KR100604420B1 - Equi-angle sampling technique for precision amplitude and phase measurement, and precision amplitude and phase measurement apparatus using the same method - Google Patents

Equi-angle sampling technique for precision amplitude and phase measurement, and precision amplitude and phase measurement apparatus using the same method Download PDF

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KR100604420B1
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Abstract

본 발명은 등각도 신호 수집 기법(Equi-Angle Sampling Method, EASM)을 구현할 수 있는 3 종의 구성방법 즉 진동센서의 출력신호 측정, 레이저 간섭계를 이용한 진동진폭 측정 그리고 선형 혹은 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동진폭 측정장치 구성방법들을 각각 제시하고 있다. 이들 진동진폭의 등각도 측정장치로부터 얻어지는 측정진동 신호로부터 교정 주파수에 대응되는 진폭과 위상을 정밀하게 추정하는 이론적 환산방법을 또한 제시하고 있다. 그리고 등각도 신호 수집 기법을 실제 회전진동 교정 시스템에 적용하여 얻어진 실험결과를 예시하고 있으며, 금번 특허에서 제안한 등각도 신호 수집 기법이 기존의 정밀 진동측정 방법보다 개선된 진동 진폭 측정 정밀도를 제공함을 확인 할 수 있다. The present invention provides three configuration methods that can implement the Equi-Angle Sampling Method (EASM), that is, output signal measurement of a vibration sensor, vibration amplitude measurement using a laser interferometer, and a linear or rotary encoder. The method of constructing the vibration amplitude measuring device is presented. A theoretical conversion method for accurately estimating the amplitude and phase corresponding to the calibration frequency from the measurement vibration signal obtained from the isometric measuring device of the vibration amplitude is also presented. The experimental results obtained by applying the isometric signal acquisition method to the actual rotation vibration calibration system are confirmed, and it is confirmed that the isometric signal collection method proposed by this patent provides improved vibration amplitude measurement accuracy than the existing precision vibration measurement method. can do.

진폭, 위상, 진동 정밀 측정, 등각도 신호 수집 Amplitude, Phase, Vibration Precise Measurements, Isometric Signal Acquisition

Description

진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법 및 이 방법을 이용한 등각도 신호 수집장치{Equi-Angle Sampling Technique for Precision Amplitude and Phase Measurement, and Precision Amplitude and Phase Measurement Apparatus Using the Same Method}Equi-Angle Sampling Technique for Precision Amplitude and Phase Measurement, and Precision Amplitude and Phase Measurement Apparatus Using the Same Method}

도 1은 기존의 ISO 16063-11에서 제안하고 있는 선형 진동 절대교정 시스템의 구성도를 나타내며,Figure 1 shows the configuration of the linear vibration absolute calibration system proposed in the existing ISO 16063-11,

도 2는 본 발명에 의한 진동센서 출력신호의 등각도 신호수집을 구현하기 위한 장치의 구성도를 나타내며,2 shows a block diagram of an apparatus for implementing an isometric signal collection of the vibration sensor output signal according to the present invention,

도 3은 본 발명에 의한 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호수집을 구현하기 위한 장치의 구성도를 나타내며,3 is a block diagram of an apparatus for implementing an isometric signal collection of a vibration displacement signal using a laser interferometer according to the present invention,

도 4는 본 발명에 의한 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호수집을 구현하기 위한 장치의 구성도를 나타내며,4 is a block diagram of an apparatus for implementing an isometric signal collection of vibration displacement signals using linear and rotary encoders according to the present invention.

도 5는 전기적 잡음이 없는 이상적 조건 하에서 주기 분할 수(M)와 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 따른 진폭 추정 오차의 특성을 도시한 그래프이며, 5 is a graph showing the characteristics of the amplitude estimation error according to the period division number (M) and the resolution of the analog-to-digital converter under ideal conditions without electrical noise.

도 6은 전기적 잡음이 없는 이상적 조건 하에서 주기 분할 수(M)와 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 따른 위상 추정 오차의 특성을 도시한 그래프이며, 6 is a graph showing the characteristics of the phase estimation error according to the period division number (M) and the resolution of the analog-to-digital converter under ideal conditions without electrical noise.

도 7 (a)는 10 Hz 이하의 대 진폭 회전진동을 발생하는 저주파용 가진기를 나타내며, 도 7 (b)는 10 Hz 이상의 고주파를 발생하는 가진기를 나타낸 것이며,Figure 7 (a) shows a low frequency excitation generator for generating a large amplitude rotational vibration of less than 10 Hz, Figure 7 (b) shows an exciter for generating a high frequency of 10 Hz or more,

도 8은, 본 발명에 의한 일실시예로서 등각도 신호수집 기법을 이용한 회전진동 진폭측정 장치의 구성도를 나타낸다.8 is a block diagram of a rotation vibration amplitude measuring apparatus using an isometric signal collection technique according to an embodiment of the present invention.

본 발명은, 주기진동 교정장치의 진폭과 위상 성분의 정밀 측정기법과 그 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 한 주기 동안 디지털 변환된 가속도 신호수가 일정하게 유지하는 방법 즉 등각도 신호수집 기법(Equi-Angle Sampling Method: EASM)을 이용한 주기진동 교정장치의 진폭과 위상 성분의 정밀 측정기법과 그 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a precise measuring technique of the amplitude and phase components of a periodic vibration correction apparatus and a device thereof. Specifically, a method of maintaining a constant number of digitally converted acceleration signals during a period, that is, an isometric signal collection technique (Equi-Angle) Sampling Method (EASM) The present invention relates to a precision measurement method of amplitude and phase components of a periodic vibration correction device and a device thereof.

자동차, 철도, 선박, 항공기와 같은 운송수단, 그리고 국방관련 무기체계와 인공위성 등에 이르기까지 국내외 산업계에서 기계진동의 정밀측정 기술은 매우 중요한 분분으로 자리잡고 있으며 그 수요는 지속적으로 증가되어오고 있다. 이러한 수요에 부응하기 위하여 국제표준기구(ISO, International Organization for Standards)는 진동 센서와 측정기기들에 대한 교정방법[ISO 16062-1, Methods for the calibration of vibration and shock transducers - Part 1: Basic concepts, International Organization for Standards, 1998 ; ISO 16062-11, Methods for the calibration of vibration and shock transducers - Part 11: Primary vibration calibration by laser interferometry, International Organization for Standards, 1999]을 표준화하여 전 세계에 보급하고 있다. In the domestic and foreign industries, precision measurement technology of mechanical vibration is becoming a very important part in the domestic and foreign industries, such as automobiles, railways, ships, vehicles, aircrafts, defense weapon systems and satellites, and the demand is continuously increasing. To meet these demands, the International Organization for Standards (ISO) has adopted the ISO 16062-1, Methods for the calibration of vibration and shock transducers-Part 1: Basic concepts, International Organization for Standards, 1998; ISO 16062-11, Methods for the calibration of vibration and shock transducers-Part 11: Primary vibration calibration by laser interferometry, International Organization for Standards, 1999].

우리나라를 포함한 산업화된 국가들은 국가측정연구원(NMI, National Metrology Institute)을 설립하여 국제표준안을 만족하는 자국의 진동 교정 시스템 구축하여 산업계로 진동측정기술을 보급하고 있다. 그리고 2004년 이후 국제도량형기구(BIPM, Bureau International des Poids et Mesures)에서는 회원국들의 진동 측정능력을 부속서 C(BIPM Appendix C)에 공개하고 있다. 따라서 자국의 측정능력을 대표하는 국가측정연구원 들은 측정능력의 향상에 많은 연구를 진행하고 있다. Industrialized countries, including Korea, have established the National Metrology Institute (NMI) to build their own vibration correction system that satisfies international standards, and are disseminating vibration measurement technology to the industrial world. Since 2004, the Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) has released the vibration measurement capabilities of Member States in BIPM Appendix C. Therefore, national measurement institutes, which represent the measurement capability of their own countries, are doing a lot of research to improve the measurement capability.

도 1은 ISO 16063-11에서 제안하고 있는 선형 진동 절대교정 시스템의 구성도이며, 상기 도 1에 도시된 도면부호 1은 주파수 발생기, 2는 전력증폭기, 3은 가진기, 4는 가진기 상단부, 5는 피 교정용 진동센서(가속도계), 6은 부가질량, 7은 신호증폭기, 8은 레이저 간섭계, 9는 레이저, 10은 광 검출기, 11은 디지털 기록기, 12는 전압계, 및 13은 고조파 분석기를 각각 나타낸다.1 is a configuration diagram of a linear vibration absolute calibration system proposed in ISO 16063-11, the reference numeral 1 shown in FIG. 1 is a frequency generator, 2 is a power amplifier, 3 is an exciter, 4 is an upper part of an exciter, 5 is a vibration sensor (accelerometer) to be calibrated, 6 is an additional mass, 7 is a signal amplifier, 8 is a laser interferometer, 9 is a laser, 10 is a light detector, 11 is a digital recorder, 12 is a voltmeter, and 13 is a harmonic analyzer. Represent each.

상기 도 1에 도시된 시스템은 변형된 Michelson 간섭계(레이저 간섭계; 8)로 가진 주파수에 대하여 피 교정용 진동센서(가속도계; 5)의 선형 진동의 진폭과 위상의 동시 측정을 가능하게 하는 표준화된 절대교정 장치이다. The system shown in FIG. 1 is a standardized absolute that allows simultaneous measurement of the amplitude and phase of the linear vibration of the calibrated vibration sensor (accelerometer) 5 with respect to the frequency with the modified Michelson interferometer (laser interferometer) 8. It is a calibration device.

본 교정장치는 90도 위상차를 갖는 두 광검출기(10)를 사용하며, 이들 출력신호를 이용하여 진폭과 위상을 측정하는 방법은 이전의 연구[A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000]에서 자세히 소개되어 있다. The calibration apparatus uses two photodetectors 10 having a phase difference of 90 degrees, and the method of measuring amplitude and phase using these output signals has been described in previous studies [A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000].

그리고 교정하고자 하는 주파수에 대하여 가속도계(5)의 증폭된 출력 신호의 진폭과 위상 측정을 위하여 이전 연구[A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000]에서는 주기함수-근사법(sine-approximation method)을 제안하였으며, ISO 16063-11 표준안 또한 본 기법에 따라 가속도계의 증폭된 출력 신호의 진폭과 위상 측정을 제안하고 있다.In order to measure the amplitude and phase of the amplified output signal of the accelerometer (5) for the frequency to be calibrated, [A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000] proposed a sine-approximation method, and the ISO 16063-11 standard also proposes the measurement of the amplitude and phase of the amplified output signal of the accelerometer according to this technique.

그러나, 종래에 있어서의 상기 주기함수-근사법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. However, the above-described periodic function-approximation method in the prior art has the following problems.

먼저, 이전 연구와 ISO 16063-11 표준안에서 피 교정용 진동센서(가속도계)의 증폭된 출력신호(도면부호 7로부터의 출력신호)를 고속의 디지털 기록계(11)에 연결한다는 점이다. 즉 이전 연구[A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998]에서는 8-비트의 분해능과 10 MHz의 변환주기를 갖는 고속 디지털 변환기를 사용하여 레이저 간섭계의 두 광 검출기(10) 출력신호와 피 교정용 진동센서(가속도계)의 증폭된 출력신호를 각각 동시에 수집하는 방법을 채택하였다. 상기 측정방법에서 선정한 8-비트 분해능은 현재 상용화된 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog-to-Digital Converter)의 분해능인 16 ~ 24-비트보다 너무 낮기 때문에 피 교정용 진동센서의 증폭된 출력신호의 진폭과 위상 측정에서 상대적으로 높은 측정 불확도를 필수적으로 수반한다는 점이다. 그리고 ISO 16063-11 표준안에서 다루고 있는 최대 진동주파수가 10 kHz인데 비해 1000배 빠른 10 MHz의 디지털 변환속도 선정은 증폭된 출력신호의 진폭과 위상 측정의 효과적인 불확도 개선을 제공하기보다는 과도한 연산시간과 컴퓨터 메모리 부하만 야기할 뿐이다. 그리고 10 MHz로 고정된 디지털 변환속도는 가진 주파수에 따라 한 주기동안의 변환된 디지털 신호수가 다르기 때문에 가진 주파수에 따라 측정 불확도가 다르게 된다. First, in the previous study and in the ISO 16063-11 standard, the amplified output signal (output signal from reference numeral 7) of the calibrated vibration sensor (accelerometer) is connected to the high speed digital recorder 11. Previous studies [A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998] uses a high-speed digital converter with an 8-bit resolution and a 10 MHz conversion period. Therefore, a method of simultaneously collecting the output signals of the two optical detectors 10 of the laser interferometer and the amplified output signals of the vibration sensor (accelerometer) to be calibrated is adopted. Since the 8-bit resolution selected in the above measurement method is too lower than the resolution of 16-24 bits which is the resolution of the current commercially available analog-to-digital converter (ADC), the amplified output signal of the vibration sensor for calibration It is essential that the amplitude and phase measurements are accompanied by a relatively high measurement uncertainty. In addition, the 10 MHz digital conversion rate selection, which is 1000 times faster than the maximum oscillation frequency covered by the ISO 16063-11 standard, does not result in excessive computational time and computer performance, rather than providing effective uncertainty improvements in amplitude and phase measurements of the amplified output signal. It only causes memory overhead. The fixed digital conversion rate of 10 MHz has a different measurement uncertainty according to the excitation frequency because the number of digital signals converted in one cycle varies according to the excitation frequency.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 한 주기 동안 디지털 변환된 가속도 신호수가 일정하게 유지하는 방법 즉 등각도 신호수집 기법(Equi-Angle Sampling Method: EASM)을 개발하였다. 예를 들어 한 주기를 360 등분하면 등각도 신호수집 기법(EASM)은 가진 주파수에 관계없이 회전벡터(rotating vector)의 위상이 1° 변할 때마다 1개의 디지털 변환신호를 수집 제공한다. 보다 자세한 기술적 사항은 후술하기로 한다. In order to solve this problem, the present invention has developed a method of maintaining a constant number of digitally converted acceleration signals during one period, that is, an equi-angle sampling method (EASM). For example, by dividing a period by 360, an isometric signal collection technique (EASM) collects and provides one digital conversion signal whenever the phase of the rotating vector changes by 1 ° regardless of the frequency of excitation. More detailed technical matters will be described later.

한편, 도 1에 제시된 ISO 16063-11에서 제안된 절대교정 시스템 구성도가 갖는 또 하나의 문제점은, 피 교정용 진동센서 출력의 증폭된 신호(도면부호 7로부터의 출력신호)의 진폭 즉 전압을 측정하는 전압계(12) 구성과 주기함수의 조화성분들을 분석하는 고조파 분석기(13) 구성의 필요성에 대한 의문이다. 상기 시스템에 있어서 이들 두 구성 기기의 사용은 피 교정용 진동센서의 증폭된 출력신호를 디지털 값으로 변환하는 디지털 기록계(11)의 8-비트 분해능 때문에 불가피하다고 판단된다. 즉 8-비트 분해능의 디지털 변환기로 실효치 전압의 신뢰성 높은 정밀측정 수행이 시실 불가능하다는 점 뿐 아니라 정밀 고조파 분석기는 8-비트 분해능이 아니라 최소한 16-비트 이상을 갖는 디지털 변환기를 실제사용하고 있다는 점이다. 본 발명에서 제안하는 등각도 신호수집 기법(EASM)은 이들 두 기기를 사용하지 않고도 가진 주파수에 대응되는 가속도 신호의 진폭과 위상의 정밀 측정 뿐 아니라 고조파 분석기의 기능 또한 수행하는 방법에 대하여도 후술하기로 한다. On the other hand, another problem with the absolute calibration system proposed in ISO 16063-11 presented in Figure 1 is that the amplitude of the amplified signal (output signal from reference numeral 7) of the vibration sensor output for calibration It is a question about the necessity of a harmonic analyzer 13 analyzing the harmonic components of the voltmeter 12 and the periodic function to be measured. It is determined that the use of these two components in the system is inevitable due to the 8-bit resolution of the digital recorder 11 which converts the amplified output signal of the vibration sensor for calibration into a digital value. In other words, the 8-bit resolution digital converter is not only able to perform reliable precision measurement of the effective voltage, but also the precision harmonic analyzer uses not only 8-bit resolution but also a digital converter having at least 16-bit resolution. . The isometric signal collection technique proposed in the present invention will be described later on how to perform the function of the harmonic analyzer as well as the precise measurement of the amplitude and phase of the acceleration signal corresponding to the excitation frequency without using these two devices. Shall be.

본 발명은 상기 문제점에 대한 인식하에, 본 발명에 의한 등각도 신호 수집 기법(Equi-Angle Sampling Method, EASM)을 구현할 수 있는 3 종의 구성방법, 즉 진동센서의 출력신호 측정, 레이저 간섭계를 이용한 진동진폭 측정 그리고 선형 혹 은 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동진폭 측정장치 구성방법들을 각각 제시하고, 이들 진동진폭의 등각도 측정장치로부터 얻어지는 측정진동 신호로부터 교정 주파수에 대응되는 진폭과 위상을 정밀하게 추정하는 이론적 환산방법을 또한 제시하여, 기존의 정밀 진동측정법인 프린지-카운팅(fringe-counting) 방법보다 개선된 진동 진폭 측정 정밀도를 제공하여 결국 효과적으로 측정 불확도를 제거하는 것을 그 목적으로 하고 있다. In the present invention, in recognition of the above problems, three types of configuration methods capable of implementing an equi-angular sampling method (EASM) according to the present invention, that is, measuring the output signal of the vibration sensor, using a laser interferometer The vibration amplitude measuring device and the method of constructing a vibration amplitude measuring device using a linear or rotary encoder are presented respectively, and the amplitude and phase corresponding to the calibration frequency are precisely determined from the measured vibration signal obtained from the isometric measuring device of the vibration amplitude. The theoretical conversion method of estimating is also presented to provide improved vibration amplitude measurement accuracy compared to the fringe-counting method, which is a conventional precision vibration measuring method, and thus effectively eliminates measurement uncertainty.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 주기함수를 이용한 진동 교정장치에서 등각도 신호 수집 기법을 실현하는 장치들의 구성방법에 대한 3 종의 방법을 제공하고 있다. 즉, 첫 번째 등각도 신호 수집기법의 구현 방법은 피 교정 대상체 즉 가속도계의 출력 신호의 수집 방법이며, 두 번째 등각도 신호 수집기법의 구현 방법은 레이저 간섭계를 이용한 진동 변위 측정 방법이며, 세 번째 등각도 신호 수집기법의 구현 방법은 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동 진폭 측정기법에 대한 구현 방법이다.In order to achieve the above object, the present invention provides three methods for the configuration of devices for realizing an isometric signal collection technique in a vibration correction apparatus using a periodic function. That is, the implementation method of the first isometric signal collection method is the method of collecting the output signal of the object to be calibrated, that is, the accelerometer, and the implementation method of the second isometric signal collection method is the vibration displacement measurement method using a laser interferometer, and the third isometric The method of implementing the signal collection technique is an implementation method of the vibration amplitude measuring technique using a linear and a rotary encoder.

구체적으로 상술한 목적은, 먼저, 아날로그-디지털 변환기를 이용한 피교정 센서출력신호의 등각도 신호 수집장치에 있어서, 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하는 주 함수발생기; 상기 위상동기용 동기신호가 입력되고, 이 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하는 보조 함수발생기; 및 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 디지털 변환을 구현하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 외부 트리거 입력신호로 이용하는 고 정밀 아날로그-디지털 변환기;를 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치에 의하여 달성된다. Specifically, the object described above is, firstly, in an isometric signal collection device for an output signal to be calibrated using an analog-to-digital converter, an exciter drive signal having an oscillation frequency f 0 for supplying to an exciter, and the exciter drive. A main function generator for outputting a phase synchronization synchronization signal whose phase is synchronized with the signal; The phase synchronizing synchronization signal is input, and in order to synchronize the phase with the synchronizing signal, an equal angle collection having a frequency of M × f 0 is obtained by dividing phase 360 ° of one period of the frequency of the excitation drive signal at equal intervals by M. An auxiliary function generator for outputting a control signal; And a high precision analog-to-digital converter that implements digital conversion according to an isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator and uses a phase synchronization synchronization signal of the main function generator as an external trigger input signal. Is achieved by an isometric signal collector for precise measurement of

또한, 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집장치에 있어서, 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하는 주 함수발생기; 상기 위상동기용 동기신호가 입력되고, 이 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하는 보조 함수발생기; 및 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 외부 트리거 입력신호로 이용하는 레이저 간섭계 변위 측정용 보드;를 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치에 의하여 달성된다.Further, in an isometric signal collection device for vibration displacement signals using a laser interferometer, an excitation drive signal having an oscillation frequency f 0 for supplying to an excitation device, and a phase synchronization synchronization signal whose phase is synchronized with the excitation drive signal Main function generator for outputting; The phase synchronizing synchronization signal is input, and in order to synchronize the phase with the synchronizing signal, an equal angle collection having a frequency of M × f 0 is obtained by dividing phase 360 ° of one period of the frequency of the excitation drive signal at equal intervals by M. An auxiliary function generator for outputting a control signal; And storing contents of an up / down counter in a position information register according to an isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator, and using a phase synchronization synchronization signal of the main function generator as an external trigger input signal. A laser interferometer displacement measuring board; is achieved by an isometric signal collection device for precise measurement of amplitude and phase components, including.

아울러, 엔코더를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집장치에 있어서, 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하는 주 함수발생기; 상기 위 상동기용 동기신호가 입력되고, 이 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하는 보조 함수발생기; 및 상기 보조함수 발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 외부 트리거 입력신호로 이용하는 고속 카운터/타이머;를 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치에 의하여 달성된다.In addition, in an isometric signal collection device of an oscillation displacement signal using an encoder, an excitation drive signal having an oscillation frequency f 0 for supplying to an excitation device, and a phase synchronization synchronization signal in phase with the excitation drive signal are synchronized. Outputting main function generator; The synchronizing signal for the synchronism is input, and for synchronizing phase with the synchronizing signal, an equiangular collection having a frequency of M × f 0 is obtained by dividing phase 360 ° of one period of the frequency of the excitation drive signal at equal intervals by M An auxiliary function generator for outputting a control signal; And storing contents of an up / down counter in a position information register according to an isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator, and using a phase synchronization synchronization signal of the main function generator as an external trigger input signal. It is achieved by an isometric signal collector for precise measurement of amplitude and phase components, including a high speed counter / timer.

또한, 상기 등각도 신호 수집장치에 있어서, 상기 주 함수발생기는 보조 함수발생기의 위상동기 및 주파수 안정화를 위한 기준시간(reference clock) 신호를 출력하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. In addition, in the isometric signal collecting device, the main function generator preferably includes outputting a reference clock signal for phase synchronization and frequency stabilization of the auxiliary function generator.

또한, 상기 등각도 신호 수집장치에 있어서, 상기 주 함수발생기의 가진용 구동신호의 주파수는 외부 교정용 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 설정하는 것을 특징으로 한다. In the isometric signal collecting device, the frequency of the excitation drive signal of the main function generator may be set through an interface connected to an external calibration computer.

또한, 상기 등각도 신호 수집장치는, 상기 등각도 분할수 M은 외부 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 사용자가 설정하며, 상기 분할수 M 값이 상기 보조 함수발생기에 수신 완료되면 상기 주 함수발생기의 동기신호와 위상동기를 수행하는 것을 특징으로 한다. In addition, the isometric signal collecting device, the isometric partition number M is set by the user through an interface connected to an external computer, and when the partition number M value is received by the auxiliary function generator, the synchronization signal of the main function generator And phase synchronization is characterized in that to perform.

한편, 상술한 목적은, 아날로그-디지털 변환기를 이용한 피교정 센서출력신 호의 등각도 신호 수집방법에 있어서, 주 함수발생기에 의하여 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하고, 상기 출력된 위상동기용 동기신호를 보조 함수발생기로 입력하고, 상기 보조 함수발생기는, 상기 위상동기용 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하고, 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 고 정밀 아날로그-디지털 변환기에서 디지털 변환을 구현하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 상기 고 정밀 아날로그-디지털 변환기의 외부 트리거 입력신호로 이용하는 것에 의하여 달성된다. On the other hand, the above object is, in the isometric signal collection method of the sensor output signal to be calibrated using an analog-to-digital converter, the exciter drive signal having a vibration frequency f 0 for supplying the exciter by the main function generator, and Outputs a phase synchronization synchronization signal whose phase is synchronized with the exciter drive signal, inputs the output phase synchronization synchronization signal to an auxiliary function generator, wherein the auxiliary function generator is a phase synchronization with the phase synchronization synchronization signal; In order to equalize the phase 360 ° of one period of the excitation drive signal frequency at equal intervals M and output an isometric acquisition control signal having a frequency of M × f 0 , and to the isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator. A digital conversion is implemented in a high precision analog-to-digital converter, and the high-precision analog signal of the phase synchronization synchronization signal of the main function generator is - is achieved by using as an external trigger input signal of the digital converter.

또한, 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집방법에 있어서, 주 함수발생기에 의하여 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하고, 상기 출력된 위상동기용 동기신호를 보조 함수발생기로 입력하고, 상기 보조 함수발생기는, 상기 위상동기용 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하고, 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라, 레이저 간섭계 변위 측정용 보드에 구비된 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 상기 레이저 간섭계 변위 측정용 보드의 외부 트리거 입력신호로 이용하는 것에 의하여 달성된다. In addition, in an isometric signal collection method of a vibration displacement signal using a laser interferometer, a phase shifter and a phase of the exciter drive signal having a vibration frequency f 0 for supplying to the exciter by the main function generator, the phase is synchronized with the exciter drive signal Outputs a phase synchronizing synchronization signal, inputs the output phase synchronizing synchronization signal to an auxiliary function generator, and the auxiliary function generator is configured to generate a phase synchronizing drive signal frequency for synchronizing with the phase synchronization synchronizing signal; Outputs an equiangular acquisition control signal having a frequency of M × f 0 by dividing phase 360 ° of one cycle by M at equal intervals, and outputting to the laser interferometer displacement measuring board according to the equiangular acquisition control signal of the auxiliary function generator. The contents of the provided up / down counter are stored in the position information register, and the synchronization signal for phase synchronization of the main function generator is stored. It is achieved by using as an external trigger input signal from the group laser interferometric displacement measuring board.

아울러, 엔코더를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집방법에 있어서, 주 함수발생기에 의하여 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하고, 상기 출력된 위상동기용 동기신호를 보조 함수발생기로 입력하고, 상기 보조 함수발생기는, 상기 위상동기용 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하고, 상기 보조함수 발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 고속 카운터/타이머에 구비된 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 상기 고속 카운터/타이머의 외부 트리거 입력신호로 이용하여 달성된다. In addition, in the isometric signal collection method of the vibration displacement signal using the encoder, the excitation device driving signal having a vibration frequency f 0 for supplying the excitation device by the main function generator, the phase in which the phase is synchronized with the excitation drive signal Outputs a synchronization synchronizing signal, inputs the output phase synchronization synchronizing signal to an auxiliary function generator, and the auxiliary function generator is one of the exciter driving signal frequencies for phase synchronization with the phase synchronization synchronizing signal; The phase angle 360 ° of the period is equally divided by M to output an isometric acquisition control signal having a frequency of M × f 0 , and an increase / definition provided to the high speed counter / timer according to the isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator. The contents of the up / down counter are stored in the position information register, and the phase synchronization synchronization signal of the main function generator is stored in the high speed counter / tagging. This is accomplished by using the external trigger input signal of the e-mailer.

또한, 상기 등각도 신호 수집방법에 있어서, 상기 주 함수발생기가 보조 함수발생기의 위상동기 및 주파수 안정화를 위한 기준시간(reference clock) 신호를 출력하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. In addition, in the isometric signal collection method, the main function generator preferably includes outputting a reference clock signal for phase synchronization and frequency stabilization of the auxiliary function generator.

또한, 상기 등각도 신호 수집방법에 있어서, 상기 주 함수발생기의 가진용 구동신호의 주파수가 외부 교정용 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 설정되는 것을 특징으로 한다. In the isometric signal collection method, the frequency of the excitation drive signal of the main function generator is set through an interface connected to an external calibration computer.

또한, 상기 등각도 신호 수집방법에 있어서, 상기 등각도 분할수 M은 외부 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 사용자가 설정하며, 상기 분할수 M 값이 상기 보조 함수발생기에 수신 완료되면 상기 주 함수발생기의 동기신호와 위상동기를 수행하는 것을 특징으로 한다. In the isometric signal collection method, the isometric dividing number M is set by a user through an interface connected to an external computer, and the main function generator is synchronized when the dividing number M value is received by the auxiliary function generator. It is characterized in that the signal and phase synchronization.

이하, 본 발명에 대하여 구체적인 실시예를 바탕으로 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific examples.

1. 등각도 신호수집 기법의 구성도1. Configuration of Isometric Signal Acquisition

본 절에서는 주기함수를 이용한 진동 교정장치에서 등각도 신호 수집 기법을 실현하는 장치들의 구성방법에 대한 3 종의 방법을 개시하고 있다. This section describes three methods for the configuration of devices that realize an isometric signal collection technique in a vibration correction device using a periodic function.

즉, 첫 번째 등각도 신호 수집기법의 구현 방법은 피 교정 대상체 즉 가속도계의 출력 신호의 수집 방법이며, 두 번째 등각도 신호 수집기법의 구현 방법은 레이저 간섭계를 이용한 진동 변위 측정 방법이며, 세 번째 등각도 신호 수집기법의 구현 방법은 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동 진폭 측정기법에 대한 구현 방법이다.That is, the implementation method of the first isometric signal collection method is the method of collecting the output signal of the object to be calibrated, that is, the accelerometer, and the implementation method of the second isometric signal collection method is the vibration displacement measurement method using a laser interferometer, and the third isometric The method of implementing the signal collection technique is an implementation method of the vibration amplitude measuring technique using a linear and a rotary encoder.

1.1 피교정 센서 출력 신호의 등각도 수집 방법1.1 Isometric Collection Method of the Sensor Output Signal

도 2는 본 발명에 의한 진동센서 출력신호의 등각도 신호수집을 구현하기 위한 장치의 구성도를 나타낸다. 2 is a block diagram of an apparatus for implementing an isometric signal collection of the vibration sensor output signal according to the present invention.

상기 도 2에 있어서, 먼저 구성요소에 있어서, 도면부호 1은 주 함수발생기(master), 2는 전력증폭기, 7은 신호증폭기, 14는 보조 함수발생기(slave 또는 주파수 배율기), 15는 고정밀 아날로그-디지털 변환기를 나타내며, 다음 상기 구성으로 입출력되는 신호에 있어서, 101은 주함수 발생기 신호출력, 102는 주함수 발생기 동기신호, 103은 위상 동기용 기준신호, 104는 보조 함수 발생기(혹은 주파수 배율기) 출력, 105는 피 교정 진동센서의 출력신호, 106은 피 교정 진동센서의 증폭된 출력신호, 107은 저속 인터페이스 버스, 108은 고속 인터페이스 버스, 그리고 109는 전력 증폭기 출력신호를 나타낸다.In FIG. 2, first, in the components, reference numeral 1 denotes a master function generator, 2 a power amplifier, 7 a signal amplifier, 14 an auxiliary function generator (slave or frequency multiplier), and 15 a high precision analogue- In the signal input and output with the following configuration, 101 is the main function generator signal output, 102 is the main function generator synchronization signal, 103 is the phase synchronization reference signal, 104 is the auxiliary function generator (or frequency multiplier) output , 105 denotes an output signal of the calibrated vibration sensor, 106 denotes an amplified output signal of the calibrated vibration sensor, 107 denotes a low speed interface bus, 108 denotes a high speed interface bus, and 109 denotes a power amplifier output signal.

먼저, 진동 센서(가속도계, 속도 픽업 등)의 교정분야에서는 수 ppm 수준의 안정화된 주기함수(sine function)를 발생하는 주 함수 발생기(1)를 이용하여 교정 주파수를 선정 공급한다. 따라서 가진기에 인가되는 주기신호의 주파수와 진폭은 매우 정확하고 안정된 신호이다. 이러한 고 안정도의 주기신호를 사용하는 이유는 ISO 16063-11에서 권고하는 바와 같이 진동 센서의 교정에 가진 주파수와 진폭의 안정도가 측정 불확도에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다. 즉, 도 2는 위와 같이 주파수와 진폭 안정도를 갖는 함수 발생기의 출력 신호를 이용하여 진동센서 출력신호의 등각도 신호수집을 구현하기 위한 장치의 구성도이다. First, in the calibration field of the vibration sensor (accelerometer, speed pickup, etc.), the calibration frequency is selected and supplied using the main function generator 1 which generates a stabilized sine function of several ppm level. Therefore, the frequency and amplitude of the periodic signal applied to the exciter are very accurate and stable signals. The reason for using these high stability periodic signals is that the frequency and amplitude stability of the vibration sensor calibration, as recommended in ISO 16063-11, directly affects the measurement uncertainty. That is, FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for implementing an isometric signal collection of the vibration sensor output signal using the output signal of the function generator having frequency and amplitude stability as described above.

주 함수 발생기(1)는 외부 온도 적응형 주파수 및 진폭 안정도를 갖는 함수발생기로서, 두 종류의 출력 신호 즉 사인파(sine wave) 아날로그 출력신호(101)와 사인파 신호와 위상이 동기된 디지털 출력신호(102)를 출력하는 교정용 함수 발생 기이다. 주 함수 발생기의 출력 사인파의 주파수 즉 진동 가진 주파수 f0[Hz]는 외부 교정용 컴퓨터와 연결된 인터페이스(107)를 통하여 설정하게 된다. 그리고 보조 함수발생기(혹은 주파수 배율기; 14)의 위상동기 및 주파수 안정화를 위한 기준시간(reference clock) 신호(103)를 출력한다. The main function generator 1 is a function generator having an external temperature adaptive frequency and amplitude stability, and has two types of output signals, that is, a sine wave analog output signal 101 and a digital output signal whose phase is synchronized with the sine wave signal. It is a function generator for calibration that outputs 102). The frequency of the output sine wave of the main function generator, i.e., the frequency with oscillation, f 0 [Hz] is set via the interface 107 connected to the external calibration computer. A reference clock signal 103 for phase synchronization and frequency stabilization of the auxiliary function generator (or frequency multiplier) 14 is output.

아날로그 출력신호(101)는 전력증폭기(2)로 입력되어 높은 전류 출력신호(109) 변환되어 가진기로 입력된다. The analog output signal 101 is input to the power amplifier 2, the high current output signal 109 is converted into the exciter.

그리고, 진동 가진 주파수 f0[Hz]와 위상이 동기된 디지털 출력신호(102)를 이용하여 보조 함수발생기(혹은 주파수 배율기; 14)는 신호수집 시작(SOC; Start Of Conversion)용 디지털 신호(104)를 발생하며, 가진 주파수의 배율비(혹은 주기의 분주비)를 M 이라면 보조 함수발생기(혹은 주파수 배율기; 14)의 출력신호 즉 신호수집 시작 신호(SOC)의 주파수는 fSOC = M×f0 [Hz]가 된다. 보조 함수발생기의 배율비(혹은 주기의 분주비) M 또한 외부 PC와 연결된 인터페이스(107)를 통하여 사용자가 설정하며, 배율비 값이 보조 함수발생기(14)에 수신 완료되면 이 함수발생기는 주 함수발생기의 동기신호(102)와 위상동기를 수행한다. The auxiliary function generator (or frequency multiplier) 14 uses the digital output signal 102 whose phase is synchronized with the oscillating frequency f 0 [Hz] to perform the digital signal 104 for start of conversion (SOC). If the multiplication ratio (or frequency division ratio) of the excitation frequency is M, the output signal of the auxiliary function generator (or frequency multiplier 14), that is, the frequency of the signal acquisition start signal (SOC) is f SOC = M × f. 0 [Hz]. The magnification ratio (or frequency division ratio) M of the auxiliary function generator is also set by the user through the interface 107 connected to the external PC, and when the magnification ratio value is received by the auxiliary function generator 14, the function generator becomes the main function. Phase synchronization is performed with the synchronization signal 102 of the generator.

따라서 위상 동기된 보조 함수발생기(14)의 출력신호 즉 신호수집 시작신호(SOC)는 고 정밀 아날로그-디지털 변환기(15)로 입력되어 디지털 변환 즉 신호수집 속도를 제어하게 된다. 따라서 가진 주파수의 한 주기를 등 간격으로 M 등분하는, 즉 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하는 등각도 신호수집 기법(EASM, Equi-Angle Sampling Method)에 따라 디지털 변환을 구현하게 된다. Therefore, the output signal of the phase-locked auxiliary function generator 14, that is, the signal acquisition start signal SOC, is input to the high precision analog-to-digital converter 15 to control the digital conversion, that is, the signal acquisition speed. Therefore, digital conversion is implemented according to the Equi-Angle Sampling Method (EASM), which divides one period of an excitation frequency into equal intervals, that is, equally divides one phase phase 360 ° into equal intervals. .

고 정밀 아날로그-디지털 변환기(15)가 준비완료 시점 이후 첫번째 변환시점을 주 함수 발생기(1)의 사인파 출력 신호와 동기화를 구현하기 위하여 위상 동기용 디지털 출력신호(102)를 외부 트리거(external trigger) 신호로 입력한다. 이러한 주 신호발생기(1)의 위상 동기용 디지털 출력신호(102)를 고 정밀 아날로그-디지털 변환기(15)의 외부 트리거 입력신호(102에 대응)로 이용한 초기 디지털 변환의 시각동기는 주기함수의 위상 측정의 정밀도를 높이는 효과적인 방법이다. The high-precision analog-to-digital converter 15 externally triggers the phase-synchronized digital output signal 102 for synchronization with the sine wave output signal of the main function generator 1 after the preparation point. Input by signal. The time synchronization of the initial digital conversion using the phase synchronization digital output signal 102 of the main signal generator 1 as the external trigger input signal 102 of the high precision analog-to-digital converter 15 is performed by the phase of the periodic function. It is an effective way to increase the precision of the measurement.

이상에서 소개한 등각도 신호수집 기법(EASM)은 가진 주파수가 변하더라도 항상 한 주기에 일정한 M개의 등각도 위상에 대한 진동 측정 신호를 디지털 값으로 수집할 수 있다는 장점을 제공하게 된다. 그리고 가속도계 교정 시 몇몇 저주파수 성분을 제외한 대부분의 교정 저주파에 대한 가진 레벨은 일정하게 유지되므로, 등각도 신호 수집기법은 비록 가진 주파수가 변화될 지라도 한 주기 동안 일정한 M개의 디지털 값으로부터 측정된 진동신호의 진폭과 위상을 추정하기 때문에 실질적으로 진폭과 위상 측정의 불확도를 일정하게 유지할 수 있다는 장점을 제공하게 된다.The isometric signal collection technique (EASM) introduced above provides the advantage of digital acquisition of vibration measurement signals for M constant isophases in a period, even if the excitation frequency changes. And since the excitation level for most calibrated low frequencies, except for some low frequency components, is kept constant during accelerometer calibration, the isometric signal collection technique uses the oscillation signal measured from constant M digital values over a period of time, even if the excitation frequency changes. Estimating amplitude and phase provides the advantage of substantially maintaining the uncertainty of amplitude and phase measurements.

한편, 가진기(3) 상단부(4)에 볼트로 고정된 피 교정 진동센서(5)의 낮은 출력신호(105)는 전용 전압 증폭기(7)로 입력되어 원하는 출력전압 범위로 증폭된다. 증폭된 출력 전압신호(106)는 고 정밀 아날로그-디지털 변환기(15)로 입력된다. 디지털 값으로 변환된 전압 신호는 고속 전송형 인터페이스(108)를 통하여 외부 교정용 컴퓨터로 실시간으로 전송된다. 현재 상용화된 고 정밀 아날로그-디지털 변환기(15)는 16 ~ 24-비트의 분해능을 제공할 뿐 아니라 디지털 변환 속도 또한 수 MHz에 달한다. 이러한 고 성능 아날로그-디지털 변환기를 사용하면 ISO 16063-11기반의 측정 불확도는 이전연구[A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000]에서 사용한 8-비트 모델보다 매우 개선된 진동신호의 진폭과 위상 측정의 불확도를 구현할 수 있게 된다. On the other hand, the low output signal 105 of the calibrated vibration sensor 5 which is bolted to the upper end 4 of the exciter 3 is input to the dedicated voltage amplifier 7 and amplified to the desired output voltage range. The amplified output voltage signal 106 is input to the high precision analog-to-digital converter 15. The voltage signal converted into a digital value is transmitted in real time to the external calibration computer via the high speed transfer interface 108. The high-precision analog-to-digital converters 15 currently available not only provide 16 to 24-bit resolution, but also digital conversion rates of several MHz. Using this high-performance analog-to-digital converter, measurement uncertainties based on ISO 16063-11 have been previously studied [A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. Uncertainty of the amplitude and phase measurement of the vibration signal can be improved significantly compared to the 8-bit model used in [3-20, 2000].

1.2 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 신호의 등각도 수집 방법1.2 Isometric Collection Method of Vibration Displacement Signal Using Laser Interferometer

도 3은 레이저 간섭계를 이용한 고 정밀 변위 측정장치[F.C. Demarest, “High-resolution, high-speed, low data age uncertainty, heterodyne displacement measuring interferometer electronics,” Measurement Science Technology, 9, 1024-1030, 1998]을 이용하여 교정 진동 주기에 대한 등각도 신호 수집장치의 구성도를 보이고 있다. 3 is a high precision displacement measuring apparatus using a laser interferometer [F.C. Demarest, “High-resolution, high-speed, low data age uncertainty, heterodyne displacement measuring interferometer electronics,” Measurement Science Technology, 9, 1024-1030, 1998]. Is showing the road.

상기 도 3에 있어서, 먼저 구성요소에 있어서, 도면부호 1은 주 함수발생기(master), 2는 전력증폭기, 7은 신호증폭기, 14는 보조 함수발생기(slave 또는 주파수 배율기), 16은 광섬유 픽업, 17은 변위 측정용 보드를 나타내며, 다음 상기 구성으로 입출력되는 신호에 있어서, 101은 주함수 발생기 신호출력, 102는 주함수 발생기 동기신호, 103은 위상 동기용 기준신호, 104는 보조 함수 발생기(혹은 주파수 배율기) 출력, 107은 저속 인터페이스 버스, 108은 고속 인터페이스 버스, 109는 전력 증폭기 출력신호, 110은 레이저 간섭계 출력광 신호, 그리고 111은 광섬유 픽업 출력 신호를 나타낸다.In FIG. 3, first, in the components, reference numeral 1 denotes a main function generator (master), 2 denotes a power amplifier, 7 denotes a signal amplifier, 14 denotes an auxiliary function generator (slave or frequency multiplier), 16 denotes an optical fiber pickup, 17 represents a displacement measuring board, in which signals are input and output with the above configuration, 101 is a main function generator signal output, 102 is a main function generator synchronization signal, 103 is a phase synchronization reference signal, and 104 is an auxiliary function generator (or Frequency multiplier) output, 107 represents a low speed interface bus, 108 represents a high speed interface bus, 109 represents a power amplifier output signal, 110 represents a laser interferometer output light signal, and 111 represents an optical fiber pickup output signal.

레이저 간섭계를 이용한 최근의 고 정밀 진동변위 측정장치는 간섭계의 출력 광 신호(110)와 파장 안정화 특성을 제공하는 광원(laser source)의 기준 광 신호를 이용하여 0.16 [nm] 수준의 측정 정밀도를 제공하고 있다[Operating Manual of ZMI 4000 Series Measurement Board, OMP-0460N, Zygo Cooperation, 2004]. 이러한 레이저 간섭계를 이용한 변위 측정용 보드(17)는 그 내부에 초고속 증가/감소 카운터(up/down counter)와 위치정보 저장용 레지스터(register)를 갖고 있으며 사용자는 위치정보 레지스터를 읽어 변위 측정을 수행하게 된다. Recent high precision vibration displacement measuring apparatus using laser interferometer provides measurement accuracy of 0.16 [nm] using the output optical signal 110 of the interferometer and the reference optical signal of a laser source that provides wavelength stabilization characteristics. [Operating Manual of ZMI 4000 Series Measurement Board, OMP-0460N, Zygo Cooperation, 2004]. The displacement measuring board 17 using the laser interferometer has an ultra-fast up / down counter and a register for storing position information therein, and the user reads the position information register to perform displacement measurement. Done.

본 발명에서는, 레이저 간섭계 변위 측정용 보드(17)의 증가/감소 카운터(up/down counter) 내용을 위치정보 레지스터에 저장하는데 사용되는 트리거(trigger) 신호를 보조 함수발생기(혹은 주파수 배율기; 14)의 출력신호(104)로 제어하는 방법을 제공한다. In the present invention, an auxiliary function generator (or frequency multiplier) 14 is used to store a trigger signal used to store the contents of an up / down counter of the laser interferometer displacement measuring board 17 in a position information register. It provides a method of controlling the output signal (104).

즉, 앞서 1.1절에서 언급한 바와 같은 주 함수발생기(1)의 동기신호(102)와 위상 동기된 보조 함수발생기(14)는, 가진 주파수의 한 주기를 등 간격으로 M 등분하는 즉 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하는 등각도 신호수집 제어신호에 따라 레이저 간섭계 변위 측정용 보드(17)의 증가/감소 카운터(up/down counter) 내용을 위치정보 레지스터에 저장하는 방법이다. 따라서 레이저 간섭계 변위 측정용 보드(17)는 가진 주파수의 한 주기를 등 간격으로 M 등분한 등각도 진동진폭 신호수집 기법(EASM)을 구현할 수 있게 된다. That is, the auxiliary function generator 14 which is phase-locked with the synchronization signal 102 of the main function generator 1 as mentioned in Section 1.1, divides one period of the excitation frequency at equal intervals, that is, The up / down counter of the laser interferometer displacement measuring board 17 is stored in the position information register according to an isometric signal collection control signal that divides the phase 360 ° by M at equal intervals. Therefore, the laser interferometer displacement measuring board 17 can implement an isometric vibration amplitude signal collection technique (EASM) by dividing one period of the excitation frequency at equal intervals.

그리고 레이저 간섭계 변위 측정용 보드(17)가 신호수집 준비가 완료된 시점 이후 첫번째 변환시점을 주 함수 발생기(1)의 사인파 출력 신호(101)와 동기화시키기 위하여, 위상 동기용 디지털 출력신호(102)를 외부 트리거(external trigger) 신호로 레이저 간섭계 변위 측정용 보드(17)에 입력한다. 이러한 주 신호발생기(1)의 위상 동기용 디지털 출력신호(102)를 레이저 간섭계 변위 측정용 보드(17)의 외부 트리거 입력신호(102에 대응)로 이용한 초기 디지털 변환의 시각동기는 주기함수의 위상 측정의 정밀도를 높이는 효과적인 방법이다. Then, in order to synchronize the first conversion point with the sine wave output signal 101 of the main function generator 1 after the laser interferometer displacement measuring board 17 is ready to acquire the signal, the phase synchronization digital output signal 102 is used. It is input to the laser interferometer displacement measurement board 17 as an external trigger signal. The time synchronization of the initial digital conversion using the phase synchronization digital output signal 102 of the main signal generator 1 as the external trigger input signal 102 of the laser interferometer displacement measurement board 17 corresponds to the phase of the periodic function. It is an effective way to increase the precision of the measurement.

이상에서 소개한 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 측정용 보드에 적용하는 등각도 신호수집 기법(EASM)은 가진 주파수가 변하더라도 항상 한 주기에 일정한 M개의 등각도 위상에 대한 진동 측정 신호를 디지털 값으로 수집할 수 있다는 장점을 제공하게 된다. 이 같은 등각도 신호 수집기법은 비록 가진 주파수가 변화될 지라도 한 주기 동안 일정한 M개의 디지털 값으로부터 측정된 진동신호의 진폭과 위상을 추정하기 때문에 실질적으로 진폭과 위상 측정의 불확도를 일정하게 유지할 수 있다는 장점을 제공하게 된다.The isometric signal acquisition technique (EASM) applied to the vibration displacement measuring board using the laser interferometer described above collects the vibration measurement signals for M constant isometric phases in a period as a digital value, even if the excitation frequency changes. It offers the advantage of being able to. This iso-acquisition signal collection technique estimates the amplitude and phase of a vibration signal measured from a constant M digital values over a period of time, even if the excitation frequency is changed, thereby substantially maintaining the uncertainty of the amplitude and phase measurements. It will give you an advantage.

1.3 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동변위 신호의 등각도 수집 방법1.3 Isometric Collection Method of Vibration Displacement Signal Using Linear and Rotating Encoder

도 4는 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호수집을 구현하기 위한 장치의 구성도를 나타낸다. 4 is a block diagram of an apparatus for implementing an isometric signal collection of vibration displacement signals using linear and rotary encoders.

상기 도 4에서, 먼저 구성요소에 있어서, 도면부호 1은 주 함수발생기(master), 2는 전력증폭기, 7은 신호증폭기, 14는 보조 함수발생기(slave 또는 주파수 배율기), 18은 4 체배 분주기(분활기), 19는 고속 카운터/타이머(counter/timer)를 나타내며, 다음 상기 구성으로 입출력되는 신호에 있어서, 101은 주함수 발생기 신호출력, 102는 주함수 발생기 동기신호, 103은 위상 동기용 기준신호, 104는 보조 함수 발생기(혹은 주파수 배율기) 출력, 107은 저속 인터페이스 버스, 108은 고속 인터페이스 버스, 109는 전력 증폭기 출력신호, 112는 A/B 상 엔코더 출력신호, 그리고 113은 증가/감소 카운터(up/down counter) 신호를 나타낸다. In Fig. 4, in the first component, reference numeral 1 denotes a main function generator (master), 2 denotes a power amplifier, 7 denotes a signal amplifier, 14 denotes an auxiliary function generator (slave or frequency multiplier), and 18 denotes a four-multiplier divider. (Divider), 19 denotes a high speed counter / timer, and in the signal input / output in the following configuration, 101 denotes a main function generator signal output, 102 denotes a main function generator synchronization signal, and 103 denotes a phase synchronization signal. Reference signal, 104 is auxiliary function generator (or frequency multiplier) output, 107 is low speed interface bus, 108 is high speed interface bus, 109 is power amplifier output signal, 112 is A / B phase encoder output signal, and 113 is increase / decrease Indicates an up / down counter signal.

현재 수~수십 [nm] 정도의 고 정밀 선형 엔코더(encoder)는 상용화 되어 있으며 이들을 이용한 진동변위의 진폭 측정 또한 높은 정밀도로 구현될 수 있다[정완섭, 이용봉,이두희, “회전진동교정장치 구현을 위한 고정밀 측정기법에 대한 연구,” 한국소음진동공학회 추계학술대회 논문집, ISSN 1598-2548, 685-688, 2004]. Currently, high precision linear encoders of about several tens of [nm] are commercially available, and the amplitude measurement of vibration displacement using them can also be realized with high precision [Jung Wan-seop, Yong-bong Lee, Doo-hee Lee, “ A Study on High Precision Measurement Technique, ”Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference, ISSN 1598-2548, 685-688, 2004].

도 4는 이러한 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 고 정밀 변위 측정장치를 이용하여 교정 진동 주기에 대한 등각도 신호 수집장치의 구성도를 보이고 있다. Figure 4 shows the configuration of an isometric signal collection device for the calibration vibration period using a high precision displacement measuring device using such linear and rotary encoder (encoder).

길이 측정용 선형 엔코더(encoder) 혹은 각도 측정용 회전 엔코더(encoder) 의 출력 신호(112)는 주로 A상과 B상의 두 직교신호(quadratic signals)로 구성되며, 이 두 신호는 서로 90° 위상차를 갖기 때문에 두 신호의 상대적 위상차 특성 변화를 이용하여 4 체배 즉 4 배 분할된 신호의 증가/감소 카운터(up/down counter) 신호(113)를 만들 수 있다.The output signal 112 of the linear encoder for length measurement or the rotary encoder for angle measurement consists mainly of two quadrature signals of phase A and phase B, and these two signals have a 90 ° phase difference from each other. Therefore, by using the change in the relative phase difference characteristics of the two signals, an up / down counter signal 113 of a four-fold multiple, that is, a four-times divided signal can be made.

상기 4 배 분할된 증가/감소 카운터(up/down counter) 신호(113)는 고속 카운터/타이머 (high-speed counter/timer; 19)로 입력되며, 정 방향 운동 시는 카운터 레지스터(counter register)의 값이 증가되며 역 방향 운동 시는 카운터 레지스터의 값이 감소한다. 이러한 증가 감소 카운터의 값이 진동의 진폭에 비례하는 진동진폭 측정값에 대응된다. The four times divided up / down counter signal 113 is input to a high-speed counter / timer 19, and during forward movement, a counter register The value increases and the counter register decreases during reverse movement. The value of this increment decrement counter corresponds to a vibration amplitude measurement that is proportional to the amplitude of the vibration.

본 방법에서는 진동진폭 정보를 담고 있는 고속 카운터/타이머(19)의 증가/감소 카운터 레지스터(up/down counter register) 내용을 위치정보 레지스터에 저장하는데 사용되는 외부 트리거(trigger) 신호를 보조 함수발생기(14)의 출력신호 (104)로 제어하는 방법을 제안하고 있다. In this method, an external trigger signal used to store the contents of the up / down counter register of the high-speed counter / timer 19 containing the vibration amplitude information in the position information register is stored in the auxiliary function generator ( A method of controlling with the output signal 104 of 14 is proposed.

즉, 앞서 1.2절에서 언급한 바와 같은 주 함수발생기(1)의 동기신호(102)와 위상 동기된 보조 함수발생기(14)는 가진 주파수의 한 주기를 등 간격으로 M 등분하는 즉 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하는 등각도 신호수집 제어신호에 따라 고속 카운터/타이머(high-speed counter/timer; 19)의 증가/감소 카운터(up/down counter) 내용을 위치정보 레지스터로 저장하는 방법이다. 따라서 길이 혹은 회전 각도 측정용 고속 카운터/타이머(19)는 가진 주파수의 한 주기를 등 간격으로 M 등분한 등각도 진동진폭 신호수집 기법(EASM)을 구현할 수 있게 된다.That is, the auxiliary function generator 14 in phase synchronization with the synchronizing signal 102 of the main function generator 1 as mentioned in the previous section 1.2 divides one period of the frequency by equal intervals, i.e., the phase of one period. Stores the contents of the up / down counter of the high-speed counter / timer 19 as a location information register according to an isometric signal acquisition control signal that divides 360 degrees into equal intervals. Way. Therefore, the high-speed counter / timer 19 for measuring the length or the rotation angle can implement the ESM isoelectric vibration amplitude signal collection technique (EASM), which is equal to the M cycle at an interval.

그리고 엔코더(encoder)를 이용한 변위 측정용 고속 카운터/타이머(19)가 준비가 완료된 시점 이후 첫번째 변환시점을 주 함수 발생기(1)의 사인파 출력 신호(101)와 동기화를 구현하기 위하여 위상 동기용 디지털 출력신호(102)를 외부 트리거(external trigger) 신호로 고속 카운터/타이머(19)에 입력한다. 이러한 주 신호발생기(1)의 위상 동기용 디지털 출력신호(102)를 고속 카운터/타이머(19)의 외부 트리거 입력신호(102에 대응)로 이용한 초기 디지털 변환의 시각동기는 주기함수의 위상 측정의 정밀도를 높이는 효과적인 방법이다. And phase synchronization digital to synchronize the first conversion time with the sine wave output signal 101 of the main function generator 1 after the high speed counter / timer 19 for displacement measurement using an encoder is ready. The output signal 102 is input to the high speed counter / timer 19 as an external trigger signal. The time synchronization of the initial digital conversion using the phase synchronizing digital output signal 102 of the main signal generator 1 as the external trigger input signal 102 of the high speed counter / timer 19 is used to measure the phase of the periodic function. It is an effective way to increase precision.

지금까지 소개한 엔코더(encoder) 기반의 진동변위 측정에 적용하는 등각도 신호수집 기법(EASM)은 가진 주파수가 변하더라도 항상 한 주기에 일정한 M 개의 등각도 위상에 대한 진동 측정 신호를 디지털 값으로 수집할 수 있다는 장점을 제공하게 된다. 이러한 등각도 신호 수집기법은 비록 가진 주파수가 변화될 지라도 한 주기 동안 일정한 M 개의 디지털 값으로부터 측정된 진동신호의 진폭과 위상의 추정하기 때문에 사실 진폭과 위상 측정의 불확도를 일정하게 유지할 수 있다는 장점을 제공하게 된다.The isometric signal acquisition technique (EASM), which is applied to encoder-based vibration displacement measurement, collects vibration measurement signals for M isometric phases that are constant in one period at all times even if the excitation frequency changes. It offers the advantage of being able to. This isometric signal collection technique has the advantage that the uncertainty of amplitude and phase measurement can be kept constant because it estimates the amplitude and phase of the vibration signal measured from a constant M digital values over a period even if the excitation frequency changes. Will be provided.

2. 진동신호의 진폭과 위상 측정 방법2. How to measure amplitude and phase of vibration signal

도 2, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 아날로그-디지털 변환기를 이용한 피 교정용 진동센서의 출력신호 측정, 레이저를 이용한 진동 진폭 측정 그리고 선형 및 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동진폭 측정 기법은 매 주기마다 M 개의 디지털 측정값인 {xn; n = 1, 2, … , M}을 제공한다. As shown in Figs. 2, 3 and 4, the output signal measurement of the vibration sensor for calibration using an analog-to-digital converter, the vibration amplitude measurement using a laser, and the vibration amplitude measurement method using linear and rotary encoders Is the M digital measurement {x n ; n = 1, 2,... , M}.

따라서 가진 주파수 f0 [Hz] 인 경우, 1초 동안에 측정되는 디지털 신호 수는 NT = M×f0 개가 된다. 이와 같이 정수 K의 주기 동안 등 각도에 따라 수집된 디지털 진동신호의 총수는 NK = M×K이다. Thus, for an excitation frequency f 0 [Hz], the number of digital signals measured during one second is N T = M × f 0 . In this way, the total number of digital vibration signals collected at equal angles during the period of the constant K is N K = M × K.

이와 같이 정수 배의 주기동안 수집된 진동신호를 이용하여 기존의 푸리에(Fourier) 변환[Fourier transform, (User’s Guide for Signal Processing Toolbox, Mathworks Co., 1996; J.S. Bendat and A.G. Piersol, Random Data: Analysis and Measurement Procedures, John Wiley & Sons, Newyork:USA, 1986)]을 적용하면 (M×K)/2+1 개의 주파수 성분 즉 {(k/(M×K))×f0; k = 0,1,2,3, … , (M×K)/2}에 해당되는 주파수 성분을 얻게 된다. 따라서 정수 K 주기 주기동안 수집된 진동신호로부터 M/2-1 개의 상위 조화성분(higher harmonic components) 즉 {k×f0 : k = 2, 3, … , M/2}의 주파수 성분 뿐만 아니라 K-1개의 하위 조화성분(sub-harmonic components) 즉 분수 배의 가진 주파수 성분 {(k/K)×f0 : k = 1, 2, … , (K-1)} 또한 측정할 수 있다. 따라서 정밀 스펙트럼 분석을 이용하면 가진 주파수 f0 [Hz] 성분과 더불어 하위 및 상위 조화성분에 해당되는 총 K+M/2-1개의 주파수 성분을 이용하여 피 교정 진동센서의 주파수 특성을 종합적으로 분석할 수 있다. Fourier transform, (User's Guide for Signal Processing Toolbox, Mathworks Co., 1996; JS Bendat and AG Piersol, Random Data: Analysis and Measurement Procedures, John Wiley & Sons, Newyork: USA, 1986)] applies (M × K) / 2 + 1 frequency components, i.e. {(k / (M × K)) × f 0 ; k = 0, 1, 2, 3,... , (M × K) / 2}. Therefore, M / 2-1 higher harmonic components, i.e., {k × f 0 : k = 2, 3,... , M / 2} as well as the K-1 sub-harmonic components, i.e., the frequency component {(k / K) × f 0 : k = 1, 2,... , (K-1)} can also be measured. Therefore, the precision spectrum analysis comprehensively analyzes the frequency characteristics of the calibrated vibration sensor using the frequency f 0 [Hz] component and the total K + M / 2-1 frequency components corresponding to the lower and upper harmonic components. can do.

가진 주파수 성분과 하위 및 상위 조화성분에 각각 대응되는 cosine 성분을 Ck라 하고 sine 성분을 Sk라 하면 다음과 같이 푸리에(Fourier) 변환으로부터 이들 cosine 및 sine 성분을 각각 계산할 수 있다.If the cosine components corresponding to the excitation frequency components and the lower and upper harmonic components are C k and the sine component is S k , these cosine and sine components can be calculated from the Fourier transform as follows.

Figure 112005025434164-pat00001
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여기서, 아래 첨자 k는 가진 주파수 성분과 더불어 하위 및 상위 조화성분들에 대한 색인을 나타내며 각각 대응되는 주파수는 {k×f0 : k = 1/K, 2/K, … , (K-1)/K, 1, 2, … , M/2}이다.Here, the subscript k denotes the indices for the lower and upper harmonic components in addition to the excitation frequency components, and the corresponding frequencies are {k × f 0 : k = 1 / K, 2 / K,... , (K-1) / K, 1, 2,... , M / 2}.

등 각도에 따라 정수 K 주기 동안 수집된 디지털 진동신호 {xn; n = 1, 2, … , M×K} 들은 교정용 진동센서의 센서와 신호 증폭기의 전기적 잡음 신호를 포함하고 있을 뿐 아니라 아날로그 신호의 디지털 변환 과정의 이산화 오차 (quantization error) 또한 수반하고 있다. 이들 전기적 잡음과 이산화 오차 성분들은 가진 주파수와 하위 및 상위 조화성분의 cosine 및 sine 성분 {Ck, Sk : k = 1/K, 2/K, … , (K-1)/K, 1, 2, … , M/2} 추정에 영향을 미치기 때문에 추정된cosine 및 sine 성분들의 통계적 특성분석이 반드시 수행되어야 한다. Digital vibration signal collected during constant K periods depending on the equiangular angle {x n ; n = 1, 2,... , M × K} include not only the sensor of the calibration vibration sensor and the electrical noise signal of the signal amplifier, but also the quantization error of the digital conversion process of the analog signal. These electrical noise and discretization error components have cosine and sine components of frequency and lower and upper harmonic components {C k , S k : k = 1 / K, 2 / K,. , (K-1) / K, 1, 2,... In this case, statistical characterization of the estimated cosine and sine components must be performed.

우선, 등 각도에 따른 정수 K 주기 동안 수집된 디지털 진동신호를 여러 번 반복 수집하여 얻어진 각각의 cosine 및 sine 성분들의 추정치들을 구한다. 디지털 진동신호의 반복 수집 횟수를 J라 하면 매 수집횟수 별 cosine 및 sine 성분들의 추정치 {Ck(j), Sk(j) : k = 1/K, 2/K, … , (K-1)/K, 1, 2, … , M/2; j = 1, 2, … , J}을 이용하여 평균값, 표준 편차, 그리고 정규표준오차(normalized standard error)를 계산한다.First, the estimates of the cosine and sine components, respectively, are obtained by repeatedly collecting the digital vibration signal collected during the constant K period according to the equiangular angle. If the number of repetitive collections of the digital vibration signal is J, an estimate of cosine and sine components for each collection number {C k (j), S k (j): k = 1 / K, 2 / K,. , (K-1) / K, 1, 2,... , M / 2; j = 1, 2,... , J} to calculate the mean value, standard deviation, and normalized standard error.

Figure 112005025434164-pat00002
Figure 112005025434164-pat00002

위 식에서 j는 반복 수집 회수의 색인을 나타내며, 기호 μ, σ, 및 ε은 반복하여 얻어진 cosine 및 sine 성분들의 평균값, 표준편차 그리고 정규표준오차를 각각 나타낸다. Where j represents the index of the number of repeated collections, and the symbols μ, σ, and ε represent the mean, standard deviation and normal standard error of the cosine and sine components obtained repeatedly.

한편, 위 식에 있어서의 정규표준오차(ε)는 추정된 cosine 및 sine 성분들의 통계적 특성 분석[J.S. Bendat and A.G. Piersol, Random Data: Analysis and Measurement Procedures, John Wiley & Sons, Newyork:USA, 1986] 뿐 아니라 가진 주파수와 하위 및 상위 조화성분에 해당되는 진동 진폭 및 위상 측정에 대한 불확 도 평가에 직접 활용된다. On the other hand, the normal standard error (ε) in the above equation is a statistical characteristic analysis of the estimated cosine and sine components [J.S. Bendat and A.G. Piersol, Random Data: Analysis and Measurement Procedures, John Wiley & Sons, Newyork: USA, 1986], as well as directly assessing the uncertainty of vibration amplitude and phase measurements for the frequencies and lower and upper harmonics that have excitation.

그리고, 가진 주파수 뿐 아니라 하위 및 상위 조화 성분들의 주파수 {k×f0 : k = 1/K, 2/K, … , (K-1)/K, 1, 2, … , M/2}에 해당되는 cosine 및 sine 성분들의 평균값(μ)으로부터 아래와 같이 진동 진폭과 위상 측정치를 환산한다. And, the frequencies of the lower and upper harmonic components as well as the excitation frequency {k × f 0 : k = 1 / K, 2 / K,... , (K-1) / K, 1, 2,... From the mean value of cosine and sine components (μ) corresponding to, M / 2}, convert the vibration amplitude and phase measurements as follows.

Figure 112005025434164-pat00003
Figure 112005025434164-pat00003

위 식에서 k는 가진 주파수 뿐 아니라 하위 및 상위 조화 성분들의 주파수에 대한 색인이며, Arctan 함수는 평균 cosine 및 sine 성분을 이용하여 위상을 계산하기 위한 tangent 역함수(arc-tangent)를 나타낸다. 위 식에서 가진 주파수에 해당되는 진폭 Ak 제곱은 cosine과 sine 성분의 제곱 합으로 표시되므로, 앞서의 정규표준오차 값이 적을 경우 진동진폭 추정은 chi-square 분포 통계특성에 따라 측정오차의 통계적 해석이 가능하다. Where k is the index of the frequencies of the lower and upper harmonic components as well as the excited frequencies, and the Arctan function represents the tangent arc-tangent for calculating the phase using the mean cosine and sine components. Since the amplitude A k square corresponding to the frequency in the above equation is expressed as the sum of the squares of the cosine and sine components, the vibration amplitude estimation is estimated according to the chi-square distribution statistical characteristics when the normal normal error value is small. It is possible.

결국, 본 발명은, 정수 K의 주기 동안 등 각도에 따라 수집된 디지털 진동신호로부터 푸리에(Fourier) 변환을 이용하여 가진 주파수 뿐 아니라 하위 및 상위 조화 성분들의 주파수에 대응되는 cosine 및 sine 성분을 추정하고, 이러한 추정을 여러 번 반복하여 얻어지는 cosine 및 sine 성분들의 평균값을 환산하며, 환산된 cosine 및 sine 성분의 평균값으로부터 진동진폭과 위상을 측정하는 방법을 제안하고 있다. 그리고 반복하여 수집된 디지털 진동신호로부터 얻어지는 가진 주파수 성분의 cosine 및 sine 성분들을 이용하여 정규표준오차를 환산하고 환산된 정규표준오차가 적을 경우 (일예로서 0.05 이하일 경우) 가진 주파수 성분의 진동진폭 측정값에 대하여 chi-square 분포를 이용한 최종 신뢰성 검증 즉 측정 불확도 평가를 수행한다.As a result, the present invention estimates cosine and sine components corresponding to frequencies of lower and upper harmonic components as well as frequencies with Fourier transform from digital vibration signals collected according to isoangles during the period of integer K. In this paper, a method of measuring the vibration amplitude and phase from the average value of the cosine and sine components obtained by converting the average of cosine and sine components obtained by repeating this estimation several times is proposed. The vibration amplitude measurement value of the excitation frequency component is obtained when the normalized standard error is converted using the cosine and sine components of the excitation frequency component obtained from the repeatedly collected digital vibration signal, and the converted normal standard error is small (for example, 0.05 or less). The final reliability verification using the chi-square distribution, i.e. the measurement uncertainty evaluation, is performed.

아울러, 본 발명에서는 측정결과의 신뢰성 향상을 위하여 측정결과의 신뢰성 검정에 추가적으로 측정된 진폭 Ak로부터 디지털 변환단계의 유효 비트 분해능(effective bit resolution)을 검토하는 방법을 제공하며, 이를 진폭과 위상 측정결과의 '1차 신뢰성 검정단계'라고 한다. 상기 신뢰성 검정단계는 등 각도에 따라 정수 K 주기 동안 수집된 디지털 진동신호 {xn; n = 1, 2, … , M×K}의 푸리에(Fourier) 변환 결과인 cosine 및 sine 성분으로부터 직접 수행하기 때문에 앞서 설명한 진폭과 위상 최종 측정치의 신뢰성 검정단계보다 앞서 수행된다. In addition, the present invention provides a method for examining the effective bit resolution of the digital conversion step from the amplitude A k measured in addition to the reliability test of the measurement result in order to improve the reliability of the measurement result, and the amplitude and phase measurement This is called the 'first-order reliability test step'. The reliability verification step includes the digital vibration signal {x n ; n = 1, 2,... , MxK} is performed directly from the cosine and sine components of the Fourier transform result, which is performed before the reliability verification of the amplitude and phase final measurements described above.

가진 주파수에 대응되는 cosine 및 sine 성분 값{Ck, Sk : k = 1}의 전압 값 {VC,k, VS,k : k = 1}을 이용하여 다음과 같이 유효 비트 분해능 Rk를 계산한다.Effective bit resolution R k as follows using voltage values {V C, k , V S, k : k = 1} of cosine and sine component values {C k , S k : k = 1} corresponding to excitation frequencies Calculate

Figure 112005025434164-pat00004
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위 식에서 RAD는 진동신호 수집에 사용된 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital converter)의 비트(bit) 수이며, FV는 아날로그-디지털 변환기의 설정 입력전압(full-scale input voltage)을 나타낸다. 예를 들어 10V의 설정 입력전압을 갖는 16-비트(bit) 아날로그-디지털 변환기에 1V의 진동진폭 신호가 입력되면 유효 비트 분해능 Rk는 12.67 비트(bit)[Rk = 16 + log2(0.1)]이 된다. 즉 16-비트(bit) 아날로그-디지털 변환기를 사용하였다 하더라도 12-bit 아날로그-디지털 변환기보다 개선된 유효 비트 분해능만을 얻을 수 있다는 점이다. Where R AD is the number of bits of the analog-to-digital converter used to collect the vibration signal, and F V is the full-scale input voltage of the analog-to-digital converter. Indicates. For example, if a 1 V oscillation amplitude signal is input to a 16-bit analog-to-digital converter with a set input voltage of 10 V, the effective bit resolution R k is 12.67 bits [R k = 16 + log 2 (0.1). )]. That is, even if a 16-bit analog-to-digital converter is used, only the effective bit resolution improved over the 12-bit analog-to-digital converter can be obtained.

이러한 유효 비트 분해능이 사실 측정하는 진동신호의 진폭과 위상 측정에 직접 영향을 미치는 인자이다. 그리고 한 주기를 등각도로 나누는 분할 수 M 또한 진동신호의 진폭과 위상 측정에 영향을 미친다는 점이다. This effective bit resolution is a factor that directly affects the amplitude and phase measurements of the vibration signal. In addition, the number of divisions M dividing one period by an equal angle also affects the amplitude and phase measurement of the vibration signal.

따라서, 실제 진폭 측정에 이용된 실제 유효 비트 분해능과, 한 주기를 등각도로 나누는 분할 수가 함께 진폭과 위상 추정에 미치는 영향을 설명하기로 한다. Therefore, the effect of the actual effective bit resolution used for the actual amplitude measurement and the number of divisions that divide one period into equal angles together will be described in the amplitude and phase estimation.

도 5는 전기적 잡음이 없는 이상적 조건 하에서 주기 분할 수(M)와 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 따른 진폭 추정 오차의 특성을 도시한 그래프이며, 도 6은 전기적 잡음이 없는 이상적 조건 하에서 주기 분할 수(M)와 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 따른 위상 추정 오차의 특성을 도시한 그래프를 나타낸다. 5 is a graph showing the characteristics of the amplitude estimation error according to the period division number (M) and the resolution of the analog-to-digital converter under ideal conditions without electrical noise, and FIG. M) and a graph showing the characteristics of the phase estimation error according to the resolution of the analog-digital converter.

즉, 도 5과 도 6은 전기적 잡음이 없는 이상적인 주기 신호가 아날로그-디지털 변환기의 설정 입력전압(full-scale input voltage)의 100 %로 입력될 때, 즉 상기 식 (4)에서 설정 입력전압과 cosine 및 sine 성분의 전압 값의 관계가 Fv 2 = VC,k 2 + VS,k 2일 때 주기에 대한 등 각도로 분할 수 M와 아날로그-디지털 변환기 분해능(quantization resolution) 즉 비트(bit) 수에 따라 주기함수의 진폭과 위상의 상대적 추정오차(estimation error)를 각각 보이고 있다. That is, FIGS. 5 and 6 show that when the ideal periodic signal without electrical noise is input at 100% of the full-scale input voltage of the analog-to-digital converter, that is, the set input voltage in Equation (4). When the relationship between the voltage values of the cosine and sine components is F v 2 = V C, k 2 + V S, k 2 , the division number M and the resolution of the analog-to-digital converter, i.e., bit ) Shows the relative estimation errors of the amplitude and phase of the periodic function, respectively.

상기 도 5 및 도 6의 결과는 초기 위상이 0 ~ 360° 범위에서 균일하게 분포하는 2,000 종류의 주기함수를 이용하여 진폭과 위상의 추정 오차 해석 결과를 보이고 있다. The results of FIGS. 5 and 6 show an estimation error analysis result of amplitude and phase using 2,000 kinds of periodic functions whose initial phase is uniformly distributed in the range of 0 to 360 °.

먼저, 진폭 추정 오차에 있어서 상기 도 5에서 확인되는 바와 같이, 아날로그-디지털 변환기 분해능인 비트수가 5 혹은 6인 경우 0.1% 이하의 진폭 추정 오차를 얻을 수가 없다는 점이 확인되었다. 비트 수가 7인 경우 주기 분할 수 M = 160이상에서, 그리고 비트 수가 8 인 경우 주기 분할 수 M = 30 이상에서 각각 0.1 %의 진폭 추정오차를 얻을 수 있다는 점이 확인되었다. 그리고 비트 수가 8 인 경우 주기 분할 수 M = 100으로 증가할 경우 0.05 %의 진폭 추정오차를 개선할 수 있다는 점이 또한 확인되었다. 비트 수가 9인 경우 주기 분할 수 M = 20 이상에서 그리고 비트 수가 10 인 경우 주기 분할 수 M = 10 이상에서만 0.05 % 정도의 진폭 추정오차를 줄일 수 있게 된다. 주기 분할 수 M = 10인 경우 일지라도 비트 수를 11 혹은 12로 증가할 경우 진폭 추정오차는 0.02 %와 0.01 %로 각각 개선할 수 있다는 점이 상기 그래프의 결과에서 확인되었다. First, as shown in FIG. 5 in the amplitude estimation error, it was confirmed that an amplitude estimation error of 0.1% or less cannot be obtained when the number of bits, which are analog-digital converter resolutions, is 5 or 6. When the number of bits is 7, it is confirmed that an amplitude estimation error of 0.1% can be obtained at the period division number M = 160 or more, and when the number of bits is 8, the period division number M = 30 or more. It was also confirmed that when the number of bits is 8, the amplitude estimation error of 0.05% can be improved by increasing the period division number M = 100. When the number of bits is 9, the amplitude estimation error of about 0.05% can be reduced only when the period division number M = 20 or more and when the number of bits is 10, the period division number M = 10 or more. Even in the case of the period division number M = 10, it was confirmed from the graph results that the amplitude estimation error could be improved to 0.02% and 0.01%, respectively, when the number of bits was increased to 11 or 12.

다음, 위상 추정 오차에 대한 분석결과로는 도 6에서 확인되는 바와 같이, 비트 수가 5 인 경우 주기 분할 수 M = 400 이상에서 0.1° 정도의 추정오차를 얻을 수 있으며 비트 수가 6 인 경우 주기 분할 수 M = 120 이상에서 0.1° 정도의 추정오차를 얻게 된다는 점이 확인되었다. 비트 수가 7 인 경우 주기 분할 수 M = 50 이상에서 0.1° 정도의 추정오차를 얻을 수 있으며 주기 분할 수 M = 500으로 증가할 경우 위상추정오차는 0.05° 수준으로 줄일 수 있다. 비트 수가 8 인 경우 주기 분할 수 M = 10에서 0.1° 이하의 추정오차를 얻을 수 있으며 주기 분할 수 M = 40 이상으로 증가하면 0.05° 수준으로 줄일 수 있다는 점이 확인되었다. 그리고 비트 수를 9, 10, 11로 증가할 경우 주기 분할 수 M = 10에서 각각 0.04°, 0.02°, 그리고 0.01° 수준의 추정오차를 얻을 수 있다는 점이 확인되었다. Next, as an analysis result of the phase estimation error, as shown in FIG. 6, when the number of bits is 5, an estimated error of about 0.1 ° may be obtained when the number of period divisions M = 400 or more, and when the number of bits is 6, the period division number It was confirmed that an estimated error of about 0.1 ° was obtained above M = 120. If the number of bits is 7, an estimated error of about 0.1 ° can be obtained when the number of period divisions M = 50 or more. If the number of period divisions M = 500 increases, the phase estimation error can be reduced to 0.05 °. When the number of bits is 8, it is confirmed that the estimated error of 0.1 ° or less can be obtained at the period division number M = 10, and can be reduced to 0.05 ° when increasing to the period division number M = 40 or more. In addition, when the number of bits is increased to 9, 10, and 11, it is confirmed that estimated errors of 0.04 °, 0.02 °, and 0.01 ° can be obtained at the period division number M = 10, respectively.

이러한 사실들은 아날로그-디지털 변환기의 분해능과 주기 분할 수(M)의 적절한 선정을 통하여 진동 진폭과 위상 추정오차를 줄일 수 있음을 알 수 있다. These facts show that the vibration amplitude and phase estimation error can be reduced by properly selecting the resolution of the analog-to-digital converter and the period division number (M).

3. 실시예3. Example

본 실시예에서는 앞서 소개한 진동진폭 등각도 신호수집 기법(EASM, Equi- Angle Sampling Method)을 이용하여 얻어진 실험결과를 소개한다. This embodiment introduces the experimental results obtained using the Equi-Angle Angle Sampling Method (EASM).

한편, 도 7 (a)는 10 Hz 이하의 대 진폭 회전진동을 발생하는 저주파용 가진기를 그리고 도 7 (b)는 10 Hz 이상의 고주파를 발생하는 가진기를 각각 보이고 있다[정완섭, 이용봉, 이두희, “회전진동교정장치 구현을 위한 고정밀 측정기법에 대한 연구,” 한국소음진동공학회 추계학술대회 논문집, ISSN 1598-2548, 685-688, 2004].On the other hand, Fig. 7 (a) shows a low frequency excitation generator for generating a large amplitude rotational vibration of less than 10 Hz and Fig. 7 (b) shows an excitation generator for generating a high frequency of 10 Hz or more [Chang Wan-seop, Lee Yong-bong, Lee Doo-hee, " A Study on the High Precision Measuring Technique for the Implementation of the Rotation Vibration Correction System, ”Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference, ISSN 1598-2548, 685-688, 2004].

저주파 가진기는 상용화된 고 정밀 서보 모터를 채택하여 제작비용의 최소화와 더불어 기존의 제어기술을 활용하였으며, 고주파용 가진기는 회전력(Rolentz force)을 발생하기 위한 전자기부와 회전운동시 발생하는 마찰력을 최소화하기 위한 공기 베어링을 특수 제작 사용하였다. 이러한 두 장치에 대한 특성은 이미 국내학술대회 논문[정완섭, 이용봉, 이두희, “회전진동교정장치 구현을 위한 고정밀 측정기법에 대한 연구,” 한국소음진동공학회 추계학술대회 논문집, ISSN 1598-2548, 685-688, 2004]으로 이미 소개하였다. The low frequency exciter adopts a commercially available high precision servo motor to minimize the manufacturing cost and utilizes the existing control technology.The high frequency exciter minimizes the frictional force generated during the rotary motion and the electromagnetic part to generate the rotating force. Specially designed air bearings were used. The characteristics of these two devices have already been discussed in Korean academic conferences [Jung Wan-seop, Yong-bong Lee, Doo-hee Lee, “A Study on the High-precision Measuring Technique for Implementing the Rotation Vibration Calibration Device,” Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference, ISSN 1598-2548, 685 -688, 2004].

도 8은 등각도 진동진폭 신호수집 기법을 이용하여 회전진동 진폭을 정밀하게 측정하기 위하여 구축한 측정장치를 보이고 있다. FIG. 8 shows a measuring device constructed to precisely measure rotational vibration amplitude using an isometric vibration amplitude signal collection technique.

우선, 회전 가진기에서 발생하는 주기적 진동신호의 개괄적 특성을 분석하기 위하여 회전진동 센서(ATA Dyna-ILC)와 주파수 분석기(HP 35660A)를 각각 이용하였다. First, the rotational vibration sensor (ATA Dyna-ILC) and the frequency analyzer (HP 35660A) were used to analyze the general characteristics of the periodic vibration signal generated by the rotational exciter.

도 8의 점선으로 표시된 부분이 회전각 측정장치의 핵심요소로, 이는 진동 회전 엔코더(encoder) 출력신호의 셰이핑(shaping) 회로부와 가진 주파수별 등각도 신호수집(equi-angle sampling, EAS) 장치로 구성되어 있다. 회전각 측정은 회전 엔코더(encoder)의 출력 신호인 직교(quadratic) 신호 A의 포지티브-고잉(positive-going) 조건과 네가티브-고잉(negative-going) 조건, 그리고 직교(quadratic) 신호 B의 포지티브-고잉(positive-going) 조건과 네가티브-고잉(negative-going) 조건에서 각각의 펄스를 발생하는 회로를 추가함으로써, 두 직교(quadratic) 신호 A와 B {φA, φB}의 상태 변환 펄스를 함께 셀 수 있는 전자회로를 추가하였다. 이러한 펄스 발생 회로를 펄스 “셰이핑 회로(shaping circuit)"라 하며 본 회로의 출력 신호는 도 8에 도시된 바와 같이 범용 카운터(HP 53131A)로 입력된다. 이러한 회전 엔코더(encoder) 신호의 셰이핑 회로를 개발하여 회전 엔코더(encoder)의 최대 회전각 분해능인 1.333μrad(4,712,388 pulses/revolution)를 구현할 수 있게 하였다. A dotted line in FIG. 8 is a key element of the rotation angle measuring device, which is a frequency-equal equi-angle sampling (EAS) device having a shaping circuit portion of an oscillating rotation encoder output signal. Consists of. Rotation angle measurements are made for the positive-going and negative-going conditions of quadrature signal A, the output signal of the rotary encoder, and the positive- for quadrature signal B. By adding a circuit that generates separate pulses in positive-going and negative-going conditions, we can change the state transition pulses of two quadratic signals A and B {φ A , φ B } We added an electronic circuit that can be counted together. This pulse generating circuit is called a pulse “shaping circuit” and the output signal of this circuit is input to a general purpose counter HP 53131A as shown in Fig. 8. This shaping circuit of the rotary encoder signal is It was developed to realize 1.333μrad (4,712,388 pulses / revolution), which is the maximum rotation angle resolution of rotary encoder.

앞서 살펴본 바와 같이, 기존의 진동진폭 측정방법[ISO 16062-11, Methods for the calibration of vibration and shock transducers - Part 11: Primary vibration calibration by laser interferometry, International Organization for Standards, 1999; A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000; User’s Guide for Signal Processing Toolbox, Mathworks Co., 1996]은 일정한 시간동안 레이저 간섭계(laser interferometer)의 광 검출기 출력의 펄스 수를 세는 방법(fringe-counting method)을 사용하고 있었다. 이와 같이, 종래에 있어서는, 펄스 수를 세는 방법(fringe-counting method)의 이상적 측정 불확도 표준오차 2ΔΦ{ΔΦ: 엔코더 분해능, rad/pulse}보다 매우 큰 값들이 관측되었다. As previously discussed, conventional methods for measuring vibration amplitude [ISO 16062-11, Methods for the calibration of vibration and shock transducers-Part 11: Primary vibration calibration by laser interferometry, International Organization for Standards, 1999; A. Link and H.-J. von Martens, "Amplitude and phase measurement of sinusoidal vibration in the nanometer range using laser interferomrtry," Measurement, 24, pp 55-67, 1998; H.-J. von Martens, "Current state and trends of ensuring traceability for vibration and shock measurements," Metrologia, 36, pp 267-373, 1999; H.-J. von Martens, et al, "Traceability of vibration and chock measurements by laser interferometry," Measurement, 28, pp. 3-20, 2000; User's Guide for Signal Processing Toolbox, Mathworks Co., 1996] used a fringe-counting method for the pulse of the light detector output of a laser interferometer for a certain period of time. Thus, in the prior art, much larger values than the ideal measurement uncertainty standard error 2ΔΦ {ΔΦ: encoder resolution, rad / pulse} of the fringe-counting method have been observed.

이러한 문제를 체계적으로 접근하기 위하여 한 주기 동안의 진폭의 변화를 세분화하여 측정하는 방법을 고안하였으며 한 주기를 수백 혹은 수천 등분하여 각각의 시간에 대응되는 회전각을 측정하는 방법을 시도하였다. 이러한 방법이 앞서 기술한 진동진폭의 등각도 신호수집 기법(EASM, Equi-Angle Sampling Method)이다.In order to approach this problem systematically, we devised a method of subdividing and measuring the change in amplitude over a period, and attempted to measure the rotation angle corresponding to each time by dividing the period by hundreds or thousands. This method is the Equi-Angle Sampling Method (EASM) of the vibration amplitude described above.

도 8에 도시된 바와 같이 교정 진동 주파수 f [Hz]를 갖는 가진기 구동신호는, 시간 안정화 기능을 갖는 제1 신호발생기(signal generator 1: HP33120A, 시간 안전도 1.0 ppm)에 의하여 가진기(exciter)로 공급되며, 그리고 제1 신호발생기의 동기 신호(synchronizing clock)는 등각도 신호수집 주파수 M×f [Hz](M = 등각도 분할 수)를 발생하는 장치 즉 제2 신호발생기(signal generator 2: HP33120A, 시간 안전도 1.0 ppm)에 위상동기를 위하여 공급된다. As shown in FIG. 8, the exciter drive signal having the calibration vibration frequency f [Hz] is exciter by a first signal generator having a time stabilization function (signal generator 1: HP33120A, time safety 1.0 ppm). And a synchronizing clock of the first signal generator is a device that generates an isometric signal acquisition frequency M × f [Hz] (M = isometric partition number), that is, a second signal generator (signal generator 2). : HP33120A, time safety 1.0 ppm) for phase synchronization.

가진기 구동신호와 동기된 주파수 M×f [Hz]를 갖는 수집신호(sampling clock)는 회전각 측정장치(counter/timer: NI-PCI 6602)의 외부 수집신호 시간(external sampling clock) 신호에 입력되어 교정 주파수별 등각도 신호수집을 구 현하였다. 본 실시예에서 구축한 회전각 측정 장치로서, 80 MHz의 속도와 32-비트의 레지스터 용량을 갖는 카운터(NI, model PCI-6602)를 사용하였다. A sampling clock with frequency M × f [Hz] synchronized with the exciter drive signal is input to an external sampling clock signal from a counter / timer (NI-PCI 6602). Therefore, the isometric signal collection for each calibration frequency was implemented. As the rotation angle measuring device constructed in this embodiment, a counter (NI, model PCI-6602) having a speed of 80 MHz and a register capacity of 32-bit was used.

회전각 측정용 32-비트 카운터에 엔코더의 A상 B상 신호를 직접 입력하며, A상 B상 신호를 이용하여 4 배의 분해능을 제공하는 신호 셰이핑 기능(shaping function) 회로를 제작하여, 회전 각 측정용 엔코더의 최대 회전각 분해능인 1.333 μrad을 얻을 수 있도록 하였다. Directly inputs the A-phase B-phase signal of the encoder to the 32-bit counter for rotation angle measurement, and manufactures a signal shaping function circuit that provides four times the resolution using the A-phase B-phase signal. The maximum rotation angle resolution of 1.333 μrad of the measuring encoder was obtained.

엔코더(encoder)의 A상과 B상 신호의 상대적 위상정보로부터 변위의 정 방향과 역 방향을 구분하여, 정 방향일 경우 입력 펄스 당 증가-카운트(up-counting)를, 반대로 역 방향일 경우는 감소-카운트(down-counting)를 수행한다. 32-비트의 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용은 매 등각도 수집(equi-angle sampling) 주기마다 보조 메모리(FIFO)에 저장되어지며, 보조 메모리의 내용은 PCI-버스(bus)를 통하여 실시간으로 컴퓨터로 전송된다. 이러한 회전각 측정을 수행하는 프로그램은 NI사의 LABVIEW software를 이용하여 작성하였다.Distinguish the positive and reverse direction of the displacement from the relative phase information of the A-phase and B-phase signals of the encoder. Perform down-counting. The contents of the 32-bit up / down counter are stored in auxiliary memory (FIFO) at every equi-angle sampling cycle, and the contents of the auxiliary memory are stored on the PCI bus. Is transmitted to the computer in real time. The program to perform the rotation angle measurement was written using NI's LABVIEW software.

회전 진동 교정업무에서 가장 중요한 업무가 진동진폭의 정밀 측정이다. 본 실시예에서는 회전 진동 진폭 측정은 엔코더(encoder)의 펄스(A상 혹은 B상)의 신호를 누적 카운트하는 프린지-카운팅(fringe-counting) 방법과 새로이 고안한 등각도 수집(equi-angle sampling) 기법을 이용하여 회전각 측정을 시도하였다. 표 1은 한 주기동안 측정된 진폭과 표준편차로서, 저주파 교정용 가진기를 이용하여 20회 수행한 회전각의 평균 펄스 수를 주파수 대역별 측정된 평균값과 표준편차를 나 타내고 있으며, 각도분해능 ΔΦ은 1.333 μrad이며 괄호 안의 값은 상대적 표준편차를 의미한다.The most important task in the rotary vibration calibration is the precise measurement of vibration amplitude. In this embodiment, the rotation vibration amplitude measurement is a fringe-counting method that accumulatively counts signals of an encoder pulse (A phase or B phase) and a newly devised equi-angle sampling method. The rotation angle measurement was attempted using the technique. Table 1 shows the measured amplitude and standard deviation for one cycle.The average pulse number of the rotation angles performed 20 times using the low frequency calibrator is shown as the average value and standard deviation measured for each frequency band. Is 1.333 μrad and the values in parentheses indicate the relative standard deviation.

Figure 112005025434164-pat00005
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상기 표 1에 나타난 바와 같이 프린지-카운팅(fringe-counting) 방법에 의한 측정 각도의 표준편차(standard deviation)가 모든 주파수에서 이상적 진폭측정 표준오차 2ΔΦ를 초과하고 있다는 점이 확인되었다. As shown in Table 1, it was confirmed that the standard deviation of the measurement angle by the fringe-counting method exceeds the ideal amplitude measurement standard error 2ΔΦ at all frequencies.

한편, 등각도 신호 수집기법(equi-angle sampling method)을 이용하여 얻어진 회전진동의 진폭 추정 결과 또한 표 1 우측부분에 제시되어 있다. 이들 결과에서 확인되듯이 10 Hz 이하의 회전 진동에 대하여 얻어진 표준편차는 이상적 진폭측정 표준오차 2ΔΦ (2 펄스)에 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 한편, 12.5 [Hz]와 16 [Hz]에서 증가된 표준편차는 저주파 가진기의 고조파 왜곡(harmonic distortion)에 의하여 유발되었으며 이는 금번 가진기 제어장치의 응답특성이 10 [Hz]이상에서 성능저하로 인하여 유발됨이 확인되었다. On the other hand, the amplitude estimation result of rotational vibration obtained by using the equi-angle sampling method is also shown in the right part of Table 1. As can be seen from these results, the standard deviation obtained for rotational vibrations of 10 Hz or less was close to the ideal amplitude measurement standard error 2ΔΦ (2 pulses). On the other hand, the increased standard deviation at 12.5 [Hz] and 16 [Hz] was caused by the harmonic distortion of the low frequency exciter. It was confirmed that caused.

표 1에 기재된 진폭측정 값은 각도 분해능(ΔΦ = 1.333 μrad)의 배수 즉 분해능의 개수로 측정된다. 이들 측정치를 등가 비트 수(Number of Equivalent Bits: “NEB”로 표기)로 환산하기 위하여, 다음과 같은 식으로 등가 비트 수를 환산할 수 있다. The amplitude measurement values described in Table 1 are measured in multiples of the angular resolution (ΔΦ = 1.333 μrad), i.e. the number of resolutions. In order to convert these measurements into the number of equivalent bits (denoted as "NEB"), the equivalent number of bits can be converted as follows.

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위 식에서 Ak는 측정된 진폭 즉 각도 분해능의 개수이다. 상기 식(5)를 표 1의 평균 측정진폭 값에 적용하면 0.5 [Hz]에서 등가 비트 수는 19.9 비트, 10 [Hz]에서 등가 비트 수는 16.1 비트, 그리고 16 [Hz]에서 등가 비트 수는 15.1 비트로 확인되었다. 따라서 표 1에 보인 측정 결과는 최소한 15 비트의 분해능을 갖는 디지털 변환결과를 제공하고 있음을 확인하였으며, 이러한 측정결과는 진폭 측정오차가 0.01 % 이하의 고 정밀 구현이 가능함을 증명하고 있다. Where k is the number of measured amplitudes, or angular resolutions. Applying Equation (5) to the average measured amplitude values in Table 1, the number of equivalent bits is 19.9 bits at 0.5 [Hz], the number of equivalent bits is 16.1 bits at 10 [Hz], and the number of equivalent bits is 16 [Hz]. Verified with 15.1 bits. Therefore, it is confirmed that the measurement results shown in Table 1 provide the digital conversion results with the resolution of at least 15 bits, and these measurement results prove that the amplitude measurement error can be realized with high precision of 0.01% or less.

표 2는 도 7 (b)에 보인 고주파 회전진동 발생장치를 이용하여 20 Hz 이상의 고주파 회전진동 진폭 측정을 20회 수행한 회전각의 평균 펄스 수를 주파수 대역별 측정된 평균값과 표준편차를 나타내고 있다. 즉, 표 2는 고주파 영역에서 측정된 진동진폭의 추정치 비교에 관한 것으로서, 각도분해능 ΔΦ는 1.333 μrad이며, 괄호 안의 값은 상대적 표준편차를 나타낸다.Table 2 shows the average values and standard deviations measured for each frequency band of the average number of pulses of the rotation angle where 20 times of high frequency rotation vibration amplitude measurements are performed using the high frequency rotation vibration generator shown in FIG. 7 (b). . That is, Table 2 relates to the comparison of the estimates of the vibration amplitudes measured in the high frequency region, where the angular resolution ΔΦ is 1.333 μrad, and the values in parentheses indicate the relative standard deviations.

Figure 112005025434164-pat00007
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상대적으로 진폭의 크기가 적은 고주파 회전진동에 대하여도 등각도 신호수집 기법에 의한 회전진동의 진폭 추정치가 보다 낮은 표준편차를 제공함을 확인하였다. 특히, 100 Hz의 고주파에서 금번 제안한 등각도 수집기법의 진폭표준편차가 기존의 프린지-카운팅(fringe-counting) 방법의 결과보다 약 10 배 이상의 높은 측정 정밀도를 제공한다는 점을 확인할 수 있다. 이들 고주파 진동진폭 측정 값을 상기 식 (5)에 적용하면, 20 [Hz]에서 12.4 비트, 40 [Hz]에서 10.4 비트, 50 [Hz]에서 9.8 비트, 100 [Hz]에서 7.9 비트 수에 각각 대응된다. 주파수 대역별 등가 비트 수(NEB)가 8 ~ 12 비트 일지라도 실제 진폭 측정 표준편차는 0.1 % 보다 모두 높았다. 따라서 표준 편차를 0.1 % 이하로 낮추기 위하여는 현 고주파 가진기의 진동진폭을 증가해야 함을 확인할 수 있다. For high frequency rotational vibrations with relatively small amplitudes, it was confirmed that the amplitude estimates of the rotational vibrations by the isometric signal collection technique provided lower standard deviations. In particular, it can be seen that the amplitude standard deviation of the isometric collection method proposed at this high frequency of 100 Hz provides about 10 times higher measurement accuracy than the result of the conventional fringe-counting method. Applying these high frequency vibration amplitude measurements to Equation (5), 12.4 bits at 20 [Hz], 10.4 bits at 40 [Hz], 9.8 bits at 50 [Hz], and 7.9 bits at 100 [Hz], respectively. Corresponding. Although the number of equivalent bits (NEB) per frequency band was 8 to 12 bits, the actual standard deviation of the amplitude measurement was all higher than 0.1%. Therefore, it can be confirmed that the vibration amplitude of the current high frequency exciter should be increased to reduce the standard deviation to 0.1% or less.

본 발명에 의한 등각도 신호 수집 기법을 구현할 수 있는 3 종의 장치 구성, 즉 진동센서의 출력 신호 측정, 레이저 간섭계를 이용한 진동진폭 측정, 그리고 선형 혹은 회전 엔코더(encoder)를 이용한 진동진폭 측정을 위한 장치 구성 방법과, 또한, 이들 진동진폭의 등각도 측정장치 구성에서 얻어지는 측정진동 신호로부터 교정 주파수에 대응되는 진폭과 위상을 정밀하게 추정하는 방법에 의하면, 연산시간과 컴퓨터 메모리 부하를 감소시키면서 기존의 정밀 진동측정법인 프린지-카운팅(fringe-counting) 방법보다 개선된 측정 정밀도를 제공할 수 있는 효과를 창출할 수 있다. Three types of device configuration that can implement the isometric signal collection method according to the present invention, that is, for measuring the output signal of the vibration sensor, vibration amplitude measurement using a laser interferometer, and vibration amplitude measurement using a linear or rotary encoder (encoder) According to the apparatus configuration method and the method of accurately estimating the amplitude and phase corresponding to the calibration frequency from the measurement vibration signal obtained in the isometric measurement device configuration of these vibration amplitudes, it is possible to reduce the computation time and the computer memory load. It can create an effect that can provide improved measurement accuracy than the fringe-counting method, which is a precision vibration measurement method.

Claims (12)

아날로그-디지털 변환기를 이용한 피교정 센서출력신호의 등각도 신호 수집장치에 있어서,In the isometric signal collection device of the sensor output signal to be calibrated using an analog-to-digital converter, 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하는 주 함수발생기;A main function generator for outputting an exciter driving signal having an oscillation frequency f 0 for supplying to the exciter and a phase synchronizing synchronization signal in phase with the exciter driving signal; 상기 위상동기용 동기신호가 입력되고, 이 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하는 보조 함수발생기; 및The phase synchronizing synchronization signal is input, and in order to synchronize the phase with the synchronizing signal, an equal angle collection having a frequency of M × f 0 is obtained by dividing phase 360 ° of one period of the frequency of the excitation drive signal at equal intervals by M. An auxiliary function generator for outputting a control signal; And 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 디지털 변환을 구현하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 외부 트리거 입력신호로 이용하는 고 정밀 아날로그-디지털 변환기;A high precision analog-to-digital converter that implements digital conversion according to an isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator and uses a phase synchronization synchronization signal of the main function generator as an external trigger input signal; 를 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치.Isometric signal acquisition device for precise measurement of the amplitude and phase components comprising a. 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집장치에 있어서,In the isometric signal collection device of vibration displacement signal using a laser interferometer, 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하는 주 함수발생기;A main function generator for outputting an exciter driving signal having an oscillation frequency f 0 for supplying to the exciter and a phase synchronizing synchronization signal in phase with the exciter driving signal; 상기 위상동기용 동기신호가 입력되고, 이 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하는 보조 함수발생기; 및The phase synchronizing synchronization signal is input, and in order to synchronize the phase with the synchronizing signal, an equal angle collection having a frequency of M × f 0 is obtained by dividing phase 360 ° of one period of the frequency of the excitation drive signal at equal intervals by M. An auxiliary function generator for outputting a control signal; And 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 외부 트리거 입력신호로 이용하는 레이저 간섭계 변위 측정용 보드;According to the isometric collection control signal of the auxiliary function generator, the contents of the up / down counter are stored in the position information register, and the laser using the phase synchronization synchronization signal of the main function generator as an external trigger input signal. Interferometer displacement measuring board; 를 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치.Isometric signal acquisition device for precise measurement of the amplitude and phase components comprising a. 엔코더를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집장치에 있어서,In the isometric signal collecting device of vibration displacement signal using an encoder, 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하는 주 함수발생기;A main function generator for outputting an exciter driving signal having an oscillation frequency f 0 for supplying to the exciter and a phase synchronizing synchronization signal in phase with the exciter driving signal; 상기 위상동기용 동기신호가 입력되고, 이 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하는 보조 함수발생기; 및The phase synchronizing synchronization signal is input, and in order to synchronize the phase with the synchronizing signal, an equal angle collection having a frequency of M × f 0 is obtained by dividing phase 360 ° of one period of the frequency of the excitation drive signal at equal intervals by M. An auxiliary function generator for outputting a control signal; And 상기 보조함수 발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 외부 트리거 입력신호로 이용하는 고속 카운터/타이머;A high speed that stores contents of an up / down counter in a position information register according to an isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator, and uses a phase synchronization synchronization signal of the main function generator as an external trigger input signal; Counter / timers; 를 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치.Isometric signal acquisition device for precise measurement of the amplitude and phase components comprising a. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 주 함수발생기는 보조 함수발생기의 위상동기 및 주파수 안정화를 위한 기준시간(reference clock) 신호를 출력하는 것을 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치.And the main function generator outputs a reference clock signal for phase synchronization and frequency stabilization of an auxiliary function generator. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 주 함수발생기의 가진용 구동신호의 주파수는 외부 교정용 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 설정하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치.An isometric signal collection device for precise measurement of amplitude and phase components, characterized in that the frequency of the excitation drive signal of the main function generator is set through an interface connected to an external calibration computer. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 등각도 분할수 M은 외부 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 사용자가 설정하며, 상기 분할수 M 값이 상기 보조 함수발생기에 수신 완료되면 상기 주 함수발생기의 동기신호와 위상동기를 수행하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집장치.The isometric dividing number M is set by a user through an interface connected to an external computer, and when the dividing number M value is received by the auxiliary function generator, the synchronization signal of the main function generator and phase synchronization are performed. Isometric signal collector for precise measurement of amplitude and phase components. 아날로그-디지털 변환기를 이용한 피교정 센서출력신호의 등각도 신호 수집방법에 있어서,In the isometric signal collection method of the sensor output signal to be calibrated using an analog-to-digital converter, 주 함수발생기에 의하여 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출 력하고,Outputs an excitation drive signal having a vibration frequency f 0 for supplying to the excitation device by the main function generator, and a phase synchronization synchronization signal in phase with the excitation drive signal, 상기 출력된 위상동기용 동기신호를 보조 함수발생기로 입력하고, 상기 보조 함수발생기는, 상기 위상동기용 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하고,The output phase synchronization synchronization signal is input to an auxiliary function generator, and the auxiliary function generator equally spaces a phase 360 ° of one period of the excitation drive signal frequency for phase synchronization with the phase synchronization synchronization signal. Dividing into M to output an isometric acquisition control signal having a frequency of M × f 0 , 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 고 정밀 아날로그-디지털 변환기에서 디지털 변환을 구현하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 상기 고 정밀 아날로그-디지털 변환기의 외부 트리거 입력신호로 이용하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법.A digital conversion is implemented in a high precision analog-to-digital converter according to an isometric acquisition control signal of the auxiliary function generator, and a phase synchronization synchronization signal of the main function generator is used as an external trigger input signal of the high precision analog-to-digital converter. An isometric signal collection method for precise measurement of amplitude and phase components. 레이저 간섭계를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집방법에 있어서,In the isometric signal collection method of vibration displacement signal using a laser interferometer, 주 함수발생기에 의하여 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하고,Outputting an exciter driving signal having a vibration frequency f 0 for supplying to the exciter by a main function generator, and a phase synchronizing synchronization signal in phase with the exciter driving signal, 상기 출력된 위상동기용 동기신호를 보조 함수발생기로 입력하고, 상기 보조 함수발생기는, 상기 위상동기용 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하고,The output phase synchronization synchronization signal is input to an auxiliary function generator, and the auxiliary function generator equally spaces a phase 360 ° of one period of the excitation drive signal frequency for phase synchronization with the phase synchronization synchronization signal. Dividing into M to output an isometric acquisition control signal having a frequency of M × f 0 , 상기 보조 함수발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라, 레이저 간섭계 변위 측정용 보드에 구비된 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 상기 레이저 간섭계 변위 측정용 보드의 외부 트리거 입력신호로 이용하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법.According to the isometric collection control signal of the auxiliary function generator, the contents of the up / down counter provided in the laser interferometer displacement measuring board are stored in the position information register, and the phase synchronization of the main function generator is performed. An isometric signal collection method for precise measurement of amplitude and phase components, characterized in that a synchronization signal is used as an external trigger input signal of the laser interferometer displacement measuring board. 엔코더를 이용한 진동변위 신호의 등각도 신호 수집방법에 있어서,In the isometric signal collection method of vibration displacement signal using an encoder, 주 함수발생기에 의하여 가진기에 공급하기 위한 진동주파수 f0를 갖는 가진기 구동신호와, 상기 가진기 구동신호와 위상이 동기된 위상동기용 동기신호를 출력하고,Outputting an exciter driving signal having a vibration frequency f 0 for supplying to the exciter by a main function generator, and a phase synchronizing synchronization signal in phase with the exciter driving signal, 상기 출력된 위상동기용 동기신호를 보조 함수발생기로 입력하고, 상기 보조 함수발생기는, 상기 위상동기용 동기신호와의 위상동기를 위하여 상기 가진기 구동신호 주파수의 한 주기의 위상 360°를 동일 간격으로 M 등분하여 M×f0의 주파수를 갖는 등각도 수집 제어신호를 출력하고,The output phase synchronization synchronization signal is input to an auxiliary function generator, and the auxiliary function generator equally spaces a phase 360 ° of one period of the excitation drive signal frequency for phase synchronization with the phase synchronization synchronization signal. Dividing into M to output an isometric acquisition control signal having a frequency of M × f 0 , 상기 보조함수 발생기의 등각도 수집 제어신호에 따라 고속 카운터/타이머에 구비된 증가/감소 카운터(up/down counter)의 내용을 위치정보 레지스터에 저장하며, 상기 주 함수발생기의 위상동기용 동기신호를 상기 고속 카운터/타이머의 외부 트리거 입력신호로 이용하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법.The contents of the up / down counter included in the high-speed counter / timer are stored in the position information register according to the isometric collection control signal of the auxiliary function generator, and the phase synchronization synchronization signal of the main function generator is stored. Isometric signal collection method for precise measurement of amplitude and phase components, characterized in that used as an external trigger input signal of the high-speed counter / timer. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 7 to 9, 상기 주 함수발생기는 보조 함수발생기의 위상동기 및 주파수 안정화를 위한 기준시간(reference clock) 신호를 출력하는 것을 포함하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법.And the main function generator outputs a reference clock signal for phase synchronization and frequency stabilization of an auxiliary function generator. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 7 to 9, 상기 주 함수발생기의 가진용 구동신호의 주파수는 외부 교정용 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 설정하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법.The isometric signal collection method for the precise measurement of the amplitude and phase components, characterized in that the frequency of the excitation drive signal of the main function generator is set through an interface connected to an external calibration computer. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 7 to 9, 상기 등각도 분할수 M은 외부 컴퓨터와 연결된 인터페이스를 통하여 사용자가 설정하며, 상기 분할수 M 값이 상기 보조 함수발생기에 수신 완료되면 상기 주 함수발생기의 동기신호와 위상동기를 수행하는 것을 특징으로 하는 진폭과 위상 성분의 정밀 측정을 위한 등각도 신호 수집방법.The isometric dividing number M is set by a user through an interface connected to an external computer, and when the dividing number M value is received by the auxiliary function generator, the synchronization signal of the main function generator and phase synchronization are performed. An isometric signal acquisition method for precise measurement of amplitude and phase components.
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