KR20020067588A - 광학적 거리 및 각도 측정방법 및 시스템 - Google Patents

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마르티네즈스티븐데이비드
블레빈스윌리엄마크
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스쵸스제프리놀먼
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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    • G—PHYSICS
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    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

접촉 없이, 정확하게 광학적 거리 및 각도 측정하는 방법 및 시스템은 광학적으로 움직이는 물체(S)의 위치, 물체(S)의 굽힘, 물체(S)에 가해지는 토크 및 물체의 회전 속도를 를 측정한다. 본 발명은 움직이는 물체(S) 주위에 또한 그에 인접하게 설치되어, 미리 정해진 마커 수단(33n)이 감지할 때, 물체(S)의 표면(35)으로 광학 신호를 전달하고 또한 광학 신호를 수용하는 복수개의 광학 센서(111,11n)를 포함한다. 상기 수용된 광학 신호는 그리고나서 정보를 얻기 위하여 당업자에게 알려져 있는 비선형 추정 기법에 의해 처리된다.

Description

광학적 거리 및 각도 측정 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR OPTICAL DISTANCE AND ANGLE MEASUREMENT}
상업 및 방위 산업 분야에서, 사용자는 제품의 수명을 높이고, 작동 및 유지를 간단하게 하고, 또한 안정성 및 신뢰성을 높이는 통합성을 제공하는 통합 기술을 요구하여왔다. 그러나, 제공된 모든 기술은 또한 긍정적이고, 양적인 비용 및 이익 분석이 바탕이 되어야 한다.
섬유 광학 센서들은 본 발명 전까지 수십년간 상대적인 위치의 측정에 사용되어 왔으나, 그 사용은 자체적인 보정과 절대 정밀한 위치 측정 시스템에 까지 확대되지는 않았다. 반면에, 섬유 광학 센서들을 사용하는 일반적인 시스템들은 상대적인 측정 성능만을 제공하였고, 그들은 통상적으로 사용에 있어서 개별적인 보정을 요구하는데, 이는 그들이 측정되는 표면의 각도와 센서와 측정되는 표면의 거리에 민감하기 때문이다. 실제로, 당업자들은 정밀 절대 위치 측정 시스템은 섬유 광학 센서를 통해서는 얻을 수 없는 것으로 믿어왔다.
대부분의 센서 예측 시스템들은 통계적인 확률을 결정하기 위해 엄청난 양의 프로세스를 요구하거나, 현재의 센서 기술로는 불가능한 물리적인 특성들의 정밀한 측정을 요구하고 있다. 예를들면, 움직이는 축(비행기 엔진 또는 이와 유사한 운송수단의 엔진과 같은 것)의 예측 측정에서, 축의 작동 특성은 안전한 비행기 작동을 보증하기 위하여 알려져야 한다. 요구되는 몇몇 작동 특성은 축의 측방향 변위, 축의 부정합(misalignment), 축 속도 및 토크의 측정을 포함하게 되며, 모든 특성들은 현존하는 비접촉식 센서 기술로는 얻을 수 없거나 어려운 것이다. 이러한 특성들은 터보 제네레이터(turbogenerator)들, 동력 발전소, 배, 잠수함 및 지구상의 움직이는 설비들과 같은 예들에서 결정할 필요가 있는 것이다.
구동 축 배열을 측정하기 위한 필요성이 때때로 존재하여왔다. 플렉시블하거나 완전히 단단한 구조물에서, 움직이는 축(예를들면, 회전하는 축)은 배열에서 벗어날 수 있거나, 응력점을 넘어 구부러질 수 있으며, 또는 기준 축에서 벗어날 수 있게 되고, 이에 의해 구조물, 엔진 또는 시스템에 손상을 가할 수 있다. 예를 들면, 비행기 안전성은 부분적으로는 토크가 어떠한 엔진 요소로 전달되는지와 같은 구동 특성을 결정하는 것에 의존한다. 더구나, 축의 배열 및 굽힘 특성은 축의 회전 속도 및 토크와 같이, 간섭없이 측정되는 것이 필요하게 된다. 축의 배열 및 굽힘과 별도로, 움직임은 0.01 인치(즉 10 밀(mile)) 이내로 측정되는 것을 요구하며, RPM 및 토크가 또한 감지되는 것이 필요하다.
축을 측정하고 감지하는 알려진 두가지 기법의 시도는 성공적이지 못하였다. 예를들어, 루센트 기법(Lucent Technologies)은 와상 전류(eddy-current) 센서를사용하지만, 와상 전류 센싱에 의한 측정은 이러한 또는 이와 유사한 응용에 요구되는 정확성, 주변 허용공차, 또는 견고성을 제공하지 못한다. 다른 것들은 토크 커플러에 묻혀있는 자성 슬러그를 요구하는 설계 개념을 시도하였다. 그러나, 이 방법도 상기와 유사하게 성공적이지 못한 것으로 입증되었다.
그러므로, 비행기와 같은 엔진의 한정된 공간 내의 큰 구동축 또는 토크 커플러의 움직임을 광학적으로 측정하는 비-방해성(non-obtrusive) 시스템이 필요하게 되었다. 센서 시스템은 엔진 내의 공기 흐름을 간섭하지 않아야 하고, 또한 다양한 주변 상태(예를들면, 고 진동, 충격, 및 고온 상태)에 적응되어야 한다. 바람직하게는, 상기 센서는 또한 공간적인 제약 때문에 구동축 또는 커플러 어셈블리의 표면으로부터 150 밀(mils)에서 500 밀(mils) 사이에 있어야 한다. 센서 시스템은 또한 보정없이 축의 움직임의 절대값 측정을 할 수 있어야 한다. 더구나, 센서 시스템에 의한 측정 데이터는 축이 분당 9000 회전(9000 RPM)에 달하는 적용 시에 10 밀(mils) 또는 이보다 작은 움직임을 결정할 수 있어야 한다. 상기 시스템은 또한 바람직하게는 토크를 계산하기 위하여 움직이는 축의 비틀림과 동시에 9000 RPM 보다 큰 축의 회전을 측정하여야 한다. 상기 시스템은 또한 각각의 센서로부터, 표면이 상기 센서들로부터의 축방향거리 뿐아니라 상기 센서들에 대한 복합적인 각도로 변화한다고 알려진 토크 커플러의 표면까지의 절대 거리를 측정할 수 있어야 한다. 상대적인 움직임에 대한 절대 움직임의 비 방해성 측정, 고 해상의 축 변위, 및 움직이는 축의 비틀림 능력은 본 발명 전에는 성공하지 못하였던 것이다.
본 발명에 개시된 바와 같은, 자체-보정, 정확한 절대 위치 측정 시스템은또한 방위 커뮤니티에 의해 요구된다. 육군, 해군, 공군등의 부서는 모두 새로운 조달은 진단 및 예측 시스템 건강 관리로 기금 승인에 앞서 통합되어야 한다고 정책적인 방향으로 향하고 있다. 이는 군대를 위한 십자군(Crusader for the Army), 해군을 위한 발전된 상륙 공격 운송수단(the Advanced Amphibious Attack Vehicle for the Marines), 조인트 스트라이크 화이터(Joint Strike Fighter, JSF)를 포함하는 새로운 발전 프로그램에서 강조되고 있다. 그러나, 본 발명 전까지는, 그러한 필요를 만족할 수 있는 기술과 필요성 사이에 차이가 존재하고 있었다.
본 발명은 일반적으로 센서의 기술분야에 관련되고, 보다 상세하게는 움직이는 물체의 공간적 거리, 속도 및 관련된 각도 이동을 결정하는 섬유 광학 센서의 사용에 관한 것이다.
아래의 도면들에서 같은 도면 번호들은 다른 측면의 도면을 통해 같거나 기능적으로 유사한 요소들을 가리키며, 도면들은 본 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명을 설명하고, 본 발명의 원리들을 설명하는 것을 돕는다.
도 1은 토크 커플러에 부착된 움직이는 축을 부분적으로 둘러싸고 있는 장착 구조물에 부착된 본 발명의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2는 상업적으로 사용될 수 있는 섬유 광학 동심 링 타입 센서로부터의 응답 곡선을 도시한 그래프이다.
도 3은 동심 링 섬유 광학 센서의 삼차원적인 응답을 플롯팅한 그래프이다. 이는 거리 및 각도 변화에 대한 센서의 민감도를 보여주고 또한 이러한 변화들에 대한 센서의 비선형적인 특성들을 보여준다.
도 4a는 다면 타겟 마커가 부착된 토크 커플러의 끝단의 단면도이고, 이는커플러가 움직일 때 프로세싱을 위한 신호를 제공하기 위하여 센서 어셈블리 수단 앞을 통과한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 다면 타겟 마커들을 도시한 도면이다.
도 5는 각각의 타겟 마커가 각각의 센서 어셈블리 수단을 통과할 때, 센서 어셈블리에 의해 감지된 전압으로부터 커플러 배열 정보를 얻기 위해 요구되는 신호 처리 기능의 블록도이다.
도 6은 도 5에서의 바람직한 센서 평가자를 도시한 시스템도이다.
도 7은 도 5에서의 바람직한 비틀림 커플러 평면 평가자를 도시한 시스템도이다.
본 발명의 아래의 요약은 본 발명의 독특한 몇몇 진보된 특징의 이해를 촉진하기 위하여 제공되는 것이고, 이러한 것이 전체 설명이 되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 면들에 애한 완벽한 이해는 상세한 설명, 청구범위, 도면 및 요약서 전체에서 얻을 수 있을 뿐이다.
본 발명은 움직이는 물체(엔진의 축과 같은)의 위치, 움직이는 물체의 굽힘, 물체 및 물체의 회전 속도에 대한 토크를 광학적으로 측정하기 위한 비 방해성 예측, 광학적 거리 및 각도 측정 시스템을 포함한다. 본 발명은 물체 주위에 또한 인접하게 위치되는 복수개의 광학 센서를 포함하고, 이러한 센서들은 물체의 표면 위의 타켓 마커 수단에 섬유 광학 다발을 통해 광학 신호를 전달하고 또한 상기 타겟 마커 수단이 감지되면 광학 신호를 수용한다. 상기 수용된 광학 신호들은 그리고나서 당업자들이 선행 자료에서 얻을 수 있는 알려진 비선형 측정 기법에 의해 처리된다. 본 발명은 (상업적 또는 군사적 비행기에서 볼 수 있는 것과 같은)운송수단의 엔진을 위한 것이나, 예를들면 탱크, 동력 발전설비, 배의 동력 플랜트 및 움직이는 기계에 요구되는 다른 응용과 같은, 다른 응용에도 적용될 수 있다.
본 발명의 새로운 특징은 당업자라면 이하의 상세한 설명 의해 또는 본 발명의 실시에 의해 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명의 상세한 설명 및 특별한 실시들은, 본 발명의 임의의 실시예를 보이고 있는 반면에, 단지 예시를 위하여 제공되는 것이며, 다양한 변화와 수정이 본 발명의 기술사상과 기술적 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 상세한 설명과 청구범위로부터 당업자에게 명확하게 될 것이다.
본 발명은 정확한, 비 방해성 광학 거리 및 각도 측정 시스템에 관한 것이고, 이는 복수개의 센서 어셈블리 수단에 의해 광학 신호를 움직이는 토크 커플러 또는 이와 같은 구조물 위의 예정된 표면 영역에 전달하며 상기 광학 신호의 반사를 측정하고, 또한 신호 처리 소프트웨어 수단에 의해 센서 및 타겟 모델을 합산하고 상기 축의 동작 특성에 관련된 정보를 처리한다.
도 1에서, 본 발명은 움직이는 축(S)를 둘러싸고 결합되어 있는 토크 커플러(31)에 인접한 적어도 하나의 장착 구조물(21) 위에 위치하는 복수개의 광학 센서 어셈블리 수단 111- 11n; 바람직하게는 상기 토크 커플러(31)의 표면(35)에, 아니면 상기 축(S)의 표면에 직접 부착된 적어도 하나의 구분된 타겟 마커 수단(33n); 통신 버스(bus, 43)를 통해 각각의 광학 센서 어셈블리 수단(11n)과 연결되는 제어 전자시스템(41); 및 제어 전자시스템(41) 내에서 가동되고 저장되는 신호 처리 소프트웨어 수단(51)을 포함한다.
도 1에서와 같이, 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)은 움직이는 축(S)에 부착되는 토크 커플러(31)에 인접한 통상적인 설계의 장착 구조물(21)에 부착된다. 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)은 바람직하게는 장착 구조물(21) 위에 등간격으로, 또한 이에 의해 상기 움직이는 축(S)의 원주면을 따라서 위치하게 된다. 바람직한 실시예에서, 세개의 센서 어셈블리 수단(111,112,11n)은 도 1에서와 같이 축 주위에 위치하게 되나, 당업자라면 본 발명에 의해 얻어지는 결과를 얻기 위하여 두개 이상의 센서 어셈블리 수단이 사용될 수 있음을 인식하고 있을 것이다. 각각의 센서 어셈블리 수단(111-11n)은 바람직하게는 0.15 내지 0.4 인치로 움직이는 토크 커플러(31)의 상기 표면(35)으로부터 이격되어 배열된다. 각각의 센서 어셈블리 수단(111-11n)은 또한 바람직하게는 통상적인 섬유 광학 동심 링 타입 센서이고, 이는 센서 하나당 다중의 섬유 광학 번들(bundle)을 갖고 있으며, 보다 상세하게는 광학 신호를 토크 커플러(31)의 표면(35)에 전달하는 섬유-광학 센서이고, 이는 표면(35)에 형성되거나 또는 부착되는 타겟 마커 수단(33n)으로부터 광학 신호를 수신하며, 또한 상기 신호 처리 소프트웨어 수단(51)에 의해 정보처리를 위해 상기 제어 전자시스템(41)로 축의 정보에 대응하는 전압을 전달한다.
그러나, 당업자라면 다른 센서(예를 들면 다른 간섭성광 센서, 비 간섭성 광 센서, 백열 센서, 광 대역 센서, 다중 파장 센서 또는 다른 섬유 광 센서들)들이사용될 수 있고, 이 역시 본 발명의 기술 사상 내에 있는 것임을 알 수 있을 것이다. 각각의 타겟 마커 수단(33n)이 회전하면서 각각의 센서 어셈블리 수단(111-11n)을 통과할 때, 각각의 센서 어셈블리 수단(111-11n)은 연속적으로 또한 실시간으로, 전달된 신호가 임의의 타겟 마커 수단(33n)에 반사될 때 반사되어 전달되는 광학 신호의 강도에 의하여 움직이는 표면(35)로부터의 반사된 빛을 측정하게 된다. 그러므로, 바람직한 실시예에서, 측정되는 표면(35)까지의 세개의 정확한 거리가 얻어질 수 있어, 측정된 표면(35)의 배열이 (또한, 커플러의 좌표면이) 고정된 기준 좌표 시스템에 대하여 추정될 수 있으며, 이에 의해 축(S)의 좌표 각도 변위 및 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)에 대한 각각의 센서 어셈블리 수단(111)으로부터의 거리의 직접 측정이 가능하게 된다.
(본 발명에서 바람직한 형태와 같은) 통상적인 동심 링 섬유 광학 센서들은 광자 검출기에 연결된 감지 섬유의 동심 링에 의해 둘러싸인 조명 전달 섬유의 중심 다발을 사용하게 된다. 동심의 링 센서를 반사 표면에 대하여 일정 거리 움직이는 것은 도 2에 도시한 바와 유사한 특성의 감지된 응답 곡선을 제공하게 된다. 이러한 타입의 응답 곡선을 갖는 상업적으로 사용할 수 있는 센서를 사용하는 사용자는 단지 도 2에 도시된 이러한 응답 곡선의 피크의 어느측면에 가까운 직선 부분만을 사용하게 되고, 통상적인 상업적 섬유 광학 센서의 직선 범위는 약 100밀(mils)이 된다. 그러나, 이러한 곡선의 직선 부분의 동작 특성의 사용은 센서 어셈블리 수단의 동작 범위를 제한하게 되고, 또한 이에 더하여 센서의 절대 보정을 위한 수단을 제공하지 못한다. 반면에 본발명은 신호 처리 소프트웨어 수단(51)에 의해 데이타를 처리하기 위해 상기 곡선의 비 직선 동작 특성을 사용하게 된다.
도 3은 본 발명 내의 바람직한 타입의 동심 링 섬유 광학 센서의 3차원 플롯 음답을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 이러한 타입의 센서는 각도 변화에 매우 민감하며, 그러므로 상기와 같은 센서의 특성 응답의 작은 각도 변화의 효과가 기대되는 정확도의 수준을 얻기 위해 모델링되어야 한다. 특성 응답은 또한 반사 표면 재료의 함수가 된다. 그러므로, 이러한 타입의 센서를 사용할 때는, 각각의 센서의 삼차원 응답(또는 지도)이 먼저 캡쳐되고 모델링되는 것이 바람직하게 된다. 이는 자동화된 특성 시스템이 상기 특성 타겟 면에 대하여 센서의 거리 및 두개의 직교하는 각도를 변화할 때, 예를 들면, 각각의 센서를 자동화된 고 정밀도의 고정물 내에 위치시키는 것에 의해, 또한 각각의 센서의 응답을 알려진 타겟 재료로부터 취하는 것에 의해 성취될 수 있다.
적어도 하나의 다면 타겟 마커 수단(33n)은 통상적인 방법으로 커플러(31)의 측정된 표면(35)에 부착되고, 또한 표면(35)에 공간적으로 배열되어 표면(35)의 평면의 결정을 허용하며, 순차적으로, 축(S)의 각도의 기하학적인 결정을 허용하게 된다. 바람직하게는 각각의 타겟 마커 수단(33n)은 각각의 다른 표면(35)로부터 120도 떨어져서 배열된다. 각각의 타겟 마커 수단(33n)은 광학적으로 반사성이 있고, 각각의 센서(11n)에 의해 전달되는 광학 신호들을 반사할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 각각의 타겟 마커 수단(33n)은 임의의 중심점(C)에 대해 예정된 높이를 갖고, (예를들면 니켈 도금 알루미늄과 같은) 고 반사 호환성 재료로 제조되며,또한 도 4a에 도시된 바와 같은 다섯개의 깎인 면들(371- 37n)을 포함한다. 센서 어셈블리 수단(11n)의 작동을 모델화하는 시뮬레이션을 사용하여, 다섯개의 면이 순환 센서 평가자(도 6에 도시)가 해(solution)로 빠르게 수렴하는 것을 최적으로 가능하게 한다는 것을 결정하였다. 제1 에서 제3 면(371- 373)은 변위의 고정되고, 정확한 변화를 생성한다. 제4 면(374)은 커플러(31)의 회전 중심축의 고정되고, 정확한 각도 변화를 생성한다. 제5 면(375)은 상기 커플러(31)의 회전에 대하여 수직인 중심축 내의 고정되고, 정확한 각도 변화를 생성한다. 당업자는 많은 반사성 재료들(예를 들면 니켈, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄, 및 제1 표면 또는 제2 표면 유리 거울)이 본 발명의 타겟 마커 수단의 바람직한 실시예를 대신할 수 있고, 이 역시 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에 존재하는 것임을 알 수 있을 것이다. 공간과 시간 상으로 표면(35) 위에 각각의 면(37n)의 위치를 추적하는 것에 의해, 측정된 전압(이는 표면까지의 거리 및 표면의 각도에 비례한다)과 (제어 전자시스템(41)에 저장된)추정된 거리 및 각도에 대한 센서 응답의 모델을 비교할 수 있고, 이에 의해 커플러(31)의 각각의 센서(11n)으로부터의 추정 절대 거리 및 또한 각각의 센서(11n)에 대한 각각의 타겟 마커 수단(33n)의 각도를 계산할 수 있다.
그리고나서 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)으로부터 취해진 신호 반사에 대응하는 정보는 제어 전자시스템(41)에 의해 신호 처리 소프트웨어 수단(51)으로 통신 버스(43)(예를 들면, 섬유 광학 데이타 또는 번들)를 통해 연결된다. 차례로,상기 신호 처리 소프트웨어 수단(51)은 움직이는 축(S)이 10 에서 450 밀(mils)과 0.1 에서 2.5도 사이에서 임의의 평면 내에서 움직이는지를 결정하도록 통상적인 수단에 의해 프로그램된다. 이와 유사하게, 신호 처리 소프트웨어 수단(51)은 축(S)의 회전 속도가 9000 RPM에 이르는 것을 탐지하게 된다.
도 5에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 신호 처리 소프트웨어 수단(51)은 타겟 인증 및 RPM 평가자(61), 사용되는 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)에 대응하는 복수개의 센서 평가자(63n), 비틀림 커플러 평면 평가자(65)를 포함하게 된다.
작동에 있어서, 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)은 커플러(31)가 회전할 때 커플러(31)의 림으로부터의 반사에서 얻어지는 연속적인 신호를 생성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 커플러(31)의 림 상의 각각의 타겟 마커 수단(33n) 사이의 공간(또는 영역)은 통상적으로 비 반사성 재료로 어둡게 처리한다. 그러므로, 회전하면서 각각의 센서를 통과할 때, 각각의 타겟 마커 수단(33n)은 더 높은 대응(반사) 신호를 갖게된다. 반사성 재료의 작은 줄무늬(도시되지 않음)는 커플러의 림 위에 기준 마크를 제공하기 위해서, 예정된 위치에 커플러의 림 위에 부가적으로 위치하게 된다. 상기 줄무늬는 커플러의 회전 각도를 결정하도록 기준 점을 제공하게 된다. 상기 줄무늬가 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)에 의해 감지될 때, 센서 어셈블리 수단(11n)에 의해 감지된 다음 타겟 마커 수단(33n)이 타겟 마커 수단(331)이 됨을 지시하게 된다. 이는 타겟 마커 수단 332, 333에서 33n 까지 계속된다. 상기 타겟 인증 및 RPM 평가자(61)는 컴퓨터적으로 기준 마커를 위치시키고,각각의 타겟 마커 수단을 위치시키며, 각각의 타겟 마커 수단의 각각의 면을 위치시키고, 각각의 타겟 마커 수단(33n)의 각각의 면(37n)의 센서 응답을 얻어서 이 데이타를 센서 평가자(63n)에게 전달하며, 또한 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)의 샘플링 비율을 사용하는 것에 의하여, 각각의 회전 위의 기준 마크의 통과에 대응하는 정보로 축의 회전 속도를 결정한다.
도 6에서, 각각의 센서 평가자(63n)는 사용되는 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)에 각각 대응하고, 컴퓨터적으로 각각의 타겟 마커 수단(33n)의 다섯개의 면(371 - 375)으로부터의 전압에 의해 추정되는 거리 및 두개의 직교각도를 생성한다. 이에 더하여, 본 발명에서 사용되는 광학 및 전자시스템의 모든 이득 내의 적당한 변화를 위하여, 감쇠 파라미터가 또한 각각의 센서 평가자(63n) 내에 사용된다. 사용되는 각각의 센서의 응답 특성(예를 들면, 미리 정해진 타겟 마커 수단(33n)에 대하여 어떻게 응답을 하는가)의 모델이 필요한데, 이는 이러한 파라미터들을 회귀적으로 추정하기 위함이고, 이는 또한 신호 처리 소프트웨어 수단(51) 내에 축적된다. 상기와 같은 모델들은 사용되는 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)의 오프라인 특성의 알려진 방법에 의해 얻어진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 센서 평가자(63n)는 각각의 면(37n)으로부터 반사되는 빛에 대한 응답으로 얻어지는 각각의 센서 어셈블리 수단(11n)으로부터의 전압 응답을 (센서 및 타겟의 모델로부터 사전에 얻어지는) 추정된 전압 측정치와 비교하고, 이득 행렬에 의해 그 차이를 곱하게 된다. 상기 (사전에 얻어지는) 이득 행렬은 최소한 노이즈, 타겟 및 센서 특성을 반영하게 된다. 상기 결과는 상태의 사전 추정치에 적용되고 또한 새로운 추정치가 생성된다. 거리, 각도 및 감쇠의 새로운 추정치는 비 선형 센서 모델에 적용되고, 또한 그 결과로 상기 타겟 모델에 적용되어 다음 측정 추정치를 생성하게 된다.
비틀림 커플러 면 평가자(65)는 센서 평가자(63n)로부터 세개의 정확한 거리를 갖고, 이러한 거리를 커플러(31)의 면의 배열을 결정하기 위해 센서 평가자와 유사한 형식의 재귀 카만(Kaman) 평가자를 통하여 사용한다. 당업자는 이러한 방법을 성취하기 위하여 수많은 방법이 있으나, 상기 재귀 카만 평가자가 커플러 평면의 해독이 연속적으로 생성되도록 하기 때문에 바람직하다는 것을 알고 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 신호 처리 소프트웨어 수단은 당업자에게 알려진 방법으로 매트랩(MatLab) 및 매트매티카(Mathmatica) 내에서 기대되는 정보를 얻도록 프로그램되어 있다. 이러한 소프트웨어 프로그래밍 언어는 프로토타입 편의를 위하여 사용되었으나, 당업자는 다른 방법(예를 들면, 프로그램된 주문형 집적회로(ASICS)와 같은 하드웨어 수단에 의해, 또는 마이크로 컨트롤러 내에 있는 소프트웨어에 의해)이 사용될 수도 있음을 인지하고 있다. 각각의 타겟 마커 수단(33n)이 움직이는 커플러에 연결되어 있기 때문에, 본 비 방해성 광학 거리 및 각도 측정 시스템은 움직이는 축(S)의 정확한 배열, 속도 및 토크를 계산하기 위하여 1회전 당 다수회의 측정을 허용한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 다수회의 측정은 특히 측정되는 표면 또는 평면이 실제로 평평하지 않은 경우에 유용하고, 다수회 측정은 평탄하지 않은 표면을 이상화된 커플러 표면으로 매핑(mapping)하는 것을 돕게 된다.
추가적으로, 신호 처리 소프트웨어 수단(51)은, 주변 상태에도 불구하고, 축(S)의 절대 변위의 비선형적 추정에 의한 축의 특성 및 타겟 마커 수단(33n)으로부터 돌아오는 빛에 의한 축(S)의 각도 변위를 자동적으로 결정하기 위하여 반사된 광학 신호로부터의 정보를 사용하도록 프로그램 되어있다. 예를 들면, 반사된 빛의 강도의 구배는 공기의 질, 습도, 온도, (먼지입자를 포함한) 예상치 못한 방해물, 타겟 표면의 반사질, 빛 소스의 강도 및 작동 특성과 같은 많은 인자들과 타겟 상의 투사 각도에 의해 영향을 받게 된다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 신호 처리 소프트웨어 수단(51)은 추가적으로 적응 이득을 제공하기 위한 신호 처리 수단을 포함하여, 광학적 경로, 감지 전자시스템 또는 섬유 번들 변화 상의 변화에 적응하게 된다.
본 발명의 다른 변화 및 수정이 당업자에게 명백할 것이며, 첨부된 특허청구범위에서는 상기 변화 및 수정이 포괄되도록 의도하였다. 상기에서 언급된 특별한 특성이나 구성들은 변화할 수 있으며, 본 발명의 특수한 실시예를 설명하기 위해 인용되었고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 사용은 비 방해성 정밀, 광학 거리 및 각도 측정 시스템의 원리 및 표현을 따르는한 다른 특성을 갖는 구성요소가 사용될 수도 있는 것이다.

Claims (29)

  1. 회전하는 토크 커플러에 장착된 움직이는 축을 포함하는 엔진 내의 축 어셈블리를 위한 광학적인 거리 및 각도 측정 시스템에 있어서, 상기 시스템은
    엔진의 일부에 고정되고, 상기 움직이는 축을 둘러싸고, 상기 토크 커플러에 인접한 장착 구조물;
    상기 장착 구조물 위에 또한 상기 토크 커플러의 표면부분에 가깝게 배열되는 복수개의 광학 센서 어셈블리 수단;
    상기 표면 부분에 연결되는 적어도 하나의 타겟 마커 수단;
    각각의 광학 센서 어셈블리 수단들이 통신 버스(bus)에 의해 연결된 제어 전자시스템; 및
    상기 제어 전자시스템 내에서 가동되고 저장되는 신호 처리 소프트웨어 수단;을 포함하고,
    각각의 광학 센서 어셈블리 수단은 상기 표면 부분에 광학 신호를 전달하고, 각각의 타겟 마커 수단이 각각의 광학 센서 어셈블리를 통과할 때 각각의 타겟 마커 수단으로부터 반사된 광학 신호를 받으며, 또한 축의 특성에 맞는 정보를 상기 제어 전자시스템에 전달하여 상기 신호 처리 소프트웨어 수단에 의해 처리되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 각각의 센서 어셈블리 수단은 상기 표면 부분으로부터 대략 0.15 내지 0.4 인치(inch) 사이로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 각각의 센서 어셈블리 수단은 인접한 센서 어셈블리 수단과 같은 거리로 상기 구조물에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 각각의 센서 어셈블리 수단은 섬유 광학 동심 링 타입 센서, 백열 센서, 간섭성 광 센서, 비간섭성 광 센서 또는 다중 파장 센서로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 센서인 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 세개의 센서 어셈블리 수단은 상기 장착 구조물에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 상기 표면 부분에 공간적으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 복수개의 깎인 면을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 신호 처리 소프트웨어 수단은 타겟 인식 및 RPM 평가자, 각각의 센서 어셈블리 수단에 대응하는 복수개의 센서 평가자, 및 비틀림 커플러 평면 평가자를 포함하고,
    상기 타겟 인증 및 RPM 평가자는 컴퓨터적으로 각각의 타겟 마커 수단에 위치하고, 컴퓨터적으로 각각의 타겟 마커 수단의 각각의 깎인 면에 위치하여 반사 응답을 얻고 또한 커플러의 회전속도를 결정하며,
    각각의 센서 평가자는 컴퓨터적으로 각각의 광학 센서 어셈블리의 전압 응답으로부터 추정되는 상기 커플러와의 거리 및 적어도 두개의 직교 각도를 생성하며,
    상기 비틀림 커플러 평면 평가자는 상기 커플러의 배열을 결정하도록 상기 거리를 컴퓨터적으로 얻는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 제 1면, 제2 면, 제3 면, 제4 면 및 제5 면을 추가적으로 포함하고, 상기 제1 면, 제2 면, 및 제3 면으로부터 반사된 상기 광학 신호는 상기 축의 각도 변위와 대응하고, 상기 제4 면으로부터의 반사된 상기 광학 신호는 상기 커플러의 움직임의 중심축 내에서의 각도 변화와 대응하며, 상기 제5 면으로부터의 반사된 상기 광학 신호는 상기 커플러의 움직임에 수직한 상기 커플러의 중심축 내에서의 각도 변화에 대응하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 니켈 도금 알루미늄, 니켈, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 또는 티타늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 제1 표면 유리 거울 또는 제2 표면 유리 거울로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  12. 토크 커플러를 포함하는 움직이는 축 어셈블리를 위한 비접촉 거리 및 각도 측정 시스템에 있어서,
    상기 토크 커플러를 둘러싸고 또한 그에 인접한 구조물;
    상기 구조물 위에 또한 상기 토크 커플러에 근접하게 배열되는 감지를 위한 적어도 두개의 섬유 광학 수단;
    상기 토크 커플러의 표면에 연결된, 마킹을 위한 적어도 하나의 수단;
    감지를 위하여 각각의 섬유 광학 수단과 버스(bus)에 의해 연결되어 전기적인 제어를 하는 수단; 및
    전기적인 제어를 위한 수단 내에서 가동되고 저장되는 소프트웨어 신호 처리를 위한 수단;을 포함하고,
    각각의 감지를 위한 수단은 광학 신호를 상기 표면 부분으로 전달하고, 각각의 마킹을 위한 수단이 각각의 광학 센서 어셈블리를 통과할 때 각각의 마킹을위한 수단으로부터 반사된 광학 신호를 받으며, 또한 축의 특성에 맞는 정보를 상기 전기적인 제어를 위한 수단에 전달하여 상기 소프트웨어 신호 처리를 위한 수단에 의해 처리되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정 시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 각각의 감지를 위한 수단은 인접한 센서 어셈블리 수단과 같은 거리로 상기 구조물에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 각각의 감지를 위한 수단은 상기 표면 부분으로부터 대략 0.15 내지 0.4 인치(inch) 사이로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 각각의 감지를 위한 수단은 섬유 광학 동심 링 타입 센서, 백열 센서, 간섭성 광 센서, 비간섭성 광 센서 또는 다중 파장 센서로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 센서인 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 세개의 감지를 위한 수단은 상기 장착 구조물에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  17. 제 16항에 있어서, 각각의 마킹을 위한 수단은 상기 표면 부분에 공간적으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 각각의 마킹을 위한 수단은 복수개의 깎인 면을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 소프트웨어 신호 처리를 위한 수단은 타겟 인식 및 RPM 평가자, 각각의 센서 어셈블리 수단에 대응하는 복수개의 센서 평가자, 및 비틀림 커플러 평면 평가자를 포함하고,
    상기 타겟 인증 및 RPM 평가자는 컴퓨터적으로 각각의 마킹을 위한 수단에 위치하고, 컴퓨터적으로 각각의 마킹을 위한 수단의 각각의 깎인 면에 위치하여 반사 응답을 얻고 또한 커플러의 회전속도를 결정하며,
    각각의 센서 평가자는 컴퓨터적으로 각각의 감지를 위한 수단의 전압 응답으로부터 추정되는 상기 커플러와의 거리 및 적어도 두개의 직교 각도를 생성하며,
    상기 비틀림 커플러 평면 평가자는 컴퓨터적으로 상기 커플러의 배열을 결정하는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  20. 제 19항에 있어서, 각각의 마킹을 위한 수단은 제 1면, 제2 면, 제3 면, 제4 면 및 제5 면을 추가적으로 포함하고, 상기 제1 면, 제2 면, 및 제3 면으로부터 반사된 상기 광학 신호는 상기 축의 각도 변위와 대응하고, 상기 제4 면으로부터의반사된 상기 광학 신호는 상기 커플러의 움직임의 중심축 내에서의 각도 변화와 대응하며, 상기 제5 면으로부터의 반사된 상기 광학 신호는 상기 커플러의 움직임에 수직한 상기 커플러의 중심축 내에서의 각도 변화에 대응하며,
    상기 축의 각도 변위, 상기 커플러의 움직임의 중심축 내에서의 각도 변화, 및 상기 커플러의 움직임에 수직한 상기 커플러의 중심축 내에서의 각도 변화가 상기 축의 특성이 되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  21. 제 20항에 있어서, 각각의 마킹을 위한 수단은 니켈 도금 알루미늄, 니켈, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 또는 티타늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  22. 제 21항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 제1 표면 유리 거울 또는 제2 표면 유리 거울로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학적인 거리 및 각도 측정시스템.
  23. 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정 방법에 있어서,
    상기 축 어셈블리에 구조물을 상기 축 어셈블리 주위에 또한 상기 축 어셈블리에 인접하게 배열되도록 장착하는 단계;
    적어도 하나의 광학 센서 어셈블리 수단을 상기 장착 구조물에 위치시키는 단계;
    적어도 하나의 타겟 마커 수단을 상기 축 어셈블리의 표면 부분에 연결하는 단계;
    통신 버스(bus)에 의해 각각의 광학 센서 어셈블리와 통신하도록 제어 전자시스템을 사용하고, 여기서 각각의 광학 센서 어셈블리 수단은 상기 표면 부분으로 광학 신호를 전달하고, 각각의 타겟 마커 수단이 각각의 광학 센서 어셈블리 수단을 통과할 때 각각의 타겟 마커 수단으로부터 반사되는 광학 신호를 수용하며, 상기 축의 특성에 대응하는 정보를 생성하고, 상기 정보를 상기 제어 전자시스템에 전달하는 단계; 및
    상기 제어 전자시스템 내에서 가동되고 저장되는 신호 처리를 하는 소프트웨어 수단이 정보처리를 위하여 상기 제어 전자시스템으로부터 정보를 받도록 하는 단계;를 포함하는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정방법
  24. 제 23항에 있어서, 각각의 센서 어셈블리 수단은 상기 표면 부분으로부터 대략 0.15 내지 0.4 인치(inch) 사이로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정방법.
  25. 제 24항에 있어서, 각각의 타겟 마커 수단은 상기 표면 부분에 공간적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정방법.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 축의 측성에 대응하는 정보를 생성하는 단계는 상기축 어셈블리 내의 축의 각도 변위에 대응하는 정보를 생성하고, 상기 축 어셈블리의 움직임의 중심축 내의 각도 변화에 대응하는 정보를 생성하며, 상기 축의 회전에 수직인 상기 축의 중심축 내의 각도 변화에 대응하는 정보를 생성하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정방법.
  27. 움직이는 축을 갖는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정 시스템에 있어서,
    상기 축을 둘러싸고 상기 축에 인접하게 배열되며, 상기 축 어셈블리에 장착되는 구조물;
    상기 장착 구조물에 연결되며, 각각이 상기 구조물 위에 같은 간격으로 배열되는 적어도 하나의 섬유 광학 센서 수단;
    상기 축의 표면 부분에 연결되는 적어도 하나의 반사 수단;
    통신 버스(bus)에 의해 각각의 센서 수단과 연결되며, 여기서 각각의 센서 수단은 상기 표면 부분으로 신호를 전달하고, 각각의 반사 수단이 각각의 센서 수단을 통과할 때 각각의 반사 수단으로부터 반사되는 적어도 하나의 신호를 수용하고, 상기 축의 특성에 대응하는 정보를 생성하게 되어, 상기 정보가 전달되는 제어 전자 수단; 및
    상기 제어 전자 수단 내에서 가동되고 그에 저장되며, 정보처리를 위하여 상기 제어 전자 수단으로부터 정보를 받는 소프트웨어 수단을 포함하는 움직이는 축을 갖는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정 시스템.
  28. 제 25항에 있어서, 각각의 센서 수단은 상기 표면 부분으로부터 대략 0.15 내지 0.4 인치(inch) 사이로 이격되어 위치하고, 각각의 타겟 마커 수단은 상기 표면 부분에 공간적으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 움직이는 축을 갖는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정 시스템.
  29. 제 26항에 있어서, 상기 정보는 상기 축 어셈블리 내의 상기 축의 각도 변위, 상기 축의 변위의 중심축 내의 각도 변화, 및 상기 축의 변위에 수직인 상기 축의 중심축 내의 각도 변화에 대응하는 것을 특징으로 하는 움직이는 축을 갖는 축 어셈블리를 위한 거리 및 각도 측정 시스템.
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