KR20040093867A - 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향방출(AE) 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치에 관한 것으로, 회전체에 부착되어 미소한 신호를 검출하는 AE센서와; 상기 AE센서에서 검출된 신호를 증폭시키는 증폭기와, 상기 증폭기에 의하여 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하여 필터링하는 밴드패스필터와, 상기 밴드패스필터에서 출력되는 교류신호를 아날로그 신호로 변환하는 RMS컨버터와, 상기 아날로그 신호를 펄스파 주파수로 변환하는 V/F컨버터와, 상기 V/F컨버터에서 출력되는 신호를 증폭하는 버퍼, 그리고 상기 버퍼에 의하여 ON/OFF되어 광신호를 발생하는 발광다이오드로 구성되는 송신장치와; 상기 발광다이오드의 광신호에 따라 도통되는 포토트랜지스터와, 상기 포토트랜지스터에서 출력되는 신호가 일정 전압레벨의 범위에 존재할 때 동작하는 쉬미트 트리거와, 상기 쉬미트 트리거에서 출력된 신호를 펄스파 주파수로 출력하는 논리회로, 그리고 상기 논리회로에서 출력된 주파수에 따라 등가의 아날로그 전압으로 변환시키는 F/V컨버터로 이루어지는 수신장치와; 상기 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터로 전달하는 A/D컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치{An wireless transmitting transceiver by Acoustic Emission signal}

본 발명은 음향방출(Acoustic Emission: AE) 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전하는 공구홀더 또는 회전구조물에 부착된 AE센서로부터 검출되는 미소한 신호를 광신호로 변환하여 무선으로 전송할 수 있도록 구성되는 장치를 제공하고자 한다.

일반적으로 선반이나 밀링, 드릴링, 연마 등과 같은 공작기계를 이용한 가공공정에서의 가공상태를 감시하기 위하여 AE센서를 주로 사용하고 있다. 상기 AE센서는 부착되는 위치에 따라 감지되는 신호의 감도가 많은 차이를 보인다. 따라서, 정확한 측정을 위하여 상기 AE센서를 측정하고자 하는 부위에 근접하도록 부착하게 되는 것이 일반적이다. 즉, 가공물이나 고정지그 등에 AE센서를 직접 부착하여 신호를 검출하고 있는 실정이다. 이와 같이, 가공물이나 고정지그에 직접 AE센서를 부착하는 것은 정확하고 신뢰성있는 신호를 검출하는데 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 형태의 방법이 사용되고 있다.

예를 들면, 공구홀더 또는 회전되는 구조물에 센서를 직접 부착하여 검출된 신호를 슬립링을 사용하여 유선상으로 신호를 전송하는 방법이 사용되기도 한다. 그러나, 이러한 슬립링은 브러시와의 접촉으로 인한 마찰이 생겨 마찰열이 발생하게 된다. 상기 마찰열로 인하여 센서에서 검출된 미소한 아날로그 신호가 전송되는 과정에서 노이즈에 의해 원신호가 정확하게 전달되지 못하는 단점이 있다. 또한, 무선주파수(Radio Frequency:RF)모듈을 이용하여 무선으로 신호를 전송하는 방법이 널리 사용되고 있지만, 주위환경의 영향을 받기 쉬워 신뢰성있는 신호를 전송하는데 한계가 따른다.

그래서, 최근에는 가공물이나 고정지그 등에 여러 개의 AE센서를 부착한 후에 각각의 AE센서에서 출력된 신호를 다양하게 처리하여 가공상태를 감시하고 있다. 예를 들면, 뉴럴 네트워크(Neural Network)나 웨이브렛(Wavelet) 등을 이용하여 검출된 신호를 분석하여 가공상태를 감시하고 있는 실정이다. 그러나, 상술한 바와 같이 여러 개의 AE센서를 구성하는 것은 구조가 복잡할 뿐만 아니라, 과다한 비용을 지출하게 되는 단점이 야기된다는 것은 자명하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 여러 가지 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 회전하는 회전축 또는 공구홀더 등에 직접 부착되는 AE센서에서 검출된 신호를 광신호로 변환하여 무선으로 송수신할 수 있도록 구성되는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 의한 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치의 시스템 구성을 보이기 위한 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치의 부분단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 송신장치의 발광다이오드의 배치를 보이기 위한 저면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 수신장치의 포토트랜지스터의 배치를 보이기 위한 평면도.

도 5는 본 발명에 의한 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치의 시스템을 보이기 위한 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 ..... 회전축 8 ..... 가공물

10 ..... 송신장치 11 ..... 증폭기

12 ..... 발광다이오드 13 ..... 밴드패스필터

15 ..... RMS컨버터 17 ..... V/F컨버터

19 ..... 버퍼 20 ..... 수신장치

21 ..... 쉬미트 트리거 22 ..... 포토트랜지스터

23 ..... 논리회로 25 ..... F/V컨버터

30 ..... A/D컨버터 40 ..... 컴퓨터

S ..... AE센서

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 음향방출(AE) 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치는, 회전체에 부착되어 미소한 신호를 검출하는 AE센서와; 상기 AE센서에서 검출된 신호를 증폭시키는 증폭기와, 상기 증폭기에 의하여 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하여 필터링하는 밴드패스필터와, 상기 밴드패스필터에서 출력되는 교류신호를 아날로그 신호로 변환하는 RMS컨버터와, 상기 아날로그 신호를 펄스파 주파수로 변환하는 V/F컨버터와, 상기 V/F컨버터에서 출력되는 신호를 증폭하는 버퍼, 그리고 상기 버퍼에 의하여 ON/OFF되어 광신호를 발생하는 발광다이오드로 구성되는 송신장치와; 상기 발광다이오드의 광신호에 따라 도통되는 포토트랜지스터와, 상기 포토트랜지스터에서 출력되는 신호가 일정 전압레벨의 범위에 존재할 때 동작하는 쉬미트 트리거와, 상기 쉬미트 트리거에서 출력된 신호를 펄스파 주파수로 출력하는 논리회로, 그리고 상기 논리회로에서 출력된 주파수에 따라 등가의 아날로그 전압으로 변환시키는 F/V컨버터로 이루어지는 수신장치와; 상기 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터로 전달하는 A/D컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 AE센서가 부착되는 회전체는, 회전축 또는 회전구조물이나 공구홀더를 포함하며, 상기 AE센서는 상기 회전축 또는 회전구조물이나 공구홀더 중에서 어느 한 부위에 선택적으로 부착시킬 수 있다.

그리고, 상기 AE센서는 압전소자를 이용한 센서로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 증폭기는 AE센서를 통하여 입력된 고임피던스 신호를 저임피던스 신호로 변환하는 전하증폭기와, 상기 전하증폭기에서 출력된 신호의 전압을 증폭시키는 전압증폭기를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 발광다이오드 및 포토트랜지스터는 회전체의 직경이나 크기에 따라 다수개를 일정한 간격으로 배치되게 구성할 수 있다. 또한, 상기 다수개의 발광다이오드는 버퍼에 의하여 동시에 ON/OFF가 가능하도록 구성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 회전하는 공구홀더나 회전구조물 등에 직접 부착된 AE센서를 통해서 신호를 검출하는 것에 의하여 신뢰성있는 신호를 가장 효과적으로 검출하는 것이 가능하게 된다.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 음향방출(AE) 신호를 무선으로 송수신하여 처리하기 위한 시스템의 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시한 무선 송수신장치의 부분단면도를 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 음향방출(AE) 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치는, AE센서(S)와, 송신장치(10), 그리고, 수신장치(20)를 포함하여 구성된다. 상기 AE센서(S)는 회전하는 회전체인 공구홀더(4)에 장착되어 있다. 상기 AE센서(S)는 회전하는 회전축(2)이나 송신장치(10)의 일측에 부착시키는 것도 가능함은 물론이다.

그리고, 상기 송신장치(10)는, 회전축(2)에 장착되고 다수개의 발광다이오드(12)가 부착되어 있다. 그리고, 상기 송신장치(10)의 외부에는 외주연을 따라 성형된 홈에 슬립링(6)이 부착되어 있다. 상기 슬립링(6)은 회전축(2)이 회전함과 동시에 회전하게 되는 송신장치(10)가 회전할 때 회전하게 된다. 이 때, 수신장치(20)의 몸체에 고정되어 있는 브러시 지지대(5)의 내벽에 구성되어 있는 브러시(7)가 회전되는 슬립링(6)과 접촉되는 것에 의하여 전원부(P)를 통하여 외부에서 공급되는 전원을 송신장치(10)로 공급하게 된다. 상기 발광다이오드(12)는 송신장치(10)의 크기, 회전축(2) 또는 회전구조물의 직경에 따라 배치되는 간격 및 형태, 그리고 개수가 결정되는데, 도 3에 도시한 실시예와 같이, 6개가 60°간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 상기 발광다이오드(12)는 고휘도로 주변광에 의한 영향을 적게 받으며, 광의 지향특성 반각은 15˚이다.

한편, 상기 송신장치(10)의 발광다이오드(12)로부터 광신호를 수신하는 수신장치(20)는, 고정지지대(1)에 부착된다. 그리고, 상기 수신장치(20)는, 수광부인 다수개의 포토트랜지스터(22)가 저면에 구성되고, 일측에 DC-DC컨버터(3)를 포함하고 있다. 상기 포토트랜지스터(22)는, 도 4에 도시한 바와 같이 일정한 간격으로 배치되어 있다. 예를 들면, 5개의 포토트랜지스터(22)가 12°간격으로 배치되어 있다. 이는, 상기 포토트랜지스터(22)는 도 3에 예시한 발광다이오드(12)의 배치형태 및 개수에 따라 배열된 것이다. 따라서, 상기 발광다이오드(12)의 배열형태 및 개수가 달리 이루어지는 경우에는 포토트랜지스터(22)의 배치형태 및 개수도 달라지는 것이 바람직하다. 이러한 상기 포토트랜지스터(22)는 광의 지향특성 반각이 6°이고, 주파수 특성이 약300㎑이며, 발광다이오드(12)가 ON/OFF되면서 광을 발산할 때, 그 광신호에 따라 도통하게 된다.

상술한 송신장치(10) 및 수신장치(20)는, 전원부(P)를 통하여 공급된 전원을DC-DC컨버터(3)에 의하여 필요한 전압으로 변환되어 안정화된 상태로 공급받게 된다.

상술한 바와 같이 구성되는 무선 송수신장치에 의하여 고정지그(9)에 의하여 고정되어 가공되는 가공물(8)에서 발생되는 AE신호를 AE센서(S)에 의하여 검출하여 컴퓨터(40)를 이용하여 분석 및 진단하여 가공물(8)을 감시할 수 있게 하는 무선송수신장치의 시스템에 대하여 도 5를 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.

도시한 바와 같이, 고정지그(9)에 고정된 가공물(8)이 내부나 외부의 힘에 의하여 가공되는 과정에서 소성변형, 균열, 파괴가 일어날 때 발생되는 미소한 AE신호를 AE센서(S)를 이용하여 검출한다. 상기 AE신호는 고체상태의 재료가 소성변형이나 파괴될 때 발생되는 탄성에너지가 음파의 형태로 고체를 통해 전송되는 파이다. 이러한 AE신호는, 기계가공시 공구와 가공물(8) 사이의 상호작용으로 발생되며, 가공부하의 크기 및 재료의 특성에 따라 AE신호의 크기가 달라진다. 이 때, AE신호를 검출함에 있어서, AE센서(S)를 이용하여 외부에서 충격이 가해지면 전하가 발생되는 압전소자(PTZ)를 이용한 센서를 사용할 수도 있다. 상기 AE센서(S)를 통하여 검출된 신호는 송신장치(10)에서 광신호로 변환된다.

상기 송신장치(10)에서 광신호로 변환되는 과정을 살펴보면, 상기 AE센서(S)에 의해 검출된 미소한 신호는 증폭기(11)에 의하여 증폭된다. 이 때, 상기 증폭기(11)는, AE센서(S)를 통하여 입력된 미소한 전하를 전하증폭기(도시 생략)에 의해 증폭시키게 된다. 예를 들면, 상기 전하증폭기(도시 생략)에 의하여 수㎷에서 수십㎷의 고주파 AE신호를 수배에서 수십배로 증폭하게 된다. 그리고, 상기 전하증폭기(도시 생략)에서 출력된 신호의 전압을 전압증폭기(도시 생략)를 통하여 수십배에서 수백배로 다시 증폭시키게 된다. 이는, AE센서(S)에서 검출된 신호는 일반적으로 고임피던스이며 아주 미약한 전하가 검출되므로 신호의 손실과 노이즈를 최소화시키기 위해서는 고임피던스를 저임피던스로 바꾸고 적당한 크기로 신호를 증폭시켜 주야야 되는 것에 기인한다.

상기 증폭기(11)를 통하여 증폭된 신호는 밴드패스필터(13)에 의해 노이즈가 제거되어 필요한 영역의 신호만을 필터링하게 된다. 즉, 일반적으로 기계가공에서 발생되는 AE신호는 20㎑에서 500㎑이내이므로 밴드패스필터(13)를 통하여 불필요한 노이즈 주파수 성분을 제거시키게 되는 것이다.

다음에는, RMS컨버터(15)에 의해 상기 밴드패스필터(13,Band Pass Filter:BPF)에서 추출된 고주파의 교류신호를 저주파의 직류신호로 변환시키게 되고, 상기 RMS(Root Mean Square)컨버터(15)에서 출력된 신호를 V/F컨버터(17)를 통해 아날로그 신호에 해당하는 0V와 5V의 펄스파 주파수로 변환하게 된다.

이렇게 하여 주파수로 변환된 신호는 버퍼(19)로 인가되어 여러 개의 발광다이오드(12)를 동시에 동작시키게 된다. 이 때, V/F컨버터(17)에서 출력된 신호는 여러 개의 발광다이오드(12)를 동작시키기에는 전류가 부족함으로 전압의 크기는 같고 전류만 증폭되는 버퍼(19)를 통하여 상기 발광다이오드(12)를 ON/OFF시키면서 광신호를 발생하게 되는 것이다.

다음에는 상술한 송신장치(10)에서 발생된 광신호를 수신하여 처리하는 수신장치(20)의 동작에 대하여 설명하고자 한다.

우선, 발광다이오드(12)에서 발생된 광신호는 포토트랜지스터(22)에 의해 수신하며, 광의 주파수에 따라 도통하여 펄스파 주파수로 출력된다. 회전체에 부착되어 있는 송신장치(10)에 장착된 상기 발광다이오드(12)는 여러개 중에서 항상 한개는 회전중에 일렬로 배치된 포토트랜지스터(22)와 광신호의 송수신이 이루어진다. 상기 포토트랜지스터(22)에 의하여 수신된 광신호에 실린 노이즈 및 전압레벨의 변동을 쉬미트 트리거(21)에 의하여 제거하여 깨끗한 파형으로 변화시킨다. 상기 쉬미트 트리거(21)를 통하여 파형이 정형화되면 송신장치(20)에서 출력되는 신호들을 동시에 인식시킬 수 있도록 논리회로(23)에 의하여 주파수 형태로 출력하여 F/V컨버터(25)를 이용하여 아날로그 형태의 신호로 변환시킨다.

상기 수신장치(20)에서 아날로그 형태의 변환된 신호는 A/D컨버터(30)에 의하여 디지털 신호로 변환된 후에 컴퓨터(40)로 전달되어 분석 및 진단을 통하여 가공물(8)의 상태에 대한 감시가 이루어지게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 광신호에 의하여 무선으로 이루어지는 송수신장치는 송신장치 및 수신장치 간의 신호를 송수신하는 주파수 특성은 약3㎑, 장치간의 거리는 10㎜이하에서 서로 주고받는 것이 가장 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의하여 해석되어야 한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 회전하는 공구홀더나 회전축등과 같은 회전체에 AE센서를 부착함으로써 거리에 따라 민감하게 변화되는 AE신호를 효과적으로 검출하는 것이 가능하고, 검출된 신호를 광신호로 변환하여 무선으로 송수신하는 것에 의하여 신뢰성있는 신호처리가 가능하다는 이점이 있다.

그리고, AE센서를 가공물에 근접하도록 부착시키는 것에 의하여 미소한 신호를 검출하는 것이 가능하여 정확한 신호를 처리할 수 있게 되는 장점이 기대된다.

Claims (11)

1. 회전체에 부착되어 가공물에서 발생되는 음향방출 신호를 검출하는 AE센서와;

   상기 AE센서에서 검출된 신호를 증폭시켜 필터링하고, 아날로그 전압을 주파수로 변환하고, 상기 주파수를 버퍼에 의하여 증폭된 신호에 의하여 광신호를 발생하는 발광다이오드를 포함하는 송신장치; 그리고,

   상기 발광다이오드의 광신호를 수신하여 F/V컨버터에 의하여 주파수를 아날로그 전압으로 변환시키는 수신장치;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 수신장치에서 출력되는 아날로그 전압은, 추가로 구성되는 A/D컨버터에 의하여 디지털 신호로 변환되어 컴퓨터로 전달되고, 가공물의 분석 및 진단, 감시가 상기 컴퓨터에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 AE센서는, 회전축 또는 회전구조물이나 공구홀더 중 선택적으로 부착가능한 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 AE센서는 압전소자를 이용한 센서인 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 송신장치는,

   AE센서에서 검출된 신호를 증폭시키는 증폭기와,

   상기 증폭기에 의하여 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하여 필터링하는 밴드패스필터와,

   상기 밴드패스필터에서 출력되는 교류신호를 아날로그 신호로 변환하는 RMS컨버터와,

   상기 아날로그 신호를 펄스파 주파수로 변환하는 V/F컨버터와,

   상기 V/F컨버터에서 출력되는 신호를 증폭하는 버퍼, 그리고

   상기 버퍼에 의하여 ON/OFF되어 광신호를 발생하는 발광다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 송신장치는 외주연을 따라 성형된 홈에 슬립링이 부착되고, 브러시 지지대의 내벽에 구성되어 있는 브러시가 회전되는 상기 슬립링과 접촉되는 것에 의하여 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
7. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 발광다이오드는, 6개가 60°간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
8. 제 5항에 있어서, 상기 증폭기는,

   AE센서를 통하여 입력된 고임피던스 신호를 저임피던스 신호로 변환하는 전하증폭기와,

   상기 전하증폭기에서 출력된 신호의 전압을 증폭시키는 전압증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 수신장치는,

   발광다이오드의 광신호에 따라 도통되는 포토트랜지스터와,

   상기 포토트랜지스터에서 출력되는 신호가 일정 전압레벨의 범위에 존재할 때 동작하는 쉬미트 트리거와,

   상기 쉬미트 트리거에서 출력된 신호를 펄스파 주파수로 출력하는 논리회로, 그리고

   상기 논리회로에서 출력된 주파수에 따라 등가의 아날로그 전압으로 변환시키는 F/V컨버터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 포토트랜지스터는, 5개가 12°간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.
11. 제 1항에 있어서, 상기 송신장치 및 수신장치는, 신호를 송수신하는 주파수 특성은 약3㎑, 장치간의 거리는 10㎜이하에서 송수신이 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향방출 신호를 전송하기 위한 무선 송수신장치.