KR100721614B1 - 복수의 센서를 이용하여 계측 범위를 확장시킨 계측장치 및계측방법 - Google Patents

Abstract

복수의 센서를 이용하여 계측 범위를 확장시킨 계측장치 및 계측방법이 개시된다. 측정 대상으로부터의 입력값에 대응하는 출력값을 출력하며, 정상적으로 센싱 동작의 수행이 가능한 입력값의 범위인 정상입력범위와 정상입력범위에서의 출력값의 범위인 정상출력범위를 각각 갖는 복수의 센서를 마련한다. 제어기는 복수의 센서 중에서 정상출력범위에 포함되는 출력값을 출력하는 센서를 선택하며, 선택된 센서의 출력값을 이용하여 입력값을 산출한다. 이에 의하면, 정상 동작 범위가 매우 큰 고가의 센서를 채용하는 대신 정상 동작 범위가 작은 저가의 센서를 복수개 병설함으로써 저렴한 비용으로 넓은 범위의 계측이 가능하게 된다.

계측, 센서, 각도, 입력, 출력

Description

복수의 센서를 이용하여 계측 범위를 확장시킨 계측장치 및 계측방법 {Measuring device and method capable of enlarging the measuring range with plural sensors}

도 1 은 종래의 센서를 이용한 계측장치를 도시한 블록도,

도 2 는 도 1 의 센서의 입출력 특성을 도시한 도면,

도 3 은 본 발명에 따른 센서를 이용한 계측장치를 도시한 블록도,

도 4 는 도 3 의 제1센서와 제2센서의 입출력 특성을 도시한 도면,

도 5 는 도 3 의 센서로서 각도센서를 채용한 예를 도시한 도면, 그리고

도 6 및 도 7 은 도 5 의 각도센서를 이용하여 사물의 기울어짐을 측정하는 상태를 도시한 도면이다.

본 발명은 계측장치 및 계측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 센서 각각의 유효 계측 범위를 활용하여 전체적인 계측 범위를 확장시킨 계측장치 및 계측방법에 관한 것이다.

일반적으로 사물의 상태, 예컨대, 기울기, 속도, 광량 등을 측정하는 데에는 센서를 구비한 계측장치가 사용된다. 도 1 은 일반적인 계측장치를 도시한 블록도로서, 종래의 계측장치는 센서(11)와 제어기(15)를 포함하여 구성된다.

센서(11)는 측정하고자 하는 대상에 따라 필요한 종류가 선택되어 사용되며, 예컨대, 광량을 측정하고자 하는 경우에는 광센서가, 기울어짐을 측정하고자 하는 경우에는 각도센서가 채용된다. 센서(11)의 입력은 이와 같이 측정하고자 하는 대상이 되며, 통상적인 전자 디바이스로서 구성된 센서의 경우 그 출력은 측정 대상의 값에 비례하는 전압의 크기가 된다. 센서(11)의 출력은 제어기(15)에 입력되고, 제어기(15)는 입력되는 전압의 크기에 따라 측정값을 출력한다.

통상적으로 모든 센서는 정상적으로 유효하게 동작하는 입력의 범위를 가지고 있다. 예컨대, 광량을 입력받아 측정하는 광센서의 경우 일정 크기 이하의 광량과 일정 크기 이상의 광량은 정상적으로 측정하지 못하며, 일정한 범위 내의 광량만을 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 센서의 동작 범위가 도 2 에 예시되어 있다.

도 2 를 참조하면, 센서는 입력값에 대응되는 출력값을 출력하며, 이때 입력값과 출력값의 대응 관계가 직선으로 표현되는 구간이 정상 동작 구간이다. 입력값의 측면에서는 이러한 정상 동작 구간은 정상입력범위로, 그리고 출력값의 측면에서는 정상출력범위로 나타난다. 정상입력범위를 벗어나서 그보다 작은 값의 입력값 또는 그보다 큰 값의 입력값에서는 출력값이 정상출력범위를 벗어나게 되어 정확하게 입력값을 반영하지 못하게 된다. 따라서, 센서를 이용하여 계측하고자 하는 경우에는 측정 대상이 나타낼 수 있는 입력값의 범위가 센서의 정상입력범위 내에 포함되도록 정상입력범위가 큰 센서가 채용되어야 한다.

그러나, 대부분의 센서는 정상입력범위 외의 범위에서는 비선형적 특성을 나타내고, 이러한 정상입력범위가 매우 큰 센서는 제작이 어렵고 고가이다. 따라서, 측정 대상이 나타내는 범위가 매우 큰 경우에는 계측장치의 제작이 어렵고 제작에 고비용이 소요된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 정상적으로 동작하는 입력 범위인 정상입력범위가 좁은 저가의 센서로서도 넓은 입력 범위의 측정 대상의 값을 정확하게 측정할 수 있는 계측장치 및 계측방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 계측장치는, 측정 대상으로부터의 입력값에 대응하는 출력값을 출력하며, 정상적으로 센싱 동작의 수행이 가능한 상기 입력값의 범위인 정상입력범위와 상기 정상입력범위에서의 상기 출력값의 범위인 정상출력범위를 각각 갖는 복수의 센서; 및 상기 복수의 센서 중에서 상기 정상출력범위에 포함되는 상기 출력값을 출력하는 상기 센서를 선택하여, 선택된 상기 센서의 상기 출력값을 이용하여 상기 입력값을 산출하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 복수의 센서는 각각 상이한 상기 정상입력범위를 가지며, 또한, 각각의 상기 정상입력범위의 총화가 연속적이 되도록 구성되는 것이 바람직하 다.

각각의 상기 센서의 상기 정상출력범위에서의 상기 출력값의 증가량은 상기 정상입력범위에서의 상기 입력값의 증가량에 비례하도록 구성되며, 나아가, 상기 복수의 센서에 의한 복수의 상기 정상출력범위는 전체적으로 상기 출력값의 증가량이 상기 입력값의 증가량에 비례하는 특성을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 센서의 일 예로서 사물의 기울어짐을 측정하는 각도센서가 채용될 수 있으며, 이때, 상기 복수의 센서는 상호 중복되는 상기 정상입력범위를 갖는 복수의 상기 각도센서를 각각 상기한 각도로 기울여 배치함으로써 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 측정 대상으로부터의 입력값에 대응하는 출력값을 출력하며, 정상적으로 센싱 동작의 수행이 가능한 상기 입력값의 범위인 정상입력범위와 상기 정상입력범위에서의 상기 출력값의 범위인 정상출력범위를 각각 갖는 복수의 센서를 마련하는 단계; 상기 복수의 센서 중에서 상기 정상출력범위에 포함되는 상기 출력값을 출력하는 상기 센서를 선택하는 단계; 및 선택된 상기 센서의 상기 출력값을 이용하여 상기 입력값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계측방법이 제공된다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 센서를 이용한 계측장치를 도시한 블록도이고, 도 4 는 도 3 의 제1센서와 제2센서의 입출력 특성을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 계측장치는, 제1센서(21)와 제2센서(22), 그리고 제어기(30)를 포함하여 구성된다. 제1센서(21)와 제2센서는 각각 측정 대상이 나타내는 값을 입력으로 하여 그에 상응하는 값을 갖는 전압을 출력한다. 제1센서(21)와 제2센서(22)의 출력은 제어기(30)에 입력되며, 제어기(30)는 입력된 출력들의 전압을 이용하여 측정 대상이 나타내는 값을 산출한다.

도 4 에는 제1센서(21)와 제2센서(22) 각각의 입출력 특성 곡선(G1, G2)이 도시되어 있다.

제1센서(21)는 대략 S 자 형상의 입출력 특성을 가지며, 이때 특성 곡선(G1)의 중간 부위는 입력값의 증가량에 대해 출력값의 증가량이 비례하는 특성, 예컨대 선형적인 특성을 갖는 부위로서, 이러한 부위의 상한(I1)과 하한(I2) 사이의 범위가 제1센서(21)가 정상적으로 센싱 동작의 수행이 가능한 정상 동작 범위인 제1정상입력범위로서 설정된다. 제2센서(22) 또한 대략 S 자 형상의 입출력 특성을 가지며, 이때 특성 곡선(G2)의 중간 부위도 입력값의 증가량에 대해 출력값의 증가량이 비례하는 특성, 예컨대 선형적인 특성을 갖는 부위로서, 이러한 부위의 상한(I2)과 하한(I3) 사이의 범위가 제2센서(22)가 정상적으로 센싱 동작의 수행이 가능한 정상 동작 범위인 제2정상입력범위로서 설정된다.

제1센서(21)와 제2센서(22)의 정상입력범위에 대응하여 출력되는 출력값의 범위는 각각 제1정상출력범위(O1 내지 O2 구간)와 제2정상출력범위(O2 내지 O3) 구간으로서 나타난다.

이와 같이 두 개의 센서(21, 22)는 각각 상이한 정상입력범위를 갖는 것으로서 선택되며, 이때, 각각의 정상입력범위의 총화가 연속적이 되도록 (즉, 제1정상입력범위의 상한 지점(I2)이 제2정상입력범위의 하한 지점(I3)이 되어 두 센서(21, 22) 전체로서는 I1 지점으로부터 I3 지점까지 연속된 정상입력범위를 갖도록) 구성된다.

나아가, 두 개의 센서(21, 22)의 특성 곡선(G1, G2))은 선형적 특성을 보이는 각각의 정상 동작 범위에서의 기울기가 동일하도록, 즉, 센서들(21, 22)에 의한 출력값의 증가량이 제1정상출력범위와 제2정상출력범위 전체에 걸쳐서 입력값의 증가량에 비례하는 특성을 갖도록 구성된다. 따라서, I1 지점에서 I3 지점까지의 구간에서 전체적으로 선형적인 특성 곡선이 되도록 구성된다.

한편, 제어기(30)는 두 센서(21, 22)의 출력값 중 어느 하나의 출력값을 선택하고, 선택된 출력값으로부터 측정 대상의 값인 측정값을 출력한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 계측장치는 다음과 같이 동작한다.

두 센서(21, 22) 모두 측정 대상의 값을 입력값으로 받아들인다. 예컨대, 광센서의 경우 주변의 광을 입력으로서 취하며, 이때 제1센서(21)와 제2센서(22) 모두에 동일한 상태가 입력된다. 두 센서(21, 22)는 모두 입력값에 상응하는 출력값을 출력하며, 제어기(30)는 두 센서(21, 22)로부터의 출력값을 각각 입력받는다.

제어기(30)에는 제1센서(21)와 제2센서의 특성 곡선(G1, G2)에 관한 데이터가 미리 입력되어 저장되어 있으며, 특히, 제1센서(21)와 제2센서(22)가 각각 정상적으로 동작할 때 출력되는 출력값의 범위인 제1정상출력범위와 제2정상출력범위가 입력되어 저장되어 있다. 제어기(30)는 각 센서(21, 22)로부터의 출력값을 입력받아 이 출력값이 각 센서(21, 22)의 정상출력범위를 벗어나는지 여부를 판단하며, 정상출력범위를 벗어나지 않는 센서(21 또는 22)를 정상 동작하는 센서로서 선택한 다.

보다 구체적으로 설명하면, 제어기(30)는 제1센서(21)의 출력값이 제1정상출력범위(O1~O2) 내의 값인지를 판단하여, 제1정상출력범위 내인 경우에는 제1센서(21)가 정상 동작하는 것으로 판단하고 그렇지 않은 경우에는 제1센서(21)가 정상 동작하지 않는 것으로 판단한다. 마찬가지로, 제어기(30)는 제2센서(22)의 출력값이 제2정상출력범위(O2~O3) 내의 값인지를 판단하여, 제2정상출력범위 내인 경우에는 제2센서(22)가 정상 동작하는 것으로 판단하고 그렇지 않은 경우에는 제2센서(21)가 정상 동작하지 않는 것으로 판단한다.

이와 같은 방식에 의하면, 예컨대, 만약 입력값이 제1정상입력범위(I1~I2)내의 값인 경우 제1센서(21)는 제1정상출력범위(O1~O2)의 값을 출력할 것이나 제2센서(22)는 제2정상출력범위(O2~O3)를 벗어난 값을 출력할 것이다. 따라서, 입력값에 맞추어 정상 동작하는 센서가 제어기(30)에 의해 정확하게 선택된다.

제어기(30)는 정상 동작하는 것으로 판단된 센서(예컨대, 제1센서(21))의 출력값을 정상 출력값으로 취하여, 이 정상 출력값을 그의 특성곡선(예컨대 G1 곡선)으로부터 역산하여 그의 입력값을 산출한다. (또는 입력값에 비례하는 특정 수치를 출력한다.) 이에 따라, 제어기(30)는 측정 대상이 나타내는 값을 측정값으로서 정확하게 출력할 수 있게 된다.

만약, 두 센서(21, 22)의 출력값이 각각 제1정상출력범위(O1~O2)와 제2정상출력범위(O2~O3)를 벗어난다면 두 센서(21, 22) 모두를 선택하지 않게 되며, 이에 따라 제어기(30)는 측정 불가능을 알리는 값을 출력할 것이다.

한편, 제어기(30)가 사전에 각 특성곡선(G1, G2)의 데이터를 저장하여 두지 않고 특성곡선(G1, G2)을 일정한 수식으로 표현하여 저장하여 둘 수도 있다. 예컨대, 정상동작범위(I1~I3)에서의 특성곡선(G1, G2)이 도 4 에 도시된 바와 같이 전체적으로 입력값의 증가량에 비례하는 출력값의 증가량이 나타나는 선형적인 패턴을 갖는다면, 정상동작범위(I1~I3)에서의 특성곡선을 일차 방정식으로 표현하여 제어기(30)에 미리 저장하여 둘 수도 있을 것이며, 이 방정식을 통해 입력값을 산출할 수도 있을 것이다.

한편, 본 실시예에서는 각 센서(21, 22)가 선형적인 특성을 갖는 구간을 유효하게 정상 동작하는 구간으로서 설정하였으나, 선형적인 특성을 갖는 부분만을 유효 구간으로서 취하지 않고 센서(21, 22)가 입력값에 상응하는 출력값을 정확하게 출력하는 구간 전체를 유효하게 동작하는 정상 동작 구간으로서 설정할 수도 있을 것이다. 이러한 경우에는 각 특성곡선(G1, G2)에 대한 데이터가 제어기(30)에 미리 저장되어야 특성곡선(G1, G2)의 역산에 의한 출력값의 정확한 출력이 가능할 것이다.

또한, 본 실시예에서는 두 개의 센서(21, 22)를 채용한 것을 예시하였으나, 이와 같이 정상 동작 범위가 연속된 여러 개의 센서를 병렬적으로 연결하여 정상 동작 범위를 더 넓힐 수도 있을 것이다.

도 5 는 도 3 의 센서로서 사물의 기울어짐을 측정하는 각도센서를 채용한 예를 도시한 도면이고, 도 6 및 도 7 은 도 5 의 각도센서를 이용하여 사물의 기울어짐을 측정하는 상태를 도시한 도면이다. 도 5 내지 도 7 에서 각 각도센서는 제 1센서와 제2센서로서 사용되며, 이에 따라 도 3 에서 제1센서 및 제2센서와 동일한 참조부호로서 지시되어 있다.

도 5 에서, 각 각도센서(21, 22)는 통상적인 상태에서 -45° 내지 +45°의 정상입력범위를 가진다. 그러나, 제1각도센서(21)는 지면(W)상에 정상적인 기립 상태로 배치되어 있고 제2각도센서(22)는 지면(W)상에 시계방향으로 90° 회전된 상태로 배치되어 있다. 따라서, 제1각도센서(21)는 원래의 정상입력범위인 -45° 내지 +45°의 기울어짐에 대해서는 정확한 측정이 가능하고 그 외의 범위에서는 부정확한 측정을 하게 되며, 제2각도센서(22)는 지면(W)이 45° 이상 90° 이하로 좌하향 경사지게 기울어진 경우에 정확한 측정이 가능하고 그 외의 범위에서는 부정확한 측정을 하게 된다. 이때, 제2각도센서(22)가 정상 동작하는 범위에서는, 실제로 지면(W)이 경사진 각도는 제2각도센서(22)가 나타내는 경사도보다 90° 큰 값이 된다.

이러한 구성에 의할 때, 도 6 과 같이 지면이 30° 경사지는 경우 제1각도센서(21)는 30°에 상응하는 값을 출력하고 제2각도센서(22)는 -60°에 상응하는 값을 출력할 것이다. 따라서, 제1각도센서(21)의 출력값만이 정상출력범위의 값을 갖게 되어 제어기(30)가 제1각도센서(21)를 선택하게 된다. 또한, 도 7 과 같이 지면이 60° 경사지는 경우 제1각도센서(21)는 60°에 상응하는 값을 출력하고 제2각도센서(22)는 -30°에 상응하는 값을 출력할 것이다. 따라서, 제2각도센서(22)의 출력값만이 정상출력범위의 값을 갖게 되어 제어기(30)가 제2각도센서(22)를 선택하게 된다.

이때, 제어기(30)가 제1각도센서(21)를 선택하는 도 6 의 경우에는 제1각도센서(21)의 출력 전압을 이용하여 출력값에 상응하는 입력값인 30°를 산출하여 이를 측정값으로서 출력하고, 제어기(30)가 제2각도센서(22)를 선택하는 도 7 의 경우에는 제2각도센서(22)의 출력 전압을 이용하여 출력값에 상응하는 입력값인 -30°를 산출한 후에 이 값에 90°를 더한 값인 60°를 측정값으로서 출력한다.

이와 같은 방식에 의하면, 실질적으로 그 측정 가능 범위가 완전 동일한 두 개의 각도센서(21, 22)를 채용하되 어느 하나의 각도센서(22)를 미리 소정 각도 기울여 배치함으로써 실질적으로 도 4 와 같이 각각 상이한 정상입력범위를 갖는 센서들을 구성할 수 있게 된다.

따라서, 그 특성이 동일한 두 개의 센서(21, 22)로서도 본 발명과 같은 각각 상이한 동작범위를 갖는 센서를 구현한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 정상 동작 범위가 매우 큰 센서를 채용하는 대신 정상 동작 범위가 작은 센서를 복수개 병설함으로써 넓은 범위의 계측이 가능하게 된다. 따라서, 매우 저렴한 저가의 센서들로서도 고가의 센서를 채용한 것과 동일한 측정 효과를 얻을 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 특정 실시예에 한정되지 아니하며 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형은 본원발명의 특허청구범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

1. 측정 대상으로부터의 입력값에 대응하는 출력값을 출력하며, 정상적으로 센싱 동작의 수행이 가능한 상기 입력값의 범위인 정상입력범위와 상기 정상입력범위에서의 상기 출력값의 범위인 정상출력범위를 각각 갖는 복수의 센서; 및

   상기 복수의 센서 중에서 상기 정상출력범위에 포함되는 상기 출력값을 출력하는 상기 센서를 선택하여, 선택된 상기 센서의 상기 출력값을 이용하여 상기 입력값을 산출하는 제어기;를 포함하며,

   상기 복수의 센서는 각각 상이한 상기 정상입력범위를 갖는 것을 특징으로 하는 계측장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 센서는, 각각의 상기 정상입력범위의 총화가 연속적이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 계측장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   각각의 상기 센서의 상기 정상출력범위에서의 상기 출력값의 증가량은 상기 정상입력범위에서의 상기 입력값의 증가량에 비례하는 것을 특징으로 하는 계측장 치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 복수의 센서에 의한 복수의 상기 정상출력범위는 전체적으로 상기 출력값의 증가량이 상기 입력값의 증가량에 비례하는 특성을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 계측장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 센서는 사물의 기울어짐을 측정하는 각도센서인 것을 특징으로 하는 계측장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 복수의 센서는 상호 중복되는 상기 정상입력범위를 갖는 복수의 상기 각도센서를 각각 상이한 각도로 기울여 배치함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 계측장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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