디지털 오실로스코프를 이용한 과도응답과 주파수응답 측정? 실험 #1 : 디지털 오실로스코프 사용법? 실험목적디지털 오실로스코프의 사용법을 익히고 직류 전압의 크기와 교류전압의 파형을 관 측하는 방법을 습득하여 다양한 계측기로부터 얻어진 실험 데이터를 시각적으로 쉽 게 보여주는 기법을 배운다.? 실험장치- 실험실용 디지털 오실로스코프(Triggered - type Digital Oscilloscope)- 함수발생기(Function Generator)? 실험방법1) 오실로스코프의 각 단자나 스위치의 기능을 표 1처럼 정리하고 그 기능을 설명한다.2) 함수발생기를 켜고 SIN함수를 선택하고 적당한 주파수와 진폭을 갖도록 조절한 다음 함수발생기의 출력신호를 오실로스코프의 CH1 입력단자에 연결한다.3) 오실로스코프를 켠 후 1~2분간 기다린다. 이때 Trace가 나타나지 않으면 Trigger Switch를 Auto(matic) 위치에 놓는다. 그래도 Trace가 나타나지 않으면 Brilliance와 Intensity 단자를 조정한다. 아직까지도 Trace가 나타나지 않으면 Horizontal과 Vertical position을 조정한다.4) Focus, Brightness, Astigmatism을 조정하여 Trace가 분명하게 보이도록 조절하고 Position단자를 조정하여 Trace를 중앙에 오도록 한다.5) 1)에서 정리한 각 버튼이나 스위치를 작동하면서 관측되는 결과를 기록한다.Control or SwitchFunctionPOWER반시계 방향으로 돌리면 power OFF, 시계 방향으로 돌리면 power ON 된다.표시등전원의 ON, OFF 여부를 표시한다.FOCUS영상의 초점을 맞추는데 쓰이며 휘도 조절기와 함께 가장 선명하고 보기 좋은 상태로 조작하도록 한다.INTENSITY밝기(휘도 intensity)를 조절한다.TRACE ROTATION화면이 기우뚱하게 되었을 때, 드라이버 등으로 좌우의 균형을 맞추는데 쓰인다.AC/GND/DC절환스위치입력신호와 수직증폭단의 연결방법은 선택할 때 사용한다.- AC 상태 : 파형 중에서 DC성분을 제외한 나머지 AC성분만을 따로 보고자 할 때 사용한다. 기준 위치를 중심으로 교류성분만이 나타난다.- GND 상태 : 해당 채널의 파형에 대한 기준위치(ground)를 나타낸다. 스위치를 이 상태에 놓으면 수평선이 나타나고 그 위치가 기준 위치, 즉 0[V]의 상태이다.- DC 상태 : 일반적인 측정에서는 항상 이 상태로 놓고 측정한다. AC-DC를 모두 볼 때 사용한다.POSITION화면에 나타난 파형을 전체적으로 위 아래로 이동시킨다.VARIABLE파형의 크기를 연속적으로 증감시킨다. VOLTS/DIV보다 민감하게 조절할 수 있으며, 이를 돌려 놓으면 VOLTS/DIV의 눈금간격이 맞지 않게 되므로 크기를 정확히 측정할 때에는 시계방향으로 끝까지 돌려 잠금 상태로 측정해야 한다.VOLTS/DIV화면상의 높이를 나타내는 격자 눈금(division)간의 간격을 조절한다.V.MODE수직축의 표시형태를 선택하는데 이용된다.- CH 1 : CH 1에 입력된 신호만 CRT상에 나타난다.- CH 2 : CH 2에 입력된 신호만 CRT상에 나타난다.- DUAL : CH 1,CH 2 의 파형을 동시에 나타낸다.- ADD : CH 1과 CH2의 신호가 더해져서 나타난다.HORIZONTAL POSITION교정된 위치로부터 소인시간을 연속적으로 변화시키는데 사용한다.TIME/DIV화면상의 시간 축(좌우) 눈금 크기의 변경에 사용된다. 짧은 주기를 갖는 신호나 긴 주기의 신호를 조절하여 스코프의 화면에 나타나도록 한다.VARIABLE이 스위치에 위치하면 소인시간이 10배로 확대되며 이 때의 소인시간은 IME/DIV지시치의 10배가 된다.X10 MAG 스위치광점의 위치를 수평방향으로 이동시키는 조절기이다.(파형의 측정과는 독립적으로 사용된다.)INT 스위치CH1이나 CH2에 입력된 신호로서 동기시키고자 할 때 사용된다.SOURCE트리거를 어디에 기준할 것인가를 선택한다.- INT : CH1 이나 CH2에 입력된 신호가 동기 신호원이 된다.- LINE : 교류전원(100V)에 동기시키고자 할 때 사용한다.- EXT(external) : 외부에서 SOURCE를 통해 별도의 동기 신호를 줄 때 사용한다. 일반적으로 측정하고 있는 채널에 맞추어 놓으면 된다.TRIGGER MODE소인동기 형태를 선택한다.- AUTO : 일반적인 사용에서는 이 위치가 편리하다.? 실험 #2: 디지털 오실로스코프를 이용한 전압과 파형 측정? 실험목적디지털 오실로스코프를 이용해 직류와 교류의 전압과 파형을 측정하는 방법을 배운다.? 실험장치- 디지털 오실로스코프- 멀티미터- 함수발생기- 만능기판- 저항(20kΩ, 200Ω)? 실험개요일반적으로 오실로스코프느 다음과 같은 3가지 기능을 가지고 있다.1) AC 전압측정- AC 신호의 peak-to-peak 전압(Ep-p)은 다음과 같다.Ep-p = (Volt / div) x (Number of divisions)2) 주기측정- AC신호의 주기(T)는 다음과 같이 측정된다.T = (Time / div) x (Number of horizontal division)3) 파형관측- 다양한 신호의 파형을 관측할 수 있다. 각각의 신호를 개별적으로 관측할 수도 있고 CH1을 수평(X)축으로 CH2를 수직(Y)축으로 하는 지사쥬 도형(Lissajous)을 관측할 수 있다. 특히 이 방법은 평면상에서 움직이는 2차원 운동이나 입력과 출력의 신호 특성을 비교하는 유용하다.? 실험방법1) 회로도와 같이 전기저항 3개와 전압원(Vs)으로 이루어진 회로를 전원공급기가 내장된 만능기판위에 설치한다. 여기서, G는 Ground를 의미한다.2) a와 G 사이에 직류를 연결하고 a와 G, a와 b, a와 c, c와 G사이의 전압을 다음 3가지 방법으로 측정하여 비교한다.① 멀티미터② 디지털 오실로스코프③ 전압, 전류, 저항의 관계식을 이용해 계산된 값3) a와 G 사이에 함수발생기에서 나오는 신호(삼각파, 사각파, 사인파 등)를 연결하고 위의 2)의 과정을 반복 실험한다. 각각의 신호의 파형, 전압, 주기 등을 관찰하고 그 결과를 설명한다.< 회로도(이번 실험은 R1 R2 만 사용) >? 실험결과멀티미터(Multimeter)를 이용해값과값을 지정한 후 주어진 저항으로부터를 구한다.처음의 값으로를 구하는 실험을 하였다. 주어진 파란색의 저항 ( 20000) 으로 회로를 구상한 다음 두 번째 주어진 값을 모르는 노란색의 저항을 측정하였다. 하지만 여러 번의 측정에도 주어진 각각의 저항값의 차이가 너무 많이 나서 결국 결과 값을 파란색 저항 ( 20000) 노란색 저항 ( 200) 으로 주었다. 주어진 두 개의 저항차이가 심하면 실험 결과값을 구하는데 상당한 어려움이 있다는걸 알았다. 추가로 V=IR 식을 이용해 위의 식을 유도했다.먼저 주어진=10v를 가지고 회로를 구성한 뒤 우리가 알고 있는값 즉, 파란색의 저항 ( 20000)과=4.9505v를 위 식에 대입하면 우리가 원하는값을 구할 수 있다.과정 :(=20000=5v=4.9505v )=== 199.97200? 실험 #3: 디지털 오실로스코프를 이용한 과도응답과 주파수응답? 실험목적단순주기신호에 대한 동적 시스템의 입력과 출력의 특성인 주파수응답을 주파수의 변화에 따라 측정하여 주파수응답함수(Frequency response function)의 크기(Magnitude)와 위상(Phase)을 실험을 통해 학습한다. 또한, 일반적인 입력파형에 대한 회로의 과도응답(Transient response)을 관측한다.? 실험장치- 디지털 오실로스코프- 함수발생기- 만능기판- 저항- 커패시터? 실험방법1) 전형적인 1차 시스템으로 일종의 저역필터의 기능을 갖는 RC회로를 구성한다.2) a와 G사이에 함수발생기를 이용해 Vs(t) = Asinwt의 전압을 인가한다.3) a - G단자를 디지털 오실로스코프의 CH!에 b-G 단자를 CH2에 연결하고 파형을 관측한다. 이 때 GND (G)신호를 오실로스코프의 GND(검은색 EH는 BNC 컨넥터의 경우 외곽의 둥근 금속부)와 연결하도록 주의한다.4) 함수발생기에서 발생하는 SIN함수의 주파수 w를 변화시키면서 M(w)와 φ(w)를 측정하고 이를 w의 함수로 그래프를 그린다. (디지털 오실로스코프와 PC를 연결하여 오실로스코프에 저장된 데이터를 PC로 옮기고 이 데이터를 이용한다.)5) 계산된 결과와 비교하고 이 회로의 특성에 대하여 설명한다.1) RC회로에서 R과 C의 위치만 바꾸어 high pass filter 기능을 갖는 CR회로를 구성한다.2) RC회로 실험의 2) ~ 5)과정을 반복한다.? 실험결과? 실험값(입출력 비)진동수 (Hz)입력전압 A(V)출력전압 B(V)입출력 비10005.00.20.08205.04.80.96? 이론값(입출력 비)(=는 주파수 R=200Ω, C=0.1μF)진동수 (Hz)10000.07932200.96983? 오 차진동수 (Hz)실험값이론값오 차10000.10.079320.1071%200.960.969831.0239%? 실험값(입출력 비)진동수(kHz)입력전압 A(V)출력전압 B(V)입출력 비2051.20.2450054.90.98? 이론값(입출력 비)(=는 주파수 R=200Ω, C=10μF)진동수 (kHz)200.24375000.9875? 오 차진동수 (kHz)실험값이론값오 차10000.240.24371.5182%

공학/기술| 2010.10.11| 10페이지| 1,000원| 조회(220)

주파수, 오실로스코프, 기초공학, 출력신호, 입력단자

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기초공학실험(인장실험) 평가A좋아요

? 인장실험 목적인장시험은 재료강도에 관한 기초적인 자료를 얻을 목적으로 수행되는 공업 시험 중에서 가장 기본적인 시험으로, 보통 환봉이나 판 등의 평행부를 갖는 시험편을 축 방향으로 인장하중을 가해 하중과 변형을 측정한다. 보통 이로부터 측정할 수 있는 값은 연성재료와 취성재료가 다르며, 연성재료에서는 인장강도, 항복점, 연신율, 및 단면 수축율이고 취성재료에서는 인장강도와 연신율이다. 인장시험에 의해 측정될 수 있는 재료의 기계적 성질로서는 그 외에 비례한도, 탄성한도, 탄성계수, 진파단력과 Poisson비 등도 포함된다.또 인장시험에 의해 구해지는 재료의 강도는 횡단면에 수직으로 작용하는 응력에 대한 시료의 강도값으로 , Notch나 그 외의 원인으로 분포가 일정하지 않은 응력을 받는 경우의 항복점이나 파단강도는 재료가 항복이나 파괴에 따른 역학적 조건과 인장시험의 결과를 고려하여 대략 추정된다.? 실험 순서인장시험편을 받은 후 다음의 순서로 실험한다.가) 실험후의 인식을 위하여 각 시험편의 양 끝에 스탬프로 번호를 표시한다.나) 자료기록표(data sheet)를 사용하여 얻어진 data를 즉시 기록한다.다) 감소된 단면인 평행 부의 면적을 측정한다.라) 마킹게이지로 시험편 평행부에 표점거리를 가볍게 표시한다. 응력집중이 생기지 않도록 평행부에 표점거리를 찍을 때 표면에 손상이 가지 않게 하여야 한다. (extensometer를 사용할 때는 마킹게이지가 필요하지 않다.)마) UTM에 유압을 low pressure 상태로 하여 가한다.바) UTM에 시험편을 넣고, 상부 그립(Grip)을 먼저 잠그고, 그 후 하부 그립을 잠근다.사) UTM에 유압을 high pressure 상태로 전환한다.아) UTM의 control을 load pot으로 하여 control panel을 보며 인장하중이 영이 되게 조정한다.자) 안전을 위해 limit detector를 설정하여 작동시킨다.차) 인장하중을 가한다.카) 파단 후, 각 하중점(항복점, 최대하중점 등)을 각자의 자료정한 기울기를 갖는 구간이다. 이 구간에서는의 식이 성립하며 직선의 기울기 E를 탄성계수라고 한다. 또한 이러한 응력과 변형률의 관계식을 Hooke's Law라고 한다. 그림의 A지점은 Hooke의 관계식이 성립되는 끝점으로 비례한도(Proportional limit)라고 한다.()나) A-B 구간 : 비례한도를 지난 후에도 계속 하중이 주어지면 재료가 하중의 가감 없이도 변형을 일으키는 구간이 존재하고, 이러한 구간의 시작점 B를 항복점(Yielding point)이라고 하며 항복점의 응력을 항복응력()이라고 한다. 항복점은 일반적으로 측정을 하기가 어려워서 0.2% offset 방법을 많이 사용하는데, 이는 원점으로부터 0.002만큼 우측으로 offset 시킨 기울기 E의 직선이 원래의 Stress-Strain 곡선과 만나는 지점을 항복점으로 정하는 방법이다.다) B-C 구간 : 앞서 언급했던 하중의 가감 없이도 변형을 일으키는 구간이 B-C 구간이며 이를 Perfect plasticity라고 한다. 이 구간에서는 재료가 영구 변형을 일으키고, 가해진 하중을 제거하여도 변형이 초기 상태로 돌아오지 못하게 되며 이를 소성변형이라고 한다.라) C-D-E 구간 : 항복점을 지나면 재료는 경화(hardening)현상이 일어나면서 다시 Stress-Strain 곡선의 기울기가 양이 되는 구간으로, 최대응력을 갖는 지점 D에서의 응력을 극한응력(Ultimate stress,)이라고 한다. 극한점을 지나면 재료는 가늘어지면서 중앙 부분이 얇아지는 현상을 보이며, 이를 넥킹현상(Necking)이라 한다. 넥킹현상을 보이는 재료는 결국 절단되며 이 지점(E)에서의 응력을 파단응력(Fracture stress,)이라고 한다.※ 진파단응력(E'에 해당하는 응력) : 파단응력을 고려할 때 원래 시편의 단면적 A0로 하중을 나누어주면 그림과 같이 응력이 극한응력보다 낮게 된다. 따라서 파단 시 단면적을 기준으로 응력을 측정해준 값을 진파단응력()이라고 하며 이는 극한응력보다 큰 줄 수 있는 load-indicating 메 커니즘. 이 메커니즘은 특정 테스트 속도에서의 inertia lag 없어야 하며 나타난 load 값의 정확도가 ±1% 혹은 그 이상이 되어야 한다.? Extensometer시편이 stretching될 때 테스트 시편의 gage length내의 표시된 두 점 사이의 거리를 결정하는데 사용되는 기기. 이를 위해서 extensometer는 시편의 full gage length에서 세팅되어야 하며 또한 이 거리에 변화가 있거나 할 때는 테스트 시편의 load의 함수로 또는 테스트 start부터 경과된 시간의 함수로 기록을 해야 한다. 이 기기는 특정 테스트 속도에서 관성이 없어야 한다.? 실험결과- 인장실험 데이터를 이용한 stress-strain curve? 황 동? 알루미늄? 회 주 철? 스테인리스- Stress-strain Curve (0.2% offset)? 황 동? 알루미늄? 회 주 철? 스테인리스- 실험값 물성치 비교알루미늄탄성계수(GPa)항복점(MPa)비례한도(MPa)극한응력(MPa)파단응력(MPa)진파단응력(MPa)실험값41.1331.266200.1074481.9956481.9956641.9899물성치72.4440515? 토의 및 고찰알루미늄은 항복점에 도달하기 전까지 기울기가 거의 일정하게 stress-strain curve에 나타났다. 그래서 다른 재료들보다 항복점, 탄성한계등 수치들을 구하는데 있어서 훨씬 수월했다. 그리고 비례한도와 탄성한계가 비슷하였다. 그리고 탄성한계 이후에 변형경화구간에서는 곡선으로 기울기가 점점 감소하는데 극한응력 이후 감소구간이 나타나지 않는 것으로 보아 넥킹 구간이 아주 짧은 것으로 생각할수 있다. 그러므로 극한응력과 파단점이 같다고 생각할 수 있다. 그리고 그래프를 다른 재료들과 비교해보면 알루미늄이 탄성영역과 소성영역의 구분이 확실하고 응력과 변형률이 초기 영역에서 선형적이며 비례적이다고 생각할 수 있고, 또한 항복점을 지나서 소성영역에서 꺽이는 부분이 보이는데, 그게 다므로 구리와 아연의 혼합 비율에 따라 금속의 성질이 많이 달라질수 있어서 물성표에도 정확한 값이 나타나있지 않고 범위만 나타나있다 실제 생활에서도 황동의 구리 함량에 따라 사용하는 용도와 범위가 달라진다는 것을 알아낼 수 있었다. 이번 실험에 사용한 황동의 함량을 알수없지 만 탄성계수는 오차값이 많이 크게 차이가나 물성치의 범위에 도달을 못하였다. 시편 절단면의 데이터를 알 수 있었다면 포와송의 비와 단면수축율을 구하여 좀 더 자세하게 결과를 도출낼수 있었을 것 같다.스테인리스탄성계수(GPa)항복점(MPa)비례한도(MPa)극한응력(MPa)파단응력(MPa)진파단응력(MPa)실험값75514.875324.9642677.4445669.34941075.360물성치205343569? 토의 및 고찰그래프에서 스테인리스는 파단응력이 가장 높은 것으로 보아 4개의 재료중의 가장 큰 하중에도 파괴가 되지 않을 수 있다는 점을 확인할 수 있다. 하지만 회주철 다음으로 가장 짧은 변형율에 파단이 이루어진 것으로 보아 연성은 다른 4개의 재료들에 비해 좋은 편이 아닌 brittle측에 가깝다. 다른 재료들과 비교해 다른 점은 파단응력과 극한응력이 구분이 되어 넥킹구간을 확인할 수 있었다는 점이다. 기준 물성치와 비교를 했을 때는 탄성계수에서 오차율이 큰 편인데 이것은 비례구간에서 직선과 곡선간의 구분점이 다른 그래프에 비해 명확하지 않아 비례한도를 찾는데서 오차의 요인이 생겼을 가능성이 가장 크다. 그와 연계되어 offset 2% line을 통해 구하는 항복점의 오차 요인 또한 되었을 것이다.회주철탄성계수(GPa)항복점(MPa)비례한도(MPa)극한응력(MPa)파단응력(MPa)진파단응력(MPa)실험값611.0902140.61233.74610.558310.489710.6703물성치? 토의 및 고찰주어진 실험값을 해석하는데 가장 힘들었던 재료였다. 일단 비례구간이 명확하지 않고 일정한 곡선을 그리고 처음부터 그래프가 시작되어 off set2% line을 정의하는데 굉장히 애매했다. 변화율가 맡은 금속재료는 알루미늄이었는데 인장실험기에 출력되는 수치를 봐서야 힘이 가해지고 있다는 것을 알 수 있을 정도로 겉보기에는 아무런 변화가 보이질 않았다. 그렇게 5분여가 지났을 때 큰 금속파열음과 함께 알루미늄은 끊어졌다. 단면적은 사진으로 보았던 실험자료와 흡사하게 나왔는데 단면적은 지름으로 1.05mm가 줄어들어 있었고 단면부분은 45정도의 경사도를 이루고 있었다.실험 후에 전달받은 각 실험결과 값으로 도선을 그려 곡선의 모양새와 파단점 등으로 재료의 ductile함과 brittle함을 비교해 볼 수 있었다. 먼저 변형율의 길이를 통해 회주철>스테인리스>황동>알루미늄 순으로 brittle(취성)에서 ductile(연성)의 성질을 지님을 볼 수 있었다. 파단응력으로 보았을 때 가장 큰 하중에도 파괴가 되지 않는 재료는 스테인리스>알루미늄>황동>회주철 순서이다. 예를 들어 위와 같은 재료를 건축자재로 사용한다면 가장 경도가 큰 재료는 스테인리스지만 연성은 황동과 알루미늄에 비해 좋은 편이 아니므로 힘을 지속적으로 받으면 파괴될 가능성이 크다고 볼 수 있다. 이런 점을 상호 보완하기 위해 보통 하나의 재료로만 자재로 쓰이기 보다는 복합적으로 재료를 함께 쓰는 경우가 많은데 예를 들면 콘크리트와 철근을 들 수 있다. 콘크리트는 brittle한 재료, 철근은 ductile한 재료로 생각했을 때 콘크리트는 경도가 높으나 허용하중 이상의 힘이 가해지면 파괴가 되기 쉽다. 하지만 여기에 연성이 좋은 철근을 넣으면 그 단점을 보완할 수 있다. 위의 결과 값으로만 본다면 회주철은 연성도 좋지 않을 뿐 더러 파단응력 또한 가장 낮으므로 건축자재로는 부적합함을 예상해볼 수 있다.이번 실험은 인장시험기를 이용하여 금속의 성질 및 각각의 특성을 알아내는 것이 목적이였다.인상시험기를 이용하기 전에 버니어 캘리퍼스로 단면의 지름이8mm 시편의 값을 측정하였는데 약 0.1 ~ 0.2mm 정도의 차이가 있었다. 우리는 알루미늄 시편을 가지고 인장시험기를 이용하여 인장실험을 실시 하였험하다.

공학/기술| 2010.10.11| 12페이지| 1,000원| 조회(229)

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