KR850000309B1 - 변위 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

변위 측정장치

제1도는 본 발명의 개략적인 기능적 구성 블럭선도.

제2도는 본 발명의 개략적인 전자회로도.

제3도는 본 발명의 측정소자 구조도.

제4도는 본 발명의 실험결과 출력전압 곡선.

본 발명은 검출소자에 근접하여서, 횡으로 이등하는 자성체의 미소한 위치변등을 비접촉으로 검출할 목적으로 만든 것이다.

본 발명은 한국기계연구소 제어공학실에서 개발한 수치제어 선반용공작물 자동착탈장치의 한 부분인 공작물급송기의 파레트의 위치를 정확히 검출하기 위해서 만든 것이다.

본 발명에서는 유도저항 측정원리(Proximity 원리)를 응용하였으나, 공지의 유도저항식 변위측정장치는 측정소자축에 따라 종으로 근접하는 자성체의 위치를 감지함에 반해, 본 발명은 횡으로 이동하는 자성체의 위치를 감지하는 것이 다르다.

본 발명의 측정범위는 측정소자 자심의 두끝의 평행선과 평행으로 10mm이내로 근접하여서 측정소자 중심선으로 부터 +5mm이내로 이동하는 자성체의 움직임 1/1000mm을 정도까지의 감도로서 알아낼 수 있다.

공지의 유도 저항식 근접 측정장치의 원리는 다음과 같다.

위 그림과 같은 유도 저항체에서의 자기유도 저항치 L은 다음식과 같이 된다.

여기에서

위식에 의하면 공극의 미소변화에 대한 유도저항의 변화는 다음식과 같다.

즉 자심에 대한 철심 미소 변위에 대해서 자기 유도 저항은 역비례 하여 변한다.

의 그런고로, 이러한 유도 저항체에 정전압 정현파 전원을 연결하면 공극의 미소한 변화에 역비례하여 옴의 법칙에 따라 전류가 증감한다. 이 전류변화의 차이로써 변위를 알아내는 것이 공지의 유도 저항식 미소 변위 측정기인 프록시미터, 또는 근접 스위치 등이다.

본 발명에서는 위에서와 같은 원리를 응용하였으나, 제1도 및 제3도에 보인바와 같이 W₁권선과 W₂권선이 한 철심에 감겨있고, W₃권선과 W₄권선이 다른 철심에 함께 감겨있어서, 네개의 유도 저항이 똑같게 되도록 하여, 제1도와 같이 유도 저항브리지 회로가 되도록 한 것이 다르다.

본 발명의 측정원리를 보면. 피측정 자성체가 W₁, W₂권선이 함께 감긴 자심에 가까이 왔다고 하면 W₁과 W₂의 유도 저항이 보다 커지므로, 옴의 법칙에 따라 다음과 같은 식이 얻어진다.

위에서 V_S는 브리지에 거는 정현파 전압이고 I₁은 W₁, W₄의 가지에 흐르는 전류, I₂는 W₃W₂가지에 흐르는 전류이고 Vm은 우리가 얻고자하는브 리지의 비 평 형시의 출 력전압이다. 다시 제1를도 보면, 양브리지에 연결된 첨두 전압검출기는 각기 -의 첨두 전압을 측정하게 되는데, 반대로 +의 첨두 전압을 측정해도 증폭회로에서 위상만 바꾸면 같은 결과를 얻는다.

이렇게 측정된 전압이 감산회로를 거치면 브리지양단의 전위차 Vm을 알수 있어서 이로서 피측정체의 위치를 알수 있다.

제4도는 본 발명의 실험결과를 기록한 것인데, 가로축은 측정소자의 중심선으로부터 피측정자성체가 일정하고 평행한 간격을 유지하면서 좌우로 횡적이동을 하는 거리이고, 세로축은 접지전압을 중심으로 해서

변위측정장치에서 나오는 정, 부의 출력전압이다.

그림의 곡선중 d=( )mm라고 표시한 것은, 도면의 좌측상단에 있는 그림에서와 같이 측정소자를 놓았을 때 측정소자와 같은 평면상에서의, 피측정체와 측정소자의 두 자심의 끝과의 평행거리의 표시이다.

여기에 나타난 곡선은 직경 10mm의 강철막대를 그림에서와 같이 놓고, 좌우로 25cm/sec의 속도로 움직였을 때 얻은 그림인데, 중심선의 왼쪽에 철봉이 있을때는 -전압이 나오고, 오른쪽에 있을때는 +전압이 나오도록 하였다.

그리고, 평행간격이 좁을 때는 전압출력이 급하게 변하고 넓은 때는 적게 변한다.

예를 들어 평행간격 d=4mm로 표시된 곡선에서, 변위측정장치의 출력이 +5V인때에는 피측정자성체가 측정소자의 중심선으로부터 오른쪽으로 약 2.7mm의 위치에 있음을 알수 있다.

본 측정기를 사용하여 변위값을 측정하고자 할 때에는 측정소자와 피측정체의 평행간격을 매우 정확히 유지하면서 피측정체를 움직여야 하지만, 만일 피측정체가 측정소자의 중심선의 좌 또는 우측에 있는 가만 판별하고 싶은 경우에는 측정소자와 피측정체의 간격이나 평행도등에 거의 관계없이 측정범위내 에들어 있지만 하면 대단히 높은 정밀도로 좌우의 위치판별을 할수 있다.

제4도를 다시 보면 중심선에서의 출력전압은 피측정체가 어떠한 평행거리에 있어도 무조건 0볼트의 전압이 되고 좌측이면-, 우측이면+전압이 되는 것을 확인할 수 있다.

이와같은 특성을 이용하면, 매우 정확한 비접촉스위치를 만들수 있다.

앞에서 말한 공작물의 착탈장치에서는 본 측정장치를 파레트의 위치를 정확히 제어할 목적으로 사용하였는데, 파레트에 부착된 측정용돌기가 측정소자의 중심선으로부터 ±5mm일때에, +5V. DC의 전압을 얻도록 조절하였는데 이때의 소자와 돌기사이의 거리는 4mm가 되게하였다.

이렇게 하여 측정장치의 출력을 디지탈로 변환해 본 결과 0.02mm의 변위를 검출할 수 있었고, 대단히 정밀한 위치제어가가 능하였다.

다음은 제2도를 가지고 변위측정장치의 측정원리를 설명한다.

제2도에서 연산증폭기 회로 U10-U15와 TR1, TR2는 제1도에서 정현파 발생기를 표시한 블록과 같다.

본 발명에서는 이와같은 회로를 사용하였으나, 높은 안정도의 정현파 발생기회로이면 공지의 어떠한 정현파 발생기를 사응하여도 된다.

정현파 발생원리를 간단히 설명하면 U11의 주변회로는 적분기이고, U10은 판별기(콤퍼레터)인데 두 회로의 출력이 정궤환되어 삼각파가 발생된다.

삼각파의 주파수는 가변저항 R54에 의해서 변화시킬수 있다. 삼각파의 파형은 C53과 R57, C52와 R56의 값을 잘 선택하 지않으면 찌그러진다.

다음 U12는 적분기, U13은 판별기, U14는 전위조정 결증폭기인데, 적분기는 부궤환신호가 없으면+또는 -로 말려들기 때문에U13과 U14를 써서 부궤환신호를 걸었다.

U11에서 나온 삼각파는 U12에서 적분되어 거의 정현파에 가까운 교류출력이 나온다.

U15와 TR1, TR2는 U12에서 나오는 정현파신호를 C18의 결합콘덴서를 통해 유도저항브리지에 공급하는 정현파출력을 만든다. 이렇게 만들어진 정현파전원이 측정소자 브리지회로에 걸리면, 앞서 설명한 V_m이라는 전압이 피측정체의 위치에 따라 변하고, 이 전압이 첨두전압 검출기에 들어간다.

U1과 U2는 각각의 다리에서 나오는 첨두전압을 측정하는 검출회로인데 두 회로가 등일한 회로임으로 U1회로만 설명한다.

R1과 R2는 입력저항 R3는 부궤환 저항이고 D2은 첨두치 검파용 다이오드이다.

R1으로부의 신호가 들어오면 연산증폭기 U1의 출력이 정이되고 D2를 통해 콘덴서 C1에 충전된다.

정의신호가 걸린때에는 U1의 출력은 D1을 통해 궤환되어 0이 되고 D2는 역으로 흐르는 전류를 막아 C1에 충전된 전압이 방전되는 것을 막는다.

R47은 연산증폭기의 출력의 전위조절에 쓴다.

C1에 충전된 전압은 R3와 R21을 통해서 방전되므로 입력신호가 약해지면 C1에 충전된 전압도 따라 낮아진다.

이리하여 C1은 약간의 리플이 섞인 첨두치전압을 나타낸다.

U3은 감산기인데 R21과 R22에 의해서 결정되는 증폭율에 R28과 R29의 전압분할기의 전압이 보태진 것이 출력으로 나온다.

R25는 출력전기 조정저항이다.

U4는 필터인데 50Hz이하의 주파수만 통하도록 하였다.

R31로 들어오는 신호는 C31에 의해서 완충되고 나머지의 빠른 주파수는 C32에 의해서 부궤환시켜 죽인다.

U5는 출력전압 이득조정 및 전위조정용 증폭기이다.

R43은 출력전압을 분할하여 궤환함으로서 이득을 조정한다.

R47은 전위조정용 가변저항이다.

증폭회로의 조정순서는 다음과 같다.

(1) 측정소자의 중심선에 피측정체를 갖다 놓는다. (측정소자와 피측정체간의 거리는 미리 정해 놓는)다)

(2) 콘덴서 C1과 C11에 각각 오시로 스코프를 연결하여 R8과 R18을 조정하여 같은 전압이 나오도록 조정한다.

9(여기서 정현파 공급전원이 ±5V이면 +2.5V반파가 된다)

(3) 우측(또는 좌측)으로 피측정체를 측정범위 끝까지 갖다 놓고, C1과 C11의 첨두전압을 기록해 놓는다.

(4) 다음은 반대편같은 거리로 피측정체를 옮기고 각각의 첨두전압을 본다. 이때 (3)에서 얻은 같과 같지않으면 R11(또는 R1)을 조정하여 증폭율을 변화시켜 (3)번 값과 같게 한다.

위의 (1)-(4)를 계속반복하여 두 첨두전압 검출기의 전위와 증폭을 일치시킨다.

(5) U3은 1 : 1감산이 되도록부품을 선택하였으므로 R25를 조정하여 전위만 조정하면 된다.

(6) U5의 R49로 최종출력의 0전위를 조정하고 R43으로 최고전압을 조정하면 원하는 출력이 얻어진다.

이렇게 하면 변위/전압변자환료를 얻는다.

다음은 측정소자를 만드는 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서는 자심으로 연철철심을 사용하였다

주의할 점은 두 쌍의 유도저항체가 물리적으로 완전히 같지 아니하면 측정이 부정확해지므로 주의해야 한다.

연철철심의 크기의 적정치가 얼마인지, 또는 페라이트 심도 좋은지는 실험을 하지 안해서 알수 없으나, 본 발명에서는 제3도에서 보인바와 같이 직경 3.5mm 길이 14mm의 연철철심을 사용하였다.

다음은 에폭시수지 또는 베크라이드판을 원형으로 만들어 철심양단에 끼우는데 두개의 거리가 똑같도록 한다.

다음은 이것을 권선기에 물리고, 0.1mm내외의 에나멜선 두 가닥을 같이 잡아 나란히 감아나가는데, 각 층마다 감기는 수와 감는 방향을 똑같이 조정하지 아니하면, 인덕턴스는 같이 조정할 수 있어도 임피던스가 달라지므로 극히 조심해야 한다.

왜냐하면 브리지애서 나오는 신호는 임피던스에 의하는데, 그렇다고 인덕턴스를 무시하고 임피던스만 맞추면 파형이 편이되어 그것으로 인한 차전압이 잡음으로 되어나오기 때문에 못쓴다.

[[KIMMBOT 1]에 만들어 사용한 본 변위 측정장치가 0.02mm정도의 분해능밖에 못가진 것도 손으로 감다보니까, 두 개를 똑같이 만들지 못해서 그렇게 되었다.

다음은 권선의 감긴 방향에 유의하면서 제1도와 같이 권선을 이어브리지를 만든다.

다음은 에폭시접착제를 발라 두 개의 유도저항을 나란히 고정시킨다.

본 발명에서는 두 철심간격을 14.5mm로 고정하였으나 12mm정도로 하여 측정범위를 ±3mm로 하는 것이 직선성이 좋았다. [KIMMBOT 1]에서는 측정범위를 ±5mm로 하기 위해 14.5mm로 한 것이다.

다음은 제3도에서 보인 것과 같이 측정소자 앞끝은 노출시키고 그 내머지부분은 투자율이 좋은 철판으로 싸서 전자장차폐 및 자로로서 작용하도록 하는데, 뒤끝부분은 30m이상의 공간을 두도록 한다. 만일 뒷부분에 자성체가 너무 근접해 있으면 두 개의 자심이 독립된 기능을 갖지 못하고 서로 영향을 미친다.

다음은 피측정체인 측정용 돌기와 측정소자의 설치시주의 사항에 대해 설명한다.

아래 그림은 본 연구소에서 개발한 수치제어 선방용 공작물 자동착탈장치에 사용한 측정용 돌기의 모양을 보인 것이다.

측접용 돌기에 대해 몇가지 형태로 실험한 결과 좌우가 대칭이고 중앙이 양옆보다 볼록하면 어떠한 형태이든 좋음을 알았다.

그리고 위 그림의 점선부분안에는 측정용 돌기이외에는 어떠한 자성체라도 있으면 측정에 오차가 생긴다.

재미있는 것은 측정소자와 측정돌기사이에 종이, 알미늄판 스텐레스 316등을 막아놓아도 변위측정이 가능하다.

Claims (1)

1. 자성체로된 피측정체의 변위를 유도저항 변화로서 검출하는 근접센서로서, 한자심에 전기적 특성이 동일한 두 개의 권선을 가지며, 이러한 유도저항체를 나란히 고정하되 유도저항 브리지로 결선함과 동시에 앞부분외에는 전자장차폐를 한 소자와, 이 소자에 고주파(1KHz-100KHz)정전압 정현파를 걸어서 나오는 출력을 각각 첨두 전압으로 바꾼 다음 차전압증폭을 하여서 항요한 출력을 얻음으로써 횡으로 이동하는 피측정체의 미소변위를 비접촉식으로 측정하는 것을 특징으로 하는 변위측정장치.

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