KR101361737B1 - 반도체형 스트레인 게이지를 이용한 변형 측정 장치 - Google Patents

반도체형 스트레인 게이지를 이용한 변형 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 상기 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치에 있어서, 상기 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 1 고정체(21); 상기 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 상기 피검 구조물(1) 고정되는 제 2 고정체(22); 양 단이 상기 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)와 각각 결합하고 상기 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)의 사이를 연장하는 캔틸레버(10); 상기 캔틸레버(10)의 표면에 접착되어 상기 캔틸레버(10)가 변형되는 경우 함께 변형되는 반도체형 스트레인 게이지(30);를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 종래 기술에 따른 플러킹(plucking) 및 센싱을 위한 코일을 사용할 필요가 없으므로 보다 간단하고 저비용으로 변형 측정 장치를 구현할 수 있으며, 전력 소모가 작은 변형 측정 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체형 스트레인 게이지를 이용한 변형 측정 장치{STRAIN MEASUREMENT APPARATUS USING PRESSURE SENSOR OF SEMICONDUCTOR TYPE}
본 발명은 스트레인 게이지 또는 변형 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 건축, 도로, 빌딩, 교량, 터널 등을 구성하는 구조물의 변형을 감지 또는 측정하는 변형 측정 장치에 관한 것이다.
구조물의 변형을 측정하는 종래 기술로서 바이브레이팅 와이어 스트레인 게이지(Vibrating Wire Strain Gauge)가 잘 알려져 있다.
바이브레이팅 와이어 스트레인 게이지(Vibrating Wire Strain Gauge)는 측정하고자 하는 구조물(이하 '피검 구조물'이라 한다)과 병렬로 설치되되, 피검구조물의 두 지점과 물리적으로 결합하는 스트레인 게이지 와이어를 내장한다.
이러한 종래기술에서는 측정이 필요할 때 스트레인 게이지 와이어를 플러킹(plucking)하고 이때 진동하는 스트레인 게이지 와이어의 진동 공진 주파수를 코일을 이용하여 센싱함으로써 와이어의 텐션을 측정하는 방식이다. 따라서 종래 기술에서는 스트레인 게이지 와이어의 중앙부에 플러크 및 센싱 코일을 구성할 필요가 있으며, 플러크 및 센싱 코일의 기능상 그 사이즈가 일정 크기 이상되어야 한다.
이러한 종래 기술의 변형 측정 장치에서는 플러크 및 센싱 코일로 인해 센싱 부분의 사이즈가 크게 될 수밖에 없으므로, 변형 측정 장치의 구조가 크고 복잡하게 될 수밖에 없고 변형 측정 장치를 제작하는 비용이 증가되는 문제점이 있다.
또한 종래 기술의 변형 측정 장치에서는 플러킹(plucking)을 위해 일정 규모 이상의 전력이 필요하므로 종래의 변형 측정 장치를 미세 전력으로 구동하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 종래 기술의 변형 측정 장치에서는 측정할 때마다 스트레인 게이지 와이어를 플러킹해야 하므로, 센싱 주기가 짧아질수록 전력 소모가 급격히 증가하는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술의 변형 측정 장치에서는 측정할 때마다 스트레인 게이지 와이어를 플러킹해야 하고 플러킹하는 동안에는 센싱이 불가능하므로, 주기적인 센싱이 아닌 연속적인 센싱은 사실상 불가능한 문제점이 있다.
상기한 종래 기술의 문제점 및 과제에 대한 인식은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이 아니므로 이러한 인식을 기반으로 선행기술들과 대비한 본 발명의 진보성을 판단하여서는 아니됨을 밝혀둔다.
본 발명의 목적은 구조가 간단하고 제작 비용이 적게 드는 변형 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전력 소모가 적은 변형 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연속적인 센싱도 가능한 구조를 가지는 변형 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 상기 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치에 있어서,
상기 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 1 고정체(21); 상기 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 상기 피검 구조물(1) 고정되는 제 2 고정체(22); 양 단이 상기 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)와 각각 결합하고 상기 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)의 사이를 연장하는 캔틸레버(10); 상기 캔틸레버(10)의 표면에 접착되어 상기 캔틸레버(10)가 변형되는 경우 함께 변형되는 반도체형 스트레인 게이지(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 상기 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치에 있어서,
상기 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 1 고정체(21); 상기 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 2 고정체(22); 일 단이 상기 제 1 고정체(21)와 결합한 상태에서 일 방향으로 연장하는 캔틸레버(10); 일 단이 상기 캔틸레버(10)의 타단과 결합하고 타 단이 상기 제 2 고정체(22)와 결합하며, 상기 캔틸레버(10)와 상기 제 2 고정체(22)의 사이를 연결하는 연결 부재(70); 상기 켄틸레버(10)의 표면에 접착되어 상기 켄틸레버(10)가 변형되는 경우 함께 변형되는 반도체형 스트레인 게이지(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 상기 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치에 있어서,
상기 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 1 고정체(70); 상기 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 2 고정체(80); 양단이 상기 제 1 고정체(70) 및 상기 제 2 고정체(80)와 각각 결합하고 상기 제 1 고정체(70) 및 상기 제 2 고정체(80)의 사이를 연장되는 텐션 스트랩(11); 상기 텐션 스트랩(11)의 표면에 접착되어 상기 텐션 스트랩(11)이 변형되는 경우 함께 변형되는 반도체형 스트레인 게이지(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 종래 기술에 따른 플러크(pluck) 및 센싱을 위한 코일을 사용할 필요가 없으므로 보다 간단하고 저비용으로 변형 측정 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 종래 기술에 따른 플러크(pluck) 및 센싱을 위한 코일을 사용할 필요가 없으므로 전력 소모가 적은 변형 측정 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 초소형인 반도체형 스트레인 게이지를 이용할 수 있으므로 변형 측정 장치의 크기를 작게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 환경변화에 대한 보상, 증폭, 디지털화 또는 전송 등을 위한 주변회로를 함께 구성할 수 있으므로 이러한 기능을 수행하는 별도의 장치를 부가하지 않아도 되며, 따라서 전체 시스템의 구성이 매우 간단해 지는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 연속적인 센싱 및 감시도 가능한 구조를 가지는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 환경변화에 대한 보상, 증폭, 디지털화 또는 전송 등을 위한 주변회로를 함께 구성할 수 있으므로 변형 측정 장치와 컨트롤러 사이에서 노이즈에 의한 영향을 저감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 반도체형 스트레인 게이지를 이용하므로 구동을 위한 회로가 간단한 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 반도체형 스트레인 게이지를 이용하므로 소형화가 가능한 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 반도체형 스트레인 게이지를 이용하므로 감도 및 히스테리 특성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치를 도시한 도면으로서, 도 1(a)는 단면도이며 도 1(b)는 반도체형 변형 측정 장치의 구성에서 캔틸레버(10), 회로기판(40), 스트레인 게이지(30) 및 도전성 와이어(62)만을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 사용될 수 있는 반도체형 스트레인 게이지(30)의 일 예를 도시한 도면으로서, 도 4(a)는 평면도이며 도 4(b)는 A-A'에서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주변회로(100)의 블럭도를 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 명칭 및 도면 부호를 사용한다. 이해의 편의를 위하여 도면은 실제 각 구성요소의 스케일을 고려할 때 과장되거나 축소된 형태로 도시될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치를 도시한 도면으로서, 도 1(a)는 단면도이며 도 1(b)는 반도체형 변형 측정 장치의 구성에서 캔틸레버(10), 회로기판(40), 스트레인 게이지(30) 및 도전성 와이어(62)만을 도시한 평면도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치로서, 제 1 고정체(21), 제 2 고정체(22), 캔틸레버(10), 반도체형 스트레인 게이지(30), 회로기판(40), 하우징(50), 접착부재(60), 완충부재(61), 도전성 와이어(62), 결합부재(63) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
피검 구조물(1)은 변형 측정의 대상이 되는 구조물로서, 파이프, 빔, 교량, 철근, 터널 라이닝, 서스펜션바, 콘크리트 등일 수 있다.
제 1 고정체(21)는 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되며, 제 2 고정체(22)는 상기 제 1 고정체(21)가 고정되는 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 피검 구조물(1)에 고정된다. 이때 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)는 용접을 통하여 고정되거나 별도의 앵커를 사용하여 고정되는 등 다양한 방법이 채택될 수 있으며, 피검 구조물(1)의 구조 또는 재료 등에 따라 적절한 방법이 채택될 수 있다. 도 1(a)에서는 용접을 통하여 용접부(68)를 형성함으로써 피검 구조물(1)에 고정된 것을 예시하고 있으며, 도 3에서는 앵커(71,81)를 사용하여 피검 구조물(1)에 고정된 것을 예시하고 있다.
캔틸레버(10)는 양 단이 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)와 각각 결합하고 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)의 사이를 연장한다. 도 1(a)에 예시된 것처럼 캔틸레버(10)와 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)는 볼트와 같은 결합부재(63)를 사용하여 결합될 수 있다. 그러나, 반드시 이와 같은 형태의 결합으로 한정되는 것이 아님은 당연하다. 캔틸레버(10)와 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22) 사이의 결합 방식은 다양할 수 있으며, 또한, 캔틸레버(10)와 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22) 사이에 다른 매개물을 개재하여 결합되도록 할 수도 있다. 또한, 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)는 단일의 부품으로 구성될 수도 있으나, 복수의 부품이 조합되어 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 고정체(21) 및/또는 제 2 고정체(22)는 높이를 미세 조정하기 위하여 또는 자세를 미세 조정하기 위하여 복수의 부품이 조합되는 구조를 가질 수도 있다. 캔틸레버(10)의 양단부에는 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)와의 결합을 더욱 공고히 하기 위한 구조를 가질 수 있다. 도 1에 예시된 것처럼 캔틸레버(10)의 양단부에는 내부에 사각 기둥 모양의 공간을 가진 고정캡(10a)이 형성되게 하여, 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)의 일단과 감합하는 구조를 가지도록 할 수 있다.
제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)는 피검 구조물(1)의 변형이 발생되는 경우 피검 구조물(1)의 변형에 따른 힘을 캔틸레버(10)에 전달함으로써 캔틸레버(10)의 변형을 유발한다. 피검 구조물(1)에 변형이 발생되는 경우 제 1 고정체(21) 및/또는 제 2 고정체(22)의 자세가 변동되거나 제 1 고정체(21)와 제 2 고정체(22) 사이의 거리가 변경될 것이다. 이러한 자세 변동 또는 거리 변동은 캔틸레버(10)의 변형을 유발할 수 있다. 예를 들면, 캔틸레버(10)의 길이 방향으로 발생되는 인장 및 압축, 캔틸레버(10)의 뒤틀림, 캔틸레버(10)의 휨 등이 유발될 수 있다.
반도체형 스트레인 게이지(30)는, 캔틸레버(10)의 표면에 접착되어 상기 캔틸레버(10)가 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때 반도체형 스트레인 게이지(30)는 접착 부재(60)를 사용하여 캔틸레버(10)의 표면에 접착될 수 있다. 접착 부재(60)로서 에폭시 또는 글래스 프릿 등이 사용될 수 있다.
스트레인 게이지는 필름 구조형 스트레인 게이지와 반도체형 스트레인 게이지로 분류될 수 있다. 반도체형 스트레인 게이지(30)는 필름 구조형 스트레인 게이지보다 게이지 팩터(gauge factor)가 크므로 감도가 10배 가량 크며, 저항값이 크므로 소모 전류가 작고 회로 제작이 유리하다. 또한, 반도체형 스트레인 게이지(30)는 온도 특성이 우수하며, 일반 메탈 스트레인 게이지로 사용되고 있는 Ni, Cu 합금의 경우 게이지 팩터가 2.0 ~ 2.1 정도지만 반도체형 스트레인 게이지의 게이지 팩터는 이에 비해 10배 가량 크다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 사용될 수 있는 반도체형 스트레인 게이지(30)의 일 예를 도시한 도면으로서, 도 4(a)는 평면도이며 도 4(b)는 A-A'에서의 단면도이다.
반도체형 스트레인 게이지(30)는 실리콘 기판 또는 SOI 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(doing)시켜 형성하는 압저항체(32)를 포함한다. 압저항체(32)는 힘을 받아 변형이 생기면, 저항값이 증가하거나 감소한다. 예를 들어 인장 응력이 작용하면 저항이 증가하고 압축 응력이 작용하면 저항이 감소한다. 그리고 반도체형 스트레인 게이지(30)는 메탈(32)을 포함하여 전도성 와이어(62)와의 접속을 위한 패드 등이 될 수 있도록 한다. 기판(33)은 뒷면을 갈거나 식각하여 반도체형 스트레인 게이지(30)의 변형이 더욱 용이하게 될 수 있도록 기판(33)의 두께를 얇게 한다.
도 4에 도시된 반도체형 스트레인 게이지(30)는 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 반도체형 스트레인 게이지(30)가 본 발명에 적용될 수 있음은 물론이다. 열전자 방출의 효과에 의해 온도 변화에 따른 저항값이 변화는 것을 보상하기 위하여 반도체형 스트레인 게이지(30)는 휘스톤 브릿지 회로를 구성할 수 있다. 물론 반도체형 스트레인 게이지(30)외에 고정 저항을 이용하여 휘스톤 브릿지 회로를 구성할 수도 있다. 또한, 인장, 압축, 뒤틀림 및 휨에 대응하기 위하여 다양한 모양 및 배치를 가지는 압저항체 또는 압저항체의 블록을 복수로 구성할 수도 있다.
다시 도 1로 돌아와, 회로 기판(40)은, 적어도 반도체형 스트레인 게이지(30)를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 포함하는 주변회로(100)가 탑재된다. 회로 기판(40)에 탑재되는 주변회로(100)의 세부 구성과 기능에 대해서는 후술한다.
회로 기판(40)을 연성 회로 기판으로 하거나, 완충 부재(61)를 사용하여 상기 회로 기판(40)을 캔틸레버(10)에 부착함으로써, 회로 기판(40)이 캔틸레버(10)의 변형을 방해하지 않도록 한다. 도 1의 예에서 회로 기판(40)은 중앙 부분에 반도체형 스트레인 게이지(30)가 통과할 수 있을 정도로 넓은 사각의 홀을 가지도록 구성되어 있다. 반도체형 스트레인 게이지(30)는 캔틸레버(10)의 변형에 따라 함께 변형되도록 '접착'되는 데 반해, 회로 기판(40)은 접착될 수도 있으나, 더욱 바람직하게는 캔틸레버(10)의 변형에 의해 영향을 받지 않고 캔틸레버(10)의 변형을 방해하지 않도록 하기 위하여 완충 부재(61)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 완충 부재(61)는 실리콘 고무이다.
회로 기판(40)과 반도체형 스트레인 게이지(10)는 도전성 와이어(62)를 사용하여 전기적으로 연결된다.
하우징(50)은 캔틸레버(10), 반도체형 스트레인 게이지(30) 및 회로기판(40) 등을 수납하함으로써, 캔틸레버(10), 반도체형 스트레인 게이지(30) 및 회로기판(40)을 외부 환경으로부터 보호한다. 하우징(50)은 복수개의 부품으로 구성되어 조합될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치로서, 제 1 고정체(21), 제 2 고정체(22), 캔틸레버(10), 반도체형 스트레인 게이지(30), 회로기판(40), 하우징(50), 접착부재(60), 도전성 와이어(62), 연결부재(15), 제 1 너트(64), 제 2 너트(65) 및 제 3 너트(66) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기한 제 1 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제 1 고정체(21)는 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되며, 제 2 고정체(22)는 상기 제 1 고정체(21)가 고정되는 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 피검 구조물(1)에 고정된다. 이때 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)는 용접을 통하여 고정되거나 별도의 앵커를 사용하여 결합되는 등 다양한 방법이 채택될 수 있으며, 피검 구조물(1)의 구조 또는 재료 등에 따라 적절한 방법이 채택될 수 있다. 도 2에서는 용접을 통하여 용접부(68)를 형성함으로써 피검 구조물(1)에 고정된 것을 예시하고 있으며, 도 3에서는 앵커(71,81)를 사용하여 피검 구조물(1)에 고정된 것을 예시하고 있다.
캔틸레버(10)는 일 단이 제 1 고정체(21)와 결합한 상태에서 일 방향으로 연장하되, 피검 구조물(1)과 멀어지는 방향으로 연장한다. 그리고 캔틸레버(10)의 타 단은 연결 부재(15)와 결합한다. 예를 들어, 캔틸레버(10)의 타 단에는 연결부재(15)의 일 단이 관통하는 홀이 형성되고 연결부재(15)의 일 단이 삽입된 상태에서 제 1 너트(64)를 조여서 결합을 공고히 할 수 있다.
연결 부재(15)는 일 단이 캔틸레버(10)의 타단과 결합하고 타 단이 제 2 고정체(22)와 결합하며, 연결 부재(15)는 캔틸레버(10)와 제 2 고정체(22)의 사이를 연결함으로써 힘을 상호 전달한다.
연결 부재(15)의 타 단은 제 2 고정체(22) 타 단에 형성된 홀을 통하여 관통하며, 관통된 상태에서 제 2 너트(65) 및 제 3 너트(66)를 사용하여 결합될 수 있다. 이러한 구조를 채용함으로써, 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22) 사이의 거리가 설계된 값과 약간의 차이가 있는 상태로 제 1 고정체(21) 및 제 2 고정체(22)가 피검 구조물(1)에 고정되더라도 유연하게 대응할 수 있는 효과가 있다.
제 1 고정체(21), 제 2 고정체(22), 캔틸레버(10) 및 연결 부재(15) 사이의 결합은, 반드시 이와 같은 형태의 결합으로 한정되는 것이 아님은 당연하다. 제 1 고정체(21)와 캔틸레버(10)의 사이, 캔틸레버(10)와 연결 부재(15)의 사이, 또는 연결 부재(15)와 제 2 고정체(22)사이의 결합 방식은 다양할 수 있으며, 또한, 이들 사이에 다른 매개물을 개재하여 결합되도록 할 수도 있다. 또한, 제 1 고정체(21), 제 2 고정체(22), 캔틸레버(10) 및 연결 부재(15)는 단일의 부품으로 구성될 수도 있으나, 복수의 부품이 조합되어 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 고정체(21) 및/또는 제 2 고정체(22)는 높이를 미세 조정하기 위하여 또는 자세를 미세 조정하기 위하여 복수의 부품이 조합되는 구조를 가질 수도 있다.
제 1 고정체(21), 제 2 고정체(22) 및 연결부재(15)는 피검 구조물(1)의 변형이 발생되는 경우 캔틸레버(10)에 피검 구조물(1)의 변형에 따른 힘을 캔틸레버(10)에 전달함으로써 캔틸레버(10)의 변형을 유발한다.
피검 구조물(1)에 변형이 발생되는 경우 제 1 고정체(21) 및/또는 제 2 고정체(22)의 자세가 변동되거나 제 1 고정체(21)와 제 2 고정체(22) 사이의 거리가 변경될 것이다. 이러한 자세 변동 또는 거리 변동은 캔틸레버(10)의 변형을 유발할 수 있다. 예를 들면, 제 1 고정체(21)와 제 2 고정체(22) 사이의 거리가 멀어지는 경우, 제 1 고정체(21)와 제 2 고정체(22) 사이의 거리가 가까워지는 경우, 제 1 고정체(22)의 자세가 변경되는 경우, 또는 제 2 고정체(22)의 자세가 변경되는 경우에는 켄틸레버(10)의 변형, 주로 켄틸레버(10)의 휨이 발생될 수 있다.
반도체형 스트레인 게이지(30)는, 캔틸레버(10)의 표면에 접착되어 상기 캔틸레버(10)가 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때 반도체형 스트레인 게이지(30)는 접착 부재(60)를 사용하여 캔틸레버(10)의 표면에 접착될 수 있다. 접착 부재(60)로서 에폭시 또는 글래스 프릿 등이 사용될 수 있다.
회로 기판(40)은 적어도 반도체형 스트레인 게이지(30)를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 포함하는 주변회로(100)가 탑재된다. 회로 기판(40)에 탑재되는 주변회로(100)의 세부 구성과 기능에 대해서는 후술한다.
회로 기판(40)을 연성 회로 기판으로 하거나, 도 1에 도시된 바와 같이 완충 부재(61)를 사용하여 상기 회로 기판(40)을 캔틸레버(10)에 부착되도록 하거나, 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(50)에 부착하는 등으로 해서 하우징(50)의 내부에 위치하도록 할 수 있다.
회로 기판(40)과 반도체형 스트레인 게이지(10)는 도전성 와이어(62)를 사용하여 전기적으로 연결된다. 하우징(50)은 캔틸레버(10), 반도체형 스트레인 게이지(30), 연결부재(15) 및 회로기판(40) 등을 수납함으로써, 캔틸레버(10), 반도체형 스트레인 게이지(30) 및 회로기판(40)을 외부 환경으로부터 보호한다. 하우징(50)은 복수개의 부품으로 구성되어 조합될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 피검 구조물(1)에 결합되어 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치로서, 제 1 고정체(70), 제 2 고정체(80), 텐션 스트랩(11), 반도체형 스트레인 게이지(30), 회로기판(40), 하우징(50), 접착부재(60), 도전성 와이어(62), 완충부재(61) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기한 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 반도체형 변형 측정 장치와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제 1 고정체(70)는 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되며, 제 2 고정체(80)는 상기 제 1 고정체(70)가 고정되는 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 피검 구조물(1)에 고정된다. 이때 제 1 고정체(70) 및 제 2 고정체(80)는 용접을 통하여 고정되거나 별도의 앵커를 사용하여 결합되는 등 다양한 방법이 채택될 수 있으며, 피검 구조물(1)의 구조 또는 재료 등에 따라 적절한 방법이 채택될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 용접을 통하여 용접부(68)를 형성함으로써 피검 구조물(1)에 고정된 것을 예시하고 있으며, 도 3에서는 앵커(71) 및 앵커(81)를 사용하여 피검 구조물(1)에 고정된 것을 예시하고 있다.
텐션 스트랩(11)은 양단이 제 1 고정체(70) 및 제 2 고정체(80)와 각각 결합하고 상기 제 1 고정체(70) 및 상기 제 2 고정체(80)의 사이를 연장한다. 텐션 스트랩(11)은 가해지는 장력에 따라 약간의 신축이 가능할 수 있다. 따라서 반도체형 변형 측정 장치가 정상 상태일 때에도 장력이 걸려 있도록 설정될 수도 있다.
텐션 스트랩(11)의 양단은 각각 제 1 스트랩 그립(74) 및 제 2 스트랩 그립(84)에 의해 그립되어 있다.
제 1 고정체(70)는 제 1 앵커(71), 제 1 마운팅 블록(72), 제 1 그립 블록(73) 및 제 1 스트랩 그립(74)를 포함하여 구성될 수 있으며, 제 2 고정체(80)는 제 2 앵커(81), 제 2 마운팅 블록(82), 제 2 그립 블록(83) 및 제 2 스트랩 그립(84)를 포함하여 구성될 수 있다.
앵커(71,81)는 반도체형 변형 측정 장치를 피검 구조물(1)과 직접 결합하기 위한 구성요소로서, 피검 구조물(1)의 형성 과정에서 앵커(71,81)를 삽입한 상태에서 피검 구조물(1)이 경화되도록 하거나, 피검 구조물(1)의 형성 전·후에 피검 구조물(1)에 안착홀을 형성한 후 그라우트 및/또는 에폭시 등을 사용하여 앵커(71,81)를 고착시킬 수 있다.
제 1 마운팅 블록(72) 및 제 2 마운팅 블록(82)은, 각각 제 1 그립 블록(73) 및 제 2 그립 블록(83)과 나사 결합하고 있다. 제 1 그립 블록(73) 및 제 2 그립 블록(83)은 제 1 스트랩 그립(74) 및 제 2 스트랩 그립(84)를 각각 지지한 상태에서 제 1 마운팅 블록(72) 및 제 2 마운팅 블록(82)과 각각 나사결합한다.
따라서 제 1 그립 블록(73) 및 제 2 그립 블록(83)를 회전 조정하면, 제 1 스트랩 그립(74) 및 제 2 스트랩 그립(84) 사이의 거리를 미세 조정할 수 있으며, 따라서 텐션 스트랩(11)에 걸리는 장력을 조정할 수 있다.
제 1 고정체(70), 제 2 고정체(80) 및 텐션 스트랩(11) 사이의 결합은, 반드시 이와 같은 형태의 결합으로 한정되는 것이 아님은 당연하다. 제 1 고정체(70)와 텐션 스트랩(11)의 사이, 또는 텐션 스트랩(11)과 제 2 고정체(22)사이의 결합 방식은 다양할 수 있으며, 또한, 이들 사이에 다른 매개물을 개재하여 결합되도록 할 수도 있다. 또한, 제 1 고정체(70), 제 2 고정체(80) 및 텐션 스트랩(11)은 단일의 부품으로 구성될 수도 있으나, 복수의 부품이 조합되어 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 고정체(70) 및/또는 제 2 고정체(80)는 높이를 미세 조정하기 위하여 또는 자세를 미세 조정하기 위하여 복수의 부품이 조합되는 구조를 가질 수도 있다.
제 1 고정체(70) 및 제 2 고정체(80)는 피검 구조물(1)의 변형이 발생되는 경우 텐션 스트랩(11)에 피검 구조물(1)의 변형에 따른 힘을 전달함으로써 텐션 스트랩(11)의 변형을 유발한다.
피검 구조물(1)에 변형이 발생되는 경우 제 1 고정체(70) 및/또는 제 2 고정체(80)의 자세가 변동되거나 제 1 고정체(70)와 제 2 고정체(80) 사이의 거리가 변경될 것이다. 이러한 자세 변동 또는 거리 변동은 텐션 스트랩(11)의 변형을 유발할 수 있다. 예를 들면, 제 1 고정체(70)와 제 2 고정체(80) 사이의 거리가 멀어지는 경우, 제 1 고정체(70)와 제 2 고정체(80) 사이의 거리가 가까워지는 경우, 제 1 고정체(70)의 자세가 변경되는 경우, 제 2 고정체(80)의 자세가 변경되는 경우에는 텐션 스트랩(11)의 변형, 주로 텐션 스트랩(11)의 신장 또는 수축이 발생될 수 있다. 예를 들면, 텐션 스트랩(11)이 정상 상태에서 텐션이 걸려 일정량 신장되어 설치되어 있는 경우, 피검 구조물(1)의 변형에 따라 텐션이 감소하게 되면 텐션 스트랩(11)은 오히려 수축될 수 있다.
반도체형 스트레인 게이지(30)는, 텐션 스트랩(11)의 표면에 접착되어 상기 텐션 스트랩(11)이 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때 반도체형 스트레인 게이지(30)는 접착 부재(60)를 사용하여 텐션 스트랩(11)의 표면에 접착될 수 있다. 접착 부재(60)로서 에폭시 또는 글래스 프릿 등이 사용될 수 있다.
회로 기판(40)은 적어도 반도체형 스트레인 게이지(30)를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 포함하는 주변회로(100)가 탑재된다. 회로 기판(40)에 탑재되는 주변회로(100)의 세부 구성과 기능에 대해서는 후술한다.
회로 기판(40)을 연성 회로 기판으로 하거나, 도시된 바와 같이 완충 부재(61)를 사용하여 상기 회로 기판(40)을 텐션 스트랩(11)에 부착되도록 하거나, 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(50)에 부착하는 등으로 해서 하우징(50)의 내부에 위치하도록 할 수 있다.
회로 기판(40)과 반도체형 스트레인 게이지(10)는 도전성 와이어(62)를 사용하여 전기적으로 연결된다. 하우징(50)은 텐션 스트랩(11), 반도체형 스트레인 게이지(30) 및 회로기판(40) 등을 수납함으로써, 텐션 스트랩(11), 반도체형 스트레인 게이지(30) 및 회로기판(40)을 외부 환경으로부터 보호한다. 하우징(50)은 복수개의 부품으로 구성되어 조합될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주변회로(100)의 블럭도를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 주변회로(100)는, 회로 기판(40)에 형성되며, 하우징(50)의 내부에 다른 구성요소들과 함께 수납된다. 따라서 주변회로(100)는 외부에 위치하는 컨트롤러(200)와 유무선을 통하여 연결될 수 있으며, 전력을 외부에서 공급받는 경우 유선으로 연결되는 형태가 선호될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 주변회로(100)는 증폭부(110), ADC(120), 연산제어부(130), 전송부(140) 및 전원공급부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
전원공급부(150)는 외부의 컨트롤러(200)로부터 전원을 공급받아 정전압 또는 정전류를 생성하여 주변회로(100)를 구성하는 각 블록에 전원을 공급하고, 특히 반도체형 스트레인 게이지(30)에 대하여 설정된 정전압 또는 정전류를 공급한다.
증폭부(110)는 반도체형 스트레인 게이지(30)로부터 수신되는 센싱 신호를 증폭하는 기능을 수행하며, ADC(120)는 증폭부(110)로부터 제공되는 증폭된 센싱 신호를 아날로그-디지털 변환하여 연산제어부(130)로 공급하는 기능을 수행한다.
연산제어부(130)는 주변회로(100)를 구성하는 각 블록을 제어하며, 특히 외부의 컨트롤러(200)로부터 명령을 수신하여 수행하고 ADC(120)로부터 입력되는 센싱 데이터를 처리하는 기능을 수행한다. 아울러, 온도 보상 및 캘리브레이션을 위하여 필요한 제어 및 연산을 수행할 수 있다. 또한, 연산제어부(130)는 내부에 메모리를 더 포함하여, 각종 설정값, 연산과정의 임시값, 주변회로(100)가 수행할 명령어 또는 프로그램 등을 저장하도록 할 수 있다.
전송부(140)는 외부의 컨트롤러(200)와의 통신 기능을 담당하며, 특히 반도체형 스트레인 게이지(30)를 이용하여 획득되는 데이터를 컨트롤러(200)로 전송하고 컨트롤러(200)로부의 명령을 수신하는 기능을 수행한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 통하여 설명된 반도체형 변형 측정 장치의 동작에 대하여 다시 한번 살펴본다.
피검 구조물(1)은 어떠한 원인에 의하여 균열, 늘어짐, 파단, 뒤틀림, 탈락, 굽힘 등의 변형이 있을 수 있다. 만약 반도체형 변형 측정 장치가 설치된 곳에서 이러한 변형이 있으면, 반도체형 변형 측정 장치의 제 1 고정체(21,70) 및 제 2 고정체(22,80)을 통하여 이러한 변형에 동반되는 힘이 전달되거나 걸려있던 힘이 증가되거나 감소될 수 있다(이하 간단히 힘이 전달된다고 기술한다).
그리고 제 1 고정체(21,70) 및 제 2 고정체(22,80)의 자세 변동 및/또는 이들 사이의 거리 변동에 따라서, 캔틸레버(10) 및 텐션 스트랩(11)에는 인장, 수축, 뒤틀림 또는 휨이 발생되며, 이에 따라 반도체형 스트레인 게이지(30)의 압저항체에 저항값의 변화를 야기한다. 그리고 이러한 압저항체의 저항값 변화를 상기한 주변회로(100)가 센싱하게 된다.
그리고 주변회로(100)는 센싱 신호로부터 센싱 데이터를 얻고 센싱 데이터를 그대로 또는 가공하여 주기적으로 컨트롤러(200)에 제공하거나, 센싱 데이터로부터 정상 상태 또는 비정상 상태인지의 여부를 판단하여 비정상 상태인 경우에만 센싱 데이터를 컨트롤러(200)에 제공하도록 할 수도 있다. 또한, 위와 같은 방법을 혼용할 수도 있으며, 센싱 데이터를 가공한 정보를 제공할 수도 있다. 특히, 종래 플러크를 가진 변형 측정 장치에 비교하여, 센싱 신호를 연속해서 받을 수도 있으므로, 센싱의 중단없이 연속적인 감시가 가능하게 되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 반도체형 변형 측정 장치가 가지는 장점에 대하여 구체적으로 살펴본다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 종래 기술에 따른 플러크(pluck) 및 센싱을 위한 코일을 사용할 필요가 없으므로 보다 간단하고 저비용으로 변형 측정 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 종래 기술에 따른 플러크(pluck) 및 센싱을 위한 코일을 사용할 필요가 없으므로 전력 소모가 작은 변형 측정 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 초소형인 반도체형 스트레인 게이지를 이용할 수 있으므로 변형 측정 장치의 크기를 작게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 환경변화에 대한 보상, 증폭, 디지털화 또는 전송 등을 위한 주변회로를 함께 구성할 수 있으므로 이러한 기능을 수행하는 별도의 장치를 부가하지 않아도 되며, 따라서 전체 시스템의 구성이 매우 간단해 지는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 환경변화에 대한 보상, 증폭, 디지털화 또는 전송 등을 위한 주변회로를 함께 구성할 수 있으므로 변형 측정 장치와 컨트롤러 사이에서 노이즈에 의한 영향을 저감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 반도체형 스트레인 게이지를 이용하므로 구동을 위한 회로가 간단한 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 반도체형 스트레인 게이지를 이용하므로 소형화가 가능한 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 연속적인 센싱 및 감시도 가능한 구조를 가지는 효과가 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 반도체형 변형 측정 장치는, 반도체형 스트레인 게이지를 이용하므로 감도 및 히스테리 특성이 우수한 효과가 있다.
1 : 피검 구조물 10 : 캔틸레버
11 : 텐션 스트랩 15 : 연결부재
21,70 : 제 1 고정체 22,80 : 제 2 고정체
30 : 반도체형 스트레인 게이지 40 : 회로 기판
50 : 하우징 60 : 접착부재
61 : 완충부재 62 : 도전성 와이어
63 : 결합부재 64,65,66 : 너트
68 : 용접부 71,81 : 앵커
72,82 : 마운팅 블록 73,83 : 그립 블록
74,84 : 스트랩 그립 100 : 주변 회로

Claims (10)

  1. 피검 구조물(1)에 결합되어 상기 피검 구조물(1)의 변형을 측정하는 변형 측정 장치에 있어서,
    상기 피검 구조물(1)의 일 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 1 고정체(21);
    상기 피검 구조물(1)의 일 지점과는 거리를 둔 다른 지점에서 상기 피검 구조물(1)에 고정되는 제 2 고정체(22);
    양 단이 상기 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)와 각각 결합하고 상기 제 1 고정체(21) 및 상기 제 2 고정체(22)의 사이를 연장하는 캔틸레버(10);
    상기 캔틸레버(10)의 표면에 접착되어 상기 캔틸레버(10)가 변형되는 경우 함께 변형되는 반도체형 스트레인 게이지(30);
    적어도 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 포함하는 주변회로(100)가 탑재되는 회로기판(40);을 포함하며,
    상기 회로 기판(40)을 연성 회로 기판으로 하거나, 완충 부재(61)를 사용하여 상기 회로 기판(40)을 상기 캔틸레버(10)에 부착함으로써, 상기 회로 기판(40)이 상기 캔틸레버(10)의 변형을 방해하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체형 변형 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 캔틸레버(10) 및 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)를 수납하는 하우징(50);를 더 포함하여,
    상기 캔틸레버(10) 및 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)를 외부 환경으로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 반도체형 변형 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 캔틸레버(10)의 표면에 반도체형 스트레인 게이지(30)를 접착함에 있어서, 에폭시 또는 글래스 프릿이 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체형 변형 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 회로기판(40)은 상기 하우징(50)의 내부에 함께 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체형 변형 측정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 주변회로(100)는,
    적어도 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)에 대하여 정전압 또는 정전류를 공급하는 전원 공급부(150);
    적어도 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)로부터 수신되는 센싱 신호를 증폭하는 기능을 수행하는 증폭부(110);
    적어도 상기 하우징(50)의 외부에 위치하는 컨트롤러(200)와의 통신 기능을 담당하며, 상기 반도체형 스트레인 게이지(30)를 이용하여 획득되는 센싱 데이터를 상기 컨트롤러(200)로 전송하는 기능을 수행하는 전송부(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체형 변형 측정 장치.
  10. 삭제
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