KR102180526B1 - 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법 - Google Patents

휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법 Download PDF

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최은석
유건우
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법이 개시된다. 휴대용 표면 측정 장치는 물체의 표면에서 이동함에 따라 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 거칠기 감지 센서, 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 이동 측정 센서 및 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.

Description

휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법{POTABLE SURFACE MEASUREMENT DEVICE AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 개시는 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물체 표면에 대한 접촉 방법과 무관하게 균일하게 물체의 표면에 대한 정보를 측정하는 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
촉감 감지 기능이 구현된 의수를 요구하는 생의학공학 분야, 접촉물의 표면 감지를 위한 계측 분야, 피부상태 판단을 위한 피부미용 및 의학분야 또는 원단의 질감 평가를 위한 섬유공학 및 섬유디자인 분야 등에서 물체의 표면을 측정할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
종래에는 측정하는 물리량에 상관없이 측정 장치가 물체의 표면에 접촉한 채로 일정한 속도로 움직이면서 물체의 표면을 측정한다. 측정 장치는 물체의 표면의 굴곡에서 발생한 자극을 전기적 또는 기계적인 방법으로 정량적인 물리량으로 출력한다. 물체의 표면에 대한 정보는 정량적으로 출력된 물리량을 처리하여 획득될 수 있다.
일반적으로 물체의 표면 특성 정보는 물체의 표면에 대한 출력 신호를 주파수 영역에서 분석해야 검출될 수 있다. 따라서, 정확한 물체의 표면 특성 정보를 획득하기 위해서는 측정 장치가 일정한 접촉 속도를 유지해야만 한다. 측정 장치가 물체의 표면에서 일정한 속도로 움직이기 위해서는 모터로 구동되는 스테이지가 필요하다. 측정 장치에 스테이지가 구비되는 경우, 측정 장치의 부피가 커져야만 하기 때문에 휴대용 장치에 부적합하다. 측정 장치가 휴대용으로 구현되기 위해서 측정 장치의 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있는 추가적인 구성(예, 모터, 스테이지 등)이 제거되어야 한다.
그러나 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있는 추가적인 구성이 제거되는 경우, 사용자가 측정 장치를 이동시켜야 하는데, 사용자에 따라 측정 장치의 이동 속도가 일정하게 유지되기 어렵다. 측정 장치의 이동 속도가 일정하게 유지되지 않는 경우, 측정 장치의 감지 정보가 일정하지 않기 때문에 획득되는 물체의 표면 특성 정보도 부정확해지는 문제가 있다.
따라서, 이동 속도를 일정하게 유지할 수 있는 추가적인 구성이 제거된 휴대용 측정 장치가 물체의 표면 정보를 일정하게 감지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 존재한다.
본 개시는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 개시의 목적은 추가적인 구성없이 휴대용으로 구현되는 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
그리고 측정 장치의 이동 속도가 일정하게 유지되지 않더라도 이동 속도와 무관하게 물체 표면의 정보를 일정하게 감지하여 물체 표면에 대한 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 휴대용 표면 측정 장치는 상기 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 거칠기 감지 센서, 상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 이동 측정 센서 및 상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하고, 상기 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
그리고 상기 프로세서는 상기 이동 물리량이 증가하는 경우 상기 샘플링 주기를 감소시키고, 상기 이동 물리량이 감소하는 경우 상기 샘플링 주기를 증가시킴으로써 상기 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링할 수 있다.
한편, 상기 이동 물리량은 거리, 속도 또는 가속도 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 이동 물리량이 가속도인 경우, 상기 프로세서는 상기 측정된 가속도를 적분하고, 상기 적분된 가속도에 기초하여 상기 진동 신호를 샘플링할 수 있다.
그리고 상기 프로세서는 상기 측정된 이동 물리량에 기초하여 가변된 샘플링 주기에 따라 상기 거칠기 감지 센서로 인터럽트 신호를 전송하고, 상기 전송된 인터럽트 신호에 기초하여 수신된 상기 진동 신호를 샘플링할 수 있다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 상기 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환하는 압력 센서를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 상기 압력 신호를 샘플링하고, 상기 샘플링된 압력 신호를 푸리에 변환하며, 상기 푸리에 변환된 진동 신호와 상기 푸리에 변환된 압력 신호를 정규화하고, 상기 정규화된 진동 신호에서 상기 정규화된 압력 신호의 성분을 제거하며, 상기 정규화된 압력 신호의 성분이 제거된 상기 정규화된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 휴대용 표면 측정 장치는 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 거칠기 감지 센서, 상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 이동 측정 센서 및 상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호 전체로부터 일부 진동 신호를 샘플링하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 샘플링된 일부 진동 신호를 푸리에 변환하고, 상기 푸리에 변환된 일부 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
그리고 상기 프로세서는 상기 이동 물리량이 증가하는 경우 상기 샘플링 주기를 감소시키고, 상기 이동 물리량이 감소하는 경우 상기 샘플링 주기를 증가시킴으로써 상기 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 추정 샘플링 진동 신호를 삽입하여 샘플링할 수 있다.
이 경우, 상기 프로세서는 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 간의 비례 관계에 기초하여 추정 샘플링 진동 신호를 생성하고, 상기 생성된 추정 샘플링 진동 신호를 상기 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 삽입하여 샘플링할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 간의 비례 관계에 기초하여 상기 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 추정 샘플링 진동 신호를 삽입할 수 있다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 상기 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환하는 압력 센서를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 일부 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 상기 압력 신호 전체로부터 일부 압력 신호를 샘플링하고, 상기 샘플링된 일부 압력 신호를 푸리에 변환하며, 상기 푸리에 변환된 일부 진동 신호와 상기 푸리에 변환된 일부 압력 신호를 정규화하고, 상기 정규화된 일부 진동 신호에서 상기 정규화된 일부 압력 신호의 성분을 제거하며, 상기 정규화된 일부 압력 신호의 성분이 제거된 상기 정규화된 일부 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법은 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 단계, 상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 단계, 상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 하는 단계, 상기 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하는 단계 및 상기 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 샘플링하는 단계는 상기 이동 물리량이 증가하는 경우 상기 샘플링 주기를 감소시키고, 상기 이동 물리량이 감소하는 경우 상기 샘플링 주기를 증가시킴으로써 상기 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링할 수 있다.
한편, 상기 이동 물리량은 거리, 속도 또는 가속도 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 이동 물리량이 가속도인 경우, 상기 샘플링하는 단계는 상기 측정된 가속도를 적분하고, 상기 적분된 가속도에 기초하여 상기 진동 신호를 샘플링할 수 있다.
그리고 상기 샘플링하는 단계는 상기 측정된 이동 물리량에 기초하여 가변된 샘플링 주기에 따라 거칠기 감지 센서로 인터럽트 신호를 전송하고, 상기 전송된 인터럽트 신호에 기초하여 수신된 상기 진동 신호를 샘플링할 수 있다.
또한, 휴대용 표면 측정 장치는 상기 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환하는 단계, 상기 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 상기 압력 신호를 샘플링하는 단계 및 상기 샘플링된 압력 신호를 푸리에 변환하는 단계를 더 포함하고, 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는 단계는 상기 푸리에 변환된 진동 신호와 상기 푸리에 변환된 압력 신호를 정규화하고, 상기 정규화된 진동 신호에서 상기 정규화된 압력 신호의 성분을 제거하며, 상기 정규화된 압력 신호의 성분이 제거된 상기 정규화된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법은 이동 속도를 일정하게 유지하기 위한 추가적인 구성없이 측정 장치를 휴대용으로 구현할 수 있다.
그리고 휴대용 표면 측정 장치 및 제어 방법은 측정 장치의 이동 속도와 무관하게 물체 표면의 정보를 일정하게 감지하여 물체 표면에 대한 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 개시의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치의 블록도이다.
도 2a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 3a는 물체의 표면에서 이동하는 휴대용 표면 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 3b는 일정한 주기로 진동 신호를 샘플링하는 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 3c는 가변 주기로 진동 신호를 샘플링하는 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치를 이용하여 거칠기 감지를 시도한 3.3 mm의 표면 주기를 갖는 접촉 물체의 현미경 사진이다.
도 5a는 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면을 일정한 속도로 이동하는 경우 시간과 이동 거리의 관계를 설명하는 도면이다.
도 5b는 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면을 일정한 속도로 이동하는 경우 감지된 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과를 설명하는 도면이다.
도 5c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동하는 경우 시간과 이동 거리의 관계를 설명하는 도면이다.
도 5d는 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동하는 경우 가변 샘플링 방식을 적용 않은 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과를 설명하는 도면이다.
도 5e는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동하는 경우 가변 샘플링 방식을 적용한 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치의 블록도이다.
도 7a는 표면 측정 장치가 물체의 표면상에서 이동하는 케이스를 설명하는 도면이다.
도 7b는 표면 측정 장치가 일정한 압력으로 물체의 표면상에서 이동하는 경우 감지되는 신호를 설명하는 도면이다.
도 7c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 압력으로 물체의 표면상에서 이동하는 경우 감지된 신호를 처리하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 8a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 물체의 표면 상에서 이동하는 경우 이동 거리를 나타내는 도면이다.
도 8b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 거리에 대한 보간법을 설명하는 도면이다.
도 9a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정의 감지 신호를 나타내는 도면이다.
도 9b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 감지신호에 대한 보간법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 시간에 대한 보정 결과를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 거리에 대한 보정 결과를 설명하는 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치 제어 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시 예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 개시의 설명에 있어서 각 단계의 순서는 선행 단계가 논리적 및 시간적으로 반드시 후행 단계에 앞서서 수행되어야 하는 경우가 아니라면 각 단계의 순서는 비제한적으로 이해되어야 한다. 즉, 위와 같은 예외적인 경우를 제외하고는 후행 단계로 설명된 과정이 선행단계로 설명된 과정보다 앞서서 수행되더라도 개시의 본질에는 영향이 없으며 권리범위 역시 단계의 순서에 관계없이 정의되어야 한다. 그리고 본 명세서에서 "A 또는 B"라고 기재한 것은 A와 B 중 어느 하나를 선택적으로 가리키는 것뿐만 아니라 A와 B 모두를 포함하는 것도 의미하는 것으로 정의된다. 또한, 본 명세서에서 "포함"이라는 용어는 포함하는 것으로 나열된 요소 이외에 추가로 다른 구성요소를 더 포함하는 것도 포괄하는 의미를 가진다.
본 명세서에서는 본 개시의 설명에 필요한 필수적인 구성요소만을 설명하며, 본 개시의 본질과 관계가 없는 구성요소는 언급하지 아니한다. 그리고 언급되는 구성요소만을 포함하는 배타적인 의미로 해석되어서는 아니되며 다른 구성요소도 포함할 수 있는 비배타적인 의미로 해석되어야 한다.
그 밖에도, 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다. 한편, 각 실시 예는 독립적으로 구현되거나 동작될 수도 있지만, 각 실시 예는 조합되어 구현되거나 동작될 수도 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 휴대용 표면 측정 장치(100)는 거칠기 감지 센서(110), 이동 측정 센서(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
거칠기 감지 센서(110)는 휴대용 표면 측정 장치(100)가 물체의 표면에서 이동할 때 물체의 표면과 접촉하여 물체의 표면에 따라 신호를 감지할 수 있다. 그리고 거칠기 감지 센서(110)는 감지된 신호를 전기적인 진동 신호(또는 진동 정보)로 변환할 수 있다.
거칠기 감지 센서(110)의 일면에는 일정한 주기를 가지는 굴곡 구조(예, 인공 지문 구조)로 형성될 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치(100)의 이동에 따라 휴대용 표면 측정 장치(100)에 포함된 거칠기 감지 센서(110)는 물체의 표면에 접촉하여 이동할 수 있다. 거칠기 감지 센서(110)가 물체의 표면에 접촉하여 이동하는 경우, 거칠기 감지 센서(110)는 시간에 따라 진동 신호를 감지하고 전기적인 진동 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 거칠기 감지 센서(110)는 진동 센서, 압력 센서 또는 가속도 센서 등으로 구현될 수 있다.
이동 측정 센서(120)는 휴대용 표면 측정 장치(100)의 이동 물리량을 측정할 수 있다. 예를 들어, 이동 물리량은 휴대용 표면 측정 장치(100)의 이동 거리, 이동 속도 또는 가속도 등을 포함할 수 있다. 그리고 이동 측정 센서(120)는 거리계, 속도계 또는 가속도계 등으로 구현될 수 있다.
프로세서(130)는 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 진동 신호를 실시간으로 샘플링할 수 있다. 프로세서(130)는 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역에 기초하여 물체의 표면 거칠기 정보를 식별할 수 있다.
한편, 프로세서(130)는 측정된 이동 물리량이 증가하는 경우, 샘플링 주기를 감소시키고, 이동 물리량이 감소하는 경우, 샘플링 주기를 증가시킬 수 있다. 따라서, 프로세서(130)는 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 휴대용 표면 측정 장치(100)의 시간당 이동 거리가 증가하는 경우 프로세서(130)는 샘플링 주기를 감소시켜 단위 시간당 많은 데이터를 샘플링할 수 있고, 휴대용 표면 측정 장치(100)의 시간당 이동 거리가 감소하는 경우 프로세서(130)는 샘플링 주기를 증가시켜 단위 시간당 적은 데이터를 샘플링할 수 있다. 프로세서(130)는 시간당 이동 거리를 고려하여 진동 신호를 샘플링함으로써 휴대용 표면 측정 장치(100)의 일정한 이동 거리마다 하나의 샘플링 데이터를 획득할 수 있다. 즉, 프로세서(130)는 이동 물리량을 고려하여 진동 신호를 샘플링함으로써 휴대용 표면 측정 장치(100)의 단위 이동 물리량 대비 동일한 개수의 샘플링 데이터를 획득할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치(100)가 단위 이동 물리량 대비 동일한 개수의 샘플링 데이터를 획득해야만 물체의 표면 측정을 정확하게 할 수 있기 때문에 단위 이동 물리량 대비 동일한 개수의 샘플링 데이터를 획득하는 것이 중요하다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치(100)는 이동할 때 이동 시간 전체 영역에 대한 감지 신호를 저장할 수 있다. 또한, 휴대용 표면 측정 장치(100)는 이동 시간 전체 영역에 대한 이동 물리량을 저장할 수 있다. 예를 들어, 휴대용 표면 측정 장치(100)는 메모리(미도시)를 포함하여 메모리에 이동 시간 전체 영역에 대한 감지 신호 및 이동 물리량을 저장할 수 있다. 프로세서(130)는 저장된 이동 물리량에 기초하여 시간에 따른 이동 거리 정보를 산출하고 산출된 이동 거리 정보를 일정 거리에 따른 시간 정보로 변환할 수 있다. 프로세서(130)는 변환된 일정 거리에 따른 시간 정보에 기초하여 메모리에 저장된 전체 진동 신호 중 일부 진동 신호를 샘플링할 수 있다. 여기서 메모리는 프로세서(130)와 구분된 별도의 저장 소자일 수 있으며, 프로세서(130) 내에 구비되는 버퍼 등의 내부 저장 소자일 수도 있다. 또한, 메모리는 각 거칠기 감지 센서(110), 이동 측정 센서(120)에 구비되어 있을 수도 있다.
프로세서(130)는 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치(100)가 감지된 신호로부터 물체의 표면 거칠기 정보를 식별하는 구체적인 과정은 후술한다.
도 2a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2a를 참조하면, 휴대용 표면 측정 장치는 프레임(1)의 일면에 거칠기 측정 센서(110)를 포함할 수 있다. 일 실시 예로서, 거칠기 측정 센서(110)는 piezoelectric 필름(11)과 인공 지문(12)을 포함할 수 있다. 인공 지문(12)의 일면은 일정한 주기를 가지는 굴곡 구조로 형성되고, 굴곡 구조는 표면을 측정하려는 물체(2)와 접촉될 수 있다. 인공 지문(12)의 타면에는 piezoelectric 필름(11)이 부착될 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치가 물체(2) 표면에서 이동하면, 인공 지문(12)이 물체와 접촉으로 인해 기계적으로 변형되고, piezoelectric 필름(11)은 인공 지문(12)의 기계적 변형을 전기적인 진동 신호로 변환하여 프로세서(130)로 변환된 전기적인 진동 신호를 프로세서(130)로 전달할 수 있다.
그리고 휴대용 표면 측정 장치는 이동 측정 센서를 포함할 수 있는데 이동 측정 센서는 회전 엔코더(rotary encoder)(121)로 구현될 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치는 바퀴를 더 포함하고, 바퀴에 회전 엔코더(121)가 연결될 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치가 물체(2)의 표면상에서 이동함에 따라 바퀴(5)가 회전할 수 있다. 회전 엔코더(121)는 바퀴(5)의 회전각을 측정하고, 측정된 바퀴(5)의 회전각을 전기적인 신호로 변환하여 프로세서(130)로 전달할 수 있다.
프로세서(130)는 전달된 바퀴(5)의 회전각 정보, 바퀴(5)의 지름 등을 고려하여 휴대용 표면 측정 장치의 이동 거리 또는 속도 등과 같은 이동 물리량을 산출할 수 있다. 프로세서(130)는 산출된 이동 물리량에 기초하여 가변적으로 진동 신호를 샘플링하고, 샘플링된 데이터를 푸리에 변환하여 물체(2)의 표면 거칠기 정보를 식별할 수 있다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 출력장치(200)로 식별된 표면 거칠기 정보를 출력할 수 있다. 식별된 표면 거칠기 정보는 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역 정보일 수 있고, 피크 주파수 대역에 매칭되는 기 정의된 정보일 수도 있다. 예를 들어, 출력장치(200)는 휴대용 표면 측정 장치에 포함된 디스플레이 또는 스피커 등을 포함할 수 있고, 휴대용 표면 측정 장치의 외부에 위치하는 별개의 디스플레이 장치 또는 스피커 등을 포함할 수도 있다.
도 2b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2b를 참조하면, 휴대용 표면 측정 장치는 프레임(1)의 일면에 배치된 거칠기 측정 센서(110), 이동 측정 센서(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다. 거칠기 측정 센서(110) 및 프로세서(130)는 도 2a에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 이동 측정 센서는 가속도계(122)로 구현될 수도 있다. 이동 측정 센서가 가속도계(122)로 구현되는 경우, 프로세서(130)는 가속도계(122)에서 측정된 신호를 적분하여 속도로 변환할 수 있다. 그리고 이동 측정 센서는 변환된 속도에 기초하여 진동 신호를 샘플링할 수 있다. 또는, 휴대용 표면 측정 장치는 속도 정보 및 시간 정보에 기초하여 이동 거리를 산출하고, 산출된 이동 거리에 기초하여 진동 신호를 샘플링할 수도 있다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 단위 이동 거리에 대한 진동 신호를 샘플링하여 샘플링된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(130)는 회전 엔코더(121) 또는 가속도계(122)의 출력 신호를 통해 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 식별할 수 있고, 단위 이동 거리에 도달할 때마다 진동 신호를 샘플링할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치가 단위 이동 거리에 대한 진동 신호를 샘플링하는 경우, 샘플링된 진동 신호는 단위 이동 거리에 대한 진동 신호이므로 내삽법을 사용할 필요가 없다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치는 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하여 1/표면주기에 대한 정보를 획득할 수 있다.
한편, 프로세서(130)는 측정된 이동 물리량에 기초하여 샘플링 주기에 따라 거칠기 감지 센서(110)로 인터럽트 신호를 전송할 수 있다. 그리고 거칠기 감지 센서(110)는 전송된 인터럽트 신호에 기초하여 프로세서(130)로 진동 신호를 전달할 수 있다. 상술한 과정을 통해, 프로세서(130)는 단위 이동 거리에 대한 진동 신호를 샘플링할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에서는 하나의 프로세서(130)가 도시되어 있으나, 휴대용 표면 측정 장치는 인터럽트 신호 발생, 진동 신호 샘플링, 이동 물리량 산출 등의 과정 등을 나누어 수행하는 복수의 프로세서를 포함할 수도 있다.
도 2a 및 도 2b에서는 거칠기 감지 센서(110)가 piezoelectric 필름(11)을 포함하는 실시 예를 설명하였으나, 거칠기 감지 센서(110)는 압력센서 또는 가속도센서 등으로 구현될 수도 있다. 그리고 휴대용 표면 측정 장치가 인공 지문(12)을 포함하는 실시 예를 설명하였으나, 휴대용 표면 측정 장치는 인공 지문(12)을 포함하지 않을 수 있고 일면이 어레이 형태가 아닌 하나의 형태로 구현될 수도 있다. 또는, 거칠기 감지 센서(110)는 평면 형태가 아닌 펜 타입으로 구현될 수도 있다.
아울러, 도 2a 및 도 2b에서는 이동 측정 센서가 회전 엔코더(121) 또는 가속도계(122)인 예를 설명하였으나, 이동 측정 센서는 슬라이드 타입의 변위센서 또는 광마우스에 사용되는 변위센서로 구현될 수 있다. 또한, 이동 측정 센서는 휴대용 표면 측정 장치의 거리 또는 속도를 측정하거나 간접적으로 산출할 수 있는 센서라면 어느 것으로도 구현될 수 있다.
도 3a는 물체의 표면에서 이동하는 휴대용 표면 측정 장치를 설명하는 도면이다.
예를 들어, 한 종류의 주기만을 가지는 반복적인 굴곡 구조를 포함하는 물체 상에서 거칠기 감지 센서(또는, 휴대용 표면 측정 장치)가 물체의 표면에 접촉하여 등속으로 이동하는 경우, 거칠기 감지 센서는 시간에 따라 진동 신호를 감지할 수 있다. 물체의 표면 주기와 거칠기 감지 센서의 굴곡 구조가 주기적으로 접촉함으로써 시간 영역에서 거칠기 감지 센서의 감지 신호는 주기적으로 변화하는 전압 신호로 출력될 수 있다. 출력된 시간 영역의 전압 신호가 푸리에 변환되는 경우, 푸리에 변환된 신호에는 거칠기 감지 센서의 굴곡 구조의 주기와 물체의 표면 주기에 해당하는 두 개의 피크가 나타날 수 있다(λ = v/f). λ는 표면 주기이고, v는 휴대용 표면 측정 장치(또는, 거칠기 감지 센서)의 이동 속도이며, f는 물체에 의한 피크 주파수이다. 휴대용 표면 측정 장치는 검출된 피크 주파수 대역을 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
그러나 사용자가 휴대용 표면 측정 장치를 물체의 표면에서 이동시키는 경우, 도 3a에 도시된 바와 같이 시간에 따라 이동 속도는 가변될 수 있다. 또는, 사용자에 따라 휴대용 표면 측정 장치의 이동 속도는 가변될 수 있다.
도 3b는 일정한 주기로 진동 신호를 샘플링하는 실시 예를 설명하는 도면이다.
휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동할 때, 일정한 주기로 진동 신호를 샘플링하는 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이 휴대용 표면 측정 장치는 속도가 빠른 구간에서는 진동 신호의 폭을 좁게 감지하고, 속도가 느린 구간에서 진동 신호의 폭을 넓게 감지할 수 있다.
접촉물의 표면 주기가 일정하더라도 휴대용 표면 측정 장치의 이동속도가 변화할 경우, 휴대용 표면 측정 장치는 감지된 진동 신호를 푸리에 변환하면 피크 주파수 대역이 특정되지 않을 수 있다. 따라서, 한 종류의 주기만을 가지는 반복적인 굴곡 구조를 포함하는 물체 표면이 여러가지 굴곡 구조를 가지는 것으로 식별될 수 있다. 즉, 휴대용 표면 장치의 등속 이동이 보장되지 않는 상황에서 일정한 주기로 진동 신호를 샘플링하는 경우 물체 표면 거칠기 정보가 왜곡되는 문제가 발생할 수 있다.
도 3c는 가변 주기로 진동 신호를 샘플링하는 실시 예를 설명하는 도면이다.
상술한 바와 같이, 휴대용 표면 측정 장치는 이동 속도를 일정하기 유지할 수 있는 구성을 포함할 수 없다. 따라서, 사용자에 따라 휴대용 표면 측정 장치의 이동 속도는 달라질 수 있다. 본 개시의 휴대용 표면 측정 장치는 이동 측정 센서를 포함하여 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정할 수 있다. 그리고 프로세서는 측정된 이동 물리량에 기초하여 샘플링 주기를 가변할 수 있다. 즉, 휴대용 표면 측정 장치는 속도가 빠르면 샘플링 주기를 낮추고, 속도가 낮으면 샘플링 주기를 높일 수 있다. 샘플링 주기는 일정한 상수를 기준으로 휴대용 표면 측정 장치의 속도에 반비례할 수 있다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치는 시간 기준으로는 일정하지 않은 간격으로 진동 신호를 감지할 수 있지만, 이동 거리 기준으로는 일정한 간격으로 진동 신호를 감지할 수 있다. 즉, l = v*t와 같이 거리 간격 l은 속도 v의 증감에 따라 시간 간격 t를 조정함으로써(샘플링 주기를 조정함으로써) 휴대용 표면 측정 장치가 등속으로 이동하면서 진동 신호를 샘플링한 것과 동일한 효과가 얻어질 수 있다. 즉, 도 3c에 도시된 바와 같이, 휴대용 표면 측정 장치는 가변 샘플링 방식에 따라 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하면 물체 표면의 굴곡(또는, 거칠기)에 대한 정확한 정보를 식별할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이동 측정 센서는 거리계, 속도계 또는 가속도계 등으로 구현되어 거리, 속도 또는 가속도 등의 이동 물리량 정보를 측정할 수 있고, 휴대용 표면 측정 장치는 측정된 이동 물리량에 기초하여 가변 샘플링 과정을 수행할 수 있다.
가변 샘플링 과정은 실시간으로 수행될 수 있다. 거칠기 감지 센서를 포함하는 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면을 따라 이동한다. 이동 측정 센서는 이동 물리량을 측정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이동 측정 센서는 거리계, 속도계 또는 가속도계 등을 포함할 수 있고, 이동 물리량은 거리, 속도 또는 가속도 등을 포함할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치가 일정한 거리를 이동할 때마다 프로세서는 거칠기 감지 센서의 진동 신호를 샘플링할 수 있다. 일 실시 예로서, 휴대용 표면 측정 장치의 이동 거리를 측정하는 방법은 이동 거리를 직접 측정할 수 있고, 측정된 속도 또는 가속도에 기초하여 적분을 통해 간접적으로 이동 거리를 산출할 수도 있다.
또는, 가변 샘플링 과정은 모든 진동 신호를 획득한 후 수행될 수도 있다.
휴대용 표면 측정 장치가 이동할 때 휴대용 표면 측정 장치는 일정 시간 간격으로 진동 신호를 샘플링하여 저장할 수 있다. 그리고 휴대용 표면 측정 장치는 이동 물리량도 저장할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치는 저장된 이동 물리량에 기초하여 이동 거리를 산출할 수 있다. 상술한 바와 동일하게 직접 측정된 이동 거리에 기초하여 이동 거리를 산출할 수 있고, 측정된 속도 또는 가속도에 기초하여 적분을 통해 간접적으로 이동 거리를 산출할 수도 있다.
휴대용 표면 측정 장치는 시간에 따른 이동 거리 정보를 일정 거리에 따른 시간 정보로 변환할 수 있다. 즉, 휴대용 표면 측정 장치는 저장된 단위 이동 거리에 대한 시간을 등간격의 새로운 시간 축으로 변환함으로써 가변 속도를 가상의 일정한 기준 속도로 변환하고, 변환된 기준 속도에 기초하여 새로운 등간격의 가상 시간 축에서 진동 신호를 재샘플링하는 과정과 동일할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치는 일정한 가상의 기준 속도를 기준으로 샘플링된 진동 신호에 기초하여 주파수 영역에서 진동 신호를 분석하여 물체의 표면 거칠기 정보를 식별할 수 있다.
한편, 일정 시간 간격으로 샘플링된 진동 신호에 기초하여 새로운 등간격의 가상 시간 축에서 진동 신호를 재샘플링하는 경우 일정 단위 거리에 대한 데이터가 없을 수 있다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치는 내삽법을 이용하여 시간 정보 또는 진동 신호 정보에 대한 추정 데이터를 생성할 수 있다. 내삽법을 이용한 추정 데이터 생성 과정은 후술한다.
도 4는 3.3mm의 표면 주기를 갖는 접촉 물체의 현미경 사진으로, 구체적으로, 골판지에 일정 영역을 현미경을 이용하여 확대하여 촬상한 사진이다.
도 5a는 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면을 일정한 속도(예를 들어, 10 mm/s)로 이동하는 경우 시간과 이동 거리의 관계를 설명하는 도면이고, 도 5b는 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면을 일정한 속도로 이동하는 경우 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과를 설명하는 도면이며, 도 5c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동하는 경우 시간과 이동 거리의 관계를 설명하는 도면이고, 도 5d는 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동하는 경우 가변 샘플링 방식을 적용 않은 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과를 설명하는 도면이며, 도 5e는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 이동하는 경우 가변 샘플링 방식을 적용한 감지 신호를 푸리에 변환한 결과를 설명하는 도면이다.
도 5a를 참조하면 표면 측정 장치가 모터 스테이지를 이용하여 일정한 속도(예를 들어, 10 mm/s)로 물체의 표면을 이동할 때 시간에 대한 이동 거리 그래프가 도시되어 있다. 표면 측정 장치는 기계적인 장치를 이용하여 일정한 속도로 이동하므로 시간에 대한 이동 거리 그래프는 일정한 기울기를 가지는 그래프로 나타날 수 있다. 도 5b를 참조하면 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과가 도시되어 있다. 접촉 물체(즉, 골판지)의 3.3 mm 표면 주기와 접촉속도 10 mm/s에 대응되는 3.3 Hz에서 피크 대역이 나타남을 확인할 수 있다.
도 5c를 참조하면 표면 측정 장치가 사용자에 의해 물체의 표면을 이동할 때 시간에 대한 이동 거리 그래프가 도시되어 있다. 도 5c를 통해 표면 측정 장치가 시간에 따라 가변 속도로 이동한 것이 확인될 수 있다. 도 5d를 참조하면 가변 샘플링 방식을 적용하지 않고 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과가 도시되어 있다. 도 5b와 달리 피크 대역이 넓어지며 접촉 물체의 표면주기에 상응하는 피크가 확인되지 않는다. 도 5e를 참조하면 가변 샘플링 방식을 적용하여 거칠기 감지 센서의 신호를 푸리에 변환한 결과가 도시되어 있다. 도 5b와 유사하게 피크 대역이 나타남을 확인할 수 있다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시의 다른 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치의 블록도이다.
도 6을 참조하면, 휴대용 표면 측정 장치(100a)는 거칠기 감지 센서(110), 이동 측정 센서(120), 프로세서(130) 및 압력 센서(140)를 포함할 수 있다. 거칠기 감지 센서(110), 이동 측정 센서(120) 및 프로세서(130)는 도 1에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
압력 센서(140)는 휴대용 표면 측정 장치(100a)가 물체의 표면에서 이동할 때 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치(100a)가 사용자에 의해 물체의 표면에서 이동할 때 물체에 가해지는 압력도 가변될 수 있다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치(100a)의 진동 신호에는 가변되는 압력 신호 성분이 포함될 수 있기 때문에 정확한 물체의 표면 거칠기 정보를 획득하는데 방해가 될 수 있다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치(100a)는 압력 센서(140)를 포함하고, 압력 센서(140)에서 측정된 압력 정보를 고려하여 물체의 표면 거칠기 정보를 식별할 수 있다.
도 7a는 표면 측정 장치가 물체의 표면상에서 이동하는 케이스를 설명하는 도면이고, 도 7b는 표면 측정 장치가 일정한 압력으로 물체의 표면상에서 이동하는 경우 감지되는 신호를 설명하는 도면이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하여 일정한 압력으로 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동하는 경우에 대해 설명한다.
일 실시 예로서, 거칠기 측정 센서(110)는 물체의 표면에 접촉하여 이동하면서 물체의 굴곡(또는, 거칠기)에 따라 진동 신호를 발생시킬 수 있다. 압력 센서(140)는 거칠기 측정 센서(110) 상부에 배치되어 표면 측정 장치가 물체의 표면에 가해지는 압력 신호를 발생시킬 수 있다.
만일, 표면 측정 장치가 일정한 속도 및 압력으로 이동시킬 수 있는 구성을 포함하는 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이, 압력센서(140)에서 출력된 압력 신호는 일정한 값으로 출력될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 거칠기 측정 센서(110)도 물체의 표면 굴곡에 대응되는 진동 신호를 출력할 수 있다.
압력 센서(140)에서 출력된 압력 신호는 푸리에 변환될 수 있다. 일정한 값을 가지는 압력 신호가 푸리에 변환되면, 푸리에 변환된 압력 신호는 저주파수 영역에서 특정 신호만이 나타나므로 압력 신호의 고려 없이 거칠기 측정 센서(110)의 진동 신호만으로 물체의 표면 거칠기 정보를 식별할 수도 있다. 그러나 휴대용 표면 측정 장치(100a)가 사용자에 의해 이동되는 경우, 물체 표면에 대한 접촉 압력이 일정하지 않다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 정확한 표면 정보를 식별하기 위해서 압력 성분이 고려되는 것이 바람직하다.
도 7c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 압력으로 물체의 표면상에서 이동하는 경우 감지된 신호를 처리하는 과정을 설명하는 도면이다.
상술한 바와 같이, 휴대용 표면 측정 장치(100a)는 일정한 압력과 속도로 휴대용 표면 측정 장치(100a)를 이동시키는 구성을 포함할 수 없고, 사용자에 의해 이동될 수 있다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치(100a)의 이동에 따라 휴대용 표면 측정 장치(100a)가 물체의 표면에 가해지는 압력이 변화될 수 있다. 다만, 압력은 완만하게 변화하는 특성을 가질 수 있다. 따라서, 압력 신호가 푸리에 변환되면, 푸리에 변환된 압력 신호는 저주파 영역에 나타날 수 있다. 그러나 푸리에 변환된 압력 신호는 거칠기 측정 센서(110)의 푸리에 변환된 진동 신호와 함께 나타나기 때문에 저주파 영역에 표면 거칠기 정보로 오해될 수 있다. 따라서, 저주파 영역의 압력 성분은 제거되는 것이 바람직하다.
휴대용 표면 측정 장치(100a)는 압력 센서(140)의 압력 신호 및 거칠기 측정 센서(110)의 진동 신호를 각각 푸리에 변환할 수 있다. 그리고 휴대용 표면 측정 장치(100a)는 변환된 진동 신호 성분으로부터 변환된 압력 신호 성분을 제거할 수 있다. 다만, 진동 신호 성분과 압력 신호 성분의 출력 크기가 다를 수 있으므로 진동 신호와 압력 신호의 정규화 과정이 수행되어야 한다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치(100a)는 변환된 압력 신호 및 변환된 진동 신호를 정규화한 후 변환된 진동 신호 성분에서 변환된 압력 신호 성분을 제거할 수 있다.
상술한 과정을 통해, 휴대용 표면 측정 장치(100a)는 휴대용 표면 측정 장치(100a)의 압력 및 이동 속도와 상관없이 물체의 표면 거칠기 정보를 정확하게 식별할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 휴대용 표면 측정 장치의 이동에 따른 전체 진동 신호를 획득하여 이동 물리량을 고려하여 샘플링하는 경우 필요한 샘플링 데이터가 존재하지 않을 가능성이 있다. 따라서, 휴대용 표면 측정 장치는 추정 샘플링 신호를 생성할 수 있다.
도 8a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치가 가변 속도로 물체의 표면 상에서 이동하는 경우 이동 거리를 나타내는 도면이고, 도 8b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 거리에 대한 보간법을 설명하는 도면이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 휴대용 표면 측정 장치가 사용자에 의해 이동되는 경우 단위 시간 간격에 따른 이동 거리가 가변될 수 있다. 도 8a에 도시된 점은 일반적인 샘플링 기법을 통해 샘플링된 즉 일정 시간 간격으로 획득된 이동 정보를 나타낸다. 휴대용 표면 측정 장치가 일정한 시간 간격이 아닌 일정한 단위 이동거리 d1, d2, d3에 대응되는 t1, t2, t3의 시간 데이터가 필요한 경우, 시간 t1에는 측정된 이동 거리 데이터가 존재하지 않을 수 있다.
도 8b에는 도 8a의 a 영역을 확대한 도면이 도시되어 있다. 휴대용 표면 측정 장치는 시간 t1과 인접한 시간 ta 및 시간 tb 에 측정된 이동 거리 값을 연결한 추세선을 산출하고, 산출된 추세선에 기초하여 시간 t1에서의 이동 거리 데이터를 추정할 수 있다.
일 실시 예로서, 본 개시의 샘플링 레이트는 충분히 높기 때문에 측정된 데이터 간의 간격은 매우 좁을 수 있다. 따라서, 본 개시에서는 선형 보간법이 사용될 수 있다. 즉, 휴대용 표면 측정 장치는 아래의 식에 따라 시간 t1에서 이동 거리 데이터를 추정할 수 있다.
Figure 112019083967456-pat00001
즉, 휴대용 표면 측정 장치는 두 개의 샘플링 신호 간의 비례 관계에 기초하여 인접한 두 개의 샘플링 신호 사이에 추정 샘플링 신호를 삽입할 수 있다. 구체적으로, 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 간의 비례 관계에 기초하여(즉, 상술한 수학식을 이용하여) 추정 샘플링 진동 신호를 생성하고, 생성된 추정 샘플링 진동 신호를 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 삽입할 수 있다.
도 9a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정의 감지 신호를 나타내는 도면이고, 도 9b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 감지신호에 대한 보간법을 설명하는 도면이다. 구체적으로 도 9a는 일정한 표면주기를 가지는 접촉물에 의하여 이동속도가 가변되는(보다 상세하게는 증가하는) 휴대형 표면 측정의 기대할 수 있는 감지 신호를 나타낸다. 도 9a에 도시된 점은 일반적인 샘플링 기법을 통해 샘플링된 즉 일정 시간 간격으로 획득된 거칠기 감지 신호를 나타낸다. 도 9a는 사인파 형태를 나타내나 접촉물의 표면구조 형태, 거칠기 감지 센서의 종류에 따라 사각파, 삼각파, 펄스파 등의 형태를 가질 수 있으며, 본 개시의 효과를 나타내기 위한 하나의 예이다.
도 9a를 참조하면, 휴대용 표면 측정 장치의 이동 속도가 가변되기 때문에 일정한 표면주기를 가지는 접촉물에 의하여 발생할 수 있는 거칠기 감지 센서 출력의 피크가 나타나는 시간 tα, 시간 tβ 및 시간 tγ의 간격이 일정하지 않다. 마찬가지로 도 7a에 도시된 단위이동거리 d1, d2, d3에 대응되는 t1, t2, t3의 간격도 일정하지 않다. 휴대용 표면 측정 장치는 시간 t1, 시간 t2 및 시간 t3에서 진동 신호를 샘플링 해야 하지만, 각 시간에서 측정 진동 신호가 존재하지 않는다. 도 9a에 도시된 점, 즉 시간에 따른 거칠기 감지 센서의 출력신호는 t1, t2 사이에 한 개만 표시되어 있으나 이는 개시의 효과를 설명하기 위한 요소이며, 단위 이동거리에 대응되는 시간 간격 사이에 보다 많은 측정 결과가 샘플링될 수 있다.
도 9b에는 도 9a의 b 영역을 확대한 도면이 도시되어 있다. 상술한 바와 유사하게 휴대용 표면 측정 장치는 두 개의 샘플링 진동 신호 간의 비례 관계에 기초하여 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 추정 샘플링 진동 신호를 삽입할 수 있다.
본 개시의 경우, 실제 샘플링 레이트가 충분히 높기 때문에 추정 데이터를 삽입해야 하는 경우가 많지는 않다.
도 10는 본 개시의 일 실시 예에 따른 시간에 대한 보정 결과를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)와 일정 시간 간격으로 보정된 결과가 도시되어 있다. 휴대용 표면 측정 장치의 속도가 가변되기 때문에 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)의 시간 간격은 일정하지 않다. 예를 들어, 휴대용 표면 측정 장치는 시간 t1에서 시간 t2 사이에서는 상대적으로 느리게 이동했기 때문에 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)의 시간 간격이 상대적으로 넓고, 시간 t2에서 시간 t3 사이에서는 상대적으로 빠르게 이동했기 때문에 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)의 시간 간격이 상대적으로 좁다. 그러나 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)가 존재하는 시간 t1, 시간 t2 및 시간 t3의 이동 거리는 동일하기 때문에 휴대용 표면 측정 장치는 도 10에 도시된 바와 같이 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)를 일정한 간격(예, 0.001초)으로 보정할 수 있다. 예를 들어, 휴대용 표면 측정 장치는 기준 속도(예, 1cm/s)에 기초하여 속도가 기준 속도보다 빠르거나 느리면 비율에 따라 시간 간격을 보정할 수 있으며 단위 이동거리에 대응하는 시간 t1, t2, t3는 기준 속도 하에서의 단위 이동거리에 대응하는 시간 t1',t2',t3'로 보정될 수 있다.
한편, 속도 변화 관점이 아닌 이동 거리 변화 관점에서 진동 신호가 조정될 수도 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 거리에 대한 보정 결과를 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 측정된 진동 신호(또는 추정된 진동 신호)와 일정 이동 거리 간격으로 보정된 결과가 도시되어 있다. 시간 t1, t2, t3는 각각 이동거리 d1, d2, d3 때의 시간이므로 휴대용 표면 측정 장치는 x 축을 이동 거리로 바꾸면 일정 이동 거리에 따른 보정 결과를 획득할 수 있다.
지금까지 휴대용 표면 측정 장치의 다양한 실시 예를 설명하였다. 아래에서는 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법을 설명한다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치 제어 방법의 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환할 수 있다(S1210). 휴대용 표면 측정 장치는 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정할 수 있다(S1220). 예를 들어, 이동 물리량은 거리, 속도 또는 가속도 등을 포함할 수 있다.
휴대용 표면 측정 장치는 기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 진동 신호를 실시간으로 샘플링할 수 있다(S1230). 예를 들어, 휴대용 표면 측정 장치는 이동 물리량이 증가하는 경우 샘플링 주기를 감소시키고, 이동 물리량이 감소하는 경우 샘플링 주기를 증가시킴으로써 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링할 수 있다.
휴대용 표면 측정 장치는 이동 물리량이 가속도인 경우 측정된 가속도를 적분하고, 적분된 가속도에 기초하여 진동 신호를 샘플링할 수 있다. 또는, 휴대용 표면 측정 장치는 이동 물리량이 속도인 경우 측정된 속도를 적분하고, 적분된 속도에 기초하여 진동 신호를 샘플링할 수도 있다.
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 측정된 이동 물리량에 기초하여 가변된 샘플링 주기에 따라 거칠기 감지 센서로 인터럽트 신호를 전송할 수 있다. 그리고 거칠기 감지 센서는 전송된 인터럽트 신호에 기초하여 진동 신호를 프로세서로 전달하고, 프로세서는 수신된 진동 신호를 샘플링할 수 있다.
휴대용 표면 측정 장치는 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환할 수 있다(S1240). 휴대용 표면 측정 장치는 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다(S1250).
한편, 휴대용 표면 측정 장치는 압력 센서를 더 포함하여 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환할 수 있다. 그리고 휴대용 표면 측정 장치는 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 압력 신호를 샘플링할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치는 샘플링된 압력 신호를 푸리에 변환할 수 있다.
휴대용 표면 측정 장치는 푸리에 변환된 진동 신호와 푸리에 변환된 압력 신호를 정규화할 수 있다. 그리고 휴대용 표면 측정 장치는 정규화된 진동 신호에서 정규화된 압력 신호의 성분을 제거할 수 있다. 휴대용 표면 측정 장치는 정규화된 압력 신호의 성분이 제거된 정규화된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 물체의 표면 거칠기 정보로 식별할 수 있다.
상술한 다양한 실시 예에 따른 휴대용 표면 측정 장치의 제어방법은 컴퓨터 프로그램 제품으로 제공될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 S/W 프로그램 자체 또는 S/W 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)를 포함할 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100, 100a: 휴대용 표면 측정 장치
110: 거칠기 감지 센서 120: 이동 측정 센서
130: 프로세서 140: 압력 센서

Claims (17)

  1. 휴대용 표면 측정 장치에 있어서,
    상기 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 거칠기 감지 센서;
    상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 이동 측정 센서; 및
    상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하고, 상기 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하고,
    상기 프로세서는,
    상기 측정된 이동 물리량에 기초하여 가변된 샘플링 주기에 따라 상기 거칠기 감지 센서로 인터럽트 신호를 전송하고, 상기 전송된 인터럽트 신호에 기초하여 수신된 상기 진동 신호를 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 이동 물리량이 증가하는 경우 상기 샘플링 주기를 감소시키고, 상기 이동 물리량이 감소하는 경우 상기 샘플링 주기를 증가시킴으로써 상기 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이동 물리량은,
    거리, 속도 또는 가속도 중 적어도 하나인, 휴대용 표면 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이동 물리량이 가속도인 경우,
    상기 프로세서는,
    상기 측정된 가속도를 적분하고, 상기 적분된 가속도에 기초하여 상기 진동 신호를 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 휴대용 표면 측정 장치에 있어서,
    상기 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 거칠기 감지 센서;
    상기 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환하는 압력 센서;
    상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 이동 측정 센서; 및
    상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하고, 상기 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하고,
    상기 프로세서는,
    상기 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 상기 압력 신호를 샘플링하고, 상기 샘플링된 압력 신호를 푸리에 변환하며, 상기 푸리에 변환된 진동 신호와 상기 푸리에 변환된 압력 신호를 정규화하고, 상기 정규화된 진동 신호에서 상기 정규화된 압력 신호의 성분을 제거하며, 상기 정규화된 압력 신호의 성분이 제거된 상기 정규화된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  7. 휴대용 표면 측정 장치에 있어서,
    상기 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 거칠기 감지 센서;
    상기 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환하는 압력 센서;
    상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 이동 측정 센서; 및
    상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호 전체로부터 일부 진동 신호를 샘플링하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 샘플링된 일부 진동 신호를 푸리에 변환하고, 상기 푸리에 변환된 일부 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하고,
    상기 프로세서는,
    상기 일부 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 상기 압력 신호 전체로부터 일부 압력 신호를 샘플링하고, 상기 샘플링된 일부 압력 신호를 푸리에 변환하며, 상기 푸리에 변환된 일부 진동 신호와 상기 푸리에 변환된 일부 압력 신호를 정규화하고, 상기 정규화된 일부 진동 신호에서 상기 정규화된 일부 압력 신호의 성분을 제거하며, 상기 정규화된 일부 압력 신호의 성분이 제거된 상기 정규화된 일부 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 이동 물리량이 증가하는 경우 상기 샘플링 주기를 감소시키고, 상기 이동 물리량이 감소하는 경우 상기 샘플링 주기를 증가시킴으로써 상기 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 추정 샘플링 진동 신호를 삽입하여 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 간의 비례 관계에 기초하여 추정 샘플링 진동 신호를 생성하고, 상기 생성된 추정 샘플링 진동 신호를 상기 인접한 두 개의 샘플링 진동 신호 사이에 삽입하여 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치.
  11. 삭제
  12. 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 단계;
    상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 단계;
    상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 하는 단계;
    상기 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하는 단계; 및
    상기 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는 단계;를 포함하고,
    상기 샘플링하는 단계는,
    상기 측정된 이동 물리량에 기초하여 가변된 샘플링 주기에 따라 거칠기 감지 센서로 인터럽트 신호를 전송하고, 상기 전송된 인터럽트 신호에 기초하여 수신된 상기 진동 신호를 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는,
    상기 이동 물리량이 증가하는 경우 상기 샘플링 주기를 감소시키고, 상기 이동 물리량이 감소하는 경우 상기 샘플링 주기를 증가시킴으로써 상기 진동 신호를 기 설정된 일정한 간격으로 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 이동 물리량은,
    거리, 속도 또는 가속도 중 적어도 하나인, 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이동 물리량이 가속도인 경우,
    상기 샘플링하는 단계는,
    상기 측정된 가속도를 적분하고, 상기 적분된 가속도에 기초하여 상기 진동 신호를 샘플링하는, 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법.
  16. 삭제
  17. 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 휴대용 표면 측정 장치가 물체의 표면에서 이동함에 따라 상기 물체의 표면에서 감지되는 신호를 전기적인 진동 신호로 변환하는 단계;
    상기 휴대용 표면 측정 장치의 이동 물리량을 측정하는 단계;
    상기 측정된 이동 물리량에 따라 샘플링 주기를 가변하여 상기 진동 신호를 실시간으로 샘플링하는 하는 단계;
    상기 샘플링된 진동 신호를 푸리에 변환하는 단계; 및
    상기 푸리에 변환된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는 단계;를 포함하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 물체의 표면에 가해지는 압력을 감지하고 전기적인 압력 신호로 변환하는 단계;
    상기 진동 신호의 샘플링 주기와 동일한 주기로 상기 압력 신호를 샘플링하는 단계; 및
    상기 샘플링된 압력 신호를 푸리에 변환하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는 단계는,
    상기 푸리에 변환된 진동 신호와 상기 푸리에 변환된 압력 신호를 정규화하고, 상기 정규화된 진동 신호에서 상기 정규화된 압력 신호의 성분을 제거하며, 상기 정규화된 압력 신호의 성분이 제거된 상기 정규화된 진동 신호에서 나타나는 피크 주파수 대역을 상기 물체의 표면 거칠기 정보로 식별하는, 휴대용 표면 측정 장치의 제어 방법.
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