KR101780898B1 - 진동 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

진동 측정 장치가 제공된다. 진동 측정 장치는 파장 조절이 가능한 레이저를 방사하는 버터플라이 타입 레이저 다이오드, 및 버터플라이 타입 레이저 다이오드에 내장되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장을 조절하기 위하여 입력 전류양에 비례하여 냉각 또는 가열 동작을 수행하여 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도를 제어하는 열전 소자를 구비하는 분배형 피드백 레이저 다이오드; 피측정 장치에 연결되어 레이저를 입력받어 브래그 조건을 만족하는 파장의 레이저를 반사하여 반사광을 생성하고 그 외 파장의 레이저는 그대로 투과하는 광섬유 브래그 격자 센서; 반사광을 전기 신호로 변환하는 광 수신부; 레이저를 광섬유 브래그 격자 센서로 입사하고 광섬유 브래그 격자 센서로부터의 반사광을 광 수신부로 전달하는 광 커플러; 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도를 측정하고 측정된 온도에 대응하는 전압을 출력하는 온도 센서; 및 전기 신호에 해당하는 반사광의 광량 데이터를 기초로 하여 피측정 장치의 진동을 검출하고, 피측정 장치의 결함 또는 이상 발생 여부를 검출하고, 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장이 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도에 비례하여 변하는 광섬유 브래그 격자 센서의 파장에 겹쳐지도록 상기 전압에 따라 열전 소자의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

진동 측정 장치{VIBRATION MEASURING APPARATUS}
본 발명은 진동 측정 장치에 관한 것으로, 특히 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; 이하 'FBG'라 함) 특성을 이용하여 정밀한 진동 분석이 가능하도록 제어하는 FBG 센서를 이용한 진동 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 기계의 진동을 감지하는 진동계는 피에조 또는 진동소자를 이용하는 기계적인 방식으로 제한적인 공간활용과 주변 환경적인 요인(전자파, 전기적인 노이즈) 등으로 인해 오작동이 발생하며 부피나 무게도 제한적인 구조로 되어 있어 고속, 정밀을 요하는 기계설비에 장착이 곤란한 문제점이 있었다.
한편, 최근 광섬유를 이용한 FBG 센서 방식이 대안으로 연구 개발이 진행되고 있다. FBG 센서는 광섬유 센서에 빛을 조사하여 빛의 반사/굴절/회절/투과 등을 이용한 센서로서, 파장 이동이 가능한 레이저 광원과, 써큘레이터(circulator), 광섬유 브래그 격자로 이루어진 탐촉자와, 반사되어 되돌아오는 빛을 수신하기 위한 광 수신부를 구비한다.
도 1은 광원과 브래그 격자의 파장 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 2는 광섬유 센서의 진동 센싱 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 탐촉자가 횡방향으로 진동하게 되면 브래그 격자는 휘어지게 되며, 휘어짐에 비례하여 브래그 파장이 변동되고 브래그 격자에서 반사되는 반사광의 크기도 도 1에서와 같이 광원의 중심 파장이 브래그 격자의 파장 스펙트럼의 경사진 부분에 위치하고 있으므로 변동될 것이다.
따라서 진동을 감지하기 위해서는 LD 광원의 파장을 FBG 파장의 기울기가 가장 큰 부분에 위치하도록 만들어야하며, 그러기 위해서는 LD의 파장을 조절해야 한다.
이러한 광섬유 센서는 고유한 파장 값을 가지며, 전자기파의 영향을 받지 않는 등 물리적인 특성이 우수하여 기존의 전기식 게이지를 대체해 가고 있는 우수한 물리량 측정 소자로서, 현재 그 활용범위가 급속도로 증대되고 있다.
대한민국 공개특허 10-2012-0004817(공개일: 2012.1.13)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 종래 기술에서의 한계와 단점에 의해 발생하는 다양한 문제점을 실질적으로 보완하기 위하여 파장 조절이 가능한 레이저를 발생하여 광섬유 브래그 격자 센서에 의해 반사된 반사광의 광량에 따라 피측정 장치의 진동을 감지하고 진동 레벨 및 진동 주파수에 따라 상기 피측정 장치의 결함 또는 이상 여부를 검출할 수 있고, 온도 센서를 이용하여 FBG의 주변 온도 변화에 따라 이동하는 레이저 다이오드의 파장대를 자동으로 조절할 수 있는 진동 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 진동 측정 장치는 파장 조절이 가능한 레이저를 방사하는 버터플라이 타입 레이저 다이오드, 및 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드에 내장되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장을 조절하기 위하여 입력 전류양에 비례하여 냉각 또는 가열 동작을 수행하여 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도를 제어하는 열전 소자를 구비하는 분배형 피드백 레이저 다이오드; 피측정 장치에 연결되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드로부터의 상기 레이저를 입력받어 브래그 조건을 만족하는 파장의 레이저를 반사하여 반사광을 생성하고 그 외 파장의 레이저는 그대로 투과하는 광섬유 브래그 격자 센서; 상기 광섬유 브래그 격자 센서로부터 상기 반사광을 전기 신호로 변환하는 광 수신부; 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드로부터의 상기 레이저를 상기 광섬유 브래그 격자 센서로 입사하고 상기 광섬유 브래그 격자 센서로부터의 상기 반사광을 상기 광 수신부로 전달하는 광 커플러; 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도를 측정하고 측정된 온도에 대응하는 전압을 출력하는 온도 센서; 및 상기 광 수신부로부터의 상기 전기 신호에 해당하는 상기 반사광의 광량 데이터를 기초로 하여 상기 피측정 장치의 진동을 검출하고, 시간 영역 분석 및 주파수 영역 분석을 통해 상기 검출된 피측정 장치의 진동 레벨 및 진동 주파수에 따라 상기 피측정 장치의 결함 또는 이상 발생 여부를 검출하고, 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장이 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도에 비례하여 변하는 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 파장에 겹쳐지도록 상기 온도 센서로부터의 상기 전압에 따라 상기 열전 소자의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 진동 측정 장치에 의하면, 파장 조절이 가능한 광원을 발진하여 광섬유 센서에 의해 반사된 반사광의 광량에 따라 피측정 장치의 진동을 감지할 수 있고, 고가의 수신부 또는 측정장비 모듈을 사용하지 않고 정밀한 진동분석이 가능할 뿐만 아니라 산업용으로 휴대가 용이하다는 장점이 있다. 본 발명은 또한 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도를 검출하고 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장이 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도에 비례하여 변하는 상기 광섬유 브래그 격자의 파장에 겹쳐지도록 조절할 수 있다.
도 1은 광원과 브래그 격자의 파장 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 2는 FBG 센서의 진동 센싱 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 FBG 센서의 주변 온도 변화로 인하여 변하는 FBG의 파장이 이동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시된 광 신호 컨버터의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광 신호 컨터버에 의한 광 신호 전류와 로그 스케일 전압과의 관계를 나타낸 특성 곡선이다.
도 7은 도 4에 도시된 AC 커플링 회로의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 4에 도시된 온도 센서의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 9는 도 4에 도시된 바이어스 전류 제어회로의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 10은 도 4에 도시된 상태 확인 회로의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 11은 도 4에 도시된 TEC 구동 회로의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 12 및 도 13은 피측정 장치의 결함 또는 이상 발생 여부를 검출하기 위한 시간 영역 분석 및 주파수 영역 분석을 각각 설명하는 그래프이다.
도 14는 도 4에 도시된 통신 회로의 일예인 유선 통신 회로를 나타낸 회로도이다.
도 15는 도 4에 도시된 통신 회로의 다른 예인 무선 통신 회로를 나타낸 회로도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광을 기초로 획득한 센서 및 조건별 편차 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광을 기초로 획득한 센서 및 조건평균 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광을 기초로 획득한 진동 트렌드를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 FBG 센서의 주변 온도 변화로 인하여 변하는 FBG의 파장이 이동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 측정 장치는 분배형 피드백 레이저 다이오드(100), 광섬유 브래그 격자 센서(200), 광 수신부(300), 광 커플러(600), 온도 센서(500), 제어부(400), 바이어스 전류 제어 회로(120), 상태 확인 회로(140), TEC 구동 회로(130), 호스트 컴퓨터(700), 및 통신 회로(800)를 포함한다.
분배형 피드백 레이저 다이오드(100)는 파장 조절이 가능한 레이저를 방사하는 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110), 및 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)에 내장되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 중심 파장을 조절하기 위하여 입력 전류양에 비례하여 냉각 또는 가열 동작을 수행하여 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 온도를 제어하는 열전 소자(thermoelectric cooler; 이하 'TEC'라 함)(112)를 구비한다. 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드은 ±10 nm 파장 조절이 가능하고, 1550nm의 중심 파장을 가지는 것이 바람직하다. 상기 분배형 피드백 레이저 다이오드(100)는 상기 열전 소자의 온도를 검출하는 온도 센서(150)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분배형 피드백 레이저 다이오드(100)는 파장 조절이 가능한 레이저을 방사하며 중심파장을 제어할 수 있도록 구성된다. 즉, 진동을 감지하기 위한 조건으로 상기 레이저가 상기 FBG의 파장에 겹쳐지도록 상기 레이저의 중심 파장을 브래그 파장의 경사진 부분에 위치하도록 파장을 이동시켜야하므로 레이저의 중심 파장을 원하는 위치로 제어할 수 있어야 한다.
광섬유 브래그 격자 센서(200)는 피측정 장치(미도시)에 연결되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(100)로부터의 상기 레이저를 입력받어 브래그 조건을 만족하는 파장의 레이저를 반사하여 반사광을 생성하고 그 외 파장의 레이저는 그대로 투과한다.
광 수신부(300)는 상기 광섬유 브래그 격자 센서(200)로부터 반사된 상기 반사광을 전기 신호로 변환한다.
상기 광 수신부(300)는 포토 다이오드(310), 광 신호 컨버터(320), 및 AC 커플링 회로(340)를 포함한다.
포토 다이오드(310)는 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)로부터 상기 레이저를 수신한다. 상기 포토 다이오드(310)는 특정 파장의 레이저을 수신하기 위한 것으로, 본 실시예에서는 1550nm 파장에서 가장 좋은 반응도(responsivity A/W)를 갖는 포토 다이오드로 구현할 수 있다.
광 신호 컨버터(320)는 상기 포토 다이오드(310)에 의해 수신한 상기 레이저을 상기 전기 신호로 변환한다. 상기 광 신호 컨버터(320)는 레이저 다이오드로부터 수신한 광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 광기전력 효과를 낼 수 있도록 하기 위한 회로로, 도 5의 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 도 4에 도시된 광 신호 컨버터의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다. 도 6은 도 5에 도시된 광 신호 컨터버에 의한 광 신호 전류와 로그 스케일 전압과의 관계를 나타낸 특성 곡선이다.
도 5에서, U20은 포토 다이오드 위치이며, 보드에 3개의 핀이 모두 연결된다. 포토 다이오드는 역바이어스로 동작하기 때문에 캐소드 핀(PD-C)에 5V의 DC 전압을 인가한다. U18은 광전 변환 소자로 포토 다이오드로부터 나오는 광신호의 전류를 로그스케일 전압으로 변환해주며, 애노드 핀(PD-A)과 연결된다.
AC 커플링 회로(340)는 상기 광 신호 컨버터(320)로부터 수신한 전기 신호 중 DC 성분을 필터링하고 AC 성분만을 증폭하여 상기 제어부(400)로 제공한다.
도 7은 도 4에 도시된 AC 커플링 회로의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 C46 커패시터를 통과하여 DC성분을 필터링하고 U17A의 차동증폭기를 이용하여 입력신호의 AC 성분만을 증폭한 다음 1.65V 오프셋(offset)을 주어 제어부(400)가 센싱하여 FFT하는 것에 유리하도록 할 수 있다. 신호의 증폭률은 가변 저항(R43)을 이용하여 원하는 증폭률을 설정할 수 있다. U17B는 전압 팔로워 역할을 하며, MPD_MON은 제어부(400)와 연결되어 있으며, 따라서 프로그램을 이용하여 제어부(400)에서 교류 성분의 신호 즉, 진동 신호를 모니터할 있다.
도 8은 도 4에 도시된 온도 센서(500)의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다. FBG 센서(200)는 온도에 영향을 받는데 진동 센서의 기능을 유지를 위해서는 온도 변화에 의해 FBG 센서(200)가 영향을 받는 만큼 버터플라이 타입 LD(110)를 조절하여 영향을 상쇄시켜야 한다. 그러기 위해 우선 외부 온도 측정이 필요하며 위 회로 개발로 2선식 PT100 온도 측정 소자인 온도 센서(500)의 기능을 구현하였다. J 2번은 2선식 PT100의 인터페이스 커넥터이다. J2의 PT100의 1,2번 핀 ( FBG_RTD+, FBG_RTD- ) 들은 U5 A/D 컨버터의 입력 핀과 연결되어있다. U4는 ADR03AUJ Regulator IC를 사용하여 DC 5V -> 2.5V 로 변환시킨다. 2.5V 출력의 VREF핀은 U5 A/D 컨버터에서 Positive 기준 입력으로 연결된다. U5는 16bit A/D 컨버터는 pt100 온도 측정에 의한 0~2.5V 전압 값을 65536 ( 216 )단계로 분해한다, DIN, DOUT (EX_SPI_MISO, EX_SPI_MOSI, EX_SPI_SCK, EX_AD7795_ADC ) 입/출력 핀으로 MCU IC와 연결된다. MCU IC로 구성된 제어부(400)에서 0~2.5V를 섭씨 0 ~ 100 도까지 매칭되도록 구성하였다.
도 9는 도 4에 도시된 바이어스 전류 제어회로의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다. 도 9를 참조하면, 바이어스 전류 제어 회로(120)는 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 바이어스 전류값을 제어하여 상기 레이저의 파워를 제어한다.
도 9에서, 우선 U3는 레이저 다이오드를 연결할 수 있는 마운트 모듈로서, 1번부터 14번 핀까지 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 핀 맵과 동일하다. 14개의 핀 중 레이저 다이오드의 바이어스 전류를 제어하는데 사용되는 핀은 LD_I(3번핀)이며 바이어스 전류 제어회로(120)와 연결된다.
구체적인 동작은, 먼저 16비트 D/A(디지털/아날로그) 컨버터인 U14의 출력을 기준으로 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 바이어스 전류를 제어한다. 즉, 상기 제어부(400)로부터 수신한 신호(DAC_MOSI)가 입력되면 U14를 통해 전압값으로 출력한다. U14의 출력 전압값은 2.5V이며 그 아래에 위치한 레귤레이터(U16)에 의해 5V에서 2.5V로 변환된 값이다.
D/A 컨버터(U14)의 출력 전압값은 VOUTA와 VOUTB로 출력되며, 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 바이어스 전류값의 이득(gain)을 설정하기 위한 회로구성이다. 먼저, VOUTA와 연결된 U11B는 차동 증폭기(OPAMP)로써, 입력전압을 출력전압에 그대로 전달해주는 전압 팔로워 역할을 한다. U11B의 7번 출력핀과 U15A의 3번 입력핀 사이에 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 활성화/비활성화(enable/disable) 회로인 Q3를 구성할 수 있다.
상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 인에이블(LD_ENABLE) 회로가 온(ON) 되면 트랜지스터 Q3가 온되며, R39 저항이 그라운드와 연결되어 있으므로 전류는 R36과 R39 사이로 흐르게 된다. 이때 차동 증폭기 U15A의 3번 입력 핀에 0(zero)에 가까운 전압이 인가되므로 비활성화된다. 역으로 레이저 다이오드의 인에이블(LD_ENABLE) 회로가 오프(OFF) 되면 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)는 활성화된다.
다음으로, U15A, Q2, U12를 통해 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 전류를 제어하는데 먼저, 차동 증폭기(U15A)의 입력저항 R36과 부궤환저항 R39는 동일한 저항값을 가지도록 하여 이득값은 1:1로 유지되며, C36은 노이즈 제거용 커패시터이다. U15A의 1번 출력핀은 Q2 트랜지스터의 베이스와 연결되며 이때 Q2 트랜지스터의 베이스에 흐르는 전류값으로 컬렉터와 이미터에 흐르는 전류값을 조정하게 된다.
INA 138(U12)은 전류션트 모니터링 회로(Current Shunt Monitoring IC)로 전류값을 전압값으로 바꾸어주는 역할을 한다.
즉, Vout = Is*Rs*(200uA/V)*RL
여기서, Rs는 입력단 VIN+와 VIN- 사이의 R32 저항에 흐르는 저항이며, Is는 레이저 다이오드의 바이어스 전류이다. 또한 200uA/V는 IC의 트랜스컨덕턴스값이고 RL은 출력단의 외부저항으로 R34, R37이 해당된다.
R32, R34, R37의 저항 용량을 선정하여 Vout과 바이어스 전류 Is의 이득값을 1:1로 설정하며, Vout값은 D/A 컨버터 U14의 출력을 핀 VOUTA 값과 동일하게 만들어 주기 위함이다. 예를 들어, U14의 출력 VOUTA가 1.5V이면, INA138의 Vout 역시 1.5V이며, 바이어스 전류는 150mA로 제어될 수 있다.
INA138 Vout은 LD_I_FDB지점에서 피드백되고 다시 U15A의 입력 핀으로 들어가서 Q2 트랜지스터의 베이스 핀에 전류를 흘려주어 바이어스 전류 값 Is를 조절해준다. 즉, Is를 직접적으로 조절하는 것은 Q2 트랜지스터이며 제어를 위해 U12를 통해 피드백을 거치는 것이다.
다음으로, 출력단에 오픈 컬렉터인 D4를 사용하였다. LD_I_FDB는 중앙 제어부의 핀과 연결되며, 이에 따라 중앙 제어부는 제어프로그램을 이용하여 레이저 다이오드의 바이어스 전류값을 모니터할 수 있다.
도 10은 도 4에 도시된 상태 확인 회로(140)의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 10을 참조하면, 상태 확인 회로(140)는 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 동작 상태를 확인한다.
도 10에서, 우선 U3는 전술한 바와 같이 레이저 다이오드 연결용 마운트 모듈이며 핀 맵이 버터플라이 타입 레이저 다이오드와 동일하다. 상기 상태 확인 회로(140)는 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 동작상태를 확인하기 위해 내부에 포토 다이오드를 구비하고 있으며, 4번 핀과 5번 핀에 연결된다. 여기서, 포토 다이오드는 역바이어스 전류로 동작하므로 5번 핀에 3.3V를 인가한다.
버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 발광시 수신한 광에너지가 전기에너지로 변환되면 4번 핀 PN_N으로부터 나온 전류에 대해 U6A/6AB의 전압 팔로우 회로를 거쳐 입/출력간의 손실이 최소화되도록 한다.
또한 출력단에 오픈 컬렉터인 D4를 사용하였으며, PD_P_MON_ADC 핀을 중앙 제어부(400)에 연결하여 해당 핀에 걸리는 전압을 모니터함으로써 레이저 다이오드의 상태를 확인할 수 있도록 한다.
광 커플러(600)는 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)로부터의 상기 레이저를 상기 광섬유 브래그 격자 센서(200)로 입사하고 상기 광섬유 브래그 격자 센서(200)로부터의 상기 반사광을 상기 광 수신부(300)로 전달한다.
온도 센서(500)는 상기 광섬유 브래그 격자 센서(200)의 주변 온도를 측정하고 측정된 온도에 대응하는 전압을 출력한다.
TEC 구동 회로(130)는 상기 제어부(400)의 제어 하에 상기 열전 소자(112)의 구동을 제어한다. 도 11은 도 4에 도시된 TEC 구동 회로(130)의 구체적인 예를 나타낸 회로도이다.
도 11을 참조하면, 상기 TEC 구동 회로(130)는 상기 제어부(400)로부터 기준 온도값을 수신하여 전압값으로 변환하여 출력하는 디지털/아날로그 컨버터(U14)와; 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도 조절 핀의 전압값이 상기 디지털/아날로그 컨버터(U14)의 출력 전압값과 동일하게 되도록 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도를 제어하는 PI 제어 회로를 포함한다.
도 11에서, 우선 U3는 전술한 바와 같이 레이저 다이오드 연결용 마운트 모듈이다. 1번부터 14번 핀 중 온도 조절을 위해 사용하는 핀은 1, 2, 6, 7번 핀이며 본 실시예에서는 서미스터(Thermistor)와 연결되어 있는 1번 핀이 회로와 연결되어 있다.
구체적인 동작은, 먼저 16비트 디지털/아날로그(D/A) 컨버터(U14)의 출력을 기준으로 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 바이어스 전류를 제어한다.
다음으로, U11A의 전압 팔로우 회로를 거쳐 입/출력간의 손실을 최소화할 수 있다. 전압 팔로우 회로의 출력 핀은 U7A 차동 증폭기의 입력 핀과 연결되며 다른 입력 핀 중 하나는 레이저 다이오드 U3의 1번 핀(LD_RTD+)과 연결된다.
U7A 및 U7B는 PI 온도 제어를 위한 회로 구성이며 일반적인 MAX1968 IC의 데이터시트에 있는 애플리케이션 회로를 응용하여 구현할 수 있다.
결국 제어부(400)가 D/A 컨버터(U14)를 통해서 출력하는 전압값은 제어하고자 하는 기준 온도값이 된다. LD_RTD+의 전압값은 실제 제어되고 있는 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 온도값이 된다.　따라서 LD_RTD+의 전압값이 D/A 컨버터(U14)의 출력값과 동일하게 되도록 TEC(112)를 제어한다.
PI 온도제어 회로 오른쪽 끝단의 CTLI 핀은 MAX 1968 IC(U2)의 3번 핀과 연결되어 TEC 전류를 MAX 1968 IC(US)의 입력으로 제공한다. MAX 1968 IC는 TEC의 전류를 입력으로 받아들여 실시간으로 TEC의 온도를 모니터링하며 TEC를 원하는 온도 값으로 조절할 수 있도록 TEC+, TEC- 핀을 통하여 TEC에 전류를 인가한다. 그 외, 주변 회로는 MAX 1968 IC의 데이터시트를 참조하여 애플리케이션 회로를 응용할 수 있다.
전술한 바와 같이 TEC(112) 및 TEC 구동 회로(130) 이용하여 레이저 다이오드 내부의 온도를 제어함으로써 레이저 다이오드의 중심 파장을 원하는 파장으로 조절할 수 있다. 제어부(400)는 상기 광 수신부(300)로부터의 상기 전기 신호에 해당하는 상기 반사광의 광량 데이터를 기초로 하여 상기 피측정 장치의 진동을 검출하고, 시간 영역 분석 및 주파수 영역 분석을 통해 상기 검출된 피측정 장치의 진동 레벨 및 진동 주파수에 따라 상기 피측정 장치의 결함 또는 이상 발생 여부를 검출한다. 제어부(400)는 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 중심 파장이 상기 FBG 센서(200)의 주변 온도에 비례하여 변하는 상기 FBG 센서(200)의 파장에 겹쳐지도록 상기 온도 센서(500)로부터의 상기 전압에 따라 상기 열전 소자(112)의 구동을 제어한다.
아래 표 1은 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드(110)의 온도 변화에 따른 중심 파장(nm) 변화예를 나타낸 것이다.
온도
(℃)		 중심파장
(nm)		 온도
(℃)		 중심파장
(nm)		 온도
(℃)		 중심파장
(nm)		 온도
(℃)		 중심파장
(nm)
23.0 1549.701 24.3 1549.84 25.6 1549.976 26.9 1550.114
23.1 1549.716 24.4 1549.85 25.7 1549.989 27.0 1550.124
23.2 1549.726 24.5 1549.861 25.8 1550.001 27.1 1550.134
23.3 1549.739 24.6 1549.871 25.9 1550.011 27.2 1550.144
23.4 1549.746 24.7 1549.881 26.0 1550.021 27.3 1550.152
23.5 1549.756 24.8 1549.894 26.1 1550.032 27.4 1550.161
23.6 1549.766 24.9 1549.906 26.2 1550.041 27.5 1550.171
23.7 1549.777 25.0 1549.919 26.3 1550.051 27.6 1550.181
23.8 1549.786 25.1 1549.93 26.4 1550.061 27.7 1550.191
23.9 1549.798 25.2 1549.941 26.5 1550.071 27.8 1550.204
24.0 1549.808 25.3 1549.95 26.6 1550.081 27.9 1550.214
24.1 1549.819 25.4 1549.959 26.7 1550.091 28.0 1550.226
24.2 1549.83 25.5 1549.966 26.8 1550.102
진동 분석 방법으로는 주로 시간 영역 분석과 주파수 영역 분석 방법을 통해 이상신호감지 및 상태를 점검할 수 있다.
도 12를 참조하면 시간 영역에서는 기계 결함 발생시 주기적인 충격성분이 나타나며, 결함 발생시 진동 레벨이 정상 상태보다 크게 나타난다.
도 13을 참조하면, 주파수 영역에서는 결함시 발생하는 특성주파수를 측정하여 이상 여부를 판정한다. 기계 운전시 기본 주파수와 이상 현상에 따른 특성주파수가 구분되는 것을 이용하는 것으로 기계 설비 이상에 따른 특성 주파수와 배수에 해당되는 2차, 3차 고조파 성분을 측정한다. 즉, 제어부(400)는 상기 피측정 장치의 진동을 감지하고, 시간 영역 분석 및 주파수 영역 분석을 통해 상기 감지된 피측정 장치의 진동 레벨이 시간 영역에서 정상 레벨보다 크고, 상기 감지된 피측정 장치의 진동 주파수가 결함 또는 이상에 해당하는 특성 주파수에 포함되는 경우 상기 피측정 장치에 결함 또는 이상이 발생하는 것으로 검출한다.
여기서, 결함시 발생하는 특성 주파수는 예를 들어, 베어링 표면 위의 결함이 상대(다른) 표면과 접촉할 때마다 충격(impulse)이 발생하는데 결함과 상대 표면의 접촉은 주기적이기 때문에 충격 신호는 결함의 위치에 따라 일정 시간간격으로 재현되며, 이때 발생되는 주파수를 결함 특성 주파수(characteristic defect frequency)라 한다.
전술한 바와 같이 본 실시예에 따르면 광원부의 온도 및 바이어스 전류 제어를 통해 FBG 센서(200)의 감도를 조절함으로써 고가의 광 수신부 또는 측정 장비 모듈을 사용하지 않고도 정밀한 진동 분석이 가능하다.
또한, 본 실시예에 따르면 진동에 의해 변화하는 광섬유 센서의 미미한 파장변화를 감지하고 이를 측정할 수 있다.
호스트 컴퓨터(700)는 상기 제어부(400)와 통신하여 상기 제어부(400)로부터의 검출 결과를 수신하여 디스플레이하고 외부 명령에 따라 상기 제어부(400)를 제어한다.
통신 회로(800)는 상기 제어부(400)와 상기 호스트 컴퓨터(700) 사이의 통신을 인터페이스한다.
도 14는 도 4에 도시된 통신 회로의 일예인 유선 통신 회로를 나타낸 회로도이다. 도 15는 도 4에 도시된 통신 회로의 다른 예인 무선 통신 회로를 나타낸 회로도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광을 기초로 획득한 센서 및 조건별 편차 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광을 기초로 획득한 센서 및 조건 평균 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사광을 기초로 획득한 진동 트렌드를 나타낸 도면이다.
반도체 웨이퍼 트랜스 로봇에 TEST를 실시하여 정상 작동 상태 와 변곡점(구리스 제거 및 벨트 텐션 조절)을 주어 도 16의 그래프와 도 17 그래프를 수치화한 조건 별 표준 편차를 나타낸다. 도 16에서 x축은 시간에 따른 변곡점을 적용한 사항이며 y축은 다음 수학식 1을 적용하여 진동의 폭을 시각화하여 표현하였으며 시간에 따라 변곡점으로 인해 발생되어지는 편차를 두고 도18에 도시된 바와 같이 트렌드화 하여 평소와 이상 유무를 판별하며 도 17의 일정 값 이상의 편차 (값이 튀는 현상)가 있을 시 사용자에게 알람을 띄워 이상을 알릴 수 있도록 구현된다. 도 18은 진동 트렌드를 비교 분석으로 값이 튀는 현상이 발생시 로봇 이상현상에 대해 대비할 수 있도록 예지기능 까지 가능하다.
Figure 112016082442359-pat00001
수학식 1에서 En은 이벤트 에너지를 나타내고,
Figure 112016082442359-pat00002
는 스펙트럼화된 주파수 영역에서 1 내지 2.5 kHz 영역을 생성된 잔 진폭의 합이고,
Figure 112016082442359-pat00003
는 발생된 진동을 스펙트럼화하여 주파수 영역에서 진폭의 최대값들의 합을 나타내고, W는 내부 최적화 가중치를 나타낸다.
상기 제어부(400)는 상기 광 수신부(300)로부터의 상기 반사광을 기초로 하여 상기 반사광이 나타내는 상기 피측정 장치의 진동 범위에 해당하는 이벤트 카운트를 상기 수학식 1에 의해 획득한다.
본 발명에서는 진동을 표현함에 있어서 Y 축을 적용하여 무진동 상태에서 일정 파워 값을 항상 유지 중이고 W 값 설정으로 인해 반응 감도를 조절하여 반사광에 대응하는 전기 신호를 받아들이는데 최적화 가중치이다.
표 2에는 품목별 조건별 편차 및 조건별 평균 데이터가 설명되어 있다.
품목
제1 센서
(회전운동 점)		 제2 센서
(종료점)		 제3 센서
(시작점)		 제1 센서(회전운동 점) 제2 센서(종료점) 제3 센서
(시작점)
파워오프1차 376 163 277 366 175 241
파워 온 829 319 251 446 235 312
이동 473 519 374 486 367 558
그리스 제거(x1 축) 1613 698 975 794 393 727
벨트 80% 손상(x2 축) 1853 989 1242 998 675 854
파워 오프 2차 734 148 253 550 190 359
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 분배형 피드백 레이저 다이오드
110 : 버터플라이 타입 레이저 다이오드
112 : TEC
120: 바이어스 전류 제어회로
130 : TEC 구동 회로
140 : 상태 확인 회로
150: 온도 센서
200 : FBG 센서
300 : 광 수신부
310 : 포토 다이오드
320 : 광 신호 컨버터
340 : AC 커플링회로
400 : 제어부
500: 온도 센서
600: 광 커플러
700: 호스트 PC
800: 통신 회로

Claims (8)

  1. 파장 조절이 가능한 레이저를 방사하는 버터플라이 타입 레이저 다이오드, 및 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드에 내장되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장을 조절하기 위하여 입력 전류양에 비례하여 냉각 또는 가열 동작을 수행하여 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도를 제어하는 열전 소자(TEC)를 구비하는 분배형 피드백 레이저 다이오드;
    피측정 장치에 연결되어 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드로부터의 상기 레이저를 입력받어 브래그 조건을 만족하는 파장의 레이저를 반사하여 반사광을 생성하고 그 외 파장의 레이저는 그대로 투과하는 광섬유 브래그 격자 센서;
    상기 광섬유 브래그 격자 센서로부터 상기 반사광을 전기 신호로 변환하는 광 수신부;
    상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드로부터의 상기 레이저를 상기 광섬유 브래그 격자 센서로 입사하고 상기 광섬유 브래그 격자 센서로부터의 상기 반사광을 상기 광 수신부로 전달하는 광 커플러;
    상기 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도를 측정하고 측정된 온도에 대응하는 전압을 출력하는 온도 센서; 및
    상기 광 수신부로부터의 상기 전기 신호에 해당하는 상기 반사광의 광량 데이터를 기초로 하여 상기 피측정 장치의 진동을 검출하고, 시간 영역 분석 및 주파수 영역 분석을 통해 상기 검출된 피측정 장치의 진동 레벨 및 진동 주파수에 따라 상기 피측정 장치의 결함 또는 이상 발생 여부를 검출하고, 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 중심 파장이 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 주변 온도에 비례하여 변하는 상기 광섬유 브래그 격자 센서의 파장에 겹쳐지도록 상기 온도 센서로부터의 상기 전압에 따라 상기 열전 소자의 구동을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 반사광을 기초로 하여 상기 피측정 장치의 진동 범위에 해당하는 이벤트 카운트를 다음 수학식:
    Figure 112017074500345-pat00025
    의해 획득하고, 상기 수학식에서 상기 En은 이벤트 에너지를 나타내고,상기
    Figure 112017074500345-pat00026
    는 스펙트럼화된 주파수 영역에서 1 내지 2.5 kHz 영역을 생성된 잔 진폭의 합이고,상기
    Figure 112017074500345-pat00027
    는 발생된 진동을 스펙트럼화하여 주파수 영역에서 진폭의 최대값들의 합을 나타내고, W는 내부 최적화 가중치를 나타내는 것을 특징으로 하는 진동 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드는 ±10 nm 파장 조절이 가능하고, 1550nm의 중심 파장을 가지는 진동 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분배형 피드백 레이저 다이오드는 상기 열전 소자의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하는 진동 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광 수신부는
    상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드로부터 상기 레이저를 수신하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 의해 수신한 상기 레이저을 상기 전기 신호로 변환하는 광 신호 컨버터; 및
    상기 광 신호 컨버터로부터 수신한 전기 신호 중 DC 성분을 필터링하고 AC 성분만을 증폭하여 상기 제어부로 제공하는 AC 커플링 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 진동 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 바이어스 전류값을 제어하여 상기 레이저의 파워를 제어하는 바이어스 전류 제어 회로; 및
    상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 동작 상태를 확인하기 위한 상태 확인 회로를 더 포함하는 진동 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부의 제어 하에 상기 열전 소자의 구동을 제어하는 TEC 구동 회로를 더 포함하고,
    상기 TEC 구동 회로는 상기 제어부로부터 기준 온도값을 수신하여 전압값으로 변환하여 출력하는 디지털/아날로그 컨버터; 및
    상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도 조절 핀의 전압값이 상기 디지털/아날로그 컨버터의 출력 전압값과 동일하게 되도록 상기 버터플라이 타입 레이저 다이오드의 온도를 제어하는 PI 제어 회로를 포함하는 진동 측정 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부와 통신하여 상기 제어부로부터의 검출 결과를 수신하여 디스플레이하고 외부 명령에 따라 상기 제어부를 제어하는 호스트 컴퓨터; 및
    상기 제어부와 상기 호스트 컴퓨터 사이의 통신을 인터페이스하는 유선/무선 통신 회로를 더 포함하는 진동 측정 장치.
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