KR101017120B1 - 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서 - Google Patents

자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서에 관한 것으로서, 전류펄스를 인가하는 펄스발생부와, 상기 펄스발생부의 전류펄스에 의해 자기장을 발생시키는 마그넷부와, 상기 마그넷부에서 발생한 자기장에 의해 자기왜곡효과로 초음파를 발생시키는 바(bar) 형상의 강자성체와, 상기 강자성체에서 발생된 초음파를 검출하여 전기신호로 변환하는 초음파검출부와, 상기 초음파검출부에서 검출된 전기신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭부에서 증폭된 신호를 바탕으로 절대변위를 산출하는 연산부와, 상기 연산부에서 산출된 정보를 표시하는 표시부를 포함하되, 상기 초음파검출부는 상기 강자성체의 양쪽 끝단에 각각 형성되어 상기 마그넷부로부터 전파되는 각각의 초음파를 시간차를 두고 검출하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 양쪽 끝단의 초음파검출부에 도달하는 초음파 전달시간의 시간차를 이용하여 초음파 전달시간을 제외한 나머지 시간의 타임딜레이를 제외시켜 절대변위 측정의 오차를 최소화하고, 변위 측정의 정밀성을 향상시켜 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
자기왜곡, 변위, 센서, 초음파, 강자성체

Description

자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서{NONCONTACT ABSOLUTE DISPLACEMENT SENSOR USING MAGNETOSTRICTION PHENOMENA}
본 발명은 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강자성체에 자계 응력을 가하면 자기왜곡효과가 나타나고 이로 인해 초음파가 발생하는데 이를 이용하여 비접촉으로 기구의 직선변위 또는 유체의 깊이를 측정하는 절대변위 센서에 관한 것이다.
일반적으로 변위 센서는 정전용량, 자계의 세기, 전자유도의 크기와 위상, 전기저항 변화량 등에 의해 변위 센서가 작동하여 기구의 위치를 측정하거나 유체의 깊이를 판독하여 신호를 보낼 수 있도록 이루어진다.
변위를 측정하는 방법에는 상대변위와 절대변위가 있으며, 통상적인 변위 센서로는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)와 같이 어느 정도의 정밀도를 가지고 상대변위를 측정하거나 아주 정밀하게 절대변위를 레이저 센서 또는 작은 범위에서 변위를 측정하는 홀 소자를 이용한 센서 등이 있다.
그러나 LVDT와 같은 상대변위 센서는 절대변위로 환산하기 위한 변위 위치기준이 필요하고, 레이저 센서는 고가의 구입비용이 비용이 발생하며, 홀 소자 센서 는 측정 범위가 매우 작은 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 대한민국 등록특허 제10-0180100호 ‘자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치’이 제안된 바 있으며, 도 1을 참조하여 종래의 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치의 동작과정을 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치는, 측정변위점에서 자계를 형성하는 추종자석(1)과, 상기 추종자석(1)의 이동경로를 안내하고 내부 부품들을 절연 보호시키는 안내관(2)과, 상기 안내관(2)의 내측에 설치된 내부관(3) 내에 직선으로 유지되게 설치되어 상기 추종자석(1)의 위치를 자왜현상으로 감응하는 자기변형선(4)과, 상기 자기변형선(4)의 추종자석(1)의 변위에 따른 신호를 검출하는 신호검출기(5)와, 상기 자기변형선(4)에 구형파 교류 전류를 여자하여 비틀림파를 발생하게 하고, 상기 신호검출기(5)의 신호를 감지하여 변위로 환산하여 출력하는 전자계측부(6)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 종래의 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치에 의하면, 주위 온도 등의 영향을 받지 않고 정밀한 측정이 가능하므로 높은 신뢰성을 유지할 수 있고, 자기적 원리를 모델화한 것으로 제작이 용이하므로 대량 생산이 가능하며 현장에서의 사용이 편리한 효과가 있었다.
상기와 같은 종래의 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치는 직선 변위 및 액위의 거리(L)를 측정하기 위해 다음 식 'L = T × V (T는 전달시간이고, V는 전달속도이다.)'를 사용하며, 상기 수식 'T × V = L' 에서 산출된 거리(L)는 신호검출기(5)에서 추종자석(1)까지의 거리를 나타낸 것이다.
여기서 상기 전달시간(T)은 초음파의 전달시간(t), 신호를 보내는 시간(α1), 신호를 검출하는 시간(α2), 신호를 증폭하는 시간(α3), 신호를 처리하는 시간(α4) 등이 포함되는데, 이와 같이 전달시간(T)에는 초음파의 전달시간을 제외한 나머지 시간의 타임딜레이(α1 + α2 + α3 + α4 + … + αn+1 = αi)가 포함된다.
따라서 전달시간은 'T = t + αi (t: 초음파 전달시간, αi: 초음파 전달시간을 제외한 나머지 시간의 타임딜레이)' 로 나타낼 수 있으며, 결과적으로 αi × V = l 만큼의 변위 측정의 오차가 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초음파 전달시간을 제외한 나머지 시간의 타임딜레이 때문에 발생하는 변위 측정의 오차를 최소화하여 변위 측정의 정밀성을 향상시킬 수 있는 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서는, 전류펄스를 인가하는 펄스발생부와, 상기 펄스발생부의 전류펄스에 의해 자기장을 발생시키는 마그넷부와, 상기 마그넷부에서 발생한 자기장에 의해 자기왜곡효과로 초음파를 발생시키는 바(bar) 형상의 강자성체와, 상기 강자성체에서 발생된 초음파를 검출하여 전기신호로 변환하는 초음파검출부와, 상기 초음파검출부에서 검출된 전기신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭부에서 증폭된 신호를 바탕으로 절대변위를 산출하는 연산부와, 상기 연산부에서 산출된 정보를 표시하는 표시부를 포함하되, 상기 초음파검출부는 상기 강자성체의 양쪽 끝단에 각각 형성되어 상기 마그넷부로부터 전파되는 각각의 초음파를 시간차를 두고 검출하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시 예에 따르면, 상기 마그넷부는, 상기 강자성체를 따라 직선 이동하는 링 형상의 보빈과, 상기 보빈의 외주면에 소정의 횟수로 권선되는 코일과, 상기 코일의 외측을 감싸는 링 형상의 영구자석을 포함하여 구성되는 것을 특 징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서는, 양쪽 끝단의 초음파검출부에 도달하는 초음파 전달시간의 시간차를 이용하여 초음파 전달시간을 제외한 나머지 시간의 타임딜레이를 제외시켜 절대변위를 측정할 수 있다.
따라서 초음파 전달시간을 제외한 나머지 시간의 타임딜레이로 인한 절대변위 측정의 오차를 최소화하고, 변위 측정의 정밀성을 향상시켜 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
이에 따라 본 발명은 최대 비접촉 측정범위 0.15m~10.7m, 최대 분해능 5μm까지의 절대변위를 검출할 수 있는 장점이 있다.
그리고 상기와 같은 효과를 나타내기 위한 상세한 원리는 후술할 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'에서 설명하도록 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서의 동작과정을 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서의 주요 특징부를 도시하는 사시도이다.
첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서는, 전류펄스를 인가하는 펄스발생부(10)와, 상기 펄스발생부(10)의 전류펄스에 의해 자기장을 발생시키는 마그넷부(20)와, 상기 마그넷부(20)에서 발생한 자기장에 의해 자기왜곡효과로 초음파를 발생시키는 바(bar) 형상의 강자성체(30)와, 상기 강자성체(30)에서 발생된 초음파를 검출하여 전기신호로 변환하는 초음파검출부(40)와, 상기 초음파검출부(40)에서 검출된 전기신호를 증폭하는 증폭부(50)와, 상기 증폭부(50)에서 증폭된 신호를 바탕으로 절대변위를 산출하는 연산부(60)와, 상기 연산부(60)에서 산출된 정보를 표시하는 표시부(70)를 포함하며, 상기 초음파검출부(40)는 상기 강자성체(30)의 양쪽 끝단에 각각 형성되어 상기 마그넷부(20)로부터 전파되는 각각의 초음파를 시간차를 두고 검출하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 다음과 같은 세가지 물리적 이론에 근거하고 있다.
첫째는, 자성체(Ferromagnetic material)에 자계를 가하면 자계의 축방향으로 길이의 변화가 발생하는 소위 줄효과(Joule Effect)로 자기왜곡(Magnetostriction) 내지 자왜 또는 자기변형이 생긴다.
둘째는, 자기변형된 자성체에 전류를 흘리면 자화된 지점에서 비틀림이 발생한다는 소위 비더만효과(Widermann Effect)이다.
셋째는, 자성체에 응력이 가해지면 자계가 발생한다는 역자왜효과(Inverse Magnetostriction) 또는 자기탄성효과(Magnetoelastic Effect)를 이용한 것이다.
상기와 같은 물리적 이론에 근거하여 본 발명의 원리를 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도면과 같이 형성된 강자성체(30)의 일측 둘레에 마그넷부(50)를 위치시키고, 펄스발생부(10)에서 일정주기의 전류펄스를 인가하면 자계가 형성된 마그넷부(50)를 전류펄스가 통과하는 순간 비더만효과에 의해 비틀림응력(Torsional Stress)이 발생하며, 상기 비틀림응력은 양방향으로 전파된다. 이러한 비틀림응력에 의한 전파를 본 발명에서는 초음파라 칭한다.
상기 초음파는 힘의 방향이 진행축의 바깥쪽으로 작용하면서 나아가고, 진행지점의 강자성체(30)에는 응력에 의해 일정한 속도(매질의 음파속도)로 종축으로 나아가 상기 강자성체(30)의 양쪽 끝단에 각각 형성된 초음파검출부(40)에 도달한다.
상기 초음파검출부(40)에서 검출된 두 전기신호는 증폭부(50)에서 신호처리 가능하게 증폭되고, 이 증폭된 전기신호는 절대변위를 산출하는 연산부(60)로 입력 된다.
상기 연산부(60)는 두 전기신호가 도달된 시간차와 강자성체(30)상의 초음파 전달속도를 측정하여 거리를 산출하는데, 이것을 기본으로 하여 절대변위를 산출하고, 산출된 정보를 표시부(70)에 전달하게 된다.
본 발명을 구성하는 각각의 구성요소는 이미 공지된 기술내용에 속하므로 상세한 설명은 생략하도록 하며, 하기에서는 마그넷부(20)로부터 전파되는 각각의 초음파를 강자성체(30)의 양쪽 끝단에 각각 형성된 초음파검출부(40)에서 시간차를 두고 검출하는 본 발명의 특징에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 각각의 초음파검출부(40)에 도달하는 초음파 전달시간의 시간차를 이용하여 고신뢰성의 정밀한 절대변위를 측정하는데, 강자성체(30)의 일측 둘레에 위치한 마그넷부(50)를 기준점 0으로 잡고, 어느 한쪽의 초음파 움직임을 +, 다른 한쪽의 초음파 움직임을 -로 보면 다음 식이 성립한다.
Figure 112009026540820-pat00001
(T1: 어느 한쪽 초음파검출부의 초음파 전달시간, T2: 다른 한쪽 초음파검출부의 초음파 전달시간, V: 초음파 전달속도, L: 강자성체의 정중앙에서 초음파검출부까지 측정된 거리)
여기서, T1 = t1 + α T2 = t2 + α
(t1,t2: 실제 초음파 전달시간, α: 그외 나머지 시간의 딜레이타임, 상기 α는 동일한 회로상에 적용되므로 딜레이타임도 동일하게 발생한다.)
그러므로 위 식을 정리하면 다음과 같다.
Figure 112009026540820-pat00002
Figure 112009026540820-pat00003
위 식을 다른 방법으로 유도해 보면 다음과 같다.
Figure 112009026540820-pat00004
(t1: 어느 한쪽 초음파검출부의 초음파 전달시간, t2: 다른 한쪽 초음파검출부의 초음파 전달시간, V: 초음파 전달속도, L: 강자성체의 정중앙에서 초음파검출부까지 측정된 거리, t1 + t2 / 2 : 강자성체 정중앙에서 초음파검출부까지 초음파가 도달하는 시간)
위 식에서 마그넷부(20)가 강자성체(30)의 정중앙에 위치할 때 양쪽의 초음파 도달시간은 같으므로 거리는 0이 되어 이곳을 기준점 0으로 하는 것이 바람직하 다.
따라서 각각의 초음파검출부(40)에서 검출되는 초음파의 시간차에 초음파의 전달속도를 곱하면, 강자성체(30)의 정중앙으로부터 떨어진 절대변위를 알 수 있고, 어느 쪽의 초음파검출부(40)에 먼저 도착했으냐에 따라서 +, -가 결정되는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센세의 마그넷부를 도시하는 분해 사시도이다.
상기 마그넷부(20)는, 상기 강자성체(30)를 따라 직선 이동하는 링 형상의 보빈(22)과, 상기 보빈(22)의 외주면에 소정의 횟수로 권선되는 코일(24)과, 상기 코일(24)의 외측을 감싸는 링 형상의 영구자석(26)을 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성되는 마그넷부(20)는 전류펄스가 인가되면 상기 보빈(22)에 감겨있는 코일(24)이 자화되어 좀더 강한 자기장이 발생하고, 강한 자기장은 높은 지향성을 가지게 되므로 강자성체(30)의 양단에 형성된 초음파검출부(40)부까지 초음파를 손실 없이 전파시킬 수 있게 되는 것이다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
도 1은 종래의 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치의 동작과정을 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서의 동작과정을 도시하는 개념도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서의 주요 특징부를 도시하는 사시도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센세의 마그넷부를 도시하는 분해 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 추종자석 2: 안내관
3: 내부관 4: 자기변형선
5: 신호검출기 6: 전자계측부
10: 펄스발생부 20: 마그넷부
22: 보빈 24: 코일
26: 영구자석 30: 강자성체
40: 초음파검출부 50: 증폭부
60: 연산부 70: 표시부

Claims (2)

  1. 전류펄스를 인가하는 펄스발생부(10)와, 상기 펄스발생부(10)의 전류펄스에 의해 자기장을 발생시키는 마그넷부(20)와, 상기 마그넷부(20)에서 발생한 자기장에 의해 자기왜곡효과로 초음파를 발생시키는 바(bar) 형상의 강자성체(30)와, 상기 강자성체(30)에서 발생된 초음파를 검출하여 전기신호로 변환하는 초음파검출부(40)와, 상기 초음파검출부(40)에서 검출된 전기신호를 증폭하는 증폭부(50)와, 상기 증폭부(50)에서 증폭된 신호를 바탕으로 절대변위를 산출하는 연산부(60)와, 상기 연산부(60)에서 산출된 정보를 표시하는 표시부(70)를 포함하는 비접촉 절대변위 센서에 있어서,
    상기 초음파검출부(40)는 상기 강자성체(30)의 양쪽 끝단에 각각 형성되어 상기 마그넷부(20)로부터 전파되는 각각의 초음파를 시간차를 두고 검출하는 것을 특징으로 하는 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마그넷부(20)는,
    상기 강자성체(30)를 따라 직선 이동하는 링 형상의 보빈(22)과,
    상기 보빈(22)의 외주면에 소정의 횟수로 권선되는 코일(24)과,
    상기 코일(24)의 외측을 감싸는 링 형상의 영구자석(26)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기왜곡효과를 이용한 비접촉 절대변위 센서.
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