KR20050041781A - Self-sensing actuator utilizing potical fiber and piezoelectric material and operating method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구조물의 진동을 감지하고 동시에 제어력을 가할 수 있는 감지 작동기(sensoriactuator)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 외인성 패브리-페롯(EFPI, Extrinsic Fabry-Perot Interferometer) 광섬유 센서에 제어력을 가할 수 있는 압전 재료를 더 결합하여 구성하고, 또한 압전 재료를 작동기로 사용할 때 방향성 정보를 추출하기 위한 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 포함하여 구성함으로써, 감지 가능한 변형량의 범위를 확대하고 감지된 신호를 바탕으로 작동기로 바로 사용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유와 압전 재료를 이용한 감지작동기 및 그 작동 방법에 관한 것으로,The present invention relates to a sensoriactuator (Sensoriactuator) that can sense the vibration of the structure and at the same time to apply a control force, and more specifically, it is possible to apply a control force to the existing Extrinsic Fabry-Perot Interferometer (EFPI) optical fiber sensor And further comprises a self-sensing bridge circuit for extracting directional information when the piezoelectric material is used as an actuator. The present invention relates to a sensing actuator using an optical fiber and piezoelectric material and a method of operating the same, wherein the sensing actuator can be used as an actuator based on a signal.
모세 석영 유리관의 양쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 공기간극을 형상하면서 상기 모세 석영 유리관의 양 끝부분에 각각 고정된 제 1,2 단일모드 광섬유와; 상기 모세 석영 유리관의 외주면에 고정된 작동기로 사용 가능한 압전 재료와; 압전 재료에 제어력을 가할 때, 순수 기계적인 변형률만을 추출하는 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로부를 포함하는 것이 특징이다.First and second single-mode optical fibers respectively inserted into both sides of the capillary quartz glass tube and fixed to both ends of the capillary quartz glass tube while forming an air gap therebetween; A piezoelectric material usable as an actuator fixed to an outer circumferential surface of the capillary quartz glass tube; It features a self-sensing bridge circuit that extracts only pure mechanical strain when applying control force to the piezoelectric material.
Description
본 발명은 구조물의 진동을 감지하고 동시에 제어력을 가할 수 있는 감지 작동기(sensoriactuator)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 외인성 패브리-페롯(EFPI, Extrinsic Fabry-Perot Interferometer) 광섬유 센서에 제어력을 가할 수 있는 압전 재료를 더 결합하여 구성하고, 또한 압전 재료를 작동기로 사용할 때 방향성 정보를 추출하기 위한 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 포함하여 구성함으로써, 감지 가능한 변형량의 범위를 확대하고 감지된 신호를 바탕으로 작동기로 바로 사용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유와 압전 재료를 이용한 감지작동기 및 그 작동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensoriactuator (Sensoriactuator) that can sense the vibration of the structure and at the same time to apply a control force, and more specifically, it is possible to apply a control force to the existing Extrinsic Fabry-Perot Interferometer (EFPI) optical fiber sensor And further comprises a self-sensing bridge circuit for extracting directional information when the piezoelectric material is used as an actuator. The present invention relates to a sensing actuator using an optical fiber and piezoelectric material, and a method of operating the same, which can be used as an actuator based on a signal.
상기의 기술사상을 가진 본 발명을 통해 방향성 정보와 광섬유의 광신호를 바탕으로 위상 누적 기법을 적용하여 구조물의 변형을 감지하는 동시에 작동기로 사용 가능하며, 이를 통해 구조물의 진동억제 및 정밀 위치제어에 이용할 수 있다.Through the present invention having the above technical idea, it can be used as an actuator at the same time by detecting the deformation of the structure by applying a phase accumulation technique based on the directional information and the optical signal of the optical fiber, thereby suppressing vibration of the structure and precise position control It is available.
이하에서 종래기술을 간략하게 정리하기로 한다.The prior art will be briefly summarized below.
최근 들어 스마트 구조물이라 하여 구조물의 진동 특성을 감지하여 진동을 억제하는 방식의 구조물을 사용하여 진동에 의한 구조물의 파손을 미리 예방하고 진동을 억제함으로써 구조물의 유지 및 보수에 따른 비용 절감을 기대할 수 있는 구조물에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.In recent years, smart structures can be expected to reduce the cost of maintenance and repair of structures by preventing vibrations of structures and preventing vibrations by using structures that sense vibration characteristics of structures to suppress vibration. There is a lot of research on the structure.
이러한 스마트 구조물은 외부환경의 변화를 감지하는 감지계, 감지된 정보를 처리하는 두뇌계, 감지된 외부환경의 변화에 능동적으로 대응하는 작동계로 구성되는데, 두뇌계는 신호 처리 및 구조물 특성 데이터 베이스를 내장하고 있는 마이크로 프로세서로 구성되며, 작동계는 압전 세라믹, 가제어성 유체인 ER유체 또는 MR 유체나 형상기억합금이 사용된다.The smart structure consists of a sensor system that detects changes in the external environment, a brain system that processes the detected information, and an operating system that actively responds to changes in the sensed external environment. The brain system includes a signal processing and structure characteristic database. It consists of a built-in microprocessor, and the working system uses piezoelectric ceramic, ER fluid which is controllable fluid, or MR fluid or shape memory alloy.
한편, 감지계로는 반도체 센서, 금속 박막 센서, 압전 센서, 광섬유 센서 등이 사용되는데, 광섬유 센서를 사용하여 감지계를 구성할 경우 전자기파의 영향을 받지 않으며, 작동 온도 범위가 매우 넓고, 광섬유의 직경이 매우 미세하고 유연하여 사용자가 원하는 크기의 센서를 쉽게 구성할 수 있으며, 높은 해상도와 다량의 정보를 전송할 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있고, 이러한 특성으로 인해 광섬유 센서의 이용범위가 확대되고 있다.On the other hand, as a sensor, a semiconductor sensor, a metal thin film sensor, a piezoelectric sensor, or a fiber optic sensor is used. When a sensor is configured using an optical fiber sensor, the sensor is not affected by electromagnetic waves, the operating temperature range is very wide, and the diameter of the optical fiber This very fine and flexible, the user can easily configure the sensor of the desired size, has a number of advantages, such as high resolution and a large amount of information can be transmitted, and this feature is expanding the use of the optical fiber sensor.
그러나, 이와 같은 간섭형 광섬유 센서들은 도 8에서 보는 바와 같이 선형 구간내에 존재할 때 정확한 감지를 할 수 있으나, 선형 구간 폭이 작아 선형 구간을 벗어나는 변형에 대해서는 왜곡된 신호를 나타내게 된다.However, such interference type optical fiber sensors can accurately detect when present in the linear section as shown in FIG. 8, but the distortion of the deviation out of the linear section due to the width of the linear section is small.
즉, 도면을 보면 알 수 있듯이 선형구간인 S1이나 S3구간에서는 비교적 양호한 I1 및 I3신호가 추출되나, 비선형 구간인 S2에서는 I2와 같이 왜곡된 신호가 추출됨을 알 수 있습니다.In other words, as can be seen from the drawing, relatively good signals I1 and I3 are extracted from the linear section S1 or S3, while distorted signals are extracted from the nonlinear section S2 such as I2.
또한, 최근에 스마트 구조와 관련해서, 이러한 세부분(감지계, 두뇌계, 작동계)을 나누어 시스템을 설계하던 방식에서, 하나의 감지기 또는 작동기가 동시에 감지기/작동기 기능을 발휘하는 스마트 센서 기술이 많이 연구되고 있다.In addition, with regard to smart architecture, smart sensor technology has been developed in which a single sensor or actuator simultaneously functions as a detector / actuator in the manner of designing a system by dividing these subdivisions (detector, brain system, and operating system). It is studied a lot.
이러한 감지작동기는 제어 관점에서 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 구조물에 삽입 혹은 부착시에도 구조적 안정성을 높일 수 있고 공간 효율면에서도 효과적이다. 또한 하나의 감지작동기로 감지기 및 작동기를 대신할 수 있기 때문에 경제적으로도 매우 효율적이다.Such a sensing actuator can not only increase stability from a control point of view, but also increase structural stability when inserted or attached to a structure, and is effective in space efficiency. It is also economically efficient because one sensing actuator can replace the detector and actuator.
초기에는 단순한 작동기와 감지기의 결합을 이용한 연구만이 수행되었고, 90년대에는 대표적으로 압전 재료를 이용한 많은 형태의 감지 작동기(sensoriactuator)가 개발되었다.Initially, only research using simple actuators and detectors was carried out. In the 90s, many types of sensoriactuators were developed, typically using piezoelectric materials.
그러나 압전 재료의 비선형 거동, 히스테리시스 거동, 보상 회로의 사용으로 인한 고전압 한계점 등으로 인하여 감지기 또는 작동기로서의 성능의 저하로 나타났고, 이로 인해 관련 연구가 지속적으로 이루어지지 못하였다.However, due to the nonlinear behavior of piezoelectric materials, hysteresis behavior, and high voltage thresholds due to the use of compensation circuits, the performance as a detector or actuator has been deteriorated, which has prevented continuous research.
도 9는 기존의 압전 재료와 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로만을 사용한 감지작동기(sensoriactuator)의 주파수 특성을 나타낸 것으로, (a), (b), (c)는 회로에 사용된 저항비를 달리한 경우의 결과이다.FIG. 9 shows frequency characteristics of a sensoriactuator using only a conventional piezoelectric material and a self-sensing bridge circuit, wherein (a), (b), and (c) are resistance ratios used in the circuit. Is the result of
도면을 보면 알 수 있듯이, 작동기를 동시에 감지기로 사용하기 위해서는 위상차와 등급(magnitude)이 일정해야 하는데, 위상이 일정한 경우에도 등급(magnitude)이 증가하는 거동이 나타나기 때문에 구조물의 특정 모드 주파수 성분만이 강조되어 나타나는 문제점이 발생하였고 이로 인하여 사용 가능한 주파수 대역 범위의 제약이 나타났다.As can be seen from the figure, the phase difference and magnitude must be constant in order to use the actuator as a detector at the same time, but only the specific mode frequency component of the structure The problem that has been emphasized has arisen, which has resulted in the limitation of the usable frequency band range.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정밀도가 매우 높은 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 주된 감지신호로 이용하고, 압전 재료를 작동기로서 사용하면서 동시에 방향성 정보를 추출하여 기존의 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서가 가지고 있던 신호 왜곡 현상을 해결하는 새로운 형태의 패치형 감지작동기(sensoriactuator)를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, using an exogenous Fabry-Perot optical fiber sensor with a very high precision as the main sensing signal, while using a piezoelectric material as an actuator while extracting the directional information, the existing exogenous The aim is to provide a new type of patchi- ture sensori- ticator that solves the signal distortion of Fabry-Perot fiber optic sensors.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,As a means for achieving the above object,
본 발명은 모세 석영 유리판의 양쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리판의 양 끝부분에 각각 고정된 제 1, 2단일 모드 광섬유를 포함하는 광섬유 센서와; 상기 모세 석영 유리관의 외주면에 고정된 작동기로서 사용되는 압전 재료 및; 상기 압전 재료에서 기계적인 변형에 의한 신호만을 추출하기 위한 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 포함한다.The present invention relates to an optical fiber sensor including first and second single mode optical fibers respectively inserted into both sides of a capillary quartz glass plate, respectively, and fixed to both ends of the capillary quartz glass plate while forming an air gap therebetween; A piezoelectric material used as an actuator fixed to an outer circumferential surface of the capillary quartz glass tube; And a self-sensing bridge circuit for extracting only signals from mechanical deformation in the piezoelectric material.
또한, 상기 자가감지 브릿지 회로부는, Vp와 Cp로 이루어지는 압전 재료부와, 상기 압전 재료부와 동일한 정전용량을 갖는 축전기(Cm)와, 일반적인 고용량 저항(Ro)이 순차 연결되어 폐쇄 회로망을 이루며, 상기 압전 재료부와 축전기 사이 그리고 저항과 저항 사이를 통해 제어신호용 전압(Vc)이 연결되고, 압전 재료부와 일개의 저항 사이(V1 지점) 그리고 다른 저항과 축전기 사이(V2 지점)에는 양단의 전위차를 추출하는 전압 측정부(Vs)가 연결되어 이루어진 것이 특징이다.In addition, the self-sensing bridge circuit portion, a piezoelectric material portion consisting of Vp and Cp, a capacitor (Cm) having the same capacitance as the piezoelectric material portion, and a general high capacitance resistor (Ro) is sequentially connected to form a closed network, The voltage Vc for the control signal is connected between the piezoelectric material portion and the capacitor and between the resistor and the resistance, and the potential difference between the piezoelectric material portion and one resistor (V1 point) and between the other resistor and the capacitor (V2 point). It is characterized in that the voltage measuring unit (Vs) for extracting the made.
또한, 감지방법은 압전 재료와 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 통해 추출한 방향성 정보와 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 광신호를 바탕으로 위상 누적 기법을 통해 달성된다.In addition, the sensing method is achieved through a phase accumulation technique based on the directional information extracted through the piezoelectric material and the self-sensing bridge circuit and the optical signal of the exogenous Fabry-Perot optical fiber sensor.
즉, (a) 광섬유 센서와 압전 재료를 이용하여 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 통해 추출한 방향성 정보를 취득하는 단계; (b) 상기 광신호 강도를 이용하여 위상 증분을 구하는 단계; (c) 상기 방향성 정보를 이용하여 보상된 위상 증분을 구하는 단계; (d) 상기 (c)단계를 소정의 횟수로 반복하여 위상 누적을 행하는 단계; 및 (e) 상기 (d)단계에서의 위상 누적을 이용하여 구조물의 변형량을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.That is, (a) acquiring directional information extracted through a self-sensing bridge circuit using an optical fiber sensor and a piezoelectric material; (b) obtaining phase increments using the optical signal strengths; (c) obtaining a compensated phase increment using the directional information; (d) repeating step (c) a predetermined number of times to perform phase accumulation; And (e) obtaining a deformation amount of the structure using the phase accumulation in step (d).
또한, 이를 통해 실시간으로 구조물의 제어력을 가하는 동시에 구조물의 변형을 감지함으로써, 제어관점에서 'direct-feedback control loop'에 대해서 안정성을 높일 수 있고, 작동기/감지기를 하나의 모듈 단위로 삽입할 수 있기 때문에 대형 구조물이나 미세 기전 시스템에 적용할 경우, 내구적인 안정성이나 시스템의 전반적인 구성을 단순화할 수 있는 장점이 있다.In addition, by applying the control force of the structure in real time through this, it is possible to increase the stability of the 'direct-feedback control loop' from the control point of view, and to insert the actuator / sensor in one module unit from the control point of view. Therefore, when applied to large structures or micromechanical systems, there is an advantage to simplify the overall stability of the system or the durability stability.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다. Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명에 따른 패치형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 나타낸 개략도로써, 패치형 외인성 패브리-페롯 광섬유는 기존의 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서(10)에 작동기와 방향성 검출기로 사용될 압전 재료 PZT(20)를 더 부가하여 이루어진 것이다.1 is a schematic diagram showing a patch-type exogenous Fabry-Perot fiber optic sensor according to the present invention, wherein the patch-type exogenous Fabry-Perot fiber optic is a piezoelectric material PZT 20 to be used as an actuator and a directional detector in a conventional exogenous Fabry-Perot fiber optic sensor 10. It is made by adding more.
구체적으로 살펴보면, 기존의 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서(10)는, 모세석영 유리관(14)의 양쪽에 각각 삽입되어 그 사이에 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관(14)의 양 끝부분에 각각 고정된 제 1, 2단일모드 광섬유(11, 12)로 구성된다. 이때, 상기 제 1, 2단일모드 광섬유(11, 12)는 에폭시 수지(16)를 통해 상기 모세 석영 유리관(14)에 부착된다.Specifically, the existing exogenous Fabry-Perot fiber optic sensor 10 is inserted into both sides of the capillary glass tube 14 to form an air gap therebetween, respectively at both ends of the capillary quartz glass tube 14. It consists of fixed first and second single mode optical fibers 11 and 12. In this case, the first and second single mode optical fibers 11 and 12 are attached to the capillary quartz glass tube 14 through the epoxy resin 16.
한편, 본 발명에서는 상기 모세 석영 유리관(14)의 외주면에 구조물에 작동력을 가하는 동시에 구조물의 변형의 방향성 정보를 검출하기 위한 압전 재료(20)가 부착되어 있다.On the other hand, in the present invention, a piezoelectric material 20 is attached to the outer circumferential surface of the capillary quartz glass tube 14 to apply operative force to the structure and to detect directional information of deformation of the structure.
이렇게 광섬유 센서(10)에 압전 재료(20)를 결합함으로써, 민감성이 좋은 광섬유 센서의 변위 신호와 압전 재료(20)에서 취득된 구조물의 방향성 정보를 이용하여 간단한 신호처리를 통하여 구조물의 동특성 신호를 감지할 수 있게 된다.By coupling the piezoelectric material 20 to the optical fiber sensor 10 as described above, the dynamic signal of the structure is obtained through simple signal processing using the displacement signal of the optical fiber sensor having good sensitivity and the directional information of the structure obtained from the piezoelectric material 20. It can be detected.
또한 압전 재료(20)에 제어신호를 가하여 구조물에 작동력을 가할 수 있는 회로를 구성하였는바, 도 2는 작동기와 방향성 검출기로 동시에 사용되는 압전 재료에서 제어신호에 의해 발생한 전하를 제외한 순수 구조물의 변형에 의해서 발생한 전하만을 추출하기 위한 브릿지 회로이다.In addition, a circuit capable of applying an operating force to the structure by applying a control signal to the piezoelectric material 20 is constructed. FIG. 2 is a deformation of a pure structure except for charges generated by a control signal in a piezoelectric material used simultaneously as an actuator and a directional detector. It is a bridge circuit for extracting only the electric charges generated by.
일반적으로 압전 재료(20)에는 두가지 특성이 있다. 즉, 순방향 효과와 역방향 효과가 있는데, 순방향 효과는 기계적인 변형에 의해 전하를 발생하는 것이고, 역방향 효과는 전기 신호를 가할 때 압전 재료가 기계적인 변형을 하게 되는 것이다.In general, the piezoelectric material 20 has two characteristics. In other words, there is a forward effect and a reverse effect. The forward effect generates electric charges by mechanical deformation, and the reverse effect is that the piezoelectric material undergoes mechanical deformation when an electric signal is applied.
따라서, 구조물에 압전 재료를 부착하게 되면 제어신호에 해당하는 고전압으로 인해 발생한 전하와 실제 구조물 변형에 의해 발생한 전하가 복합적으로 나타나게 되고, 이때 회로를 통해서 순수 구조 변형에 의해 발생한 신호만을 추출하게 되는 것이다.Therefore, when the piezoelectric material is attached to the structure, the charge generated by the high voltage corresponding to the control signal and the charge generated by the actual structure deformation appear in combination, and only the signal generated by the pure structure deformation is extracted through the circuit. .
도 2에서 Vc는 압전 재료에 가해지는 전압으로, 작동기에 가해지는 제어 신호를 나타내고, 점선으로 나타낸 부분이 구조물에 부착되어 있는 본 발명의 압전 재료 부분을 나타낸다.In FIG. 2, Vc is the voltage applied to the piezoelectric material, which represents the control signal applied to the actuator, and the portion indicated by the dotted line represents the piezoelectric material portion of the present invention attached to the structure.
Cm은 구조물에 부착한 압전 재료(20)와 동일한 정전 용량을 나타내는 축전기를 나타내고, Ro는 일반적인 저항으로 고용량 저항를 사용하여, 광대역에서 일정한 위상차(변형의 미분값인 변형률을 나타내는 90도 위상차)를 유지하도록 구성하였다.Cm denotes a capacitor exhibiting the same capacitance as the piezoelectric material 20 attached to the structure, and Ro uses a high capacitance as a general resistance to maintain a constant phase difference (90 degree phase difference representing strain, which is a derivative of strain) at broadband. It was configured to.
도 2에서 V1, V2 양단의 전위차에 해당하는 Vs가 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 거처 추출된 순수한 기계적 변위의 변화량을 나타내는 신호로서 뒤에서 설명할 위상 누적 기법에서 방향성 정보로 사용된다.In FIG. 2, Vs corresponding to the potential difference between V1 and V2 is a signal representing a change amount of pure mechanical displacement extracted through a self-sensing bridge circuit and used as directional information in a phase accumulation technique to be described later.
실제로 기존의 압전 재료를 이용한 감지작동기(sensoriactuator)의 경우 위와 비슷한 형태의 회로를 사용하게 되는데, 압전 재료의 비선형 거동이나 히스테리시스 거동, 회로의 주파수 특성으로 인해서 작동기와 감지기로 동시에 사용하는데 있어서 많은 한계를 나타내었다.In the case of the conventional sensoriactuator using piezoelectric materials, a circuit similar to the above is used. Due to the nonlinear behavior of the piezoelectric material, hysteresis behavior, and the frequency characteristics of the circuit, there are many limitations in using the actuator and the sensor simultaneously. Indicated.
본 발명에서는 이러한 자가감지(self-sensing) 신호의 부호 성분만을 이용하고 주된 변형 감지는 광섬유를 이용하기 때문에, 감지 성능과 작동기 성능을 모두 만족시킬 수 있도록 구성하였다.In the present invention, since only the code component of the self-sensing signal is used and the main strain detection uses an optical fiber, it is configured to satisfy both the sensing performance and the actuator performance.
도 3은 본 발명에 따른 스마트 패치를 이용한 신호처리 과정을 나타낸 것이다.3 shows a signal processing process using a smart patch according to the present invention.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 방법은, 상술한 스마트 패치와 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 이용하여, 광신호 강도와 방향성 정보를 취득하고, 상기 광신호 강도를 이용하여 위상 증분을 구하며, 상기 방향성 정보를 이용하여 보상된 위상증분을 구하고, 상기 보상된 위상 증분을 소정의 횟수로 반복하여 구하는 위상누적을 행하고, 이러한 위상 누적을 이용하여 구조물의 동특성을 실시간으로 감지하게 된다.As shown, the method according to the present invention utilizes the above-described smart patch and self-sensing bridge circuit to obtain optical signal strength and directional information, and uses the optical signal strength to obtain phase increments. And obtaining a compensated phase increment using the directional information, performing a phase accumulation to repeatedly obtain the compensated phase increment by a predetermined number of times, and detecting the dynamic characteristics of the structure in real time using the phase accumulation.
이러한 구조물의 동특성 신호는 제어기를 통해 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로에 가해지고 이를 통해 스마트 패치의 압전 재료에 고전압을 가해서 구조물의 진동제어에 사용될 수 있다.The dynamic signal of such a structure is applied to a self-sensing bridge circuit through a controller, through which a high voltage is applied to the piezoelectric material of the smart patch to be used for vibration control of the structure.
보다 상세히 살펴보면, 본 발명에 따른 광섬유 센서를 이용하여 광신호 강도(I)와 방향성 정보를 취득한다. 취득된 광신호강도(I)와 방향성 정보는 각각 다음과 같이 표현된다.In more detail, the optical signal intensity I and the directional information are acquired using the optical fiber sensor according to the present invention. The obtained optical signal intensity I and directional information are respectively expressed as follows.
광신호 강도여기서, A, B, po는 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 고유 상수로서 광신호 강도를 통해 쉽게 구할 수 있다. 그리고 는 구조물의 변형을 나타내는 변수이다.Optical signal strength Here, A, B and po are intrinsic constants of the exogenous Fabry-Perot optical fiber sensor and can be easily obtained through the optical signal strength. And Is a variable representing the deformation of the structure.
그리고, 방향성 정보는 다음과 같이 표현된다.The directional information is expressed as follows.
방향성 정보 = sign(strain rate)Directional information = sign (strain rate)
다음으로, 취득된 광신호강도(I)를 이용하여 다음의 수학식 1로부터 위상 증분, 즉 변형량(Dp)을 계산한다.Next, the phase increment, that is, the deformation amount D p , is calculated from the following equation (1) using the obtained optical signal intensity (I).
(수학식 1)(Equation 1)
다음으로, 방향성 정보를 이용하여 다음의 수학식 2로부터 보상된 위상 증분을 구한다.Next, the compensated phase increment is obtained from Equation 2 below using the directional information.
(수학식 2)(Equation 2)
ΛP = sign(strain rate) ×Dp ΛP = sign (strain rate) × D p
상기 수학식 1, 2를 통해 위상 누적기법을 이용하여 구조물의 변형량(P(k+1))을 구한다.The deformation amount P (k + 1) of the structure is obtained by using the phase accumulation method through Equations 1 and 2 above.
그리고 누적에 따른 오차는 대역통과 필터를 사용함으로써 제거할 수 있다.Accumulation errors can be eliminated by using bandpass filters.
이하 본 발명에 따른 실험결과를 통해 작용효과를 살펴본다.Looking at the effect through the experimental results according to the present invention.
도 4는 구조물의 진동신호를 레이저 신호와 본 발명을 통해 획득한 신호로 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the vibration signal of the structure as a signal obtained through the laser signal and the present invention.
이 경우에는 압전 재료를 작동기로는 사용하지 않은 경우에 대해서 나타낸 경우로서, 먼저 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로 특성과 신호처리 기법을 검증하기 위한 것이다.In this case, the piezoelectric material is not used as an actuator. First, the self-sensing bridge circuit characteristics and signal processing techniques are verified.
일반적으로 레이저 신호는 구조물의 변위를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있어서 진동 신호를 얻는데 많이 사용되고 있기 때문에 본 발명이 구조물의 동특성 경향을 잘 나타내는지를 비교하고자 나타낸 것이다.In general, since the laser signal is widely used to obtain a vibration signal because the displacement of the structure can be accurately measured in real time, it is shown to compare whether the present invention shows the tendency of the dynamic characteristics of the structure well.
즉, 도 4는 구조물에 정현파로 가진하는 경우의 실험결과를 나타낸 것으로, 상단부에 있는 결과(a)는 광섬유 센서의 광신호를 나타내고 있고, 가운데 있는 결과(b)는 레이저 신호를 나타내고 있으며, 하단부의 결과(c)는 본 발명에 따라 실시간 신호처리를 통해 얻은 결과를 나타낸 것이다.That is, Figure 4 shows the experimental results in the case of sine wave excitation to the structure, the result (a) in the upper portion represents the optical signal of the optical fiber sensor, the center (b) represents the laser signal, the lower portion Result (c) shows the result obtained through real-time signal processing according to the present invention.
맨 아래의 결과(d)는 레이저 신호와, 회로를 통해 나온 자가감지 신호(self-sensing signal) 및, 위상 누적 기법을 통해 얻은 회로의 위상을 살펴본 것으로 회로를 통해 나온 신호는 실제 구조물의 변형률을 나타내는 것으로서, 구조물의 변형 신호와 90도 위상차를 나타내는 것을 확인할 수 있다.The bottom result (d) examines the laser signal, the self-sensing signal from the circuit, and the phase of the circuit obtained through the phase accumulation technique. As it shows, it can confirm that it shows a 90 degree phase difference with the deformation signal of a structure.
결과에서 알 수 있듯이 왜곡된 광신호를 이용하여 실시간으로 신호처리 함으로써 레이저 신호와 같은 구조물의 동특성 경향을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from the results, it can be seen that the signal processing in real time using the distorted optical signal exhibits a tendency of dynamic characteristics of a structure such as a laser signal.
도 5는 압전 재료를 작동기와 감지기로 동시에 사용한 경우로서 구조물에 외력을 정현파로 가하고, 제어기를 작동하여 진동을 억제한 경우로 압전 재료에 제어력이 가해지고 있는 경우이다.5 is a case where the piezoelectric material is used as an actuator and a sensor at the same time, and the control force is applied to the piezoelectric material when the external force is applied to the structure as a sine wave and the controller is operated to suppress the vibration.
a, b, c, d에 나타낸 바와 같이, 압전 재료에 제어력이 가해진 경우 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로를 통해 구조물의 변형률을 취득하여 위상 누적 기법을 통해 구조물의 동특성 경향을 동시에 모니터링 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.As shown in a, b, c, and d, when control force is applied to the piezoelectric material, the strain of the structure is acquired through a self-sensing bridge circuit, and the trend of the dynamic characteristics of the structure can be simultaneously monitored through the phase accumulation technique. We can confirm that we can.
또한, 도 6은 광섬유와 압전 재료를 이용한 감지 작동기를 이용하여 정현파로 가진하고 있는 구조물의 진동을 감지하고 제어기를 작동하여 압전 재료로써 작동기로 사용하여 구조물의 진동을 억제하는 전체 과정을 나타낸 것으로 도 4, 5에서의 결과를 포함하는 것이다.In addition, Figure 6 shows the entire process of detecting the vibration of the structure having a sinusoidal wave using the sensing actuator using the optical fiber and piezoelectric material and to suppress the vibration of the structure using the actuator as a piezoelectric material to operate the controller. It includes the results from 4 and 5.
상단부에 있는 결과(a)는 광신호를 나타내고, 가운데 있는 결과(b)는 레이저 신호를 나타내며, 하단부에 있는 결과(c)는 위상 누적을 본 발명의 스마트 패치와 자가감지 브릿지(self-sensing bridge)를 통해서 얻은 신호를 실시간으로 처리하여 얻은 결과이다.The result (a) at the top represents the optical signal, the result (b) at the center represents the laser signal, and the result (c) at the bottom represents the phase accumulation of the smart patch and self-sensing bridge of the present invention. This is the result obtained by processing the signal obtained through) in real time.
도시한 바와 같이, 0.8초 부근에서 제어기를 작동하였고, 구조물의 진동이 저감된 결과를 확인할 수 있다.As shown, the controller was operated in the vicinity of 0.8 seconds, it can be confirmed that the vibration of the structure is reduced.
또한 도 7은 개발된 감지작동기를 이용하여 구조물에 펄스 형태 진동을 가하였을 경우 잔류 진동을 제어한 경우와 제어하지 않은 경우를 나타낸 결과이다. 실선은 제어를 한 경우이고 점선은 제어를 하지 않은 경우이다. 결과에서 알 수 있듯이 하나의 감지작동기를 이용하여 구조물의 진동특성을 실시간으로 모니터링하면서 작동기 역할을 수행함으로써, 잔류 진동을 빠르게 억제 할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 감지작동기를 미세 기전 시스템에 이용할 경우, 정밀한 위치 제어시 발생하는 잔류 진동을 효과적으로 억제할 수 있기 때문에 빠른 위치 제어가 가능하도록 할 수 있다.In addition, Figure 7 is a result showing the case of controlling the residual vibration and the case of not controlling when the pulse-type vibration is applied to the structure using the developed sensing actuator. The solid line is the case of control and the dotted line is the case of no control. As can be seen from the results, by using a single sensing actuator to monitor the vibration characteristics of the structure in real time, it was confirmed that it can quickly suppress the residual vibration. When such a sensing actuator is used in a micromechanical system, it is possible to effectively suppress residual vibration generated during precise position control, thereby enabling fast position control.
이처럼 광섬유와 압전 재료를 이용한 감지작동기를 구조물에 삽입 혹은 부착함으로써, 구조물의 진동특성을 모니터링할 수 있고, 필요에 따라 작동기를 이용하여 진동을 억제할 수도 있다.By inserting or attaching the sensing actuator using the optical fiber and the piezoelectric material as described above, the vibration characteristics of the structure can be monitored and vibration can be suppressed using the actuator as necessary.
상술한 바와 같은 기술사상을 갖는 본 발명에 따르면, 기존의 감지작동기(sensoriactuator)에서 사용하던 자가감지 브릿지(self-sensing bridge)를 보다 간단하게 구성하여, 작동기로 사용하는 동시에 변형률의 부호성분만을 취득하고 광신호를 이용하여 구조물의 진동 신호를 획득함으로써, 기존의 감지작동기(sensoriactuator)들의 감지 성능 저하와 같은 문제점과 기존의 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 신호 왜곡 현상을 해결하였고, 주된 감지신호를 광신호로 사용함으로써 분해능을 높일 수 있었다.According to the present invention having the technical idea as described above, the self-sensing bridge used in the existing sensoriactuator can be more simply configured, and only the code component of the strain can be obtained at the same time as the actuator. By acquiring the vibration signal of the structure by using the optical signal, problems such as deterioration of the detection performance of the existing sensoriactuators and signal distortion of the existing exogenous Fabry-Perot fiber optic sensor are solved. The resolution could be increased by using it as a signal.
또한 작동기로 사용하면서 동시에 변형을 감지할 수 있도록 구성함으로써, 제어 관점에서 안정성을 높이고, 실제 구조물에 부착 혹은 삽입할 경우에 구조적인 안정성 관점에서의 문제를 최소화할 수 있다.In addition, by using the actuator to detect the deformation at the same time, it is possible to increase the stability from the control point of view, and to minimize the problem from the structural stability point when attached to or inserted into the actual structure.
또한 기존의 감지기, 작동기와 같은 전체 시스템 구성을 하나의 모듈안에서 해결함으로써 경제성이나 패키징 관점에서 매우 효율적이라 할 수 있다.In addition, the entire system configuration, such as the existing detectors and actuators, can be solved in one module, which is very efficient in terms of economy and packaging.
본 발명은 항공기, 우주 구조물 또는 교량과 같은 토목 구조물에 적용하여 기존의 센서 시스템 뿐만 아니라 구조물의 진동을 억제하거나 구조물의 형상을 변화시키는 데에도 이용할 수 있다.The present invention can be applied to civil structures such as aircraft, space structures, or bridges, and can be used to suppress vibrations of structures or to change shapes of structures as well as existing sensor systems.
또한, 기존의 고가의 미세 기전 시스템이나 정밀 위치 제어 시스템에 적용하여, 위치 제어나 진동 제어성능을 높일 수 있을 것으로 예상된다.In addition, it is expected to be able to increase the position control or vibration control performance by applying to existing expensive micro-mechanism system or precision position control system.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다. Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred description, various other modifications and variations may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims may be determined to include such modifications and variations as fall within the true scope of the invention.
도 1은 본 발명에 따른 압전 재료를 이용한 감지 작동기의 개략도.1 is a schematic diagram of a sensing actuator using a piezoelectric material according to the present invention.
도 2는 압전 재료에 제어신호를 가할 때, 순수 기계적인 변형에 의한 신호만을 추출하기 위한 본 발명의 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로.2 is a self-sensing bridge circuit of the present invention for extracting only a signal due to pure mechanical deformation when applying a control signal to a piezoelectric material.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 센서를 이용한 신호처리 과정을 나타낸 블록도.Figure 3 is a block diagram showing a signal processing process using the optical fiber sensor according to the present invention.
도 4는 제어력을 가하지 않은 경우, 구조물의 진동 신호를 레이저 신호와 본 발명을 통해 획득한 신호로 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the vibration signal of the structure as a signal obtained through the laser signal and the present invention when no control force is applied.
도 5는 압전 재료에 제어력이 가해지고 있는 경우에 구조물의 진동신호를 레이저 신호와 본 발명을 통해 획득한 신호로 나타낸 그래프.5 is a graph showing the vibration signal of the structure when the control force is applied to the piezoelectric material as a laser signal and a signal obtained through the present invention.
도 6은 감지작동기를 이용하여 구조물에 정현파 가진이 있을 경우 진동을 감지 및 제어를 동시에 수행한 결과 그래프.Figure 6 is a graph of the results of simultaneously performing vibration detection and control when there is a sinusoidal excitation in the structure using a sensing actuator.
도 7은 감지작동기를 이용하여 구조물에 펄스 형태 가진 후 잔류 진동을 억제한 경우와 제어하지 않은 경우를 비교한 결과 그래프.7 is a graph showing a result of comparing a case in which residual vibration is suppressed and a case of no control after having a pulse shape in a structure using a sensing actuator.
도 8은 종래의 외인성 패브리-페롯 광섬유 신호의 왜곡 현상을 나타낸 그림.8 is a diagram illustrating a distortion phenomenon of a conventional exogenous Fabry-Perot optical fiber signal.
도 9는 종래의 자가감지 브릿지(self-sensing bridge) 회로의 주파수 특성을 나타낸 그림.9 is a diagram showing the frequency characteristics of a conventional self-sensing bridge circuit.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서10: Exogenous Fabry-Perot Fiber Optic Sensor
11, 12: 단일모드 광섬유11, 12: single-mode fiber
14: 모세 석영 유리관14: capillary quartz glass tube
16: 에폭시 수지16: epoxy resin
20: 압전 재료(작동기 및 구조물의 방향성 검출용)20: piezoelectric material (for direction detection of actuators and structures)
Claims (6)
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|---|---|---|---|
| KR10-2003-0077052A KR100533323B1 (en) | 2003-10-31 | 2003-10-31 | Self-sensing Actuator Utilizing Potical Fiber and Piezoelectric Material |
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Applications Claiming Priority (1)
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