KR102677582B1 - 광섬유를 이용한 변위 센서 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 광섬유를 이용한 변위 센서를 개시한다. 변위 센서는, 광을 조사하도록 구성된 발광부, 제1 광섬유를 통해 발광부로부터 조사되는 광을 피사체를 향해 조사하도록 구성된 제1 헤드 유닛, 광을 검출하도록 구성된 수광부, 피사체에 의해 반사되는 광을 수신하여 제2 광섬유를 통해 수광부로 전달하도록 구성된 제2 헤드 유닛, 수광부를 통해 검출된 광의 양에 기초하여 변위 센서와 피사체 사이의 거리를 산출하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

광섬유를 이용한 변위 센서{DISPLACEMENT SENSOR-USING OPTICAL FIBER}
본 개시는 광섬유를 이용한 변위 센서에 관한 것으로, 구체적으로, 헤드 유닛의 쌍을 변위 센서의 주축을 중심으로 하여 서로 대칭으로 일정 각도로 체결하여 하나의 헤드 유닛에서 투광되고, 피사체에서 반사되어 또 하나의 헤드 유닛으로 수광되어 들어오는 빛의 양을 가지고 피사체의 위치를 판단하는 변위 센서에 관한 것이다.
일반적으로 센서는 어떤 물질의 양이나 온도를 감지하여 측정하는 소자 및 장치를 의미하는데, 센서가 수집하여, 검출하는 신호(물리량)는 온도, 광 에너지, 광 파장, 압력, 자기, 속도, 가속도 등이 있다. 이 중에서 광 에너지를 감지하여 측정하는 센서는 광 센서이다. 종래에는 자연의 광 에너지를 감지하는 것이 주였으나, 현재는 인공적으로 파장이 가시광선보다 크거나 작은 광을 조사하여, 피사체에 부딪혀 반사되어 오는 광을 검출하여 피사체와의 거리나, 움직임, 속도 등을 알아낼 수 있다.
예를 들어, 피사체를 향해 광을 조사하고, 피사체에 부딪혀 반사되어 오는 광을 받아들여 피사체의 변위를 측정하는 변위 센서는 반도체 산업, 디스플레이 공정, 프린트 기기, 기계 제어, 바이오 센싱 등과 같은 넓은 범위의 분야에 적용되어 왔다. 기존 변위 센서들은 높은 정밀도를 추구하여 피사체의 위치를 On/Off로 판단하는 작동 방식, 물리량의 크기 변화로 거리 변화를 판단하는 작동 방식 및 물리량의 크기가 큰 CMOS의 격자 위치로 거리를 판단하는 작동 방식 등을 활용하였는데, 이때 요구되는 광학 설계가 복잡하여, 발생하게 되는 비용이 크다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 종전에는 센서의 성능, 앰프의 성능, 광원의 종류 등에 초점을 맞힌 다양한 연구가 시도되었으나 생각보다 좋은 결과를 얻지는 못하였다.
본 개시는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 광섬유를 이용한 변위 센서를 제공한다.
본 개시는 장치, 방법 또는 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 저장매체를 포함한 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 광섬유를 이용한 변위 센서가 제공된다. 변위 센서는 광을 조사하도록 구성된 발광부, 제1 광섬유를 통해 발광부로부터 조사되는 광을 피사체를 향해 조사하도록 구성된 제1 헤드 유닛, 광을 검출하도록 구성된 수광부, 피사체에 의해 반사되는 광을 수신하여 제2 광섬유를 통해 수광부로 전달하도록 구성된 제2 헤드 유닛 및 수광부를 통해 검출된 광의 양에 기초하여 변위 센서와 피사체 사이의 거리를 산출하도록 구성된 제어부를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제어부는, 수광부에 의해 검출된 피사체에 의해 반사되는 현재 수광량(R')과 미리 저장된 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값을 산출하고, 상대값에 기초하여 변위 센서와 피사체 사이의 현재 거리를 산출하도록 더 구성될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 현재 수광량(R')은 발광부와 수광부의 사용 시간에 따라 변하고, 상대값은 발광부와 수광부의 사용 시간과 무관하게 일정하다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 발광부와 제1 헤드 유닛 사이가 제1 광섬유로 연결되고, 수광부와 제2 헤드 유닛이 제2 광섬유로 연결되어, 광 통신함으로써 전자기장의 영향을 받지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 발광부, 수광부 및 제어부는 제1 헤드 유닛 및 제2 헤드 유닛과 원격지에 배치될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제1 헤드 유닛, 제1 광섬유, 제2 헤드 유닛 및 제2 광섬유가 내화학성 소재로 감싸여 있을 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제1 헤드 유닛, 제1 광섬유, 제2 헤드 유닛 및 제2 광섬유가 내열성 소재로 제조될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 변위 센서를 제1 축을 따라 이동시키는 제1 구동부를 더 포함하고, 제어부는 제1 구동부를 구동하여, 수광부를 통해 검출되는 현재 최대 수광량(R'max)을 결정함으로써, 변위 센서를 캘리브레이션(calibration)하도록 더 구성될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 수광부의 현재 최대 수광량(R'max)과 산출된 현재 거리를 저장하도록 구성된 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 변위 센서를 제2 축을 중심으로 회전시키는 제2 구동부 및 변위 센서를 제3 축을 중심으로 회전시키는 제3 구동부를 더 포함하고, 제1 축, 제2 축, 그리고 제3 축은 서로 직교하고, 제어부는, 제2 구동부 및 제3 구동부를 구동하면서 수광부에 의해 검출되는 수광량이 최대가 되는 지점을 찾음으로써, 변위 센서의 주축과 피사체의 피사면 사이의 직교배열을 맞추도록 더 구성될 수 있다. 여기서, 변위 센서의 주축은 제1 축과 평행할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 세팅 방법 및 제어 방법을 실행하기 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 광섬유를 이용하여 피사체의 변위를 측정하므로, 원격으로 피사체의 변위 측정을 수행할 수 있어 전자기에 영향을 받지 않고, 방폭 걱정이 없으며, 화학 성분이 있는 환경에서도 영향을 받지 않는 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 변위 센서의 사용 시간이 늘어남에 따라 경시 변화(앰프(amp)나 광섬유의 성능 저하) 등에 의해 수광부 검출 수광량이 줄어들더라도, 수광량과 최대 수광량 사이의 상대값과 거리 사이의 관계는 일정하므로, 상대값에 기초하여 피사체의 거리를 산출함으로써, 시간이 지나더라도 변위 센서의 검출 정확도를 일정하게 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 제조 편차에 따라, 변위 센서에 채용된 앰프의 성능, 제1 헤드 유닛과 제2 헤드 유닛의 성능, 발광부와 수광부의 성능이 조금씩 상이할 수 있는데, 수광량과 최대 수광량 사이의 상대값에 기초하여 피사체의 거리를 측정함으로써, 제조 편차에 따른 오차를 해결할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 변위 센서는, 구동부에 의해, 제1 축(X 축) 및 제2 축(Y 축)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체가 구동부에 의해 제1 축(X 축) 및 제2 축(Y 축)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 변위 센서(100)는, 구동부에 의해, 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체가 구동부에 의해 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 변위 센서에 대한 캘리브레이션을 미리 정해진 주기마다 수행하고, 변위 센서의 주축과 피사면 사이가 수직이 되도록 맞춤으로써, 피사체의 편평도(또는 처짐 정도)를 검출할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 제1 헤드 유닛과 제2 헤드 유닛을 협 시계 헤드 유닛을 사용하여 변위 센서의 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 제1 헤드 유닛과 제2 헤드 유닛 사이의 간격과 사이 각도에 따라 측정 시작점 및 측정 범위를 조절하여 변위 센서의 규격을 다양화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 변위 센서는, 발광부와 제1 헤드 유닛 사이가 제1 광섬유로 연결되고, 수광부와 제2 헤드 유닛이 제2 광섬유로 연결되어, 광 통신을 하도록 구성됨으로써, 원격으로 측정이 가능하며, 센싱과 원격 신호 전달에 전기 신호가 아닌 광신호를 사용함으로써, 전자기 영향을 받는 공정에서도 변위 센서의 사용이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 소재 선택에 따라 250 ℃ 수준의 고온 환경에서도 변위 센서의 사용이 가능하며, 전기 신호를 사용하는 것이 아니기 때문에 방폭 시설에서도 사용이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 헤드 유닛, 광섬유, 센서 하우징(센서 블록) 등에 내화학성이 있는 소재를 사용하여, 화학 및 약품에 직접 접촉이 있을 수 있는 공정에서도 변위 센서의 사용이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 광섬유를 이용하여 피사체의 변위를 측정함으로써, 비용이 낮으면서 비교적 정밀도가 높은 변위 센서를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(“통상의 기술자”라 함)에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예들은, 이하 설명하는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 요소들을 나타내지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 작동 예시를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 변위 측정 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 제조 단계에서 변위 센서의 수광량과 변위 센서와 피사체 사이의 거리 정보를 저장한 데이터 테이블의 예시를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 작동 원리를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 작동 예시를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 변위 센서와 피사체의 수평을 맞추기 위한 작동 예시를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 변위 센서의 주축과 피사체 사이의 직교 배치를 확보하고 변위를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 변위 센서를 이용하여 피사체의 변위를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응되는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 개시에서, '광섬유(Optical Fiber)'는 빛의 전송을 목적으로 하는 섬유 모양의 도파관을 지칭할 수 있다. 광섬유는 빛의 전파모드에 따라, 다중모드 광섬유, 단일모드 광섬유로 분류될 수 있다. 다중모드 광섬유는 코어 내에 복수의 광선이 전송될 수 있도록 구성된 광섬유이며, 단일모드 광섬유는 코어 내에 하나의 광선이 전송될 수 있도록 구성된 광섬유일 수 있다. 또한, 재질에 따라, 석영계 광섬유, 비석영계 광섬유로 분류될 수 있다. 석영계 광섬유는 장거리 전송에 사용되는 광섬유이며, 비석영계 광섬유는 단거리 전송에 사용되는 광섬유일 수 있다. 본 개시의 변위 센서는 필요에 따라 다중모드 광섬유 또는 단일모드 광섬유를 사용할 수 있다. 또한, 본 개시의 변위 센서는 필요에 따라 석영계 광섬유 또는 비석영계 광섬유를 사용할 수 있다.
또한, 명세서에서 사용되는 '모듈' 또는 '부'라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어 구성요소를 의미하며, '모듈' 또는 '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '모듈' 또는 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '모듈' 또는 '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '모듈' 또는 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저(procedure)들, 서브루틴(sub-routine)들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 또는 변수들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구성요소들과 '모듈' 또는 '부'들은 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '모듈' 또는 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '모듈' 또는 '부'들로 더 분리될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면 '모듈' 또는 '부'는 프로세서 및 메모리로 구현될 수 있다. '프로세서'는 범용 프로세서, 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 제어기, 마이크로제어기, 상태 머신 등을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다. 몇몇 환경에서는, '프로세서'는 주문형 반도체(ASIC), 프로그램가능 로직 디바이스(PLD), 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA) 등을 지칭할 수도 있다. '프로세서'는, 예를 들어, DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들의 조합, DSP 코어와 결합한 하나 이상의 마이크로프로세서들의 조합, 또는 임의의 다른 그러한 구성들의 조합과 같은 처리 디바이스들의 조합을 지칭할 수도 있다. 또한, '메모리'는 전자 정보를 저장 가능한 임의의 전자 컴포넌트를 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서(100)의 작동 예시를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 광섬유를 이용한 변위 센서(100)는, 변위 센서(100)와 피사체(미도시) 사이의 거리 검출이 가능한 장치로, 발광부(미도시)로부터 조사되는 광을 전달하는 제1 광섬유(120), 제1 광섬유(120)와 연결되도록 구성된 제1 헤드 유닛(110), 반사되는 광을 수광부로 전달하는 제2 광섬유(140), 제2 광섬유(140)와 연결되도록 구성된 제2 헤드 유닛(130)을 포함할 수 있다.
도시된 것과 같이, 제1 헤드 유닛(110)과 제2 헤드 유닛(130)은 변위 센서의 주축을 중심으로 서로 대칭이 되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 헤드 유닛(110)과 제2 헤드 유닛(130)은 변위 센서의 주축을 중심으로 동일한 거리만큼 이격되고, 동일한 각도로 배치될 수 있다. 여기서, 변위 센서의 주축은 X축(제1 축)과 평행하다.
일 실시예에 따르면, 제1 헤드 유닛(110)은, 제1 광섬유(120)를 통해 발광부로부터 조사되는 광을 피사체를 향해 조사하도록 구성될 수 있다. 제2 헤드 유닛(130)은, 피사체에 의해 반사되는 광을 수신하여 제2 광섬유(140)를 통해 수광부로 전달하도록 구성될 수 있다. 도시된 것과 같이, 피사체가 측정 시작점(즉, 피사체가 변위 센서(100)와 X 축 방향으로 측정 시작 거리만큼 이격된 지점, (Xmax)에 위치할 때, 수광부에 의해 검출되는 수광량(Rmax, R'max)이 최대일 수 있다. 피사체가 측정 시작점(Xmax)에서 변위 센서(100)로부터 멀어질수록 (즉, X 축 방향으로 멀어질수록) 수광부에 의해 검출되는 수광량(R, R')은 감소할 수 있다. 측정 시작점(Xmax)부터 변위 센서(100)로부터 멀어지면서 수광부에 의해 검출되는 수광량이 임계치(예를 들어, 0)가 되는 지점(X0)까지를 변위 센서(100)의 측정 범위로 정의할 수 있다.
변위 센서(100)는 수광부에 의해 검출되는 수광량(R, R')에 기초하여 변위 센서(100)와 피사체 사이의 거리를 산출할 수 있다. 구체적으로, 변위 센서(100)는 수광부로부터 검출된 현재 수광량(R')과 저장부에 미리 저장된 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값을 산출하고, 산출된 상대값에 기초하여 변위 센서(100)와 피사체 사이의 현재 거리를 산출할 수 있다. 변위 센서(100)의 사용 시간이 늘어남에 따라, 발광부와 수광부의 성능이 저하되고, 이에 따라 피사체가 동일한 위치에 있더라도 수광부에 의해 검출되는 수광량이 줄어들 수 있다. 사용 시간이 늘어남에 따라 수광부에 의해 검출되는 수광량이 줄어들더라도, 수광량(R, R')과 최대 수광량(Rmax, R'max) 사이의 상대값(R/Rmax, R'/R'max)과 측정 시작점(Xmax)은 일정하므로, 상대값(R/Rmax, R'/R'max)에 기초하여 피사체의 거리를 산출함으로써, 시간이 지나더라도 변위 센서(100)의 검출 정확도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 제조 편차에 따라, 변위 센서(100)에 채용된 앰프의 성능, 제1 헤드 유닛(110)과 제2 헤드 유닛(130)의 성능, 발광부와 수광부의 성능이 조금씩 상이할 수 있는데, 위와 같이 수광량(R, R')과 최대 수광량(Rmax, R'max) 사이의 상대값(R/Rmax, R'/R'max)에 기초하여 피사체의 거리를 측정함으로써, 제조 편차에 따른 측정 오차도 해결할 수 있다.
일 실시예에서, 발광부는 적색 발광 다이오드(light-emitting diode)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 발광부가 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED를 사용할 수 있다. 발광부에 사용되는 LED의 색상은 피사체의 재질 또는 표면 무늬에 따라 적절히 채택될 수 있다. 예를 들어, 최상의 조건이 되도록 LED 색상을 변경할 수 있다. 반면, 하나의 LED 색상을 사용할 수 있다. 어느 경우라도, 수광량(R, R')과 최대 수광량(Rmax, R'max) 사이의 상대값(R/Rmax, R'/R'max)에 기초하여 피사체의 거리를 측정함으로써 일정한 거리 측정이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 광섬유를 이용한 변위 센서(100)는, 구동부에 의해, 제1 축(X 축) 및 제2 축(Y 축)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는, 구동부에 의해, 제1 축(X 축)을 따라 이동하고, 피사체가 구동부에 의해 제2 축(Y 축)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체가 구동부에 의해 제1 축(X 축) 및 제2 축(Y 축)을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 변위 센서(100)는, 구동부에 의해, 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체가 구동부에 의해 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전되도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 축(X 축), 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)은 서로 직교할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 변위 센서(100)에 대한 캘리브레이션을 미리 정해진 주기마다 수행하거나/수행하고, 변위 센서(100)의 주축과 피사면 사이의 직교배열을 맞추거나/맞추고, 피사체의 기울어짐 또는 변위로부터 처짐 정도를 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 변위 센서(100)의 피사면의 크기가 작은 경우에 정밀도를 높이기 위하여 제1 헤드 유닛(110)과 제2 헤드 유닛(130)을 협 시계 헤드 유닛을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 헤드 유닛(110)과 제2 헤드 유닛(130)의 빔 개방 각도(beam open angle)는 1.5 ° 내지 3 ° 일 수 있다.
또한, 제1 헤드 유닛(110)과 제2 헤드 유닛(130) 사이의 간격과 사이 각도에 따라 측정 시작점(Xmax) 및 측정 범위를 조절하여 변위 센서(100)의 규격을 다양화할 수 있다. 이 경우, 도 2에서 후술하는 SMR(Start of Measuring Range, EMR(End of Measuring Range), MR(Measuring Range)이 변경되어, 변위 (100)의 규격을 다양화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광섬유를 이용한 변위 센서(100)는, 발광부와 제1 헤드 유닛(110) 사이가 제1 광섬유(120)로 연결되고, 수광부와 제2 헤드 유닛(130)이 제2 광섬유(140)로 연결되어, 광 통신을 하도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 원격으로 측정이 가능하며, 센싱과 원격 신호 전달에 전기 신호가 아닌 광 신호를 사용함으로써, 전자기 영향을 받는 공정에서도 변위 센서(100)의 사용이 가능하다. 또한, 소재 선택에 따라 250 ℃ 수준의 고온 환경에서도 변위 센서(100)의 사용이 가능하며, 전기 신호를 사용하는 것이 아니기 때문에 방폭 시설에서도 사용이 가능하다. 추가적으로, 헤드 유닛, 광섬유, 센서 하우징(센서 블록) 등에 내화학성이 있는 소재를 사용하여, 화학 및 약품에 직접 접촉이 있을 수 있는 공정에서도 변위 센서(100)의 사용이 가능하다.
상술한 구성에 의해, 비용이 낮으면서 비교적 정밀도가 높은 변위 센서(100)를 제공할 수 있다. 구체적으로, 정밀도는 레이저 변위 센서 보다 다소 떨어지는 50 ㎛ 수준의 분해능을 가지면서, 레이저 변위 센서 보다 가격 경쟁력이 있는 변위 센서(100)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 공정에서 디스플레이 패널 유리가 아래로 처질 때 그 처짐 정도를 판단해야 하는 경우, 그 정확도는 그리 높게 요구되지 않는다. 이런 경우, 정밀도가 높고 비싼 변위센서를 사용하는 대신에 정확도는 다소 떨어지더라도 판단이 충분히 될 수 있는 본 발명에 따른 변위 센서(100)를 다수 장착하여 공정을 제어하는데 사용할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 변위 측정 원리를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 피사면 위치와 초기 수광량(R) 사이의 관계를 나타내는 그래프에 따르면, 변위 센서가 X 축을 따라 피사체에 가까워질수록 수광부를 통해 검출되는 광의 양이 점점 커져 초기 최대 수광량(Rmax)이 되었다가 다시 점점 작아지게 된다. 예를 들어, 측정 시작점(Xmax)으로부터 ΔX만큼 떨어진 지점(X1)에서 변위 센서에 의해 검출되는 수광량은 R1일 수 있다. 변위 센서의 제조 단계에서, Xmax, Rmax, 측정 범위 내의 각 지점에서의 초기 수광량(R) 및/또는 상대 수광량(R/Rmax)이 기록되어 변위 센서 내부에 저장될 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 변위 센서의 사용 시간이 늘어남에 따라, 센서에서의 수광량이 전반적으로 줄어들 수 있다. 따라서, 변위 센서에 의해 검출되는 현재 수광량(R')과 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값에 기초하여 피사체의 거리를 측정함으로써, 사용 시간의 증가에 따라 발생하는 성능 저하에도 불구하고, 측정 정확도를 유지할 수 있다.
구체적으로, 변위 센서는 측정 시작 전에, 또는 미리 정해진 시간 간격 마다(예를 들어, 매달), 캘리브레이션(calibration)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 구동부가 구동하여, 측정 시작점(Xmax)에서 검출되는 현재 최대 수광량(R'max)이 검출되어, 변위 센서 내부에 저장될 수 있다. 여기서, 캘리브레이션은 영점 조정 등과 같이 계측 장비나 기타 장비를 측정 단위의 기준점 및 스케일에 맞게 재조정하는 것을 의미할 수 있다. 그 후, 변위 센서는 검사 대상 피사체를 배치한 상태에서, 검출되는 현재 수광량(R') 및 현재 최대 수광량(R'max)의 상대값(R'/R'max)에 기초하여 피사체의 거리를 측정할 수 있다. 이와 같이, 캘리브레이션(calibration)을 수행함으로써, 변위 센서의 성능이 감소하더라도, 측정 범위 내에 위치한 피사체의 변위를 일정하게 측정할 수 있다. 즉, 경시 변화에 대한 캘리브레이션 수행이 가능하다.
변위센서 구성
도 1에 도시된 것과 같이, 투수광형 광화이버 센서 한 세트를 사용하여 변위센서 주축에 대칭되도록 센서헤드 유닛이 일정 각도로 좁혀지는 형태로 세팅될 수 있다. 한 세트의 투수광형 광화이버 센서는 끝단이 일정 거리 떨어지도록 배치될 수 있다. 제1 센서 헤드 유닛에서 투광이 되고 변위센서 주축과 직각으로 놓인 피사면에 반사된 빛이 수광부인 제2 센서 헤드 유닛으로 수광되는데, 이 수광량은 변위센서 끝단으로 부터 피사면까지 거리에 따라 변한다. 또한, 변위센서의 주축을 피사면과 정확히 수직 배치하기 위하여 변위센서 옆면에 R-stage 및 T-stage를 두고 변위센서를 회전시킬 수도 있다.
변위센서 기본작동
수광량(R)과 거리, X의 관계를 보면 도 2에 도시된 바와 같다. 그래서, Rmax가 나타나는 Xmax보다 긴 영역만을 보면 1:1 대응이 되어 변위센서 역할을 할 수 있다. (R vs X) 구체적으로, 수광량(R)을 측정하여 거리(X)를 알게 된다. 그런데 Rmax가 검출되는 Xmax 근처와 수광량(R) 값이 작은 영역인 X가 꽤 큰 부분에서는 그 중간 영역에 비해 곡선의 기울기가 작기 때문에, 약 0.9*Rmax인 X를 측정시작점(Start of Measuring Range, SMR), 그리고 약 0.2*Rmax인 X를 측정끝점(End of Measuring Range, EMR)이라고 하며, 이 사이를 실제 측정 범위(Measuring Range, MR)로 설정할 수 있다. 이러한 MR은 두 헤드 유닛 간의 각도 및 거리, 그리고 헤드 유닛에서의 투수광 광각에 의해 결정된다.
광화이버센서를 사용하는 경우 광화이버나 엠프(Amplifier)의 성능이 그 제조 serial No.에 따라 약간씩 다를 수 있어(제조 편차), 수광량 절대값으로 거리를 판단하기에는 부정확할 수 있다. 또한, 광화이버나 엠프의 성능이 사용조건 및 시간에 따라 경시변화를 일으킬 수 있으므로, 역시 수광량 절대치를 그대로 사용하면 측정된 거리가 부정확할 수 있다. 따라서, 절대수광량(R, R') 대신 최대수광량(Rmax, R'max)로 수광량(R, R')을 나눈 상대값(R/Rmax, R'/R'max)을 채택한다. 여기서, Rmax는 처음 setting할 때도 넣지만, 사용 중에도 경시변화를 보정하고자 할 때 그 때의 R'max를 재측정해서 그 값을 입력시켜 {(R/Rmax) vs X 및 (R'/R'max) vs X}을 재설정한다.
또한, 피사면의 종류에 따라서도 수광량이 달라질 수 있으므로, 새로운 피사면이 주어지면 그 경우의 Rmax를 확인하고 역시 상대값을 채택함으로써, 피사면의 종류에 무관하게 거리 측정이 가능하다. 또한 피사면의 광의 반사흡수 특성에 따라 LED광의 색상을 변경하여 수광량이 크게 되도록 색을 선택할 수 있는데 이렇게 색상이 변경될 경우도 상대값을 채택하면 광원 LED의 색상에 무관하게 사용할 수 있다.
본 변위센서를 통해 측정하는 거리(X)에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여, 세계표준과 비교한 공인 검·교정을 받아야 하는데 검·교정 시점에서 Rmax를 측정 입력 후 측정된 R과 X에 대해 검·교정 평가를 받는다. 검·교정 평가 결과로 나온 보정값은 ((R/Rmax) vs X)의 X에 보정되며 보정된 ((R/Rmax) vs X)을 제어부에 저장한다. 또한 검·교정 평가 결과로 나온 불확도로 해당 변위센서의 분해능을 산출한다. (분해능=(불확도/k)*2*1.73205, 여기에서 k는 신뢰수준에 따른 포함인자)
변위센서의 설치
변위센서는 피사면에서 반사되는 광을 수광하는 것으로부터 거리를 측정하는 것이므로 변위센서의 주축이 피사면과 수직이 되도록 배치하는 것이 상당히 중요하다. 따라서, 변위센서를 장비에 설치할 때 기계기구적으로 피사면과 변위센서 주축이 수직이 되도록 설치할 수 있다. 그러나 변위센서 및 피사면 사이 정확한 수직배치를 보증할 수 없고, 또한 변위센서가 제조될 때 그 자체에 생길 수 있는 광학적 광축 mis-alignment가 있는 경우, 이를 보정하는 방법으로 X-stage를 사용하여 적정 MR 내에서 변위센서를 세팅한 후 R-stage 및 T-stage로 변위센서를 회전시켜 수광량이 최대가 되는 각도를 변경 세팅할 수 있다. 이렇게 되면 센서구성품에 기계적 오차가 있다고 하더라도, 또는 기계기구적 설치에 생길 수 있는 오류가 있다고 하더라도 광학적으로는 변위센서 주축이 피사면과 수직 배치될 수 있도록 조절 가능하다.
변위센서의 구성 보완
광화이버센서의 광원은 가장 일반적으로는 적색 LED를 사용할 수 있으며, 피사면의 특징에 따라 반사가 잘 일어나도록 필요에 따라 다른 색상의 LED를 채택할 수 있다. 물론 레이저를 사용할 수도 있으나 LED에 비해 단가가 많이 비싸다. 변위센서에 광화이버센서가 사용됨으로써, 변위를 측정하고자 하는 공정이 전자기영향을 받는 경우일지라도 센서에는 광신호만 흐르고 엠프는 control room 등 원격에 둘 수 있으므로 변위측정에 전자기영향을 받지 않을 수 있다. 또한 전기부품이 아니므로 방폭환경에서도 사용이 자유로우며, 고온 환경에서는 고온에 견디는 재질의 광화이버 유닛(헤드 유닛 및 광섬유) 및 변위센서 블록을 채택하면 사용 가능하다. 추가적으로, 화학약품 환경에서도 내화학 광화이버 유닛 및 변위센서 블록 소재를 채택하여 사용 가능하다.
피사면의 면적이 비교적 작은 경우, 광화이버 유닛의 spot size가 작은 협시계 광화이버 유닛을 채택하면 작은 부분의 거리를 정밀하게 측정 가능하다.
상기의 사용환경이 복합화된 경우에도 경우에 맞게 변위센서의 부품 구성을 조합하여 변위 측정에 사용이 가능하다.
변위센서 측정 방법
도 2에 도시된 것과 같이, SMR과 EMR 사이의 실제 측정 범위(MR)에서 변위 측정 가능하다. 우선 변위센서 주축과 피사면이 수직 배치됨을 확인하소, 최대수광량 Rmax를 구할 수 있다. 그 후, 거리를 측정하고자 하는 위치에서 R'값을 측정하고, 내재된 {(R/Rmax) vs X}을 사용하여 거리(X)를 산정할 수 있다.
거리변화(변위) 측정의 경우, 변위센서 주축과 피사면이 수직 배치된 상태에서 제1 시간(t1)에서 거리(X1)을 측정한 후, 제2 시간(t2)에서 거리(X2)를 측정함으로써, 거리변화(ΔX=X2-X1)를 산출할 수 있다.
피사면 기울기 및 피사면 거리 측정의 경우, R-stage 또는 T-stage를 회전시켜 수광량(R')가 최대값을 나타내는 각도로 기울기를 측정하고, 그때의 수광량(R')로부터 거리(X)를 산정할 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 제조 단계에서 변위 센서의 수광량과 변위 센서와 피사체 사이의 거리 정보를 저장한 데이터 테이블(300)의 예시를 나타내는 도면이다. 앞서 설명한 것과 같이, 제조 단계(변위 센서의 초기 상태)에서, 측정 시작점(Xmax), 초기 최대 수광량(Rmax), 측정 범위 내의 각 지점(X1 내지 Xn)에서의 초기 수광량(R) 및/또는 상대 수광량(R/Rmax)이 기록되어 변위 센서 내부에 저장될 수 있다. 변위 센서는 검사 대상 피사체를 배치한 상태에서, 검출되는 현재 수광량(R') 및 현재 최대 수광량(R'max)의 상대값(R'/R'max)을 데이터 테이블(300) 내에 기록된 상대 수광량 값과 비교하여 현재 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다. 예를 들어, 변위 센서가 검출한 현재 수광량(R')과 최근 수행한 캘리브레이션에서 검출한 현재 최대 수광량(R'max)의 상대값(R'/R'max)이 R2/Rmax와 동일한 경우, 변위 센서는 데이터 테이블(300)을 참고하여, 피사체까지의 거리가 Xmax+ΔX2라고 판정할 수 있다.
일 실시예에서, R1은 약 0.9*Rmax이고, Rn은 약 0.2*Rmax일 수 있다. 이 경우, X1과 Xn 사이를 실제 측정 범위(Measuring Range, MR)로 사용할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서의 작동 원리를 나타내는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 제어부(410)는 검출된 현재 수광량(R')과 현재 최대 수광량(R'max)을 수신할 수 있다. 그 후, 제어부(410)는 현재 수광량(R')과 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값(R'/R'max)을 산출하고, 산출된 상대값(R'/R'max)에 기초하여 변위 센서와 측정 대상물인 피사체 사이의 변위값을 결정할 수 있다. 구체적으로, 제어부(410)는 산출된 상대값(R'/R'max)을 앞서 설명한 데이터 테이블(예, 도 3의 300)에 저장되어 있는 상대 수광량과 비교하여 현재 피사체까지의 거리(Xmax+ΔX)를 측정할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서(100)의 작동 예시를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 피사체(510)의 처짐 최대 지점(예를 들어, 피사체의 중앙 지점)이 광섬유를 이용한 변위 센서(100)의 주축 바로 아래에 위치하도록 배치할 수 있다. 그 후, 변위 센서(100)를 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전시켜, 수광량이 최대가 되는 지점을 찾음으로써, 변위 센서의 주축과 피사체(510)의 피사면 사이가 수직이 되도록 맞출 수 있다. 그리고, 수광부에 의해 검출되는 수광량(R')에 기초하여 피사체(510)까지의 거리 검출할 수 있다. 예를 들어, 피사체(510)는 디스플레이 패널 유리일 수 있고, 변위 센서(100)는 디스플레이 패널 유리의 처짐 정도를 측정할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 변위 센서(100)와 피사체(610)의 수평을 맞추기 위한 작동 예시를 나타내는 도면이다. 일 실시예에서, 변위 센서(100)는 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체(610)가 구동부에 의해 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전되도록 구성될 수 있다. 변위 센서(100)를 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전시킴으로써, 변위 센서(100)의 주축과 피사체(610)의 피사면 사이의 직교 배열을 맞출 수 있다.
구체적으로, 초기 세팅 단계에서, 변위 센서(100)를 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전하면서, 수광량이 최고가 되는 지점을 찾을 수 있다. 여기서, 수광량이 최고가 되는 지점이 변위 센서(100)의 주축과 피사체(610)의 피사면이 수직이 되는 지점이므로, 수광량이 최고가 되는 지점에서 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 한 회전을 중지할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 한 회전을 수행하기 전에, 변위 센서(100) 및/또는 피사체(610)를 제1 축(X 축)을 따라 이동시킬 수 있다. 이 경우, 변위 센서(100)와 피사체(610) 사이의 거리가 측정 시작 거리가 될 때(즉, 피사체(610)가 Xmax에 위치하여 수광량이 최대가 됨), 제1 축(X 축)을 따른 이동을 중지하고, 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 한 회전을 수행하여 변위 센서(100)의 주축과 피사체(610)의 피사면 사이의 직교 배열을 맞출 수 있다. 그 후, 변위 센서(100)에 의해 검출되는 현재 수광량(R')에 기초하여, 변위 센서(100)와 피사체(610) 사이의 거리를 측정할 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 변위 센서(100)의 구성을 나타내는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광섬유를 이용한 변위 센서(100)는, 제1 헤드 유닛(710), 제2 헤드 유닛(720), 발광부(730), 수광부(740), 제어부(750), 구동부(760) 및 저장부(770)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 헤드 유닛(710)은, 제1 광섬유를 통해 발광부(730)로부터 조사되는 광을 피사체를 향해 조사하도록 구성될 수 있다. 제2 헤드 유닛(720)은, 피사체에 의해 반사되는 광을 수신하여 제2 광섬유를 통해 수광부(740)로 전달하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 헤드 유닛(710)과 제2 헤드 유닛(720)은 피사 면적이 작은 경우 변위 센서(100)의 정밀도를 높이기 위하여 협 시계 헤드 유닛을 사용할 수 있다. 이 경우, 제1 헤드 유닛(710)과 제2 헤드 유닛(720)의 빔 개방 각도(beam open angle)는 1.5° 내지 3° 일 수 있고, 제1 헤드 유닛(710)과 제2 헤드 유닛(720) 사이의 간격과 사이 각도에 따라 측정 시작점(Xmax) 및 실제 측정 범위(MR)를 조절하여 변위 센서(100)의 규격을 다양화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발광부(730)는 광을 생성하여 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광부(730)는 적색 발광 다이오드(light-emitting diode)를 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 발광부(730)는 청색 발광 다이오드, 녹색 발광 다이오드 등을 포함할 수 있다. 수광부(740)는, 피사체에 의해 반사되는 광을 검출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(750)는, 수광부(740)를 통해 검출된 광의 양에 기초하여 피사체와의 거리를 산출하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제어부(750)는, 수광부(740)로부터 검출된 현재 수광량(R')과 저장부(770)에 미리 저장된 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값(R'/R'max)을 산출하고, 산출된 상대값(R'/R'max)에 기초하여 변위 센서(100)와 측정 대상물인 피사체 사이의 변위값을 산출할 수 있다. 이 때, 제어부(750)는 산출된 상대값(R'/R'max)을 저장부(770)에 저장된 데이터 테이블(예, 도 3의 300)에 포함된 상대 수광량과 비교하여 현재 피사체까지의 거리를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 구동부(760)는, 변위 센서(100)를 제1 축(X 축), 제2 축(Y 축) 및/또는 제3 축(Z 축)을 따라 이동시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체가 제1 축(X 축), 제2 축(Y 축) 및/또는 제3 축(Z 축)을 따라 이동시키도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 구동부(760)는, 변위 센서(100)를 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 변위 센서(100)는 고정되고, 피사체가 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 축(X 축), 제2 축(Y 축) 및 제3 축(Z 축)은 서로 직교하고, 제1 축은 변위 센서(100)의 주축과 평행할 수 있다. 도 7에서는 구동부가 하나인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 복수의 구동부를 사용될 수 있다. 예를 들어, 변위 센서 또는 피사체를 제1 축(X 축)을 따라 이동시키는 제1 구동부, 변위 센서 또는 피사체를 제2 축(Y 축)을 중심으로 회전시키는 제2 구동부 및 변위 센서 또는 피사체를 제3 축을 중심으로 회전시키는 제3 구동부, 그리고 변위 센서 또는 피사체를 제2 축(Y 축)을 따라 이동시키는 제4 구동부가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 저장부(770)는 제조 단계(변위 센서의 초기 상태)에서, 측정 시작점(Xmax), 초기 최대 수광량(Rmax), 측정 범위 내의 각 지점(X1 내지 Xn)에서의 초기 수광량(R) 및/또는 상대 수광량(R/Rmax)을 데이터 테이블 형태 등으로 저장할 수 있다. 또한, 저장부(770)는 수광부(740)에 의해 검출되는 현재 최대 수광량(R'max)과 산출된 현재 거리를 더 저장할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(750)는 수광부(740)를 통해 검출된 광의 양에 기초하여 변위 센서와 피사체 사이의 거리를 산출하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제어부(750)는 수광부(740)에 의해 검출된 피사체에 의해 반사되는 현재 수광량(R')과 미리 저장된 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값을 산출하고, 상대값에 기초하여 변위 센서와 피사체 사이의 현재 거리를 산출할 수 있다. 여기서, 현재 수광량(R')은 발광부와 수광부의 사용 시간, 제조 편차에 따라, 광원에 따라, 피사면의 종류에 따라 변하는 반면, 상대값(R'/R'max)은 이와 무관하게 일정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발광부(730)와 제1 헤드 유닛(710) 사이가 광섬유로 연결되고, 수광부(740)와 제2 헤드 유닛(720)이 광섬유로 연결되어, 광 통신함으로써 전자기장의 영향을 받지 않는다. 이 경우, 제1 헤드 유닛(710)과 제2 헤드 유닛(720)은 발광부(730), 수광부(740), 제어부(750) 및 저장부(770)와 원격지에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 헤드 유닛(710), 제2 헤드 유닛(720) 및 광섬유들이 내화학성 소재로 감싸여 있을 수 있다. 또한, 제1 헤드 유닛(710), 제2 헤드 유닛(720) 및 광섬유들이 내열성 소재로 제조될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(750)는 제1 구동부를 구동하여, 수광부를 통해 검출되는 현재 최대 수광량(R'max)을 결정함으로써, 변위 센서를 캘리브레이션(calibration)할 수 있다. 여기서, 수광부(740)의 현재 최대 수광량(R'max)과 산출된 현재 거리는 저장부(770)에 저장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(750)는 제2 구동부 및 제3 구동부를 구동하면서 수광부에 의해 검출되는 수광량이 최대가 되는 지점을 찾음으로써, 변위 센서의 주축과 피사체의 피사면 사이의 직교 배열을 맞출 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 변위 센서의 주축과 피사체의 피사면 사이의 직교 배열을 맞추는 방법(800)을 나타내는 흐름도이다. 방법(800)은, 변위 센서의 제어부에 의해 수행될 수 있다. 도시된 바와 같이, 방법(800)은 제어부가 제1 구동부를 제어하여, 변위 센서를 제1 축(X 축) 방향으로 이동하면서 현재 최대 수광량(R'max)인 측정 시작점(Xmax)을 탐색하는 단계(810)로 개시될 수 있다. 다음으로, 제어부는 제2 구동부 및 제3 구동부를 제어하여, 측정 시작점(Xmax)에서 변위 센서를 제2 축(Y 축) 회전 및 제3 축(Z 축) 회전 구동하여 변위 센서의 주축과 피사면의 직교 배열을 맞출 수 있다(820). 구체적으로, 변위 센서를 제2 축(Y 축) 회전 및 제3 축(Z 축) 회전 구동하면서 수광량이 최대가 되는 지점이 변위 센서의 주축과 피사면 사이의 직교 배열이 맞춰진 지점일 수 있다.
변위 센서의 주축과 피사면 사이의 직교 배열이 맞춰진 경우, 제어부는 수광부로부터 검출된 현재 수광량(R')과 저장부에 미리 저장된 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값(R'/R'max)을 이용하여 변위(X)를 측정할 수 있다(830). 일 실시예에서, 810 단계가 먼저 수행되고, 820 단계가 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 820 단계가 먼저 수행되고, 810 단계가 수행될 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 변위 센서를 이용하여 피사체의 변위를 측정하는 방법(900)을 나타내는 흐름도이다. 방법(900)은 변위 센서의 제어부에 의해 수행될 수 있다. 도시된 바와 같이, 방법(900)은, 변위 센서가 피사체를 향해 광을 조사하는 단계(910)로 개시될 수 있다. 그 후, 변위 센서는 피사체로부터 반사된 광을 수신하고(920), 피사체로부터 반사된 광의 현재 수광량(R')을 측정할 수 있다(930).
그 후, 변위 센서는 현재 최대 수광량(R'max)과 현재 수광량(R')의 상대값(R'/R'max)을 도출할 수 있다(940). 변위 센서는 다음으로, 피사체의 변위 측정 결과를 출력할 수 있다(950).
본 개시의 방법, 동작 또는 기법들은 다양한 수단에 의해 구현될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 기법들은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다. 본원의 개시와 연계하여 설명된 다양한 예시적인 논리적 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 양자의 조합들로 구현될 수도 있음을 통상의 기술자들은 이해할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 상호 대체를 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 구성요소들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들이 그들의 기능적 관점에서 일반적으로 위에서 설명되었다. 그러한 기능이 하드웨어로서 구현되는지 또는 소프트웨어로서 구현되는지의 여부는, 특정 애플리케이션 및 전체 시스템에 부과되는 설계 요구사항들에 따라 달라진다. 통상의 기술자들은 각각의 특정 애플리케이션을 위해 다양한 방식들로 설명된 기능을 구현할 수도 있으나, 그러한 구현들은 본 개시의 범위로부터 벗어나게 하는 것으로 해석되어서는 안된다.
하드웨어 구현에서, 기법들을 수행하는 데 이용되는 프로세싱 유닛들은, 하나 이상의 ASIC들, DSP들, 디지털 신호 프로세싱 디바이스들(digital signal processing devices; DSPD들), 프로그램가능 논리 디바이스들(programmable logic devices; PLD들), 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(field programmable gate arrays; FPGA들), 프로세서들, 제어기들, 마이크로제어기들, 마이크로프로세서들, 전자 디바이스들, 본 개시에 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 다른 전자 유닛들, 컴퓨터, 또는 이들의 조합 내에서 구현될 수도 있다.
따라서, 본 개시와 연계하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, DSP, ASIC, FPGA나 다른 프로그램 가능 논리 디바이스, 이산 게이트나 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 본원에 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 것들의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안으로, 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 프로세서는 또한, 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들면, DSP와 마이크로프로세서, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 연계한 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 구성의 조합으로서 구현될 수도 있다.
펌웨어 및/또는 소프트웨어 구현에 있어서, 기법들은 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM), 판독 전용 메모리(read-only memory; ROM), 비휘발성 RAM(non-volatile random access memory; NVRAM), PROM(programmable read-only memory), EPROM(erasable programmable read-only memory), EEPROM(electrically erasable PROM), 플래시 메모리, 컴팩트 디스크(compact disc; CD), 자기 또는 광학 데이터 스토리지 디바이스 등과 같은 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장된 명령들로서 구현될 수도 있다. 명령들은 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행 가능할 수도 있고, 프로세서(들)로 하여금 본 개시에 설명된 기능의 특정 양태들을 수행하게 할 수도 있다.
본 명세서에서는 본 개시가 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시의 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
100: 광섬유를 이용한 변위 센서
110: 제1 헤드 유닛
120: 제1 광섬유
130: 제2 헤드 유닛
140: 제2 광섬유

Claims (10)

  1. 광섬유를 이용한 변위 센서에 있어서,
    광을 조사하도록 구성된 발광부;
    제1 광섬유를 통해 상기 발광부로부터 조사되는 광을 피사체를 향해 조사하도록 구성된 제1 헤드 유닛;
    광을 검출하도록 구성된 수광부;
    상기 피사체에 의해 반사되는 광을 수신하여 제2 광섬유를 통해 상기 수광부로 전달하도록 구성된 제2 헤드 유닛; 및
    상기 수광부를 통해 검출된 광의 양에 기초하여 상기 변위 센서와 상기 피사체 사이의 거리를 산출하도록 구성된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 수광부에 의해 검출된 상기 피사체에 의해 반사되는 현재 수광량(R')과 미리 저장된 현재 최대 수광량(R'max) 사이의 상대값을 산출하고,
    상기 상대값에 기초하여 상기 변위 센서와 상기 피사체 사이의 현재 거리를 산출하도록 더 구성되고,
    상기 변위 센서를 제1 축을 따라 이동시키는 제1 구동부
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 구동부를 구동하여, 상기 수광부를 통해 검출되는 상기 현재 최대 수광량(R'max)을 결정함으로써, 상기 변위 센서를 캘리브레이션(calibration)하도록 더 구성되고,
    상기 변위 센서를 제2 축을 중심으로 회전시키는 제2 구동부; 및
    상기 변위 센서를 제3 축을 중심으로 회전시키는 제3 구동부
    를 더 포함하고,
    상기 제1 축, 상기 제2 축, 그리고 상기 제3 축은 서로 직교하고,
    상기 제어부는,
    상기 제2 구동부 및 상기 제3 구동부를 구동하면서 상기 수광부에 의해 검출되는 수광량이 최대가 되는 지점을 찾음으로써, 상기 변위 센서의 주축과 상기 피사체의 피사면 사이의 직교배열을 맞추도록 더 구성되고,
    상기 변위 센서의 주축은 상기 제1 축과 평행한, 변위 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 현재 수광량(R')은 상기 발광부와 상기 수광부의 사용 시간에 따라 변하고,
    상기 상대값은 상기 발광부와 상기 수광부의 사용 시간과 무관하게 일정한, 변위 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광부와 상기 제1 헤드 유닛 사이가 상기 제1 광섬유로 연결되고, 상기 수광부와 상기 제2 헤드 유닛이 상기 제2 광섬유로 연결되어, 광 통신함으로써 전자기장의 영향을 받지 않는, 변위 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발광부, 상기 수광부 및 상기 제어부는 상기 제1 헤드 유닛 및 제2 헤드 유닛과 원격지에 배치되는, 변위 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 헤드 유닛, 상기 제1 광섬유, 상기 제2 헤드 유닛 및 상기 제2 광섬유가 내화학성 소재로 감싸여 있는, 변위 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 헤드 유닛, 상기 제1 광섬유, 상기 제2 헤드 유닛 및 상기 제2 광섬유가 내열성 소재로 제조되는, 변위 센서.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수광부의 현재 최대 수광량(R'max)과 상기 산출된 현재 거리를 저장하도록 구성된 저장부
    를 더 포함하는, 변위 센서.


  10. 삭제
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