KR101356323B1 - 초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법 - Google Patents

초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법 Download PDF

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Abstract

초음파 측정 장치는, 대상체에 향하여 초음파를 출력하는 송신부 및 상기 송신부에 대하여 동일한 간격으로 이격되며, 상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 수신하는 적어도 두 개의 수신부들을 구비하는 송수신 모듈, 상기 송신부에서 출력된 초음파 및 상기 수신부들에 송신된 초음파에 대한 시간 계수를 산출하는 비교기 모듈 및 상기 비교기에서 산출된 상기 시간 계수를 이용하여 상기 대상체와 상기 송신부 사이의 거리 및 상기 송수신 모듈과 상기 대상체가 이루는 각도를 산출하는 산출 모듈을 포함한다.

Description

초음파 측정 장치 및 초음파 측정 방법{ULTRASONIC MEASUREMENT APPARATUS AND ULTRASONIC MEASUREMENT METHOD}
본 발명은 초음파 측정 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 초음파를 이용하여 거리를 측정할 수 있는 초음파 측정 장치에 관한 것이다.
초음파 측정 장치는 압전 소자를 사용한 진동자의 송신기로부터 발진된 초음파가 대상체에 반사된 반사파가 수신기에 도달할 때까지의 소요 시간을 이용하여 대상체 및 송신기 사이의 거리를 검출한다.
일반적으로 초음파 측정 장치는 대향형 측정 장치 및 반사형 측정 장치로 분류될 수 있다. 상기 대향형 측정 장치는 송신기와 수신기를 상호 마주보게 배치하여 송신기로부터 방출된 초음파가 물체에 의해 차단될 때 수신기의 신호 변화를 검출함으로써 거리를 산출할 수 있다.
한편, 상기 반사형 측정 장치는 한 쌍의 송신기와 수신기를 동일한 유닛으로 일렬로 정렬되도록 배치할 수 있다. 이때, 송신기가 대상체를 향하여 초음파를 발생시키고 상기 대상체로부터 반사된 초음파를 수신기가 감지한다. 이 경우, 발생 후부터 반사된 초음파에 대한 시간 계수치가 물체까지의 수직거리를 왕복한 시간이 된다.
본 발명의 일 목적은 초음파을 이용하여 대상체 및 송신기 사이의 거리 및 각도를 효과적으로 측정할 수 있는 초음파 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 음파을 이용하여 대상체 및 송신기 사이의 거리 및 각도를 효과적으로 측정할 수 있는 초음파 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 초음파 측정 장치는, 대상체에 향하여 초음파를 출력하는 송신부 및 상기 송신부에 대하여 동일한 간격으로 이격되며, 상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 수신하는 적어도 두 개의 수신부들을 구비하는 송수신 모듈, 상기 송신부에서 출력된 초음파 및 상기 수신부들에 송신된 초음파에 대한 시간 계수를 산출하는 비교기 모듈 및 상기 비교기에서 산출된 상기 시간 계수를 이용하여 상기 대상체와 상기 송신부 사이의 거리 및 상기 송수신 모듈과 상기 대상체가 이루는 각도를 산출하는 산출 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 장치는 상기 수신부들로부터 송신된 초음파 신호를 증폭시키는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 장치는 상기 송신부에 송신 트리거 신호를 전달하고, 상기 비교기 모듈에 상기 수신된 초음파가 수신된 시점에서 수신 트리거 신호를 전달하는 트리거 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 초음파 측정 방법에 있어서, 송신부로부터 대상체에 향하여 초음파를 출력한 후, 상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 상기 송신부로부터 동일 간격으로 이격되도록 적어도 두 개의 위치에 위치한 제1 및 제2 수신부들에서 각각 수신한다. 이어서, 상기 출력된 초음파 및 상기 송신된 초음파에 대한 시간 계수를 산출한 후, 상기 시간 계수를 이용하여 상기 대상체와 상기 송신부 사이의 거리(d) 및 상기 송신부 및 상기 제1 및 제2 수신부들을 포함하는 송수신 모듈과 상기 대상체가 이루는 각도(θ)를 산출함으로써 수행된다. 여기서, 상기 거리(d)는 하기 수학식1로부터 산출되며, 상기 각도(θ)는 하기 수학식2로부터 산출될 수 있다.
수학식 1 수학식 2
Figure 112012006473333-pat00001
Figure 112012006473333-pat00002
여기서, r1은 가상의 송신부로부터 제1 수신부까지의 초음파의 최단거리이며, r2는 가상의 송신부로부터 제2 수신부까지의 초음파의 최단거리이며 S는 송신부에서 제1 및 제2 수신부들까지의 동일한 각각의 이격 거리임.
본 발명에 따른 초음파 측정 장치는 상호 이격된 복수의 수신부들을 이용하여 초음파를 수신함으로서 수신된 초음파에 대한 시간 계수를 측정함으로써, 다수의 거리 정보를 동시에 획득할 수 있다. 따라서, 하나의 수신부를 이용할 경우 후속하는 초음파에 대한 초음파 간의 간섭 현상이 발생할 수 있으나, 본 발명과 같이 복수의 수신부들이 각각 초음파를 억제될 수 있으며, 나아가 측정 시간이 감소되어 실시간 거리 정보를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 초음파 측정 장치를 이용하여 거리 및 각도를 측정하는 제1 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도1의 초음파 측정 장치를 이용하여 거리 및 각도를 측정하는 제2 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 도1의 초음파 측정 장치를 이용하는 운동 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 본 발명은 본 발명의 실시예들을 보여주는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
하나의 요소가 다른 하나의 요소 또는 층 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로서 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들 또는 층들이 이들 사이에 게재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결되는 것으로서 설명되는 경우, 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
하기에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들인 단면 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화들은 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차들을 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 영역들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상들은 영역의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 장치(100)는 송수신 모듈(110), 비교기 모듈(130) 및 산출 모듈(120)을 포함한다. 상기 초음파 측정 장치(100)는 초음파를 대상체에 향하여 조사한 후 반사되는 초음파를 수신함으로써 상기 송수신 모듈(110) 및 상기 대상체 사이의 수직 거리 및 각도를 측정할 수 있다. 또한 상기 초음파 측정 장치(100)는 적어도 두 개의 수신부들(116, 117)을 구비한 송수신 모듈(110)을 포함함으로써, 적어도 두 개의 수신부들(116, 117)이 반사된 초음파를 수신함으로써 상기 산출 모듈(120)이 다수의 거리 정보를 동시에 획득하여 분석함으로써 상기 수직 거리 및 상기 각도에 대한 정보를 용이하게 확보할 수 있다.
상기 송수신 모듈(110)은 상기 대상체를 향하여 초음파를 출력하고 상기 대상체로부터 반사된 초음파를 수신한다.
상기 송수신 모듈(110)은 예를 들면, 대상체를 향하여 초음파를 출력하는 송신부(111) 및 상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 수신하는 적어도 두 개의 제1 및 제2 수신부들(116, 117)을 포함한다.
상기 송신부(111)는 상기 대상체를 향하여 초음파를 출력한다. 또한 상기 송신부(111)는 발진부(150)로부터 발생한 발진 신호를 받아서 구동한다. 즉, 상기 발진부(150)는 상기 발진 신호를 생성하여 생성된 발진 신호를 상기 송신부(111)에 전달한다. 이로써, 상기 송신부(111)는 상기 발진 신호에 따라 초음파를 출력할 수 있다. 예를 들면, 상기 발진부(150)가 발생하는 상기 발진 신호는 40kHz 의 주파수를 갖는 전파를 포함할 수 있다.
상기 수신부들(116, 117)은 상기 송신부(111)로부터 동일 간격으로 이격되어 배치된다. 예를 들면, 상기 수신부들(116, 117) 및 상기 송신부(111)는 동일 선상에 위치할 수 있다. 상기 수신부들(116, 117)은 상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 수신한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발생 장치(100)는 트리거 모듈(140) 및 발진부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 트리거 모듈(140)은 발진 트리거 신호를 생성하여, 상기 발진부(150)에 상기 발진 트리거 신호를 전달한다. 상기 발진 트리거 신호에 따라 상기 발진부(150)는 상기 발진 신호를 발생시켜 상기 송신부(111)에 발진 신호를 전송한다. 따라서, 상기 송신부(111)는 상기 발진 신호에 따라 초음파를 출력할 수 있다. 상기 트리거 모듈(140)이 발진 트리거 신호를 생성할 경우 상기 초음파에 대한 시간 계수가 시작된다.
상기 비교기 모듈(130)은 상기 송신부(111)에서 출력된 초음파 및 상기 수신부들(116, 117)에 수신된 초음파에 대한 시간 계수를 산출한다. 상기 비교기 모듈(130)은 상기 트리거 모듈(140)이 발진 트리거 신호를 생성할 경우 시간 계수를 시작하고, 상기 수신부들(116, 117)이 초음파를 수신한 시점에서 수신 트리거 신호를 발생하여 시간 계수 중지 신호를 생성하여 시간 계수를 중지한다. 이로써, 상기 비교기 모듈(130)은 상기 시간 계수를 산출할 수 있다.
한편, 적어도 두 개의 수신부들(116, 117)이 상기 수신된 초음파를 각각 수신함으로써 상기 비교기 모듈(130)은 상기 두 개의 수신부들에 대한 서로 다른 시간 계수를 산출할 수 있는 제1 비교기 모듈(131) 및 제2 비교기 모듈(133)을 포함할 수 있다.
상기 산출 모듈(120)은 상기 비교기 모듈(130)로부터 상기 시간 계수를 전달받는다. 따라서, 상기 산출 모듈(120)은 상기 시간 계수들을 이용하여 상기 대상체와 상기 송신부(111) 사이에 거리 및 상기 송수신 모듈(110)과 상기 대상체가 이루는 각도를 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 장치(100)는 상기 수신부들(116, 117)로부터 송신된 초음파 신호를 증폭시키는 증폭기(161, 163)를 더 포함할 수 있다. 이와 다르게, 초음파 측정 장치는 잡음을 제거하기 위하여 밴드 패스 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 산출 모듈(120)이 상기 거리 및 상기 각도를 산출하는 방법은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 초음파 측정 장치를 이용하여 거리 및 각도를 측정하는 제1 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 초음파 측정 장치는 하나의 송신부(T) 및 제1 및 제2 수신부들(R1, R2)을 구비한 송수신 모듈을 포함한다. 상기 송신부(T) 및 상기 제1 및 제2 수신부들(R1, R2)은 일정 거리로 각각 이격되어 있다. 상기 초음파 측정 장치는 송신부(T) 및 대상체(10) 사이의 거리(d) 및 송수신 모듈(110) 및 대상체(10) 사이의 각도(θ)를 측정한다. 한편, 가상의 송신부(T′) 및 제1 및 제2 가상 수신부들(R1′, R2′)이 도출된다.
r1은 제1 수신부(R1) 및 가상 송신부(T′) 사이의 거리이다. 또한, r2는 제2 수신부(R2) 및 가상 송신부(T′) 사이의 거리이다.
Figure 112012006473333-pat00003
…………………………식(1)
Figure 112012006473333-pat00004
…………………………식(2)
에서 제2 코사인 정리에 의하면,
Figure 112012006473333-pat00006
……………………………식(3)
Figure 112012006473333-pat00007
에서 제2 코사인 정리에 의하면,
Figure 112012006473333-pat00008
……………………………식(4)
상기 식(3) 및 상기 식(4)을 더하면,
Figure 112012006473333-pat00009
……………………………식(5)
Figure 112012006473333-pat00010
……………………………………식(6)
이때, d는 초음파 송신부와 대상체간의 수직 거리를 나타낸다. 또한, θ는 송수신 모듈 및 대상체 사이의 각도를 나타낸다. 따라서, 하나의 송신부 및 두 개의 수신부를 갖는 초음파 측정 장치는 다수의 거리 및 각도 정보를 동시에 획득하여 분석함으로서 실시간 거리 정보뿐만 아니라, 상기 대상체의 기하학적 관계 정보를 획득할 수 있다.
도 3은 도1의 초음파 측정 장치를 이용하여 거리 및 각도를 측정하는 제2 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 초음파 측정 장치는 하나의 송신부(T) 및 4개의 제1 내지 제4 수신부들(R1 내지 R4)을 구비하는 송수신 모듈을 포함한다. 상기 송신부(T)에서 출력된 초음파 신호는 대상체 평면(10)으로부터 반사되어 4개의 수신부들(R1 내지 R4)에 각각 수신된다.
이때 제1 및 제2 수신부들(R1, R2)이 한 쌍을 이루며, 상기 식(5) 및 식(6)을 참조하면,
Figure 112012006473333-pat00011
……………………………식(7)
Figure 112012006473333-pat00012
……………………………………식(8)
여기서, dL은 제1 및 제2 수신부(R1, R2)가 이루는 선분을 대상체에 정사영된 선분 AA'이라고 할 경우, 상기 송신부(T)에서 대상체까지의 수직 거리이며, θL은 제1 및 제2 수신부(R1, R2)가 이루는 선분 및 선분 AA' 사이의 각도이다.
한편, 제3 및 제4 수신부들(R3, R4)이 한 쌍을 이루며, 상기 식(5) 및 식(6)을 참조하면,
Figure 112012006473333-pat00013
……………………………식(9)
Figure 112012006473333-pat00014
……………………………………식(10)
여기서, dp은 제3 및 제4 수신부(R3, R4)가 이루는 선분을 대상체에 정사영된 선분 BB'이라고 할 경우, 상기 송신부(T)에서 대상체까지의 수직 거리이며, θp는 제3 및 제4 수신부(R3, R4)가 이루는 선분 및 선분 BB' 사이의 각도이다.
또한, dL 및 dp 은 상호 동일한 값을 가진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 대상체에 초음파를 출력한다(S110). 여기서 발진 트리거 신호에 따라 송신부가 대상체에 초음파를 조사할 수 있다. 이때 시간 계수가 시작된다.
이어서, 상기 대상체로부터 반사된 초음파를 제1 및 제2 수신부들이 각각 수신한다.(S120) 여기서 제1 및 제2 수신부들은 각각 서로 다른 시점에서 상기 반사된 초음파를 수신할 수 있다. 상기 초음파의 수신 시점에서 상기 시간 계수가 중지된다.
이후, 초음파의 출력 시점 및 수신 시점에 따른 시간 계수를 산출한다(S130). 상기 시간 계수를 산출하기 위하여 비교기 모듈이 구동될 수 있다.
이어서, 상기 비교기 모듈에서 산출된 시간 계수를 이용하여 대상체 및 송신부 사이의 수직 거리(d) 및 대상체 및 송수신 모듈 사이의 각도(θ)를 산출한다(S140).
도 5는 도1의 초음파 측정 장치를 이용하는 운동 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 상기 운동 제어 장치(200)는 센서 시스템(220) 및 이동체 제어기(210)를 포함한다. 상기 센서 시스템(220)은 상기 초음파 측정 장치(100; 도1 참조)를 구비한다. 상기 초음파 측정 장치(100)가 이동체 및 대상체 사이의 수직 거리(d) 및 대상체 및 송수신 모듈 사이의 각도(θ)를 산출하면, 산출된 수직 거리 및 각도를 이용하여 이동체 제어기(210)가 구동하여 이동체의 이동을 제어한다. 따라서, 상기 운동 제어 장치(200)는 이동체의 이동을 일정한 거리 및 각도를 유지하면서 상기 이동체의 이동을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 측정 장치는 상호 이격된 복수의 수신부들을 이용하여 초음파를 수신함으로서 수신된 초음파에 대한 시간 계수를 측정함으로써, 다수의 거리 정보를 동시에 획득할 수 있다. 따라서, 하나의 수신부를 이용할 경우 후속하는 초음파에 대한 초음파 간의 간섭 현상이 발생할 수 있으나, 본 발명과 같이 복수의 수신부들이 각각 초음파를 억제될 수 있으며, 나아가 측정 시간이 감소되어 실시간 거리 정보를 확보할 수 있다. 본 발명에 따른 초음파 측정 장치는 센서 모듈과 대상체간의 거리 정보를 이용하여 이동체의 이동이 용이하게 제어될 수 있다.
100 : 초음파 측정 장치 110 : 송수신 모듈
120 : 산출 모듈 130 : 비교기 모듈
140 : 트리거 모듈 150 : 발진부
161, 163 : 증폭기

Claims (5)

  1. 대상체에 향하여 초음파를 출력하는 송신부 및 상기 송신부에 대하여 동일한 간격으로 이격되며, 상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 수신하는 적어도 두 개의 수신부들을 구비하는 송수신 모듈;
    상기 송신부에서 출력된 초음파 및 상기 수신부들에 송신된 초음파에 대한 시간 계수를 산출하는 비교기 모듈;
    상기 비교기에서 산출된 상기 시간 계수를 이용하여 상기 대상체와 상기 송신부 사이의 거리 및 상기 송수신 모듈과 상기 대상체가 이루는 각도를 산출하는 산출 모듈; 및
    상기 송신부에 송신 트리거 신호를 전달하고, 상기 비교기 모듈에 상기 수신된 초음파가 수신된 시점에서 수신 트리거 신호를 전달하는 트리거 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수신부들로부터 송신된 초음파 신호를 증폭시키는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 송신부로부터 대상체에 향하여 초음파를 출력하는 단계;
    상기 대상체로부터 반사되는 초음파를 상기 송신부로부터 동일 간격으로 이격되도록 적어도 두 개의 위치에 위치한 제1 및 제2 수신부들에서 각각 수신하는 단계;
    상기 출력된 초음파 및 상기 송신된 초음파에 대한 시간 계수를 산출하는 단계; 및
    상기 시간 계수를 이용하여 상기 대상체와 상기 송신부 사이의 거리(d) 및 상기 송신부 및 상기 제1 및 제2 수신부들을 포함하는 송수신 모듈과 상기 대상체가 이루는 각도(θ)를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 거리(d)는 하기 수학식1로부터 산출되며, 상기 각도(θ)는 하기 수학식2로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 초음파 측정 방법.
    수학식 1
    Figure 112013089054251-pat00015

    수학식 2
    Figure 112013089054251-pat00016

    이때, r1은 가상의 송신부로부터 제1 수신부까지의 초음파의 최단거리이며, r2는 가상의 송신부로부터 제2 수신부까지의 초음파의 최단거리이며, S는 송신부에서 제1 및 제2 수신부들까지의 동일한 각각의 이격 거리임.
  5. 삭제
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