KR101230867B1 - 진동 센서 신호 변환기 - Google Patents

진동 센서 신호 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동 센서 신호 변환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 종래에 비하여 보다 단순화된 회로로 구성되면서도 우수한 정확도로 진동 신호를 얻어낼 수 있는 진동 센서 신호 변환기를 제공함에 있다.
본 발명의 진동 센서 신호 변환기는, 전원으로부터 전력을 공급받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하며, 센서(200)와 (+)단 및 (-) 단이 연결되는 전원 레귤레이터(110); 상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측 연결 경로 상에 구비되어, 상기 센서(200) 방향으로 일정한 전류 값의 전류를 흐르게 하는 정전류 다이오드(120); 를 포함하여 이루어지며, 상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측이 접지되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

진동 센서 신호 변환기 {Signal Converter for Vibration Sensor}
본 발명은 진동 센서 신호 변환기에 관한 것이다.
진동을 측정하기 위해서 다양한 방법이 사용되고 있는데, 위치 센서, 속도 센서, 토크미터 등을 이용하여 간접적으로 진동을 측정하기도 하고, 또는 가속도계 형태의 진동 센서를 이용하여 직접 물리적으로 가속도를 측정하여 진동을 인식 및 감지하기도 한다. 이와 같은 진동 센서는 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 기술에 의하여 만들어지는 미세한 구조물을 이용하여 가속도 방향에 따라 저항 값이 바뀌도록 형성되어 가속도를 측정하는 형태로 된 것이 많이 사용된다. 이외에도 진동 센서로서 스프링에 연결된 물체를 그 내부에 수용되는 구조물을 포함하여 이루어져 가속도에 따라 받게 되는 스프링의 탄성력을 측정함으로써 진동을 측정하는, 기계적인 공진 모드를 이용하는 진동 센서 등이 있으나, 이러한 진동 센서는 대역폭이 높은 신호를 얻을 수 있는 반면 매우 고가이므로 유도 미사일 등과 같은 매우 높은 정확도를 요구하는 분야 이외에는 일반적으로 널리 사용되지는 않는다.
가속도계 형태의 진동 센서의 한 종류인 압전형 진동 센서는 크기가 작고 측정 주파수 영역이 넓으므로 가장 일반적으로 널리 사용되고 있다. 가속도계의 측정요소는 피에조 압전소자(Piezoelectric Crystal)로서 힘을 받게 되면 전하를 발생한다. 이 전하는 매우 작기 때문에 대개 증폭기가 사용되어 신호를 증가시켜 전하량을 전압으로 변환을 시키게 되는데, 이러한 전하량 증폭기(Charge Amplifier)는 내장형도 있고 외부형도 있다. 가속도계는 대개 자체의 고유주파수보다 낮은 영역에서 작동되며 측정범위는 3Hz에서 10KHz 정도이다. 전하량 증폭기가 내장형이냐 아니냐에 따라 외부 전원 공급의 필요가 결정된다.
상술한 바와 같이 이러한 압전형 센서에서는 가속도 방향에 따라 전하 값이 바뀜으로써 전류 값이 변화하게 되며, 이 전류 신호를 측정하여 분석함으로써 진동을 측정할 수 있게 된다. 진동 센서에서 나오는 신호는 일반적으로 분석, 출력, 저장 등을 위하여 적절하게 변환 및 증폭되며, 이러한 변환 및 증폭을 위해 다양한 회로가 구성되어 사용되고 있다. 도 1은 이러한 압전형 센서의 신호 발생 및 내장형 신호 변환 회로도 기술의 예시이다.
도 2는 종래의 진동 센서 신호 변환기의 한 실시예의 간략한 구성을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 종래의 진동 센서 신호 변환기는, 센서에 연결되는 정전류 회로와, 상기 정전류 회로에 연결되어 입력 전압에 의한 출력의 변화가 없이 일정한 출력 전압이 나오도록 전원을 안정화하는 전원 안정화 회로와, 상기 정전류 회로에 연결되어 상기 센서로부터 나오는 신호를 증폭하는 OP Amp 회로 등을 포함하여 이루어진다. 따라서 도 2의 하단에 도시된 바와 같이, 전원 회로의 신호와 센서 출력 신호가 결합되어 하단 최우측과 같은 진동 신호를 얻을 수 있게 된다.
도 3은 도 2의 신호 변환기 각부의 실시예들을 도시하고 있는데, 도 3(A)는 전압 안정화 회로의 한 실시예를, 도 3(B)는 정전류 회로의 한 실시예를, 도 3(C)는 OP Amp 회로의 한 실시예를 각각 도시하고 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 도 2와 같은 종래의 신호 변환기를 구성하기 위해서는 매우 다양하고 많은 회로 부품들이 필요한 바 회로 구성이 복잡하고 난해해지며 또한 제품 단가가 높아지는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 이와 같이 다양한 부품들을 사용하는 바 특히 신호 변환 중 노이즈가 끼어들 여지가 오히려 많아지게 되어, 측정 정확도도 떨어지는 문제가 있었다.
도 4는 종래의 여러 진동 센서 신호 변환기 기술들의 예시이다. 도 4(A)는 한국특허공개 제1995-0019654호("진동센서의 입력신호 감지회로", 1995.07.24)로서, 압전소자를 이용하여 기계적 충격을 전기적 신호로 변환하고, 이를 증폭 및 변환하는 회로를 구성함으로써 진동 신호를 감지하도록 하는 기술이 개시되어 있다. 또한 도 4(B)는 한국실용신안등록 제0126906호("선배열 음파 탐지기 센서부의 가속센서 인터페이스 회로", 1998.07.14)로서, 가속 센서에서 감지된 수중의 진동 신호에 대하여 증폭, 노이즈 제거, 변환 등의 작업을 수행하여 출력하도록 하는 기술이 개시되어 있다. 도 4(A)나 도 4(B)에서도 확인할 수 있듯이, 종래에는 진동 센서에서 나오는 신호를 증폭 및 변환하기 위해 매우 많은 전자 부품들이 사용되도록 회로가 구성되는 경향이 있었다.
그러나 상술한 바와 같이 회로를 구성하기 위한 전자 부품이 많아질수록 회로가 난해해지며 또한 장치의 제작 단가가 상승하고, 교체나 수리 등을 위한 운영 비용 또한 상승하는 등의 경제적인 문제점들이 있었다. 더불어 노이즈가 끼어들게 될 가능성이 높아져 측정 정확도가 떨어지는 등의 기술적 문제 또한 있어, 보다 단순화된 회로로 구성되면서도 적절하게 우수한 정확도로 진동 센서의 신호를 얻어낼 수 있는 신호 증폭기에 대한 당업자들의 요구가 꾸준히 있어 왔다.
1. 한국특허공개 제1995-0019654호("진동센서의 입력신호 감지회로", 1995.07.24) 2. 한국실용신안등록 제0126906호("선배열 음파 탐지기 센서부의 가속센서 인터페이스 회로", 1998.07.14)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래에 비하여 보다 단순화된 회로로 구성되면서도 우수한 정확도로 진동 신호를 얻어낼 수 있는 진동 센서 신호 변환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동 센서 신호 변환기는, 전원으로부터 전력을 공급받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하며, 센서(200)와 (+)단 및 (-) 단이 연결되는 전원 레귤레이터(110); 상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측 연결 경로 상에 구비되어, 상기 센서(200) 방향으로 일정한 전류 값의 전류를 흐르게 하는 정전류 다이오드(120); 를 포함하여 이루어지며, 상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측이 접지되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 전원 레귤레이터(110)는 입력 단자, 출력 단자, 접지 단자의 3단자를 가지며, 상기 전원으로부터 전력을 입력받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하는 정전압 IC(111)와, 상기 정전압 IC(111)의 입력 단자측 노드 및 접지 단자측 노드에 양단이 연결되는 제1축전기(112)와, 상기 정전압 IC(111)의 출력 단자측 노드 및 접지 단자측 노드에 양단이 연결되는 제2축전기(113)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서(200)는 가속도계 형태의 진동 센서인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래에 비하여 신호 증폭기의 회로를 단순화함으로써, 부품 수가 줄어들 뿐 아니라 OP 앰프 등의 고가 부품을 배제하고 저가의 부품만으로 회로를 구성할 수 있어, 제작 단가나 수리, 교체 등에 드는 운영 비용 등이 크게 절약되는 큰 경제적 효과가 있다. 특히 본 발명은 국내 부품들 및 기술력만으로도 충분히 구현 가능하므로 불필요한 수입을 방지할 수 있어, 경제적 이득 뿐만 아니라 수리나 교체 등의 과정 또한 훨씬 신속하고 용이해져, 운영상의 효율을 크게 높일 수 있는 효과 또한 있다.
도 1은 압전형 진동 센서의 신호 발생 및 내장형 신호 변환 회로의 실시 예.
도 2는 종래의 진동 센서 신호 변환기의 한 실시 예.
도 3은 도 2의 신호 변환기 각부의 실시 예.
도 4는 종래의 여러 진동 센서 신호 변환기들.
도 5는 본 발명의 진동 센서 신호 변환기의 실시 예.
도 6은 전압 레귤레이터의 실시 예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 진동 센서 신호 변환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2에 도시된 종래의 신호 변환기에 간략히 보인 바와 같이, 신호 변환기는 다음과 같은 조건을 만족하도록 설계되어야 한다. a) 전원으로부터 입력되는 전력의 전압 값에 관계없이 출력 전압이 일정해야 한다. b) 센서에 공급되는 전류는 일정해야 한다. c) 센서에서 출력되는 전압은 (-) 극성의 직류 전압에 플로팅(floating)되어야 한다. d) 출력 전압은 -8V ㅁ10% 범위 내여야 한다.
본 발명의 진동 센서 신호 변환기는, 상술한 바와 같은 조건들을 만족시키면서 부품 수를 최소화하여 경제성을 높이고 노이즈를 억제하도록 구성된다. 도 5는 이러한 본 발명의 진동 센서 신호 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 진동 센서 신호 변환기(100)는, 전압 레귤레이터(110) 및 정전류 다이오드(120, Current Regulative Diode, CRD)를 포함하여 이루어져, 센서(200)에서 출력되는 신호를 측정 및 분석 등이 용이하도록 적절하게 변환해 주도록 한다. 이 때, 앞서 간략히 설명한 바와 같이 상기 센서(200)는 가속도계 형태의 진동 센서인 것이 바람직하다.
상기 전압 레귤레이터(110)는, 도시된 바와 같이 상기 전압 레귤레이터(110)는 상기 센서(200)와 (+)단 및 (-) 단이 각각 연결되며, 상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측은 접지된다. 상기 전압 레귤레이터(110)는 전원으로부터 전력을 공급받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하게 되는데, 이러한 기능을 가지는 회로는 정전압 IC(Integrated Circuit)와 같은 부품을 사용하여 용이하게 구성 가능하다.
상기 정전류 다이오드(120)에 대하여 간략히 설명하자면, 정전류란 입력 전압이나 부하에 관계없이 전류를 항상 일정하게 공급해 주는 것을 말하는 것으로, 일반적으로 정전류 다이오드는 일정한 전류 값의 전류를 순방향으로 흐르게 하는, 즉 일정 순방향 전류를 유지해 주는 역할을 하는 전자 부품이다. 본 발명에서, 상기 정전류 다이오드(120)는 도시된 바와 같이 상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측 연결 경로 상에 구비되어, 상기 센서(200) 방향으로 일정한 전류 값의 전류를 흐르게 한다.
이와 같이 형성되는 본 발명의 진동 센서 신호 변환기(100)는 앞서 설명한 a), b) 조건을 충분히 만족시킨다. 이데 c), d) 조건의 만족을 위한 설계에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전원에서는 소정 전압 값을 가지는 전력을 공급하며, 이 전원 전압을 Vin이라고 한다. 이 때, Vin이 얼마이든 관계없이 상기 전압 레귤레이터(110)를 거치면서 상기 전압 레귤레이터(110)의 특성에 따라 일정한 전압 값으로 조정되며, 이 레귤레이션된 전압을 Vr이라 한다. 상기 센서(200)에서 출력되는 진동 신호의 전압 값을 Vs라 하면, 상기 진동 센서 신호변환기(100)를 통해 최종적으로 출력되는 출력 전압 Vout은 Vr과 Vs를 합친 값이 된다. 따라서 상기 센서(200)에서 나오는 신호에 따라 상기 전압 레귤레이터(110)의 특성을 적절하게 결정해 주기만 하면, 앞서 설명한 c), d) 조건 역시 쉽게 충족시킬 수 있다.
도 6은 상기 전압 레귤레이터(110)의 한 실시예로서, 상기 전압 레귤레이터(110)는 도시된 바와 같이 정전압 IC(111), 제1축전기(112), 제2축전기(113)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 정전압 IC(111)는 그 자체가 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 일정 전압을 출력하는 기능을 가지는 IC로서, 상기 전압 레귤레이터(110)로서 사용될 때에는 상기 전원으로부터 전력을 입력받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하게 된다. 상기 정전압 IC(111)는 도시된 바와 같이 입력 단자, 출력 단자, 접지 단자의 3단자를 가지는데, 즉 입력 단자와 출력 단자가 하나의 접지선을 공유하도록 형성된다. 이 때, 상기 정전압 IC(111)만으로도 물론 일정 전압의 출력이 가능하지만, 발진이나 노이즈를 방지하기 위하여 도시된 바와 같이 적절한 값의 축전기들이 더 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 전압 레귤레이터(110)는 상기 정전압 IC(111)와 더불어, 상기 정전압 IC(111)의 입력 단자측 노드 및 접지 단자측 노드에 양단이 연결되는 제1축전기(112)와, 상기 정전압 IC(111)의 출력 단자측 노드 및 접지 단자측 노드에 양단이 연결되는 제2축전기(113)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
일반적인 정전압 IC에 대하여 간략히 설명하자면 다음과 같다. 일반적으로 제조업계에서는 사양을 쉽게 알아볼 수 있도록 정전압 IC에 대하여 78XX 또는 79XX라는 숫자를 통일적으로 기재하고 있다. 78XX란 (+) 전압을 취급하는 +XX볼트 출력 IC라는 것을 의미하며, 79XX란 (-) 전압을 취급하는 -XX볼트 출력 IC라는 것을 의미한다. 여기에서 XX는 2자리 숫자로 해당 정전압 IC에서 출력하는 전압 값을 나타낸다. 여기에 제조사마다 자회사를 나타내기 위한 영문 약자가 부가 기재된다. 즉 예를 들어 LM7912라고 기재된 정전압 IC는, (LM을 약자로 쓰는 제조사에서 제조된) 입력 전압에 관계없이 항상 -12V의 전압을 출력하는 IC라는 것을 의미한다. 도 5의 실시예에서는 LM7912가 한 예시로서 기재되어 있으나 물론 이로써 한정되는 것은 아니며, 앞서 설명한 바와 같이 설계자가 원하는 설계 조건을 만족시킬 수 있는 정전압 IC라면 어떤 것을 사용하여도 무방하다.
이와 같이 본 발명의 진동 센서 신호 변환기(100)는 최소한의 부품만을 사용한 단순화된 회로로서 필요한 조건을 모두 만족시킬 수 있게 되어, 경제성을 극대화하고 노이즈 발생을 최소화할 수 있다. 더불어, 부품 수 최소화에 의하여 상대적으로 부품 고장 확률이 적고 또한 개별 부품의 고장 시 교체나 수리가 매우 용이하여 사용자 편의성을 극대화시켜 준다.
하기의 표 1은, 도 1과 같은 종래의 신호 변환기와 본 발명의 신호 변환기의 각종 특성을 비교한 것이다. 표 1로부터, 본 발명의 진동 센서 신호 변환기(100)를 사용함으로써 종래와 동일한 환경(즉 전원 및 센서 조건이 동일한 환경)에서 경제성을 극대화하고, 각종 성능을 유지 또는 개선할 수 있음을 잘 알 수 있다.
Figure 112011066166629-pat00001
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 진동 센서 신호 변환기
110: 전압 레귤레이터 111: 정전압 IC
112: 제1축전기 113: 제2축전기
120: 정전류 다이오드
200: 센서

Claims (3)

  1. 전원으로부터 전력을 공급받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하며, 센서(200)와 (+)단 및 (-) 단이 연결되는 전원 레귤레이터(110);
    상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측 연결 경로 상에 구비되어, 상기 센서(200) 방향으로 일정한 전류 값의 전류를 흐르게 하는 정전류 다이오드(120);
    입력 단자, 출력 단자, 접지 단자의 3단자를 가지며, 상기 전원으로부터 전력을 입력받아 일정한 전압 값을 가지도록 변환 출력하는 정전압 IC(111);
    상기 정전압 IC(111)의 입력 단자측 노드 및 접지 단자측 노드에 양단이 연결되는 제1축전기(112);
    상기 정전압 IC(111)의 출력 단자측 노드 및 접지 단자측 노드에 양단이 연결되는 제2축전기(113);를 포함하여 이루어지며,
    상기 전원 레귤레이터(110) 및 상기 센서(200)의 (+)측이 접지되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 진동 센서 신호 변환기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 센서(200)는
    가속도계 형태의 진동 센서인 것을 특징으로 하는 진동 센서 신호 변환기.
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