KR101846118B1

KR101846118B1 - Fpga 기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101846118B1
Application number: KR1020170014346A
Authority: KR
Inventors: 최은혜; 이도관
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2018-04-05

Abstract

본 발명은 광센서부와 신호처리부를 포함하는 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차를 계측하는 방법에 있어서, 광신호가 상기 광센서부의 반사판에서 반사되는 반사시간으로 상기 회전장치의 회전속도를 산출하는 회전속도 산출단계와 상기 반사시간의 최대값과 최소값, 패턴길이를 이용하여 상기 진동편차를 산출하는 진동편차 산출단계를 포함하고 상기 회전속도 산출단계와 상기 진동편차 산출단계는 단일 광센서로 진행되는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 회전속도 및 진동편차 계측 방법에 관한 것이다.

Description

FPGA 기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치 및 방법 {FPGA BASED RPM AND VIBRATION MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 고속 회전장치의 회전속도와 진동편차를 계측하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

수만 RPM으로 고속회전을 하는 장치에 있어서 장치의 회전수와 진동을 측정하는 것은 필수적이다. 특히 고속회전에서 진동 발생은 안전 문제와 직결되기 때문에 이를 측정하는 것이 매우 중요하다. 기존에 고속 회전체에서 회전수와 진동을 계측하기 위해서는 회전수를 계측하는 센서와 진동을 계측하는 센서 두 종류를 따로 부착하여 각 신호를 얻을 수 있는 방법을 주로 사용하지만, 회전체 내부에 장착하는데 있어서 공간적인 제약과 비용 문제를 수반한다.

일례로 풍동시험에서 고속 회전체 시험을 수행한 경우 시험모형이 고속회전을 하면서 진동이 발생하는 경우가 빈번하게 발생하며 이러한 진동에 의해 안전문제가 발생할 수 있다. 하지만, 회전체의 진동을 측정하기 위해 진동을 계측하는 센서를 따로 부착하기에는 회전 모형 내부가 협소한 어려움이 있어서 회전수 계측만 수행하므로 안전문제에 대처가 미흡하다.

상술한 문제점을 해결하고자, 단일 센서로 고속 회전장치의 회전속도와 진동편차를 계측할 수 있는 FPGA를 기반으로 한 계측 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 광센서부와 신호처리부를 포함하는 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차를 계측하는 방법에 있어서, 광신호가 상기 광센서부의 반사판에서 반사되는 반사시간으로 상기 회전장치의 회전속도를 산출하는 회전속도 산출단계, 상기 반사시간의 최대값과 최소값, 패턴길이를 이용하여 상기 진동편차를 산출하는 진동편차 산출단계를 포함하고 상기 회전속도 산출단계와 상기 진동편차 산출단계가 단일 광센서로 진행되는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 회전속도 및 진동편차 계측 방법이다.

본 발명은 고속 회전장치의 회전속도와 진동편차를 계측하는데 있어서, 비접촉식 단일 센서를 이용하여 회전속도와 진동편차를 동시에 측정하여 모니터링 및 저장이 가능한 장치로 회전장치의 이상 현상 시 선제적 조치를 통해 안전사고를 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치의 구성 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치가 진동이 없이 등속 회전할 때 광센서의 출력을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치가 진동하며 등속 회전할 때 광센서의 출력을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 반사시간과 패턴길이의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

본 발명은 광센서부(100)와 신호처리부(200)를 포함하는 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차를 계측하는 방법에 있어서, 광신호가 상기 광센서부의 반사판(110)에서 반사되는 반사시간으로 상기 회전장치의 회전속도를 산출하는 회전속도 산출단계와 상기 반사시간의 최대값과 최소값, 패턴길이를 이용하여 상기 진동편차를 산출하는 진동편차 산출단계를 포함하고 상기 회전속도 산출단계와 상기 진동편차 산출단계는 단일 광센서(120)로 진행되는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 방법에 관한 것이다.

상기 회전속도는 하기의 <수학식 1>을 이용하여 산출한다.

<수학식 1>

상기 회전속도를 구하기 위해 상기 광센서부(100)의 신호로 상기 반사판(110)에 반사되는 신호를 측정하여 이용한다. 도 2는 상기의 반사판(110)이 일정한 속도로 회전하고 진동이 없을 때 상기 광센서(120)의 출력을 보여준다. 일정한 속도로 회전하는 상기 반사판(110)에서 상기 광센서(120)는 듀티사이클(Duty-cycle)이 50%인 구형파를 출력한다. 이때 상기 반사판(110)에 반사되는 시간(t)을 상기 FPGA 보드(210)를 통해 측정하면 상기 회전장치의 회전속도를 구할 수 있다. 상기 FPGA 보드(210)가 상기 반사시간(t)을 측정하면, 상기 PC(220)는 상기 FPGA보드에서 측정한 시간을 상기 회전장치의 속도로 환산하여 표시해준다. 수천 rpm 이상의 고속회전체의 경우 상기 PC(220)의 루프주기 내에 수백 개의 측정값이 발생되므로 상기 FPGA 보드(210)에서는 다수의 측정값들을 평균하여 평균 반사시간 (

)를 구하고, 이를 사용하여 기준 회전속도로 환산한다.

상기 패턴길이는 하기의 <수학식 2>를 이용하여 산출한다.

<수학 식2>

상기 진동편차는 하기의 <수학식 3>을 이용하여 산출하며

상기 <수학식 3>은 하기의 <수학식 2>, <수학식 4>, <수학식 5> 및 <수학식 6>을 이용하여 산출한다.

도 3은 상기 회전장치가 일정한 속도로 회전하고 있지만 진동으로 인해 상기 반사판(110)이 진동하는 경우 상기 광센서(120)의 출력을 나타낸다. 상기 회전장치는 일정한 속도로 회전하지만, 상기 광센서(120)에 대한 상기 반사판(110)의 위치가 진동에 의해 상대적으로 변화하기 때문에 상기 광센서는 도 3과 같이 듀티사이클이 변하는 구형파를 측정한다. 상기

은 측정시간 동안 반사시간의 최소값을 의미하고

는 측정시간 동안 반사시간의 최대값을 의미한다.

도 4는 상기 반사판(110)의 패턴 한 개를 확대하여 그린 것으로, 상기 회전장치의 진동이 있는 경우 측정되는 반사시간을 도식적으로 나타낸 것이다. 실제 회전장치는 일정한 속도로 회전하고 있지만 진동이 발생하는 경우 도 4와 같이 패턴길이가 달라지는 효과로 나타나며 하기 <수학식 2>로 표현된다.

<수학식 2>

여기서

은 상기 반사판 중심점에서 측정위치까지의 거리이며,

는 상수이다. 따라서 상기 반사판의 반경이

이고 반사시간이

일 때 상기 광센서(120) 위치에서의 선속도는 하기 <수학식 4>로 표현된다.

<수학식 4>

일정한 속도로 회전하는 상기 회전장치에 진동이 발생될 때 평균 반사시간(

)을 기준 반사시간으로 하고 그 때 상기 반사판(110)의 중심점과 상기 광센서(120)사이의 거리인

를 기준 패턴길이로 하면 상기 반사판의 진동은 상기 반사시간의 최소값과 최대값인

과

, 그리고 그 때 상기 반사판의 중심점과 상기 광센서 사이의 거리

과

를 발생시킨다. 일정한 속도로 회전하는 상기 회전장치는 진동이 있더라도 상기 광센서(120)의 위치에서의 선속도는 변하지 않는다. 따라서 상기 선속도와 회전체 중심과의 거리 및 패턴반사시간의 관계는 하기 <수학식 5>와 같다.

<수학식 5>

상기 <수학식 5>로부터 진동 정도를 가늠하는

과

의 값으로 수식을 정리하면 하기 <수학식 6>의 관계를 얻을 수 있고 그로부터 하기 <수학식 3>을 산출하여 상기 진동편차를 구할 수 있다.

<수학식 6>

<수학식 3>

도 1은 본 발명에 따른 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치의 구성을 나타내고 있다.

상기 고속 회전장치의 상기 회전속도와 상기 진동편차를 계측하는 장치에 있어서, 상기 광신호를 상기 반사판(110)에 송신하고 반사되는 신호를 수신하여 디지털신호로 변환시키는 광센서부(100)와 상기 디지털신호를 상기 FPGA보드(210)로 측정하여 상기 회전속도를 산출하고 상기 회전속도와 상기 반사판의 중심점에서 측정신호까지의 거리를 이용해 상기 진동편차를 산출하는 신호처리부(200)를 포함하고 상기 회전속도와 상기 진동편차가 단일 광센서(120)로 산출되는 것을 특징으로 한다.

상기 광센서부(100)는 상기 반사판(110)의 중심점을 기준으로 등각 이격된 반사패턴을 갖고 상기 광신호를 반사시키는 반사판(110), 상기 광신호를 송신하는 발광부(121)와 상기 광신호를 수신하는 수광부(122)를 포함하는 광센서(120), 수신된 상기 광신호로부터 디지털신호를 검출하여 상기 신호처리부(200)로 전송하는 검출회로(130)를 포함하며 상기 반사패턴은 복수의 상기 정반사면(111)과 복수의 상기 엇각반사면(112)이 번갈아 배치된다.

상기 신호처리부(200)는 상기 디지털신호에서 상기 정반사면(111)의 반사시간을 측정하는 FPGA 보드(210), 상기 FPGA보드의 측정값을 이용하여 상기 회전속도와 상기 진동편차를 산출하여 모니터링하고 저장하는 PC(220)를 포함한다.

상기 반사판(110)은 서로 다른 두 개의 반사면으로 구성되며, 상기 광센서(120)에서 발광된 빛은 하나의 반사면에서는 대부분 정반사(많은 양의 빛이 반사)되고 다른 하나의 반사면에서는 엇각반사(적은 양의 빛이 반사)되며 회전체에 부착된다.

상기 광센서(120)는 상기 회전장치와 분리되어 있는 비접촉식 센서로 상기 발광부(121)에서 광신호를 송신하고, 송신된 광신호는 상기 반사판(110)에 반사되어 상기 광센서의 수광부(122)로 광신호를 수신한다.

상기 광센서부(100)의 검출회로(130)는 상기 정반사면(111)과 상기 엇각반사면(112)의 광량을 1과0의 디지털신호로 검출하여 상기 신호처리부(200)로 전송한다.

상기 신호처리부(200)의 FPGA 보드(210)는 40MHz의 기본 클럭으로 구동하여 상기 광센서(120)로부터 수신한 디지털정보를 회전속도 및 진동편차를 획득하기 위한 패턴시간정보로 변환한다.

또한, 상기 신호처리부(200)의 PC(220)는 20Hz의 루프로 상기 FPGA 보드(210)로부터 획득한 패턴시간정보를 이용하여 회전속도 및 진동편차로 환산하여 실시간으로 디스플레이해주며, 정보를 저장할 수 있는 기능을 포함한다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 광센서부
200 : 신호처리부
110 : 반사판
120 : 광센서
130 : 검출회로
210 : FPGA 보드
220 : PC
111 : 정반사면
112 : 엇각반사면
t : 반사시간

: 반사시간 평균

: 반사시간 최대값

: 반사시간 최소값
R : 패턴길이

: 패턴길이 평균

: 패턴길이 최대값

: 패턴길이 최소값

Claims

광센서부와 신호처리부를 포함하는 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차를 계측하는 방법에 있어서,
광신호가 상기 광센서부의 반사판에서 반사되는 반사시간으로 상기 회전장치의 회전속도를 산출하는 회전속도 산출단계;
상기 반사시간의 최대값과 최소값, 패턴길이를 이용하여 상기 진동편차를 산출하는 진동편차 산출단계; 를 포함하고
상기 회전속도 산출단계와 상기 진동편차 산출단계는 단일 광센서로 진행되는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 회전속도는 하기의 <수학식 1>을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 방법.
<수학식1>

(여기서,
는 상기 반사시간의 평균임)
제2항에 있어서,
상기 패턴길이는 하기의 <수학식 2>를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 방법.
<수학식 2>

(여기서,
은 상기 반사판의 중심점에서 측정위치까지의 거리를 나타내고, 한바퀴당패턴의개수는 상기 반사판의 정반사면과 엇각반사면의 총 개수이고,
는 상수임)
제3항에 있어서,
상기 진동편차는 하기의 <수학식 3>을 이용하여 산출하며
상기 <수학식 3>은 하기의 <수학식 2>, <수학식 4>, <수학식 5> 및 <수학식 6>을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 방법.
<수학식 3>

<수학식 2>

<수학식 4>

<수학식 5>

<수학식 6>

(여기서,
는 상기 반사판의 중심점에서 측정위치까지의 평균값을 나타내고,
는 상기 반사판의 중심점에서 측정위치까지의 최대값을 나타내고,
는 상기 반사판의 중심점에서 측정위치까지의 최소값을 나타내고,
는 상기 반사시간의 최대값을 나타내고,
는 상기 반사시간의 최소값을 나타내고,
는 상수임)
고속 회전장치의 회전속도와 진동편차를 계측하는 장치에 있어서,
광신호를 반사판에 송신하고 반사되는 신호를 수신하여 디지털신호로 변환시키는 광센서부;
상기 디지털신호를 FPGA 보드로 측정하여 상기 회전속도를 산출하고 상기 회전속도와 상기 반사판의 중심점에서 측정신호까지의 거리를 이용해 상기 진동편차를 산출하는 신호처리부; 를 포함하고
상기 회전속도와 상기 진동편차가 단일 광센서로 산출되는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치.
제5항에 있어서,
상기 광센서부는 상기 반사판의 중심점을 기준으로 등각 이격된 반사패턴을 갖고 상기 광신호를 반사시키는 반사판;
상기 광신호를 송신하는 발광부와 상기 광신호를 수신하는 수광부를 포함하는 광센서;
수신된 상기 광신호로부터 디지털신호를 검출하여 상기 신호처리부로 전송하는 검출회로; 를 포함하며
상기 반사패턴은 복수의 정반사면과 복수의 엇각반사면이 번갈아 배치된 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치.
제6항에 있어서,
상기 신호처리부는 상기 디지털신호에서 상기 정반사면의 반사시간을 측정하는 FPGA 보드;
상기 FPGA 보드의 측정값을 이용하여 상기 회전속도와 상기 진동편차를 산출하여 모니터링하고 저장하는 PC; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 FPGA기반 고속 회전장치의 회전속도 및 진동편차 계측 장치.