KR101083070B1 - 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치에 관한 것으로, 정전용량 변위센서의 전극에 가진되는 전류의 주기적인 제어를 통해 거리에 비례하는 검출신호를 획득하도록 구현함으로써 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선할 수 있도록 한 것이다.

Description

정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치{Control apparatus for improving non-linear characteristic of an electric capacity displacement sensor}

정전용량 변위센서의 제어 기술에 관련한 것으로, 특히 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치에 관한 것이다.

도 1 은 이격된 두 평행판 사이의 정전용량 계산을 위한 개념도이다. 이격된 두 평행판 사이의 정전용량 계산식은 다음과 같다.

위 식에서 C는 정전용량, ε은 이격된 두 평행판 사이를 채우고 있는 물질의 유전율, S는 평행판의 면적, d는 두 평행판 사이의 거리이다.

위의 두 평행판 사이의 정전용량 계산식에서 알 수 있듯이, 정전용량은 거리에 반비례하며, 도 2 와 같은 비선형성을 야기시킨다. 도 2 는 정전용량과 거리와의 관계를 도시한 도면이다.

정전용량 변위센서는 위와 같은 원리를 이용해 물체의 위치에 따른 정전 용량의 변화를 검출하여 변위를 알 수 있도록 한 소자로, 위와 같은 이유로 비선형성을 가진다.

따라서, 본 발명자는 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선할 수 있는 제어장치에 대한 연구를 하게 되었다.

본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선할 수 있는 제어장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선할 수 있는 제어장치가 위상신호와 동기되어 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서의 전극을 접지시키고, 나머지 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서의 전극에 일정한 전류를 공급하고, 주기적으로 가진되는 정전용량 변위센서의 전극에 인가되는 전압으로부터 거리에 비례하는 검출신호를 획득하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 정전용량 변위센서의 전극에 가진되는 전류의 주기적인 제어를 통해 거리에 비례하는 검출신호를 획득할 수 있어 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선할 수 있는 유용한 효과를 가진다.

도 1 은 이격된 두 평행판 사이의 정전용량 계산을 위한 개념도
도 2 는 정전용량과 거리와의 관계를 도시한 도면
도 3 은 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도
도 4 는 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치의 파형도
도 5 는 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치에 의한 검출신호 측정값과 거리와의 관계를 도시한 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다. 이 실시예에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치(100)는 정전용량 변위센서(200)의 전극(도면 도시 생략)에 가진되는 전류의 주기적인 제어를 통해 거리에 비례하는 검출신호를 획득함으로써 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선하도록 한 것이다.

도 3 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치(100)는 가진신호 생성부(110)와, 전압제어 전류원(120)과, 위상신호 생성부(130)와, 스위치부(140)와, 검출신호 획득부(150)를 포함하여 이루어진다.

상기 가진신호 생성부(110)는 정전용량 변위센서의 전극을 가진(Shaking)할 가진신호를 생성한다. 이 때, 가진신호 생성부(110)가 기준전압 입력부(111)와, 전압분배기(112)를 포함할 수 있다.

상기 기준전압 입력부(111)는 기준 전압 신호를 입력한다. 상기 전압분배기(112)는 상기 기준전압 입력부(111)에 의해 입력되는 기준 전압 신호를 주파수 조정하여 추후 설명되는 동기카운터(132)에 의해 생성되는 동기신호와 동일한 주파수의 가진신호를 생성한다.

상기 전압제어 전류원(VCCS : Voltage Controlled Current Source)(120)은 상기 가진신호 생성부(110)에 의해 생성되는 가진신호를 입력받아 정전용량 변위센서의 전극에 공급할 일정한 전류를 출력한다.

상기 위상신호 생성부(130)는 상기 가진신호 생성부(110)에 의해 생성되는 가진신호에 비해 90도 위상 앞서는 위상신호를 생성한다. 이 때, 위상신호 생성부(130)가 수정발진기(131)와, 동기카운터(132)와, 논리연산부(133)를 포함할 수 있다.

상기 수정발진기(131)는 주기적인 사각 펄스 신호를 발생시킨다. 상기 동기카운터(132)는 상기 수정발진기(131)에 의해 발생된 신호를 입력받아 목표하는 주기를 갖는 동기신호를 생성한다.

상기 논리연산부(133)는 상기 수정발진기(131)에 의해 생성되는 사각 펄스 신호와, 상기 동기카운터(132)에 의해 생성되는 동기신호를 배타적 논리합 연산하여 목표하는 신호에 비해 90도 위상 앞서는 위상신호를 생성한다.

상기 스위치부(140)는 상기 위상신호 생성부(130)에 의해 생성되는 위상신호와 동기되어, 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서의 전극을 접지시키고, 나머지 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서(200)의 전극에 상기 전압제어 전류원(120)으로부터 출력되는 전류를 공급하여 가진한다.

상기 검출신호 획득부(150)는 상기 스위치부(140)에 의해 주기적으로 가진되는 정전용량 변위센서(200)의 전극에 인가되는 전압으로부터 거리에 비례하는 검출신호를 획득한다. 이 때, 검출신호 획득부(150)가 전압 추종기(151)와, 대역 필터(152)를 포함할 수 있다.

상기 전압 추종기(151)는 정전용량 변위센서(200)의 전극에 인가되는 전압 신호를 획득한다. 상기 대역 필터(152)는 상기 전압 추종기(151)에 의해 획득된 전압 신호를 필터링하여 특정 대역의 검출신호를 획득한다.

예컨대, 상기 전압 추종기(151)에 의해 획득되는 전압 신호가 주기적인 삼각파 전압 신호일 수 있다. 대역 필터(152)가 전압 추종기(151)에 의해 획득된 주기적인 삼각파 전압 신호를 저역 필터링하여 정전용량 변위센서(200)의 전극에 가진되는 시간에 비례하는 크기를 가지는 삼각파 신호를 검출신호로 획득한다.

이 때, 상기 정전용량 변위센서의 전극에 가진되는 시간에 비례하는 크기를 가지는 삼각파 신호의 꼭지점 값이 정전용량에 반비례한다. 한편, 상기 꼭지점 값이 정전용량에 반비례하는 삼각파 신호의 크기는 거리에 비례한다.

도 4 를 참조하여 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치의 동작을 알아본다. 도 4 는 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치의 파형도이다.

위상신호 생성부(130)의 수정발진기(131)에 의해 도 4 의 파형 (1)과 같은 주기적인 사각 펄스 신호가 발생되고, 동기카운터(132)는 상기 수정발진기(131)에 의해 발생된 주기적인 사각 펄스 신호로부터 도 4 의 파형 (2)와 같은 목표하는 주기를 갖는 동기신호를 생성한다.

논리연산부(133)는 상기 수정발진기(131)에 의해 생성되는 사각 펄스 신호와, 상기 동기카운터(132)에 의해 생성되는 동기신호를 배타적 논리합(XOR : eXclusive OR) 연산하여 도 4 의 파형 (3)과 같은 목표하는 신호에 비해 90도 위상 앞서는 위상신호를 생성한다.

한편, 가진신호 생성부(110)의 기준전압 입력부(111)로부터 기준 전압 신호가 입력되면, 전압분배기(112)가 입력되는 기준 전압 신호를 주파수 조정하여 동기카운터(132)에 의해 생성되는 동기신호 즉, 도 4 의 파형 (2)와 동일한 주파수의 가진신호인 도 4 의 파형 (4)와 같은 신호를 생성한다.

전압분배기(112)에 의해 출력되는 가진신호는 전압제어 전류원(120)을 통해 정전용량 변위센서(200)의 전극에 공급될 일정한 전류로 출력되는데, 이 때, 정전용량 변위센서(200)의 전극을 스위치부(140)를 통해 초기화시킨다. 예컨대, 스위치부(140)로 아날로그 스위치를 사용할 수 있다.

상기 스위치부(140)는 상기 위상신호 생성부(130)에 의해 생성되는 위상신호인 도 4 의 파형 (3)에 동기되어 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서(200)의 전극을 접지시키고, 나머지 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서(200)의 전극에 전압제어 전류원(120)으로부터 출력되는 전류를 공급하여 가진하므로, 도 4 의 파형 (5)와 같은 신호가 정전용량 변위센서(200)의 전극에 공급된다.

정전용량 변위센서(200)의 전극이 접지되면, 전압제어 전류원(120)으로부터 출력되는 전류는 다른 경로(도면 도시 생략)를 통해 흐르게 되어, 정전용량 변위센서(200)의 전극에 흐르는 전류는 0이 되므로, 다음 가진 주기 동안 가진 전류에 의한 전압 신호는 항상 0부터 시작하므로, 정전용량 변위센서(200)의 전극이 초기화된다.

스위치부(140)에 의해 주기적으로 가진되는 정전용량 변위센서의 전극에 인가되는 전압을 측정하기 위해 검출신호 획득부(150)는 전압 추종기(151)를 통해 정전용량 변위센서(200)의 전극에 인가되는 전압 신호를 획득한다.

전압 추종기(151)는 이상적인 OP앰프(도면 도시 생략)의 경우 입력단자의 임피던스가 무한대이므로, 전압제어 전류원(120)에 의해 가진되는 전류는 모두 정전용량 변위센서의 전극에만 인가되며, OP앰프의 출력단자를 통해 전압 신호를 얻을 수 있다.

전압 추종기(151)에 의해 획득된 전압 신호는 도 4 의 파형 (6)과 같은 주기적인 삼각파 전압 신호이다. 이 주기적인 삼각파 전압 신호를 대역 필터(152)를 통과시켜 삼각파 신호의 크기를 획득할 수 있다.

이 때, 대역 필터(152)를 통해 획득된 삼각파 신호의 크기(v)는 주기(T) 동안 정전용량(C)이 일정하고, 전압제어 전류원(120)에 의해 가진되는 전류(i)의 크기가 일정하다면 다음의 식과 같이 가진되는 시간(t)에 비례한다. 따라서, 가진 주기가 일정하다면 삼각파 신호의 꼭지점 값(V_avg)은 정전용량에 반비례한다.

주기 T 동안 정전용량 C가 일정하다면,

위의 식에 정전용량 계산식을 대입하면 다음의 식과 같이 삼각파 신호의 크기는 거리에 비례하게 된다.

도 5 는 본 발명에 따른 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치에 의한 검출신호 측정값과 거리와의 관계를 도시한 도면으로, 거리에 대해 선형적으로 검출신호 측정값이 증가하고 있음을 볼 수 있다.

따라서, 본 발명은 정전용량 변위센서의 전극에 가진되는 전류의 주기적인 제어를 통해 거리에 비례하는 검출신호를 획득할 수 있어 정전용량 변위센서의 비선형성을 개선할 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

본 발명은 정전용량 변위센서의 제어 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.

100 : 제어장치 110 : 가진신호 생성부
111 : 기준전압 입력부 112 : 전압분배기
120 : 전압제어 전류원 130 : 위상신호 생성부
131 : 수정발진기 132 : 동기카운터
133 : 논리연산부 140 : 스위치부
150 : 검출신호 획득부 151 : 전압 추종기
152 : 대역 필터 200 : 정전용량 변위센서

Claims (8)

1. 정전용량 변위센서의 전극을 가진할 가진신호를 생성하는 가진신호 생성부와;
   상기 가진신호 생성부에 의해 생성되는 가진신호를 입력받아 정전용량 변위센서의 전극에 공급할 일정한 전류를 출력하는 전압제어 전류원과;
   상기 가진신호 생성부에 의해 생성되는 가진신호에 비해 90도 위상 앞서는 위상신호를 생성하는 위상신호 생성부와;
   상기 위상신호 생성부에 의해 생성되는 위상신호와 동기되어, 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서의 전극을 접지시키고, 나머지 1/2 주기 동안은 정전용량 변위센서의 전극에 상기 전압제어 전류원으로부터 출력되는 전류를 공급하여 가진하는 스위치부와;
   상기 스위치부에 의해 주기적으로 가진되는 정전용량 변위센서의 전극에 인가되는 전압으로부터 거리에 비례하는 검출신호를 획득하는 검출신호 획득부를;
   포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 위상신호 생성부가:
   주기적인 사각 펄스 신호를 발생시키는 수정발진기와;
   상기 수정발진기에 의해 발생된 신호를 입력받아 목표하는 주기를 갖는 동기신호를 생성하는 동기카운터와;
   상기 수정발진기에 의해 생성되는 사각 펄스 신호와, 상기 동기카운터에 의해 생성되는 동기신호를 배타적 논리합 연산하여 목표하는 신호에 비해 90도 위상 앞서는 위상신호를 생성하는 논리연산부를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가진신호 생성부가:
   기준 전압 신호를 입력하는 기준전압 입력부와;
   상기 기준전압 입력부에 의해 입력되는 기준 전압 신호를 주파수 조정하여 상기 동기카운터에 의해 생성되는 동기신호와 동일한 주파수의 가진신호를 생성하는 전압분배기를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 검출신호 획득부가:
   정전용량 변위센서의 전극에 인가되는 전압 신호를 획득하는 전압 추종기와;
   상기 전압 추종기에 의해 획득된 전압 신호를 필터링하여 특정 대역의 검출신호를 획득하는 대역 필터를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 전압 추종기에 의해 획득되는 전압 신호가:
   주기적인 삼각파 전압 신호인 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 대역 필터가:
   상기 전압 추종기에 의해 획득된 주기적인 삼각파 전압 신호를 저역 필터링하여 정전용량 변위센서의 전극에 가진되는 시간에 비례하는 크기를 가지는 삼각파 신호를 검출신호로 획득하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 정전용량 변위센서의 전극에 가진되는 시간에 비례하는 크기를 가지는 삼각파 신호의 꼭지점 값이 정전용량에 반비례하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 꼭지점 값이 정전용량에 반비례하는 삼각파 신호의 크기는:
   거리에 비례하는 것을 특징으로 하는 정전용량 변위센서의 비선형성 개선을 위한 제어장치.

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