[논문]고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템

남승환; 백경민; 정완섭

doi:10.7776/ask.2014.33.1.031

고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템
Calibration System for Angular Vibration Using Precision Rotary Encoder 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.33 no.1, 2014년, pp.31 - 39

남승환 (과학기술연합대학원 측정과학) , 백경민 (한국표준과학연구원 유동음향센터) , 정완섭 (한국표준과학연구원 유동음향센터)

초록
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본 논문은 고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템의 실현방안을 제안한다. 제안된 시스템과 비교를 위해 한국표준과학연구원의 회전진동 절대교정시스템을 소개하며 회전진동 센서의 교정을 위한 장치와 측정 불확도 모델을 각각 제시한다. 제안된 방법은 회전엔코더의 교정방법에 따라 두 가지 로 나뉘는데 첫 번째는 레이저 간섭계를 이용하여 교정된 엔코더를 사용하는 방법이고, 두 번째는 제조사가 제공하는 성적서를 이용하여 교정 불확도를 평가하는 방법이다. 0.4 ~ 200 Hz의 교정주파수 구간에서 각가속도계를 교정한 결과, 첫 번째 제안된 방법은 절대교정시스템을 기준으로 감도 차이가 0.1 % 그리고 위상 차이는 $0.01^{\circ}$이내였으며 최대 확장불확도 진폭은 0.6 % 그리고 위상은 $0.4^{\circ}$ 이었다. 두 번째 제안된 방법은 절대교정시스템을 기준으로 감도차이가 진폭은 0.1 % 그리고 위상차이는 $0.6^{\circ}$ 이내였으며 최대 확장불확도는 진폭 4.8 % 와 위상 $2.8^{\circ}$이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, two calibration methods for angular vibration pickups using a precision rotary encoder are proposed. The KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science) primary angular vibration calibration system and the calibration procedures are briefly explained. The rotary encoder is shown to be calibrated in two methods: The one is to use the laser interferometer to calibrate the rotary encoder under test and the other is to exploit the certificate of the encoder supplied. Complex sensitivities measured from the first are shown to be less than 0.1 % difference in magnitude and $0.01^{\circ}$ difference in phase shift in reference to those of the primary calibration system. Their expanded uncertainties were observed to be less than 0.6 % in magnitude and $0.4^{\circ}$ in phase shift over the range of 0.4 to 200 Hz. Under the same calibration conditions, complex sensitivities evaluated by the second method are shown be 0.1 % difference in magnitude and $0.6^{\circ}$ difference in phase shift in reference to those of the primary calibration system. Their expanded uncertainties were seen to be less than 4.8 % in magnitude and $2.8^{\circ}$ in phase shift.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 산업현장에서 사용 가능한 회전진동 비교교정에 적용 가능한 기준기급 센서가 무엇이 있을지에 대한 질문에서부터 시작되었으며 그 대답으로 고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템을 제안한다. 정적인 각도 정밀 측정 분야에서 널리 쓰이고 있는 회전엔코더를 이용함으로써 설치 및 유지 측면에서도 효율적일 뿐만 아니라 기존의 기준급 회전진동 센서의 높은 불확도 문제점 또한 회피할 수 있는 방법을 소개한다.
본 연구는 아직 상용화 되지 않고 있는 기준기급 회전진동센서를 대체하여 고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템의 구축이 가능함을 실험적으로 규명한 논문이다. 제안된 회전엔코더를 이용한 교정시스템의 구성을 3.
본 연구는 산업현장에서 사용 가능한 회전진동 비교교정에 적용 가능한 기준기급 센서가 무엇이 있을지에 대한 질문에서부터 시작되었으며 그 대답으로 고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템을 제안한다. 정적인 각도 정밀 측정 분야에서 널리 쓰이고 있는 회전엔코더를 이용함으로써 설치 및 유지 측면에서도 효율적일 뿐만 아니라 기존의 기준급 회전진동 센서의 높은 불확도 문제점 또한 회피할 수 있는 방법을 소개한다.

제안 방법

2.1절에 소개한 절대교정 장치와 3.1절에 추가된 회전엔코더장치가 함께 설치 된 시스템(Fig. 2 참고)에 주파수 0.4 Hz, 진폭 26°-peak의 정현파 회전진동을 가진하고 80 kHz의 샘플링속도로 6초 동안 480,000개 각변위를 측정하였다.
Fig. 4와 같이 고정밀 엔코더링(Renishaw REXM 115) 주위에 두 쌍의 엔코더 헤드(Renishaw T201105A)를 각각 180도 반대 위치에 설치하고 서로 다른 보간(interpolation) 계수를 갖는 두 엔코더 인터페이스(Renishaw TI2000A20A와 TI20KDA20A)를 연결하였다. 본 연구에서는 저주파 회전진동의 측정을 위해 TI20KDA20A 모델 보다 10배 넓은 속도측정 범위 갖는 TI2000A20A 모델을 이용했다.
본 연구에서 사용된 피교정 회전진동센서는 전압출력형 각가속도계 Lucas ASMP-200이며 각가속도계의 전압출력은 16비트 아날로그 디지털 변환기(NI PXI 6123)로 측정했다. 고속디지털 입출력 보드(NI PXI 6541)가 주위 보드들에게 동기클락을 제공하고 위치 카운터(NI PXI-6608)가 전압 및 각변위 측정보드에 외부 샘플클락을 공급하도록 구성함으로써 전압과 각변위 샘플들이 정확하게 동시에 측정되게 하였다. 또한 동기 및 샘플클락의 모니터링을 위한 주파수카운터(Agilent 53131A)와 측정보드들이 꼽혀있는 PXI섀시(NI PXI-1044)에는 루비듐원자시계(SRS FS725)의 10 MHz 외부 기준 클락을 공급하여 정확한 시간 및 주파수 측정이 가능하게 하였다.
두 번째 제안은 절대교정시스템을 기준으로 감도 차이가 0.1 % 그리고 위상 0.6° 이내였으며 최대 확장불확도는 크기 4.8 % 그리고 위상 2.8°이었다.
본 연구에서는 저주파 회전진동의 측정을 위해 TI20KDA20A 모델 보다 10배 넓은 속도측정 범위 갖는 TI2000A20A 모델을 이용했다. 또한 회전축 편심율과 미소 선형운동성분이 회전 엔코더의 각변위 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위해 차동형 각변위측정 모듈(Renishaw DSi-QUL-20) ^[9]을 사용하였다. 앞서 2.
먼저 레이저 간섭계의 기준 각변위신호 Φ와 피교정 각가속도계의 전압출력 신호 V의 cosine, sine 성분 {CΦ(m), SΦ(m), CV(m), CV(m)}을 이산 퓨리에 변환을 이용하여 구한다.
또한 회전축 편심율과 미소 선형운동성분이 회전 엔코더의 각변위 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위해 차동형 각변위측정 모듈(Renishaw DSi-QUL-20) ^[9]을 사용하였다. 앞서 2.1절에서 소개한 절대교정 시스템의 측정보드Zygo ZMI 4004와 동기화 된 32비트 변위측정 위치 카운터(NI PXI 6608)를 이용하여 엔코더의 각변위를 실시간 측정했다.
앞서 소개한 회전진동 절대교정 시스템의 회전진동테이블 원주 상에 회전 엔코더링을 Fig. 3과 같이 일체형으로 설치하여, 앵글프리즘 기반 레이저간섭계를 이용한 각가속도계의 절대교정 뿐만 아니라 회전엔코더를 이용한 각 가속도계 비교교정까지 가능하게 장치를 구성하였다.
이때 첫 번째 제안의 경우 3.2절에서 구한 회전엔코더의 파라미터들 a, b, τ를 보상한 엔코더신호를 기준으로 복소수 전압감도를 계산하였고, 두 번째 제안의 경우 보상하지 않은 엔코더신호를 기준으로 계산하였다.
본 연구는 아직 상용화 되지 않고 있는 기준기급 회전진동센서를 대체하여 고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템의 구축이 가능함을 실험적으로 규명한 논문이다. 제안된 회전엔코더를 이용한 교정시스템의 구성을 3.1절에서 소개하였고, .3.2
절과 3.3절에서 두 가지 회전진동 교정시스템의 구현 방법을 제안하였으며 그들의 교정 불확도를 각각 제시하였다. 실험결과 주어진 교정 주파수 범위 내에서 첫 번째 제안은 절대교정시스템을 기준으로 최대 감도차이가 0.
제조사 성적서를 이용한 두 번째 제안된 방법만으로도 40 Hz 이하의 주파수 구간에서 절대교정시스템과 비슷한 수준의 교정능력을 보였지만, 50 Hz 이상의 고주파 구간에서 감도 위상을 정확하게 측정하고 측정 불확도를 낮추기 위해서는 첫 번째 제안 방법
인 레이저 간섭계를 이용하여 엔코더를 교정하는 방법을 권장한다. 첫 번째 제안된 방법에서 확인된 우수한 측정 불확도는 사실 기 구축된 회전진동 절대교정장치와 측정 소급성을 갖추었기 때문이며, 회전진동 절대 교정장치의 필요성과 중요성이 다시금 확인되었다.
앞서 2와 3장에서 설명한 각가속도계 교정시스템들은 세 가지로 나뉠 수 있다. 첫째 기존의 절대교정시스템, 둘째 레이저 간섭계를 이용하여 교정된 회전엔코더를 이용한 교정시스템(이하 첫 번째 제안), 셋째 제조사성적서를 이용하여 교정된 회전엔코더를 이용한 교정시스템(이하 두 번째 제안)이다. Table 2에 위 세 교정시스템들을 이용한 각가속도계(Lucas ASMP-200) 교정결과를 나타내었다.

대상 데이터

1의 KRISS 회전진동 절대교정 시스템은 Zygo사의 앵글프리즘 기반 차동평면거울 레이저간섭계(DPMI)^[6]와 KRISS에서 자체 개발한 다층 PCB 기법을 이용한 회전가진기^[7]를 사용하는 것이 특징으로 레이저간섭계의 각변위신호는 Zygo사의 측정보드(ZMI 4004)로 수집하고, 회전가진기는 파형발생기(NI PXI 5421)와 전력증폭기(B&K Type 2719)로부터 신호를 입력받아 교정에 필요한 회전진동을 발생시킨다. 본 연구에서 사용된 피교정 회전진동센서는 전압출력형 각가속도계 Lucas ASMP-200이며 각가속도계의 전압출력은 16비트 아날로그 디지털 변환기(NI PXI 6123)로 측정했다. 고속디지털 입출력 보드(NI PXI 6541)가 주위 보드들에게 동기클락을 제공하고 위치 카운터(NI PXI-6608)가 전압 및 각변위 측정보드에 외부 샘플클락을 공급하도록 구성함으로써 전압과 각변위 샘플들이 정확하게 동시에 측정되게 하였다.

데이터처리

Table 2에 위 세 교정시스템들을 이용한 각가속도계(Lucas ASMP-200) 교정결과를 나타내었다. 교정 주파수는 0.4~200 Hz이며 각 주파수 당 세 번씩 교정을 반복 실험하였고 측정된 결과로부터 복소수 전압감도와 확장불확도를 계산하였다. 이때 첫 번째 제안의 경우 3.

이론/모형

4와 같이 고정밀 엔코더링(Renishaw REXM 115) 주위에 두 쌍의 엔코더 헤드(Renishaw T201105A)를 각각 180도 반대 위치에 설치하고 서로 다른 보간(interpolation) 계수를 갖는 두 엔코더 인터페이스(Renishaw TI2000A20A와 TI20KDA20A)를 연결하였다. 본 연구에서는 저주파 회전진동의 측정을 위해 TI20KDA20A 모델 보다 10배 넓은 속도측정 범위 갖는 TI2000A20A 모델을 이용했다. 또한 회전축 편심율과 미소 선형운동성분이 회전 엔코더의 각변위 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위해 차동형 각변위측정 모듈(Renishaw DSi-QUL-20) ^[9]을 사용하였다.

성능/효과

그리고 ur,CN는 측정된 각가속도계와 ADC의 배경잡음과 관련된 상대표준불확도로 3.54×10-7~8.40×10-4사이의 값을 갖는 것으로 측정되었다.
또한 각가속도가 141.4 rad/s2-peak로 유지되는 가운데 주파수가 증가함에 따라 각변위 Φ의 크기가 줄어들어 각변위측정에 대한 상대 표준 불확도가 높아짐을 확인하였다.
반면 첫 번째 제안된 시스템의 경우 주어진 교정주파수 전 범위 안에서 절대교정시스템과 같은 불확도 수준을 유지하는 것을 확인하였다. 식(13)의 첫 번째 제안된 각변위측정 표준불확도가 식(9)의 절대교정시스템 각변위측정 표준불확도 보다 최대 1.
실험결과 주어진 교정 주파수 범위 내에서 첫 번째 제안은 절대교정시스템을 기준으로 최대 감도차이가 0.1 % 그리고 위상 0.01°이내였으며 최대 확장불확도는 0.6 % 와 위상 0.4° 이었다.
Table 2에서 볼 수 있듯이 세 시스템의 복소수 전압감도 크기는 큰 차이를 보이지 않는다. 주어진 주파수 범위 내에서 제안된 두 시스템의 감도크기는 절대교정시스템의 감도크기를 기준으로 0.1 % 이내의 차이를 보였다. 회전엔코더의 이득율 a가 1에 매우 근접하기 때문에 a의 보상 유무는 정확한 감도크기측정에 결정적인 역할을 하지 않았다.
주어진 주파수 범위 안에서 첫 번째 제안된 시스템의 경우 절대교정시스템과의 감도위상 차이가 0.01° 이내에 불과한 반면 두 번째 제안된 시스템은 200 Hz에서 절대교정시스템과 최대 0.6°의 감도위상 차이를 보였다.
인 레이저 간섭계를 이용하여 엔코더를 교정하는 방법을 권장한다. 첫 번째 제안된 방법에서 확인된 우수한 측정 불확도는 사실 기 구축된 회전진동 절대교정장치와 측정 소급성을 갖추었기 때문이며, 회전진동 절대 교정장치의 필요성과 중요성이 다시금 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형진동은 무엇인가?	진동축의 방향으로 주기적인 병진운동을 하는 선형진동과 달리 진동축을 중심으로 주기적인 회전운동 하는 것을 회전진동이라 하며 본 연구에서는 후자인 회전진동의 특성에 주된 관심이 있다. 오늘날 IT제품이나 차량의 자세제어 시스템에 사용되는 회
	회전진동은 무엇인가?	진동축의 방향으로 주기적인 병진운동을 하는 선형진동과 달리 진동축을 중심으로 주기적인 회전운동 하는 것을 회전진동이라 하며 본 연구에서는 후자인 회전진동의 특성에 주된 관심이 있다. 오늘날 IT제품이나 차량의 자세제어 시스템에 사용되는 회
	고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템의 장점은 무엇인가?	본 연구는 산업현장에서 사용 가능한 회전진동 비교교정에 적용 가능한 기준기급 센서가 무엇이 있을지에 대한 질문에서부터 시작되었으며 그 대답으로 고정밀 회전엔코더를 이용한 회전진동 교정시스템을 제안한다. 정적인 각도 정밀 측정 분야에서 널리 쓰이고 있는 회전엔코더를 이용함으로써 설치 및 유지 측면에서도 효율적일 뿐만 아니라 기존의 기준급 회전진동 센서의 높은 불확도 문제점 또한 회피할 수 있는 방법을 소개한다.

참고문헌 (10)

ISO 16063 part 21, Methods for the calibration of vibration and shock transducers: Vibration calibration by comparison to a reference transducer, 2001.
ISO 16063 part 15, Methods for the calibration of vibration and shock transducers: Primary angular vibration calibration by laser interferometry, 2006.
S. Nam, Y. Lee and W. Cheung "Method of calibrating charge amplifier using a dynamic spectrum analyzer," IMEKO 20th Congress, TC22, (2012).
H. Martens, "Dynamic cailbration of rotational transducers by diffraction grating interferometry," PTB Mitt. 103, 19-26 (1992).
W. Cheung and T. Licht, "Progress in development of calibration systems for angular vibration pickups," IMEKO 19th Congress, TC22, (2009).
W. Cheung and C. Chung, "Angle prism-based laser interferometer for high precision measurement of angular vibration," IMEKO 18th Congress, TC22, (2006).
W. Cheung "Improved features of angular vibration exciters," IMEKO 20th Congress, TC22, (2012).
W. Cheung, "Primary calibration procedure of angular vibration transducers," KRISS., Tech. Rep., 2011.
A. Ellin, and G. Dolsak. "The design and application of rotary encoders." Sens Rev. 28, 150-158 (2008).

상세보기
J. Bendat and A. Piersol, Random Data (WILEY Publication, INC., 2010), pp. 102-105.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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