KR100199230B1 - 동적 토르크 측정방법 및 그 장치 - Google Patents

동적 토르크 측정방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

사이에 끼이게 되는 전극이 용착되는 한 을 포함하는 SAW 공진기 변환기가 제공되며, 전극은 하나의 신호입력과 하나의 신호출력을 갖고, 변환기가 정해진 방향에서 스트레인이 측정되게 될 한 부재상에 결합시키도록 적용된다. 한 구동신호가 변환기의 신호입력으로 가해지고 한 출력 공진주파수가 구동신호에 의해 구동되는때 변환기의 신호출력에서 탐지된다. 이때의 출력신호는 변환기가 결합되는 부재에 의해서 으로 가해진 스트레스에 기인하여 내의 스트레스에 의해 유도되는 변환기내 스트레인에 대한 정보를 밝히도록 처리된다.

Description

동적 토르크 측정방법 및 그 장치
제1도는 SAW 장치를 도시한 도면.
제2도는 제1도에서 도시된 것과 유사한 변환기를 한 증폭기와 결합시킨 회로도.
제3도는 제2도에서 도시된 변환기의 한 쌍을 도시한 도.
제4도는 제3도에서 도시된 것과 유사한 한 쌍의 변환기를 한 증폭기와 결합시킨 회로도.
제5도는 제4도에서 도시된 컴포넌트를 보상 및 교정을 제공하기 위한 추가의 컴포넌트에 결합시킨 회로도.
제6도는 출력장치에 대해서 앞선 도면에서 도시된 변환기의 커플링(결합)을 도시한 회로도.
제7도는 제6도에서 도시된 시스템의 한 응용을 도시한 도면.
제8도는 제7도와 관련해서 도시된 회로의 개선된 회로.
제9도는 제5도에서 도시된 것과 관련된 집적된 마이크로회로의 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 12 : 전극 13 : 압전기판
91, 92 : SAW 공진기 93,94 : 증폭기
95 : 믹서(mixer) 96A : 인덕터
96B : 커패시터 97 : 코일(coil)
98A : 커패시터 98B : 다이오드
98C : 임피던스
본 발명은 동력이 회전축에 의해 전달되는 때 발생되는 동적 토르크의 측정에 관한 것이다.
정적, 동적 스트레인의 측정에는 통상의 저항 스트레인 게이지가 널리 사용되고 있다. 이들은 브리지 회로내로 사용된 저항요소를 특징으로 하며 적어도 몇 개의 요소가 고정되는 성분의 스트레스로 인해 저항 요소에서의 변화가 브리지 회로에 의해 정량화되도록 한다.
저항 스트레인 게이지는 게이지가 단단히 고정되는 축에 의해 전달되는 토르크를 측정하기 위해 사용된다. 축에 있는 슬립링(slip ring)이 신호입력을 공급하고 게이지로부터 신호출력을 회수하도록 사용된다. 토르크 전달중에 축의 비틀림으로부터 일어나는 게이지의 기하구조 변화는 슬립 링에 의해 모니터된다. 그러나 슬립 링의 사용은 많은 단점들을 가지고 있다. 슬립 링에서 브러시가 끌리므로써 토르크 크기가 작은 값을 나타내는 신호들을 측정하는 데는 심각한 오류를 발생시키며 브러시가 끌리는 것은 마찰의 상태에 따라 그리고 마모가 발생됨에 따라 변화된다. 관성효과는 슬립 링의 축 베어링이 받게 되는 가속도를 제한한다. 링과 브러시는 전기 잡음을 발생시킨다.
토르크의 측정은 작은 규모의 실험실 믹서를 사용하는 것과 관련된 점성으로부터 발생되는 매우 작은 토르크로부터 공중과 수평의 추진장치 전달축에서 발생되는 매우 큰 토르크까지 이른다. 일반적인 슬립 링 시스템에서는 약 2 N.m(Newton. metre)이하의 토르크 측정에는 쉽게 적용되지 않음이 밝혀졌다. 대개 한 축에 대한 게이지 단면의 직경은 적절한 크기의 스트레인 게이지를 장착하기 위해서는 이용될 수 있는 면적이 너무 작아지게 되며 발생된 전기적 잡음의 크기는 신호대 잡음의 비가 효과적인 사용에 손상을 줄 정도이다. 매우 큰 축에서는 슬립 링과 관련된 장비의 사용이 접근과 하우징의 문제를 일으킨다.
저항 스트레인 게이지의 선택적인 것으로서 광학적 토르크 변환기가 축 토르크 측정을 목적으로 이용되어 왔다. 광학적 트랜스듀서에서 방사상으로 뻗어있는 세그먼트 격자는 축위에 장착된다. 광원 배열로부터의 출력이 격자를 통해서 포토셀열위로 떨어진다. 포토셀(photocell)로부터의 신호출력은 축으로 가해진 토르크에 따라 변환된다. 측정의 정확도는 축의 속도와 토르크 레인지에 의해 영향을 받지 않는다. 광원의 세기는 포토셀 출력이 광원의 변화로 인해 변화하지 않도록 모니터될 수 있다.
현재 이들 광/전자 게이지는 0 내지 10mN.m(milli Newton metre)에서 0 내지 5000N.m까지의 범위의 토르크와 회전속도 0.5 내지 3000rpm 사이에서 널리 사용되고 있다. 광학적 전자장치의 기술적인 장점이 크기는 하지만 이들은 가격이 비싸다. 특히 세그먼트 표시가 된 격자는 제조하기가 비싸다. 또한 포토셀 배열내에서 광을 제거시켜야 하는 주기적인 필요는 디자인을 제한하도록 하며 게이지가 유지 및 눈금표시를 하기 위해 접근할 수 있어야 한다.
하기에서는 '표면 음향파 공진기'에 대하여 고찰하도록 한다. 이같은 공진기는 압전 기판상에 용착되는 미소구조로 만들어진다. 미소구조는 얇은 금속 전도층으로서 한 기판상에 용착되어진 적어도 한쌍의 중간에 끼인 빗과 같은 전극(comb-like electrodes)에 의해 형성된다. 제1도는 입력전극(11)이 출력전극(12)사이에 끼이도록 하여서는 표면 음파장치(10)의 기본 모델이다. 적극은 약 1000 옴스트롱의 두께인 알루미늄 용착물(다른 전도체가 사용되기도 한다)이다. 전극(11,12)는 압전기판(13)의 상측표면(14)상에 용착된다. 가요성 플라스틱 중합체로부터 세라믹과 수정등과 같은 강재까지 많은 압전물질이 기판으로서 적합하다. 다양한 압전 수정형성이 리튬 니오브산염, 리튬 탄탈산염, 비스무쓰 게르마늄 옥사이드 갈륨 옥사이드와 같이 사용될 수 있다. 이제부터는 이와같은 표면 음파장치를 SAW 공진기로서 인용하기로 한다.
SAW 공진기에서 쌍내의 한 전극으로 한 전기신호를 가하는 것은 그것이 변환기로서 작용하도록 하며 전기적 입력신호를 기판상에서 밖으로 출력되는 한 음파로 변환시키도록 한다. 그같은 쌍내의 다른 한 전극은 전기적 출력신호를 제공하는 처리를 기판상의 음파의 도달로 바꾸도록 한다.
SAW 공진기는 회로의 선택도가 높고 동 회로에 의해 통과되는 대역폭을 좁게 하는 '하이Q' 장치로서 작용한다. SAW 공진기는 디레이 라인, 주파수 펄터, 대역폭 필터, 발진기, 듀플렉서 그리고 컨볼버(comvolvers)등과 같은 신호처리기 응용에서 널리 사용되는 다수의 표면음파장치 가운데 하나이다. SAW 장치는 현재의 연구 및 개발의 대상이다. 이에 대해서는 많은 간행물에서 소개되었는 바 이들중에는 미국, 캘리포니아 샌디에고의 아카데믹 프레서, 인코퍼레이티드사에 의해 발간된, 콜린 캠프밸(1989년판)에서의 '표면음파장치와 이들의 신호처리응용' 등이 있다.
본 발명의 한 특징에 따라 회전축을 가지는 한 축에 의해서 전달되는 동적 토르크를 측정하는 방법이 제공되며, 그 방법이
1. 축(S)위에 한 쌍의 변환기(T1, T2)를 위치시키고, 각각이 한 보조쌍으로서 장착되어 축(A)에 대하여 축(S)의 첫 번째 회전방향(K)에서 하나의 변환기(T1)이 압축을 받으며 다른 한 변환기(T2)는 긴장하에 있게 되고, 축의 반대회전 방향에서 한 변환기(T1)이 긴장하에 있고 다른 하나가 (T2)압축을 받도록 하는 SAW 공진기를 포함하며, 각 변환기에 대하여 하나의 신호입력(C1)과 신호출력(C2, C3)가 있어서 이들 신호입력과 신호출력 또는 신호출력들이 이들 신호에 따른 회전을 위해 축(S) 바깥쪽 가까이에서 불연속적인 위치에 높이게 된다.
2. 한 구동신호가 신호입력(C1)으로 가해지도록 한다.
3. 신호출력에서 구동신호에 의해 구동되는 때 변환기(T, T1, T2)의 적어도 한 출력 공진주파수를 상기 신호출력(C2, C3)에서 탐지한다.
4. 각각의 또는 두 변환기의 출력 공진주파수 신호를 처리하여 축(S)에 의해 전달된 동적 토르크 때문에 축(S)내의 스트레스에 의해 유도된 변환기(T1, T2)에서 발생된 스트레인에 대한 정보를 찾아내도록 한다. 와 같은 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명 방법의 첫 번째 특징에 따른 첫 번째 바람직한 실시예에 따라, 한 변환기(T1)으로부터의 출력 공진 주파수가 첫 번째 신호주파수를 제공하며 또 다른 변환기(T2)로부터의 출력공진 주파수(f1)이 두 번째 신호주파수(f2)를 제공하고, 첫 번째와 두 번째 신호 어느하나 또는 모두가 혼합처리(M)이전에 처리(R1, R2)됨을 더욱더 특징으로 한다.
본 발명의 첫 번째 특징의 두 번째 바람직한 실시예에 따라, 첫 번째 특징의 방법 또는 첫 번째 바람직한 실시예의 방법은 신호가 신호입력(1)에 가해지도록 하는 단계가 낮은 전력의 유도성, 용량성 또는 전파 수단에 의해 신호입력으로 결합되는 신호전송기(P1)에 의해 수행된다.
본 발명 첫 번째 특징의 세 번째 바람직한 실시예, 또는 그 첫 번째 또는 두 번째 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 방법은 신호출력(C2, C3)를 탐지하는 단계가 유도성, 용량성 또는 전파수단에 의해 신호출력(C2, C3)에 결합된 신호수신기(P2, P3)에 의해 수행됨을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따라 회전축을 가지는 한 축에 의해 전달되는 동적 토르크를 측정하기 위한 장치가 한쌍의 변환기(T1, T2)에 의해 특징으로 하며, 한 보조쌍으로서 축(S)위에 위치한 하나의 SAW 공진기를 포함하며 축(A)에 대하여 축(S)의 회전(K)방향에 대한 한 변환기(T1)이 압축을 받으며 다른 하나(T2)는 긴장하에 있고 축의 역회전 방향에 대해 한 변환기(T1)이 긴장하에 있고 다른 하나(T2)가 압축을 받으며, 회전을 위해 축(S) 바깥쪽 가까이 불연속적인 위치에 위치하는 각 변환기에 대한 한 신호입력(C1)과 신호출력(C2, C3)를 가지며, 각 SAW 공진기(T1, T2)가 한 측면에 장착되 있는 한 쌍의 사이에 끼인 전극(11, 12)를 가지는 압전 기판(13)을 포함하며 한 전극(11)이 신호입력 C1에 연결되고 다른 전극(12)이 신호출력(C2)에 연결되며, 정해진 주파수로 신호입력(C1)으로 한 입력신호를 가하기 위한 발생기(A1, A2) 하나를 포함함을 특징으로 한다.
모니터(M)는 신호출력(C2, C3)에서 한 신호를 탐지하고, 신호처리기(MP)에 의해서 기판(13)으로 가해진 스트레인으로부터 발생된 출력신호의 변화가 유도될 수 있다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 첫 번째 바람직한 실시예에 따라, 신호입력(C1)으로 한 신호를 가하기 위한 수단이 유도성, 용량성 또는 전파수단에 의해 입력신호(C1)으로 결합된 한 신호전송기(P1)을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 두 번째 실시예 또는 첫 번째 실시예에 따라, 신호출력(C2, C3)을 탐지하기 위한 수단이 유도성, 용량성 또는 전파수단에 의해 신호출력에 결합된 한 신호수신기(P2, P3)를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 세 번째 실시예에 따라, 신호처리수단(M)이 한 변환기(T1)으로부터 출력 공진주파수(F1)과 다른 한 변환기(T2)로부터 출력 공진주파술르 수신하도록 되며 두 신호를 혼합하여 두 신호(F1, F2)로부터 유도된 한 합성신호를 제공하도록 함을 더욱더 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 4번째 바람직한 실시예에 따라, 세 번째 실시예의 장치의 경우 신호처리수단(M)이 한 신호출력으로서 변환기쌍(T1, T2)의 출력으로부터 유도된 합계와 차이 신호를 제공하며, 차이신호가 측정된 토르크의 함수이고 합계신호가 변환기 영역내 주위온도의 함수임을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 5번째 바람직한 실시예에 따라, 4번째 실시예의장치의 경우 차이신호와 합계신호(이들의 유도체)가 한 공동처리기(MP)로 공급됨을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 6번째 바람직한 실시예에 따라 이같은 장치의 경우 변환기(91,92), 발생기(93,94), 그리고 믹서(95)가 토르크가 측정되게 될 축상에 장착하기 위해서 하나의 유닛으로 패키지되고 각 변환기로부터의 신호출력이 믹서에 의해 혼합되며 그뒤로 동 유닛으로부터의 전송을 위해서 공동의 출력유닛(97)로 공급됨을 특징으로 한다.
변환기 기판과 그위에 장착된 전극의 스트레인을 받지 않은 일정한 기본적인 상태에서, 입력전극으로 공급된 한 입력신호가 출력전극으로부터 고유의 공진주파수 출력신호와 함께 출력전극으로 표면 음파의 전송을 일으키게 한다. 기판의 스트레인을 받게 되는 경우 전극배열의 관련된 기하학적 구조의 결과적인 변화는 공지 출력주파수가 탐지될 수 있는 그리고 스트레인의 진폭 또는 스트레인의 함수와 관계를 갖는 변화를 받게 되도록 한다. 이와같이 하므로써 기판내에서 스트레인으로 전달될 수 있는 스트레인 진원이 SAW 변환기에서의 기하학적 구조 변화로부터 발생되는 신호 변화에 의해서 분석될 수 있도록 한다.
SAW 공진기의 동작주파수는 몇 메가헤르쯔로부터 수 기가헤르쯔에 이르는 넓은 주파수범위 어디에서든 선택될 수 있다. 높은 주파수가 사용될수록 변환기에서 요구되는 포장(envelop)는 작게되며 이는 사용공간이 제한되는 스트레인이 관련된 응용에서 특히 유익하다. 사용된 공진주파수는 전극의 기하학적 구조와 기판의 재료특성을 포함하는 여러 인수들에 달려 있다. 표면파의 속도는 기판재료의 온도에 따라 변화된다. SAW 공진기가 매우 작게 만들어질 수 있으므로 광범위한 응용분야에서 스트레인 측정장치로서 사용하는 것을 용이하게 한다.
전극사이의 결합은 '표면파'(Rayleigh 로서 알려져 있기도 하다)에 의해 해결될 수 있다. 이같은 표면파의 경우 기판은 특히 두가지 이유로 유연한 전파표면을 가질 필요가 있다. 먼저 표면의 결함은 전극의 개별부분에서 브레이크를 일으킬 수 있으며 주파수 응답에 영향을 미치도록 한다. 두 번째 표면파 에너지는 1 또는 2개 파장길이 두께의 한층내에 집중된다.
전극을 결합시키기 위해 사용될 수 있는 또 다른 음파모드는 '표면 스키밍 벌크(surface skimming bulk)'파이다. 이들은 표면 음파보다 더욱 깊숙히 기판내로 들어가며 결과적으로 표면 스키밍 벌크파는 표면음파에서 발생하는 것보다 높은 손실을 갖게 된다. 그러나 벌크파는 기판표면에서의 결함에는 덜 민감하다.
동작모드의 선택은 택하여질 스트레인 측정에 달려있게 될 것이다.
SAW 공진기는 변환기 입력으로의 신호입력과 변환기로부터의 신호출력이 외부 접촉 시스템으로의 비-접촉 결합(유도성, 용량성 또는 전파수단에 의한 것과 같은)에 의해서 전달되는 시스템에서 사용될 수 있다. 전극이 어떠한 직접적인 전기적 연결도 가지지 않는 비-접촉 결합을 제공하므로써 특히 내부적인 안전이 필요하거나 실질적인 연결이 측정되어질 공진에 영향을 미치게 하는 경우 많은 장점을 제공한다. 그와같은 비-접촉 시스템은 특히 회전기계에 편리하다. SAW 변환기는 저항 스트레인 게이지 위치에서 사용될 수 있다. 어떠한 경우에도 SAW 스트레인 변환기는 종래의 저항 스트레인 게이지 정확도보다 높은 정확도를 제공할 수 있다.
SAW 공진기에서의 전극 배열은 다수의 형태를 가질 수 있으며 모두가 동작 주파수와 전극의 기하학적 구조사이의 정확하고 특정된 관계를 제공하게 된다.
싱글포트(단 단자) SAW 공진기는 동작을 위해 단지 두 개의 연결만을 필요로 한다. 이같은 변환기는 네가티브 입력 저항 특성을 가지는 한 증폭기와 함께 사용되며 발진의 상태가 SAW 공진기의 임피던스 변환에 의해 유지될 수 있도록 한다.
두 포트(2 단자)공진기는 상응하는 단 단지 타입보다 손실이 적으며 다중-모드 방식으로 동작하도록 만들어질 수 있고 높은 정밀 응용에 적용될 수 있도록 상이동과 관련하여 장점을 가진다.
본 발명으로부터 일어나는 여러 장점들 가운데 토르크 측정과 관련해서 온도측정을 제공하는 것이 있다. 이는 SAW 변환기로부터의 출력신호를 처리하는 것과 관련해서 다음에 논의될 것이다. 대개 SAW 변환기는 이중의 금속 스트립과 관련해서 사용될 수 있으며 이때 한 스트립을 만드는 한 금속의 팽창계수는 다른 금속의 팽창 계수와는 다르다. 온도가 변화하는 경우 스트립 한측면에서의 스트레인은 압축을 하고 다른 한측면에서는 긴장된다. 결과적으로 각 스트립에서 SAW 공진기를 장치하므로써 이들의 출력들 사이의 주파수 차이는 재료의 스트레인으로 인해 주위 온도를 나타내게 될 것이다. 선택적으로 주파수의 합계는 재료의 팽창으로 인한 온도의 측정이 될 것이다. 이같은 장치의 경우 1MW 보다 적은 동작력이 사용될 수 있으며 이는 비-접촉 결합과 협력하여 고유의 안전 요구를 해결하게 된다.
하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
동적 토르크를 측정하기 위해 SAW 공진기 쌍의 사용을 도시하는 제2도 내지 9도 관련된 실시예가 하기에서 설명된다.
토르크를 측정하기 위해 각 공진기의 기판이 검사를 받고 있는 축 또는 다른 전달부재에 단단히 부착된다. 이는 직접 또는 기판과 필요할지도 모르는 검사편사이의 접속기에 의해 가능해지며, 예를 들어 여기서 공진기는 외부환경으로부터 공진기 컴포넌트의 보호를 위해 캡슐화된다. 토르크(방사상의 스트레인)은 기판요소의 형상변화로부터 따라서 기판상에 용착된 전극의 관련된 위치에서의 변화로부터 발생되는 공진기의 출력 주파수 변환에 의해 측정된다. 방사상의 스트레인은 검사중인 축내의 스트레스에 의해 발생되며, 이는 가해진 토르크와 비례한다.
SAW 공진기의 온도 계수는 매우 낮을 수 있다. 그 발진주파수는약 1 기가헤르쯔(109Hz)까지 될 수 있다. 대표적인 500Khz(5×105Hz)의 주파수 변화를 발생시킨다.
[제2도]
제1도에 도시된 타입의 변환기는 한 증폭기 A에 연결된다. 이 회로는 증폭기가 공진기와 커플링에서 발생되는 손실을 극복하기 위해 충분한 이득을 유지하면서 올바른 위상 이동을 제공하는때 정해진 주파수로 발진하게 될 것이다.
[제3도]
두 개의 SAW 공진기 변환기 T1 및 T2는 축 S 상에 장착되며 이들의 중심선 X1 과 X2는 서로 직각을 이룬다. 화살표 K로 표시된 시계방향으로 축에 가해진 토르크느 변환기 T1에서 압축 스트레스를 그리고 변환기 T2에서 긴장 스트레스를 만들어 낸다. 어떠한 온도변화도 두 요소에 똑같이 가해진다. 교대의 쌍을 이루는 배치가 두 개의 변환기가 축의 반대측면상에 장착되고 이들의 중심선은 서로 직각이도록 된다(축의 축에는 45°를 이룬다).
[제4도]
한쌍의 변환기 T1 및 T2는 제3도에 도시된 바와같이 축상에 장착된다. 출력신호 주파수 F1 및 F2를 각각 제공하는 증폭기 A1 및 A2에 각각 결합된다. 출력신호는 출력 F를 갖는 믹서 M로 공급된다. 출력주파수 F는 F1+F2 및 F1-F2가 될 것이다. F1+F2 성분을 무시하면 가해진 토르크 선택으로 0.1%의 변화에 대해 1MHz의 대표적인 주파수 차이가 발생된다. 변환기로부터의 출력은 토르크에만 비례하며 아무런 토르크도 전달되지 않으면 F1-F2는 제로에 가까워진다. 온도로 인한 변환기 T1과 T2의 기하학적 구조의 변화 또는 엔드로드(endload) 영향은 모두에게 똑같이 적용되며 네트 결과는 제로가 될 것이다.
어떠한 재료의 긴장강도로 온도에 종속관계를 갖는다. 결과적으로 주위온도를 알게 되므로써 교정 또는 보상을 가능하게 할 것이다. 따라서 믹서 M의 출력 F, (F1+F2)는 기준과 비교할 때 각 변환기의 기판이 부착되는 재료의 온도에 비례하는 한 신호주파수를 발생시킨다.
[제5도]
이 회로는 제4도의 것과 유사한 것을 사용한다. 제4도와 관련해서 언급되는 컴포넌트는 제5도에서 같은 번호를 부여받는다. 또한 제5도는 온도교정이 가해질 수 있도록 또 다른 믹서 M2 및 한 기준신호발생기 R를 도시한다. 믹서 M의 출력주파수 F1+ F2는 발생기 R로부터의 대개 1GHz 인 신호 B와 함께 믹서 M2로 공급된다. 결과적으로 믹서 M2가 출력합 A+B 또는 A-B를 제공한다. 차이신호는 온도와 관계있는 주파수이며 정밀한 응용에서 눈금계수를 교정하도록 사용될 수 있다.
SAW 장치가 초고주파 영역에서 동작하기 때문에 가장 효과적인 결합을 획득하기 위해 한정된 임피던스 정합이 요구된다. 이점과 관련해서 약 50 오옴의 임피던스에 달한다. 제3,4 및 5도와 관련해서 설명된 장치는 전형적인 18dB의 손실에는 민감하지 않다.
[제6도]
제6도 도면은 코일과 탐침에 의하여 SAW 공진기 변환기 T1과 T2 각각으로 에너지가 어떻게 결합되는가를 도시한 것이다. 코일 C1-C3 각각은 그것과의 회전을 위해 축 S에 각각 고정된다. 이같은 코일은 선박의 추진기 축과 같은 저속장치에 적합하도록 축 1회전마다 1이상의 진폭 최대값을 제공하도록 만들어진다. 고정된 탐침 P1-P3이 축에 인접해서 장착된다. 필요한 정합 임피던스는 코일 C1 내지 C3 및 탐침 P1 내지 P3의 경우 50오옴이다. 증폭기 A1 및 A2는 이들과 관련된 회로가 각 코일과 탐침사이의 공간손실을 참작해서 발진할 수 있도록 적절한 이득을 제공해야 한다. 각 증폭기에는 자동 이득제어('AGC')가 제공되어 코일과 탐침사이의 거리변화로부터 일어날 수 있는 적당한 시스템 손실을 수용할 수 있도록 한다. 전력 디바이더 R1, R2는 믹서 M으로 공급된 주파수를 조절하도록 한다. SAW 공진기가 조화되어 관계를 갖도록 하여질 필요는 없다. 믹서 M으로부터의 어떠한 주파수 차이도 또 다른 믹서를 사용하므로써 감소될 수 있다.
[제7도]
제7도는 제6도를 기초로 한 제어장치의 실제 실시예를 도시한 것이다. 변환기가 제6도에서 도시된 축상에 위치하기 때문에 제7도에서는 도시되지 않는다. 코일 C1 내지 C3는 제6도와 관련해서 설명된 바와같이 탐침 P1 내지 P3로 신호를 전송한다. 다이오드 D1과 D2는 가해진 전압으로 임피던스를 변경시키어 AGC효과를 제공하도록 한다. 증폭기의 출력전압에서 핀 다이오드 D1, D2로 제어전류를 제공하도록 정류되며, 따라서 다이오드 저항을 줄이고, 증폭기 출력의 고저측량을 일으키게 하며 이는 다시 공진기로부터 일정한 주파수 출력을 발생시키게 된다.
변환기 장치의 출력으로부터 또 다른 정보가 제공될 수 있다. 따라서 축 회전속도는 만약 코일 C1이 축에 대하여 편심이도록 만들어져서 각 축 회전에 관련된 한 출력을 발생시키게 되면 핀 다이오드의 제어전류 진폭 변조에 의해 나타내질 수 있다. 서서히 회전하는 축(선박의 추진기축과 같은)의 경우 축회전마다 다수의 출력을 발생시키도록(축의 정해진 각도변위에 하나의 출력) 코일 또는 코일들이 사용될 수 있다.
[제8도]
제6도 및 제7도와 관련해서 도시되고 설명된 회로가 여기서 추가의 특징과 함께 결합된다. 제8도에 도시된 성분은 형태와 기능에 있어서 제6도 및/또는 7도에서 도시된 것과 유사하며 같으 기호가 사용된다.
축 S 계는 변환기 T1과 T2가 장치되며 이는 코일 C1과 C2 및 탐침 P1과 P2에 의해 제어회로의 나머지에 결합된다. 이 경우에 T1의 출력 주파수는 250MHz 이며, 변환기 T2의 출력주파수는 500MHz이다. 증폭기 A1은 250MHz의 출력을 주파수 배가기 D로 공급시키며 이로부터 500MHz의 출력신호가 믹서 M으로 공급된다. 증폭기 A2는 500MHz의 출력주파수를 믹서 M로 직접 공급한다. (500+500)MHz와 (500-500)MHz를 대표하는 믹서 M의 출력은 나뉘어진다. 차이신호(한 토르크 신호를 나타내는)는 라인(10)에 의해서 마이크로프로세서 MP로 직접 공급된다. 합계신호(온도신호를 제공한다)는 라인(11)에 의해서 제2믹서 M2로 공급된다. 믹서 M2는 또한 라인(12)에 의해서 1GHz의 기준 입력신호를 수신한다. 믹서 M2의 출력은 한 온도신호를 나타내며 이같은 온도신호는 라인(13)을 경유해서 마이크로프로세서 MP로 공급되며 마이크로프로세서가 한 온도보상출력을 제공하도록 한다. 결과로서 마이크로프로세서 MP는 한 출력을 제공하여 적당한 온도보상과 함께 검사중인 축 S에 의해 전달되는 동력, 토르크 그리고 회전속도를 나타내는 W를 표시하도록 한다.
제3, 6 및 8도에 도시된 변환기 쌍은 서로 90도로 그리고 축에 대해서는 45도로 장착된다. 다른 장착각이 사용될 수 있기도 하다. 축의 하중측정이 조사될 수 있도록 하기 위해서는 서로 90도의 각으로 장착되어진 두 개의 변환기가 한 변환기는 축의 축에 평행하도록 장착될 수 있다. 이와같이 해서 축에 평행한 변환기가 축상의 축방향 하중에 민감하게 될 것이다.
실시예에서는 축에 장착된 변환기와 제어회로사이의 탐침/코일 결합을 사용한다. 정적인 측정에서 사용하기 위해 도선에 의해 변환기가 제어회로에 결합될 수 있다.
[제9도]
음파 공진기가 동작하도록 하기위해 사용되는 방법은 적절한 이득과 위상 안정도를 제공해야 한다. 이들은 코일 결합 특성을 포함하는 회로 파라미터의 주의깊은 제어를 필요로 한다. 이같은 제어는 이같은 목적으로 만들어진 변환기에서 쉽게 해결되어진다. 그러나 공진기가 기존하는 기계장치에 무수하여 제안하는 경우에는 토르크 또는 하중센서와 같은 또 다른 컴포넌트가 추가되어야 한다. 그 해결책은 필요한 전자장치를 음파 공진기 자체에 결합시키는 것이다. 제9도는 제4도에 관련해서 논의된 바 있는 것과 유사하게 SAW 공진기(91,92), 증폭기(93,94) 및 믹서(95)를 사용하는 결합된 유닛의 회로도를 도시한 것이다. 믹서(95)의 출력(약 1MHz의 주파수로)은 인덕터(96A), 커패시터(96B)에 의해 코일(97)로 공급되며 코일은 커패시터(98A), 다이오드(98B) 및 임피던스(98C)에 의해 결합되어 믹서(95)와 증폭기(93, 94)로 DC전원을 공급하도록 한다.
전기에너지는 코일(97)에 의해 외부 전원으로부터 결합되며 커패시터(98A), 다이오드(98B) 및 임피던스(98C)에 의해 정류되고 조절된다. 증폭기(93)로부터의 주파수 f1과 증폭기(94)로부터의 주파수 f2는 믹서(95)에서 혼합되며 그 출력이 코일(97)로 되보내진다. 자극발생원과 믹서(95)로부터의 복귀 신호 사이에는 대개 큰 주파수 차이가 있기 마련이다. 마이크로 회로를 사용하므로써 관련된 전자장치는 공진기(91,92)가 들어있는 하우징과 같은 곳에 수용될 수 있도록 한다. 이와같은 패키지는 기존의 축이나 측정되어질 스트레인을 받는 다른 기계장치에 쉽게 부착될 수 있는 구성을 하게 된다.
특히 제8도와 관련해서 설명된 바의 실시예는 스트레인 측정장치에 종전 장치와 비교해서 상당히 많은 장점을 제공한다.
또한 크기가 작고 매우 정확한 출력을 제공할 수 있는 본 발명의 변환기는 제조단가가 낮고 대량 생산을 가능하게도 한다. SAW 장치를 기초로 하는 스트레인 게이지 변환기는 기존의 컴포넌트를 사용하거나, SAW 자체의 경우처럼 기존의 변환기 컴포넌트(저항 게이지 또는 구멍을 낸 원판과 같은)보다 정확도가 높고 저렴하게 생산될 수 있는 전극 용착을 사용할 수 있다. 또한 변환기 컴포넌트의 장착은 기존의 스트레인 게이지나 광학적 토르크 측정장치보다 쉽게 달성될 수 있다.
한 실시형태로 변환기는 전극 및 동작회로를 보호하기 위해 캡슐화될 수 있다. 변환기는 축에 부착되며 축의 스트레스는 검사되는 부분으로부터 기판로 스트레인의 최대전달이 일어날 수 있도록 용접 또는 접착에 의해 기판재료가 가능한한 단단히 고정될 수 있도록 된다.
SAW 공진기는 크기가 작고 대량으로 만들어질 수 있다. 결과적으로 관성 영향은 큰 컴포넌트의 장착을 필요로 하는 현재 이용되고 있는 장치와 대비할 때 최소가 된다. 크기가 작고 대량으로 만들어지기 때문에 본 발명 장치는 광범위한 동작 조건을 수용할 수 있게 된다. 제의된 바의 SAW 공진기는 높은 정확도와 민감도를 제공하며 이들은 높은 신뢰도를 가지며 소도 전력이 적은 고체 상태 컴포넌트를 사용하는 주파수 변조기술에 의해 달성된다. 관련된 제어 및 처리장치는 이용가능한 신호처리방법과 기존의 디지탈 처리 및 장치로 쉽게 접속되어지는 컴포넌트를 사용한다. 통상 토르크 측정의 경우 검사를 받은 축이 회전하거나 가속 또는 감속되어지는 속도에서 시스템의 축에 장착되는 부분에 의해 가해지는 제한은 전혀 없다.
이같은 시스템은 축의 속도가 제로인때로부터 시동되는 때와 축의 속도가 매우 느린때 유효한 자료를 제공하기도 한다.
본 발명의 SAW 공진기는 단지 신호세기 전력만이 사용되기 때문에 본래 안전하다. 이는 예를들어 다수의 램프를 위해 충분한 전력을 사용해야 하는 광학적 장치와 관련해서 현재 이용되고 있는 토르크 측정장치와 대비된다.

Claims (11)

  1. a) 한 쌍의 변환기(T1, T2)를 축(S)위에 위치시키며, 각각이 하나의 보조쌍으로 장착된 SAW 공진기를 포함하므로써 축(A) 둘레로 축(S)의 첫 번째 회전방향에 대하여 하나의 변환기(T1)가 압축을 받으며 다른 하나(T2)가 긴장을 받고 축의 다른 한 회전방향에 대하여 한 변환기(T1)가 긴장을 받으며 다른 한 변환기(T2)가 압축을 받고, 각 변환기에 대하여 한 신호입력(C1)과 한 신호출력(C2,C3)을 포함하여 신호입력과 신호출력 또는 신호출력들이 함께 회전하기 위해 축(S)의 바깥쪽 가까이 불연속적인 위치상에 위치하는 단계, b) 한 구동신호가 신호입력(C1)으로 가해지도록 하는 단계, c) 구동신호에 의해 구동되는 때 변환기(T,T1,T2)의 적어도 한출력 공진주파수에서 신호출력(C2,C3)를 탐지하는 단계, d) 각각의 또는 두 변환기의 출력 공진주파수를 처리하여 축(S)에 의해 전달된 동적 토르크에 기인하여 축(S)내의 스트레스에 의해 발생된 변환기(T1,T2)내 긴장(strain)에 대한 정보를 끌어내도록 하는 단계를 포함하는 회전축을 갖는 축에 의해 전달된 동적 토르크 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 한 변환기(T1)으로부터의 출력 공진 주파수가 제1의 신호주파수를 제공하며 다른 한 변환기(T2)로 부터의 출력 공진주파수(f1)가 제2신호주파수(f2)를 제공하고, 제1 또는 제2 신호중 어느 하나 또는 모두가 혼합처리(M)이전에 처리됨(R1,R2)을 특징으로 하는 동적 토르크 측정방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 한 신호가 신호입력(C1)으로 가해지도록 하는 단계가 유도성, 용량성 또는 저 전력의 전파에 의해 신호입력에 결합된 신호전송기(P1)에 의해 수행됨을 특징으로 하는 동적 토르크 측정방법.
  4. 제1항에 있어서, 신호출력(C2,C3)에서 탐지하는 단계가 유도성, 용량성 또는 전파수단에 의해 신호출력(C2,C3)에 결합된 신호수신기(P2,P3)에 의해 수행됨을 특징으로 하는 동적 토르크 측정방법.
  5. 한 쌍의 변환기(T1,T2) 각각이 한 보조쌍으로서 축(S)상에 위치한 하나의 SAW 공진기를 포함하며 축(A) 둘레로 축(S)의 첫 번째 회전방향(K)에 대하여 하나의 변환기(T1)가 압축을 받으며 다른 하나(T2)가 긴장을 받고 동축의 다른 한 회전방향에 대하여 한 변환기(T1)이 긴장을 받으며 다른 한 변환기(T2)가 압축을 받고 한 변환기에 대한 하나의 신호입력(C1)과 신호출력(C2,C3)가 이들과 함께 회전하기 위한 축(S)의 바깥쪽 가까이에서 불연속적인 위치에 위치하도록 하며, 각각의 SAW 공진기(T1, T2)가 한 측면상에 한 쌍의 전극(11, 12)을 연결시킨 한 압전기판(13)을 포함하고, 그 한쌍의 전극중 한 전극(11)이 신호입력 C1에 연결되며 다른 한 전극(12)이 신호출력(C2)에 연결되고, 예정된 일정한 주파수의 한 입력신호를 신호입력(C1)으로 가하기 위한 한 발생기(A1,A2), 신호출력(C2,C3)에서 한 신호를 탐지하기 위한 모니터(M), 그리고 한 신호처리기(MP)를 포함하므로써 기판(13)으로 가해진 긴장으로부터 발생되는 출력신호의 변화가 밝혀질 수 있도록 함을 특징으로 하는 회전축을 갖는 한 축에 의해 전달된 동적 토르크 측정장치.
  6. 제5항에 있어서, 신호입력(C1)으로 한 신호를 가하기 위한 수단이 유도성, 용량성 또는 전파수단에 의해 신호입력(C1)으로 결합된 한 신호 전송기(P1)을 포함함을 특징으로 하는 동적 토르크 측정장치.
  7. 제5항 또는 6항에 있어서, 신호출력(C2,C3)에서 탐지를 위한 수단이 유도성, 용량성 또는 전파수단에 의해서 신호출력으로 결합된 한 신호 수신기(P2,P3)를 포함함을 특징으로 하는 동적 토르크 측정장치.
  8. 제5항에 있어서, 신호처리수단(M)이 한 변환기(T1)으로부터 출력 공진주파수(F1)을 수신하고 다른 한 변환기(T2)로부터 출력 공진주파수(F2)를 수신하며 수신된 두 신호를 혼합하여 두 신호(F1,F2)로부터 유도된 한 혼합신호를 제공하도록 하는 동적 토르크 측정장치.
  9. 제8항에 있어서, 신호처리수단(M)이 신호출력으로서 변환기 쌍(T1, T2)의 출력으로부터 유도된 한 합계와 차이신호를 제공하며, 차이신호가 측정된 토르크의 함수이고 합계신호는 변환기 영역에서의 주위온도의 함수임을 특징으로 하는 동적 토르크 측정장치.
  10. 제9항에 있어서, 치이신호와 합계신호가 한 공동 처리기(MP)로 공급됨을 특징으로 하는 동적 토르크 측정장치.
  11. 제5항에 있어서, 변환기(P1,P2), 발생기(93,94), 그리고 한 믹서(P5)가 축의 토르크가 측정되어질 한 축상에 장착시키기 위한 하나의 유닛으로 패키지되고, 각 변환기로부터의 신호출력이 믹서에 의해 혼합되며 그 뒤에 한 공동출력 유닛(97)로 공급되어 그 유닛으로부터 전송하도록 함을 특징으로하는 동적 토르크 측정장치.
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