KR101817083B1 - 압전 센서의 구부림을 분석하는 장치 및 알고리즘 - Google Patents
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Abstract
다양한 실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 압전 센서의 구부림 동작에 대응하여 발생하는 전기 신호를 수신하는 수신 모듈; 및 상기 전기 신호에 대응하는 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하고, 상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간에 기반하여 상기 구부림의 곡률(curvature)을 계산하고, 상기 곡률 및 상기 전하량에 기반하여 상기 구부림의 속도(speed)를 계산하는 프로세서를 포함한다. 이를 통하여, 다양한 실시예에 따른 압전 센서의 구부림 장치는 곡률과 구부림 속도를 동시에 정확하게 계산할 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예는, 압전 센서의 구부림을 분석하는 장치 및 알고리즘에 관한 것으로, 압전 센서의 구부림 동작에 따른 전기 신호를 수신하고, 전기 신호를 분석하여 압전 센서의 구부림 동작을 분석하는 장치에 관한 것이다.
플랙서블하고, 이동 가능한 구부림 동작 센서가 사람의 인공 피부, 웨어러블 디바이스, 생체 모방 로봇 시스템 등 다양한 분야에 이용되고 있다.
최근에는 구부림 동작 센서 시스템은 저항, 캐패시터의 변화, 광 출력, 압전 센서 등을 이용하는 다양한 변환 메커니즘에 의해 개발되고 있다.
대부분의 변환 메커니즘은 별도의 외부 에너지를 필요로 하고, 이로 인해서 구부림 동작 센서 시스템의 크기가 커지고, 짧은 동작만을 분석하게 되는 단점이 있다.
하지만, 압전 센서는 외부 에너지 없이도 구부림 동작에 의해서 전기 신호가 생성될 수 있는 물질을 이용한다. 따라서, 압전 센서를 이용한 구부림 동작 센서 시스템은 별도의 외부 에너지 없이도 구부림 동작을 분석할 수 있는 장점이 있다.
압전 센서를 이용하여 구부림 동작을 분석하는 종래 기술의 경우, 구부림 동작에 의해 발생된 전하량을 고려하여, 구부림 동작의 곡률을 계산하는 기술을 개시하고 있다. 하지만, 종래 기술은 구부림 동작의 속도에 따른 전하량의 변화를 고려하지 못하는 단점이 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은, 압전 센서의 구부림 동작 분석 장치 및 구부림 동작 분석 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 압전 센서의 구부림 동작에 대응하여 발생하는 전기 신호를 수신하는 수신 모듈; 및 상기 전기 신호에 기반하여 상기 구부림 동작을 분석하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 전기 신호에 대응하는 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하고, 상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간에 기반하여 상기 구부림의 곡률(curvature)을 계산하고, 상기 곡률 및 상기 전하량에 기반하여 상기 구부림의 속도(speed)를 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 방법은 압전 센서의 구부림 동작에 대응하여 발생하는 전기 신호에 대응하는 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하는 동작; 상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간에 기반하여 상기 구부림의 곡률을 계산하는 동작; 및 상기 곡률 및 상기 전하량에 기반하여 상기 구부림의 속도를 계산하는 동작을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 압전 센서의 구부림 동작 분석 장치 및 방법은 압전 장치의 구부림의 속도에 따른 누수 전하를 고려하여 곡률을 계산하므로, 곡률을 정확하게 계산할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 압전 센서의 구부림 동작 분석 장치 및 방법은 곡률과 구부림 속도를 동시에 계산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 방법에 대해서 도시한 동작 흐름도이다.
도 3a는 도 1에 도시된 압전 센서의 구부림 분석 장치 및 도 2에 도시된 압전 장치의 구부림 분석 방법에서 이용하는 전기 신호를 도시한 도면이다.
도 3b, 3c는 도 3a에 도시된 전기 신호의 일부(310)를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3d는 전기 신호의 폭(311)과 면적(312)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3e는 도 3d에 도시한 직선 함수들을 연장한 그래프를 도시한 도면
도 3f는 전술한 곡률과 전하량(311)과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값의 비 사이에 대한 함수를 도시하고 있다.
도 3g는 곡률과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값과 속도의 비간의 비례 관계를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치에서 분석의 대상이 되는 압전 센서의 생성 방법을 도시한 도면이다.
도 5 a 내지 도 5f는 도 4a 내지 도 4f에서 서술한 압전 센서의 생성 방법을 이용하여 생성한 압전 센서의 구부림 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 압전 센서의 구부림 분석 결과를 다르게 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 방법에 대해서 도시한 동작 흐름도이다.
도 3a는 도 1에 도시된 압전 센서의 구부림 분석 장치 및 도 2에 도시된 압전 장치의 구부림 분석 방법에서 이용하는 전기 신호를 도시한 도면이다.
도 3b, 3c는 도 3a에 도시된 전기 신호의 일부(310)를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3d는 전기 신호의 폭(311)과 면적(312)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3e는 도 3d에 도시한 직선 함수들을 연장한 그래프를 도시한 도면
도 3f는 전술한 곡률과 전하량(311)과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값의 비 사이에 대한 함수를 도시하고 있다.
도 3g는 곡률과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값과 속도의 비간의 비례 관계를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치에서 분석의 대상이 되는 압전 센서의 생성 방법을 도시한 도면이다.
도 5 a 내지 도 5f는 도 4a 내지 도 4f에서 서술한 압전 센서의 생성 방법을 이용하여 생성한 압전 센서의 구부림 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 압전 센서의 구부림 분석 결과를 다르게 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 수신 모듈(110)과 프로세서(120)를 포함할 수 있다.
수신 모듈(110)는 압전 센서의 구부림 동작에 대응하여 발생하는 전기 신호를 수신할 수 있다.
압전 센서는 구부림 동작을 주면, 전압이 발생하고, 전압을 가하면, 일그러짐 등의 물리적으로 변화하는 압전 소자가 포함된 장치를 의미할 수 있다.
전기 신호는 압전 센서의 구부림 동작 또는 구부림 동작 이후 원형으로 복구되는 동작에서 발생될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 전기 신호를 분석하고, 분석 결과에 기반하여 구부림에 대응하는 곡률의 값 및 구부림의 속도를 계산할 수 있다.
프로세서(120)는 전기 신호에 대응하는 전하량 및 전하량이 변화되는 시간을 계산할 수 있다.
프로세서(120)는 전기 신호를 시간 도메인으로 적분한 값을 이용하여 전하량을 계산할 수 있다.
전하량이 변화되는 시간은 전기 신호를 발생시키는 전하가 충전되는 시간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전하량이 변화되는 시간은 압전 센서에 힘이 가해져서, 압전 센서가 구부러지면서 발생되는 전하가 충전되는 시간을 의미할 수 있다.
전하량이 변화되는 시간은 전기 신호를 발생시키는 전하가 방전되는 시간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전하량이 변화되는 시간은 구부러진 압전 센서에 가해지는 힘이 없어지면서, 압전 센서가 원래의 상태로 복구되는 경우, 충전된 전하가 방출되는 시간을 의미할 수 있다.
정리하면, 전하량이 변화되는 시간은 전기 신호에 대응하는 전하가 충전되는 시간 또는 전기 신호에 대응하는 전하가 방전되는 시간 중 어느 하나를 의미할 수 있다.
프로세서(120)는 전기 신호의 발생 시간 및 전기 신호의 종료 시간의 차이 값에 기반하여 전하량이 변화되는 시간을 계산할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, 압전 센서가 구부림 동작을 수행하는 경우, 프로세서(120)는 전하가 충전되기 시작한 시간과 전하가 충전이 완료된 시간의 차이 값에 기반하여 전하량이 변화되는 시간을 계산할 수 있다. 압전 센서가 원상으로 복귀되는 경우, 프로세서(120)는 전하가 방전되기 시작한 시간과 전하가 방전이 완료된 시간의 차이 값에 기반하여 전하량이 변화되는 시간을 계산할 수 있다.
프로세서(120)는 전하량 및 전하량이 변화되는 시간에 기반하여 곡률을 계산할 수 있다.
기존의 종래 기술은 압전 센서의 곡률을 계산함에 있어, 전하량만을 고려하고 있을 뿐, 압전 센서의 속도를 고려하지 않았다.
하지만, 압전 센서의 속도는 압전 센서 내부의 캐패시터 성분의 리액턴스를 변화시킬 수 있으며, 압전 센서의 속도에 따라서, 시간 상수가 변화할 수 있다. 즉, 압전 센서의 속도에 따라서, 압전 센서 내부의 캐패시터 성분에 의해 누수 전하량(leakage charge)이 변화하게 되며, 기존의 종래 기술은 압전 센서의 속도에 따라서, 누수 전하량을 고려하지 않았다. 이에 대한 설명은 하기의 도 5 e에서 서술한다.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 압전 센서의 속도를 고려하여 곡률 및 속도를 계산할 수 있다.
압전 센서의 속도는 전하량이 변화되는 시간과 관계가 있다. 자세히 서술하면, 압전 센서의 속도가 빠를수록 전하량이 변화되는 시간은 작아지고, 압전 센서의 속도가 느릴수록 전하량이 변화되는 시간은 길어지는 관계가 성립한다.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 압전 센서의 속도를 고려하기 위해서, 전하량이 변화되는 시간을 고려할 수 있다. 전하량이 변화되는 시간에 대해서는 도 3a 내지 도 3e에서 서술한다.
프로세서(120)는 전하량 및 전하량이 변화되는 시간에 기반하여 구부림의 곡률을 계산할 수 있다. 상세히 서술하면, 프로세서(120)는 전하량과 전하량이 변화하는 시간의 비율에 기반하여 상기 곡률을 계산할 수 있다.
프로세서(120)는 곡률 및 전하량에 기반하여 구부림의 속도를 계산할 수 있다. 상세히 서술하면, 프로세서(120)는 전하량을 입력으로 하는 로그 함수의 출력 값, 상기 곡률을 이용하여 상기 구부림의 속도를 계산할 수 있다.
프로세서(120)가 곡률 및 구부림의 속도를 계산하는 방법에 대해서는 도 3에서 서술한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 방법에 대해서 도시한 동작 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 프로세서(120)는 전기 신호에 대응하는 전하량, 전하량이 변화하는 시간을 계산할 수 있다(210).
프로세서(120)는 전하량, 전하량이 변화하는 시간에 기반하여 곡률을 계산할 수 있다(220).
프로세서(120)는 곡률, 전하량에 기반하여 구부림의 속도를 계산할 수 있다(230).
도 3a는 도 1에 도시된 압전 센서의 구부림 분석 장치 및 도 2에 도시된 압전 센서의 구부림 분석 방법에서 이용하는 전기 신호를 도시한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 전기 신호는 특정 주기로 발생되고 있음을 알 수 있다. 즉, 압전 센서에 힘을 가해 구부려지는 경우, 구부림에 따라 전기 신호가 발생되고, 이후 압전 센서에 가해진 힘이 없어진 경우, 압전 센서가 원래 상태로 복귀하면서, 전기 신호가 발생되고 있음을 알 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 전기 신호의 일부(310)를 확대하여 도시한 도면이다.
전기 신호(310)은 t1에 발생하고, t3에 종료되고 있다. 프로세서(120)는 전기 신호의 발생 시간(t1)과 종료 시간(t3)의 차이 값(폭, 311)에 기반하여 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산할 수 있다. 도 3c를 참조하면, 전기 신호의 발생 시간(t1)에 전하가 발생되기 시작하고, 전기 신호에 대응하는 전압 값이 최대가 되는 시간(t2)에 전하의 발생 속도가 최대가 됨을 알 수 있다. 이 후, 전기 신호의 종료 시간(t3)에 전하량이 변화 없이 그대로 유지되고 있음을 알 수 있다. 즉, 프로세서(120)는 전기 신호의 발생 시간(t1)과 종료 시간(t3)의 차이 값에 기반하여 전하량이 변화되는 시간을 계산할 수 있다.
면적(312)는 전기 신호를 시간 도메인으로 적분한 값으로, 전하량과 관계된 값을 의미할 수 있다.
또한, 전기 신호의 전압의 피크 값(313)이 도 3b에 도시되어 있다.
도 3d는 전기 신호의 폭(311)과 면적(312)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3d를 참조하면, 곡률이 동일한 경우, 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312) 값을 입력한 값과 전기 신호의 폭(311)은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.
특히, 전기 신호의 폭을 x축으로, 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312) 값을 입력한 값을 y축으로 하는 선형 함수의 기울기는, 곡률이 커질수록 기울기의 절대 값이 더 커짐을 알 수 있다.
도 3e는 도 3d에 도시한 직선 함수들을 연장한 그래프를 도시한 도면으로, 상기 직선 함수들은 특정 값에서 모두 만나고 있음을 알 수 있다.
도 3d 내지 도 3e는 곡률이 동일한 경우, 기울기가 동일한 직선 함수를 구현할 수 있음을 내포하고 있다. 즉, 프로세서(120)는 상기의 직선 함수에 전하량과 전하량이 변화하는 시간의 비를 대입하는 방식을 이용하여, 곡률을 계산할 수 있다.
이 때, 전하량이 변화하는 시간은 압전 센서의 속도와 관계가 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 압전 센서의 속도를 고려하여 곡률을 계산할 수 있다.
도 3f는 전술한 곡률과 전하량(311)과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값의 비 사이에 대한 함수를 도시하고 있다.
도 3f를 참조하면, 전하량과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)의 비와 곡률간 비례 관계가 있음을 알 수 있다.
따라서, 프로세서(120)는 도 3f에 도시된 비례 관계를 이용하여 곡률을 계산할 수 있다.
도 3g는 곡률과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값과 속도의 비간의 비례 관계를 도시한 도면이다.
도 3g를 참조하면, 곡률과 상용 로그 함수에 전기 신호의 면적(312)을 대입한 값과 속도의 비는 직선 함수로 표현될 수 있고, 따라서, 프로세서(120)는 도 3g에 도시된 직선 함수를 이용하여, 압전 센서의 속도를 계산할 수 있다.
종래 기술들은 압전 센서의 속도와 관계된 변수, 즉, 전기 신호의 폭(311)을 고려하여 압전 센서의 곡률 및 속도를 계산하지 못하고 있다. 하지만, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 전기 신호의 폭(311)을 고려하여 압전 센서의 곡률 및 속도를 계산할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치는 압전 센서의 구부림에 대한 속도에 의해 발생하는 누수 전하량(leakage charge)를 고려할 수 있고, 압전 센서의 곡률 및 속도를 정확하게 측정할 수 있다.
이하 기재된 도 4a 내지 도 6d에 대한 상세한 내용에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치 및 분석 방법에서 이용되는 압전 센서의 생성 방법에 대한 구체적인 내용과 상기의 생성 방법을 이용하여 생성된 압전 센서의 구부림 분석 방법에 대한 내용을 구체적으로 기재한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치에서 분석의 대상이 되는 압전 센서의 생성 방법을 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 폴리에틸렌 테리프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 필름에 UVO(ultraviolet ozone) 처리를 하고 있음을 알 수 있다.
UVO 처리는 전극을 형성하기 이전에, 친수성 표면을 형성하기 위해서 수행될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 4a에 도시된 PET 필름에 Ag NW-SWCNT(NanoWire-SingleWallCarbonNanoTube) 용액을 이용하여 스프레이 코팅을 수행하고 있음을 알 수 있다.
Ag NW-SWCNT는 100℃의 온도 환경에서 스프레이 코팅에 이용될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 도 4b에 도시된 필름에 PDMS 용액이 회전-코팅되고, 85℃도의 환경에서 경화 처리를 수행하고 있음을 알 수 있다.
그 다음, 도 4d를 참조하면, ZnO NRs이 무작위로 뿌려지고, 필름 표면에 대한 문지르기를 수행하고 있음을 알 수 있다.
그 다음으로, 다시 PDMS 용액을 이용하여 회전-코팅을 수행하고, UVO 처리를 수행한다(도 4e).
마지막으로, Ag NW-CNT 용액을 이용하여 스프레이 코팅을 수행한다(도 4f).
이 때, AG NW-CNT는 생성되는 압전 센서에서 전극의 역할을 수행할 수 있다.
도 4a 내지 도 4f에서 서술한 압전 센서의 생성 방법을 이용하여 생성한 압전 센서의 경우, 기존의 압전 센서에 비해서, Ag NW-CNT 사이의 틈(Crack)이 작아지는 장점이 있다.
하지만, 압전 센서가 구부려지면서 생성되는 Ag NW-CNT 사이의 틈으로 인해서, 압전 센서 내부의 캐패시터 성분이 생성될 수 있고, 상기 생성된 캐패시터의 캐패시턴스 성분에 의해서, 전하가 누수되는 현상이 발생된다. 특히, 압전 센서의 속도에 따라 캐패시터의 리액턴스가 변화하고, 따라서, 전하가 누수되는 정도가 압전 센서의 속도에 따라 변화할 수 있다. 종래의 기술은, 전하의 누수 현상을 고려하지 않고 압전 센서의 곡률을 계산하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 방법은 전하의 누수 현상을 고려할 수 있다는 장점이 있다.
도 5 a 내지 도 5f는 도 4a 내지 도 4f에서 서술한 압전 센서의 생성 방법을 이용하여 생성한 압전 센서의 구부림 분석에 대한 내용을 도시하고 있다.
도 5a는, 압전 센서의 곡률을17.8mm으로 설정하고, 속도를 150mm/sec로 설정하여, 구부림을 수행한 결과 생성된 전기 신호를 도시하고 있다.
전기 신호는 특정 주기로 발생되고 있음을 알 수 있다. 즉, 압전 센서에 힘을 가해 구부려지는 경우, 구부림에 따라 전기 신호가 발생되고, 이후 압전 센서에 가해진 힘이 없어진 경우, 압전 센서가 원래 상태로 복귀하면서, 전기 신호가 발생되고 있음을 알 수 있다.
도 5b는 도 5a에 도시된 전기 신호의 일부(310)를 확대하여 도시한 도면이다.
전기 신호의 높이는 전기 신호의 전압의 값의 절대 값 중 최대값을 의미할 수 있다.
전기 신호의 면적은 전기 신호를 시간 변수로 적분한 결과를 의미할 수 있다.
전기 신호의 폭은 기준 선에서 구부림 동작의 체류 시간을 의미할 수 있다.
압전 센서가 오목한 구부림 상태인 경우, 음수의 출력 결과가 측정될 수 있다. 또한, 볼록한 구부림 상태에 해당되는 경우, 양수의 출력 결과가 측정될 수 있다.
따라서, 설명의 편의를 위해서, 도 5b 내지 도 5f에서는, 측정되는 전기 신호에 대한 절대 값을 이용하여 설명하고자 한다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치에서, 전기 신호가 양수에 한하여 본 발명의 특허 청구 범위가 미치는 것은 아니다.
도 5c는 곡률의 변화에 따른 높이의 변화를 도시하고 있고, 도 5d는 속도의 변화에 따른 높이의 변화를 도시하고 있다.
이 때, 도 5c 내지 도 5d는 불규칙적으로 측정되고 있음을 알 수 있다.
도 5e는 곡률의 변화에 따른 면적의 변화를 도시하고 있고, 도 5f는 속도의 변화에 따른 면적의 변화를 도시하고 있다.
도 5e 내지 도 5f를 참조하면, 속도가 증가할수록, 면적이 증가하고 있음을 알 수 있다.
면적은 압전 센서의 구부림 동작에 의해 충전되는 전하량을 의미할 수 있는데, 면적이 증가하고 있다는 것은, 충전되는 전하량이 커지는 것을 의미할 수 있다. 즉, 속도가 증가할수록, 충전되는 전하량이 커지는 경향성을 발견할 수 있다.
이는, 압전 센서의 구부림 동작에 의해 생성되는 캐패시터의 리액턴스 성분이 속도가 높을수록 낮아지기 때문이다. 상세히 서술하면, 캐패시터의 리액턴스 성분에 의해 누수 전하가 생성되고, 리액턴스 성분이 커질수록, 누수 전하의 양이 커지게 된다. 따라서, 속도가 증가할수록, 리액턴스 성분의 크기가 작아지게 되고, 따라서 누수 전하의 양도 줄어들어, 면적의 크기가 증가되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 누수 전하의 양을 고려해서 곡률 계산을 수행하는 경우, 좀 더 정확하게 측정이 가능하다.
하지만, 종래 기술들은 상기에 기재된 현상을 고려하여 곡률 계산을 수행하지 않았다.
따라서, 누수 전하의 양을 고려하기 위해서, 압전 센서의 구부림 속도와 관계된 변수인 전기 신호의 너비를 독립 변수로 설정하여, 전기 신호의 너비의 변화에 따른 전기 신호의 면적의 변화를 측정한다.
도 6a 내지 도 6b는 전기 신호의 너비의 변화에 따른 전기 신호의 면적의 변화를 도시하고 있는 그래프이다.
도 6a를 참조하면, 전기 신호의 면적을 입력으로 하는 로그 함수의 값과 전기 신호의 너비간 특정 경향성을 갖고 있음을 알 수 있다.
먼저, 전기 신호의 면적을 입력으로 하는 로그 함수의 값과 전기 신호의 너비와 1차 함수 관계를 가지고 있음을 알 수 있다.
마지막으로, 곡률의 크기가 커질수록, 기울기의 절대 값이 커지는 현상을 발견할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 전기 신호의 너비의 변화에 따른 전기 신호의 면적의 변화에 대한 직선 함수는 곡률의 크기와 관계없이, (-0.027, -2.55)의 점을 지나고 있음을 알 수 있다.
즉, 면적의 로그 값과 너비 간에는 1차 함수 관계를 가지며, 곡률은 1차 함수의 기울기 값에 비례하는 특성을 발견할 수 있다.
도 6c는 도 6a 내지 도 6b에서 발견한 곡률과 함수의 기울기 값과의 관계를 1차 함수로 다르게 표현한 도면이다.
도 6c를 참조하면, 곡률이 커질수록, 1차 함수의 기울기의 절대 값은 비례 관계를 가짐을 알 수 있다.
도 6c에 도시된 1차 함수는 계산 결과 y=-0.223x+2.882로 계산되었다.
도 6d는 도 5f에 도시된 전기 신호의 면적과 속도와의 관계를 다르게 표현한 그래프를 도시하고 있다.
도 6d를 참조하면, 곡률에 반비례하여, 면적의 로그 값과 속도의 비가 증가하고 있음을 알 수 있다.
도 6d에 도시된 1차 함수는 계산 결과 y=-3.946x+0.002로 계산되었다.
도 6a 내지 도 6d에 상술한 설명을 이용하는 경우, 압전 센서의 구부림을 통해서 발생하는 전기 신호의 면적과 너비 값을 계산하고, 도 6c에 도시된 1차 함수를 이용하여 압전 센서의 곡률을 계산하고, 도 6d에 도시된 1차 함수를 이용하여 압전 센서의 속도를 계산할 수 있다.
즉, 도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 압전 센서의 구부림의 속도와 관계된 변수인 전기 신호의 너비를 고려하는 경우, 압전 센서의 곡률 및 속도를 동시에 계산할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 압전 센서의 구부림 분석 장치 및 압전 센서의 분석 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (20)
- 압전 센서의 구부림 동작에 대응하여 발생하는 전기 신호를 수신하는 수신 모듈; 및
상기 전기 신호에 기반하여 상기 구부림 동작을 분석하는 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는
상기 전기 신호에 대응하는 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하고, 상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간의 비율에 기반하여 상기 구부림의 곡률(curvature)을 계산하고, 상기 곡률 및 상기 전하량에 기반하여 상기 구부림의 속도(speed)를 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 전기 신호를 시간으로 적분한 값을 이용하여 상기 전하량을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 전하량이 변화되는 시간은
상기 전기 신호에 대응하는 전하가 충전되는 시간 또는 상기 전기 신호에 대응하는 전하가 방전되는 시간 중 어느 하나의 시간인 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 전하량이 변화되는 시간은
상기 전기 신호의 발생 시간 및 상기 전기 신호의 종료 시간의 차이에 기반하여 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 전하량과 상기 전하량이 변화하는 시간의 비에 기반하여 상기 곡률을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 5항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 전하량을 입력 변수로 하는 로그 값과 상기 전하량이 변화하는 시간 사이의 비례 관계에 기반하여 상기 곡률을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 6항에 있어서,
상기 비례 관계는
인 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치.
(X: 곡률, Y: LOG(전하량)/상기 전하량이 변화하는 시간) - 제 1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 전하량을 입력으로 하는 로그 함수의 출력 값, 상기 곡률을 이용하여 상기 구부림의 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 8항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 로그 함수의 출력 값 및 상기 속도 사이의 비율과 상기 곡률의 비례 관계를 이용하여 상기 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치. - 제 9항에 있어서,
상기 비례 관계는
인 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 장치.
(X: 곡률, Y: LOG(전하량)/상기 구부림의 속도) - 압전 센서의 구부림 동작에 대응하여 발생하는 전기 신호에 대응하는 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하는 동작;
상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간의 비율에 기반하여 상기 구부림의 곡률을 계산하는 동작; 및
상기 곡률 및 상기 전하량에 기반하여 상기 구부림의 속도를 계산하는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하는 동작은
상기 전기 신호를 시간으로 적분한 값을 이용하여 상기 전하량을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 전하량이 변화되는 시간은
상기 전기 신호에 대응하는 전하가 충전되는 시간 또는 상기 전기 신호에 대응하는 전하가 방전되는 시간 중 어느 하나의 시간인 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 13항에 있어서,
상기 전하량 및 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하는 동작은
상기 전기 신호의 발생 시간과 상기 전기 신호의 종료 시간의 차이에 기반하여 상기 전하량이 변화되는 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 14항에 있어서,
상기 곡률을 계산하는 동작은
상기 전하량과 상기 구부림의 동작 시간의 비에 기반하여 상기 곡률을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 15항에 있어서,
상기 곡률을 계산하는 동작은
상기 전하량을 입력으로 하는 로그 함수의 출력 값과 상기 구부림의 동작 시간의 비와 상기 곡률 사이의 비례 관계에 기반하여 상기 곡률을 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 16항에 있어서,
상기 비례 관계는
인 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법.
(X: 곡률, Y: LOG(전하량)/상기 전하량이 변화하는 시간) - 제 11항에 있어서,
상기 구부림의 속도를 계산하는 동작은
상기 전하량을 입력으로 하는 로그 함수의 출력 값, 상기 곡률을 이용하여 상기 구부림의 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 18항에 있어서,
상기 구부림의 속도를 계산하는 동작은
상기 로그 함수의 출력 값 및 상기 속도의 비와 상기 곡률 사이의 비례 관계를 이용하여 상기 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법. - 제 19항에 있어서,
상기 비례 관계는
인 것을 특징으로 하는 압전 센서의 구부림 분석 방법.
(X: 곡률, Y:LOG(전하량)/상기 구부림의 속도)
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