KR100533630B1 - 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플럭스게이트를 이용하여 자기를 검출하는데 있어서 보다 간단한 구성으로 자기 검출 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 플럭스게이트를 이용한 자기검출장치는 마그네틱코어를 개재하여 서로 마주보는 1차코일과 2차코일로 이루어지는 플럭스게이트; 상기 플럭스게이트의 1차코일로 fc/2 주파수의 순방향과 역방향의 정전류를 인가하는 센서구동부; 상기 플럭스게이트의 2차코일측에 연결된 크로스형태로 연결되며 fc의 샘플링주파수에 따라 스위칭동작하는 4개의 스위치로 이루어져 2차코일로부터 출력된 신호중 fc 주파수 신호를 DC 레벨로 변환시키는 변조부; 상기 변조부로부터 출력된 DC레벨를 기준전압과 비교하여 증폭하는 차동증폭부; 및, 상기 차동증폭부로부터 출력된 DC레벨의 센싱신호를 소정 이득만큼 증폭 출력시키는 가변증폭부로 이루어진다.

Description

플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치{Fluxgate magnetometer}

본 발명은 플럭스게이트(fluxgate)를 이용한 자기 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 간단하게 구성되면서 자기 검출 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치에 관한 것이다.

플럭스게이트 자기검출기(fluxgate magnetometer)는 플럭스게이트 센서를 이용하여 자기를 검출하는 것으로서, 지자기를 검출하여 방위각을 계산하는 전자콤파스(electronic compass), LBS 또는 GPS 시스템 및 차량이나 선박등의 금속물체를 감지하는 분야 등의 다양한 분야에 이용된다.

플럭스게이트(fluxgate)는 도 1a에 도시된 바와 같이, 마그네틱 코어(2)를 사이에 두고 서로 마주보는 1차코일(1)과 2차코일(3)로 이루어진 트랜스포머 형태의 자기센서이다. 여기서, 1차코일(1)은 일정 주파수의 전류가 인가되는 것으로 드라이브 코일(drive coil)이라고도 하며, 2차코일(3)은 주변의 자기와 반응하여 크기가 가변되는 소정 주파수의 전류신호가 출력되는 것으로서 센싱 코일(sensing coil)이라고도 한다.

도 1b는 상기 플럭스게이트에서의 자기강도(H)와 자속밀도(B)와의 관계를 나타낸 그래프로서, 자기강도(H)와 자속밀도(B)는 소정의 범위, 즉 -Hs ~ Hs에서 선형적으로 비례하여 변화되며, 상기 범위를 벗어날 경우 포화상태가 되는 것으로, 상기 포화되지 않은 영역(-Hs~-Hs)이 외부의 자기장의 영향에 따라서 -Hm~Hm으로 변화되게 된다. 플럭스게이트를 이용한 자기검출회로는 외부 자기장에 대응하는 상기 포화되지 않은 영역의 변위를 검출하는 것으로서, 그 검출원리를 살펴보면, 1차코일(1)로 입력되는 신호가 도 1c의 상부 그래프와 같다고 할 때, 도시된 바와 같이 2차코일(2)의 출력(실선)은 입력의 미분값에 비례한다. 이때, 외부 자기장이 변화되며, 포화영역이 가변되기 때문에, 2차코일(2)의 출력이 점선과 같이 이동된다.

상기와 같은 2차코일(2)의 신호를 스펙트럼 분석하여 보면, 도 1d에 도시된 바와 같이, 1차코일(1)로 인가되는 주파수(fc)의 2배 주파수(2fc)신호가 자기의 세기에 비례하여 변화됨을 알 수 있다.

따라서, 자기검출회로는 플럭스게이트의 1차코일(1)로 소정 주파수(fc)의 신호를 인가하고, 그에 대응하는 2차코일(2)에서 입력주파수의 2배주파수신호(2fc)의 크기를 검출하여 이를 자기검출신호로 출력하도록 구성된다.

도 2는 상기와 같은 동작을 수행하도록 구성된 종래의 플럭스게이트를 이용한 자기검출장치의 일예를 보인 것으로서, 상기 자기검출장치는 플럭스게이트(13)에 1차코일(13a)와 2차코일(13c) 이외에 3차코일(13b)를 더 구비하여, 발진기(11)로부터 일정 주파수의 전류신호를 1차코일(13a)로 인가하고, 상기 2차코일(13c)의 출력신호와 상기 발진기(11)의 주파수를 믹서(14)로 혼합하고, 로우패스필터(15), 비교기(22), D플립플롭(23)등을 통해 로우/하이의 디지털신호로 변환시킨 후, 디지털필터(27)를 통하여 디지털 센서신호로 출력시킨다. 이때, 상기 D플립플롭(23)로부터 출력된 로우 하이의 디지털신호에 따라 +/-레퍼런스전압(+Vref, -Vref)사이에 직렬로 연결된 스위칭회로(25)를 온/오프시킴으로서, 상기 +/-레퍼런스전압을 교대로 증폭기(33)를 통해 3차코일(13b)로 인가하고 있다.

상기와 같은 종래의 자기검출장치는 피드백방식에 의하여 플럭스게이트(13)의 DC 레퍼런스전압을 변화시키고 있기 때문에, 잡음에 약하고, 안정성(stability)이 나빠질 수 있으며, 센서의 구조가 복잡한데 반하여, 플럭스게이트의 출력을 로우 또는 하이의 디지털신호로 변환하여 출력시키기 때문에, 외부 자기장의 세기가 작아 센서신호의 출력이 작아질 경우, 검출이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 플럭스게이트를 이용하여 자기를 검출하는데 있어서 피드백회로를 없이 안정적으로 동작하면서 검출된 자기의 세기를 DC 레벨로 제공할 수 있으며, 보다 간단한 구성으로 자기 검출 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명의 플럭스게이트를 이용한 자기검출장치는

마그네틱코어를 개재하여 서로 마주보는 1차코일과 2차코일로 이루어지는 플럭스게이트;

상기 플럭스게이트의 1차코일로 fc/2 주파수로 순방향과 역방향의 정전류를 인가하는 센서구동부;

상기 플럭스게이트의 2차코일측에 연결된 크로스형태로 연결되며 fc의 샘플링주파수에 따라 스위칭동작하는 4개의 스위치로 이루어져 2차코일로부터 출력된 신호중 fc 주파수 신호를 DC 레벨로 변환시키는 변조부;

상기 변조부로부터 출력된 DC레벨를 기준전압과 비교하여 증폭하는 차동증폭부; 및

상기 차동증폭부로부터 출력된 DC레벨의 센싱신호를 소정 이득만큼 증폭 출력시키는 가변증폭부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 자기 검출 장치에 있어서, 상기 센서구동부는 일정 레벨의 정전류를 발생시키는 정전류원과, 상기 정전류원의 출력에 공통으로 연결된 제1,2스위칭소자와, 상기 제1,2스위칭소자를 각각 접지에 연결하는 제3,4스위칭소자로 이루어지며, 상기 제1,3스위칭소자의 접점을 플럭스게이트 1차코일의 일단에 연결시키고 상기 제2,4스위칭소자의 접점을 플럭스게이트 1차코일의 타단에 연결시켜, 상기 제2,3스위칭소자와 제1,4스위칭소자를 fc/2 주기로 교대로 온/오프시키는 스위칭회로부와, 상기 스위칭회로부의 제1,3스위칭소자의 접점과 제2,4스위칭소자의 접점사이에 순방향 및 역방향으로 병렬 연결되는 제1,2다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 자기 검출 장치에 있어서, 상기 변조부는 플럭스게이트의 2차코일의 일단에 제5,6스위칭소자의 일단을 동시에 연결하고, 플럭스게이트의 2차코일의 타단에 제7,8스위칭소자의 일단을 동시에 연결하고, 상기 제5,7스위칭소자의 타단을 공통으로 연결하고, 상기 제6,8스위칭소자의 타단을 공통으로 연결하여 구성하고, 상기 제6,8스위칭소자와 제5,7스위칭소자를 주파수 fc의 주기로 교대로 온/오프시킴으로서, 상기 제5,7스위칭소자의 공통단자와, 상기 제6,8스위칭소자의 공통단자를 통해 DC 레벨의 센싱신호를 출력시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치의 일 실시예를 보인 회로도로이다.

상기 도 3에 있어서, 본 발명의 자기 검출 장치는 크게 마그네틱코어를 개재하여 서로 마주보는 1차코일(101)과 2차코일(102)로 이루어지는 플럭스게이트(100)와, 상기 플럭스게이트(100)의 1차코일(101)로 fc/2 주파수로 순방향과 역방향의 정전류를 인가하는 센서구동부(110)와, 상기 플럭스게이트(100)의 2차코일(102) 측에 연결된 크로스형태로 연결되며 fc의 샘플링주파수에 따라 스위칭동작하는 4개의 스위치로 이루어져 2차코일(102)로부터 출력된 신호중 fc 주파수 신호를 DC 레벨로 변환시키는 변조부(120)와, 상기 변조부(120)로부터 출력된 DC레벨를 기준전압(Vref)과 비교하여 증폭하는 차동증폭부(130)와, 상기 차동증폭부(130)로부터 출력된 DC레벨의 센싱신호를 소정 이득만큼 증폭 출력시키는 가변증폭부(140)로 이루어진다.

더 구체적으로, 상기 센서구동부(110)는 일정 레벨의 정전류를 발생시키는 정전류원(111)과, 상기 정전류원(111)의 출력에 공통으로 연결된 제1,2스위칭소자(sw11,sw12)와, 상기 제1,2스위칭소자(sw11,sw12)를 각각 접지에 연결하는 제3,4스위칭소자(sw13,sw14)로 이루어지며, 상기 제1,3스위칭소자(sw11,sw13)의 접점을 플럭스게이트 1차코일(101)의 일단에 연결시키고 상기 제2,4스위칭소자(sw12,sw14)의 접점을 플럭스게이트 1차코일(101)의 타단에 연결시켜, 상기 제2,3스위칭소자(sw12,sw13)는 온상태를 유지하고 제1,4스위칭소자(sw11,sw14)를 fc/2 주기로 동시에 온/오프시키는 스위칭회로부(112)와, 상기 스위칭회로부(112)의 제1,3스위칭소자(sw11,sw13)의 접점과 제2,4스위칭소자(sw12,sw14)의 접점사이에 순방향 및 역방향으로 병렬 연결되는 제1,2다이오드(D1,D2)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 변조부(120)는 플럭스게이트(100)의 2차코일(102)의 일단에 제5,6스위칭소자(sw21,sw22)의 일단을 동시에 연결하고, 플럭스게이트(100)의 2차코일(102)의 타단에 제7,8스위칭소자(sw23,sw24)의 일단을 동시에 연결하고, 상기 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)의 타단을 공통으로 연결하고, 상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)의 타단을 공통으로 연결하여 구성하고, 상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)를 온으로 한 상태에서, 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)를 주파수 fc의 주기로 온/오프시킴으로서, 상기 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)의 공통단자와, 상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)의 공통단자를 통해 DC 레벨의 fc 주파수대의 센싱신호를 출력하도록 구성된다.

더하여, 상기 차동증폭부(130)는 상기 변조부(120)의 상기 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)의 공통단자와 상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)의 공통단자에 각각 저항(R1,R2)를 통해 제1연산증폭기(op1)의 반전입력단(-)과 비반전입력단을 연결하고, 상기 제1연산증폭기(op1)의 출력단을 저항(R3)를 반전입력단(-)으로 피드백시키면서, 상기 제1연산증폭기(op1)의 비반전입력단(+)으로 저항(R4)를 통해 기준전압(Vref)가 인가되도록 구성된다. 도 3에 보인 구성은 차동증폭회로의 기본 구성으로서, 본 발명의 차동 증폭부(130)는 꼭 도 3의 회로에 한정되지는 않는다.

또한, 상기 가변증폭부(140)는 상기 차동증폭부(130)로부터 출력된 DC 레벨의 센싱신호를 외부에서 인식할 수 있는 소정 레벨로 증폭하여 출력하는 증폭회로로서, 제2연산증폭기(op2)의 비반전단자(+)를 저항(R5)를 통해 상기 차동증폭부(130)의 출력에 연결함과 동시에 콘덴서(C1)을 통하여 접지시키고, 기준전압(Vref)는 저항(R6)을 통해 상기 제2연산증폭기(op2)의 반전단자(-)로 연결시킴과 동시에 가변저항(R7)을 통해 제2연산증폭기(op2)의 출력에 연결한다. 여기서, 가변저항(R7)의 임피던스를 조절함으로서, 증폭이득을 조절할 수 있다. 이상의 가변증폭회로도 잘 알려져 있는 것으로서, 상기에 도시된 구성에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 상기와 같은 플럭스게이트(100)와 센서구동부(110)와 변조부(120)와 차동증폭부(130)와 가변증폭부(140)의 결합으로 이루어진 자기 검출 장치로서, 그 작용은 도 4의 동작타이밍을 참조하여 설명한다.

먼저, 센싱구동부(110)에 구비된 스위칭회로부(112)에 있어서 제1,4스위칭소자(sw11,sw14)가 fc/2 주파수로 온/오프스위칭하고, 이와 반대로 제2,3스위칭소자(sw12,sw13)가 오프/온스위칭 한다. 여기서, 상기 제1,4스위칭소자(sw11,sw14)가 온될 경우, 상기 정전류원(111)에서 제공된 정전류는 제1스위칭소자(sw11)를 통해 플럭스게이트(100)로 전달되어 1차코일(101)을 통과한 후, 제4스위칭소자(sw14)를 통해 접지로 흐르며, 반대로, 제2,3스위칭소자(sw12,13)가 온될 경우 정전류원(111)로부터 발생된 정전류는 제2스위칭소자(sw12)를 거쳐 상기 플럭스게이트(100)의 1차코일(101)와 상기와는 반대방향으로 통과한 후, 제3스위칭소자(sw13)를 통해 접지로 흐르게 된다. 따라서, 상기 플럭스게이트(100)의 1차코일(101)에 흐르는 입력전류는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, fc/2 주기로 +/-로 교번하는 펄스신호가 된다. 이때, 상기 플럭스게이트(100)의 1차코일(101) 양단에 병렬로 서로 반대방향으로 연결된 제1,2다이오드(D1,D2)는 상기 1차코일(101)로 인가되는 입력전압의 상하한 레벨을 제한하여, 구동신호의 변동을 제한하고, 잡음을 최소화한다.

상기와 같이 1차코일(101)로 fc/2 주파수의 입력전류(Idrv)가 인가되면, 플럭스게이트(100)의 2차코일(102)에는 도 1의 (b)에 보인 자기센서에서의 자기강도와 자속밀도와의 관계에 따라서 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 전압(V1)이 출력된다. 이때, 상기 2차코일(102)의 출력전압 V1은 외부자기에 따라 변화되는 fc 주기의 신호이다.

상기 2차코일(102)의 출력전압(V1)은 변조부(120)에서 DC 레벨로 변조되는데, 이때, 상기 변조부(120)는 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)와 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)가 fc의 주기로 교대로 온/오프스위칭된다. 이때, 상기 변조부(120)의 스위칭주기 fc가 도 4의 (c)와 같다고 하면, 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)이 온될 때에는 출력전압 V1이 그대로 출력되고, 제6,8스위칭소자(sw22,sw28)가 온될 경우에는 역방향으로 연결되어, 상기 출력전압 V1이 반대로 뒤집히게 된다. 따라서, 변조부(120)로부터 출력된 출력전압 V2는 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 + DC 신호로 나타난다.

그리고, 상기의 변조부(120)의 출력신호 V2는 차동증폭부(130)의 제1연산증폭기(op1)으로 인가되어 증폭되는데, 이때, 레퍼런스전압(Vref)이 가산되며 반전증폭되므로, 상기 차동증폭부(130)의 출력신호 V3는 도 4의 (e)와 같이 외부 자기신호에 대응하는 레벨을 갖는 -DC 신호로 나타난다.

이상과 같은 차동증폭부(130)의 출력신호는 다시 가변증폭부(140)에서 다시 반전되면서, 설정된 균일한 이득만큼 증폭되어 도 4의 (f)와 같은 DC 전압 Vout이 출력된다.

상기 DC 전압 Vout의 DC 레벨은 외부 자기의 세기에 비례한다. 본 발명은 비교를 통해 자기를 검출하는 것이 아니라 자기와 비례하여 변화되는 fc 주파수의 2차코일(102)의 전압 레벨을 그대로 증폭 출력함으로서, 상기 플럭스게이트(100)에 영향을 줄 수 있는 자기장이라면 아무리 미약한 신호라도 검출할 수 있게 된다. 상기 도 3과 같은 자기 검출 회로를 구현하여 자기장의 검출범위를 실험해 본다. 약 ±100μT 이내의 자기장을 검출할 수 있었으며, 약 10mV/μT 정도의 자기장 검출능력이 있음이 검증되었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 자기 검출 장치는 플럭스게이트의 1차코일(드라이브 코일)로 일정 주파수의 구동신호를 인가하는데 있어서, 정전류원과 소정의 스위칭회로를 사용하여 fc/2 주기로 구동신호를 인가함으로서, 피드백제어가 불필요하여 잡음에 영향을 최소화할 수 있으며, 더불어 다이오드쌍을 통하여 안정된 구동신호를 인가할 수 있는 우수한 효과가 있으며, 더하여, 플럭스게이트의 2차코일로부터 외부 자기에 비례한 센싱신호를 변조부와 증폭회로를 통하여 DC 레벨의 전압신호로 간단히 인출할 수 있다는 우수한 효과가 있다.

또한, 센싱신호를 자기신호에 따라 그 레벨이 변화되는 DC 아날로그신호로 출력함으로서, 미약한 세기의 자기장을 검출할 수 있게되는 우수한 효과가 있다.

도 1a ∼ 도1d는 자기센서의 구조 및 그 동작원리를 설명하는 상태 그래프이다.

도 2는 종래의 자기 검출 장치를 도시한 블럭구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 자기 검출 장치를 도시한 블럭구성도이다.

도 4는 본 발명에 의한 자기 검출 장치의 동작 타이밍도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 플럭스게이트

110 : 센서구동부

120 : 변조부

130 : 차동 증폭부

140 : 가변증폭부

Claims (3)

1. 마그네틱코어를 개재하여 서로 마주보는 1차코일과 2차코일로 이루어지는 플럭스게이트;

   정전류원에서 생성된 순방향 및 역방향 정전류를 상기 플럭스게이트의 1차코일에 fc/2 주기로 인가하는 센서구동부;

   상기 2차코일과 +/-출력단사이에 크로스 형태로 연결되는 복수의 스위칭 소자를 통해, 상기 2차코일의 양단을 변조신호가 출력되는 +/- 출력단에 fc 주기로 교대로 연결시켜, 2차 코일에서 출력된 fc 주파수 신호의 레벨에 대응하는 DC 신호를 +/- 출력단으로 출력하는 변조부;

   상기 변조부의 DC 레벨의 출력신호와 소정의 기준전압을 입력받아 차동 증폭하는 차동증폭부; 및

   상기 차동증폭부로부터 출력된 DC레벨의 센싱신호를 설정된 이득만큼 증폭 출력시키는 가변증폭부를 포함하는 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서구동부는

   일정 레벨의 정전류를 발생시키는 정전류원(111)과,

   상기 정전류원(111)의 출력에 공통으로 연결된 제1,2스위칭소자(sw11,sw12)와, 상기 제1,2스위칭소자(sw11,sw12)를 각각 접지에 연결하는 제3,4스위칭소자(sw13,sw14)로 이루어지며, 상기 제1,3스위칭소자(sw11,sw13)의 접점을 플럭스게이트 1차코일의 일단에 연결시키고 상기 제2,4스위칭소자(sw12,sw14)의 접점을 플럭스게이트 1차코일의 타단에 연결시켜, 상기 제2,3스위칭소자(sw12,sw13)와 제1,4스위칭소자(sw11,sw14)를 fc/2 주기로 교대로 온/오프시키는 스위칭회로부(112)와,

   상기 스위칭회로부(112)의 제1,3스위칭소자(sw11,sw13)의 접점과 제2,4스위칭소자(sw12,sw14)의 접점사이에 각각 순방향 및 역방향으로 병렬 연결되는 제1,2다이오드(D1,D2)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 변조부는

   플럭스게이트의 2차코일의 일단에 제5,6스위칭소자(sw21,sw22)의 일단을 동시에 연결하고, 플럭스게이트의 2차코일의 타단에 제7,8스위칭소자(sw23,sw24)의 일단을 동시에 연결하고, 상기 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)의 타단을 공통으로 일 출력단에 연결하고, 상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)의 타단을 공통으로 타 출력단에 연결하여 구성하고,

   상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)와, 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)를 주파수 fc의 주기로 상호 반대로 온/오프시킴으로서, 상기 제5,7스위칭소자(sw21,sw23)의 공통단자와, 상기 제6,8스위칭소자(sw22,sw24)의 공통단자를 통해 fc주파수의 센싱신호의 DC 레벨을 출력하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트를 이용한 자기 검출 장치.