KR20100000774A - 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 정전류원의 정전류를 공급받아 충격신호를 감지하는 파이로 충격 감지센서; 상기 파이로 충격 감지센서의 감지신호가 생성되도록 상기 정전류원을 포함하며, 상기 파이로 충격 감지센서로부터 상기 감지신호를 전달받는 신호조절부; 상기 신호조절부로부터 전달되는 감지신호의 주파수를 필터링하는 저주파 대역 필터; 상기 저주파 대역 필터로부터 전달되는 출력신호가 유효 측정 범위 내에 입력되도록 이득을 증폭하여 조절하는 이득 증폭단; 상기 이득 증폭단의 출력신호 중 가장 큰 값인, 첨두치를 검출하는 첨두치 검출부; 상기 첨두치 검출부로부터 전달되는 첨두치가 미리 설정한 파이로 충격 기준치보다 높은 값이 입력되면 'High' 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기와 연결되어 상기 'High' 신호에 의해 동기되어 동작되며, 데이터 취득 명령을 포함하여 시스템 내의 전체 데이터 흐름을 제어하는 제어부를 포함한다.

파이로충격, 정전류, 충격신호, 첨두치, 필터링

Description

레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템{Pyro-shock measurement system using variable peak-detector trigger level}

본 발명은 로켓 또는 발사체의 파이로 충격을 측정하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충격센서로부터 감지된 파이로 측정신호가 일정 값 이상의 신호세기로 검출되는 구간에서만 동작되어 파이로 충격신호를 취득 및 데이터로 저장되며, 상기 일정 값은 선택적으로 변경 가능하도록 구비되어, 송수신 및 분석되어야 할 파이로 충격 데이터의 처리량이 최소화되도록 구현된 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 로켓 및 발사체는 추진기관이 다단으로 이루어짐은 물론이고 발사 초기부터 일정한 고도에 도달할 때까지 탐사용 센서 및 위성을 보호하는 역할을 하는 노즈콘을 가지고 있다.

그런데, 이러한 시스템은 일반적으로 폭약을 사용하여 폭발하는 힘에 의해 구속조건(단분리, 각 단점화, 노즈페어링 분리시)을 해제함으로써 비행중인 기체와 분리되는 매커니즘을 채용하고 있다.

이때 폭약의 폭발에 의해 발생하는 파이로 충격은 발생하여 유지되는 시간 은 짧으나 충격의 양은 상당히 크므로 이 충격에 의해 탑재된 각종 시스템(탐사용 센서, 텔레메트리(Telemetry) 시스템 및 관성항법장치 등)의 고장원인으로 작용한다.

그러므로, 이들 시스템이 탑재된 위치에서 측정되는 파이로 충격의 크기를 정확하게 측정해야 하는 것은 필수적이다.

이러한 파이로 충격의 크기를 측정하기 위한 종래의 충격 측정 시스템 및 장치에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 높은 파이로 충격 신호를 검출하기 위해서는 20kHz 가량의 높은 샘플율을 갖도록 설계되어야 하므로, 데이터 전송에 많은 대역폭(bandwidth)를 차지하게 되어 측정 시스템 데이터에 많은 부하로써 작용되었다.

둘째, 파이로 충격 신호가 나타나지 않는 구간에서는 데이터가 PCM 데이터에 나타나지 않으므로, RF 스펙트럼이 찌그러짐으로 인해 송신 주파수의 편이가 발생되며 지상 수신기의 감도가 낮았다.

셋째, 외부로부터 동기(sync)신호를 수신하여 충격 데이터를 취득 및 저장하는 시스템으로 구성되어, 외부 동기신호를 수신하는데 필요한 시간지연으로 인해 수 ms 만에 소멸되는 파이로 충격신호를 정확하게 측정하기가 어려웠으며, 동기신호를 송수신하는 외부장치와의 인터페이스 회로 및 컨넥터가 필수적으로 설치되어야 하므로 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, 종래 지상에서 파이로 측정 데이터를 분석하는 과정에서 기존 검출 방식으로는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 파이로 충격신호 발생 전·후 수십 초 이상의 데이터 취득구간을 설정하여 데이터를 취득되도록 구비되어, 데이터 저장 메모리가 지나치게 증가하게 되며 더불어 시스템 구축 및 유지 비용이 증가하였다.

둘째, 파이로 충격신호가 없는 구간에서도 데이터가 저장되어 데이터 처리 및 분석에 많은 시간이 소요되므로, 빠른 데이터 처리 및 분석이 요구되는 시스템 시험에서는 적용이 부적합하다.

상기와 같은 상황을 고려해 볼 때 파이로 충격 신호를 취득함에 있어서, 파이로 충격신호 대기를 위한 시간과 충격 소멸 후 대기 시간을 없애고, 유효 취득 데이터 량을 최소화함으로써 데이터 분석 소요시간을 최소화할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로,

파이로 충격 신호가 감지되는 구간에서만 파이로 충격 신호가 측정 및 저장되며, 미리 설정한 크기 이상의 파이로 충격 신호가 검출될 때에만 파이로 충격신호를 측정 및 저장 가능하며, 특히 가변적 비교기를 이용하여 다양한 파이로 충격신호의 크기에 대해서도 데이터 취득이 가능한 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템은, 정전류원의 정전류를 공급받아 충격신호를 감지하는 파이로 충격 감지센서; 상기 파이로 충격 감지센서의 감지신호가 생성되도록 상기 정전류원을 포함하며, 상기 파이로 충격 감지센서로부터 상기 감지신호를 전달받는 신호조절부; 상기 신호조절부로부터 전달되는 감지신호의 주파수를 필터링하는 저주파 대역 필터; 상기 저주파 대역 필터로부터 전달되는 출력신호가 유효 측정 범위 내에 입력되도록 이득을 증폭하여 조절하는 이득 증폭단; 상기 이득 증폭단의 출력신호 중 가장 큰 값인, 첨두치를 검출하는 첨두치 검출부; 상기 첨두치 검출부로부터 전달되는 첨두치가 미리 설정한 파이로 충격 기준치보다 높은 값이 입력되면 'High' 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기와 연결되어 상기 'High' 신호에 의해 동기되어 동작되며, 데이터 취득 명령을 포함하 여 시스템 내의 전체 데이터 흐름을 제어하는 제어부를 포함한다.

여기서, 상기 저주파 대역 필터는, 차단 주파수의 기준을 10kHz 정하여, 상기 신호조절부로부터 전달되는 신호의 주파수 중 10kHz 이상의 주파수 신호는 필터링하여 차단하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호조절부는, 온도센서를 더 포함하며, 상기 온도센서에서 측정된 온도가 미리 설정한 기준 온도보다 상승 또는 하강한 정도에 대응하여, 상기 정전류원으로부터 공급되는 정전류의 전류량을 조절하도록 구비될 수 있다.

게다가, 상기 파이로 충격 측정시스템은, 상기 이득 증폭단으로부터 전달되는 출력신호에 대한 데이터를 일시적으로 저장하는 메모리부를 더 포함할 수 있다.

아울러, 상기 파이로 충격 측정시스템은, 상기 메모리부에 저장되는 데이터를 전달받아 별도의 화상출력장치로 전송하는 데이터 송신부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템에 의하면,

첫째, 파이로 충격 신호가 감지되는 시간 동안에만 데이터가 취득 및 저장되므로, 파이로 충격 데이터 처리 및 분석에 필요한 시간을 최소화할 수 있으며 데이터 분석의 부하를 크게 줄일 수 있다.

둘째, 외부장치에 의해서가 아닌 자체 시스템 내의 동기신호에 의해 파이 로 충격 데이터가 측정 및 저장되도록 구비되어, 외부와의 인터페이스가 불필요하므로, 전체 측정시스템의 구현이 간소화할 수 있다.

셋째, 저주파 대역 필터를 채용하여, 파이로 충격 데이터 중 유효한 주파수 대역을 선택 가능하므로, 송수신 데이터의 부하를 줄이며, 더불어 RF 송신대역폭을 줄일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템의 구성을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 충격 측정시스템의 전체적인 구성을 나타낸 개략도, 도 2는 도 1의 일련의 작동 순서를 나타낸 순서도 및 도 3은 도 1의 신호조절부(110)를 나타낸 회로도이다.

또한, 도 4는 도 1의 이득 증폭단(130)을 나타낸 회로도, 도 5는 첨두치 검출부(140)를 나타낸 회로도, 도 6은 도 1의 비교기(150)를 나타낸 회로도, 도 7은 도 1을 통해 측정된 파이로 충격신호의 파형을 나타낸 그래프이며, 도 8은 도 7의 파형에서 파이로 충격신호의 첨두치가 검출된 상태를 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 충격 측정시스템은 파이로 충격 감지센서(미도시), 신호조절부(110), 저주파대역 필터(120), 이득 증폭단(130), 첨두치 검출부(140), 비교기(150), 제어부(160), 메모리부(180) 및 데이터 송신부(미도시)를 포함한다.

상기 파이로 충격 감지센서는 정전류원의 정전류를 공급받아 충격신호를 감지하며, 획득된 감지신호를 신호조절부(110)로 전달한다.

상기 신호조절부(Signal Conditioner, 110)는 상기 파이로 충격 감지센서(미도시)의 감지신호가 생성되도록 상기 정전류원을 포함하며, 상기 파이로 충격 감지센서로부터 감지신호를 전달받아, 후술될 이득 증폭단(130)으로 상기 감지신호를 전송한다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 정전류원은 LM134 온도센서와 다이오드를 이용하여 온도 보상회로로 설계되어 온도차에 따른 전류량의 변화영향이 최소화되도록 구비된다.

즉, 상기 LM134 온도센서에서 측정된 온도가 미리 설정한 기준 온도보다 상승 또는 하강한 정도에 대응하여, 상기 정전류원으로부터 공급되는 정전류의 전류량을 조절하는 것이다.

상기 저주파대역 필터(Low Pass Filter, 120)는 신호조절부(110)부로부터 전달되는 감지신호의 주파수를 필터링하는 기능을 담당한다.

보다 구체적으로는, 상기 저주파대역 필터(120)로서 6개의 극을 가지는 체비세프(Chebychev) 필터가 사용될 수 있으며, 차단 주파수의 기준을 10kHz로 정하여, 상기 신호조절부(110)로부터 전달되는 신호의 주파수 중 10kHz 이상의 주파수 신호는 필터링하여 차단하도록 구비되는 것이 바람직하다.

상기 이득 증폭단(130)은 상기 저주파대역 필터(120)를 통과한 파이로 충격신호가 시스템의 유효 측정 범위 내에 입력되도록 이득을 증폭하여 조절하는 기능을 한다.

여기서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 이득 증폭단(130)은 캐스캐이드 PGA를 이용하여 전압이득을 다양하게 구현 가능하며, 상기 PGA의 소자 선정에 따라 2의 배수, 10의 배수 등 다양하게 이득이 설정될 수 있다.

상기 첨두치 검출부(140)는 이득 증폭단(130)으로부터 증폭되어 출력된 출력신호 중 가장 큰 값인, 첨두치를 검출하는 기능을 담당한다.

또한, 도 5를 참조하면, 상기 첨두치 검출부(140)는 다이오드와 커패시터를 포함하여 구비되되, 상기 다이오드와 커패시터는 누설전류가 최소화되도록 설정하여 첨두치 검출부(140)의 정밀도를 상승시키며, 상기 커패시터를 낮은 값으로 설정하여 충전시간이 최소화되도록 함과 더불어 응답시간은 높여주어 첨두치의 정 밀 검출이 가능하도록 구비되는 것이 바람직하다.

상기 비교기(150)는 첨두치 검출부(140)로부터 전달되는 첨두치가 미리 설정한 파이로 충격 기준치보다 높은 값이 입력되면, 'High' 신호를 출력하여 제어부(160)가 작동되도록 구비된다.

여기서, 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 비교기(150)의 기준 전압은 DAC(190) 출력을 이용하여 0 ~ 1/2Vcc 범위 내에서 유지되도록 설정되어, 충격신호가 최대값 대비 1/2 되는 지점까지 첨두값의 검출이 가능하도록 구비되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 비교기(150)의 기준 전압을 DAC(Digital Analog Converter,190)를 통해 가변화 시킴으로써 파이로 충격량에 따라 검출 시작 값을 결정할 수 있도록 구성되는 것이다. 이로써 다중의 파이로 충격원에 대해서 FPGA(Field-Programable Gate Array) 프로그램 초기화 시에 첨두값의 초기값 설정만으로 회로 변경없이 적용가능하게 된다.

상기 제어부(160)는 상기 비교기(150)와 연결되어 상기 'High' 신호에 의해 동기되어 동작되며, 데이터 취득 명령을 포함하여 시스템 내의 데이터 취득 명령을 비롯하여 데이터 저장, 전송 등의 전체 데이터 흐름을 제어한다.

상기 메모리부(180)는 상기 이득 증폭단(130)으로부터 전달되는 출력신호에 대한 데이터를 일시적으로 저장하는 기능을 담당한다.

또한, 상기 데이터 송신부는 메모리부(180)에 저장되는 데이터를 전달받아, 별도로 마련되어 사용자가 파이로 충격 측정결과를 확인할 수 있도록 구비된 화상출력장치(미도시)로 전송한다.

다음으로는, 본 발명의 일실시예에 따른 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템의 동작원리에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 파이로 충격이 발생하면, 신호조절부(110)의 정전류원으로부터 파이로 충격 감지센서(미도시)에 정전류가 공급되어, 상기 충격센서로부터 감지신호가 출력된다.

상기 출력된 감지신호는 신호조절부(110)를 거쳐 저주파대역 필터(120)로 전달되며, 상기 저주파대역 필터(120)는 미리 설정한 차단 고주파 기준치인 10kHz 이상의 주파수를 갖는 감지신호를 차단하여, 10kHz 이하의 주파수를 갖는 감지신호만이 이득 증폭단(130)으로 전달되도록 한다.

이어서, 이득 증폭단(130)은 상기 필터링된 감지신호를 증폭하여, 본 발명의 파이로 충격 측정시스템에서 측정가능한 유효 측정범위 내에 입력되도록 조절한다.

상기 증폭된 감지신호인 출력신호는 첨두치 검출부(140)로 전송되며, 상기 첨두치 검출부(140)는 상기 출력신호 중 가장 큰 값인, 첨두치만을 검출하며 검출한 첨두치 출력값을 비교기(150)로 전송한다.

이어서, 비교기(150)에서는 전송된 상기 첨두치 출력값이 미리 설정된 첨두치 기준 값과 비교보다, 상기 미리 설정된 첨두치 기준 값을 초과하는 크기를 갖는지 여부가 판단되어 진다.(S220)

여기서, 상기 미리 설정된 첨두치 기준 값은 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(160)는 비교기(150)의 기준 전압을 DAC(190)를 통해 가변화시킴으로써, 변경가능하도록 구비된다.

또한, 상기 (S220)을 통해 상기 첨두치 출력값이 상기 첨두치 기준 값보다 작을 경우에는, 최초 단계인 준비상태(S210)로 복귀하게 되며, 상기 첨두치 출력값이 상기 첨두치 기준 값보다 클 경우에는, 상기 제어부(160)는 이를 정상적인 파이로 충격신호로 인식하며 데이터를 취득하도록 한다.(S230)

한편, 상기 이득 증폭단(130)으로부터 출력된 출력신호는 ADC(170)를 통해 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환되며, 상기 변환된 디지털 신호는 메모리부(180)에 일시적으로 저장된다.(S240)

이후, 제어부(160)는 데이터를 취득하는데 소요되는 시간을 10ms으로 제한하여, 10ms 이전에 취득된 데이터와, 10ms 이후에 취득된 데이터로 구분한다.(S250)

여기서, 본 발명의 파이로 충격 측정 시스템에서의 실효성있는 데이터는 파이로 충격이 발생한 이후 5 ~ 6ms 내의 신호에 해당하므로, 상기 시스템의 오차 범위를 감안하여 10ms로 데이터 취득 소요시간의 기준이 정해지는 것이다.

따라서, 10ms 이전에 취득된 데이터는 유효데이터로 판단되어 데이터 송신부를 통해 전송되며(S260), 10ms 이후에 취득된 데이터는 무효데이터로 판단되어 상기 메모리부(180)에서 소멸된다.

한편, 제어부(160)는 파이로 충격 신호의 유효데이터로 판단된 정보를 기 초로 하여, 이득 증폭단(130)에서의 전압이득을 재설정할 수 있도록 구비되는데, 상기 이득 증폭단(130)으로부터 출력된 출력신호는 ADC(Analog to Digital Converter,170)로 전송되며, 상기 ADC(170)으로 전송된 상기 출력신호는 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환되어 메모리부(180)에 저장된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 파이로 충격 측정시스템은 파이로 충격 신호를 취득함에 있어서, 파이로 충격신호 대기를 위한 시간과 충격 소멸 후 대기 시간을 없애고, 유효 취득 데이터 량을 최소화함으로써 데이터 분석 소요시간을 최소화할 수 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이로 충격 측정시스템의 전체적인 구성을 나타낸 개략도,

도 2는 도 1의 일련의 작동 순서를 나타낸 순서도,

도 3은 도 1의 신호조절부(110)를 나타낸 회로도,

도 4는 도 1의 이득 증폭단(130)을 나타낸 회로도,

도 5는 첨두치 검출부(140)를 나타낸 회로도,

도 6은 도 1의 비교기(150)를 나타낸 회로도,

도 7은 도 1을 통해 측정된 파이로 충격신호의 파형을 나타낸 그래프,

도 8은 도 7의 파형에서 파이로 충격신호의 첨두치가 검출된 상태를 나타낸 그래프이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...신호조절부 120...저주파대역 필터

130...이득 증폭단 140...첨두치 검출부

150...비교기 160...제어부

170...ADC(아날로그 디지털 변환기) 180...메모리부

190...DAC(디지털 아날로그 변환기)

Claims (5)

1. 로켓 또는 발사체의 파이로 충격을 측정하는 시스템에 있어서,

   정전류원의 정전류를 공급받아 충격신호를 감지하는 파이로 충격 감지센서;

   상기 파이로 충격 감지센서의 감지신호가 생성되도록 상기 정전류원을 포함하며, 상기 파이로 충격 감지센서로부터 상기 감지신호를 전달받는 신호조절부;

   상기 신호조절부로부터 전달되는 감지신호의 주파수를 필터링하는 저주파 대역 필터;

   상기 저주파 대역 필터로부터 전달되는 출력신호가 유효 측정 범위 내에 입력되도록 이득을 증폭하여 조절하는 이득 증폭단;

   상기 이득 증폭단의 출력신호 중 가장 큰 값인, 첨두치를 검출하는 첨두치 검출부;

   상기 첨두치 검출부로부터 전달되는 첨두치가 미리 설정한 파이로 충격 기준치보다 높은 값이 입력되면 'High' 신호를 출력하는 비교기; 및

   상기 비교기와 연결되어 상기 'High' 신호에 의해 동기되어 동작되며, 데이터 취득 명령을 포함하여 시스템 내의 전체 데이터 흐름을 제어하는 제어부를 포함하는 레벨 가변 첨두치 정밀 검출회로를 이용한 파이로 충격 측정시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저주파 대역 필터는,

   차단 주파수의 기준을 10kHz 정하여, 상기 신호조절부로부터 전달되는 신호의 주파수 중 10kHz 이상의 주파수 신호는 필터링하여 차단하는 파이로 충격 측정시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 신호조절부는,

   온도센서를 더 포함하며, 상기 온도센서에서 측정된 온도가 미리 설정한 기준 온도보다 상승 또는 하강한 정도에 대응하여, 상기 정전류원으로부터 공급되는 정전류의 전류량을 조절하는 파이로 충격 측정시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 파이로 충격 측정시스템은,

   상기 이득 증폭단으로부터 전달되는 출력신호에 대한 데이터를 일시적으로 저장하는 메모리부를 더 포함하는 파이로 충격 측정시스템.
5. 제 4항에 있어서, 상기 파이로 충격 측정시스템은,

   상기 메모리부에 저장되는 데이터를 전달받아 별도의 화상출력장치로 전송하는 데이터 송신부를 더 포함하는 파이로 충격 측정시스템.

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