KR20000058384A - 진동보상 정밀 재료시험기 인디게이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료시험기의 동적 상태 하에서 시료에 가해지는 하중을 정확하고 정밀하게 측정하여 표시해 주는 정밀 재료시험기 표시장치에 관한 것이다.

재료시험기의 시험을 위한 제어 동작 시에 발생되는 진동으로 인하여 하중센서에 감지되는 신호가 진동에 따라 하중 오차가 발생하여 정확한 값을 표시할 수 없게 된다. 따라서, 진동에 해당하는 중량 값을 보상함으로써 정확하고 정밀한 하중 값을 표시하는 시스템을 구성하는 것을 목적으로 한다.

진동 보상을 하기 위해 진동센서 또는 진동감지를 위한 보조 하중센서를 정규하중센서와 동일한 조건이 되도록 부착한다. 각각의 센서입력 신호를 필터링 한후 아날로그 디지탈 변환기를 거쳐 디지털 신호처리 프로세서에 입력한다. 그 프로세서는 입력된 자료를 이용하여 필터링하고, 진동보상 처리하여 진동이나 노이즈 유입 시에도 정확하고 정밀한 하중 값을 연산 표시하도록 한다.

진동 하중 측정 시에 발생하는 진동하중 오차를 극소화함으로써 재료시험기의 시험 자료에 신뢰도 및 정확도를 향상시켜 보다 정확하고 정밀한 재료 시험 자료를 산업 전반에 이용할 수 있다.

Description

진동보상 정밀 재료시험기 인디게이터{Precision Material Tester Indicator with Vibration Complement}

본 발명은 시멘트, 콘크리트, 금속재료 등의 재료를 시험하는 재료 시험기에 부착할 수 있는 고분해, 고정밀 표시장치{Indicator}에 관한 것이다.

일반적으로 재료시험기의 구성(도 4)은 하중센서, 변위센서, 서보계, 제어부분으로 구성되어 있다. 국내 특허공개번호 특1999-023515∼17호의 경우 시료에 주어지는 실부하가 목표부하에 합치하도록 하중제어계 또는 변위제어계에 의해 피드백 제어를 행하면서 재료시험을 행하며, 특1999-0038268호의 경우는 유압식 만능재료시험기로 시료에 유압에 의한 하중을 가하여 인장, 압축, 굴곡, 항절 등을 시험하는 시험기로 기본 구성은 동일하다.

일반적으로 재료시험기는 정하중에서 교정{Calibration}을 하고 동적인 상황에서 실재 하중을 측정하게 되므로 하중측정 조건이 상이한 상황에서 정확한 하중 값을 측정할 수 없을 뿐만 아니라, 하중 값의 변동에 따른 자료수집으로, 하중측정오차가 많이 발생하게 된다. 현재 재료시험기의 분해능이 10000 ∼ 30000이라고 제품 사양에 기술되어 있는 경우도 있으나, 재료시험기 작동 시 진동과 소음 Noise로 인한 실재 표시 값은 1000 ∼ 3000 정도의 분해능으로 밖에 볼 수 없는 실정이다.

본 발명의 목적은 재료시험기의 자체 진동 소음이나, 기타 진동요소에 의해서 하중을 감지하는 하중센서에 영향을 줌으로써 발생하는 하중측정 오차를 극소화함으로써, 보다 높은 분해능과 정밀하고 정확한 하중측정 데이터를 획득하고 분석, 이용하기 위함이다.

도 1은 기구 시스템 전체 구성도

도 2는 표시장치 전체 시스템 구성도

도 3은 센서 인터페이스 및 A/D 변환 모듈 회로도

도 4는 종래의 재료시험기 구성도

도 5는 하중센서 및 진동센서 신호 레벨도

도 6는 진동 보상된 최종 신호 레벨도

상기의 목적을 달성하기 위해 구성된 사항은 도 1, 도 2, 도 3을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 재료시험기의 자체 진동과 기타 진동 요소에 의한 진동을 감지하는 진동센서 또는 진동감지 보조 하중센서를 도 1의 ①과 같이 부착하거나, 도 1의 ②와 같이 고정시킨다. 시료에 정확한 하중 전달을 위한 전달 판(도 1의 ④)을 부착한다. 도 1의 ⑤는 시료이며, ⑥은 시료의 파괴 시 길이의 변화를 측정하는 변위센서이다. 서보모터(도 1의 ⑫)와 차동기어(도 1의 ⑪)는 프로세서(도 2의 ⑪)로부터 서보제어 명령를 받아 수행하는 서보컨트롤러(도 1의 ⑬)의 제어에 따라 시료를 상하로 움직여 하중을 가하게 된다. 하중을 시료에 가할 때 발생하는 진동하중과 인가한 하중이 포함된 하중센서(도 1의 ③)의 아날로그 신호(도 1의 ⑧)와 진동센서(도 1 의 ① 또는 ②)의 신호(도 1의 ⑨), 변위센서(도 1의 ⑩)의 신호를 표시장치시스템(도 2의 ⑨)에 입력한다. 각각 입력된 센서 신호는 센서 인터페이스 회로 및 필터(도 2의 ⑨)에 입력되어, 도 3에 ③의 회로 기능에 따라 수 mV의 신호를 고정도 인스트루먼트 증폭기(도 3의 ③){Instrument Operation Amplifier}로 100 ∼ 1000배 증폭하여 아날로그 디지털 변환기의 입력 레벨 전압을 ±2V가 되도록 하고, 이 신호의 노이즈를 제거하기 위해 고성능 로우패스 필터(도 3의 ③)를 통과시켜 아날로그 디지탈 변환기(도 2의 ③)에 입력되도록 설계하였다. 입력된 신호는 고 분해능 아날로그 디지탈 변환기(도 2의 ③)를 통해서 16∼18 비트 정도의 분해능으로 변환되어 DSP(도 2의 ⑪)에 입력되어 자료처리 및 진동보상, 자료분석용으로 이용된다. 디지털 신호 프로세서(도 2의 ⑪)는 시료(도 1의 ⑤)에 하중을 가하기 위해 서보 제어명령을 서보컨트롤러(도 1의 ⑬)에 보내면서, 하중 값과 진동 값을 아날로그 디지털 변환기(도 2의 ③)를 통해서 실시간으로 변환 데이터를 입력받는다. 입력받은 데이터는 다시 DSP를 이용하여 이동평균 또는 FIR 필터링을 하고 난 후, 결과 값은 진동 보상 알고리즘을 수행하는데 이용되게 된다. 진동보상 알고리즘에 의해 수행된 최종 데이터는 간략히 다음과 같이 표기할 수 있다.

수식의 간략화를 위해 기호를 다음과 같이 정의한다.

진동 보상된 최종 하중 = W(vc): Weight of vibration complement

하중센서입력 값 = W(ws): Weight of weighing sensor

진동센서입력 값 = W(vs): Weight of vibration sensor

하중센서의 스프링 상수 = K(ws): Force constant of weighing sensor

진동센서의 스프링 상수 = K(vs): Force constant of vibration sensor

진동 비례상수 값 = h

위에서 표기한 W(ws)와 W(vs)의 값은 도 3의 ④를 거치고 DSP(도 2의 ⑤)에서 이동평균 또는 FIR 필터링한 값을 나타낸 것이다. 상기에 정의된 변수를 사용해서 진동 보상 식을 정리하면 아래와 같다.

W(vc) = W(ws) - h * W(vs) --------- (1)

h ≒ K(ws)/K(vs) * W(ws) --------- (2)

W(vc) ≒ W(ws)* {1 - K(ws)/K(vs) * W(vs)} --- (3)

디지털 신호처리 프로세서{Digital Signal Processor}(도 2의 ⑤)는 앞에서 기술한 내용들을 수행할 뿐만 아니라, 상기의 식 (1), (2), (3)을 이용 진동 보상 프로그램을 수행하여 최종적으로 진동 보상된 인가 하중 값을 생성해 디지털 표시장치(도 2의 ⑫)에 표시한다. 또한 통신부(도 2의 ⑬)에 전송하여 퍼스널 컴퓨터에서 데이터 분석프로그램에 적용, 재료시험 자료를 공급하게 된다.

상술한 바와 같이 기존의 일반적인 재료시험기는 정하중에서 교정{Calibration}을 하고 동적인 상황에서 실재 하중을 측정하게 됨으로써 하중측정 오차가 많이 발생하며, 불안정하고 부정확한 값을 측정하였다. 그러나 본 발명을 통하여 외부 진동 및 자체 진동에 의해 시료에 인가한 하중 값이 도 5의 ①과 같이 1 디지트에서 최대 4 디지트 이상의 값이 진동하던 것을 ±1/2(도 6)디지트 범위로 안정화시킴으로서 보다 정확하고 정밀한 분해능 값을 측정할 수 있는 고 정도 고 분해능 진동보상 정밀 재료시험기 표시장치를 발명하게 되었다.

Claims (2)

1. 재료 시험기의 진동 보상을 위해 사용될 진동 하중센서 또는 진동 센서를 하중센서와 동일한 조건으로 재료시험기에 부착함으로써, 시료에 인가한 하중을 감지하는 하중센서에 진동하중의 정도를 감지, 각종 아날로그 입력 센서의 진동 보상 자료로 이용한 고 정도, 1/30000 이상의 고 분해능 진동보상 정밀 재료시험기 표시장치이다.
2. 제 1항의 고 정도, 고 분해능을 가져가기 위해 진동 보상을 위한 실시간 처리를 위한 디지털 신호 프로세서를 채용하여 진동 필터링 및 진동 보상 수식( 식(1), (2), (3))을 수행하도록 구성한 DSP 고 정밀 고 분해능 진동보상 정밀 재료시험기 표시장치.