KR101128500B1

KR101128500B1 - 스트레인게이지용 계측장치

Info

Publication number: KR101128500B1
Application number: KR1020090076554A
Authority: KR
Inventors: 이윤희; 김지홍
Original assignee: 김지홍; 이윤희
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2012-03-27
Also published as: KR20110019018A

Abstract

본 발명은 스트레인게이지용 계측장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호의 영점 및 스팬(span)을 보정하여 아날로그 신호로 외부기기에 전달하며, 영점 설정을 위한 최소 아날로그 감지신호 및 스팬 설정을 위한 최대 아날로그 감지신호를 입력받을 때에 각각 한 번의 조작키 입력만으로 영점 및 스팬을 설정할 수 있는 스트레인게이지용 계측장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 스트레인게이지(20)에 연결되는 단자대(160); 스트레인게이지(20)에 인가할 직류전원을 공급하는 전원공급부(150); 스트레인게이지(20)의 아날로그 감지신호를 안정화하는 신호안정화부(110); 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 분압비율값에 따라 영점 전압신호를 생성하여 영점을 보정하는 영점조절부(120); 영점이 보정된 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 증폭값에 따라 증폭하여 스팬을 보정하는 스팬조절부(130); 영점 및 스팬을 보정한 전압신호를 출력하는 아날로그신호 출력부(140); 영점 설정모드, 스팬 설정모드 및 계측모드로 동작할 수 있으며, 영점 설정모드에서 입력받는 아날로그 감지신호의 전압값에 기초하여 분압비율값을 획득하고, 스팬 설정모드에서 입력받는 아날로그 감지신호의 전압값에 기초하여 증폭값을 획득하여서, 계측모드에서 분압비율값 및 증폭값으로 영점조절부(120) 및 스팬조절부(130)를 제어하여 영점 및 스팬을 조절한 신호를 아날로그신호 출력부(140)를 통해 출력되게 제어하는 디지털신호 처리부(200); 를 포 함하여 구성된다.

스트레인게이지, 영점, 스팬, 아날로그, 디지털, 디지털 포텐셔미터, 가변저항, 아날로그 신호 보정

Description

스트레인게이지용 계측장치{MEASURING DEVICE FOR STRAIN GAGE}

스트레인게이지(strain gage)는 구조체에 부착되어서 구조체에 가해지는 하중, 비틀림 또는 응력의 변형률을 감지하는 소자로서, 일반적으로 4개의 스트레인게이지를 브릿지 회로의 형태로 구성하여서 2개의 입력단에 미리 정해진 전압을 인가하면 2개의 출력단으로부터 변형률에 대응되는 아날로그 감지신호가 출력되게 이루어진다.

그리고, 브릿지 회로의 형태로 구성된 스트레인게이지에서 출력되는 아날로그 감지신호는, 별도의 신호처리 수단에 의해 영점 및 스팬(span)이 조절되어서 외 부기기에 전달된다. 이때, 영점 및 스팬을 조절하기 위한 설정값을 획득하기 위해서, 사전에 영점에 대응되는 아날로그 감지신호와 최대점(max-point)에 대응되는 아날로그 감지신호를 각각 스트레인게이지용 신호처리 수단에 입력시킨 후에 신호처리 수단으로부터 출력되는 신호가 원하는 신호의 값이 되도록 신호처리 수단의 구성들(밸런스 저항 또는 가변저항)을 조절해야만 한다.

즉, 스트레인게이지용 신호처리 수단은, 영점 조절과 스팬 조절을 위한 밸런스 저항을 구비하고, 이러한 밸런스 저항을 가변시킴으로써 스트레인게이지로부터 입력받는 아날로그 감지신호의 영점 및 스팬을 조절하여 외부기기에서 필요로 하는 신호의 레벨(level)로 출력하도록 구성되었다. 따라서, 아날로그 감지신호의 변동범위를 외부기기에서 필요로 하는 영점 및 최대점 사이의 값에 대응되도록 아날로그 감지신호를 보정하여 출력할 수 있는 것이다.

하지만, 이러한 종래 스트레인게이지용 신호처리 수단은, 스트레인게이지를 구조체에 부착한 후에 밸런스 저항을 손으로 직접 조절해야 했고, 밸런스 저항의 조절이 한 번의 손동작으로 이루어지는 것이 아니라 오차에 따른 반복적인 조절과정을 수행해야만 겨우 원하는 설정값을 찾는 어려움 및 번거로움이 수반되었다.

더욱이, 종래 스트레인게이지용 신호처리 수단은, 외부기기에 전달되는 출력신호를 확인하면서 서서히 밸런스 저항의 손잡이를 돌려야만 하는 불편함이고, 또한 밸런스 저항의 조절이 부정확하여 출력신호에 정확히 맞추지도 못하는 문제점도 있었다.

또한, 종래 스트레인게이지용 신호처리 수단은, 외부기기에 전달되는 출력신 호를 감지하기 위해 별도로 구비된 신호 측정수단 또는 외부 기기의 내부에 구비된 신호 측정수단의 검출결과값에 의존하여 영점 및 스팬을 조절하므로, 비록 영점 및 스팬을 조절하더라도 신호 측정수단의 오차로 인해 부정확해지는 문제점도 있었다.

이러한 수동조작의 불편함과 영점 및 스팬 조절의 부정확성을 해결하기 위한 종래 스트레인게이지용 신호처리 수단은, 스트레인게이지에서 검출한 감지신호를 디지털 데이터로 변환하고, 변환한 디지털 데이터를 프로그램된 방법에 따라 데이터 연산하여 영점 및 스팬이 조절된 데이터를 획득하며, 영점 및 스팬이 조절된 데이터를 아날로그신호로 변환하여 외부 기기에 전달하도록 구성되기도 하였다.

하지만, 이러한 스트레인게이지용 신호처리 수단은, 디지털 데이터로 변환하고 연산처리하여 다시 연산처리한 데이터를 외부 기기의 입력신호에 맞게 아날로그 신호로 변환하는 과정에서 시간이 지체되는 문제점이 있었다. 이와 같은 디지털 연산처리 시간의 지체는 스트레인게이지의 감지신호에 맞게 외부 기기를 신속하게 동작시키지 못하는 한계가 있어서, 빠른 응답성을 요구하는 외부 기기에 연결되어 사용될 경우에 시간 지연에 따른 헌팅 현상(hunting phenomenon)이 발생하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은, 스트레인게이지에 연결한 후에 영점 및 스팬의 설정을 간편하게 할 수 있는 스트레인게이지용 계측장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 수동조작에 따른 어려움을 해결하고, 수동조작에 따른 부정확한 보정 및 외부기기에 전달되는 출력신호에 맞게 보정함에 따라 발생되기도 하는 부정확한 보정의 문제점도 해결하여, 영점 및 스팬을 보다 정확하게 보정할 수 있는 스트레인게이지용 계측장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 디지털 데이터 처리과정을 수행하지 아니하고, 입력받는 아날로그 감지신호를 아날로그 회로구성으로 아날로그 신호처리를 하여 아날로그 신호로 출력함으로써, 보정과정을 신속하게 수행할 수 있는 스트레인게이지용 계측장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호의 영점 및 스팬(span)을 보정하여 아날로그 신호로 출력하는 스트레인게이지용 계측장치에 있어서, 스트레인게이지(20)에 전원을 인가하기 위한 단자와, 상기 스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호를 입력받기 위한 단자, 를 구비한 단자대(160); 상기 스트레인게이지(20)에 인가할 직류전원을 상기 단자대(160)에 공급하는 전원공급부(150); 상기 단자대(160)를 통해 입력받는 상기 스트레인게이지(20)의 아날로그 감지신호의 비선형특성을 보정하여 비선형 보상 전압신호를 획득하는 신호안정화부(110); 전달받는 분압비율값에 따라 기준전압(Vref)을 분압하여 영점 전압신호를 생성하고, 상기 비선형 보상 전압신호에서 상기 영점 전압신호를 차감하여서 영점을 조절한 영점 보정 전압신호를 획득하는 영점조절부(120); 전달받는 증폭값에 따라 상기 영점 보정 전압신호를 증폭하여서 스팬을 조절한 스팬 보정 전압신호를 획득하는 스팬조절부(130); 상기 스팬 보정 전압신호를 외부기기에 출력하는 아날로그신호 출력부(140); 영점 설정모드, 스팬 설정모드 및 계측모드를 선택받고 상기 아날로그신호 출력부(140)를 통해 출력할 최대 출력값을 키입력받을 수 있는 설정키입력부(220)를 구비하며, 영점 설정모드를 선택받으면 상기 신호안정화부(110)로부터 비선형 보상 전압신호의 값을 획득하여 기준전압(Vref)에 대한 비선형 보상 전압신호의 비율을 산출한 후에 산출한 비율의 값을 분압비율값으로 하여 저장하고 아울러 획득한 비선형 보상 전압신호의 값도 저장하고, 스팬 설정모드를 선택받고 더불어 최대 출력값을 키입력받으면 상기 신호안정화부(110)로부터 비선형 보상 전압신호의 값을 획득하여 획득한 비선형 보상 전압신호의 값에서 상기 영점 설정모드에서 획득한 비선형 보상 전압신호의 값을 차감한 영점이 보정된 비선형 보상 전압신호의 값을 산출한 후에 상기 영점이 보정된 비선형 보상 전압신호의 값에 대한 최대 출력값의 비율을 산정하여 산정한 비율을 증폭값으로 하여 저장하고, 계측모드를 선택받으면 상기 저장한 분압비율값을 상기 영점조절부(120)에 전달하고 상기 저장한 증폭값을 상기 스팬조절부(130)에 전달하여 영점 및 스팬이 조절된 스팬 보정 전압신호를 상기 아날로그신호 출력 부(140)를 통해 출력되게 하는 디지털신호 처리부(200);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명은, 구조체에 부착한 스트레인게이지를 단자대에 전기적으로 연결한 후에 영점 설정을 위한 한 번의 입력동작과 스팬 설정을 위한 한 번의 입력동작으로 영점 및 스팬을 설정할 수 있으므로, 초보자라도 용이하게 사용할 수 있고, 외부기기에 전달할 출력신호의 최대값만을 입력하여 다양한 종류의 외부기기에도 용이하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은, 수동조작 대신에 디지털신호 처리부(200)로 수행되게 하므로 수동조작에서 발생하였던 부정확한 설정의 문제점을 해결하여 영점 및 스팬을 정확하게 보정할 수 있을 뿐만 아니라, 출력신호 대신에 스트레인게이지에서 전달받는 감지신호로 영점 및 스팬을 설정하므로 영점 및 스팬을 보다 정확하게 보정할 수 있다.

또한, 본 발명은, 감지수단(1)에서 감지된 아날로그 감지신호를 디지털 데이터로 변환하지 아니하고, 대신에 아날로그 신호처리로 영점 및 스팬을 조절하므로, 신속한 보정이 가능하여 처리 시간의 지체에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치(10)의 간략 블록구성도이며, 스트레인게이지(20)에 연결되는 형태도 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치(10)의 세부 블록구성도이다.

상기 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치(10)는, 스트레인게이지(20)에 전기적으로 연결되는 단자대(160); 스트레인게이지(20)에 인가할 직류전원을 공급하는 전원공급부(150); 스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호의 비선형특성을 보정하는 신호안정화부(110); 영점을 보정하는 영점조절부(120); 스팬(span)을 보정하는 스팬조절부(130); 외부기기에 전기적으로 연결되는 아날로그신호 출력부(140); 상기 영점조절부(120), 스팬조절부(130) 및 아날로그신호 출력부(140)를 제어하여서 영점 및 스팬이 조절된 아날로그신호를 외부기기에 전달하게 하는 디지털신호 처리부(200); 를 포함하여 구성된다.

상기 단자대(160)는, 브릿지 회로 형태로 구성된 스트레인게이지(20)에 전기적으로 연결할 수 있도록 4개의 단자를 구비하며, 이때 2개의 단자는 스트레인게이 지(20)에 직류전원을 인가하기 위한 단자이고 나머지 2개의 단자는 스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호를 입력받기 위한 단자이다.

상기 전원공급부(150)는, 상기 단자대(160)를 통해 상기 스트레인게이지(20)에 인가할 직류전원을 공급하는 구성으로서, 코드선(미도시) 등을 통해 외부로부터 교류전원을 공급받아 필요로 하는 전압의 교류전원으로 변환하는 정원부(151), 및 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(152)로 구성될 수 있다.

상기 신호안정화부(110)는, 상기 단자대(160)를 통해 입력받는 스트레인게이지(20)의 아날로그 감지신호의 비선형특성을 보상하여 비선형 보상 전압신호를 획득하는 차동증폭부(112)를 구비하며, 바람직하게 차동증폭부(112)의 입력단에는 잡음을 제거하기 위한 필터부(111)를 더 구비하고 차동증폭부(112)의 출력단에는 역방향으로 유입되는 반사파를 차단하여 영절조절부(120)에 전달하는 비선형 보상 전압신호의 왜곡을 방지하는 아이솔레이터(113, isolator)도 구비한다.상기 차동증폭부(112)는, 스트레인게이지(20)의 아날로그 감지신호가 그래프 상에서 곡선에 가까운 형태로 이루어지는 것을 직선의 형태로 보상하는 구성으로서, 일반적으로 공지된 기술에 의해 구현될 수 있다.

상기 영점조절부(120)는, 상기 신호안정화부(110)로부터 비선형 보상 전압신호(

)를 입력받아서 비선형 보상 전압신호(

)의 영점을 조절하여 영점 보정 전압신호(

)를 획득하고 획득한 영점 보정 전압신호(

)를 출력하는 제1 증폭기(121)와, 상기 제1 증폭기(121)에 입력할 영점 전압신호(Vv)를 생성 하여 상기 제1 증폭기(121)에 전달하는 제1 디지털 포텐셔미터(122)로 구성된다.

상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)는, 양단에 입출력단을 구비한 기준저항부(RX)를 구비하고, 상기 기준저항부(RX)의 도중(途中)에서 인출되는 가변저항단(122a)을 조성하여 입력단과 가변저항단(122a) 사이의 저항값은 RXb로 되고 출력단과 가변저항단(122a) 사이의 저항값은 RX-RXb=RXa로 되게 한다. 그리고, 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)는 가변저항단(122a)의 위치를 가변함에 따라 가변저항단(122a)과 출력단 사이의 저항값(RXa)을 변경할 수 있고, 상기 가변저항단(122a)의 위치를 상기 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 분압비율값에 맞게 선택하도록 구성된다. 또한, 본 발명의 실시예에서는, 상기 기준저항부(RX)의 입력단에 기준전압(Vref)을 인가하고 상기 기준저항부(RX)의 출력단을 기준준위로 접지시킨다. 따라서, 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)는 상기 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 분압비율값에 따라 가변저항단(122a)의 위치를 변경시켜 가변전압(Vv, 즉 영점 전압신호)을 가변저항단(122a)을 통해 상기 제1 증폭기(121)에 공급할 수 있게 되는 것이다. 즉 상기 가변전압(Vv)은 다음식으로 표현된다.

상기 제1 증폭기(121)는, 상기 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서 연산증폭기(OP AMP : operational amplifier)로 구성되는 것임을 볼 수 있으며, 상기 신호안정화부(110)로부터 전달받는 비선형 보상 전압신호(

)와 상기 제1 증 폭기(121)로부터 전달받는 가변전압(Vv)을 입력신호로 하는 차동증폭기로 동작한다. 이를 위해 상기 제1 증폭기(121)는 입력단측에 저항 R11과 R12를 구비하고, 가변전압의 입력단측에 저항 R13과 R14를 구비하며, 상기 도 1의 구성에 따른 출력전압은

의 조건을 만족하게 회로를 구성하면, 다음 식의 값으로 이루어진다.

또한, R13=R14 이면 출력전압은 다음식의 값으로 이루어진다.

따라서, 상기 제1 증폭기(121)는 상기 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 분압비율값에 의해 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)에서 출력되는 가변전압(Vv)으로 상기 아날로그신호 입력부(110)로부터 입력받는 아날로그 감지신호의 영점을 조절할 수 있는 것이다.

만약, R13이 R14와 다른 값을 갖게 설계되면, 후술하는 스팬조절부(130)의 증폭도를 설정할 때에 R13의 R14의 비율을 고려해야만 하며, 구체적으로 디지털신호 처리부(200)는 스팬조절부(130)의 증폭값(증폭도 또는 증폭비율)을 산출할 때에 상기 신호안정화부(110)의 비선형 보상 전압신호에 대한 증폭값을 산출하는 것이 아니라 비선형 보상 전압신호를 R14와 R13의 비율로 증폭하여 얻는 신호에 대하여 증폭값을 산출하는 것이다.

그리고, 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 가변저항단(122a)의 출력단에는 버퍼회로를 부가할 수도 있으며 이때 부가되는 버퍼회로는 가변전압(Vv)의 출력을 안정화할 수 있게 된다.

상기 스팬조절부(130)는, 상기 영점조절부(120)에 의해 획득한 영점 보정 전압신호(

)를 입력받아 증폭값에 맞게 증폭하여 스팬(span)이 조절된 스팬 보정 전압신호(

)를 획득하고 획득한 스팬 보정 전압신호(

)를 출력하는 제2 증폭기(131)와; 상기 제2 증폭기(131)의 증폭값을 조절하기 위해 상기 제2 증폭기(131)의 입력측에 연결되는 저항(RYa)과, 출력측과 입력측을 연결하는 귀환경로에 삽입연결되는 저항(RYb)을 설정하는 제2 디지털 포텐셔미터(132); 를 구비한다.

상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)는, 양단에 입출력단을 구비한 기준저항부(RY)와, 상기 기준저항부(RY)의 도중에서 인출되는 가변저항단(132a) 를 구비하여, 입력단과 가변저항단(132a) 사이의 저항값은 RYa로 되고 출력단과 가변저항단(133a) 사이의 저항값은 RYb=RY-RYa로 되게 한다. 그리고, 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)는 상기 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 증폭값에 맞게 상기 가변저항단(133a)의 위치를 변경하여 RYa 및 RYb를 가변할 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 기준저항부(RY)의 입력단은 상기 제1 증폭 기(121)의 출력측에 연결되고, 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 기준저항부(RY)의 출력단은 후술하는 제2 증폭기(131)의 출력측에 연결되고, 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 가변저항단(132a)은 제2 증폭기(131)의 두 개의 입력단 중에 어느 하나의 입력단(예를 들면, 반전 증폭기로 동작하도록 설계할 경우에 (+)입력단 및 (-)입력단 중에 (-)입력단)에 연결된다.

상기 제2 증폭기(131)는, 상기 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서 연산증폭기(OP AMP : operational amplifier)로 구성되는 것임을 볼 수 있으며, 상술한 바와 같이 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)에 연결되고 입력단들 중에 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 가변저항단(132a)에 연결되지 아니한 다른 하나의 입력단을 R2를 경유하여 접지되게 회로 구성되어, 가변저항단(132a)에 의해 양분(兩分)된 저항(RYa, RYb)의 크기에 따라 다음 식과 같은 스팬 보정 전압신호(

)를 출력한다. 이때, 상기 제2 증폭기(131)는 반전 증폭기로 설계되었을 때의 관계식이다.

따라서, 상기 영점조절부(120)에 의해 영점이 조절된 영점 보정 전압신호(

)는, 상기 스팬조절부(130)에 의해 증폭값

으로 스팬(span)이 조절되어 출력된다.

상기 아날로그신호 출력부(140)는, 상기 스팬조절부(130)로 스팬이 조절된 스팬 보정 전압신호(

)를 외부 기기에 공급하기 위한 구성으로서, 상기 스팬조절부(130)에서 출력되는 수팬 보정 전압신호를 외부 기기에 안정되게 공급하기 위한 출력신호안정화부(141)와, 스위치가동부(142b)와 스위치(142a)로 구성되어 상기 스팬 보정 전압신호의 출력을 선택적으로 단속하는 개폐부(142)와, 상기 디지털신호 처리부(200)의 동작 상태를 감시하여 상기 개폐부(142)의 개폐 동작을 제어하는 제어부동작 감시부(144)와, 상기 개폐부(142)에 연결되어 외부 기기에 접속할 수 있도록 단자의 형태로 구성될 수 있는 출력단(143) 을 구비한다.

상기 출력신호안정화부(141)는 일반적인 버퍼회로로 구성될 수 있다.

상기 제어부동작 감시부(144)는 디지털신호 처리부(200)가 전원을 입력받고 부팅하여 동작하기 시작한 후에 디지털신호 처리부(200)가 상기 영점조절부(120) 및 스팬조절부(130)를 제어할 수 있는 상태로 동작하는지 여부를 감시한다. 즉, 상기 제어부동작 감시부(144)는, 상기 디지털신호 처리부(200)가 영점 및 스팬을 조절하기 위한 제어신호(분압비율값 및 증폭값)을 상기 영점조절부(120) 및 스팬조절부(130)에 각각 전달하고 있는지 감시하여, 제어신호를 전달하고 있지 않으면 개폐부(142)의 스위치가동부(142b)를 동작시키지 아니하여 스위치(142a)를 개로 상태로 하게 하고, 제어신호를 정상적으로 전달하고 있으면 개폐부(142)의 스위치가동부(142b)를 동작시켜 스위치(142a)를 폐로 상태로 하게 함으로써 상기 출력신호안 정화부(141)의 스팬 보정 전압신호가 상기 출력단(143)에 공급되게 하는 것이다.

상기 출력단(143)은 외부 기기(미도시)에 전기적으로 연결되어 아날로그신호 형태의 스팬 보정 전압신호를 외부 기기(미도시)에 공급할 수 있도록 구성되며, 예를 들면 단자대로 구성된다.

이때, 상기 출력단(143)에 연결되는 외부 기기는 스트레인게이지(20)에 의해 감지된 대상 구조체의 변형율에 따라 특정 동작을 수행하는 기기이다.

상기 디지털신호 처리부(200)는, 사용자와의 인터페이스(user interface)를 위한 설정키입력부(220) 및 디스플레이부(230); 영점 및 스팬 설정용 데이터를 저장하는 메모리(240); 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 제1 A/D변환부(250) 및 제2 A/D변환부(251); 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 분압비율값을 획득하는 영점저항산출부(260); 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 증폭값을 획득하는 스팬저항산출부(270); 상기 제1 A/D변환부(250)에서 획득한 디지털신호에 맞게 미리 설정된 단위값으로 변환하는 단위환산부(280); 상기 각 구성들(220, 230, 240, 250, 251, 260, 270, 280)을 제어하여 영점 및 스팬 조절용 분압비율값 및 증폭값을 획득하고 획득한 분압비율값 및 증폭값에 기초하여 상기 영점조절부(120) 및 스팬조절부(130)를 제어하여 영점 및 스팬을 조절하여 출력시키는 제어부(210) 를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 디지털신호 처리부(200)는 영점 설정모드, 스팬 설정모드 및 계측모드로 동작할 수 있도록 구성된다.

상기 설정키입력부(220)는, 영점 설정모드, 스팬 설정모드 및 계측모드를 선 택할 수 있고, 스팬 설정모드의 실행시에 상기 아날로그신호 출력부(140)에서 출력시킬 수 있는 최대값을 입력할 수 있고, 상기 아날로그신호 출력부(140)의 최대 출력값에 대응되는 최대 계측데이터를 입력할 수 있도록 마련되는 키입력 수단이다.

상기 디스플레이부(230)는, 본 디지털신호 처리부(200)의 동작시에 사용자가 인식할 수 있는 데이터 또는 상황정보 등을 출력한다. 즉, 설정모드에서 사용자의 입력 사항을 확인시키기 위한 출력, 입력한 데이터의 출력, 본 디지털신호 처리부(200)의 동작 상황을 알리기 위한 출력, 또는 아날로그 감지신호에 맞는 계측데이터의 출력 등을 하는 것이다.

상기 메모리(240)는, 본 디지털신호 처리부(200)의 동작에 필요한 데이터를 저장하는 구성으로서, 예를 들면, 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)에 인가되는 기준전압값(Vref), 영점 설정모드에서 획득되는 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 가변저항단(122a) 위치정보를 나타내는 분압비율값, 스팬 설정모드에서 획득되는 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 가변저항단(132a) 위치정보를 나타내는 증폭값, 영점 설정모드에서 획득한 최소 비선형 보상 전압신호의 전압값, 스팬 설정모드에서 획득한 최대 비선형 보상 전압신호의 전압값, 및 아날로그신호 출력부(140)의 최대 출력값에 대응되는 최대 계측데이터 를 포함하여 저장한다.

상기 제1 A/D변환부(250)는, 상기 신호안정화부(110)의 출력단에 연결되어 비선형 보상 전압신호를 입력받고, 입력받은 아날로그 형태의 비선형 보상 전압신호를 변환하여 디지털 데이터 형태의 비선형 보상 전압신호를 획득한다.

상기 제2 A/D변환부(251)는, 스팬 보정 전압신호를 입력받아 변환하여 디지 털 데이터 형태의 스팬 보정 전압신호를 획득한다. 바람직하게, 본 실시예에서는 스팬 보정 전압신호를 출력신호안정화부(141)에서 감지하므로, 안정된 스팬 보정 전압신호의 값을 획득할 수 있다.

상기 영점저항산출부(260)는, 영점 설정모드로 동작시에 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 분압비율값을 획득하는 구성으로서, 영점 설정모드에서 상기 제1 A/D변환부(250)를 통해 획득하는 비선형 보상 전압신호를 영점 전압신호로 간주하여, 기준전압(Vref)에 대한 비선형 보상 전압신호의 비율(기준저항부(RX)에 대한 저항(RXa)의 비율)을 산출하고, 산출한 비율을 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 분압비율값으로 하게 한다. 이때 분압비율값은 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 가변저항단(122a) 위치정보에 해당된다.

상기 스팬저항산출부(270)는, 스팬 설정모드로 동작시에 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 증폭값을 획득하는 구성으로서, 스팬 설정모드에서 상기 제1 A/D변환부(250)를 통해 획득하는 비선형 보상 전압신호의 전압값에서 상기 영점 설정모드에서 획득한 비선형 보상 전압신호의 전압값을 차감하여 영점이 보상된 최대 비선형 보상 전압신호를 획득하고, 획득한 상기 영점이 보상된 최대 비선형 보상 전압신호에 대한 아날로그신호 출력부(140)의 초대 출력값의 비율을 산출하여 산출한 비율을 증폭값으로 하게 한다. 이때 산출되는 증폭값은, 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 기준저항부(RY)를 양분하는 가변저항단(132a)의 위치정보에 대응된다.

상기 단위환산부(280)는, 스트레인게이지(20)에 의해 감지되는 아날로그 감지신호의 값을 사용자가 원하는 형태의 계측데이터값으로 환산하는 구성으로서, 스 팬 설정모드로 동작시에 아날로그신호 출력부(140)의 최대 출력값에 대응되는 최대 계측데이터값을 상기 설정키입력부(220)를 통해 입력받음에 따라, 계측모드로 동작시에 "0"부터 최대 출력값까지의 범위 내로 획득되는 상기 스팬 보정 전압신호를 "0"부터 최대 계측데이터값까지의 범위 내의 계측데이터값으로 환산하여서, 상기 제어부(210)의 제어에 의해 상기 디스플레이부(230)로 출력되게 되는 것이다. 즉, 상기 단위환산부(280)는, 아날로그신호 출력부(140)의 최대 출력값에 대응되는 최대 계측데이터를 최대 비선형 보상 전압신호의 값에 대응시키는 관계식에 기초하여, 영점 및 스팬 조절모드로 동작시에 획득하는 최소 및 최대 비선형 보상 전압신호 사이의 범위내에 전달받게 되는 비선형 보상 전압신호를 환산하여 계측데이터값으로 변환한다. 즉, X-Y 좌표평면에서 비선형 보상 전압신호의 값을 X축으로 하고 계측데이터를 Y축으로 하며, X=(최소 비선형 보상 전압신호)일 때에 Y축의 값을 0으로 하고 X=(최대 비선형 보상 전압신호) 일 때에 Y축의 값을 최대 계측데이터의 값으로 하여 양 끝점 사이의 기울기를 계산함으로써, 비선형 보상 전압신호의 값과 계측데이터의 값과의 비례관계식을 이용하여 계측모드 동작시에 획득한 비선형 보상 전압신호의 값에 대한 Y축 상의 계측데이터값을 계산할 수 있는 것이다.

상기 제어부(210)는, 상기 설정키입력부(220)에서 입력받는 모드 또는 데이터에 따라 상기 각 구성들(230, 240, 250, 251, 260, 270, 280)를 제어하여 영점 및 스팬 조절용 데이터를 획득하고 획득한 데이터에 따라 상기 영점조절부(120) 및 스팬조절부(130)를 제어하여 아날로그 감지신호의 영점 및 스팬이 조절되게 한다.

상기 제어부(210)의 제어에 따른 상기 디지털신호 처리부(200)의 동작에 대 해서는 하기의 도 3와 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치의 동작모드 중에 영점 설정모드 및 스팬 설정모드의 동작흐름을 보여주는 순서도이다.

먼저 영점 설정모드에서의 동작은 다음과 같이 이루어진다.

사용자는 영점을 설정하기 위해서 설정키입력부(220)로 영점 설정모드를 선택하고(S11), 영점에 대응되는 최소의 아날로그 감지신호를 상기 단자대(160)에 입력되게 한다(S12). 이때, 최소의 아날로그 감지신호는 스트레인게이지(20)가 부착된 대상물에 변형이 없는 상태를 의미한다.

그러면, 제어부(210)는, 신호안정화부(110)에 의해 안정화된 비선형 보상 전압신호의 값을 제1 A/D변환부(250)를 통해 획득한다(S13). 그리고, 제어부(210)는 획득한 비선형 보상 전압신호의 값을 영점저항산출부(260)에 전달하여, 영점저항산출부(260)에서 기준전압(Vref)에 대한 비선형 보상 전압신호의 비율을 산출하게 하여서(S14) 영점 조절을 위한 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 분압비율값을 획득하며, 획득한 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 분압비율값을 메모리(240)에 저장시킨다(S15). 또한 제어부(210)는 획득한 비선형 보상 전압신호의 값도 메모리(240)에 저장시킨다.

다음으로 사용자는 스팬을 설정하게 되는 데, 이를 위해 사용자는 설정키입력부(220)로 스팬 설정모드를 선택하고(S21), 외부기기에 전달될 아날로그신호 출 력부(140)의 최대 출력값을 설정키입력부(220)로 입력한다(S22). 이때, 사용자는 최대 출력값에 대응되는 최대 계측데이터값도 입력한다. 그리고, 사용자는 최대 출력값에 대응되는 최대 아날로그 감지신호를 상기 단자대(160)를 통해 입력되게 하며(S23), 이를 위해 사용자는 스트레인게이지(20)가 부착된 대상물을 최대 변형이 이루어지므로 조작하는 것이다.

그러면, 제어부(210)는, 스팬 설정모드로 동작하기 시작하여서, 입력받는 아날로그신호 출력부(140)의 최대 출력값과 최대 계측데이터값을 메모리(240)에 저장시킨다. 그리고, 신호안정화부(110)로 안정화된 비선형 보상 전압신호의 전압값을 제1 A/D변환부(250)를 통해 획득하고(S24), 획득한 비선형 보상 전압신호의 전압값과 상기의 영점 설정모드에서 획득한 비선형 보상 전압신호의 전압값과 입력받은 최대 출력값을 스팬저항산출부(270)에 전달하여 스팬 조절을 위한 증폭값을 산출시키고(S25), 산출한 증폭값을 메모리(240)에 저장시킨다(S26). 또한, 제어부(210)는 스팬 설정모드에서 획득한 비선형 보상 전압신호의 전압값도 메모리(240)에 저장시킨다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치의 동작모드 중에 계측모드의 동작흐름을 보여주는 순서도이다.

제어부(210)는, 설정키입력부(220)를 통해 계측모드의 실행을 지시받으면(S31), 메모리(240)에서 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 분압비율값 및 제2 디지털 포텐셔미터(132)의 증폭값을 독출한다(S32).

그리고, 제어부(210)는 독출한 분압비율값을 영점조절부(120)에 전달하여서 상기 영점조절부(120)를 통해 영점이 조절된 영점 보정 전압신호가 스팬조절부(130)에 전달되게 하고(S33), 독출한 증폭값을 스팬조절부(130)에 전달하여서 상기 스팬조절부(130)를 통해 스팬이 조절된 스팬 보정 전압신호가 아날로그신호 출력부(140)에 전달되게 한다(S34).

다음으로, 제어부(210)는, 제어신호를 전달하였음을 나타내는 소정의 클럭신호와 같은 신호를 제어부동작 감시부(144)에 전달하여 개폐부(142)의 스위치(142a)를 동작시키게 한다(S35). 따라서, 아날로그신호 출력부(140)는 영점 및 스팬이 조절된 아날로그 감지신호를 출력단(143)을 통해 외부기기(2)에 전달할 수 있게 된다.

또한, 제어부(210)는, 계측모드로 동작할 때에, 분압비율값 및 증폭값을 메모리(240)에서 독출할 때에(S32) 영점 설정모드 및 스팬 설정모드에서 획득한 비선형 보상 전압신호의 전압값과 최대 계측데이터값도 최대 계측데이터값도 함께 독출하여 단위환산부(280)에 전달하고, 상기 제1 A/D변환부(250)를 통해 획득한 비선형 보상 전압신호를 상기 단위환산부(280)에 전달하여서, 상기 단위환산부(280)에서 산출되는 계측데이터값을 디스플레이부(230)로 출력시킨다. 따라서, 사용자가 인식할 수 있는 단위의 계측데이터값으로 디지털 감지신호의 크기를 출력할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 제어부(210)는, 영점 설정모드로 동작할 때에 스팬조절부(130)의 출력신호, 즉 본 발명의 실시예에서는 출력신호안정화부(141)에 의해 안정화된 신호를 상기 제2 A/D변환부(251)를 통해 감지하여서 분압비율값을 재차 수정하도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제어부(210)는, 산출한 분압비율값을 상기 영점조절부(120)에 전달하여 영점이 조절된 영점 보정 전압신호가 스팬조절부(130)에 전달되게 하고 상기 스팬조절부(130)에서의 증폭도를 "0"으로 한 상태에서, 상기 스팬조절부(130)의 스팬 보정 전압신호의 값이 "0"이 되는 지를 확인하여 "0"이 되지 아니하면, "0"에서 벗어난 정도에 맞게 분압비율값을 변경시키면서 "0"이 되게 하는 분압비율값을 추정하여 추정한 분압비율값을 수정하여 저장하는 것이다.

또한, 상기 제어부(210)는, 스팬 설정모드로 동작할 때에도 스팬조절부(130)의 출력신호, 즉 본 발명의 실시예에서는 출력신호안정화부(141)에 의해 안정화된 신호를 상기 제2 A/D변환부(251)를 통해 감지하여서 증폭값을 재차 수정하도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제어부(210)는, 상술한 바와 같이 산출한 증폭값을 스팬조절부(130)에 전달함과 아울러 영점 설정모드에서 산출한 분압비율값을 상기 영점조절부(120)에 전달하여, 영점 및 스팬을 조절한 전압신호가 아날로그신호 출력부(140)에 전달되게 한 후에, 출력신호안정화부(141)에 의해 안정화된 신호가 최대 출력값이 되는 지를 확인하여 최대 출력값이 되지 아니하면, 최대 출력값에서 벗어난 정도에 맞게 상기 스팬조절부(130)에 전달하는 증폭값을 변경시키면서 최대 출력값이 되게 하는 증폭값을 추정하여 추정한 증폭값을 수정하여 저장하는 것이다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치의 블록구성도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치의 세부 블록구성도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치의 동작모드 중에 영점 설정모드 및 스팬 설정모드의 동작흐름을 보여주는 순서도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인게이지용 계측장치의 동작모드 중에 계측모드의 동작흐름을 보여주는 순서도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 스트레인게이지 20 : 스트레인게이지용 계측장치

110 : 신호안정화부 111 : 필터부 112 : 차동증폭부

113 : 아이솔레이터 120 : 영점조절부 121 : 제1 증폭기

122 : 제1 디지털 포텐셔미터 130 : 스팬조절부 131 : 제2 증폭기

132 : 제2 디지털 포텐셔미터 140 : 아날로그신호 출력부

141 : 출력신호안정화부 142 : 개폐부 142a : 스위치

142b : 스위치가동부 143 : 출력단

144 : 제어부동작 감시부 150 : 전원공급부 151 : 전원부

152 : 정류부 160 : 단자대

200 : 디지털신호 처리부 210 : 제어부 220 : 설정키입력부

230 : 디스플레이부 240 : 메모리 250 : 제1 A/D 변환부

251 : 제2 A/D 변환부 260 : 영점저항산출부

270 : 스팬저항산출부 280 : 단위환산부

Claims

스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호의 영점 및 스팬(span)을 보정하여 아날로그 신호로 출력하는 스트레인게이지용 계측장치에 있어서,

스트레인게이지(20)에 전원을 인가하기 위한 단자와, 상기 스트레인게이지(20)에서 감지된 아날로그 감지신호를 입력받기 위한 단자, 를 구비한 단자대(160);

상기 스트레인게이지(20)에 인가할 직류전원을 상기 단자대(160)에 공급하는 전원공급부(150);

상기 단자대(160)를 통해 입력받는 상기 스트레인게이지(20)의 아날로그 감지신호의 비선형특성을 보정하여 비선형 보상 전압신호를 획득하는 신호안정화부(110);

전달받는 분압비율값에 따라 기준전압(Vref)을 분압하여 영점 전압신호를 생성하고, 상기 비선형 보상 전압신호에서 상기 영점 전압신호를 차감하여서 영점을 조절한 영점 보정 전압신호를 획득하는 영점조절부(120);

전달받는 증폭값에 따라 상기 영점 보정 전압신호를 증폭하여서 스팬을 조절한 스팬 보정 전압신호를 획득하는 스팬조절부(130);

상기 스팬 보정 전압신호를 외부기기에 출력하는 아날로그신호 출력부(140);

영점 설정모드, 스팬 설정모드 및 계측모드를 선택받고 상기 아날로그신호 출력부(140)를 통해 출력할 최대 출력값을 키입력받을 수 있는 설정키입력부(220)를 구비하며, 영점 설정모드를 선택받으면 상기 신호안정화부(110)로부터 비선형 보상 전압신호의 값을 획득하여 기준전압(Vref)에 대한 비선형 보상 전압신호의 비율을 산출한 후에 산출한 비율의 값을 분압비율값으로 하여 저장하고 아울러 획득한 비선형 보상 전압신호의 값도 저장하고, 스팬 설정모드를 선택받고 더불어 최대 출력값을 키입력받으면 상기 신호안정화부(110)로부터 비선형 보상 전압신호의 값을 획득하여 획득한 비선형 보상 전압신호의 값에서 상기 영점 설정모드에서 획득한 비선형 보상 전압신호의 값을 차감한 영점이 보정된 비선형 보상 전압신호의 값을 산출한 후에 상기 영점이 보정된 비선형 보상 전압신호의 값에 대한 최대 출력값의 비율을 산정하여 산정한 비율을 증폭값으로 하여 저장하고, 계측모드를 선택받으면 상기 영점 설정모드에서 저장한 분압비율값을 상기 영점조절부(120)에 전달하고 상기 스팬 설정모드에서 저장한 증폭값을 상기 스팬조절부(130)에 전달하여 영점 및 스팬이 조절된 스팬 보정 전압신호를 상기 아날로그신호 출력부(140)를 통해 출력되게 하는 디지털신호 처리부(200);

를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 스트레인게이지용 계측장치.
제 1항에 있어서,

상기 영점조절부(120)는,

기준전압(Vref)이 인가되는 기준저항부(RX)를 구비하며, 상기 디지털신호 처리부(200)로부터 전달받는 분압비율값에 맞게 기준저항부(RX)의 도중(途中)에서 인 출되는 가변저항단(122a)을 선택하여 가변저항단(122a)에서 영점 전압신호를 출력하는 제1 디지털 포텐셔미터(122)와; 상기 신호안정화부(110)에서 입력받는 비선형 보상 전압신호와 상기 제1 디지털 포텐셔미터(122)의 영점 전압신호를 입력받아 차동증폭하여 영점 보정 전압신호를 출력하는 제1 증폭기(121); 를 포함하여 구성되고,

상기 스팬조절부(130)는,

기준저항부(RY)와 기준저항부(RY)의 도중에서 인출되는 가변저항단(132a)을 구비하며, 입력받는 증폭값에 따라 가변저항단(132a)의 위치를 설정하는 제2 디지털 포텐셔미터(132)와; 상기 제2 디지털 포텐셔미터(132)에서 가변저항단(132a)에 의해 양분되는 저항(RYa, RYb)의 비율을 증폭도로 하여 상기 영점 보정 전압신호를 증폭하여 스팬 보정 전압신호를 출력하는 제2 증폭기(131); 를 포함하여 구성되는 것임을 특징으로 하는 스트레인게이지용 계측장치.
제 2항에 있어서,

상기 디지털신호 처리부(200)는,

영점 설정모드로 동작할 때에, 산출한 분압비율값을 상기 영점조절부(120)에 전달하고 상기 스팬조절부(130)에서의 증폭값을 "0"으로 한 상태에서 상기 스팬조절부(130)의 스팬 보정 전압신호의 값이 "0"이 되는 지를 확인하여 "0"이 되지 아니하면 분압비율값을 변경시키며 "0"이 되게 하는 분압비율값을 추정하여 추정한 분압비율값을 저장하고,

스팬 설정모드로 동작할 때에, 영점 설정모드 시에 저장한 분압비율값을 영점조절부(120)에 전달하고 산출한 증폭값을 스팬조절부(130)에 전달한 후에, 상기 스팬조절부(130)의 스팬 보정 전압신호의 값이 상기 입력받은 최대 출력값이 되는 지를 확인하여 최대 출력값이 되지 아니하면 상기 스팬조절부(130)에 전달하는 증폭값을 변경시키며 최대 출력값이 되게 하는 증폭값을 추정하여 추정한 증폭값을 저장하는 것임을 특징으로 하는 스트레인게이지용 계측장치.
제 1항 내지 제 3항 중에 어느 한 항에 있어서,

상기 아날로그신호 출력부(140)는,

상기 스팬조절부(130)로부터 전달받는 스팬 보정 전압신호를 출력단(143)에서 선택적으로 출력되게 하는 개폐부(142)와;

상기 디지털신호 처리부(200)가 부팅상태에 있는지와 계측모드로 동작하고 있는 지의 여부를 감지하여서, 부팅이 완료된 상태이고 아울러 계측모드로 동작하고 있으면 상기 개폐부(142)를 폐로 동작시키는 제어부동작 감시부(144);

를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 스트레인게이지용 계측장치.
제 4항에 있어서,

상기 디지털신호 처리부(200)는,

스팬 설정모드로 동작시에 아날로그신호 출력부(140)의 최대 출력값에 대응되는 최대 계측데이터값을 상기 설정키입력부(220)를 통해 입력받고, 계측모드로 동작시에 "0"부터 최대 출력값까지의 범위 내로 획득되는 상기 스팬 보정 전압신호를 "0"부터 최대 계측데이터값까지의 범위 내의 계측데이터값으로 환산하여 디스플레이부로 출력할 수 있도록 구성되는 것임을 특징으로 하는 스트레인게이지용 계측장치.