KR20040101182A - 초음파 도플러 효과 속도 측정 기구 - Google Patents

Abstract

초음파 변환기는 초음파 신호원을 갖는 송신기에 연결된다. 수신 초음파 변환기는 프리앰프 및 믹서에 연결된다. 믹서는 복조기 및 필터에 더 연결되며, 이는 다시 앰프 및 비교기에 연결된다. 비교기 출력은 제어기에 연결되며, 제어기는 비교기 출력 신호의 에지 검출을 수행한다. 송신기는 물체로부터 수신 변환기로 반사되는 초음파 에너지를 생성한다. 송신된 초음파 에너지와 반사된 초음파 에너지 사이의 주파수 편이(shift)는 도플러 효과를 사용하여 물체의 속도를 판정하는 데 이용된다. 주파수 검출은 송신 및 반사 초음파 신호를 믹싱하여 맥놀이 주파수 신호를 생성함으로써 개선된다.

Description

초음파 도플러 효과 속도 측정 기구{ULTRASONIC DOPPLER EFFECT SPEED MEASUREMENT}

완구 또는 오락 장치 산업에서는, 이동하는 물체를 측정할 필요가 종종 대두된다. 물체의 속도를 측정할 필요가 대두되는 통상적인 환경은 장난감 자동차 놀이 세트에서 찾아볼 수 있다. 역사적으로, 이러한 목적을 위해서는 복수 구간에 이격된 스위치(plural spaced apart switches)나, 적외선 또는 초음파 탐지기 등의 기구가 이용되어 왔다. 이러한 기초적인 기구는, 움직이는 장난감 자동차가 제1 및 제2의 센서 또는 스위치와 마주치는 시점 사이의 시간 간격을 측정함으로써 동작한다.

이러한 기구는 다수의 응용 장치에서 상업적인 성공을 거두었으나, 그럼에도 불구하고 본 기술 분야에서는 완구 또는 오락 장치에 이용하는 데 적합하고, 더욱 저렴하며 정교한 속도 측정 기구에 대한 필요가 지속적으로 존재한다.

본 발명은 일반적으로 물체의 속도 측정 기구에 관한 것이며, 구체적으로는 완구 또는 오락 장치 등의 응용 장치에 적합한 저렴한 속도 측정 기구에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 제작된 속도 측정 기구의 블록도.

도 2는 본 발명의 속도 측정 기구의 구성도.

따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 개선된 속도 측정 기구를 제공하는 것이다. 본 발명의 더욱 구체적인 목적은, 비용 및 복잡도 면에서 완구 또는 오락 장치 환경에 이용하기에 적합한, 개선된 속도 측정 기구를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이동하는 물체의 속도를 측정하는 데 이용되는 속도 측정 기구가 제공되며, 이는 초음파 에너지를 생성하기 위한 출력 신호원(output signal source) 및 송신 변환기(transmitting transducer)를 구비한 초음파 송신기와; 물체로부터 반사된 초음파 에너지를 수신하여 반사 신호(reflected signal)를 생성하기 위한 수신 변환기(receiving transducer)를 구비한 초음파 수신기와; 반사 신호와 출력 신호간의 맥놀이 주파수 신호(beat frequency signal)를 생성하는 믹서(mixer)와; 맥놀이 주파수 신호의 주파수를 판정하기 위한 제어기와; 맥놀이 주파수 신호의 주파수로부터 유도된 속도값을 디스플레이하기 위한 디스플레이 수단을 포함한다.

신규한 것으로 간주되는 본 발명의 특징은 첨부된 청구항에 구체적으로 개시되어 있다. 본 발명과 그 목적 및 장점은 이하의 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있으며, 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따라 제작된 속도 측정 기구의 블록도이며, 전체적으로 참조 번호 10으로 표시된다. 속도 측정 기구(10)는 압전(piezoelectric) 변환기(12)에 연결된 초음파 송신기(11)를 포함한다. 음향 측정 기구(10)는 수신 변환기(13)를 더 포함하며, 이 변환기(13)는 믹서(15)에 연결된 동조 대역 통과 프리앰프(tuned bandpass preamplifier)(14)에 연결된다. 송신기(11)는 또한 믹서(15)에 연결된다. 믹서(15)의 출력은 필터(17) 및 앰프(18)에 연결된 복조기(demodulator)(16)에 연결된다. 비교기(19)는 앰프(18) 및 제어기(20)에 연결된다. 제어기(20)는 또한 비교기(19)에 연결된다. 디스플레이(21)는 제어기(20)에 동작적으로 연결되며, 이에 의해 제어된다.

동작시에, 송신기(11)는 예컨대 40㎑의 초음파 주파수 신호를 생성함으로써 압전 변환기(12)에 에너지를 가하여, 변환기(12)로부터 외부로 투과되는 초음파 에너지파(ultrasound energy wave)(30)를 생성하도록 한다. 소정의 지점에서, 초음파 에너지파(30)는 이동하는 물체(31)에 충돌하여 그로부터 반사됨으로써 반사 초음파 에너지파 스트림(stream)(32)을 형성한다. 반사파(32)는 수신 압전 변환기(13)에 충돌하여, 프리앰프(14)에 연결되는 대응 전기 신호를 생성한다. 프리앰프(14)의 대역 통과 동조(bandpass tuning)에 따라, 변환기(13)에서 수신된 에너지 중 변환기(12)로부터 송신된 40㎑의 주파수 또는 이에 근접한 주파수는 프리앰프(14) 내에서 다른 주파수보다 상당히 큰 정도로 증폭된다.

송신기(11)가 생성한 40㎑ 신호의 일부는 믹서(15)에 결합된다. 믹서(15)는 송신기(11)가 제공하는 샘플 신호와 프리앰프(14)로부터의 증폭된 신호 사이의 차이와 동일한 주파수를 갖는 신호 성분을 포함하는 출력 신호를 생성한다. 프리앰프(14)의 출력과 송신기(11)로부터의 샘플 사이의 주파수 차이의 정도는, 주지된 도플러 효과(doppler effect)로 인해 물체(31)의 이동 속도에 대응된다. 본질적으로, 도플러 효과는 이동하는 물체로부터의 반사파의 주파수가 물체의 이동 방향에 따라 더 높아지거나 낮아지도록 한다. 따라서, 반사파(32)와 송신파(30) 사이의 주파수 차이는 물체(31)의 이동 속도에 따라 달라진다.

주파수 차이는 종종 "맥놀이 주파수(beat frequency)"로 일컬어지며, 이는 믹서(15)에서 생성되고, 믹서 출력 신호의 포락선(envelope) 검출을 수행하는 복조기(16)에 인가된다. 필터(17)는 잡음 등의 간섭으로 인한 신호 성분을 감소시키는 동시에, 포락선 신호(envelope signal)를 앰프(18)에 연결시킨다. 앰프(18)로부터의 증폭된 신호 출력은 비교기(19)의 한 쪽 입력에 인가된다.

내부에 교정 전원(calibrating voltage source)을 갖는 제어기(20)는 교정 전압을 비교기(19)의 나머지 입력에 인가시킨다. 비교기(19)의 출력은 제어기(20)에 인가되며, 앰프(18)의 출력 신호의 영점 교차(zero crossing) 또는 분할(sliced) 부분을 포함한다. 비교기(19)의 출력 신호 내의 중요한 성분은 크게 증폭된 맥놀이 주파수 신호의 상승 에지(leading edge) 및 하강 에지(trailing edge)에 있다. 제어기(20)는 에지 검출기(edge detector) 및 타이밍 회로(timing circuit)를 포함하며, 비교기(19)로부터의 출력 신호 내의 상승 및 하강 에지(미리 설정된 타이밍 간격 동안 발생함)를 세어 그 출력 신호의 주파수를 판정한다. 이러한 방식으로, 제어기(20)는 비교기 출력 신호의 주파수 검출을 수행한다. 완구 또는 오락 장치 환경에서 사용되는 본 발명의 속도 측정 기구의 통상적인 응용예에서는, 맥놀이 주파수 신호가 100㎐ 내지 3㎑ 사이에 있게 되는 경우의 속도가 물체(31)의 속도인 것으로 예상한다. 따라서, 제어기(20)에서 에지의 수를 세는 데 있어 선택된 타이밍 간격은, 이러한 주파수 신호에 대해 주파수 검출을 정확히 수행하기에 충분하다. 제어기(20)는 또한 맥놀이 주파수 신호의 주파수 검출 결과를 디스플레이(21)상에 디스플레이되는 숫자 표시로 변환시킨다. 본 발명의 실시예에서, 디스플레이(21)는 통상의 LCD 다중 세그먼트 디스플레이(multiple segment display)를 포함한다.

본 발명의 속도 측정 기구는 보다 정교한 시스템의 도플러 레이더와 유사한 기술을 이용한다. 그러나 본 발명의 시스템은 완구 또는 오락 장치 환경에 사용하기에 적합한, 실질적으로 저렴하고, 더욱 실용적이며 더욱 안전한 기구를 제공한다.

도 2는 전체적으로 참조 번호 10으로 표시되는 본 발명의 속도 측정 기구의 구성도를 도시하고 있다. 상기한 바과 같이, 기구(10)는 출력 변환기(12)를 구비한 송신기(11)를 포함한다. 기구(10)는 수신 변환기(13)가 연결된 프리앰프(14)를 더 포함한다. 기구(10)는 또한 복조기(16) 및 필터(17)에 연결된 믹서(15)를 더 포함한다. 필터(17)는 비교기(19)에 연결된 앰프(18)에 연결된다. 제어기(20)는 비교기(19)에 인가되는 동적 기준 전압(dynamic reference voltage)을 생성하고, 에지 검출을 수행하기 위한 기구를 포함하며, 액정 디스플레이(21)상에 디스플레이하기 위한 물체 속도의 숫자 표시를 생성한다.

더욱 구체적으로, 송신기(11)는 초음파 응용 장치에 적합한 예컨대 40㎑의주파수를 갖는 주기적인 펄스 신호를 생성하는 통상적인 구성의 자주(自走) 멀티바이브레이터(free running multi vibrator)를 포함한다. 멀티바이브레이터가 생성한 초음파 신호는 트랜지스터 스테이지(transistor stage)(24)에 의해 증폭되고, 변환기(12)에 연결된다.

프리앰프(14)는 수신 변환기(13)로부터 입력 신호를 수신하는 한 쌍의 AC 결합 이득 스테이지들(AC coupled gain stages)(40 및 41)을 포함한다. 40㎑ 주파수의 한 쪽으로 동조된 노치 필터(notch filter)(42)는 이득 스테이지(41) 및 이득 스테이지(40)의 출력 사이에 연결되어 네거티브 피드백(negative feedback)을 제공한다. 스테이지들(40 및 41) 사이에서의 네거티브 피드백을 위해 노치 필터를 사용함으로써, 이득 스테이지들(40 및 41)을 조합한 것의 노치 주파수에서 전체적인 대역 통과 응답을 생성한다.

결합 커패시터(coupling capacitor)(43)는 프리앰프 이득 스테이지(41)로부터의 증폭된 신호를 믹서 트랜지스터(50)의 베이스(52)에 결합시킨다. 트랜지스터(50)의 이미터(51)는 트랜지스터(11) 내의 멀티바이브레이터에 연결된다. 결과적으로, 트랜지스터(50)는 베이스(52) 및 이미터(51)에 인가된 신호들에 대하여 믹싱 동작을 수행함으로써, 두 입력 사이의 맥놀이 신호 차이를 포함하는 출력을 콜렉터(53)에 생성시킨다.

다이오드(54) 및 저역 통과 필터(55)의 조합은 맥놀이 주파수 신호에 대하여 포락선 검출을 수행한다. 포락선이 검출된 신호는 노치 필터(17)에 연결된 이득 스테이지(60)에 인가된다. 노치 필터(17)는 필터(55) 및 이득 스테이지(60)의, 포락선이 검출된 출력 내에서 40㎑ 신호의 나머지(remnant)를 실질적으로 감소시킨다. 필터(17)의 필터링된 출력 신호는 앰프(18)에 의해 증폭되고, 비교기(19)의 입력(23)에 인가된다. 비교기(19)의 나머지 입력(22)은 제어기(20)가 생성한 동적 제어 전압에 연결된다. 입력(23)에 인가된 포락선 신호에 응답하여, 앰프(19)는 분할된 또는 크게 증폭된 출력 신호를 비교기(19)의 출력(24)에 생성시킨다. 이 출력 신호가 제어기(20)에 인가되면, 제어기(20)는 인가된 신호의 에지 검출을 수행하고, LCD 디스플레이(21) 상의 숫자 디스플레이로 변환되는 주파수 표시값을 생성한다. 크리스탈(crystal)(23)은 제어기(20)에 동작적으로 결합되어, 제어기(20)의 내부 클록 및 타이밍 기구를 위한 정확한 기준을 제공한다. 다수의 장치가 제어기(20)에 사용될 수 있지만, Atmel 사가 제조한 장치 번호 AT90S2313인 제어기를 이용하는 것이 유리하다. 제어기(20)의 유연성을 더욱 향상시키기 위해, 액세스 플러그(70)가 제어기(20)에 연결되어 업데이트나 재프로그래밍 등을 위한 코드를 제어기(20)로 다운로드하는 데 이용되는 입력 플러그(도시되지 않음)의 접속을 용이하게 한다.

지금까지 안전한 기술과 저렴한 구성요소를 이용하여 상대적으로 정확한 속도 측정을 가능하게 하는 신규하고 저렴한 초음파 도플러 효과 속도 측정 기구에 대하여 설명하였다.

본 발명의 특정 실시예를 설명하고 도시하였지만, 본 기술 분야의 당업자는 이에 대한 변경 및 수정이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 더 넓은 양태로 이루어질 수 있음을 알 수 있다. 따라서 첨부된 청구항의 목표는 이러한 변경 및 수정사항을 모두 포괄하여 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 포함시키도록 하는 것이다.

Claims (1)

1. 이동하는 물체의 속도를 측정하는 데 이용되는 속도 측정 기구로서,

   초음파 에너지를 생성하기 위한 출력 신호원 및 송신 변환기(transmitting transducer)를 구비한 초음파 송신기;

   물체로부터 반사된 초음파 에너지를 수신하여 반사 신호를 생성하기 위한 수신 변환기(receiving transducer)를 구비한 초음파 수신기;

   상기 반사 신호와 상기 출력 신호간의 맥놀이 주파수 신호를 생성하는 믹서;

   상기 맥놀이 주파수 신호의 주파수를 판정하는 제어기; 및

   상기 맥놀이 주파수 신호의 상기 주파수로부터 유도된 속도값을 디스플레이하는 디스플레이 수단

   을 포함하는 속도 측정 기구.