KR101741531B1 - 빠르고 정밀한 위치 감지 기능 수행할 수 있고 유지 보수가 편리한 인덕티브 센서 - Google Patents

빠르고 정밀한 위치 감지 기능 수행할 수 있고 유지 보수가 편리한 인덕티브 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 인덕티브 센서는, 다양한 재질의 위치 감지 대상에 대한, 위치 측정 값의 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등에 필요한 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 인덕티브 센서는 그 유지 보수가 매우 편리하다.

Description

빠르고 정밀한 위치 감지 기능 수행할 수 있고 유지 보수가 편리한 인덕티브 센서{inductive sensor capable of performing fast and precise position sensing and being easily maintained}
본 발명은 인덕티브 센서에 관한 것으로, 다양한 위치 감지 대상에 대하여 빠르고 정확한 위치 감지를 수행할 수 있음과 동시에 유지보수가 편리한 위치 감지용 인덕티브 센서에 관한 것이다.
위치 감지 대상의 위치를 정확하게 판단하는 것은 제어나 계측 분야에서 매우 중요한 것이다. 예컨대, 엔진에서 연료 부스터(booster)나 배기 밸브(valve)의 위치를 파악하는 것은 엔진을 제어하는 매우 중요한 기준이 될 수 있다.
선박 엔진을 예로 들어 들면, 선박 엔진은 엔진 제어 장치에 의해 제어되고 있다. 이 장치는, 연료 분사를 담당하는 연료 부스터와 배기 밸브의 위치를 인덕티브 센서가 측정하여 피드백하면, 이에 기초하여 엔진 제어량을 정확하게 산출한다. 따라서, 연료 부스터와 배기 밸브의 위치 측정은 선박 엔진의 제어에 매우 중요한 인자로 이들의 정확한 계측이 무엇보다 중요하다.
이러한, 엔진 제어 장치의 처리 성능에 맞추어 신속한 응답 시간(또는 속도)가 요구되어 지며, 선박 엔진의 특성상 고온과 고압의 가혹한 동작 환경 조건에서도 신뢰성 있는 동작이 요구된다. 그러나, 종래의 인덕티브 센서의 경우 주요 성능인 빠른 응답 시간(Response time)를 만족하기 위하여 아날로그 형태의 선형성 보정 회로를 구비하여 선형성을 보정하고 있으나 비선형성(Non-Linearity)이 2% 정도로 좋지 않았다. 최근 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 비선형성을 보정하는 기술을 통해 비선형성을 개선하였으나, 이 경우에도 응답 주파수가 1kHz 정도로 좋지 않다.
그리고, 종래의 인덕티브 센서는 30Bar 이상의 압력과 100°C 이상의 고온 동작 환경에 회로가 민감하게 반응하여 환경적 변화에 따라 회로적 오차가 크게 발생한다. 데이터 신호의 영점을 조정하는 영점 조정기 및 영점의 최대값을 조정하는 스판 조정기의 경우 가변저항 타입의 아날로그 방식을 사용하고 있기 때문에 환경 변화에 매우 취약하며, 정밀한 보정이 불가 하고, 제조 시 영점과 최대값을 설정한
이후에는 변경이 불가한 단점이 있어 실사용에 많은 불편이 있었다.
또한, 인덕티브 센서는 금속에 고주파 자기장을 형성하여 피 측정물에 의해 감쇠되는 양을 검출하는 것으로 피 측정물의 특성에 따라 주요 성능인 비선형성(Non-Linearity)이 크게 바뀌게 된다. 선박 엔진에서 사용하는 금속은 주로 다섯 가지의 금속을 사용하고 있으며, 종래의 인덕티브 센서는 하나의 금속에 대하여 비선형성을 보정하고, 나머지 금속에 대해서는 비선형성이 2% 이내 인지 확인하고 사용하게 된다. 이는 피 측정물의 특성에 따라 비선형성이 크게 변화하는 문제가 있기 때문이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 위치 감지 대상의 위치 측정 값의 비선형성을 감소시켜, 보다 정밀하고 빠른 위치 측정이 가능한 인덕티브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 온도 오차 및 회로 오차를 보상하여, 위치 감지 대상에 대한 보다 정밀한 위치 측정을 가능케 하는 인덕티브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 위치 데이터에 대한 영점 조정 및 스판 조정을 디지털 신호 기반으로 수행하여, 환경 변화에도 보다 정확한 위치 검출 대상에 대한 위치 측정을 가능케 하는 인덕티브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 위치 감지 대상의 재질을 고려하여, 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등을 수행할 수 있는 인덕티브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 다양한 재질의 위치 감지 대상에 대한, 감지 위치 값의 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등에 필요한 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신할 수 있는 인덕티브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 인덕티브 센서는, L-C 공진 메커니즘에 따라 발진 신호를 출력하는 공진부; 금속 재질인 위치 검출 대상까지의 거리 변화에 따른 상기 발진 신호의 변화를 검출하고, 상기 검출된 발진 신호의 변화에 대응되는 레벨을 가지며 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성을 갖는 제1 전기적 신호를 발생하는 검출부; 상기 위치 검출 대상의 재질을 고려하여 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 상기 제1 전기적 신호의 비선형성을 감소시키기 위한, 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 제1 보정 정보를 수신하는 통신부; 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 상기 제1 보정 정보에 기초하여 상기 제1 전기적 신호를 보정하여, 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성이 미리 정해진 범위 이내인 제2 전기적 신호를 발생하는 제어부; 및 상기 제2 전기적 신호를 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대응되는 제3 전기적 신호로 변환하여 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
상기 위치 검출 대상은, 상기 선박 엔진의 연료 부스터 또는 배기 밸브일 수 있다.
상기 통신부는, 전원 공급 라인 및 상기 출력부의 신호 출력 라인 중 적어도 하나를 통하여 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 상기 선형 보정 정보를 수신할 수 있다.
상기 통신부는, 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는, 상기 제2 전기적 신호에 대한 영정 조정 정보 및 스판 조정 정보를 더 수신할 수 있다. 이때, 상기 제어부는, 상기 수신된 영점 조정 정보 및 상기 스판 조정 정보를 더 고려하여 상기 제2 전기적 신호를 발생할 수 있다.
상기 인덕티브 센서는, 온도 감지 수단을 더 포함하고, 상기 통신부는, 상기 인덕티브 센서의 회로 오차 및 온도 오차 중 적어도 하나를 보정하기 위한 제2 보정 정보를 더 수신할 수 있다. 이때, 상기 제어부는, 상기 제2 보정 정보를 더 고려하여 상기 제2 전기적 신호를 발생할 수 있다.
상기 제어부는, 내장된 ADC(Analong to Digital Converter) 및 제1 DMA(Direct Memory Access) 수단을 이용하여 상기 제1 전기적 신호를 디지털 값으로 변환하는 단계; 상기 변환된 디지털 값에 대하여, 상기 제2 보정 정보에 기초하여 회로 오차 및 온도 오차 중 적어도 하나를 보정하는 단계 및 상기 제1 보정 정보에 기초하여 상기 변환된 디지털 값에 대한 선형 보간을 수행하는 단계 중 적어도 하나를 수행하여 보정된 디지털 신호를 발생하는 단계; 및 내장된 제2 DMA 수단 및 DAC(Digital to Analog Converter)를 이용하여 상기 보정된 디지털 신호를 상기 제2 전기적 신호로 변환하여 출력하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 인덕티브 센서는, 위치 감지 대상의 위치 측정 값의 비선형성을 감소시켜, 위치 감지 대상에 대한 보다 정밀하고 빠른 위치 측정을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 인덕티브 센서는, 온도 오차 및 회로 오차를 보상하여, 위치 감지 대상에 대한 보다 정밀한 위치 측정을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 인덕티브 센서는, 위치 데이터에 대한 영점 조정 및 스판 조정을 디지털 신호 기반으로 수행하여, 환경 변화에도 보다 정확한 위치 검출 대상에 대한 위치 측정을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 인덕티브 센서는, 위치 감지 대상의 재질을 고려하여, 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 인덕티브 센서는, 다양한 재질의 위치 감지 대상에 대한, 위치 측정 값의 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등에 필요한 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 인덕티브 센서는 그 유지 보수가 매우 편리하다.
도 1은 본 발명에 따른 인덕티브 센서가 장착된 선박 엔진의 블락도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인덕티브 센서가 선박 엔진에 장착된 것을 나타내는 상태도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 실제 사진 및 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 블락도이다.
도 5는 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 공진부 및 검출부의 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 통신부의 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 제어부의 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 출력부의 회로도이다.
도 9는 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 전원부의 회로도이다.
도 10은 본 발명에 따른 인덕티브 센서 구동 방법의 일예를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 따른 인덕티브 센서 구동 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 위치 감지 대상에 대하여 측정된 위치의 비선형성을 측정하기 위한 시험을 수행하기 위한 상태도이다.
도 13은 도 12에 도시된 시험 방법에 따라서, 본 발명에 따른 인덕티브 센서에 의하여 측정된 위치 감지 대상의 위치의 비선형성을 나타낸다.
도 14는 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 응답 시간을 측정하기 위한 시험을 수행하기 위한 상태도이다.
도 15 및 16은 도 14에 도시된 시험 방법에 따라서 측정된 본 발명에 따른 인덕티브 센서의 응답 시간을 측정하기 위한 그래프이다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명과 관련된 조명 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)가 장착된 선박 엔진(10)의 블락도이다. 도 1을 참조하면, 상기 선박 엔진(10)은 인덕티브 센서(100), 배기 밸브(200), 연료 부스터(300), 및 엔진 제어 장치(400)를 포함한다. 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 본 발명에 따른 선박 엔진(10)은 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 가질 수도 있다. 이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.
상기 배기 밸브(200)는 가스 배출을 제어하기 위한 밸브이며 상기 연료 부스터(300)는 연료 분사를 담당한다. 상기 인덕티브 센서(100)는 상기 배기 밸브(200) 및 상기 연료 부스터(300)의 위치를 감지하여 상기 엔진 제어 장치(400)로 전달한다. 그러면, 상기 엔진 제어 장치(400)는 상기 배기 밸브(200)와 연료 부스터(300)의 위치 정보에 기초하여 엔진 제어를 위한 각종 신호를 발생하여 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)가 선박 엔진(10)에 장착된 것을 나타내는 상태도이다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)를 참조하면, 상기 인덕티브 센서(100)가 위치 감지 대상인 연료 부스터(300) 및 배기 밸브(200)의 위치를 감지하기 위하여 선박 엔진에 장착될 수 있음을 알 수 있다.
상기 인덕티브 센서(100)는 아래와 같은 특징을 가질 수 있다.
1. 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는, 위치 감지 대상의 위치 측정 값의 비선형성을 감소시켜, 위치 감지 대상에 대한 보다 정밀하고 빠른 위치 측정을 수행할 수 있다.
2. 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는, 온도 오차 및 회로 오차를 보상하여, 위치 감지 대상에 대한 보다 정밀한 위치 측정을 수행할 수 있다.
3. 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는, 위치 데이터에 대한 영점 조정 및 스판 조정을 디지털 신호 기반으로 수행하여, 환경 변화에도 보다 정확한 위치 검출 대상에 대한 위치 측정을 수행할 수 있다.
4. 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는, 위치 감지 대상의 재질을 고려하여, 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등을 수행할 수 있다.
5. 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는, 다양한 재질의 위치 감지 대상에 대한, 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등에 필요한 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 인덕티브 센서는 그 유지 보수가 매우 편리하다.
한편, 본 명세서에서는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)가 선박 엔진(10)에 장착된 것을 가정하여 상기 인덕티브 센서(100)의 구성(또는 구조) 및 기능(또는 동작)에 대하여 살펴 본다. 그러나 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100) 센서는 항공기 엔진, 각종 차량 엔진, 건설 또는 토목 장비의 엔진 등에 장착되어 위치 감지 대상의 위치를 측정하는데 이용될 수도 있다. 그러나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 도 3 내지 도 21을 참조하여, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 특징에 대하여 보다 상세히 살펴 본다.
도 3은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 실제 사진 및 분해 사시도이다.
상기 인덕티브 센서(100)에서 위치 감지 대상의 위치 감지에 대응되는 신호를 발생하는데 이용되는 코일은 중공부가 형성된 몸체(body) 내부에 장착된다. 연결부(combination part)에 마련된 홀(도 3의 (a)에서는 점선으로 구분)은 상기 인덕티브 센서(100)의 고정에 필요한 나사나 볼트 등이 통과한다. 상기 인덕티브 센서(100)는 비선형성 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등에 필요한 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신할 수 있다. 그러므로, 하드웨어적 수리나 교체를 제외한 상당 부분의 유지 보수를 상기 인덕티브 센서(100)가 장착된 상태에서 수행할 수 있어, 유지 보수가 기존의 인덕티브 센서에 비하여 매우 편리한 장점을 가진다.
상기 인덕티브 센서(100)의 동작에 필요한 반도체 칩, 각종 전자 또는 전기 소자 등이 장착된 PCB는 브라켓(bracket)에 결합되어 커버(cover)에 의하여 보호된다. 케이블 그랜드(cable grand)는 전원 케이블이나 통신 케이블 등의 케이블 연결 부위이다.
도 4는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 블락도이다. 도 4를 참조하면, 상기 인덕티브 센서(100)는 공진부(110), 검출부(120), 통신부(130), 제어부(140), 출력부(150), 및 전원부(160)를 포함한다. 도 4에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 가질 수도 있다. 이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.
상기 공진부(110)는 L-C 공진 메커니즘에 따라 발진 신호를 출력할 수 있다. 상기 발진 신호는 금속 재질인 위치 검출 대상까지의 거리 변화에 따른 상기 발진 신호에 따라 변화된다. 상기 검출부(120)는 금속 재질인 위치 검출 대상까지의 거리 변화에 따른 상기 발진 신호의 변화를 검출할 수 있다. 그런 다음, 상기 검출부(120)는 상기 검출된 발진 신호의 변화에 대응되는 레벨을 가지며 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성을 갖는 제1 전기적 신호를 발생할 수 있다. 한편, 본 명세서에서 전기적 신호는 아날로그 신호일 수도 있고 디지털 신호일 수도 있으며, 전압 신호일 수도 있고 전류 신호일 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 공진부(110) 및 검출부(120)의 회로도이다.
상기 공진부(110)에서는 인덕터(111)와 커패시터(112)로 이루어진 병렬 공진 탱크 회로가 제 1 트랜지스터(113)에 접속된다. 상기 인덕터(111)와 커패시터(112)의 L-C 공진에 의해 250KHz 이상의 발진 신호가 발생할 수 있다. 한편, 제 2 트랜지스터(114)와 제 1 연산증폭기(115)는 피드백 회로를 구성한다.
상기 검출부(120)는 선박 엔진(10)의 배기 밸브(200)나 연료 부스터(300) 등의 위치 감지 대상의 접근이나 이격에 의해 형성되는 와전류에 의한 발진 신호의 감쇄를 검출한다. 감쇄된 발진 신호는 제2 연산 증폭기(121), 한 쌍의 다이오드(122)와 제 3 연산증폭기(123)를 경유하면서 전파 정류 및 필터링된다. 그런 다음, 상기 제3 연산 증폭기(123)의 출력 신호는 제4 연산 증폭기(124)에 의하여 상기 제어부(140)에서 처리될 수 있는 전압(즉, 제1 전기적 신호)로 변환되어 출력된다.
도 5의 예에서 상기 검출부(120)의 출력 신호는 소정의 전압 레벨을 갖는 아날로그 신호일 수 있다. 한편, 제1 전기적 신호는 검출된 발진 신호의 변화에 대응되는 레벨을 가지며 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성을 갖는다.
도 5에 도시된 공진부(110) 및 검출부(120)는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에서 포함될 수 있는 공진부 및 검출부 일예일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 통신부(130)는 다양한 재질에 따른, 위치 감지 대상에 대한 측정 값의 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등에 필요한 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는 위치 데이터 또는 정보를 외부로부터 통신을 통하여 수신하여, 다양한 재질의 위치 감지 대상의 위치 측정 등을 수행할 수 있어, 그 유지 보수가 매우 편리하다.
상기 통신부(130)는 별도의 통신용 라인 없이, 전원 공급 라인 및 상기 출력부(150)의 신호 라인 중 적어도 하나를 통하여 상술한 각종 데이터를 외부로부터 수신할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는 기존의 인덕티브 센서에 비하여 별도의 하드웨어의 추가 없이도 외부와의 통신을 수행할 수 있다.
이하, 상기 통신부(130)를 통하여 수신될 수 있는 데이터의 구체적 예들을 살펴 본다.
먼저, 상기 통신부(130)를 통해, 위치 검출 대상의 재질(예컨대, 금속의 종류)을 고려하여 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 상기 제1 전기적 신호의 비선형성을 감소시키기 위한, 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 제1 보정 정보를 수신할 수 있다.
예컨대, 선박 엔진(10)에는 대표적으로 5가지 정도의 금속이 사용되는데, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)는 상기 5가지 금속 각각에 대응되는 제1 보정 정보를 수신할 수 있다. 이러한 금속 재질을 고려한 외부로부터의 데이터 수신은 향수 살펴볼 영점 조정 정보, 스판 조정 정보, 온도 및 회로 오차 중 적어도 하나를 보정하기 위한 제2 보정 정보에 대해서도 마찬가지일 수 있다.
그리고, 상기 통신부(130)는 상기 위치 검출 대상 위치 측정 값에 대한 영점 조정 정보 및 스판 조정 정보를 더 수신할 수 있다. 그리고, 상기 통신부(130)는 상기 인덕티브 센서의 회로 오차 및 온도 오차 중 적어도 하나를 보정하기 위한 제2 보정 정보를 더 수신할 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 통신부(130)의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 상기 통신부(130)는 통신 칩(131)과 그 동작 수행에 필요한 각종 소자들로 구현될 수 있음을 알 수 있다. 상기 통신부(130)는 별도의 통신선을 구비하기 어려운 인덕티브 센서(100) 특성을 고려하여 입/출력 신호 라인을 통한 HART 통신 또는 전력선통신을 통하여 외부와 통신 기능을 수행할 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 통신부(130)는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에서 포함될 수 있는 통신부의 일예일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 통신부(130)는 전력 공급 라인을 통한 전력선 통신을 통하여 외부와의 통신 기능을 수행할 수도 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 제어부(140)는 인덕티브 센서(100)의 구성 요소의 동작을 전반적으로 제어한다. 상기 제어부(140)는 상기 통신부(130)를 통하여 수신된 제1 보정 정보에 기초하여 상기 검출부(120)에서 출력되는 제1 전기적 신호를 보정하여 제2 전기적 신호를 발생할 수 있다. 이때, 상기 제2 전기적 신호는 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성이 미리 정해진 범위 이내인 전기적신호일 수 있다.
상기 제어부(140)는 상기 통신부(130)를 통하여 수신된 영점 조정 정보 및 스판 조정 정보를 고려하여 상기 제1 전기적 신호를 더 처리할 수도 있다. 그러므로 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에서의 영점 및 스판 조정은, 종래의 인덕티브 센서에서 가변 저항 조작을 통한 영점 조정 및 스판 조정에 비하여 환경 영향을 덜 받을 수 있고, 보다 정확할 수 있다.
상기 제어부(140)는 온도 오차 및 회로 오차 중 적어도 하나를 보정하기 위한 제2 보정 정보를 더 고려하여 상기 제2 전기적 신호를 발생할 수 있다. 상기 제2 보정 정보 역시 상기 통신부(130)를 통하여 외부로부터 수신된 것일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 제어부(140)의 회로도이다.
도 7을 참조하면, 상기 제어부(140)는 하나의 칩(141)과 소수의 소자로 구성됨을 알 수 있다. 이는, 상기 제어부(140) 내부에서 다양한 재질의 위치 검출 대상에 대한 위치 측정 값의 비선형성의 감소, 온도 오차 및 회로 오차의 보정, 디지털 신호 기반의 영점 및 스판 조정 등이 모두 수행됨을 의미할 수 있다. 이러한, 하나의 칩 내에서의 데이터 처리로 인하여, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 데이터 처리 속도는 기존의 인덕티브 센서에 비하여 증가될 수 있다.
그리고, 상기 제어부(140)는 각종 기능 수행 시, 내장된 ADC(Analong to Digital Converter), DAC(Digital to Analog Converter) 및 DMA(Direct Memory Access) 수단을 이용하여 전기적 신호의 아날로그 신호의 디지털화, 디지털 신호의 아날로그화를 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부(140)는 DMA 방식으로 대량의 데이터를 중앙 처리부(미도시)가 메모리(미도시)와의 사이에서 직접 고속으로 전송(轉送)함으로써 데이터 처리 속도를 증가시킬 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나 상기 메모리는 상기 제어부(140)에 포함된 것일 수 있고, 상기 제어부(140) 외부에 마련된 별도의 메모리일 수도 있다.
즉, 상기 제어부(140)는 상기 검출부(120)로부터 아날로그 신호를 수신하여 이를 디지털 신호로 변환하여 각종 신호 처리를 수행한 다음, 그 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는 온도 감지 수단을 포함할 수 있다. 물론, 온도 감지 수단은 상기 제어부(140)와 하드웨어적으로 구분된 별개의 구성요소일 수도 있다. 한편, 도 7에 도시된 제어부(140)는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에서 포함될 수 있는 제어부의 일예일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 출력부(150)는 상기 제어부(140)에서 출력되는, 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성이 미리 정해진 범위 이내인, 제2 전기적 신호를 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대응되는 제3 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 상기 인덕티브 센서(100)가 선박 엔진(10)에 장착된 것을 가정할 경우, 상기 선박 엔진(10)의 엔진 제어 장치(400)는 상기 제3 전기적 신호에 기초하여 위치 검출 대상인 배기 밸브(200)나 연료 부스터(300)의 위치를 판단할 수 있다. 한편, 앞서 상술한 바와 같이, 상기 출력부(150)의 입출력 라인은 통신부(130)의 통신용으로도 이용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 출력부(150)의 회로도이다.
도 8을 참조하면, 상기 출력부(150)는 상기 제어부(140)로부터 수신되는 전기적 신호의 변환을 칩(151)과 다수의 소자로 구현될 수 있음을 알 수 있다. 상기 칩(151)은 상기 제어부(140)로부터 출력되는 전압 신호인 제2 전기적 신호를 전류 값으로 변환하여 출력할 수 있다. 한편, 도 8에 도시된 출력부(150)는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에서 포함될 수 있는 출력부의 일예일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 전원부(160)는 외부로부터 수신되는 전력을 상기 인덕티브 센서(100)의 구성 요소들에서 필요로 하는 전력으로 변환하여 출력한다.
도 9는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 전원부(160)의 회로도이다.
도 9를 참조하면, 상기 전원부(160)는 서지 보호 수단(161) 및 전압 안정기(62) 등을 포함하여 구현될 수 있음을 알 수 있다. 한편, 도 9에 도시된 전원부(160)는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에서 포함될 수 있는 전원부의 일예일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100) 구동 방법의 일예를 나타내는 흐름도이다. 이하, 필요한 도면들을 참조하여 상기 구동 방법을 설명한다.
먼저, 통신부(130)를 통하여 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성을 감소시키기 위한, 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 제1 보정 정보가 수신된다(S100). 상기 수신된 제1 보정 정보는 제어부(140) 내의 메모리 또는 별도로 마련된 메모리에 저장된다.
그 상태에서, 공진부(110)에서 출력되는 발진 신호는 금속 재질인 위치 검출 대상까지의 거리 변화에 따라 변화하고, 검출부(120)는 상기 발진 신호의 변화를 검출한다(S110). 그런 다음 상기 검출부(120)는, 상기 검출된 발진 신호의 변화에 대응되는 레벨을 가지며, 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대해 비선형적인 제1 전기적 신호를 발생한다(S120). 상기 제1 전기적 신호는 아날로그 전압 신호일 수 있다.
그런 다음, 제어부(140)는 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 상기 제1 보정 정보에 기초하여 상기 제1 전기적 신호를 보정하여, 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성이 미리 정해진 범위 이내인 제2 전기적 신호를 발생할 수 있다(S130). 상기 제2 전기적 신호는 아날로그 전압 신호일 수 있다.
그런 다음, 출력부(150)는 상기 제2 전기적 신호를 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대응되는 제3 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다(S140). 그러면, 상기 인덕티브 센서(100)가 장착된 대상에서는 상기 제3 전기적 신호에 기초하여 상기 위치 검출 대상의 위치를 판단할 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 상기 위치 검출 대상은 선박 엔진(10)의 배기 밸브(200) 및 연료 부스터(300)일 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100) 구동 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다. 이하, 필요한 도면들을 참조하여 상기 구동 방법을 설명한다.
먼저, 통신부(130)를 통하여 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 비선형성을 감소시키기 위한 상기 위치 검출 대상의 재질에 대응되는 제1 보정 정보 및 회로 오차 및 온도 오차 보상을 위한 제2 보정 정보가 수신되어 저장된다(S200). 상기 수신된 제1 및 제2 보정 정보는 제어부(140) 내의 메모리 또는 별도로 마련된 메모리에 저장된다.
상기 제1 및 제2 보정 신호가 저장된 상태에서, 검출부(120)로부터 상기 위치 검출 대상까지의 거리 변화를 반영한 제1 전기적 신호가 수신되면, 제어부(140)는 내장된 ADC(Analong to Digital Converter) 및 제1 DMA(Direct Memory Access) 수단을 이용하여 상기 제1 전기적 신호를 디지털 값으로 변환하여 출력한다(S210).
그런 다음, 상기 제어부(140)는, 상기 변환된 디지털 값에 대하여, 상기 제2 보정 정보에 기초하여 회로 오차 및 온도 오차 중 적어도 하나를 보정하는 단계 및 상기 제1 보정 정보에 기초하여 상기 변환된 디지털 값에 대한 선형 보간을 수행하는 단계 중 적어도 하나를 수행하여, 보정된 디지털 신호를 발생하여 출력한다(S220).
그런 다음, 상기 제어부(140)는 내장된 제2 DMA 수단 및 DAC(Digital to Analog Converter)를 이용하여 상기 보정된 디지털 신호를 상기 제2 전기적 신호로 변환하여 출력한다(S230). 그러면, 출력부(150)는 상기 제2 전기적 신호를 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대응되는 제3 전기적 신호로 변환하여 출력하고, 상기 인덕티브 센서(100)가 장착된 대상에서는 상기 제3 전기적 신호에 기초하여 상기 위치 검출 대상의 위치를 판단하고, 그에 기초하여 각종 제어 동작을 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 위치 감지 대상에 대하여 측정된 위치의 비선형성을 측정하기 위한 시험을 수행하기 위한 상태도이다.
상기 시험은, 상기 인덕티브 센서(100)를 테스트 지그(500)에 장착하고, 버니어켈리퍼스를 이용해 위치 감지 대상까지의 거리를 0.5mm에서 7.5mm까지 0.5mm 단위로 가변해 가면서 계측 장치(600)를 통하여 상기 위치 감지 대상까지의 거리에 대한 전류를 측정하는 시험이다. 상기 위치 감지 대상까지의 거리 및 전류 값에 기초하여 측정된 위치 값의 비선형성이 산출될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 시험 방법에 따라서, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에 의하여 측정된 위치 검출 대상의 위치의 비선형성을 나타낸다. 참고로, 도 13에서 위치 검출 대상의 재질이 S480은 선박 엔진에 이용될 수 있는 대표적인 금속이다.
도 13을 참조하면, 위치 검출 대상의 재질이 S480 금속인 경우, 위치 검출 대상의 이격 및 접근에 대한 비선형성 모두 0.09% 이내인 것을 알 수 있다. 도면으로 첨부하지는 않았으나, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에 의한 위치 검출 대상에 대한 비선형성은 S45C 금속, S355 금속, S439 금속, 80A 금속, SNCRW 금속 등에 대해서도 측정되었다. 그러나 상술한 금속 모두에 대해서 이격에 대한 비선형성은 0.52% 이내이며, 접근에 대한 비선형성은 0.47% 이내로 특정되었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)에 의하여 측정된 전류 값의 비선형성은 다양한 금속들에 대하여 0.09 % 내지 0.52%로 매우 적은 것을 알 수 있다. 이는 상기 인덕티브 센서(100)는 금속의 종류에 따른 선형 보정 데이터를 외부로부터 수신하여 적용한 효과일 수 있다. 한편, 종래의 인덕티브 센서의 비선형성이 1% 내지 2%에 이르는 점을 고려할 때, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 비선형성은 매우 적은 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 응답 시간을 측정하기 위한 시험을 수행하기 위한 상태도이다. 도 14를 참조하면, 상기 인덕티브 센서(100)에는 신호 발생기들(700 및 800)이 연결되어 있고, 응답 시간 산출을 위한 파형 측정용 계측 장치(900)가 연결되어 있는 것을 알 수 있다.
도 15 및 16은 도 14에 도시된 시험 방법에 따라서 측정된 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 응답 시간을 측정하기 위한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 위치 검출 대상까지의 거리가 멀어지는 경우 응답 시간(즉, 라이징 타임)이 310 usec인 것을 알 수 있다. 이를 응답 주파수로 표시하면, 상기 인덕티브 센서(100)의 응답 주파수는 1/(310 X 10-6)Hz이다. 즉, 상기 인덕티브 센서(100)의 응답 주파수는 약 3.23kHz에 이른다.
도 16을 참조하면, 위치 검출 대상까지의 거리가 가까워지는 경우 폴링 타임이 610 usec인 것을 알 수 있다. 이를 주파수로 표시하면, 상기 인덕티브 센서(100)의 응답 주파수는 1/(610 X 10-6)Hz이다. 즉, 상기 인덕티브 센서(100)의 응답속도는 약 1.64kHz에 이른다.
종래의 인덕티브 센서의 응답 주파수가 1kHz 정도인 것을 감안할 경우, 본 발명에 따른 인덕티브 센서(100)의 응답 주파수가 위치 검출 대상의 이격 시에는 종래의 3배가 넘고, 접근 시에도 종래의 1.5배가 넘는 것을 알 수 있다.
본 명세서에 기재된 인덕티브 센서 구동 방법의 적어도 일부는 하나의 기능 또는 작동을 수행하게 하는 별개의 소프트웨어 모듈에 의하여 구현될 수 있다. 이러한 소프트웨어 코드는 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션에 의해 구현될 수 있다. 또한, 소프트웨어 코드는 제어부에 내장되거나 별도의 메모리에 저장될 수 있으며, 상기 제어부에 의해 실행될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 선박 엔진 100: 인덕티브 센서
110: 공진부 120: 검출부
130: 통신부 140: 제어부
150: 출력부 160: 전원부
200: 배기 밸브 300: 연료 부스터
400: 엔지 제어 장치

Claims (6)

  1. L-C 공진 메커니즘에 따라 발진 신호를 출력하는 공진부;
    금속 재질인 위치 검출 대상까지의 거리 변화에 따른 상기 발진 신호의 변화를 검출하고, 상기 검출된 발진 신호의 변화에 대응되는 레벨을 가지며 상기 위치 검출 대상까지의 거리에 대한 아날로그 신호를 발생하는 검출부;
    상기 위치 검출 대상의 재질을 고려하여 상기 아날로그 신호의 비선형성을 보정하기 위한 보정 정보와 영점 및 스판 조정 정보를, 장착된 선박으로부터 전력 공급 라인을 통하여, 수신하는 통신부; 및
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 전력 공급 라인을 통하여 수신되는 영점 및 스판 조정 정보를 이용한 디지털 연산을 통하여 상기 디지털 신호에 대한 영점 및 스판 조정을 수행한 다음, 상기 전력 공급 라인을 통하여 수신되는 보정 정보를 이용한 디지털 연산을 통하여 상기 영점 및 스판 조정이 수행된 디지털 신호에 대한 비선형성 보정을 수행하되,
    S45C 금속, S355 금속, S439 금속, 80A 금속, 및 SNCRW 금속 재질에 대하여, 상기 위치 검출 대상이 멀어지는 경우에는 비선형성이 0.09% 내지 0.52% 이내가 되도록 3kHz 이상의 응답 주파수로 상기 아날로그 신호의 비선형성을 보정하고, 상기 위치 검출 대상이 가까워지는 경우에는 비선형성이 0.09% 내지 0.47% 이내 범위가 되도록 1.5kHz 이상의 응답 주파수로 상기 아날로그 신호의 비선형성을 보정하는 제어부를 포함하는, 위치 감지용 인턱티브 센서.
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