KR102131215B1 - Ａｃ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스트레인 게이지 센서를 이용하여 빠르게 신호가 변화하는 진동 하중을 측정할 수 있도록 동적으로 변화하는 하중 측정시스템의 주파수 범위를 정확하게 계획할 수 있고, 동적으로 측정되는 신호의 왜곡을 사전에 방지할 수 있도록 상기 스트레인 게이지 센서와 연동하여 사용하는 AC 스트레인 증폭기의 주파수 응답특성을 모의실험할 수 있는 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치를 제안한다. 상기 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치는, AC 스트레인 게이지 센서에서 사용하는 아날로그 상태의 여기 전압신호를 생성하고, 입력되는 아날로그 테스트 신호를 증폭하여 아날로그 상태의 앰프 출력신호를 생성하는 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성을 시험하는 주파수 응답특성 시험장치로써, 신호 처리기 및 신호 변환부를 포함한다.

Description

ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치{A frequency response characteristics measuring device for Alternating Current driven strain gauge}
본 발명은 주파수 응답 측정장치에 관한 것으로, 특히, 스트레인 게이지 센서를 이용하여 빠르게 신호가 변화하는 진동 하중을 측정할 수 있도록 동적으로 변화하는 하중 측정시스템의 주파수 범위를 정확하게 계획할 수 있고, 동적으로 측정되는 신호의 왜곡을 사전에 방지할 수 있도록 상기 스트레인 게이지 센서와 연동하여 사용하는 AC 스트레인 증폭기의 주파수 응답특성을 모의실험할 수 있는 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치에 관한 것이다.
스트레인(strain)은 변형도 또는 변형률을 나타내며, 임의의 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에 대해 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값이다. 스트레인 게이지(strain gage)는 전기식으로 측정하는 방식과 기계식으로 측정하는 방식으로 구분할 수 있다. 물체가 변형을 일으킬 때에는 해당 물체에 부착한 스트레인 게이지의 전기적 저항이 변하게 되는데 이로부터 물체의 변형률을 측정하는 것이 전기식 스트레인 게이지(electrical strain gauge)이고, 기계적 스트레인 게이지(mechanical strain gauge)는 물체의 두 점 사이의 외력에 의한 미소한 거리변화를 기계적으로 측정하여 해당 물체의 변형률을 측정한다.
산업 현장이나 일상생활에서 무게를 측정하거나 재료의 변형을 측정하고자 할 때 많이 사용되는 것이 스트레인 게이지 기반의 센서(sensors)들이다. 스트레인 게이지 기반의 센서들은 단독으로는 신호를 출력하지 못하는 수동 소자이기 때문에, 스트레인 게이지 센서에는 반드시 여기 전압(Excitation Voltage)을 공급하는 전압소스와 스트레인 게이지의 저항변화에 대응하는 비교 출력 전압을 증폭, 컨디셔닝 하는 앰프가 필요하게 된다. 스트레인 게이지 센서에 사용되는 앰프는 직류 전압이 공급되면 DC 타입의 앰프라 하고 교류전압이 공급되면 AC 타입의 앰프라고 한다.
DC 타입의 앰프는 정전압을 공급하므로 회로가 간단하고 저렴하게 제조가능하고 측정가능 주파수 대역이 넓다는 장점이 있지만 전기적 잡음(noise)에 취약하여 정밀한 측정을 하려면 잡음에 대한 대책을 잘 세워야 한다는 단점이 있다. AC 타입의 앰프는 스트레인 게이지에 인가하는 교류전압의 진폭변화를 복조(demodulation)하는 방식이라 회로가 복잡하기는 하지만 DC 타입의 앰프에 비해 잡음에 강하고 아주 작은 변화도 정밀하게 측정할 수 있다는 장점이 있다. 특히 전기 모터 등을 함께 사용하는 시스템에 적용될 때 잡음의 영향을 훨씬 덜 받고 정밀한 측정을 할 수 있다.
현대에 들어 스트레인 게이지 기반의 하중측정시스템은 단순히 정적인 무게를 측정하는 것을 넘어, 빠르게 신호가 변화하는 진동 하중 측정 등의 요구가 증가하고 있고 이러한 신호의 처리(signal processing)를 위해서는 앰프의 정확한 특성 파악이 매우 중요하다고 할 수 있다. 스트레인 앰프를 하중 측정시스템에서 사용하기 위해서는 사전에 알아야 할 앰프의 특성으로는 정적 특성과 동적 특성이 있다. 정적 특성에는 선형성, 히스테리시스 (hysteresis) 및 반복 재현성이 포함되고, 동적 특성에는 빠르게 변화하는 신호에 대해 응답하는 주파수 응답특성이 포함된다.
정적 특성은 션트저항 (shunt resistor)이나 캘리브레이터 (calibrator)를 이용하여 비교적 쉽게 확인 가능하나 동적 신호를 모사 재현하기가 쉽지 않다는 단점이 있다. DC 타입의 앰프는 함수발생기(function generator) 등으로 mV(millivolts) 수준의 전압을 주파수를 변경하며 입력 가능하지만 AC 타입의 앰프는 이 또한 적용 불가능하다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0120992호(2018년11월07일)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 스트레인 게이지 센서를 이용하여 빠르게 신호가 변화하는 진동 하중을 측정할 수 있도록 동적으로 변화하는 하중 측정시스템의 주파수 범위를 정확하게 계획할 수 있고, 동적으로 측정되는 신호의 왜곡을 사전에 방지할 수 있도록 상기 스트레인 게이지 센서와 연동하여 사용하는 AC 스트레인 증폭기의 주파수 응답특성을 모의실험할 수 있는 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치는, AC 스트레인 게이지 센서에서 사용하는 아날로그 상태의 여기 전압신호를 생성하고, 입력되는 아날로그 테스트 신호를 증폭하여 아날로그 상태의 앰프 출력신호를 생성하는 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성을 시험하는 주파수 응답특성 시험장치로써, 신호처리기 및 신호변환부를 포함한다. 상기 신호변환부는 상기 아날로그 상태의 여기 전압신호와 상기 앰프 출력신호를 디지털신호의 형태인 디지털 여기 전압신호 및 디지털 앰프 출력신호로 각각 변환하여 상기 신호 처리기로 전달하는 아날로그 디지털 신호 변환부 및 상기 신호처리기에서 생성한 디지털 테스트 신호를 변환하여 생성한 상기 아날로그 테스트 신호를 상기 AC 스트레인 게이지 앰프로 전달하는 디지털 아날로그 신호 변환부를 포함하고, 상기 신호처리기는, 기준 진동신호를 생성하는 신호 생성기, 상기 신호 변환부로부터 수신한 상기 여기 전압신호와 상기 기준 진동신호를 합성하여 상기 디지털 테스트 신호를 생성하는 신호 합성기 및 상기 신호 변환부로부터 수신한 상기 디지털 앰프 출력신호를 상기 기준 진동신호와 비교하여 상기 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 특성을 측정하는 프로세서를 포함한다.
본 발명에 따른 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치는 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 특성을 정확하게 분석할 수 있어, AC 스트레인 게이지가 사용되는 기술분야, 예를 들면, 지진 발생 감지, 자동차의 주행 중 진동 분석, 화물차 등의 적재화물의 진동 감지, 중장비의 진동 감지 등 동적으로 변하는 하중 측정 시스템에서, 측정 결과의 왜곡이나 오류를 최소한으로 할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치의 구성을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치(100)는 AC 스트레인 게이지 센서(미도시)에서 사용하는 아날로그 상태의 여기 전압신호(EV_A)를 생성하고, 입력되는 아날로그 테스트 신호(TE_A)를 증폭하여 아날로그 상태의 앰프 출력신호(O_A)를 생성하는 AC 스트레인 게이지 앰프(150, Device Under Test, DUT)의 주파수 응답특성을 시험하는 주파수 응답특성 시험장치로써, 신호처리기(120) 및 신호 변환기(130)로 구현할 수 있다.
아래의 설명에서 부재번호의 마지막에 표시된 영문자 A 및 D는 각각 아날로그(Analog)와 디지털(Digital)의 첫 글자를 의미하며, 따라서 부재번호에 해당하는 신호의 형태가 아날로그인지 아니면 디지털인지를 구별하도록 하였다.
신호처리기(120)는, 신호 생성기(121), 신호 합성기(122) 및 프로세서(123)를 포함한다.
신호 생성기(121)는 기준 진동신호를 생성한다. 기준 진동신호는 AC 스트레인 게이지 앰프가 사용되는 분야에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 신호 합성기(122)는 신호 변환부(130)로부터 수신한 디지털 상태의 여기 전압신호(EV_D)와 기준 진동신호를 합성하여 디지털 상태의 디지털 테스트 신호(TE_D)를 생성한다. 프로세서(123)는 신호 변환부(130)로부터 수신한 디지털 앰프 출력신호(O_D)를 기준 진동신호와 비교하여 AC 스트레인 게이지 앰프(150)의 주파수 특성을 측정한다. 여기서, AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 특성은, 기준 진동신호와 디지털 앰프 출력신호(O_D)의 진폭 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 특정하는 것이 바람직하다.
신호 변환부(130)는 제1 아날로그 디지털 변환기(131), 제2 아날로그 디지털 변환기(132) 및 디지털 아날로그 변환기(133)를 포함한다.
제1 아날로그 디지털 변환기(131)는 아날로그 상태의 여기 전압신호(EV_A)를 디지털 상태의 디지털 여기 전압신호(EV_D)로 변환하고, 제2 아날로그 디지털 변환기(132)는 아날로그 상태의 앰프 출력신호(O_A)를 디지털 상태의 디지털 앰프 출력신호(O_D)로 변환한다. 디지털 변환기(133)는 신호 처리기(120)에서 생성한 디지털 테스트 신호(TE_D)를 변환하여 아날로그 테스트 신호(TE_A)로 변환한다.
빠르게 진동하는 하중 신호를 측정함에 있어, 각 측정 장치의 요소(센서, 앰프, 인디케이터 등)가 가지고 있는 주파수 응답특성을 온전하게 이해하고 있다는 것은, 대상물에 따라 다르게 사용되는 신호의 주파수 범위를 계획하고 정확한 측정이 가능하도록 하는 초석이 된다. 정적인 신호들은 사전에 모의실험을 통해 캘리브레이션 하는 것이 용이하지만, 동적인 신호들은 일반적인 모의실험으로는 특성을 파악하는 것이 어렵다.
특히 센서에 여기되는(excited) 전압이 교류(AC)이므로 스트레인 게이지 저항 변화에 따른 출력전압도 교류가 되며, 따라서 센서의 출력을 상위 계측기가 측정하기 쉽도록 산업 표준 신호(0~20mA 또는 +/- 10V)로 증폭한다.
주파수 응답특성은 동일한 주파수 상태에서 입력되는 신호의 진폭과 출력되는 신호의 진폭의 차이, 입력되는 신호의 위상과 출력되는 신호의 위상 차이를 비교함으로써 특정할 수 있는데, AC 타입의 증폭기는 입출력신호의 주파수가 각각 다르므로 오실로스코프 등을 이용하여 육안으로 비교하는 것이 어렵다.
따라서, 상술한 바와 같은 AC 스트레인 게이지 앰프의 사용이 필수적인데, 본 발명을 AC 스트레인 게이지 앰프에 적용하여 측정에 필요한 수준의 앰프를 사전에 설정하거나 실험 결과를 이용하여 출력신호의 캘리브레이션에 적용하도록 할 수 있을 것이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
120: 신호 처리기
121: 신호 생성기
122:신호 합성기
123: 프로세서
130: 신호 변환부
131: 제1 아날로그 디지털 변환기
132: 제2 아날로그 디지털 변환기
133: 디지털 아날로그 변환기

Claims (3)

  1. AC 스트레인 게이지 센서에서 사용하는 아날로그 상태의 여기 전압신호를 생성하고, 입력되는 아날로그 테스트 신호를 증폭하여 아날로그 상태의 앰프 출력신호를 생성하는 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성을 시험하는 주파수 응답특성 시험장치로써,
    신호 처리기; 및
    상기 아날로그 상태의 여기 전압신호와 상기 앰프 출력신호를 디지털신호의 형태인 디지털 여기 전압신호 및 디지털 앰프 출력신호로 각각 변환하여 상기 신호 처리기로 전달하는 아날로그 디지털 신호 변환부 및 상기 신호처리기에서 생성한 디지털 테스트 신호를 변환하여 생성한 상기 아날로그 테스트 신호를 상기 AC 스트레인 게이지 앰프로 전달하는 디지털 아날로그 신호 변환부를 포함하는 신호 변환부; 를 포함하며,
    상기 신호처리기는,
    기준 진동신호를 생성하는 신호 생성기;
    상기 신호 변환부로부터 수신한 상기 여기 전압신호와 상기 기준 진동신호를 합성하여 상기 디지털 테스트 신호를 생성하는 신호 합성기; 및
    상기 신호 변환부로부터 수신한 상기 디지털 앰프 출력신호를 상기 기준 진동신호와 비교하여 상기 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 특성을 측정하는 프로세서; 를
    포함하는 것을 특징으로 하는 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치.
  2. 제1항에서, 상기 아날로그 디지털 변환부는,
    아날로그 상태의 상기 여기 전압신호를 디지털 상태의 상기 디지털 여기 전압신호로 변환하는 제1 아날로그 디지털 변환기; 및
    아날로그 상태의 상기 앰프 출력신호를 디지털 상태의 상기 디지털 앰프 출력신호로 변환하는 제2 아날로그 디지털 변환기; 를
    포함하는 것을 특징으로 하는 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치.
  3. 제1항에서, 상기 AC 스트레인 게이지 앰프의 주파수 특성은,
    상기 기준 진동신호와 상기 디지털 앰프 출력신호의 진폭 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 특정하는 것을 특징으로 하는 ＡＣ 스트레인 게이지 앰프의 주파수 응답특성 시험장치.
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