KR101300024B1 - 절대 변위 검출 방법 및 그 방법을 이용한 절대 변위 센서 - Google Patents

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Abstract

절대 변위 센서(1)는 피검출체로서의 센서 하우징(2), 센서 하우징(2)에 스프링 계수(k) 및 감쇠 계수(c)로 운동가능하게 지지된 질량(m)을 가진 질량체(3), 질량체(3)에 대한 센서 하우징(2)의 상대 속도를 전기적으로 검출하는 검출 수단(4), 상대 변위를 포지티브하게, 상대 속도를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도를 네거티브하게 각각 피드백시켜 센서 하우징(2)의 절대 변위에 기인하는 질량체(3)의 절대 변위를 제어하는 피드백 제어 수단(5), 상대 변위에 위상 지연 보상을 하는 위상 지연 보상 수단(6)을 구비하고 있다.

Description

절대 변위 검출 방법 및 그 방법을 이용한 절대 변위 센서{Absolute displacement detection method and absolute displacement sensor using the method}
본 발명은 공장, 사업장, 건설 작업장 등에서 사용되는 금속 가공 기계, 압축기 등에 기인하는 기계의 진동, 또한 지진, 자동차 주행 등에 기인하는 지반, 노면 진동 등에 의한 건물이나 기계 장치의 진동, 또 바람에 의한 와여진이나 지진에 의한 초고층 빌딩의 진동 등을 관측하거나 진동 제어하기 위해 필요한 진동체(피검출체)의 절대 변위를 검출하는 절대 변위 검출 방법 및 그 방법을 이용한 절대 변위 센서에 관한 것이다.
최근 공장, 사업장, 건설 작업장에서 사용되는 금속 가공 기계, 압축기에 기인하는 진동, 또한 지진, 자동차 주행에 기인하는 지반, 노면 진동 등에 의해 사무소, 사업 빌딩, 집합 주택, 일반 주택 등의 구조물에서 진동 문제가 발생하고 있다. 이러한 일반 주택 등의 방진대책으로서는 액티브 제어를 이용한 액티브 동흡진기를 이용하는 것을 생각할 수 있는데, 이상적인 액티브 제어에서는 진동을 받은 경우의 제어 대상물, 즉 진동체(피검출체)로서의 구조물의 절대 변위, 절대 속도 등을 검출하는 것이 필요하게 되고, 그 검출에는 직접 제어 대상물에 장착하는 사이즈모계 형 변위 센서(이하, 변위 센서라고 함)가 적합하다.
일본특허공개2003-130628호공보
그런데, 토지의 유효 이용이나 건축 기술의 향상에 따라 2층 건물에서 3층 건물의 일반 주택 등이 늘고 있는 결과, 이러한 구조물의 고유 진동수는 3Hz부근 등과 같이 저하하고 있지만, 변위 센서의 검출 가능 범위는 그 자신의 고유 진동수 이상이기 때문에, 변위 센서 자신의 고유 진동수 이하의 고유 진동수를 가진 구조물의 절대 변위, 절대 속도 등의 검출은 종래의 변위 센서에서는 어렵게 된다.
변위 센서의 고유 진동수를 내리는 데는 변위 센서 내의 질량체의 질량을 크게 하고, 질량체를 낮은 강성으로 지지하면 좋지만, 이러한 수단으로는 변위 센서의 대형화를 초래함과 동시에 구조적으로 취약해질 우려가 있고, 또한 검출 가능 진폭이 작은 변위 센서에서는 그 용도가 제한되어 그다지 편리성이 없다.
그래서, 특허문헌에서는 피드백 기술을 이용한 절대 변위 센서가 제안되어 있다.
특허문헌에서 제안된 절대 변위 센서에 의하면, 상기 문제를 바람직하게 해결하여 고유 진동수를 내릴 수 있고, 게다가 검출 가능 진폭을 넓힐 수 있으며, 그리고 고유 진동수가 높은 구조물 및 작은 진폭으로 진동하는 경우는 물론 고유 진동수가 낮은 구조물에서도, 또한 큰 진폭으로 진동하는 경우에도 그 절대 속도·절대 변위를 양호하게 검출할 수 있다.
그러나, 피드백 기술을 이용한 특허문헌의 절대 변위 센서에서는, 초고층 빌딩의 흔들림과 같은 극저주파수까지 검출 가능하게 하는 데는 상대 변위의 포지티브 피드백에 대한 어려운 조정이 요구되는 데다가, 조정 후의 의도하지 않은 변동으로 제어 불안정에 빠지기 쉬운 문제가 있다.
본 발명은 상기 여러가지 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 질량체가 갖는 상태량(변위·속도·가속도)을 피드백함으로써 구조적인 결함을 일으키지 않고 고유 진동수를 내릴 수 있으며, 게다가 검출 가능 진폭을 넓힐 수 있고, 그리고 고유 진동수가 높은 구조물 및 작은 진폭으로 진동하는 경우는 물론 고유 진동수가 낮은 구조물에서도, 또한 큰 진폭으로 진동하는 경우에도 그 절대 변위를 양호하게 검출할 수 있는 데다가, 상대 변위의 포지티브 피드백의 어려운 조정을 필요로 하지 않고 극저주파수까지 검출 범위를 넓힐 수 있음과 동시에 절대 변위를 안정하게 검출할 수 있는 절대 변위 검출 방법 및 그 방법을 이용한 절대 변위 센서를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 의한 절대 변위 검출 방법은, 주어진 스프링 계수 및 감쇠 계수로 피검출체에 지지된 질량체에 대한 해당 피검출체의 상대 속도를 검출하고, 이 검출한 상대 속도를 적분하여 얻어진 상대 변위를 포지티브하게, 검출한 상대 속도를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도를 네거티브하게 각각 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하는 한편, 적분하여 얻어진 상대 변위에 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 한 상대 변위에서 피검출체의 절대 변위를 얻는 것으로 이루어진다.
본 발명에 의한 절대 변위 센서는, 주어진 스프링 계수 및 감쇠 계수로 피검출체에 지지된 질량체, 이 질량체에 대한 피검출체의 상대 속도를 검출하는 검출 수단, 이 검출한 상대 속도를 적분하여 얻어진 상대 변위를 포지티브하게, 검출한 상대 속도를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도를 네거티브하게 각각 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하는 피드백 제어 수단, 적분하여 얻어진 상대 변위에 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 하는 위상 지연 보상 수단을 구비하고 있고, 위상 지연 보상 수단에 의해 위상 지연 보상을 한 상대 변위를 피검출체의 절대 변위로서 출력하도록 한 것이다.
본 발명에 의한 절대 변위 검출 방법에서는, 검출한 상대 속도를 네거티브 또는 포지티브하게 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하게 해도 되고, 또한 본 발명에 의한 절대 변위 센서에서는, 피드백 제어 수단은 검출한 상대 속도를 네거티브 또는 포지티브하게 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하게 되어 있어도 된다.
본 발명은, 변위 센서 자체의 고유 진동수보다 높은 주파수가 아니면 절대 변위의 검출이 어렵고, 변위 센서가 가지는 고유 진동수를 내릴 수 있으면 검출 범위를 넓혀 낮은 주파수에서도 검출 가능하게 되지만, 단지 질량체의 질량을 크게 하고 질량체를 지지하는 스프링의 스프링 계수를 작게 하여 고유 진동수를 내려도 변위 센서의 대형화를 초래함과 동시에 구조적으로 취약해질 우려가 있음을 감안하여, 서보 기술을 이용하여 질량체의 상태량을 피드백시키는 데다가 이러한 서보 기술을 이용하여 얻어진 상대 변위에 위상 지연 보상을 하여 고유 진동수를 내리도록 한 것이다.
본 발명에서의 절대 변위 검출 방법 및 절대 변위 센서에서는, 검출한 상대 속도를 적분하여 얻어진 상대 변위를 포지티브하게, 검출한 상대 속도를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도를 네거티브하게 각각 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하기 때문에, 후술하는 바와 같이 고유 진동수를 내릴 수 있고, 고유 진동수가 높은 구조물은 물론 고유 진동수가 낮은 구조물에서도 그 절대 변위를 양호하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 절대 변위 검출 방법 및 절대 변위 센서에서는, 피드백 루프 밖에서 적분한 상대 변위에 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 하도록 하고 있기 때문에, 제어 불안정에 빠지기 쉬운 상대 변위의 포지티브 피드백의 조정을 하지 않아도 후술하는 바와 같이 극저주파수까지 검출 범위를 넓힐 수 있다. 구체적으로 본 발명에서의 절대 변위 검출 방법 및 절대 변위 센서에서는, 피드백 루프에서 그 고유 진동수 이하에서는 위상이 진행하게 되고, 따라서 검출 범위에서 위상의 진행이 제로가 되도록 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 하도록 하면 극저주파수까지 검출 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 본 발명에서의 절대 변위 검출 방법 및 절대 변위 센서에서는, 검출한 상대 속도를 네거티브하게 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하기 때문에, 후술하는 바와 같이 감쇠비를 크게 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 태양의 절대 변위 센서에서 출력되는 절대 변위에 기초하여 진동체의 진동을 흡수하도록 한 액티브 동흡진기도 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 질량체가 가지는 상태량(변위·속도·가속도)을 피드백함으로써 구조적인 결함을 일으키지 않고 고유 진동수를 내릴 수 있으며, 게다가 검출 가능 진폭을 넓힐 수 있고, 그리고 고유 진동수가 높은 구조물 및 작은 진폭으로 진동하는 경우는 물론 고유 진동수가 낮은 구조물에서도, 또한 큰 진폭으로 진동하는 경우에도 그 절대 변위를 양호하게 검출할 수 있는 데다가, 상대 변위의 포지티브 피드백의 어려운 조정을 필요로 하지 않고 극저주파수까지 검출 범위를 넓힐 수 있음과 동시에 절대 변위를 안정하게 검출할 수 있는 절대 변위 검출 방법 및 그 방법을 이용한 절대 변위 센서를 제공할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시형태의 예를 도면에 나타내는 예에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 또, 본 발명은 이들 예에 전혀 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 바람직한 일례의 설명도,
도 2는 도 1에 나타내는 예의 위상 지연 보상 수단의 설명도,
도 3은 도 1에 나타내는 예의 위상 지연 보상 수단의 주파수 특성의 설명도,
도 4는 도 1에 나타내는 예의 주파수 특성의 설명도이다.
도 1에서, 본 예의 절대 변위 센서(1)는 피검출체로서의 센서 하우징(2), 센서 하우징(2)에 스프링 계수(k(N/m)) 및 감쇠 계수(c(Ns/m))로 운동가능하게 지지된 질량(m(kg))을 가진 질량체(3), 질량체(3)에 대한 센서 하우징(2)의 상대 속도(v(=vu-vx)(m/s))(여기서, vx(m/s)는 센서 하우징(2)의 절대 속도(vu(m/s))에 기인하는 질량체(3)의 절대 속도임)를 전기적으로 검출하는 검출 수단(4), 검출 수단(4)에서 검출한 상대 속도(v)를 적분하여 얻어진 상대 변위(u-x)를 포지티브하게, 검출한 상대 속도(v)를 본 예에서는 네거티브하게, 검출한 상대 속도(v)를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도(a(m/s2))를 네거티브하게 각각 피드백시켜 센서 하우징(2)의 절대 변위(u)에 기인하는 질량체(3)의 절대 변위(x)를 제어하는 피드백 제어 수단(5), 피드백 제어 수단(5)으로부터의 적분하여 얻어진 상대 변위(u-x)에 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 하는 위상 지연 보상 수단(6)을 구비하고 있다.
질량체(3)는 스프링 계수(k(N/m))를 가진 스프링(11)에 의해 변위 자유자재(진동 자유자재)로 센서 하우징(2)에 지지되어 있고, 이러한 질량체(3)의 진동에 대한 감쇠 계수(c)는 스프링(11) 자체의 탄성 변형에서의 열손실과 검출 수단(4)에서의 와전류손에 기초하여 결정된다.
검출 수단(4)은 센서 하우징(2)에 고정된 영구자석(12), 영구자석(12)의 자속을 검출하도록 질량체(3)에 고정된 코일(13), 코일(13)로부터의 상대 속도(v)를 나타내는 전류 신호(i)를 증폭도(전류-전압 변환 계수)(Ka(V/A))로 상대 속도(v)로서의 상대 속도 전압 신호(ev(V))로 변환하는 증폭기(14)를 구비하고 있고, 코일(13)은 질량체(3)에 대한 센서 하우징(2)의 상대 속도(v)를 코일(13)을 가로지르는 영구자석(12)의 자속 변화로서 전기적으로 검출하게 되어 있으며, 코일(13)에 의한 영구자석(12)의 자속 변화의 전기적인 검출에서의 와전류손이 감쇠 계수(c)에 기여하고 있다.
피드백 제어 수단(5)은 상대 속도 전압 신호(ev)를 적분하여 상대 변위(u-x)로서의 상대 변위 전압 신호(eD(V))를 출력하는 적분 회로(15), 상대 속도 전압 신호(ev)를 1차 미분하여 상대 가속도(a)로서의 상대 가속도 전압 신호(eA(V))를 출력하는 미분 회로(16), 상대 속도 전압 신호(ev)를 적분하여 얻어진 상대 변위 전압 신호(eD)에 변위 피드백 게인(KD)을 승산하여 전압 신호(KD·eD)를 출력하는 승산기(17), 상대 속도 전압 신호(ev)에 속도 피드백 게인(KV)을 승산하여 전압 신호(KV·ev)를 출력하는 승산기(18), 상대 가속도 전압 신호(eA)에 가속도 피드백 게인(KA)을 승산하여 전압 신호(KA·eA)를 출력하는 승산기(19), 승산기(17, 18 및 19)로부터의 전압 신호(KD·eD, KV·ev 및 KA·eA)를 가감산하여 가감산 전압 신호(ec(=KD·eD-KV·ev-KA·eA))를 출력하는 가감산기(20), 가감산 전압 신호(ec)를 변환 피드백 게인(Kf(A/V))으로 전류 신호(fc)로 변환하는 변환기(21), 변환기(21)로부터의 전류 신호(fc)를 코일 구동 전류로서 작동하는 전자 액추에이터(22)를 구비하고 있다.
적분 회로(15)는 저항값(RD(Ω))을 가진 저항(25)과 정전용량(CD(F))을 가진 커패시터(26)로 이루어지고, 미분 회로(16)는 정전용량(CA(F))을 가진 커패시터(27)와 저항값(RA(Ω))을 가진 저항(28)으로 이루어진다.
액추에이터로서의 전자 액추에이터(22)는 질량체(3)에 고정된 코일(29)과, 센서 하우징(2)에 고착되어 있음과 동시에 전류 신호(fc)에 기초하여 코일(29)에 입력되는 전류(A)로 구동력(F(N))을 발생하는 영구자석(30)으로 이루어지고, 입력되는 전류에 대해 구동력(F)을 발생시키며, 구동력(F)을 코일(29)에 대해 질량체(3)에 상대적으로 부여하여 센서 하우징(2)에 대해 상대적으로 질량체(3)를 변위시키도록 되어 있고, 변환 피드백 게인(Kf)에는 전류 신호(fc)에 대한 구동력(F)에의 변환 게인이 포함되어 있는 것으로 한다.
위상 지연 보상 수단(6)은 도 2에 나타내는 바와 같이 부호 변환기(41), 적분기(42), 적분기(43), 가산기(44), 부호 변환기(45) 및 부호 변환기(46)를 가지고 있고, 입력되는 상대 변위 전압 신호(eD)를 반전하는 부호 변환기(41)는 저항값(R1 및 R2(Ω))을 각각 가진 저항(51 및 52)과 연산 증폭기(53)로 이루어지며, 입력되는 부호 변환기(41 및 45)로부터의 출력 신호를 적분하는 적분기(42)는 저항값(R3, R4 및 R5(Ω))을 각각 가진 저항(54, 55 및 56)과 정전용량(C1(F))을 가진 커패시터(57)와 연산 증폭기(58)로 이루어지고, 입력되는 적분기(42)로부터의 출력 신호를 적분하는 적분기(43)는 저항값(R6(Ω))을 가진 저항(59)과 정전용량(C2(F))을 가진 커패시터(6O)와 연산 증폭기(61)로 이루어지며, 입력되는 부호 변환기(41), 적분기(43) 및 부호 변환기(46)로부터의 출력 신호를 가산하는 가산기(44)는 저항값(R7, R8, R9 및 R10(Ω))을 각각 가진 저항(62, 63, 64 및 65)과 연산 증폭기(66)로 이루어지고, 입력되는 적분기(43)로부터의 출력 신호를 반전하는 부호 변환기(45)는 저항값(R11 및 R12(Ω))을 각각 가진 저항(67 및 68)과 연산 증폭기(69)로 이루어지며, 입력되는 적분기(42)로부터의 출력 신호를 반전하는 부호 변환기(46)는 저항값(R13 및 R14(Ω))을 각각 가진 저항(7O 및 71)과 연산 증폭기(72)로 이루어진다.
도 2에 나타내는 위상 지연 보상 수단(6)은 R1=R2, R3=1/ωd 2, R4·R6·C1·C2=1/ωd 2, R5·C1=1/(2·ζd·ωd), R10/R7=ωd 2/ωn 2, R10/R8=1-ωd 2/ωn 2, R10/R9=2·ζn·(1/ωn)-2·ζd·(ωd/ωn 2), R11=R12, R13=R14로서, ωn=O.9·(2π)(rad/s), ζn=0.4, ωd=0.1·(2π)(rad/s), ζd=O.15인 식(1)에 나타내는 2차계의 전달 함수(Gc(s))를 가짐과 동시에 도 3에 나타내는 주파수 특성을 가지고 있고, 식(15)에 나타나는 고유 진동수(ωn) 이하에서는 위상이 진행하는 피드백 제어 수단(5)의 출력 신호인 상대 변위 전압 신호(eD)에 대해 검출 범위에서의 위상의 진행이 제로가 되도록 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 하도록 하고 있다.
Figure 112010007813217-pct00001
이상의 절대 변위 센서(1)에서 전부 네거티브하게 피드백된다고 하면, 피검출체로서의 센서 하우징(2)의 절대 변위(u)에 대한 상대 변위 전압 신호(eD)의 전달 함수는 다음 식(2)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00002
또한, 절대 변위(u)에 대한 상대 속도 전압 신호(ev)의 전달 함수는 다음 식(3)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00003
식(2) 및 (3)에서 계수(a0, a1, a2, a3 및 a4)는 다음 식(4)부터 (8)에 나타난다.
Figure 112010007813217-pct00004
Figure 112010007813217-pct00005
(5)
Figure 112010007813217-pct00006
(6)
Figure 112010007813217-pct00007
(7)
Figure 112010007813217-pct00008
(8)
여기서, TD는 적분 회로(15)의 시정수, TA는 미분 회로(16)의 시정수로서, 적분 회로(15)의 전달 함수(GD(s))는 다음 식(9)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00009
TD가 크면 TDs≫1이기 때문에, 전달 함수(GD(s))는 다음 식(1O)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00010
미분 회로(16)의 전달 함수(GA(s))는 다음 식(11)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00011
s가 작은 범위에서는 TAs≪1이기 때문에, 전달 함수(GA(s))는 다음 식(12)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00012
식(10) 및 (12)로부터 절대 변위(u)에 대한 상대 변위 전압 신호(eD)의 전달 함수는 다음 식(13)으로 나타낼 수 있다.
Figure 112010007813217-pct00013
마찬가지로 식(10) 및 (12)로부터 절대 변위(u)에 대한 상대 속도 전압 신호(ev)의 전달 함수는 다음 식(14)으로 나타낼 수 있다.
Figure 112010007813217-pct00014
식(13)으로부터 고유 진동수(ωn) 및 감쇠비(ζ)를 구하면 다음 식(15) 및 (16)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00015
Figure 112010007813217-pct00016
(16)
센서 하우징(2)의 상대 변위(u-x)에 기인하는 센서 하우징(2)의 절대 변위(u)의 전달 함수는 다음 식(17)이 된다. 이 식(17)을 나타내는 주파수 응답 특성이 도 4의 귀환만의 이득, 위상선도이다. 도 4 중의 ωn은 식(15)으로 정해지고, 그 주파수의 피크 값은 식(16)으로 정해진다. 점선으로 나타난 귀환 없이는 이득이 OdB이지만, 가는 실선으로 나타낸 귀환만으로는 ωn이상의 주파수에서 이득이 -34dB로 저하된다. 그러나, 1Hz에서 위상이 45°진행되어 있고, 변위를 측정하는 센서로서의 측정 범위는 약 2Hz 이상이 된다. 이 측정 범위를 극저주파수까지 확대하는 것이 위상 지연 보상 수단(6)이다. 즉, 도 4의 ωn과 도 3의 ωn을 일치시킴으로써 1Hz의 위상을 O°로 하고, 또 O.2Hz 부근까지 O°부근의 위상으로 한다.
Figure 112010007813217-pct00017
절대 변위 센서(1)에 의한 절대 변위(u)의 검출 범위는 고유 진동수(ωn) 이상으로서, 전달 함수(u-x)/u의 크기(게인)가 일정해지는 영역이다. 따라서, 식(17)에서 고유 진동수(ωn) 이상에서 영향을 받는 항은 분자, 분모 모두 s2의 항이 되므로, 고유 진동수(ωn) 이상에서의 전달 함수(u-x)/u 및 검출되는 상대 변위(u-x)는 다음 식(18)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00018
절대 변위 센서(1) 내의 구조상 등의 요구에 의해 절대 변위 센서(1)에 의해 검출할 수 있는 검출 가능 진폭(검출 가능 최대 진폭)(H(=Max·(u-x))과, 절대 변위 센서(1)에 의해 검출할 수 있는 센서 하우징(2)의 검출 가능 진폭(검출 가능 최대 진폭)(U(=Max·u))의 관계는 식(19)이 된다.
Figure 112010007813217-pct00019
이상의 절대 변위 센서(1)의 해석으로부터 명백한 바와 같이, 식(15)에서 상대 변위 피드백 게인(KD)을 바꿈으로써 분자항의 (k+1/TD·Ka·Kf·KD)가 변화하고, 여기서 1/TD, Ka, Kf는 양이므로 상대 변위(u-x)의 포지티브한 피드백에 의해 분자항은 (k-1/TD·Ka·Kf·KD)가 되어 작아지고 있다(또, 상대 변위(u-x)의 네거티브한 피드백으로는 식 15의 분자항은 (k+1/TD·Ka·Kf·KD)가 된다).
또한, 식(15)에서 상대 가속도 피드백 게인(KA)을 바꿈으로써 분모항의 (m+TA·Ka·Kf·KA)가 변화하고, 여기서 TA, Ka, Kf는 양이므로 상대 가속도(a)의 네거티브의 피드백에 의해 분모항의 (m+TA·Ka·Kf·KA)는 커지고 있다(또, 상대 가속도(a)의 포지티브한 피드백으로는 분모항은 (m-TA·Ka·Kf·KA)가 된다).
따라서, 절대 변위 센서(1)에서는 상대 변위(u-x)가 포지티브하게, 상대 가속도(a)가 네거티브하게 각각 피드백되어 있기 때문에, 구조적인 결함을 일으키지 않고 고유 진동수(ωn)를 내릴 수 있다.
또한, 절대 변위 센서(1)에서는 식(19)에서 명백한 바와 같이 상대 가속도(a)가 네거티브하게 피드백되어 (TA·Ka·Kf·KA)가 양이 되게 되어 있기 때문에, 검출 가능 진폭(H)이 작아도 센서 하우징(2)의 큰 절대 변위(u)를 검출할 수 있는, 다시 말하면 절대 변위 센서(1)의 검출 가능 진폭(U)을 넓힐 수 있다.
또, 절대 변위 센서(1)에서는, 상대 속도(v)의 피드백은 감쇠비(ζ)에만 영향을 주고, 식(16)에서 상대 속도(v)의 속도 피드백 게인(Kv)을 바꿈으로써 분자항의 (c+Ka·Kf·Kv)가 변화하게 되어 있고, 여기서 Ka, Kf는 양의 계수이므로 상기와 같이 상대 속도(v)를 네거티브하게 피드백하고 있기 때문에 (c+Ka·Kf·Kv)는 커져 감쇠비(ζ)도 커진다. 상대 속도(v)를 포지티브하게 피드백하면, 식(16)의 분자항은 (c-Ka·Kf·Kv)가 되고, 상대 속도(v)의 포지티브한 피드백으로 감쇠비(ζ)를 작게 할 수 있다.
또한, 절대 변위 센서(1)에서는 적분하여 얻어진 상대 변위(u-x)에 위상 지연 보상을 하는 위상 지연 보상 수단(6)을 구비하고 있기 때문에, 식(17)에 나타나는 전달 함수((u-x)/u)의 고유 진동수(ωn) 부근에서의 위상 진행을 해소할 수 있고, 고유 진동수(ωn)를 내릴 수 있어 고유 진동수가 매우 낮은 구조물에서도 그 절대 변위를 양호하게 검출할 수 있다.
덧붙여서, 도 2에 나타내는 위상 지연 보상 수단(6)을 이용한 절대 변위 센서(1)에서는, 도 4의 주파수 응답 특성의 굵은 실선으로 나타내는 귀환+위상 지연 보상의 특성선도에서도 명백한 바와 같이 O.2Hz까지의 검출이 가능하고, 게다가 이득이 -34dB까지 저하되어 있기 때문에 50배의 변위가 검출 가능하게 되며, 예를 들면 질량체(3)의 가동량이 1mm이어도 50mm의 절대 변위를 검출할 수 있게 되어 소형화가 가능하다.
따라서, 스프링 계수(k) 및 감쇠 계수(c)로 피검출체로서의 센서 하우징(2)에 지지된 질량체(3)에 대한 센서 하우징(2)의 상대 속도(v)를 검출하고, 검출한 상대 속도(v)를 적분하여 얻어진 상대 변위(u-x)를 포지티브하게, 검출한 상대 속도(v)를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도(a)를 네거티브하게, 검출한 상대 속도(v)를 네거티브하게 각각 피드백시켜 센서 하우징(2)의 절대 변위(u)에 기인하는 질량체(3)의 절대 변위(x)를 제어하고, 게다가 적분하여 얻어진 상대 변위(u-x)에 위상 지연 보상을 하는 절대 변위 검출 방법을 실시하는 절대 변위 센서(1)에서는, 출력 단자(31 및 32) 각각으로부터 위상 지연 보상이 행해진 상대 변위(u-x) 및 센서 하우징(2)의 검출된 상대 속도(v)를 실질적인 절대 변위 및 절대 속도로서 전기신호로 출력시켜 얻을 수 있다.
또한, 절대 변위 센서(1)에서는 검출 수단(4)에서 질량체(3)에 대한 센서 하우징(2)의 상대 속도(v)를 전기적으로 검출하고, 검출 수단(4)에서 검출한 상대 속도(v)를 적분하여 상대 변위(u-x)를 얻고 있기 때문에, 직접적으로 상대 변위(u-x)를 전기적으로 검출하는 것과 비교하여 직류분에 의한 드리프트의 영향을 피할 수 있다.
절대 변위 센서(1)에서는, 미분 회로(16)의 상대 가속도 전압 신호(eA(V))를 절대 가속도로서 출력시켜 얻도록 해도 된다.

Claims (5)

  1. 주어진 스프링 계수 및 감쇠 계수를 가지고 피검출체에 지지된 질량체에 대한 해당 피검출체의 상대 속도를 검출하고, 이 검출한 상대 속도를 적분하여 얻어진 상대 변위를 포지티브하게, 검출한 상대 속도를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도를 네거티브하게 각각 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 피드백 루프에 의해 제어하는 한편, 피검출체의 절대 변위를 검출하는 검출 범위에서의 위상의 진행이 0이 되도록, 적분하여 얻어진 상대 변위에 상기 피드백 루프의 고유 진동 주파수를 포함하는 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 한 상대 변위에서 피검출체의 절대 변위를 얻는, 절대 변위 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    검출한 상대 속도를 네거티브 또는 포지티브하게 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하는, 절대 변위 검출 방법.
  3. 주어진 스프링 계수 및 감쇠 계수를 가지고 피검출체에 지지된 질량체, 이 질량체에 대한 피검출체의 상대 속도를 검출하는 검출 수단, 및 이 검출한 상대 속도를 적분하여 얻어진 상대 변위를 포지티브하게, 검출한 상대 속도를 1차 미분하여 얻어진 상대 가속도를 네거티브하게 각각 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하는 피드백 제어 수단을 갖고 있는 피드백 루프와, 피검출체의 절대 변위를 검출하는 검출 범위에서의 위상의 진행이 0이 되도록, 적분하여 얻어진 상대 변위에 상기 피드백 루프의 고유 진동 주파수를 포함하는, 필요한 주파수 영역에서 위상 지연 보상을 하는 위상 지연 보상 수단을 구비하고 있고, 위상 지연 보상 수단에 의해 위상 지연 보상을 한 상대 변위를 피검출체의 절대 변위로서 출력하는, 절대 변위 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    피드백 제어 수단은 검출한 상대 속도를 네거티브 또는 포지티브하게 피드백시켜 피검출체의 절대 변위에 기인하는 질량체의 변위를 제어하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 절대 변위 센서.
  5. 제3항 또는 제4항에 기재된 절대 변위 센서에서 출력되는 절대 변위에 기초하여 진동체의 진동을 흡수하는, 액티브 (active) 동흡진기 (動吸振器).
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