KR20220123185A

KR20220123185A - 첨두 충격력 측정장치

Info

Publication number: KR20220123185A
Application number: KR1020220103443A
Authority: KR
Inventors: 안병철
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2022-09-06
Also published as: KR102460635B1

Abstract

본 발명은 피측정 대상체에 설치되어 최소의 방해를 유발하며 첨두 충격력을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서 FSR(force sensing resistor), RFC(radio frequency choke), FSR 증폭기, 첨두전압 검출기, 임피던스 정합기, 무선통신 MCU, 필름형 배터리, 제어 및 표시 장치로 구성된다.
FSR에 인가된 압력에 따라 FSR의 저항이 변하고 이를 FSR 증폭기를 사용하여 전압파형으로 변환하고, 첨두전압 검출기와 무선통신 MCU를 사용하여 전압파형의 첨두값 산출하여 이를 제어 및 표시 장치로 전송한다. 제어 및 표시 장치에서는 사전에 교정된 첨두전압 대 첨두 충격력 관계로부터 첨두 충격력을 산출하여 표시부에 표시한다.
필름형 FSR은 힘감지 센서와 안테나 겸용으로 사용되며, FSR 증폭기의 이득과 오프셋, 임피던스 정합기의 커패시터와 인덕터를 무선원격으로 조정할 수 있게 하고, 얇고 가벼운 필름형 배터리를 적용함으로써, 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치가 피측정 대상체에 설치된 상태에서 최소의 방해를 유발하며 첨두 충격력 교정과 첨두 충격력 측정을 용이하게 할 수 있다.

Description

첨두 충격력 측정장치{Apparatus for Measuring Peak Impact Force}

본 발명은 첨두 충격력 측정장치에 관한 것으로서, 힘감지 저항(FSR; force sensing resistor)과 FSR 증폭기를 이용하여 충격력을 전기전압 파형으로 변환하고, 전압파형으로부터 첨두전압을 탐지하고, 이를 무선으로 제어 및 표시 장치로 전송하고, 제어 및 표시 장치에서 첨두전압을 첨두 충격력으로 변환하는 첨두 충격력 측정장치에 관한 것으로서 측정 대상체 동작에의 영향을 최소화시킨 첨두 충격력 측정장치에 관한 것이다.

이 분야의 선행기술들을 살펴보도록 한다.

1)대한민국 등록특허 10-2410587,"플렉시블 멤브레인을 이용한 충격력 측정방법"에 따르면, "일면에 금속 나노와이어 네트워크가 형성된 플렉시블 멤브레인을 인장하는 인장 단계(S100); 인장된 플렉시블 멤브레인의 제1 저항값(Ro)을 측정하는 제1 측정 단계(S200);

상기 플렉시블 멤브레인의 일면 또는 타면에 액적을 적가하여 충격을 가하는 충격 단계(S300); 충격이 가해진 플렉시블 멤브레인의 제2 저항값(Rf)을 측정하는 제2 측정 단계(S400); 및

상기 제1 저항값(Ro) 및 제2 저항값(Rf)의 변화량(ΔR)을 이용하여 충격력(F)을 계산하는 계산 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플렉시블 멤브레인을 이용한 충격력 측정방법에 있어서

상기 플렉시블 멤브레인의 표면은,

산소 플라즈마 처리를 통해 친수성을 갖는 것을 특징으로 하는 플렉시블 멤브레인을 이용한 충격력 측정방법."이 개시된 바가 있다.

2)대한민국 등록특허 10-1718872, "타겟 타격 시의 파워 측정 장치"에 따르면, "타겟(10)의 머리 부분, 어깨 부분, 팔 부분, 복부 부분, 옆구리 부분, 다리 부분에 부착되고 타격을 받았을 때 체적 변화를 일으키는 에어 포켓(11)과, 상기 에어 포켓(11)에서 연장되는 튜브(12) 상에 설치되어 에어 포켓 (11)의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출하는 압력센서(13)와, 상기 압력센서(13)에 의해 감지된 공기 압력 변화값의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(14)와, 상기 A/D 변환기(14)로부터 입력되는 공 기 압력 변화값에 대한 디지털 신호를 기반으로 타격의 강약에 대한 파워를 연산하여 점수로 판정하는 컨트롤 모듈(15)을 포함하며,

상기 컨트롤 모듈(15)에서는 압력센서(13)의 시그널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점 까지의 최 대 전압인 피크(Peak) 전압을 이때까지 걸린 시간으로 나눈 값인 평균 충격력을 측정하고, 이렇게 측정한 평균 충격력으로 타격의 강약에 대한 점수를 판정하고,

상기 컨트롤 모듈(15)에서는 평균 충격력 측정 시 에어 포켓의 물성, 장착되는 형태와 위치, 형상 및 크기, 타격 부위의 물리적 변화에 따라서 물성보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정하고,

상기 컨트롤 모듈(15)에서는 타겟(10)의 내부에 장착되는 에어 포켓들을 각각 타격할 수 있는 타겟 테스트 벤치 를 제작한 후에 수회의 타격에 따른 충격량-운동량을 측정하여 기 저장해 놓은 데이터 정보로부터의 최종보정계 수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정하는 것을 특징으로 하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치."가 개시된 바가 있다.

대한민국 등록특허 10-2410587,"플렉시블 멤브레인을 이용한 충격력 측정방법" 대한민국 등록특허 10-1718872, "타겟 타격 시의 파워 측정 장치"

그러나, 스포츠 측정용, 산업 측정용, 과학기술 연구용으로 첨두 충격력을 측정할 필요가 있다. 첨두 충격력 측정장치를 피측정 대상에 부착할 때, 첨두 충격력 측정장치의 부피와 무게를 최소화할 필요가 있다.

본 발명에서는 필름형 힘감지 저항, 소형 전자회로, 필름형 배터리, 무선통신 마이크로컨트롤러(MCU)를 적용하여 피측정 대상에 설치시 부피와 무게를 최소로 하면서, 첨두 충격력을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 측정 대상체 동작에의 영향을 최소화하도록 한다.

본 발명은 필름형 힘감지 저항(FSR)을 이용하여, 충력격에 의한 저항 변화파형을 소형 전자회로를 사용하여 전압파형으로 변환한 후, 전압파형의 첨두값을 측정하여 무선으로 전송하고, 이를 제어 및 표시 장치에서 수신하여 첨두 충격력으로 변환하여 표시하기 위한 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치는 힘감지 저항(FSR), 힘감지 저항 증폭기, 첨두전압 검출기, 무선통신 마이크로컨트롤러(MCU), 임피던스 변환기, 필름형 배터리, 제어 및 표시 장치로 구성되며, 소형 경량 구조를 가지며, 측정대상 물체에 설치되어, 측정 대상체 동작에의 영향을 최소화하며, 원격으로 첨두 충격력을 측정하기 위한 수단을 제공하도록 한다.

외부로부터 충격력이 인가되면 저항값 Rs가 변하는 FSR(force sensing resistor)(10); 무선통신신호(61)가 하기 FSR증폭기(30)로 유입되는 것을 억제하는 RFC(radio frequency choke)(20); 상기 FSR(force sensing resistor)(10)의 저항값 Rs의 변화를 전압변화로 환산하여 전압값으로 출력하는 FSR 증폭기(30); 상기 FSR 증폭기(30)의 전압값을 전압파형으로 변환하는 첨두전압 검출기(40); 서로 다른 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하는 임피던스 정합기(60); 상기 첨두전압 검출기(40)의 전압파형을 내부의 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 데이터 열로 변환된 후, 디지털신호처리기법으로 전압파형의 최대값인 첨두전압이 산출되고 이 값이 무선통신신호(54)에 실려서 상기 임피던스정합기(60)를 거쳐 보정되며 상기 FSR(10)을 통해 공중에 방사시키는 무선통신 MCU(50); 상기 무선통신 MCU(50)를 통해 방사된 첨두전압값을 수신하여 첨두충격력값으로 변환하여 표시하고, 내부의 사용자 입력기를 사용하여 FSR증폭기(30)의 이득제어신호, 오프셋제어신호, 첨두전압검출기(40)의 리셋신호, 임피던스정합기(60)의 제어신호를 입력받아서 무선으로 전송하는 제어 및 표시 장치(80); 측정대상 물체의 동작에 최소한의 영향을 미치도록, 상기 측정대상 물체에 비하여 상대적으로 두께가 얇고 중량이 가볍도록 구성하고, 각 구성요소로 배터리전원을 공급하는 필름형 배터리(70)를 포함하고, 상기 제어 및 표시 장치(80)로부터 전송된 신호들은 상기 무선통신MCU(50)에서 수신되어 상기 FSR증폭기(30), 상기 첨두전압검출기(40), 상기 임피던스정합기(60)에 인가되는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 측정대상물체에 필름형 FSR, 상대적으로 소형인 전자회로, 무선통신장치를 설치하여, 측정 대상물체의 동작상 영향을 최소화함으로써, 첨두 충격력을 원격으로 측정한다.

실시예에서, 상기 FSR(10)만 외부에 노출되고 나머지 전자회로 부분은 밀폐형 금속상자 내부에 설치하고, 상기 FSR(10)을 힘감지 센서와 안테나 겸용으로 함께 기능한다.

실시예에서, 상기 FSR 증폭기(30)의 이득과 오프셋을 무선원격으로 조정하고, 상기 FSR(10)을 안테나 겸용으로 사용하기 위해 무선원격 조정되는 임피던스 정합기를 충격력 측정 대상물체에 설치한 상태에서 원격으로 측정장치를 교정(calibration)할 수 있는 것이다.

실시예에서, 첨두전압 감소 시정수 설정이 가능한 첨두전압 검출기, 디지털-아날로그 변환, 디지털 신호처리 기법을 적용하여 첨두전압을 찾아내고 이에 대응되는 첨두 충격력을 산출한다.

본 발명에 첨두 충격력 측정장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 필름형 힘감지 저항, 소형 전자회로, 필름형 배터리를 이용하여 충격력이 가해지는 대상에 최소의 영향을 주면서 첨두 충격력을 측정할 수 있는 수단을 제공하는 장점을 가진다.

둘째, 필름형 힘감지 저항의 밑판과 덮개를 적절히 설계하여 충격력 펄스의 폭과 상승속도를 조정하며, 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치가 측정대상 물체에 설치된 상태에서 힘감지 저항 증폭기의 이득과 오프셋을 원격으로 조정하고, 필름형 FSR을 안테나 겸용으로 사용하고, 임피던스 정합기를 사용하여 안테나로서 FSR의 임피던스를 50Ω에 가깝게 원격으로 변환함으로써 다양한 측정대상 물체에 인가되는 첨두 충격력을 측정할 수 있는 수단을 제공하는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 첨두 충격력 측정장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 FSR(힘감지 저항)의 전극과 전도성 플라스틱 재료 구성을 나타낸 도면.
도 3은 FSR의 압력 대 저항 특성 곡선을 나타낸 그래프.
도 4는 FSR, FSR 덮개, FSR 밑판의 단면을 나타낸 단면도.
도 5는 FSR에 충격력을 인가하였을 경우 시간에 따른 저항변화 곡선을 나타낸 그래프.
도 6은 FSR 증폭기의 회로구성을 나타낸 회로도.
도 7은 첨두전압 검출기의 회로구성을 나타낸 회로도.
도 8은 임피던스 정합기의 회로구성을 나타낸 회로도.
도 9는 첨두전압 측정 개념을 설명하기 위한 그래프.
도 10은 제어 및 표시 장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 11은 FSR과 회로부의 연결방법을 설명하기 위한 블록도.

이하, 본 발명에 따른 첨두 충격력 측정장치에 대해 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치의 블록도이다. 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치의 주요 구성은 도 1에서 나타낸 것과 같이 FSR(force sensing resistor)(10), RFC(radio frequency choke)(20), FSR 증폭기(30), 첨두전압 검출기(40), 무선통신 MCU(마이크로컨트롤러)(50), 임피던스 정합기(60), 필름형 배터리(70), 제어 및 표시 장치(80)이다.

FSR(10)에 충격력이 인가되면 FSR의 저항 Rs가 변화되며, FSR 증폭기(30)에 의해 저항 Rs의 변화가 전압변화로 환산된다. RFC(20)는 무선통신 신호(61)가 FSR 증폭기(30)로 유입되는 것을 억제한다. FSR 증폭기(30)의 출력전압은 첨두전압 검출기(40)에 인가되어 전압파형으로 변환되며, 이 파형은 무선통신 MCU(50)의 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 데이터 열로 변환된 후, 디지털 신호처리 기법을 적용하여 전압파형의 최대값(첨두전압)이 산출되고, 이 값이 무선통신 신호(54)에 실려 안테나 임피던스 정합기(60)을 거쳐 FSR(10)을 통해 공중에 방사되어 제어 및 표시 장치(80)에 수신된다. 제어 및 표시 장치(80)에서 수신된 첨두전압 값은 첨두 충격력 값으로 변환되어 표시부에 표시된다.

제어 및 표시 장치(80)의 사용자 입력기를 사용하여 FSR 증폭기(30)의 이득제어신호와 오프셋제어 신호, 첨두전압 검출기(40) 리셋신호, 임피던스 정합기(60) 제어신호를 입력하여 무선으로 전송한다. 이 신호들은 무선통신 MCU(50)에서 수신되어 각각 FSR 증폭기(30), 첨두전압 검출기(40), 임피던스 정합기(60)에 인가된다.

본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치를 측정대상 물체에 부착하여 사용함에 있어서, 측정대상 물체 동작에 최소한의 영향을 초래하기 위해 얇은 두께, 가벼운 중량의 필름형 배터리(70)을 사용한다. 예컨대, 필름형 배터리(70)는 두께 0.4mm, 가로 20mm, 세로 55mm, 무게 0.7g으로 구성될 수 있다.

FSR(10)은 도 2와 같이, 압력에 따라 변하는 전도성 폴리머(13)와 손가락 끼움(interdigital) 형상의 전극(11, 12)과 연결단자(14, 15)로 구성된다. FSR(10)의 전극(11, 12)은 도선형 안테나로도 함께 사용된다. FSR(10)은 힘감지 저항 목적으로 설계된 것이므로 임피던스 정합기(60)를 사용하여 FSR(10)이 효율적인 안테나로 동작하도록, 무선통신 주파수에서 FSR(10)의 임피던스를 약 50Ω에 가까운 값이 되도록 변환한다.

FSR(10) 표면만 외부로 노출되고 이외의 전자회로부가 밀폐된 금속상자 내부에 설치될 경우에는 FSR(10)을 안테나 겸용으로 사용하는 것이 필요하다. 밀폐된 금속상자 내부에 설치된 별도의 안테나를 사용할 경우 무선통신 전자파가 차단되어 외부로 잘 방사되지 않는다. 이러한 문제는 FSR(10)을 안테나 겸용으로 함께 기능함으로써 해결할 수 있다.

도 3은 FSR(10)에 인가된 압력 P에 따른 FSR(10) 저항 Rs의 변화를 보인 FSR의 특성곡선(16)이다. 통상적으로 FSR(10)은 압력 P가 증가할수록 저항 Rs의 변화가 둔화되는 포화현상 내지 비선형 특성을 보인다. FSR(10)의 비선형성은 충격력에 따른 FSR(10) 저항 Rs의 변화를 사전에 측정하여 FSR(10)의 저항 대 인가된 충격력 관계를 규정하는 교정작업을 수행하여 해결한다.

도 4는 FSR(10)이 설치되는 구조의 단면을 보인 것으로서 FSR 덮개(17), FSR(10) 및 FSR 밑판(18)으로 구성된다.

FSR 덮개(17)와 FSR 밑판(18)의 경도와 두께에 따라 시간에 따른 저항변화 곡선이 도 5에서 보인 것과 같이 다르게 나타난다. FSR 덮개(17)와 FSR 밑판(18)이 경도가 크고 얇을 경우, FSR 저항 Rs의 변화는 곡선 19a와 같고, 경도가 작고 두꺼울 경우는 곡선 19b와 같다.

본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치를 교정할 때, FSR(10)에 FSR 덮개(17)와 FSR 밑판(18)이 설치된 상태에서 작업한다.

도 6은 FSR 증폭기(30)의 구성을 보인 것이다. 다양한 특성의 FSR(10)과 도 4의 FSR 설치구조에 따른 FSR(10) 저항 Rs의 변화를 수용하기 위해 연산증폭기(31)을 사용하고, 원격으로 보내지는 오프셋제어 신호(53)와 원격으로 보내지는 이득제어 신호(52)에 의해 전위차계 32와 33을 조정하여 FSR 증폭기(30)의 오프셋과 이득이 조정되게 한다.

연산증폭기(31)는 충분히 큰 값의 slew rate(OP AMP의 동작속도)를 가짐으로써 FSR 증폭기(30)의 출력전압 V2(35)가 FSR(10)에 인가된 고속 충격력을 충실히 표현할 수 있어야 한다.

도 6에서 FSR 증폭기(30) 출력전압 V2(35)는 FSR(10) 저항 Rs의 함수로서 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.

위 수학식 2에서 V0는 오프셋 전압으로 오프셋제어 신호(53)를 전위차계(32)에 인가하여 R1과 R2의 비를 조정하여 변화시킨다.

위 수학식 3에서 G는 이득으로서 이득제어 신호(52)를 전위차계(33)에 인가하여 R3를 조정하여 변화시킨다.

수학식 2와 수학식 3에서 VR은 기준전압으로서 FSR 증폭기(30)의 출력전압 V2(35)가 적절한 값을 가지도록 선정한다. VR로서 단일극성 전원 연산증폭기(31)의 바이어스 전압을 사용할 수도 있다.

도 7은 첨두전압 검출기(40)의 구성을 보인 것이다. 연산증폭기(41), 다이오드 D1, 커패시터 C1을 사용하여 FSR 증폭기 출력전압 V2(35)의 첨두값이 커패시터 C1에 저장되게 하고, 커패시터 C1의 전압 V3(44)가 연산증폭기(42)를 사용하여 구현된 임피던스 버퍼를 통과하여 첨두전압 검출기 출력전압 V4(45)로 출력되게 한다.

저항 R4는 커패시터 C1의 전압(44)이 적절한 속도로 감소하게 하여, 아래에서 설명하는 디지털 신호처리 방법으로 첨두전압 검출기 출력전압(45)의 최대값을 찾아내기에 용이하도록 한다.

첨두전압 검출기 출력전압 V4(45)의 최대값이 결정된 직후 Q1과 R5로 구성된 트랜지스터 스위치(43)에 리셋신호(51)을 인가하여 커패시터 C1의 전압 V3(44)가 영(0)이 되게 함으로써 첨두전압 검출기가 다음 측정을 위한 준비상태에 들어가게 한다.

첨두전압 검출기 출력전압 V4(45)의 상승시간은 연산증폭기(41, 42)의 slew rate, 다이오드 D1의 순방향 저항, 커패시턴스 C1에 의해 결정되며 그 값이 충분히 작아서 FSR 증폭기 출력전압 V2(35)의 상승부분을 충실히 따라 갈 수 있도록 한다.

무선통신 MCU(50)는 무선통신 장치(예: 블루투스 통신모듈)와 아날로그-디지털 변환기를 내장한 것으로서, 첨두전압 검출기(40)의 출력전압 V4(45)를 디지털로 변환하여 최대값을 찾아내고, 이를 무선통신 방식으로 제어 및 표시 장치(80)로 전송한다.

또한, 무선통신 MCU(50)는 첨두전압이 측정된 후에 리셋신호(51)를 첨두전압 검출기(40)에 인가하여, 첨두전압 검출기 출력전압 V4(45)이 0이 되게 하여 다음 측정을 준비한다.

또한, 무선통신 MCU(50)는 FSR 증폭기(30)에 이득제어 신호(52)와 오프셋제어 신호(53)을 인가하여 FSR 증폭기(30)의 이득과 오프셋을 제어함으로써, 다양한 범위의 첨두 충격력 측정이 가능하게 한다.

무선통신 MCU(50)는 임피던스 정합기(60)에 임피던스 정합기 제어신호(55a, 55b)를 인가하여 무선통신 주파수에서 FSR(10)의 임피던스가 50Ω에 가깝게 한다.

도 8은 측정된 첨두전압을 제어장치(80)로 전송하기 위한 안테나로 FSR(10)을 사용할 경우에 필요한 임피던스 정합기(60)의 구조를 보인 것이다.

도 8에서 커패시터 C5(63)는 FSR(10) 저항 Rs에 흐르는 전류 중 충격력과 관련된 저주파 신호 성분과 무선통신 신호 성분 중에서 저주파 신호 성분은 차단하고 무선통신 신호 성분만 통과시키기 위하여 사용한다.

FSR(10)을 안테나로 사용할 경우, FSR(10)의 임피던스는 통상적으로 작은 실수부와 큰 음의 허수부를 가지며, FSR(10)에 병렬로 연결되는 커패시터(C2, C3, C4)와 직렬로 연결되는 인덕터(L2, L3, L4)에 의해 50Ω에 가까운 값으로 변환된다.

커패시터(C2, C3, C4)와 인덕터(L2, L3, L4)는 정합기 제어신호(55a, 55b)에 의해 제어되는 전자 스위치(65a, 65b)에 의해 무선통신 신호 세기가 가장 크게 되는 값으로 선택된다.

필요에 따라서 더 많은 수의 커패시터와 인덕터를 스위칭하여 사용할 수 있다. 임피던스 정합기의 신호단자(54)에는 무선통신 MCU(50)의 무선통신 입출력 단자가 연결된다.

도 9는 첨두전압 검출기(40)의 출력전압(45)을 일정한 시간간격 Ts로 샘플링하고 디지털로 변환한 후, 무선통신 MCU(50)에서 첨두값을 찾기 위한 방법을 설명하기 위한 것이다.

첨두전압 검출기(40)의 출력전압 V4(45)는 커패시터 C1의 전류가 주변회로로 누설됨에 따라 서서히 감소한다. 예를 들어 커패시터 C1의 전압 V3(44)가 5V에서 0V로 되는 데에 30초 내지 60초가 소요될 수 있다. 도 7의 저항 R4는 커패시터 C1의 전압 V3(44)의 방전시간을 적절한 값으로 하여(도 9의 파형 91), 디지털 신호처리에 의해 첨두값 산출을 용이하게 하기 위해 사용한다. 커패시터 C1의 전압 V3(44)의 방전 시정수는 다음의 수학식 4로 주어지며 R4에 의해 지배적으로 결정되도록 R4의 값을 정한다.

첨두전압 검출기 출력전압 V4(45)의 감소속도가 충분히 커서 샘플링 간격 Ts 동안의 V4의 감소량이 V4에 실려 있는 잡음보다 크도록 R4를 선정한다. 무선통신 MCU(50)의 아날로그-디지털 변환기에서 주기 Ts로 전압 V4(45)를 샘플링하여 디지털로 변환후 디지털 값을 처리하여 최대값을 찾는다.

도 9에서와 같이 7개의 디지털 값 중 연속적으로 3회 감소하는 5번 값, 6번 값, 7번 값과 감소 전의 4번 값 중에서 4번 값을 최대값으로 한다. 8번째 샘플링 시간에는 첨두전압 검출기(40)을 리셋하여 커패시터 C1의 전압 V3(44)가 0이 되게 함으로써(도 9의 파형 92), 첨두전압 검출기(40)가 다음 첨두전압을 측정할 수 있는 초기상태로 전환되게 한다.

이 경우 첨두전압 측정 상대오차의 최대값은 다음의 수학식 5와 같이 주어진다. 일예로서 Ts가 2ms이고 τ가 2초 일 경우 상대오차는 ±0.1% 이하가 된다.

도 10은 제어 및 표시 장치(80)를 보인 것으로 이는 스마트폰, 컴퓨터 또는 전용으로 제작된 장치가 될 수 있다. 제어 및 표시 장치(80)는 무선통신부(81), 연산부(82), 표시부(83), 입력부(84)로 구성되며 무선통신 MCU(50)로부터 수신된 첨두전압 값으로부터 충격력을 산출하고 표시부(83)에 표시하는 역할을 수행한다. 또한 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치를 교정하기 위하여 사용한다.

도 11은 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치를 충격력이 가해지는 대상체에 설치하여 사용할 경우, 대상체 동작에 미치는 영향을 최소화하면서 충격력을 측정하기 위하여, FSR(10)과 나머지 회로부와 필름형 배터리(102)를 설치하는 방법을 도시한 것이다.

도 4에 표시된 FSR(10) 설치 구조에 있어서 FSR 밑판(18)은 충격력이 가해지는 표면이 되거나 또는 이 표면위에 설치되는 얇은 유연성 필름이 될 수 있다.

FSR 덮개(17)로서 얇은 플라스틱 필름을 사용한다. FSR 덮개(17)와 FSR 밑판(18)을 합한 두께를 매우 작게 하여(예: 0.7mm) 대상물체의 동작에 미치는 영향을 최소로 한다.

도 1의 FSR(10)을 제외한 나머지 회로부와 필름형 배터리(102)는 FSR(10)과 별도의 위치에 설치하며, FSR(10)과 회로부와 필름형 배터리(102)의 연결선(101)으로 가는 도선 또는 유연성 기판에 인쇄된 도선을 사용한다.

상기와 같이 구현되는 본 발명에 의한 첨두 충격력 측정장치는 피측정 대상체의 동작에 최소의 방해를 끼치며 편리하고 정확하게 첨두 충격력을 측정하는 수단을 제공한다.

Claims

외부로부터 충격력이 인가되면 저항값 Rs가 변하는 FSR(force sensing resistor)(10);
무선통신신호(61)가 하기 FSR증폭기(30)로 유입되는 것을 억제하는 RFC(radio frequency choke)(20);
상기 FSR(force sensing resistor)(10)의 저항값 Rs의 변화를 전압변화로 환산하여 전압값으로 출력하는 FSR 증폭기(30);
상기 FSR 증폭기(30)의 전압값을 전압파형으로 변환하는 첨두전압 검출기(40);
서로 다른 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하는 임피던스 정합기(60);
상기 첨두전압 검출기(40)의 전압파형을 내부의 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 데이터 열로 변환된 후, 디지털신호처리기법으로 전압파형의 최대값인 첨두전압이 산출되고 이 값이 무선통신신호(54)에 실려서 상기 임피던스정합기(60)를 거쳐 보정되며 상기 FSR(10)을 통해 공중에 방사시키는 무선통신 MCU(50);
상기 무선통신 MCU(50)를 통해 방사된 첨두전압값을 수신하여 첨두충격력값으로 변환하여 표시하고, 내부의 사용자 입력기를 사용하여 FSR증폭기(30)의 이득제어신호, 오프셋제어신호, 첨두전압검출기(40)의 리셋신호, 임피던스정합기(60)의 제어신호를 입력받아서 무선으로 전송하는 제어 및 표시 장치(80);
측정대상 물체의 동작에 최소한의 영향을 미치도록, 상기 측정대상 물체에 비하여 상대적으로 두께가 얇고 중량이 가볍도록 구성하고, 각 구성요소로 배터리전원을 공급하는 필름형 배터리(70)를 포함하고,
상기 제어 및 표시 장치(80)로부터 전송된 신호들은 상기 무선통신MCU(50)에서 수신되어 상기 FSR증폭기(30), 상기 첨두전압검출기(40), 상기 임피던스정합기(60)에 인가되는 것을 특징으로 하는 첨두 충격력 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 측정대상물체에 필름형 FSR, 상대적으로 소형인 전자회로, 무선통신장치를 설치하여, 측정 대상물체의 동작상 영향을 최소화함으로써, 첨두 충격력을 원격으로 측정하기 위한 첨두 충격력 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 FSR(10)만 외부에 노출되고 나머지 전자회로 부분은 밀폐형 금속상자 내부에 설치하고, 상기 FSR(10)을 힘감지 센서와 안테나 겸용으로 함께 기능하는 것을 특징으로 하는 첨두 충격력 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 FSR 증폭기(30)의 이득과 오프셋을 무선원격으로 조정하고, 상기 FSR(10)을 안테나 겸용으로 사용하기 위해 무선원격 조정되는 임피던스 정합기를 충격력 측정 대상물체에 설치한 상태에서 원격으로 측정장치를 교정(calibration)할 수 있는 것을 특징으로 하는 첨두 충격력 측정장치.
청구항 1에 있어서,
첨두전압 감소 시정수 설정이 가능한 첨두전압 검출기, 디지털-아날로그 변환, 디지털 신호처리 기법을 적용하여 첨두전압을 찾아내고 이에 대응되는 첨두 충격력을 산출하는 것을 특징으로 하는 첨두 충격력 측정장치.