Optical scale sensor measurement principle Precise Measurement

간섭계의 경우야 워낙에 유명한 측정장비고,

이공계 대학물리 이상만 들어도 대강의 원리를 알 수 있는 장비라 따로 설명이 들어가진 않았으나

흡습변형 측정시에 사용한 Optical scale sensor의 측정 원리를 간단하게 설명하고자 합니다.

(본인이 물리과에서 건너와서 처음보는 장비라 신기했었기 때문에 이러는 것이 절대 아닙니다 ㅋ)



스케일 센서는 일종의 엔코더와 같은 것인데, 신호를 발신하고 그것을 다시 수신하는 헤드장치(Readhead)와 변위를 나타내기 위한 스케일(Scale)로 구성된 센서이다.

엔코더는 송수신 장치에서 발신되는 신호가 스케일의 위치에 따라서 달라지도록 되어 있으며 이에 의해 위치를 계산하는 장치이다

엔코더가 송수신하는 신호의 종류에 따라서 엔코더의 종류가 달라지며 이러한 신호에는 광학적 신호전자기장 신호축전기나 전류 신호가 있다크기가 작고 정밀도가 높은 광학적 스케일 센서의 경우 해상도가 5㎚에 이르는 것도 존재한다. (여기에서는 광학신호, 즉 빛의 세기에 의한 것을 설명)


<Fig. 1. Optical scale sensor 측정 원리>

Fig. 1에서 볼 수 있는 것처럼, 엔코더의 헤드장치에서 발신한 빛이 일정한(내지는 scale의 스타일에 따라서 위치에 따라서 달라지는) grating을 가진 scale에 반사되어 일정한 무늬를 만들게 되는데 이것이 Fig. 2와 같다. 


<Fig. 2. Optical scale sensor의 A, B phase 신호 생성 원리> 

이 무늬는 grating에 의한 빛의 간섭 현상으로 인해 90도 위상차이를 가지는 2개의 신호 A, B를 만들어 낸다. (몰론 실제의 A, B신호는 노이즈등의 문제로 인하여 그림처럼 칼같은 사각파는 아니다.)

scale이 움직일때, A, B신호의 세기변화가 발생하게 되고, 이를 DAQ장비에서 count하여 길이변화를 감지한다. 

따라서 A, B신호의 조밀함 정도가 센서의 resolution을 결정한다고 볼 수 있으며, A, B신호 세기의 변화 순서가 방향을 결정하는 센서라고 할 수 있다. 

길이를 위해 단위길이(센서신호 세기 변화)를 count하는 방법에는 3가지 방법이 있는데, 이는 Fig. 3에 설명되어 있고, 그림만 보아도 이해가 될 듯 하니 별도의 설명은 하지 않는다. 



<Fig. 3. count method for optical scale sensor> 

장단점?


간섭계의 경우, 측정장치의 정렬(Align)이 하나의 일인데 반해 Optical scale sensor의 경우, scale과 헤드장치의 align만 맞추어주고, 여기에 헤드장치와 scale사이의 측정대상의 변위만 전달하는 구조물을 잘 설계해주면, 측정이 대단히(?) 쉽게 이루어진다는 장점이 있으며,

또한, scale의 재료를 잘 만들어주면, 간섭계에 비해서 장시간 측정에 대해서도 대단히 안정적인 측정을 수행할 수 있다. 

몰론 단점은 측정원리에서 알 수 있듯이, 빛을 읽어들이는 장치의 해상도만 올려주면 더더욱 정밀한 측정이 가능한 간섭계에 비해 해상도가 A, B신호의 간격에 의해서 고정되어 있다는 것이 단점이라고 할 수 있다. 

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