KR100490467B1 - 초음파 수삼 선별시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수삼의 품질을 초음파를 이용하여 검사하는 초음파 수삼 선별시스템에 관한 것으로서, 특히 서보모터의 회전을 정확하게 제어하여 정밀한 측정을 가능하게 하고, 로드셀을 이용하여 측정물에 가해지는 압압력을 정밀하게 측정하여 이를 토대로 서보모터의 회전을 제어함으로써 수삼의 크기와 초음파 전달속도를 정확하게 측정할 수 있는 초음파 수삼 선별시스템에 관한 것이다.

Description

초음파 수삼 선별시스템{Ultrasonic device for grading green ginseng}

본 발명은 수삼의 품질을 초음파를 이용하여 검사하는 초음파 수삼 선별시스템에 관한 것으로서, 특히 서보모터의 회전을 정확하게 제어하여 정밀한 측정을 가능하게 하고, 로드셀을 이용하여 측정물에 가해지는 압압력(압축력)을 정밀하게 측정하여 이를 토대로 서보모터의 회전을 제어함으로써 수삼의 크기와 초음파 전달속도를 정확하게 측정할 수 있는 초음파 수삼 선별시스템에 관한 것이다.

생활 수준의 향상과 고령화에 따라 장수생활의 보조를 기대하는 건강식품의 요구가 급격히 증가하는 추세에 있어 장기간 영약으로 전해 내려온 인삼에 대한 관심과 수요가 계속 증가하고 있다.

수삼은 저장성이 없으므로 장기간 저장 유통시킬 목적으로 홍삼과 백삼으로 가공하여 사용되어 왔으며 홍삼은 약효뿐만 아니라 장기간 저장하여도 품질면에서 대단히 안정한 것으로 인정되어 왔다. 홍삼은 부가가치가 매우 큰 제품으로 국내보다 동남아 등 외국에서 호평을 받고 있으며, 매우 비싼 가격에 판매되고 있다. 특히 상급인 천삼과 지삼은 공급이 수요를 따라가지 못하고 있다.

홍삼의 품질은 화학적 성분에 의해 결정되는 것이 아니라 100% 물리적 외형에 의해 결정되기 때문에 증삼, 1차건조, 2차건조 과정에서 발생하는 물리적 결함을 예방할 수 있는 조건을 찾는 기술의 개발도 필요하지만 최고급 홍삼을 생산하기 위해서는 홍삼의 원료인 수삼의 선별이 가장 중요하다고 할 수 있다.

현재까지는 수삼을 선별할 때 외형과 중량으로만 선별하고 있으나 수삼 중에는 이미 내공 등의 결함을 가지고 있는 것이 있다. 이러한 내부적인 결함은 기존의 방법으로는 구분해 낼 수 없기 때문에 비파괴적인 검사방법을 사용하여야 한다.

농산물의 비파괴 검사방법으로는 지금까지 근적외선(NIR), 핵자기공명(NMR), 초음파(ultrasonic), 음향자극(acoustic excitation), 연 X선(soft X-ray)등을 이용한 방법 등 여러 가지 방법들이 시도 되어왔다(Chen, 1989; Ikeda, 1995; Jhang, 1998; kawano, 1989). 그 중에서도 저가인 농산물을 간편, 정확, 안전하게 평가할 수 있어야 하고 저렴한 비용으로 평가할 수 있어야 한다는 측면에서 초음파를 이용하는 기법이 유력한 수단의 하나로 기대받게 되었다.

초음파를 이용하여 내부 품질을 평가하는 방법 중에는 여러 가지 인자들 중에서 현장에서 적용하기 간편한 초음파의 전달 속도에 관련된 많은 연구들이 진행되어 왔다. 농산물을 투과하는 초음파의 전달 속도는 농산물의 밀도나 함수율, 내부조직 등에 의해 크게 영향을 받기 때문에 농산물의 초음파 전달속도를 측정하기 위해 초음파 탐촉자를 농산물에 접촉시킬 때 농산물에 가하는 힘은 농산물의 밀도나 내부조직을 변화시켜 초음파의 전달 속도를 변화시키는 원인이 된다.

따라서, 농산물 내부 품질의 비파괴 평가 및 선별을 위해 농산물의 초음파 전달 속도를 측정할 때는 초음파 탐촉자로 농산물에 가하는 힘을 일정하게 하여야 하며, 그 상태에서 농산물의 초음파 전달속도를 측정하여야 한다. 그러나, 대부분의 초음파 장치는 초음파의 전달 시간만을 측정할 수 있으므로, 농산물의 초음파 전달 속도 측정을 위해서는 농산물에 힘이 가해진 상태에서 그 크기를 측정하여 초음파 전달시간과 농산물 크기와의 관계에서 농산물의 초음파 전달속도를 계산해야 한다.

초음파 탐촉자로 농산물에 일정한 힘을 가하고, 농산물의 크기와 초음파 전달 시간을 측정하여 초음파 전달 속도를 계산하는 이러한 일련의 과정을 수작업으로 할 경우 많은 시간과 노동력이 소요될 것이며 측정값도 부정하다.

또한, 농산물의 선별을 위해 농산물을 특정한 장소로 운반하여 농산물의 초음파 전달속도를 측정할 경우에는 그에 따르는 많은 노동력과 시간이 소요되고 운반 과정에서 농산물이 손상을 입을 가능성이 있으므로 많은 측정 대상물을 현장에서 직접 빠른 시간 내에 간편하게 측정할 수 있는 장치가 필요하다.

현재 수삼의 선별은 육안에 의한 선별을 통해 등급을 결정하고 있으며 내부품질에 관한 검사는 전무하다.

한편 초음파 기술은 대부분 의료진단이나 산업적 비파괴 검사용으로 개발된 것인 반면 인삼에 대한 초음파 특성에 대해서는 거의 알려져 있지 않았다.

Jang 등(1998)은 수박의 내부 품질에 대한 초음파 비파괴 평가의 기초 연구로서 수행한 수박에서의 초음파의 전파 특성에 대해 실험적으로 연구하였다. 수박에서는 2kHz 대역의 SH 모드 횡파 초음파가 가장 잘 투과하는 것으로 나타났고, 수박의 내부에 고의적인 공동을 만들어 실험한 결과 직접 투과파 신호의 크기가 급격히 감소함을 볼 수 있었으며 이로부터 직접 투과파의 진폭은 공동 유무의 판별에 효과적인 파라미터가 될 수 있음을 알 수 있었다고 보고하였다.

Nishizu 등(2000)은 과채류의 음속에 큰 영향을 미친다고 사료되는 조직내의 가스에 중점을 두고, 가스의 존재 비율과 음속, 탄성적특성의 관계를 이론적, 실험적으로 검사하였다. 기포분산계 모델에 의한 종파음속에 대해서 가스 체적분율과 연속상의 탄성률을 이용한 모델식을 제안하고, 기포분산매개체 모델을 이용한 실험을 수행하였다. 그 결과 기포분산매개체의 종파음속은 체적탄성률에 의해 결정되었고, 영률 음속에 적은 영향을 미쳤다. 그리고, 가스의 존재에 의해 체적 탄성률이 감소하고, 종파음속의 감소를 일으키는 것이 확인되었다고 보고하였다.

Miarach 등(1989)은 사과, 감자, 오이 등의 청과물에서 직경 20mm, 길이 10∼20mm에서 5mm 간격으로 시편을 채취한 후 50kHz의 초음파를 투과시켜 전달속도의 감쇠정도를 측정한 결과, 사과에 있어 초음파 전달속도는 감자보다 느렸는데 그 이유는 사과 조직 내에 섬유질이 거의 없고 기체 공간이 크기 때문인 것으로 판단하였으며, 감자의 조직은 섬유질이 거의 없고 세포 공간 내부의 기체 공간이 단 2% 밖에 되지 않기 때문이라고 하였다. 또한 이들은 익은 악어배(Avocado, soft)와 익지 않은 악어배(Avocado, hard) 두 가지의 조직에 대하여 시험한 결과, 익지 않은 것이 익은 것에 비하여 상대적으로 음속이 낮았으며, 이 결과로 볼 때 음속을 이용하여 악어 배의 수확 시기를 판단할 수 있을 것이라고 보고하였다.

Ikeda 등(1995)은 농산물의 다공성과 초음파 음속과의 관계를 구명하기 위해 우무와 감자 시편에 대하여 조직 세포 내부의 기체 체적 비를 측정할 수 있는 장치와 음속을 측정할 수 있는 장치를 개발하였다. 시료의 기체 체적 비를 변화시키기 위해 시료에 가하는 압력을 변화시키면서, 종파를 이용하여 음속을 측정했던 결과, 음속을 공기체적비의 함수로 나타낸 이론치와 실험 결과는 잘 일치하였다고 하였다. 또한 다공체적비가 증가함에 따라서 음속은 감소하였으며, 이러한 결과로 보아 매질의 다른 구성 성분이나, 숙도 보다는 다공성이 음속에 더 영향이 있다고 보고하였다.

Lee(1995)는 청과물에 대하여 초음파 전파특성을 계측 및 분석할 수 있는 장치를 구성하여 청과물 시편의 초음파 속도를 측정한 결과 감자, 당근, 무, 사과의 순으로 각각 599.4, 290.1, 220.6, 145.2m/s였다고 하였고, 공시 청과물의 초음파 감쇠 계수는 조직내부의 섬유조직에 따라 주로 영향을 받으며 그 감쇠계수들은 무 0.92dB/mm, 당근 0.93dB/mm, 감자 0.28dB/mm 및 사과 0.43dB/mm였다고 보고하였다.

초음파의 전달속도를 산업적으로 이용하고자 시도한 몇가지 연구들을 살펴보면 다음과 같다.

Jeong 등(1994)은 탄화규소(SiC)와 같은 구조용 세라믹스에서 가공으로 인한 밀도 변화를 미시역학 모델과 초음파의 속도 측정으로부터 결정할 수 있는 비파괴 평가법을 연구하였다. 기공의 특성은 재료의 탄성계수에 민감한 영향을 미치며, 따라서 제시한 미시역학 모델은 기공의 모양과 방향을 모두 고려할 수 있으며, 또한 기공 사이의 상호 작용을 반영하므로 기공량이 높은 경우에도 적용이 가능하다. 이론 밀도의 약 85∼100% 밀도를 가진 SiC 시편들의 초음파 속도를 접촉식, 펄스겹침법(pulse overlap method)을 이용하여 측정하였으며, 속도·밀도(또는 기공) 사이에 좋은 선형 관계가 있는 것으로 나타났다고 하였다. 측정한 종파 또는 횡파 속도값과 모델로부터 기공의 부피 분율과 밀도를 계산하는 절차를 소개하였으며, 미시역학 모델을 이용하여 기공성 SiC의 속도와 탄성계수를 정확하게 예측할 수 있었고, 기공성 SiC의 밀도를 ±1% 이내로 예측 가능하였다고 보고하였다.

Lee 등(1999)은 다양한 영향인자들 중에서 특히 콘크리트의 수분함유량이 초음파의 종파 속도에 미치는 영향정도를 실험을 통해 조사하였다. 콘크리트 내부의 수분함유량이 감소하면, 즉 콘크리트가 건조해지면 종파 속도는 점점 감소하며, 충격반향기법에 의해 측정된 막대파 속도가 초음파 속도보다 수분의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다고 하였다. 콘크리트의 종파 속도는 장기 재령으로 갈수록 속도의 증가가 거의 없었으나 압축강도는 계속해서 증가하는 경향을 나타내었다고 보고하였다.

초음파를 의학적으로 적용하고자 하는 연구로는 Kwon(2000)의 골다공증의 진단 유무를 판단하는 초음파 골밀도 측정장비를 들 수 있다. 그는 측정 요소에선 SOS(speed of sound)와 BUA(broadband ultrasound attenuation)가 온도에 따라 값이 변하는 것을 보상하기 위해 두 측정 요소를 적절히 반영한 BQI를 만듬으로써 온도에 따른 값의 변화를 보상해 주어 좀더 정확한 값을 구하였다고 하였다. 측정 시간에선 약 1분의 시간이 소요되었고, 제품의 성능을 높이기 위해서 여러 번 측정하여 그 중에서 잘못 측정된 값들을 일부 제거하고 남은 값들을 평균하여 측정값을 구하는 방법으로 신뢰성을 높였다고 보고하였다.

현재 초음파 기술은 대부분 의료진단이나 산업적 비파괴 검사용으로 개발된 것으로 농산물 특히 인삼의 경우에는 기존기술이 전무한 실정이다.

한편 기존수삼선별 방법은 육안에 의한 방법으로 내부의 품질을 전혀 알 수가 없으므로 홍삼제조시 증자 및 건조의 조건을 경험에 의존하고있는 실정이다. 이에 따라 홍삼제조공정의 과학적분석과 수학적 모델링이 불가능하게되어 고급홍삼의 수율 향상이 이루어지지 않고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 기존의 수삼의 선별방법이 갖는 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 홍삼제조시 사용되는 재료수삼의 초음파전달속도를 측정하여 홍삼제조공정에 적용함으로써 제조되는 홍삼의 품질을 증가시킬 수 있는 초음파 수삼 선별시스템의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 측정물(수삼)의 크기를 정확하게 측정하며, 또한 탐촉자가 측정물을 동일한 힘으로 누르면서 측정을 수행할 수 있도록 하여 정밀한 측정이 가능한 초음파 수삼 선별시스템을 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 수삼의 초음파 전달 속도를 자동으로 측정할 수 있는 시스템의 하드웨어를 제공하고, 시스템을 제어하고 초음파 전달 속도를 측정하기 위한 방법을 제공하는 바, 이하 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 전체 시스템구성을 보여주는 도면이며, 도2 및 도3은 몸체의 정면 및 평면을 보여주는 도면이다.

상기 도면에서 보는 바와 같이 본 발명은, 내부에 볼스크류(2)가 길이방향으로 설치되며 상기 볼스크류에 외삽되어 상기 볼스크류의 회전에 따라 길이방향으로 왕복할 수 있는 이송구(3)가 설치되는 몸체(1)와,

상기 몸체의 일측단에 설치되며 모터축(41)이 상기 볼스크류(2)와 연결되어 볼스크류를 회전시키는 서보모터(40)와,

상기 몸체(1)의 이송구(3)와 일체로 움직이며 그 일측에 송신용 트랜스듀서(10)가 설치된 왕복대(5)와,

상기 몸체(1)의 서보모터(40)가 설치된 쪽의 반대쪽 단부에 설치되는 수신용 트랜스듀서(20)와,

상기 서보모터와 트랜스듀서의 작동을 제어하고 결과를 출력하는 컴퓨터(30)와,

상기 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서 및 상기 컴퓨터와 연결되는 초음파발생장치(60)를 포함하여 구성된다.

초음파발생장치(60)는 RS232C로 컴퓨터(30)와 통신할 수 있도록 구성하는 것이 바람직할 것이다.

물론, 상기 컴퓨터(30)는 마이크로컴퓨터화 하여 상기 몸체(1) 또는 초음파발생장치(60)에 설치할 수 도 있는 것이며, 양자는 동일한 기술임은 주지의 사실이다.

상기 볼스크류(2)와 이송구(3)의 구성은 서로 치합되는 수나사와 암나사의 구성형식을 따른 일반적인 것이므로 그 상세한 설명은 생략한다.

또한 상기 이송구와 일체로 움직일 수 있도록, 상기 이송구의 상방에는 상기 몸체의 상면 가장자리에 형성된 가이드홈(9)을 따라 왕복할 수 있도록 왕복대(5)를 설치하되, 상기 왕복대의 하부와 이송구의 상부에는 강력자석을 부착하여, 상기 자석의 인력에 의해 왕복대와 이송구가 함께 움직일 수 있도록 하는 구조를 취함이 바람직하다.

상기 이송구는 볼스크류의 회전수에 대응하여 정확한 피치만큼씩 길이방향으로 이동하게 된다.

상기 몸체(1)의 일측에는 왕복대(5)의 이동속도를 조절하기 위하여 왕복대의 통과를 감지할 수 있는 두개의 리미트스위치(8)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 리미트스위치(8)는 컴퓨터(30)에 연결되어, 감지된 신호를 컴퓨터에 보내고 그 신호에 따라 서보모터(40)를 적절하게 제어할 수 있도록 한다. 이를 통하여 왕복대(5)의 위치와 이동속도를 조절할 수 있게된다.

상기 서보모터(40)에는 서보모터(AC서보모터로 구성)에 펄스를 출력하는 서보모터 드라이버(45)가 연결되며, 상기 서보모터 드라이버(45)는 펄스신호를 생성하기 위한 모터 인터페이스보드(46)와 연결되며, 상기 모터 인터페이스보드(46)는 상기 컴퓨터(30)와 연결되어 컴퓨터에 의해 제어될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 서보모터는 서보모터 드라이버와 모터 인터페이스보드를 통하여 컴퓨터에 의해 정밀하게 회전이 제어될 수 있도록 하였다.

본 발명에서는 동력전달을 위해 하나의 축을 사용하였고, 축을 구동시키기 위한 액츄에이터로 서보모터(40)를 사용하였으며, 바람직하게는 출력이 200W인 AC서보모터를 사용하였다.

왕복대(5)의 총 이동가능거리(stroke)는 400mm이로 설정하였으며 큰 대상물에도 적용할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용된 AC서보모터는 2500펄스로 1회전을 할 수 있도록 되어 있고, 모터와 연결된 볼스크류(ball screw)의 리드(lead)는 5mm이므로 이동평판을 1mm이동시키는데 필요한 펄스수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

=

= 500 pulse/mm

상기 리미트스위치(8)는 왕복대(5)의 이동 경로에 설치하여야 하며, SD(slow down)리미트 스위치와 ORG(origin) 리미트 스위치를 부착하는 것이 바람직하다.

ORG 리미트 스위치는 시스템을 초기화할 때 왕복대(5)의 원점 위치를 설정하는 역할을 하고 이동한 거리를 계산하기 위한 기준점이 되며, 또한 이 이동한 거리로부터 측정물의 크기를 역으로 계산하여 측정할 수 있도록 하였다.

SD 리미트 스위치는 시스템을 초기화 할 때 왕복대(5)의 속도를 줄여 정확한 원점 설정을 하고자 부착하였다.

또한 초음파 계측을 할 때 서보모터와 서보모터 드라이버의 전원이 켜져 있으면 초음파 신호에 많은 잡음이 발생하는 원인이 되어 초음파 장치로 계측을 할 때에는 모터인터페이스보드(46)에 있는 DO(digital output) 기능으로 릴레이를 작동시켜 서보모터 전원의 차단을 가능하게 하였다. 도4는 모터 콘트롤러부(서보모터+서보모터 드라이버+모터인터페이스 보드)의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.

표 1, 2, 3, 4는 각각 (AC)서보모터(40), 서보모터 드라이버(45), 모터 인터페이스보드(46), 리미트스위치(8)의 제원을 나타낸 것이다.

표1. 서보모터 제원

Item	Specification
Power rate(KW/S)	24.4
Roter inertia(×10kg-4·m2)	0.17
Approx.mass(kg)	1.00

표2. 서보모터드라이버 제원

Item	Specification
Moter power output(W)	200
Pulse type of command	Step/direction command
Mass (kg)	1.0

표3. 모터인터페이스보드 제원

Item	Specification
Number of output channels	8
Output port type	Max.35V DC, 200mA
Number of I/O ports(byte)	32
Power consumption	5V DC, 850mA Max

표4. 리미트스위치 제원

Itwm	Specification
Detection length(mm)	4
Response frequendy(Hz)	400
Output type	PNP NO
Power source	DC 12 ~ 24V

상기 수신용 트랜스듀서(20)는 그 일단부가 몸체(1)에 고정된 로드셀(50)의 타단부에 설치되어 상기 수신용 트랜스듀서(20)에 가해지는 압압력(압축력)이 로드셀(50)에 밴딩력을 제공하여 이를 측정할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 로드셀(50)은 증폭기가 내장된 A/D보드(51)와 연결되며, 상기 A/D보드는 컴퓨터(30)와 연결되어, 상기 로드셀(50)에 가해지는 힘은 전기적인 신호로 바뀌어 증폭되어 컴퓨터에 전달되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

초음파를 이용하여 수삼 내부를 통과하는 초음파의 속도를 측정하고자할 경우 초음파의 전달 속도는 송·수신용 탐촉자로 측정 대상 물체를 압축하는 힘에 따라 큰 차이가 있었다. 이 때문에 측정 대상물의 내부를 통과하는 초음파의 전달 속도를 측정하고자할 경우에는 대상물을 압축하는 힘을 일정하게 할 필요가 있으며 압축력을 측정하기 위한 방법의 하나로 본 발명에서는 로드셀(50) 위에 초음파 수신용 트랜스듀서(20)를 부착한 것이다.

하중의 계측 방식은 다음과 같다. 축을 따라 이동하는 왕복대(5) 위의 압축용 평판(11)에 부착된 송신용 트랜스듀서(1)가 로드셀(50) 위에 부착된 수신용 트랜스듀서(20) 위의 측정물을 압축하면 측정물에 가해지는 힘은 로드셀에 의하여 전기적인 신호로 바뀐다. 그 신호는 자체 제작한 증폭기(Amplifier)가 내장된 A/D보드(51)를 통하여 컴퓨터(30)로 전달되고, 전달된 신호값은 미리 계산해 놓은 변환식에 의해 하중으로 변환된다.

본 발명에 사용된 로드셀(50)은 벤딩빔(bending beam)형의 스트레인 게이지식으로 4개의 스트레인 게이지가 부착된 풀브리지(full bridge) 방식의 로드셀을 체용하였다. 4개의 스트레인 게이지는 도5와 같은 휘스톤브리지(Wheatstone bridge) 회로로 구성되어 있으며, 입력 전압은 컴퓨터에서 나오는 5V 직류전압을 사용하였다. 표 5는 장치에 사용된 로드셀(50)의 사양이다.

표5. 로드셀 제원

Item	Specification
Rated lpad(kg)	CAS(Korea), BCL-30L
Rated output(mV/V)	2.000 mV/V ± 10%
Copensated Temp. Range(℃)	-10 ~ 40
Operation Temp. Range(℃)	-20 ~ 70

로드셀에서 나오는 출력 신호는 전압이 낮은 아날로그 신호이기 때문에 이를 증폭시킨 후 디지털 신호로 변환시킬 필요가 있다. 그러나, 보통의 증폭기(amplifier)를 사용할 경우에는 별도의 A/D 보드가 필요하고, 증폭기가 내장된 A/D 보드를 사용할 경우에는 가격이 고가이기 때문에 본 발명에서는 증폭기를 내장한 A/D보드(51)를 제작하여 사용하였다.

제작된 A/D보드는 장치의 특성상 한쪽 방향의 힘만 계측하면 되므로 유니폴라(unipolar)방식을 채택하였고, 해상도(resolution)는 12비트(bit)이며, 사용가능한 채널(channel)의 수는 1개이다.

도6은 각각 본 발명에서 사용한 A/D보드(51)의 회로도이다.

본 발명에서 측정물(수삼)에 대하여 초음파의 전파속도 및 감쇠 정도를 측정하기 위하여 구성된 초음파 발생장치(60)의 구성도는 도7과 같다.

사용된 초음파 발생장치는 PUNDIT(Potable Ultrasonic Non-destructive Digital Indicating Tester)를 사용하였으며, 조작이 편리하고, 휴대가 가능하며, 낮은 주파수의 초음파를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 안정성이 있는 특징이 있다.

이 초음파 발생 장치는 펄스 발생기(pulse generator), 지연 시간 조절기(set reference delay), 수신 증폭기(receiver amplifier), 시간 펄스 진동자(timing pulse oscillator) 및 게이트(gate)와 카운터(counter) 등 대략 4부분으로 구동된다.

각 부분의 기능 및 작동 원리는 다음과 같다. 펄스 발생기는 하나의 EHT power unit와 다이리스터(thermistor), UJT펄스 발생기를 포함하고 있으며, 500V 또는 1.2kV를 선택함에 따라 송신기의 정전 용량이 다르게 부가된다. 정전 용량이 부가되면서 송신기는 충격 진동이 가해지고, 자체의 고유 주파수에서 종적인 연속 진동이 생성된다. 센서와 센서가 접촉면을 맞대고 있을 때 송신자와 수신자 사이에 도달되는 펄스 출력 신호는 센싱하는 매질과 접촉제(grease), 그리고 센서를 감싸고 있는 금속물질 때문에 대개 약 2μsec의 시간 지연이 발생되는데, 시간 지연 조절기는 이러한 시간 지연의 제거를 위해 펄스를 재조정하고, 그 동안 카운터를 억제하는 기능을 한다.

수신 증폭기는 초음파 펄스가 매질을 통과한 후 수신자 내에서 전기 신호로 변환시키는 역할을 하는데, 수신된 신호 파형을 정지 펄스의 형태로 만들어 준다. 또한, 10MHz의 수정결정판 진동자에서 발생된 시간 펄스는 0.1μsec단위 범위이고 시간 펄스 진동자는 10MHz의 펄스들을 10개로 나누어 1MHz에서 1μsec단위 범위를 측정할 수 있도록 시간 펄스를 생성하며, 2중 안정 회로는 게이트를 조절한다.

시간 조절 단계로부터 시작 펄스의 반복 상태에서 2원 변화 상태이고 게이트를 열 때, 시간 펄스들은 게이트를 통과하여 카운터로 가게 되고, 수신 증폭기에서 정지 펄스가 입력될 때, 게이트는 닫히면서 게이트 조절 2중 안정 회로가 작동한 뒤 정지 신호 카운터는 전파시간을 0.5초마다 읽을 수 있도록 LCD 표시계에 나타낸다. 표 6은 상기 초음파 발생장치의 사양이다.

표6. 초음파발생장치 제원

Item	Specification
Transit time measurement rang	0.1μsec ~ 9999 μsec
Input sensitivity	250μvolt between 5kH and 1MHz

상기 송신용 트랜스듀서(10)와 수신용 트랜스듀서(20)는 주파수 54kHx, 지름이 38mm인 것을 사용하였다.

본 발명의 적절한 작동을 위한 시스템 제어 소프트웨어는 다음과 같은 내용으로 제작하는 것이 바람직하였다.

시스템에 사용된 서보모터는 2500 펄스에 1회전하도록 설정하였고, 모터의 회전축에 감속기 없이 피치가 5mm인 볼스크류를 플렉시블 커플링으로 직결하였으므로 이론적으로 제어가 가능한 최소거리는 0.002mm이며, 다음 식과 같이 구할 수 있다.

1펄스당 이동거리 =

측정물의 크기를 계측하기 위해 다음과 같은 방법을 사용하였다. 우선 초음파 수신용 트랜스듀서(20)로부터 원점까지의 거리 즉, 총 이동 가능 거리를 측정한 후 초음파 송신용 트랜스듀서(10)를 이동시켜 측정물과 접촉하여 일정한 힘이 가해지는 순간에 서보모터의 작동을 멈춘다.

이 상태에서 송신용 트랜스듀서가 이동한 거리를 계산하여 총 이동 가능 거리에서 감하는 방법을 사용하였다.

초음파 수신용 트랜스듀서로부터 원점까지의 거리를 계산하는 방법은 다음과 같다. 초음파 송·수신용 트랜스듀서가 서로 맞닿아 있는 상태에서 초음파 수신용 트랜스듀서를 원점을 벗어나는 일정한 거리까지 이동하도록 하고, 이동 중 ORG 리미트 스위치의 위치에서 정지하였을 때 출력하고 남아 있는 펄스 수를 메모리에서 읽어온다.

남아 있는 펄스 수로부터 이동하지 못한 거리를 계산하여 처음에 지시 내린 이동거리에서 빼면 총 이동 가능 거리를 구할 수 있고 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

원점에서부터 왕복대가 이동하기 시작하여 일정한 압축력이 되어 왕복대가 멈췄을 때까지 이동한 거리도 역시 출력한 펄스 수와 남아있는 펄스 수의 관계로부터 구할 수 있으므로 왕복대의 총 이동 가능 거리에서 왕복대가 이동한 거리를 빼면 측정 대상물의 크기를 계산할 수 있다.

측정물을 정해진 일정한 힘으로 압축하기 위해 로드셀을 사용하였고, 그 방법은 다음과 같다.

서보모터(40)의 회전으로 왕복대(5)를 정해진 속도로 빠르게 측정물 근처의 일정 거리까지 이동시킨 후 이동 속도를 줄인 다음 왕복대에 달린 송신용 트랜스듀서(10)가 로드셀(50)에 힘을 가하기 시작하면 서보모터(40)의 회전속도를 더 줄여 천천히 회전하도록 한다.

로드셀에 가해지는 힘 즉, 압축력이 미리 정해둔 힘과 같거나 커지는 순간 서보모터를 정지하고 힘을 계측하도록 한다. 로드셀에서 나오는 신호의 샘플링(sampling) 속도는 10kHz로 하였고, 100번의 신호 입력값 평균으로 힘을 계산하였다.

컴퓨터(30)와 RS232C로 연결된 초음파발생장치(60)는 초음파의 전달 시간을 0.5초 단위로 컴퓨터에 송신한다. 송신된 시간 데이터는 10회 측정값이 컴퓨터에 저장되었고 그 평균값을 계산하여 초음파 전달 시간 분석에 이용하였다.

본 발명의 소프트웨어는 Microsoft社의 Windows용 언어인 Visual Basic 6.0으로 개발되었고, 서보모터 구동부와 A/D 변환과 관련된 입출력 포트는 Visual C++에서 DLL 파일로 작성하여 Visual Basic에서 사용할 수 있도록 하였다. 모터 구동, A/D 변환, RS232C 통신 등과 관련된 부분은 각각의 모듈화된 함수로서 구동하고자 하였다.

도8에서 보는 바와 같이, 상기와 같은 구성에 따른 본 발명 제어방법은 다음과 같다.

본 발명에 따른 측정방법은 시스템을 초기화하는 제1단계와;

시스템 작동을 위한 파라미터를 입력하는 제2단계와;

입력된 파라미터값의 정오를 판단하며, 그 값이 틀리면 상기 제2단계로 다시 돌아가는 제3단계와;

제3단계의 파라미터값이 옳으면 서보모터가 작동하여 왕복대를 이동시켜 송신용 트랜스듀서를 정해진 위치까지 이송시켜 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서가 측정물을 압착하도록 하는 제4단계와;

수신용 트랜스듀서가 부착된 로드셀의 밴딩력을 측정하여 측정물에 가해지는 압축력을 측정하는 제5단계와;

측정된 압축력을 계산하여 설정된 범위에 도달하였으면 서보모터 및 모터드라이버의 전원을 끄는 제6단계와;

측정물의 두께와 초음파 전달시간 및 초음파 속도를 측정하는 제7단계와;

서보모터 및 모터드라이버에 전원을 인가하여 왕복대를 초기위치로 복귀시키고 시스템을 초기화하는 제8단계를 포함하여 구성하는 것이 바람직하였다.

도9는 작성된 컴퓨터 프로그램의 메인화면의 한 예이다.

이상에서와 같이 본 발명은 서보모터의 정확한 회전제어에 따른 왕복대의 정밀한 위치제어를 통하여 측정물의 크기를 정확하게 측정할 수 있게되며, 또한 로드셀을 통하여 측정물에 가해지는 압력을 정확히 측정하여 서보모터를 이용하여 탐촉자(송신용 트렌스듀서 및 수신용 트렌스듀서)가 항상 일정한 접촉압력으로 측정물을 고정할 수 있도록 하여 측정신뢰도를 대폭적으로 증대시키게 되며, 이에 따라 측정물(수삼 등)을 통과하는 초음파의 속도와 통과시간을 정밀하고 안정되게 측정하여, 이를 통하여 측정물의 크기 및 품질을 정확하게 측정할 수 있도록 하는 큰 효과를 제공하게 된다.

도1은 본 발명의 전체 구성을 보여주는 전체 구성도

도2는 본 발명의 몸체의 정면도

도3은 본 발명의 몸체의 평면도

도4는 본 발명의 모터 콘트롤러부(서보모터+서보모터 드라이버+모터인터페이스 보드)의 블록 다이어그램

도5는 본 발명의 로드셀의 스트레인 게이지회로도

도6은 본 발명에서 사용한 A/D보드의 회로도

도7은 본 발명에 사용된 초음파 발생장치의 구성도

도8은 본 발명에 따른 측정방법의 흐름도

도9는 작성된 컴퓨터 프로그램의 메인화면의 한 예를 보여주는 도면

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

1: 몸체 2: 볼스크류

3: 이송구 4: 커플링

5: 왕복대 8: 리미트 스위치

10: 송신용 트렌스듀서 20: 수신용 트렌스 듀서

30: 컴퓨터 40: 서보모터

45: 서보모터드라이버 46: 모터인터페이스보드

50: 로드셀 60: 초음파 발생장치

Claims (6)

1. 내부에 볼스크류가 길이방향으로 설치되며 상기 볼스크류에 외삽되어 상기 볼스크류의 회전에 따라 길이방향으로 왕복할 수 있는 이송구가 설치되는 몸체와,

   상기 몸체의 일측단에 설치되며 모터축이 상기 볼스크류와 연결되어 볼스크류를 회전시키는 서보모터와,

   상기 몸체의 이송구와 일체로 움직이며 그 일측에 송신용 트랜스듀서가 설치된 왕복대와,

   상기 몸체의 서보모터가 설치된 쪽의 반대쪽 단부에 설치되는 수신용 트랜스듀서와,

   상기 서보모터와 트랜스듀서의 작동을 제어하고 결과를 출력하는 컴퓨터와,

   상기 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서 및 상기 컴퓨터와 연결되는 초음파발생장치를 포함하여 구성되는 초음파 수삼 선별시스템에 있어서,

   상기 초음파 수삼 선별시스템의 동작은,

   시스템을 초기화하는 제1단계와;

   시스템 작동을 위한 파라미터를 입력하는 제2단계와;

   상기에서 입력된 파라미터값의 정오를 판단하며, 그 값이 틀리면 상기 제2단계로 다시 돌아가는 제3단계와;

   상기에서 제3단계의 파라미터값이 옳으면 서보모터가 작동하여 왕복대를 이동시켜 송신용 트랜스듀서를 정해진 위치까지 이송시켜 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서가 측정물을 압착하도록 하는 제4단계와;

   수신용 트랜스듀서가 부착된 로드셀의 밴딩력을 측정하여 측정물에 가해지는 압축력을 측정하는 제5단계와;

   상기에서 측정된 압축력을 계산하여 설정된 범위에 도달하지 않았으면 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서가 측정물을 압착하도록 하는 제4단계와 측정물에 가해지는 압축력을 측정하는 제5단계를 반복하며, 측정된 압축력을 계산하여 설정된 범위에 도달하였으면 서보모터 및 모터드라이버의 전원을 끄는 제6단계와;

   측정물의 두께와 초음파 전달시간 및 초음파 속도를 측정하는 제7단계와;

   서보모터 및 모터드라이버에 전원을 인가하여 왕복대를 초기위치로 복귀시키고 시스템을 초기화하는 제8단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 수삼 선별시스템.
2. 제1항에 있어서;

   상기 수신용 트랜스듀서는 그 일단부가 몸체에 고정된 로드셀의 타단부에 설치된 것을 특징으로 하는 초음파 수삼 선별시스템.
3. 제2항에 있어서;

   상기 로드셀은 증폭기가 내장된 A/D보드와 연결되며, 상기 A/D보드는 컴퓨터와 연결되어, 상기 로드셀에 가해지는 힘은 전기적인 신호로 바뀌어 증폭되어 컴퓨터에 전달되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 수삼 선별시스템.
4. 제1항에 있어서;

   상기 몸체의 일측에는 왕복대의 이동속도를 조절하기 위하여 왕복대의 통과를 감지할 수 있는 두개의 리미트스위치가 설치된 것을 특징으로 하는 초음파 수삼 선별시스템.
5. 제1항에 있어서;

   상기 서보모터에는 서보모터에 펄스를 출력하는 서보모터 드라이버가 연결되며, 상기 서보모터 드라이버는 펄스신호를 생성하기 위한 모터 인터페이스보드와 연결되며, 상기 모터 인터페이스보드는 상기 컴퓨터와 연결되어 컴퓨터에 의해 제어될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 수삼 선별시스템.
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