KR100364784B1 - 자장 측정 장치 - Google Patents

Abstract

자속 고정 루프의 로렌지안 잡음 성분을 배제시켜서 매우 작은 수준의 자기 신호까지 정확하게 검출하는 자장 측정 장치에 관한 것으로, 외부 자속을 검출하여 전압 형태로 변화시켜 출력하는 자장센서와 자장센서에서 출력된 전압을 증폭시키는 증폭기와 자장센서를 통과하는 자속량을 항상 일정하게 유지해주는 되먹임부로 이루어진 자속 고정 루프를 이용한 자장 측정 장치에 있어서, 자속 고정 루프의 증폭기에 연결되어 증폭기의 출력이 일정 속도 이상으로 급격히 변할 경우 논리회로를 발생시키는 논리 회로부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 구성된다. 여기서, 자장센서는 초전도 양자 간섭 소자와 같이 되먹임에 의해 널링 방식으로 구동하는 센서가 사용된다. 이와 같이 구성되는 자장 측정 장치는 자속 고정 루프에서 생기는 이상 현상을 증폭기의 출력을 통해 예측하고 그 이상 현상을 없앰으로서, 비차폐 환경에서의 주된 잡음 요인인 로렌지안 잡음을 줄여 작은 수준의 자기 신호를 정확하게 검출할 수 있다.

Description

자장 측정 장치{magnetic field sensor}

본 발명은 자장 측정 수단으로 자속 고정 루프를 이용한 자장 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자속 고정 루프에 사용되는 초전도 양자 간섭소자(Superconducting Quantum Interference Device:SQUID)는 자속의 양자 간섭 효과에 의해 극히 미약한 자계의 변화에 대한 신호를 검출할 수 있는 소자로서, 두 개의 초전도 접합과 초전도 루프(loop)로 이루어지며, 두 개의 초전도 접합에 직류 바이어스(bias) 전류를 흘렸을 때, 초전도 양자 간섭 소자 루프 속으로 외부 자속이 통과하면 초전도 양자 간섭 소자 양단에 전압이 발생한다. 이렇게 발생한 전압은 증폭기(pre-amplifier)에 의해 충분히 증폭되어진다.

자속 고정 루프(Flux Locked Loop:FLL)는 위와 같이 외부 자기장을 감지하는 초전도 양자 간섭 소자와 이 신호를 증폭하여 출력하는 신호 처리부와 초전도 양자 간섭 소자의 루프를 통과하는 자속량을 항상 일정하게 유지해 주는 되먹임부(feedback)로 구성되어 구동한다.

이와 같은 초전도 양자 간섭 소자는 그 출력 잡음이 일반적인 다른 센서들 보다 매우 작기 때문에 자기장의 공간적인 분포나 자성물체의 공간적 분포를 알아내는 정밀계측에 주로 이용된다.

그러나, 초전도 양자 간섭 소자는 감도가 매우 좋고 대역폭도 넓은 자장 센서지만, 루프를 구성하는 초전도의 물성이나 접합의 성질에 의해 결정되는 여러 가지 잡음이 발생한다.

이러한 잡음에는 여러 가지 요인이 있는데, 크게 저항 성분에 의한 화이트 잡음(white noise), 초전도 접합에서의 임계 전류의 요동에 의한 저주파 잡음(1/f noise), 초전도 박막의 불완전한 부분에 자속이 갇히는 현상에 의해 생기는 로렌지안 잡음(Lorenzian noise)으로 나누어 볼 수 있다.

그러나, 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 자장측정장치에는 다음과 같은 문제점이 있다.

초전도 양자 간섭 소자의 잡음 요인 중에 임계 전류의 요동으로 인한 저주파 잡음은 초전도 양자 간섭 소자에 인가되는 직류 바이어스 전류를 주기적으로 역전시키는 역 바이어스(bias reversal) 방법에 의해 제거가 가능하나 화이트 잡음이나 로렌지안 잡음은 박막의 개선으로만 줄이거나 없앨 수 있다.

이 중에, 로렌지안 잡음은 출력에서 계단파적인 변화를 보이는 성분으로서 실제 자기장이 변하지 않아도 마치 급격한 자기장의 변화가 있는 것처럼 보이게 한다. 그뿐 아니라, 실제로 스파이크(spike) 형태처럼 매우 짧은 시간 동안의 자기장의 변화를 구동회로가 미처 따라가지 못하는 경우에도 이와 같은 출력을 얻게되기 때문에 비차폐 환경에서와 같이 순간적으로 큰 자기장이 가해지는 경우에는 다른 잡음 성분보다 로렌지안 성분의 잡음이 더욱 심하게 나타난다.

종래의 기술로는 단순히 박막의 질을 향상시키는 것뿐만 아니라 좀더 나아가 자속 담(flux dam)을 만드는 방법이 있는데 이 역시 비교적 큰 자기장 하에서도 초전도 성질을 유지하는 박막의 제작이 선행되어야 한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자속 고정 루프 내에 추가적인 회로를 삽입하지 않고, 자속 고정 루프의 출력을 미리 예측하고 처리하는 논리 회로부를 첨가함으로서, 비차폐 환경에서도 자속 고정 루프의 로렌지안 잡음 성분이 배제시켜서 매우 작은 수준의 자기 신호까지 정확하게 검출하는 자장 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자장 측정 장치를 나타낸 회로도

도 2는 도 1 회로의 각 점에서의 파형을 나타낸 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1:바이어스 전류 8:자속 고정 루프 샘플 앤드 홀더

2:되먹임 코일 9:자속 고정 루프

3:초전도 양자 간섭 소자 10:딜레이 1

4:증폭기 11:딜레이 2

5:되먹임 저항 12:차동기 1

6:적분기 13:차동기 2

7:슬루 검출기 14:오프셋 누적

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 외부 자속을 검출하여 전압 형태로 변화시켜 출력하는 자장센서와 자장센서에서 출력된 전압을 증폭시키는 증폭기와 자장센서를 통과하는 자속량을 항상 일정하게 유지해주는 되먹임부로 이루어진 자속 고정 루프를 이용한 자장 측정 장치에 있어서, 자속 고정 루프의 증폭기에 연결되어 증폭기의 출력이 일정 속도 이상으로 급격히 변할 경우 논리회로를 발생시키는 논리 회로부를 포함하여 자장 측정 장치가 구성되는데 있다.

또한, 본 발명의 자장 측정 장치 내의 논리 회로부는 증폭기에 연결되어 증폭기의 출력이 일정 속도 이상으로 급격히 변하는 것을 감지하는 슬루 검출기와, 자속 고정 루프의 출력이 급격히 변하기 전의 값을 샘플링하여 가지고 있는 자속 고정 루프 샘플 앤드 홀드(S/H)와, 일정 시간 후의 자속 고정 루프의 출력 값과 자속 고정 루프 샘플 앤드 홀드의 값의 차이를 샘플링하고, 동시에 자속 고정루프의 출력으로 대체하는 차동기를 포함하는 것을 특징으로 구성된다.

여기서, 본 발명의 자장 측정 장치에서 사용되는 자장센서는 초전도 양자 간섭 소자와 같이 되먹임에 의해 널링 방식으로 구동하는 센서가 사용되고, 차동기는 누적기능을 가지는 오프셋으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 이와 같이 구성되는 본 발명은 자속 고정 루프에서 생기는 이상 현상을 증폭기의 출력을 통해 예측하고 그 이상 현상을 없앰으로서, 비차폐 환경에서의 주된 잡음 요인인 로렌지안 잡음을 줄여 매우 작은 수준의 자기 신호를 정확하게 검출할 수 있는 자장 측정 장치이다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 자장측정장치의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자장 측정 장치의 회로도이다.

먼저, 도 1의 점선 안은 일반적인 자속 고정 루프(9)의 회로도이다.

자속 고정 루프(9)는 외부 자속이 통과하면 초전도 양자 간섭 소자(3) 양단의 전압으로 변화시켜 출력하는 초전도 양자 간섭 소자(3)와 초전도 양자 간섭 소자(3) 양단에서 출력된 전압 차를 충분히 증폭하여 출력하는 증폭기(4), 증폭기(4) 출력단과 초전도 양자 간섭 소자(3)의 타단에 연결되어 초전도 양자 간섭 소자 루프를 통과하는 자속량을 항상 일정하게 유지해주기 위해서 감지한 신호를 되먹임해주는 되먹임부로 구성되어 연속적으로 구동된다.

여기서, 초전도 양자 간섭 소자(3)를 사용하는 대신 피드백에 의해 널링(nulling) 방식으로 구동하는 여타 센서의 사용이 가능하다.

점선 안의 자속 고정 루프(9) 외의 부분이 본 발명의 내용이다.

자속 고정 루프(9)의 증폭기(4)에 연결된 슬루 검출기(slew detector)(7)는 미분기와 비교기(comparator)로 이루어져 증폭기(4)로부터의 출력이 일정 속도 이상으로 급격히 변하게 되면, 논리 신호를 발생시킨다.

그러면, 자속 고정 루프(9)의 출력이 급격히 변하기 전의 시간 t0일 때의 자속 고정 루프(9)의 출력 값을 일정 시간 t1 안에 자속 고정 루프 샘플 앤드 홀드(FLL S/H)(8)에서 샘플링하고, 그 값을 가지고 있는다. 여기서, t1은 t0의 시간에 딜레이1(delay1)(10)의 시간을 더한 시간이다.

다시, 일정 시간 딜레이2(delay2)(11) 후에 증폭기(4)의 출력 즉, 적분기(integrator)(6)의 입력이 급격한 변화 후 일정한 상태가 될 때(t2)의 자속 고정 루프(10)의 출력을 차동기1(DIFF1)(12)의 (+)단자에 입력하고, 자속 고정 루프 샘플 앤드 홀드(8)가 가지고 있는 t0에서의 자속 고정 루프(9)의 출력 값을 차동기1(12)의 오프셋(offset)에 입력하여, 두 출력 값의 차이를 계산하고, 차동기1(12)의 출력을 다시 차동기2(DIFF2)(13)의 오프셋에 가해준다. 즉, t2와 t0에서의 자속 고정 루프(9)의 출력 값의 차이를 차동기2(13)의 오프셋에 가해주게 된다. 동시에 차동기2(13)의 (+)입력을 다시 자속 고정 루프(9)의 출력으로 돌려놓는다.

이 때, 차동기의 오프셋은 누적 기능을 가지도록 하여야 자속 고정 루프의 연속된 계단식 잡음(step noise) 입력에 대해서 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예를 도 2를 참조하여 설명하면, 도 2는 시간에 따라 초전도 양자 간섭 소자(3)가 검출한 외부 자속에 계단식 로렌지안 잡음이 포함된 신호와 자속 고정 루프(9)의 출력 신호와 로렌지안 잡음이 여과된 신호를 나타내는 그래프와 도 1에서의 논리 신호 1, 2, 3에 해당하는 신호들을 나타내는 그래프를 도시하고 있다.

자속 고정 루프(9)의 출력 신호의 스텝(step) 변화에 대한 단위 시간당의 상승 변화량인 슬루 비율(slew rate)에 따라 1, 2, 3 신호 사이의 시간을 정하여 최종 출력이 부드럽게 되도록 조정할 수 있다.

한편, 2와 3 신호 사이의 최종 출력은 자속 고정 루프(9)의 슬루 비율이 낮으면 오랜 시간 동안 일정치를 갖게 되어 잡음이 아닌 연속적인 실제 신호를 따라가지 못하게 된다. 그러므로, 자속 고정 루프(9)의 슬루 비율이 높을수록 발명의 효과가 크게 된다.

2와 3 신호 사이에 이전 신호의 변화율을 통해 평균 변화를 유지하도록 회로를 구성하면, 자기장의 변화가 실제로 주어지는 상황에서 좀 더 깨끗한 출력을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 자장 측정 장치는 자속 고정 루프 내에 직접적인 영향을 미치는 회로를 삽입하는 것이 아니라 자속 고정 루프의 출력을 처리하는데 있어 외부 자기장 신호를 증폭하는 증폭기의 신호를 미리 예견(monitor)하여 자속 고정 루프에서 생기는 이상 현상을 예측하고 그 이상 현상을 처리하는 논리 회로부를 첨가함으로서 이상 현상을 없애고, 비차폐 환경에서의 자속 고정 루프의 주된 잡음 요인인 로렌지안 잡음을 줄여 계단파 적인 출력이 없는 결과를 얻을 수 있다.

그리하여, 매우 작은 수준의 자기 신호를 정확하게 검출할 수 있는 자장 측정 장치를 제작 할 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 외부 자속을 검출하여 전압 형태로 변화시켜 출력하는 자장센서와, 상기 자장센서에서 출력된 전압을 증폭시키는 증폭기와, 상기 자장센서를 통과하는 자속량을 항상 일정하게 유지해주는 되먹임부로 이루어진 자속 고정 루프를 이용한 자장 측정 장치에 있어서,

   상기 증폭기에 연결되어 상기 증폭기의 출력이 일정 속도 이상으로 급격히 변하는 것을 검출하는 슬루 검출기와,

   상기 슬루 검출기에 연결되어 상기 자속 고정 루프의 출력이 급격히 변하기 전의 값을 샘플링하여 가지고 있는 자속 고정 루프 샘플 앤드 홀드와,

   상기 자속 고정 루프의 출력이 급격히 변한 후 일정해 질 때의 상기 자속 고정 루프의 출력 값과 상기 자속 고정 루프 샘플 앤드 홀드의 값의 차이를 샘플링하고, 동시에 자속 고정 루프의 출력으로 대체하는 차동기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자장 측정 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 차동기는 누적기능을 가지는 오프셋으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자장 측정 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 자장센서는 되먹임에 의해 널링 방식으로 구동하는 센서가 사용되는 것을 특징으로 하는 자장 측정 장치.