KR102559363B1 - 변위 센싱 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치는 대상물의 위치 변위를 센싱하여 변위 센싱 신호를 출력하는 변위 센싱부; 상기 변위 센싱 신호를 m 비트의 제1 디지털 신호로 변환하는 제1 신호 변환부; 상기 변위 센싱 신호를 m 비트보다 큰 n 비트의 제2 디지털 신호로 변환하는 제2 신호 변환부; 및 상기 제1 디지털 신호 및 상기 제2 디지털 신호에 따라 상기 대상물의 위치 변위를 도출하는 컨트롤부를 포함한다.

Description

변위 센싱 장치{APPARATUS FOR SENSING DISPLACEMENT}

본 발명은 변위 센싱 장치에 관한 것이다.

터널과 같은 사회 간접 자본의 시설의 경우 지속적인 보수 및 효율적인 관리가 필요하며 정밀 안전 진단이 시행되고 있으나 정기 점검의 경우 터널 구조물의 전 반적인 변화 상태를 기록, 분석할 수 없고 구조물의 점검이나 보수 시점을 효율 적으로 결정할 수 없다는 단점이 있다.

따라서 터널이나 건축 구조물에 변위 측정 센서를 부착하고 일정한 시간 간격으로 실시간 측정한 데이터를 저장, 분석하여 유지관리 담당자가 항상 모니터링 할 수 있고 이상 발생시 변형 상태를 분석하여 안정성을 판단할 수 있다.

터널의 경우 터널 구조물 형상으로 센서를 설치하여야 하므로 측정 범위가 0~360도가 되어야 하나 대부분 해외 제품의 경우 측정 범위가 ±1° ~ ±5°로 매우 좁고, 정밀도가 낮다.

이에 따라 측정 범위가 0~360도가 되는 고정밀 변위 센싱 장치에 대한 요구가 증대되고 있다.

공개특허 10-2002-0045291 (공개일 2002년06월19일)

본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치는 대상물의 고정밀 변위를 측정하기 위한 것이다.

본 출원의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 대상물의 위치 변위를 센싱하여 변위 센싱 신호를 출력하는 변위 센싱부; 상기 변위 센싱 신호를 m 비트의 제1 디지털 신호로 변환하는 제1 신호 변환부; 상기 변위 센싱 신호를 m 비트보다 큰 n 비트의 제2 디지털 신호로 변환하는 제2 신호 변환부; 및 상기 제1 디지털 신호 및 상기 제2 디지털 신호에 따라 상기 대상물의 위치 변위를 도출하는 컨트롤부;를 포함하는 변위 센싱 장치가 제공된다.

상기 제2 신호 변환부는 상기 변위 센싱 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기의 오프셋(offset)을 조절하는 오프셋 조절부, 상기 조절된 오프셋에 따라 상기 변위 센싱 신호를 조절하여 상기 증폭기로 출력하는 오프셋 쉬프터(shifter), 상기 증폭기의 게인(gain)을 조절하는 게인 조절부, 상기 조절된 오프셋 및 게인에 따라 상기 증폭기에 의하여 증폭된 상기 변위 센싱 신호를 상기 제2 디지털 신호로 변환하는 제2 ADC(analog-digital converter)를 포함할 수 있다.

상기 m 비트는 10 비트이고, 상기 n 비트는 24 비트일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치는 고해상도 및 저해상도 각각에 해당되는 복수의 ADC를 포함함으로써 대상물의 고정밀 변위를 측정할 수 있다.

본 출원의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치의 설치예를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치의 블록도를 나타낸다.
도 4는 제1 신호 변환부와 제2 신호 변환부의 동작 순서도를 나타낸다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 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.

본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치는 터널 내부 혹은 건축물에 설치하여 터널의 지반 침하나 건축물의 기울어짐을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치의 설치예를 나타낸다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치가 터널에 설치된 것을 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 터널 형상은 반원 모양으로 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치는 0도 내지 360도 전방위에 대한 변위 측정을 수행할 수 있으며, 터널에 부착되는 변위 센싱 장치의 초기 각도는 도 1과 같이 다양할 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치의 블록도를 나타낸다. 도 2및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 변위 센싱 장치는 변위 센싱부(100), 제1 신호 변환부(300), 제2 신호 변환부(500) 및 컨트롤부(700)를 포함한다.

변위 센싱부(100)는 대상물의 위치 변위를 센싱하여 변위 센싱 신호를 출력한다. 변위 센싱부(100)는 3축 가속도 센서를 포함할 수 있다. 이에 따라 변위 센싱부(100)는 x축, y축 및 z축에 대한 대상물의 변위를 센싱할 수 있다.

제1 신호 변환부(300)는 변위 센싱 신호를 m 비트의 제1 디지털 신호로 변환한다. 이를 위하여 제1 신호 변환부(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 ADC(Analog-Digital Converter)(310)를 포함할 수 있다.

제2 신호 변환부(500)는 변위 센싱 신호를 m 비트보다 큰 n 비트의 제2 디지털 신호로 변환한다. 제2 신호 변환부(500)에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 이 때 m 비트는 10 비트이고, n 비트는 24 비트일 수 있다.

컨트롤부(700)는 제1 디지털 신호 및 제2 디지털 신호에 따라 대상물의 위치 변위를 도출한다.

컨트롤부(700)는 제1 신호 변환부(300)의 제1 디지털 신호에 따라 측정해야 할 변위 센싱 신호의 전압 측정 범위를 설정하고, 제2 신호 변환부(500)는 설정된 전압 측정 범위에서 상기 변위 센싱 신호를 제2 디지털 신호로 변환하여 대상물의 위치 변위를 도출할 수 있다.

즉, m 비트 제1 신호 변환부(300)는 변위 센싱 신호의 전압 측정 범위를 설정하기 위한 것이고, m 비트 보다 큰 n 비트 제2 신호 변환부(300)는 변위 센싱 신호의 측정 정밀도를 높이기 위한 것이다.

n 비트 제2 신호 변환부(300)는 설정된 좁은 전압 측정 범위에 따라 오프셋 및 게인을 설정하여 신호 변환을 함으로써 측정 정밀도를 높일 수 있다.

이와 같이 m 비트 제1 신호 변환부(200)와 n비트 제2 신호 변환부(300)가 사용되는 이유는 동일한 전압 측정 범위에서 비트가 클수록 신호 변환 시간이 증가하기 때문이다. 즉, n비트 제2 신호 변환부(300)는 설정된 좁은 전압 측정 범위에 따라 설정된 오프셋 및 게인을 통하여 신호 변환이 이루어지므로 측정 정밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 신호 변환 시간의 과도한 증가를 막을 수 있다.

이 때 제2 신호 변환부(500)는 증폭기(510), 오프셋 조절부(520), 오프셋 쉬프터(shifter)(530), 게인 조절부(540), 제2 ADC(550)를 포함할 수 있다.

증폭기(510)는 변위 센싱 신호를 증폭할 수 있다.

오프셋 조절부(520)는 증폭기(510)의 오프셋(offset)을 조절할 수 있다.

오프셋 쉬프터(530)는 조절된 오프셋에 따라 변위 센싱 신호를 조절하여 증폭기(510)로 출력할 수 있다. 즉, 오프셋 쉬프터(530)는 변위 센싱부(100)로부터 출력된 변위 센싱 신호의 전압값에, 설정된 오프셋 전압을 더하거나 빼주는 기능을 수행하여 변위 센싱 신호를 오프셋만큼 쉬프팅할 수 있다.

게인 조절부(540)는 증폭기(510)의 게인(gain)을 조절할 수 있다.

증폭기(510)은 조절된 오프셋 및 게인에 따라 변위 센싱 신호를 증폭할 수 있으며, 제2 ADC(550)는 증폭기(510)에 의하여 증폭된 변위 센싱 신호를 제2 디지털 신호로 변환할 수 있다.

이 때 본 발명의 변위 센싱 장치는 변위 센싱부(100)로부터 출력된 아날로그 신호의 노이즈를 제거하는 아날로그 필터(750)를 더 포함할 수 있다. 아날로그 필터(750)에 의하여 노이즈가 제거된 변위 센싱 신호는 오프셋 쉬프터(530)와 제1 신호 변환부(300)의 제1 ADC(310)로 입력될 수 있다.

또한 컨트롤부(700)는, 도출된 대상물의 위치 변위를 RS485 신호로 변환하는 RS485 드라이버(미도시)를 포함할 수 있으며, RS485 드라이버는 RS485 신호를 라우터(미도시)로 전송할 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 변위 센싱 장치는 복수의 ADC(예를 들어, 제1 ADC(310) 및 제2 ADC(550))를 사용할 수 있다. 이 때 복수의 ADC 중 하나는 전압 측정 범위를 설정하기 위한 것이고, 다른 하나는 대상물의 위치 변위를 정리하게 도출하기 위한 것이다.

즉, 제1 ADC(310)가 10비트의 디지털 신호를 생성하고, 제2 ADC(550)가 24비트의 디지털 신호를 생성할 경우, 제1 ADC(310)는 변위 센싱 신호를 1024 단계 중 하나에 해당하는 변위 센싱 신호의 전압 레벨을 도출할 수 있으며, 도출된 전압 레벨에 따라 전압 측정 범위가 설정될 수 있다.

이 때 전압 측정 범위는 도출된 전압 레벨의 0%보다 크고 100%보다 작은 범위로 설정될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤부(700)는 도출된 전압 레벨의 ±20%로 전압 측정 범위를 설정할 수 있다.

제2 ADC(550)는 설정된 전압 측정 범위 내에서 대상물의 변위를 정밀하게 도출할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에서 변위 센싱부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 터널 내에서 다양한 각도로 설치될 수 있으며, 변위 센싱부(100)의 설치 각도가 0°(=중력 가속도 1g)에서 180°(=중력 가속도 0g)까지 변할 때 변위 센싱부(100)의 출력 전압 역시 달라질 수 있다.

변위 센싱부(100)의 설치 각도가 0°(=중력 가속도 1g)에서 변위 센싱부(100)의 출력 전압이 A[V]일 수 있는데, 터널의 변위가 발생한다면 변위 센싱부(100)의 출력 전압은 (A+a)[V]로 변할 수 있다.

또한 변위 센싱부(100)의 설치 각도가 180°(=중력 가속도 0g)에서 변위 센싱부(100)의 출력 전압이 B[V]일 수 있는데, 터널의 변위가 발생한다면 변위 센싱부(100)의 출력 전압은 (B+b)[V]로 변할 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명은 측정 각도의 정밀도를 높이기 위하여 10bit 제1 ADC(310)와 24bit 제2 ADC(550)를 사용할 수 있다. 변위 센싱부(100)의 변위 센싱 신호는 10bit 제1 ADC(310)에 의하여 제1 디지털 신호로 변환되어 제1 디지털 신호에 따라 변위 센싱 신호의 전압 측정 범위가 설정될 수 있다.

또한, 컨트롤부(700)는 설정된 전압 측정 범위에 따라 제2 신호 변환부(500)의 증폭기(510)의 오프셋과 이득을 설정함으로써 제2 신호 변환부(500)의 제2 ADC(500)가 좁은 구간을 높은 해상도로 A/D 변환을 할 수 있다.

예를 들어, 제1 ADC(310)에 의하여 변환된 제1 디지털 신호에 따른 변위 센싱 신호의 전압 레벨이 1V로 도출되었다면, 컨트롤부(700)는 1V의 ±20%로 하여 전압 측정 범위를 0.8 V 내지 1.2V로 설정할 수 있다.

컨트롤부(700)는 상기 전압 측정 범위의 최소값 0.8V를 증폭기(510)의 오프셋으로 설정하기 위한 제어 신호를 오프셋 조절부(520)로 전송할 수 있다.

오프셋 조절부(520)는 제어 신호에 따라 오프셋을 전압 측정 범위의 최소값 0.8V로 설정하고, 오프셋 쉬프터(530)는 설정된 오프셋 값에 따라 변위 센싱 신호를 쉬프팅할 수있다.

또한 컨트롤부(700)는 증폭기(510)의 최대 출력 전압과 상기 전압 측정 범위의 최대값을 통하여 증폭기(510)의 게인을 설정할 수 있다. 이 때 증폭기(510)의 최대 출력 전압은 제2 ADC(550)의 최대 입력 전압일 수 있다.

예를 들어, 증폭기(510)의 최대 출력 전압이 3V일 경우, 컨트롤부(700)는 게인을 2.5(=증폭기의 최대 출력 전압/전압 측정 범위의 최대값=3/1.2)로 설정할 수 있다. 이로써 증폭기(510)는, 3V를 넘는 오버플로우(overflow)가 생기지 않는 범위 내에서 최대로 증폭할 수 있다.

도 4는 제1 신호 변환부(300)와 제2 신호 변환부(500)의 동작 순서도를 나타낸다.

3축 가속도 센서를 포함하는 변위 센싱부(100)의 출력값은 10bit 제1 ADC(310)에서 0 내지 1023 단계의 값으로 변환될 수 있다(S410). 이 때 컨트롤부는 다음의 수학식과 같이 전압값을 계산할 수 있다.

[수학식]

V_S = (Vmax/1023)×ADC1

여기서 V_S 는 상기 수학식에 의하여 계산된 전압이고, Vmax는 제1 ADC(310)의 최대 입력 전압이고, ADC1은 제1 ADC(310)에 의하여 변환된 0 내지 1023 중 하나의 값이다.

상기 수학식에 의하여 도출된 Vs에 따라 앞서 설명된 바와 같이, 컨트롤부(700)는 전압 측정 범위를 도출할 수 있다(S420). 앞서의 예에서 전압 측정 범위는 0.8 V 내지 1.2V로 설정되었다.

컨트롤부(700)는 전압 측정 범위가 변경되었는 지를 체크할 수 있다(S430). 예를 들어, 이전의 전압 측정 범위에서 현재의 전압 측정 범위 0.8 V 내지 1.2V로 변경되었다면, 컨트롤부(700)는 S440 단계를 수행할 수 있다.

컨트롤부(700)는 변경된 전압 측정 범위에 따라 증폭기(510)의 오프셋과 게인을 설정할 수 있다(S440, S450).

증폭기(510)는 설정된 오프셋과 게인에 따라 변위 센싱 신호를 증폭하고, 제2 ADC(550)는 증폭된 변위 센싱 신호를 제2 디지털 신호로 변환한다(S460).

컨트롤부(700)는 제2 디지털 신호에 해당되는 각도를 도출할 수 있다(S470). 이를 위하여 컨트롤부(700)는 제2 디지털 신호에 매칭된 각도 정보를 저장하기 위한 메모리부(미도시)를 포함할 수 있다. 이 때 제2 디지털 신호에 해당되는 각도가 앞서 언급된 대상물의 대상물의 위치 변위에 해당될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

변위 센싱부(100)
제1 신호 변환부(300)
제1 ADC(310)
제2 신호 변환부(500)
증폭기(510)
오프셋 조절부(520)
오프셋 쉬프터(shifter)(530)
게인 조절부(540)
제2 ADC(550)
컨트롤부(700)
아날로그 필터(750)

Claims (3)

1. 대상물의 위치 변위를 센싱하여 변위 센싱 신호를 출력하는 변위 센싱부;
   상기 변위 센싱 신호를 m 비트의 제1 디지털 신호로 변환하는 제1 신호 변환부;
   상기 변위 센싱 신호를 m 비트보다 큰 n 비트의 제2 디지털 신호로 변환하는 제2 신호 변환부; 및
   상기 제1 디지털 신호 및 상기 제2 디지털 신호에 따라 상기 대상물의 위치 변위를 도출하는 컨트롤부;를 포함하며,
   상기 제2 신호 변환부는
   상기 변위 센싱 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기의 오프셋(offset)을 조절하는 오프셋 조절부, 상기 조절된 오프셋에 따라 상기 변위 센싱 신호를 조절하여 상기 증폭기로 출력하는 오프셋 쉬프터(shifter), 상기 증폭기의 게인(gain)을 조절하는 게인 조절부, 상기 조절된 오프셋 및 게인에 따라 상기 증폭기에 의하여 증폭된 상기 변위센싱 신호를 상기 제2 디지털 신호로 변환하는 제2 ADC(analog-digital converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 센싱 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 m 비트는 10 비트이고, 상기 n 비트는 24 비트인 것을 특징으로 하는 변위 센싱 장치.