KR20160050749A - 압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법 - Google Patents

압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 무게 계측장치에 있어서, 압력이 가해질 때마다 전압을 발생하는 압전소자와; 상기 압전소자에 의한 압력-전압 변환 출력을 잡음 제거하고 증폭시키며 기준레벨과의 비교를 통해 상대레벨로 변화시켜 무게 계측 가능한 전압으로 신호처리하는 신호처리회로와; 상기 신호처리회로의 출력을 디지털값으로 변환하는 A/D변환부와; 상기 A/D변환부로부터 받은 디지털값을 계측 가능한 전압으로 인식하여 미리 설정해놓은 전압-무게와의 관계로부터 무게를 계측하는 제어부(MCU);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 압전소자에 의한 측정 대상체 무게에 따른 정확한 전압을 얻을 수 있어 무게 계측이 정확하고, 실활용 범위를 확장시켜 주차관리, 과적검사, 과속단속 등 각종 분야의 계측시스템에 적용시 정확도 향상을 기대할 수 있다.

Description

압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법{Apparatus and method for weight measuring using piezoelectric devices}
본 발명은 압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 압전소자를 이용하여 무게에 따른 정확한 전압을 얻어 계측성능을 향상할 수 있도록 구성되어, 주차관리시스템, 과적검사시스템, 운전면허시험장 또는 고속도로에서의 과속단속시스템 등에 이용될 수 있는 압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법에 관한 것이다.
주차관리분야, 과적검사분야, 도로 교통량 조사분야 등 차량감지와 관련된 다양한 분야에서 센서를 이용한 계측 판단기술이 적용되고 있다.
일예로, 주차장에서 차량의 입차 및 출차를 감지하고, 빈 주차공간을 인식하여 입차 차량에게 주차 가능한 주차공간을 자동으로 안내하는 주차관리시스템의 경우, 차량의 출입구에 루프코일을 매설하여 차량이 접근하면 루프 코일 인덕턱스가 변화하고 릴레이를 작동시켜 차량을 검출하는 루프방식이 사용되고 있다.
상기의 루프방식(loop type)은 설치비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 감지능력이 떨어져 시스템에 적용시 계측 및 판단이 부정확하다는 단점이 있다.
이에, 최근에는 주차공간의 주차 유무를 보다 정확히 감지할 수 있도록 카메라를 설치하여 주차공간을 실시간 촬영함과 더불어 각 주차공간마다 초음파나 지자기 센서 등을 설치하여 센싱 정밀도를 개선하였다.
물론, 상기의 카메라 인식과 정밀도가 높은 고가의 센서를 사용하여 정확한 계측 및 판단을 수행할 수도 있지만, 이 경우 루프방식 대비 수십배 이상의 설치비가 소요되고 비용부담이 증가하게 되어 실제 계측 시스템 적용에 제약이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점들을 감안하여 안출된 것으로, 저렴하면서도 우수한 감도를 갖는 압전소자를 이용하여 무게에 따른 정확한 전압을 얻을 수 있도록 처리하여 무게를 정확하게 계측 및 판단할 수 있도록 한 압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전소자를 이용한 무게 계측장치는, 압력이 가해질 때마다 전압을 발생하는 압전소자와, 상기 압전소자에 의한 압력-전압 변환 출력을 노이즈(noise) 제거하고 증폭시키며 기준레벨과의 비교를 통해 상대레벨로 변화시켜 무게 계측 가능한 전압으로 신호처리하는 신호처리회로와, 상기 신호처리회로의 출력을 디지털값으로 변환하는 A/D변환부, 및 미리 설정해놓은 전압-무게와의 관계를 토대로 상기 A/D변환부로부터 받은 디지털 변환 전압값을 무게로 계측하는 제어부(MCU)를 포함한다.
여기서, 상기 신호처리회로는, 상기 압전소자에서 검지된 압력 및 정전용량 변화에 대한 전압 파형을 입력받아 노이즈 제거하여 출력하는 제 1증폭부와, 상기 제 1증폭부의 출력을 기준전압과 비교하여 그 비교결과를 출력하는 제 2증폭부, 및 상기 제 1증폭부의 출력과 제 2증폭부의 출력을 입력받아 일정크기로 증폭하여 출력하는 제 3증폭부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제 1증폭부의 출력단자 사이에는 출력전압을 분압하여 제 2증폭부의 반전(-)입력단자에 인가하는 분압저항이 연결되며, 상기 제 2증폭부는 비반전(+)입력단자에 기준전압이 인가되고, 반전(-)입력단자에 분압저항에 의해 분압된 전압이 인가되어 두 전압 사이의 차의 전압을 제 3증폭부의 반전(-)입력단자에 인가하도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 제 1증폭부의 비반전(+)출력단자와 제 2증폭부의 반전(-)출력단자 사이에는 출력전압을 필터링하는 저항과 콘덴서로 구성되는 필터부가 연결될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 압전소자를 이용한 무게 계측방법은, 압전소자를 이용하여 무게를 계측 판단하기 위한 방법에 있어서, (1) 압전소자가 설치된 검지영역을 통과하는 측정 대상체의 압력 및 정전용량 변화에 대한 전압값을 취득하는 단계와, (2) 상기 취득한 전압값을 계측 가능한 크기의 신호로 처리하는 단계와, (3) 상기 신호처리된 전압을 아날로그-디지털형태로 변환하는 단계, 및 (4) 상기 아날로그-디지털 변환된 전압레벨을 미리 설정해놓은 전압에 따른 무게들로부터 대응하는 무게를 계측하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 단계 (2)는, 다단으로 연결되는 증폭부를 포함하여 구성되는 신호처리회로에 의해 상기 취득한 전압값의 노이즈가 제거되며, 기준전압과 비교하여 상대적인 전압레벨로 변환시키고, 일정 크기로 증폭시켜 무게에 따른 정확한 전압을 얻을 수 있다.
이때, 상기 노이즈가 제거된 전압값은 분압저항에 의해 분압되어 기준전압과 비교되며, 분압된 전압과 기준전압의 비교에 의해 얻어진 전압은 크기 증폭되기 전에 필터링되어 미리 설정된 전압범위 이하로 감쇠되는 것이 바람직하다.
본 발명의 압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법은, 압전소자의 압력 변화에 따른 미세전압을 계측 가능한 전압으로 처리하여 무게에 따른 정확한 전압을 얻을 수 있어 계측이 정확하게 된다.
이에 따라, 설치비용에 대한 부담이 적고 계측능력이 뛰어나 계측시스템에 쉽게 적용 가능한 효과를 갖는다.
아울러, 주차관리시스템, 차량의 과적 검사시스템, 운전면허 시험장 코스 가부 관리시스템, 고속도로 및 도로 과속단속 시스템 등 무게 계측이 적용되는 분야에 확대 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 무게 계측장치를 나타내는 구성도,
도 2a-2d는 도 1 계측장치의 제 1증폭부(AMP1) 동작을 설명하기 위한 입출력 파형 예시도,
도 3a-3c는 도 1 계측장치의 제 3증폭부(AMP3) 동작을 설명하기 위한 입출력 파형 예시도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 기술하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명은 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 무게 계측장치를 나타내는 구성도이며, 도 2a-2d는 도 1 계측장치의 제 1증폭부(AMP1) 동작을 설명하기 위한 입출력 파형 예시도이고, 도 3a-3c는 도 1 계측장치의 제 3증폭부(AMP3) 동작을 설명하기 위한 입출력 파형 예시도이다.
도 1 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 무게 계측장치는, 압력이 가해질 때마다 전압을 발생하는 압전소자(10)와; 상기 압전소자(10)에 의한 압력-전압 변환 출력을 노이즈 제거하고 증폭시키며 기준레벨과의 비교를 통해 상대레벨로 변화시켜 무게 계측 가능한 전압으로 신호처리하는 신호처리회로(20)와; 상기 신호처리회로(20)의 출력을 디지털값으로 변환하는 A/D변환부(30)와; 미리 설정해놓은 전압-무게와의 관계를 토대로 상기 A/D변환부(30)로부터 받은 디지털 변환 전압값을 무게로 계측하는 제어부(MCU)(40);를 포함하여 구성된다.
도 1에서와 같이, 상기 신호처리회로(20)는 다단으로 연결되는 제 1 내지 제 3증폭부(AMP1∼AMP3)(21,23,25), 분압저항(R2,R3)(22), 및 필터부(24) 등을 포함하여 구성된다.
제 1증폭부(AMP1)(21)는 압전소자(10)에서 검지된 압력 및 정전용량 변화에 대한 전압 파형을 입력받아 노이즈 등을 제거하여 출력한다.
분압저항(R2,R3)(22)은 제 1증폭부(AMP1)(21)의 출력단 사이에 직렬 연결되어 출력전압을 저항값에 비례하여 분압한다.
제 2증폭부(AMP2)(23)는 분압저항(R2,R3)(22)에 의해 분압된 전압을 반전(-)입력단자로 입력받고, 기준전압(VREF)을 비반전(+)입력단자로 입력받아 두 전압을 비교하여 반전(-)출력단자를 통해 출력한다.
필터부(24)는 제 1증폭부(AMP1)(21)의 비반전(+)출력단자와 제 2증폭부(AMP2)(23)의 반전(-)출력단자 사이에 연결되어 출력전압을 필터링하도록, 저항(R6)과 콘덴서(C10)를 포함하여 구성된다.
제 3증폭부(AMP3)(25)는 필터부(24)에 의해 필터링된 전압을 입력받아 일정크기로 증폭시킨다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 무게 계측장치의 동작에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 압전소자(piezoelectric element)는 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양·음의 전하가 나타나는 압전효과를 지닌 소자로, 압전효과가 큰 로셀염, 티탄산 바륨 등을 사용한다.
본 실시예에서는, 이러한 압력-전압 변환기능을 갖는 압전소자(10)를 측정대상체가 통과하는 기설정된 감지영역에 설치하여, 그 위로 지나가는 측정대상체를 감지하게 된다. 이때, 압전소자(10)는 측정대상체의 무게에 따른 가해지는 압력 변화를 도 2a 및 2b과 같은 전압 파형으로 발생시키게 된다.
압전소자(10)에 의한 압력-전압 변환 출력은 뒷단에 전기적으로 연결되는 신호처리회로(20)로 제공되게 된다.
신호처리회로(20)에서는 압전소자(10)에서 제공되는 압력-전압 변환 출력을 뒷단의 제어부(MCU)(40)에서 계측 가능한 전압범위의 크기로 신호를 처리하게 된다.
좀더 구체적으로 살펴보면, 신호처리회로(20)의 제 1증폭부(AMP1)(21)는 비반전(+)입력단자와 반전(-)입력단자로 압전소자(10)에서 발생되는 도 2a 및 2b와 같은 전압 파형을 입력받아 노이즈(noise) 등을 제거하고 도 2c 및 2d와 같이 안정화된 전압 파형을 비반전(+)출력단자와 반전(-)출력단자로 출력한다.
제 1증폭부(AMP1)(21)의 비반전(+)출력단자와 반전(-)출력단자 사이에 걸리는 출력전압은 분압저항(R2,R3)(22)에 의해 저항값에 비례하여 분압되어 분압된 전압이 제 2증폭부(AMP2)(23)의 반전(-)입력단자로 입력된다.
제 2증폭부(AMP2)(23)의 비반전(+)입력단자에는 상대레벨을 계측하도록, 기준전압(VREF)이 인가되게 된다.
제 2증폭부(AMP2)(23)는 비반전(+)입력단자와 반전(-)입력단자에 각각 입력되는 기준전압(VREF)과 분압된 전압을 비교하여 그 비교결과인 두 전압 사이의 차의 전압을 반전(-)출력단자를 통해 출력하게 된다.
제 1증폭부(AMP1)(21)의 비반전(+)출력단자와 제 2증폭부(AMP2)의 반전(-)출력단자 사이에 연결되는 저항(R6)과 콘덴서(C10)로 구성되는 필터부(24)는 출력 전압을 필터링하여 도 3a 및 3b와 같이 기설정된 전압범위 이하로 감쇠된 전압 파형을 제 3증폭부(AMP3)(25)의 비반전(+)입력단자와 반전(-)입력단자로 인가하게 된다.
제 3증폭부(AMP3)(25)는 필터부(24)에 의해 필터링된 전압 파형을 입력받아 뒷단의 제어부(40)에서 인식가능 전압범위로 크기를 증폭시켜 뒷단의 A/D변환부(30)로 출력시킨다.
제 3증폭부(AMP3)(25)에서의 출력 파형은, 도 3c의 파형을 참조하여 보면, 압전소자(10)에 무게가 가해지지 않은 무신호시 "(가)"의 파형과 같이 전압레벨이 "0(zero)"의 상태가 되게 된다. 이후 압전소자(10)에 무게가 가해지면 압력에 의한 전압 변화량이 발생하여 "(나)"의 파형과 같이 기준전압(VREF)에 따른 상대적 변화가 생기게 된다. 이때, "(다)" 파형은 상대레벨 측정점이 되고, "(라)" 파형은 상대레벨 기준점이 되게 된다.
A/D변환부(30)에서는 제 3증폭부(AMP3)(25)의 출력 전압레벨을 디지털 전압계측이 가능한 디지털값으로 변환한다.
제어부(MCU)(40)에서는 A/D변환기(30)로부터 입력되는 디지털값을 계측이 가능한 전압으로 표현하고, 이를 이용하여 무게를 계측하게 된다.
제어부(MCU)(40)는 인식가능 전압범위 내에서 측정 대상체의 무게 대 전압 간의 관계를 미리 설정해놓고, 이를 토대로 인식된 전압값을 무게로 변환하여 계측하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 무게 계측장치 및 방법은, 압전소자에 의한 측정 대상체 무게에 따른 정확한 전압을 얻을 수 있어 무게 계측이 정확하게 된다.
이러한 본 발명의 무게 계측기술을 주차관리에 적용할 경우를 간략하게 예시하면, 제어부(MCU)(40)는 계측한 무게에 따라 주차공간이 필요한 차량인지, 오토바이나 자전거, 혹은 사람 등의 주차공간이 불필요한 대상체인지를 구별해낼 수 있게 된다.
또한, 압전소자(10)를 전후로 복수개 설치하여 먼저 감지된 압전소자(10)의 위치에 따라 입,출차 여부를 구별해낼 수 있게 된다.
이때, 제어부(MCU)(40)는 입차로 판단될 때마다 주차차량수를 "1"씩 증가하고, 출차로 판단될 때마다 주차차량수를 "1"씩 감소시켜 항상 주어진 주차공간에 잔여 주차공간이 얼마인지를 산출하여 이용자가 알 수 있도록 제공할 수 있게 된다.
그 밖에도, 본 발명의 계측기술은 과적검사 시스템, 운전면허 시험장 코스 가부 관리시스템, 고속도로 및 도로 과속단속 시스템 등 무게 계측과 관련된 분야에 다양하게 확대 적용가능함을 구체적인 실시예를 들어 설명하지 않더라도 당업자에게 자명한 사항이다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.
10 : 압전소자
20 : 신호처리회로
21,23,25 : 증폭부(AMP1∼AMP3)
22 : 분압저항
24 : 필터부
30 : A/D변환부
40 : 제어부(MCU)

Claims (9)

  1. 압력이 가해질 때마다 전압을 발생하는 압전소자;
    상기 압전소자에 의한 압력-전압 변환 출력을 노이즈 제거하고 증폭시키며 기준레벨과의 비교를 통해 상대레벨로 변화시켜 무게 계측 가능한 전압으로 신호처리하는 신호처리회로;
    상기 신호처리회로의 출력을 디지털값으로 변환하는 A/D변환부; 및
    미리 설정해놓은 전압-무게와의 관계를 토대로 상기 A/D변환부로부터 받은 디지털 변환 전압값을 무게로 계측하는 제어부(MCU)를 포함하는 압전소자를 이용한 무게 계측장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 신호처리회로는
    상기 압전소자에서 검지된 압력 및 정전용량 변화에 대한 전압 파형을 입력받아 노이즈 제거하여 출력하는 제 1증폭부;
    상기 제 1증폭부의 출력을 기준전압과 비교하여 그 비교결과를 출력하는 제 2증폭부; 및
    상기 제 1증폭부의 출력과 제 2증폭부의 출력을 입력받아 일정크기로 증폭하여 출력하는 제 3증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1증폭부의 출력단자 사이에는 출력전압을 분압하여 제 2증폭부의 반전(-)입력단자에 인가하는 분압저항이 연결됨을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2증폭부는 비반전(+)입력단자에 기준전압이 인가되고, 반전(-)입력단자에 상기 분압저항에 의해 분압된 전압이 인가되어 두 전압 사이의 차의 전압을 제 3증폭부의 반전(-)입력단자에 인가함을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1증폭부의 비반전(+)출력단자와 제 2증폭부의 반전(-)출력단자 사이에는 출력전압을 필터링하는 저항과 콘덴서로 이루어지는 필터부가 연결됨을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측장치.
  6. 압전소자를 이용하여 무게를 계측 판단하기 위한 방법에 있어서,
    (1) 압전소자가 설치된 검지영역을 통과하는 측정 대상체의 압력 및 정전용량 변화에 대한 전압값을 취득하는 단계;
    (2) 상기 취득한 전압값을 무게 계측 가능한 전압범위의 크기 신호로 처리하는 단계;
    (3) 상기 신호처리된 전압값을 아날로그-디지털형태로 변환하는 단계; 및
    (4) 상기 아날로그-디지털 변환된 전압값을 미리 설정해놓은 전압에 따른 무게들로부터 대응하는 무게를 계측하는 단계를 포함하는 압전소자를 이용한 무게 계측방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 단계 (2)는 다단으로 연결되는 증폭부를 포함하여 구성되는 신호처리회로에 의해 상기 취득한 전압값의 노이즈가 제거되며, 기준전압과 비교하여 상대적인 전압레벨로 변화시키고, 일정크기로 증폭시켜 무게에 따른 정확한 전압을 얻는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 노이즈가 제거된 전압값은 분압저항에 의해 분압되어 상기 기준전압과 비교됨을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 분압된 전압과 기준전압의 비교에 의해 얻어진 전압은 크기 증폭하기 전에 필터링되어 미리 설정된 전압범위 이하로 감쇠됨을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 무게 계측방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107144331A (zh) * 2017-05-27 2017-09-08 厦门亿克赛尔仪表科技有限公司 一种新型模转数小地磅仪表

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