KR20130106559A - 변위센서 및 변위센서의 측정오차 보상방법 - Google Patents

변위센서 및 변위센서의 측정오차 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변위센서 및 변위센서의 측정오차 보상방법에 관한 것으로서, 전류 펄스를 송신하는 동시에 전류 펄스에 의해 발생된 초음파를 수신하는 송수신부; 전류 펄스에 의해 원주방향으로 자기장이 생성되고, 영구자석에 의해 축방향의 자기장이 생성되어 합성 자기장을 유도하고, 상기 합성 자기장이 초음파로 전파되는 자왜선부; 상기 자왜선부를 따라 위치가 가변 가능하도록 설치되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하여 송수신부와의 거리를 측정하기 위한 위치가변 마그넷부; 및, 상기 위치가변 마그넷부를 중심으로 상기 송수신부 반대편에 위치한 자왜선부에 고정되어 참조 위치의 기준이 되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하여 송수신부와의 거리를 측정하기 위한 위치고정 마그넷부를 포함하되, 상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 실제 거리값과, 상기 자왜선부를 따라 전파되는 초음파에 대한 전파 시간의 측정을 통해 산정된 상기 위치가변 마그넷부 및 위치고정 마그넷부의 변위값으로부터 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값을 실시간으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

변위센서 및 변위센서의 측정오차 보상방법{DISPLACEMENT SENSOR AND COMPENSATION OF MEASUREMENT ERRORS THEREOF}
본 발명은 변위센서 및 변위센서의 측정오차 보상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변위센서의 검출위치에 대한 정확한 측정값을 계측하되, 실시간으로 오차를 보상할 수 있도록 한 측정기 및 측정오차 보상방법에 관한 것이다.
일반적으로, 물체가 이동한 거리 또는 위치를 계측하는 것은 여러 가지 역학량을 측정하는 기초가 되는 것으로서, 이를 장치화한 것을 변위센서라고 한다.
상기 변위센서는 변위를 전기량으로 변환하고자 정전용량 변화나 인덕턴스 변화, 전기저항 변화, 발생 기전력의 변화 등을 이용하게 된다.
이러한 변위센서는 직선 변위센서와 회전 변위센서로 구분할 수 있는데, 상기 직선 변위센서는 수십 mm 이상의 계측에 스케일(scale)이 사용되고, 수 mm의 범위에서는 각종 포텐셔미터(potentiometer), 차동변압기 등이 주로 사용되고 있다.
상기 회전 변위센서는 싱크로(synchro), 리졸버(resolver), 로터리 인코더(rotary incorder), 펄스 제너레이터(pulse generator) 등이 사용되고 있다.
그런데, 종래의 변위센서는 외부 환경 요인 즉, 온도 변화에 따른 기준 주파수의 변화, OP-AMP의 증폭율 변화 및 비교기의 비교 전압의 변화 등으로 인해 측정오차가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 측정오차를 줄여 변위센서의 검출위치에 대한 정확한 측정값을 계측하기 위하여 다수의 변위센서를 통해 얻어진 측정값으로부터 평균값을 계산하여 오차를 보상하게 된다.
그런데 이와 같은 변위센서의 측정오차 보상방법은 많은 시간과 비용이 소요될 뿐만 아니라, 실시간 위치 제어에 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 여러 가지 외부 환경적 변화에 의한 수신 시간의 변화에 따른 검출위치에 대한 측정오차를 실시간으로 보상할 수 있도록 하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 변위센서는, 전류 펄스를 송신하는 동시에 전류 펄스에 의해 발생된 초음파를 수신하는 송수신부; 전류 펄스에 의해 원주방향으로 자기장이 생성되고, 영구자석에 의해 축방향의 자기장이 생성되어 합성 자기장을 유도하고, 상기 합성 자기장이 초음파로 전파되는 자왜선부; 상기 자왜선부를 따라 위치가 가변 가능하도록 설치되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하여 송수신부와의 거리를 측정하기 위한 위치가변 마그넷부; 및, 상기 위치가변 마그넷부를 중심으로 상기 송수신부 반대편에 위치한 자왜선부에 고정되어 참조 위치의 기준이 되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하여 송수신부와의 거리를 측정하기 위한 위치고정 마그넷부를 포함하되, 상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 실제 거리값과, 상기 자왜선부를 따라 전파되는 초음파에 대한 전파 시간의 측정을 통해 산정된 상기 위치가변 마그넷부 및 위치고정 마그넷부의 변위값으로부터 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값을 실시간으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변위센서의 측정오차 보상방법은, 송수신부가 전류 펄스를 인가하는 제1단계; 상기 송수신부로부터 인가된 전류 펄스에 의해 자왜선부에 원주방향의 자기장이 생성되고 영구자석에 의해 축방향의 자기장이 생성되어 합성 자기장을 유도하며, 상기 합성 자기장이 상기 자왜선부에 초음파로 전파되는 제2단계; 위치가변 마그넷부와 위치고정 마그넷부가 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하는 제3단계; 및, 상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 실제 거리값(L)과, 상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 초음파의 전파 구간에 따른 측정 거리값(L')과, 상기 송수신부와 위치가변 마그넷부 사이의 초음파의 전파 구간에 따른 측정 거리값(l')을 획득하여 하기의 (수학식 1)을 이용하여 상기 변위센서의 측정 대상에 대한 변위값(l)을 실시간으로 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Y = L' ÷ L
l = l' × (1 ÷ Y)
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 변위센서 및 변위센서의 측정오차 보상방법에 의하면, 실시간으로 측정 오차를 보상하여 변위센서의 검출위치에 대한 정확한 측정값을 계측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 변위센서를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 변위센서의 동작원리를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 변위센서를 나타내는 측단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 변위센서의 동작원리를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 변위센서(S)는, 여러 분야의 위치 제어에 사용되는 검출수단으로서, 상기 변위센서(S)는 자왜(磁歪) 현상을 응용한 센서이다.
상기 변위센서(S)는, 전류 펄스를 송신하는 동시에 전류 펄스에 의해 발생된 초음파를 수신하는 송수신부(10)와, 위치 제어를 위한 측정 대상에 수용되어 상기 전류 펄스를 인가받는 자왜선부(20)와, 상기 자왜선부(20)를 따라 위치가 가변 가능하도록 설치되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부(10)로 송신하여 송수신부(10)와의 거리를 측정하기 위한 위치가변 마그넷부(30)를 포함하게 된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 상기 펄스발생기에서 발생된 전류 펄스는 자왜선부(20)의 원주방향으로 자기장을 생성시키고, 상기 자왜선부(20)를 따라 상하방향으로 이동하는 위치가변 마그넷부(30)는 영구자석으로 이루어져, 자왜선부(20)에 축방향의 자기장을 생성시키게 된다.
이에 따라, 상기 자왜선부(20)에서 생성되는 원주방향의 자기장과 상기 위치가변 마그넷부(30)에서 생성되는 축방향의 자기장이 서로 교차하여 합성 자기장(은선으로 표시)을 유도하게 된다.
이때, 상기 위치가변 마그넷부(30)에서 유도된 합성 자기장은 기계적 진동파인 초음파로 자왜선부(20)에 전파되고, 이로 인해 비틀림 왜곡이 발생된다.
따라서, 상기와 같이 자왜선부(20)를 따라 초음속으로 전파되는 초음파의 전파 시간, 즉 상기 송수신부(10)로부터 전류 펄스를 가한 시간부터 위치가변 마그넷부(30)의 위치에서 반사파를 일으켜 다시 송수신부(10)로 복귀하는 시간을 측정하고, 그 측정된 시간을 거리로 환산함으로써, 측정 대상에 대한 변위값을 계측하게 된다.
즉, 상기 송수신부(10)와 상기 위치가변 마그넷부(30) 사이의 거리로부터 측정 대상에 대한 변위값을 계측 가능하게 되는 것이다.
이렇게 측정된 변위에 대한 측정값은 외부 환경 요인에 따라 오차가 발생하게 되는바, 이와 같은 오차 발생을 줄여 측정값에 대한 정확도를 높일 수 있도록 상기 변위센서(S)에는, 상기 송수신부(10) 반대편에 위치한 자왜선부(20)의 단부에 고정되어 참조 위치의 기준이 되는 위치고정 마그넷부(40)가 더 포함된다.
여기서, 상기 위치고정 마그넷부(40)는 상기 위치가변 마그넷부(30)와 마찬가지로, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부(10)로 송신하여 송수신부(10)와의 거리를 측정하기 위한 영구자석으로 이루어져 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 변위센서(S)에서의 측정 대상에 대한 변위값의 측정오차를 보상하는 방법에 대해 설명한다.
상기 위치고정 마그넷부(40)는 상기 자왜선부(20)의 단부에 고정되어 있어, 상기 송수신부(10)와 위치고정 마그넷부(40) 사이의 실제 거리값(L)을 미리 정확히 획득할 수 있게 된다.
상기 변위센서(S)의 검출 동작을 통하여, 상기 송수신부(10)와 위치고정 마그넷부(40) 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(L')과, 상기 송수신부(10)와 위치가변 마그넷부(30) 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(l')을 획득할 수 있게 된다.
이와 같이 구성된 측정 거리값들(L',l')을 통하여, 측정 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값은 다음과 같은 계산 방식을 통해 알 수 있게 된다.
즉, 상기 송수신부(10)와 위치고정 마그넷부(40) 사이의 상기 송수신부(10)와 위치고정 마그넷부(40) 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(L')을 상기 송수신부(10)와 위치고정 마그넷부(40) 사이의 실제 거리값(L)으로 나누어 참조위치 변화율(Y)을 구하고, 상기 참조위치 변화율(Y)을 상기 송수신부(10)와 위치가변 마그넷부(30) 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(l'), 즉 측정 대상에 대한 변위값(l')에 역수로 곱하여 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값(l)을 구할 수 있게 된다.
이에 대한 수식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 1)
Y = L' ÷ L
l = l' × (1 ÷ Y)
상기와 같이 도출되는 수학식 1을 이용하여 변위센서(S)의 측정 대상에 대한 변위값을 보정 가능하게 된다.
한편, 상기와 같은 구성 및 작동 원리를 갖는 변위센서(S)로부터 측정된 결과 데이터는 송수신부(10)와 전원선(W)에 의해 전기적으로 연결된 인디게이터(indigator, I)에서 모니터링이 가능하게 된다.
상기 인디게이터(I)는 측정 대상의 가변 위치를 한 눈에 파악할 수 있도록 측정 대상의 위치 변동을 체크하거나, 그 변동값을 모니터링하는 측정기로서, 공지된 거리 표시 또는 레벨 표시를 통해 구현하게 된다.
따라서, 영구자석의 자기장을 이용하여, 측정 대상의 레벨에 따른 위치가변 마그넷부(30)의 이동을 통해 정밀한 결과 데이터를 측정함에 따라, 높은 신뢰성을 도모할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 있게 된다.
S : 변위센서 10 : 송수신부
20 : 자왜선부 30 : 위치가변 마그넷부
40 : 위치고정 마그넷부

Claims (3)

  1. 전류 펄스를 송신하는 동시에 전류 펄스에 의해 발생된 초음파를 수신하는 송수신부;
    전류 펄스에 의해 원주방향으로 자기장이 생성되고, 영구자석에 의해 축방향의 자기장이 생성되어 합성 자기장을 유도하고, 상기 합성 자기장이 초음파로 전파되는 자왜선부;
    상기 자왜선부를 따라 위치가 가변 가능하도록 설치되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하여 송수신부와의 거리를 측정하기 위한 위치가변 마그넷부; 및,
    상기 위치가변 마그넷부를 중심으로 상기 송수신부 반대편에 위치한 자왜선부에 고정되어 참조 위치의 기준이 되며, 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하여 송수신부와의 거리를 측정하기 위한 위치고정 마그넷부를 포함하되,
    상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 실제 거리값과, 상기 자왜선부를 따라 전파되는 초음파에 대한 전파 시간의 측정을 통해 산정된 상기 위치가변 마그넷부 및 위치고정 마그넷부의 변위값으로부터 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값을 실시간으로 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 변위센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 대상에 대한 오차가 보상된 변위값(l)은 하기의 (수학식 1)을 이용하여 상기 변위센서의 측정 대상에 대한 변위값을 실시간으로 보상하는 것을 특징으로 하는 변위센서.
    (수학식 1)
    Y = L' ÷ L
    l = l' × (1 ÷ Y)
    여기서, L은 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 실제 거리값이고, L'은 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 초음파의 전파 구간에 따른 측정 거리값이며, l'는 송수신부와 위치가변 마그넷부 사이의 초음파의 전파 구간에 따른 측정 거리값이다.
  3. 송수신부가 전류 펄스를 인가하는 제1단계;
    상기 송수신부로부터 인가된 전류 펄스에 의해 자왜선부에 원주방향의 자기장이 생성되고 영구자석에 의해 축방향의 자기장이 생성되어 합성 자기장을 유도하며, 상기 합성 자기장이 상기 자왜선부에 초음파로 전파되는 제2단계;
    위치가변 마그넷부와 위치고정 마그넷부가 상기 초음파에 대한 반사파를 상기 송수신부로 송신하는 제3단계; 및,
    상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 실제 거리값(L)과, 상기 송수신부와 위치고정 마그넷부 사이의 초음파의 전파 구간에 따른 측정 거리값(L')과, 상기 송수신부와 위치가변 마그넷부 사이의 초음파의 전파 구간에 따른 측정 거리값(l')을 획득하여 하기의 수학식 1을 이용하여 상기 변위센서의 측정 대상에 대한 변위값(l)을 실시간으로 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변위센서의 측정오차 보상방법.
    (수학식 1)
    Y = L' ÷ L
    l = l' × (1 ÷ Y)
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