KR100637520B1

KR100637520B1 - 엠아이센서의 신호를 처리하기 위한 회로 및 그에 따른신호 처리방법

Info

Publication number: KR100637520B1
Application number: KR1020050055747A
Authority: KR
Inventors: 김청월
Original assignee: 주식회사 포디컬쳐; 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2006-11-02
Also published as: KR20050074418A

Abstract

본 발명은 MI센서의 신호를 처리하기 위한 회로 및 그에 따른 신호 처리방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 MI센서 신호처리 회로는, 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응되어 센싱되는 임피던스 값의 변화를 전압값의 변화로 변환시켜 MI신호를 출력하는 MI센싱부와; 상기 MI센싱부의 MI신호를 증폭하는 증폭부와; 상기 증폭부의 출력신호를 동기검파하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 검파부를 구비한다. 본 발명에 따르면, MI 센서의 신호를 처리함에 의하여 자기장의 세기나 진동의 크기를 검출할 수 있는 효과가 있다.

MI 센서, 자기장, 진동,

Description

엠아이센서의 신호를 처리하기 위한 회로 및 그에 따른 신호 처리방법{Circuits for processing MI sensor signal and method for signal processing therefore}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI 센서 신호 처리 회로도

도 2는 도 1의 구체 구현회로의 일 예시도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 발진회로 20 : 전압-전류 변환회로

30 : MI 센서 40 : 차동증폭기

50 : 증폭부 60 : 믹서회로

70 : 필터링 회로 80 : MI 센싱부

90 : 검파부

본 발명은 MI센서의 신호를 처리하기 위한 회로 및 그에 따른 신호 처리방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 자기장의 세기나 진동신호의 크기를 검출하기 위한 MI센서 신호처리 회로 및 그에 따른 신호처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 MI(Magnetic Impedance)센서(sensor)(또는 자기센서)는 센서를 구성하는 물질이 나타내는 일정 주파수 영역(예를들면, 100KHz 내지 10MHz)에서의 자기 임피던스 효과를 이용하여 자기측정이나 역학적인 힘의 측정에 이용된다.

여기서 자기 임피던스효과는 외부자기장의 변화에 의해 물질의 교류저항 즉, 임피던스가 변화하는 현상으로서, 고주파에서 나타나는 현상으로 주로 비결정질 리본, 와이어 및 박막 등과 같은 고투자율의 연자성 물질에서 주로 나타나는 현상이다. 따라서, 이러한 임피던스를 이용하여 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 알 수 있는 장점이 있다.

이와 관련된 현상을 이용한 MI센서에 관한 종래기술이 한국 공개특허공보 제2001-0086630호, 제2002-0035395호 및 제2001-0096553호에 개시되어 있다.

상기 한국 공개특허공보 제2001-0086630호에는 연자성체로 이루어진 자성물질을 일정세기의 외부자기장을 자성체에 축방향 또는 축에 수직 방향으로 인가하면서 약 380℃에서 1~8시간 열처리하여, 자성체 표면에 결정화 또는 결정결합에 의해 외부자기장 방향으로 영구자성층을 형성함에 의해 내부의 자성물질층과 외부의 가자성층간의 결합력에 의해 임피던스 밸브형 거대자기 임피던스(GMI : Giant Magneto Impedance) 효과 특성을 나타내는 물질을 제조하는 방법을 개시하고 있다.

상기 임피던스 밸브형 GMI 효과 물질은 주지된 스핀 밸브형 GMR(Giant Magneto Resistance) 물질에 비하여 동작자장에서 약 1000배의 자기 감응도를 나타내는 것을 이용하여 정보기록매체의 자기헤드 및 자기센서에의 응용 가능성을 제안하고 있다.

또한, 한국 공개특허공보 제2002-0035395호에는 상기 한국 공개특허공보 제2001-0086630호에서 제안된 GMI 효과 물질을 이용한 자기센서를 인체의 맥박 측정에 응용한 기술을 개시하고 있다.

한편, 한국 공개특허공보 제2001-0096553호에는 직경 50㎛의 비결정질 와이어에 고주파 전류를 흐르게 할 때 와이어와 평행한 외부자장 성분에 따라 와이어의 임피던스가 크게 변화하는 현상을 이용하여 자기센서를 구현하고 있다.

상술한 바와 같이, 종래의 MI센서 관련 종래 기술들은 MI센서 자체를 구현하거나 MI 센서를 이용하여 맥박 측정에 응용한 기술을 제시하고 있다. 그러나 이러한 종래기술들은 MI센서의 신호를 추출하는 회로나 MI 센서의 신호를 추출하는 방법을 제시하고 있지는 않다. 즉 MI 센서를 통하여 자기장의 세기나 역학적인 힘(예를 들면, 진동이나 맥박)을 측정할 수 있지만 측정된 신호를 가지고 이용가능한 형태로 추출하는 회로나 추출방법을 제시하고 있지는 못하다. 따라서, 이러한 MI센서에서 출력되는 신호를 추출하는 회로나 추출하는 방법이 요구되는 실정에 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 MI센서의 신호 처리 회로 및 그에 따른 신호 처리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 MI 센서의 출력신호를 이용가능한 형태로 추출할 수 있는 MI센서의 신호 처리 회로 및 그에 따른 신호 처리방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 양상(aspect)에 따라, 본 발명에 따른 MI센서 신호처리 회로는, 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응되어 센싱되는 임피던스 값의 변화를 전압값의 변화로 변환시켜 MI신호를 출력하는 MI센싱부와; 상기 MI센싱부의 MI신호를 증폭하는 증폭부와; 상기 증폭부의 출력신호를 동기검파하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 검파부를 구비함을 특징으로 한다.

상기 MI 센싱부는, 일정주파수를 가지는 정현파를 발진하는 발진회로와, 상기 발진회로에서 발생되는 전압파형의 정현파를 전류파형으로 변환시켜주는 전압-전류 변환회로와, 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응하여 센싱을 행하고 이에 대응되는 임피던스 값을 출력하는 MI 센서와, 상기 MI 센서의 접점 저항을 최소화하며 상기 임피던스 값의 노이즈를 제거하기 위한 차동증폭기를 구비할 수 있다. 또한, 상기 검파부는, 상기 증폭부의 출력신호와 상기 발진회로의 정현파를 믹서하는 믹서회로와, 상기 믹서회로의 출력신호를 저역으로 필터링하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 필터링회로를 구비함을 특징으로 한다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상에 따라, 본 발명에 따른 MI센서 신호처리 방법은, 외부에서 자기장이나 역학적인 힘이 인가되면, 이에 대응되는 임피던스 값의 변화를 전압값의 변화로 변환시켜 MI신호를 출 력하는 단계와; 상기 MI 신호를 증폭하는 단계와; 상기 증폭부의 출력신호를 동기검파하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 검파 단계를 구비함을 특징으로 한다.

상기 MI신호를 출력하는 단계는, 일정주파수를 가지는 정현파를 발생시키는 단계와, 상기 정현파를 전류파형으로 변환시켜주는 단계와, 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응하여 센싱을 행하고 이에 대응되는 임피던스 값을 출력하는 단계와, 상기 MI 센서의 접점 저항을 최소화하며 상기 임피던스 값의 노이즈를 제거하도록 차동증폭을 행하는 단계를 구비할 수 있다. 또한, 상기 검파단계는, 상기 증폭된 MI 신호를 상기 정현파와 믹서하여 출력하는 단계와, 상기 믹서된 신호를 저역으로 필터링하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다.

본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MI센서의 신호를 처리하기 위한 회로의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MI 센서의 신호 처리 회로는, MI 센싱부(80), 증폭부(50), 및 검파부(90)를 구비한다.

상기 MI 센싱부(80)는 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응되어 센싱되는 임피던스 값의 변화를 전압값의 변화로 변환시켜 MI신호를 출력한다.

상기 MI 센싱부(80)는, 발진회로(10), 전압-전류 변환회로(20), MI 센서(30), 및 차동증폭기(40)를 구비한다.

상기 발진회로(10)는 일정주파수를 가지는 일정파형의 발진파를 발진하는데, 전압파형의 정현파 또는 구형파를 발생시킨다. 상기 발진회로(10)에서 발생되는 발진파의 주파수는 상기 MI 센서(30)가 동작하기에 가장 적합한 주파수로 설정된다. 상기 발진회로(10)는 예제(도 2)로써 윈브리지 발진회로(Wine-bridge oscillator )를 사용하였으나, 하틀리(Hartley)발진회로기 또는 콜피츠(Colpitts) 발진회로가 사용될 수 있으며, 최근에서는 수정발진회로가 많이 사용되고 있다.

상기 전압-전류 변환회로(20)는 상기 발진회로(10)에서 발생되는 발진파를 전류파형으로 변환시켜주는 역할을 수행한다.

상기 MI 센서(30)는 상기 전압-전류 변환회로(20)에서 출력되는 전류파형의 발진파에 응답하여 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응하여 센싱을 행하고 이에 대응되는 임피던스 값을 출력한다. 여기서 상기 MI센서(30)의 출력인 임피던스 값의 변화는 전류 파형의 발진파가 상기 MI 센서(30)에 입력되므로 전압 형태로 출력되게 된다.

상기 MI 센서(30)는 보통 자기장이나 진동에 따라 변화하는 저항값이 1Ω 부 근이므로 이 경우에 전극을 연결하면 접점저항의 영향이 커지게 된다. 이를 극복하기 위하여 4 포인트 프로브(4-point probe)방식으로 임피던스 값의 변화를 측정하게 된다.

상기 차동증폭기(40)는 상기 MI 센서(30)의 접점 저항을 최소화하며 상기 임피던스 값의 노이즈를 제거하기 위해 구비된다.

상기 증폭부(50)는 상기 MI센싱부(80)의 출력신호인 MI신호를 증폭하는 역할을 수행한다. 증폭의 효율성을 위하여 4단 증폭기가 사용될 수 있다.

상기 검파부(90)는 상기 증폭부(50)의 출력신호를 동기검파하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력한다. 상기 검파부(90)는 믹서(mixer)회로(60)와 필터링 회로(70)를 구비한다.

상기 믹서회로(60)는 상기 증폭부(50)의 출력신호와 상기 발진회로(10)의 발진파를 믹서하여 출력한다.

상기 필터링회로(70)는 로우패스 필터(low pass filter)를 구비하여 상기 믹서회로(60)의 출력신호를 저역으로 필터링하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하게 된다.

도 2는 도 1의 구체 구현회로도의 일 예를 나타낸 것으로써, 이를 토대로 하여 MI센서 신호처리 동작을 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 발진회로(10)는 윈브리지 발진회로로 구성된다. 전원으로는 ±15V의 전압이 이용되며 OP 앰프(OP1), 다이오드(D1,D2), 저항(R1,R2,R3,R4,R8,R12,R13,R14,R18), 및 커패시터(C7,C10)등을 구비하여 도 2에 도 시된 바와 같은 결선구조를 가진다. 여기서 OP 앰프(OP1)로는 TL082가 이용되고, 저항은 R1=3kΩ, R2=20kΩ, R3=300Ω, R4=1kΩ, R8=10kΩ, R12=1kΩ, R13=1kΩ, R14=1kΩ, R18=3kΩ등의 값을 가질 수 있다. 상기와 같은 발진회로에서는 MI 센서의 동작에 가장 적합한 주파수를 가지는 발진파(예를들어, Vosc=sin(2πft))가 발생하게 된다.

그리고, 전압-전류 변환회로(20)는 전원으로는 ±15V의 전압이 이용되며, OP 앰프(OP2), 저항(R9,R15), 및 커패시터(C1,C6)을 구비하여 도 2에 도시된 바와 같은 결선 구조를 가진다. 여기서 OP 앰프(OP2)로는 TL082가 이용되고, 저항은 R9= 510Ω, R15=510Ω의 값을 가질 수 있다. 상기 전압- 전류 변환회로(20)에서 전압 형태의 발진파를 전류형태의 발진파로 변환해준다. 여기서 상기 전류-전압 변환회로(20)에서 출력되는 전류 형태의 발진파는 예를 들어 Vosc/R9가 된다.

상기 MI 센서(30)는 4포인트 프로브 방식을 사용하여 센싱이 행해지고 이에 따라 MI 센서(30)의 출력신호인 MI 신호는 Asin(2πft) 형태가 된다. 여기서 A는 임의의 상수이다.

상기 차동증폭기(40)는 전원으로는 ±15V의 전압이 이용되며 OP앰프(OP3), 저항(R19, R20, R21) 및 커패시터(C12, C13, C14)를 구비하여 도 2에 도시된 바와 같은 결선 구조를 가진다. 여기서 OP앰프(OP3)로는 TL082가 이용되고, 저항은 R19=R20=1kΩ, R21=15kΩ의 값을 가질 수 있다. 상기 차동증폭기(40)는 입력저항이 크기 때문에 상기 MI 센서의 접점 저항을 최소화하고 노이즈를 제거하기 위한 목적으로 사용된다.

상기 증폭부(50)는 OP앰프를 이용한 4단 증폭기를 구비한다. 상기 증폭부(50)는 전원으로는±15V의 전압이 이용되며 OP앰프(OP4, OP5, OP6, OP7), 저항(R22, R23, R24, R25, R26, R27, R28, R29)및 커패시터(C15, C16, C19, C20, C21, C22, C25, C26) 등을 구비하여 도 2에 도시된 바와 같은 결선 구조를 가진다. 여기서, OP 앰프(OP4, OP5, OP6, OP7)로는 TL082가 이용되고, 저항은 R22=R23=R24 =R25=1kΩ, R26=R27=R28=R29=15kΩ의 값을 가질 수 있다

상기 믹서회로(60)는 믹서기(62), 저항(R6,R7,R16,R17), 커패시터(C2, C4, C8, C11) 등을 구비하고 전원으로는 ±15V의 전압이 이용되며 도 2에 도시된 바와 같은 결선구조를 가진다. 여기서 상기 믹서기(62)는 AD633 칩이 이용되며, 저항은 R6=R7=R16=R17=10kΩ의 값을 가진다.

상기 믹서회로(60)에서는 상기 증폭부(50)에서 증폭된 MI 신호인 Asin(2πft)를 발진회로(10)의 발진파와 믹서하여 Asin(2πft)*sin(2πft)=Acos(0)/2-cos(4πft)의 신호를 출력하게 된다. 상기 믹서회로(60)의 입력중 발진파는 상기 전압-전류 변환회로(20)에서 출력된 발진파 신호를 이용하고 있으나, 상기 전압-전류 변환회로(20)에서 저항(R15)를 제거하고 상기 발진회로(10)에서 출력되는 발진파를 직접 입력하여도 같은 결과를 얻을 수 있다.

상기 필터링회로(70)는 저역통과 필터 기능과 증폭기능을 동시에 가진 증폭기가 이용된다. 즉, OP 앰프(OP8), 저항(R5, R10, R11) 및 커패시터(C3, C9)를 구비하여 도 2에 도시된 바와 같은 결선 구조를 가진다. 여기서 OP 앰프(OP8)로는 TL082가 이용되고, 저항은 R10=R11=1kΩ,가변저항으로서의 R5의 최대값은 500kΩ의 값을 가질 수 있다. 여기서 가변저항(R5)은 출력신호의 크기를 결정하는 역할을 수행한다.

상기 필터링회로(70)에서는 상기 믹서회로(60)에서 입력되는 신호인 Asin(2πft)*sin(2πft)=Acos(0)/2-cos(4πft)를 저역으로 필터링하여 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기인 Acos(0)/2=A/2값을 출력하게 된다.

상술한 바와 같은 신호 처리 회로 및 신호 처리 방법에 의하여 MI 센서에서 센싱되는 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 구할 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 신호 처리 회로는 맥박 측정기나 전자나침판 등의 여러 가지로 응용될 수 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다. 예컨대, 사안이 다른 경우에 회로의 내부 구성을 변경하거나, 회로의 내부 구성 소자들을 다른 등가적 소자들로 대치할 수 있음은 명백하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 MI센서의 신호를 처리하기 위한 회로 및 신호처리 방법을 통하여, MI 센서의 신호를 이용가능한 형태 즉 자기장의 크기나 진동의 크기 등으로 추출할 수 있어, MI 센서를 이용한 맥박 측정기나 전자 나침판 등 다양한 형태의 회로 구현이 가능해지게 된다.

Claims

MI센서 신호처리 회로에 있어서;

외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응되어 센싱되는 임피던스 값의 변화를 전압값의 변화로 변환시켜 MI신호를 출력하는 MI센싱부와;

상기 MI센싱부의 MI신호를 증폭하는 증폭부와;

상기 증폭부의 출력신호를 동기검파하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 검파부를 구비함을 특징으로 하는 신호처리 회로.
제 1항에 있어서,

상기 MI 센싱부는,

일정주파수를 가지는 발진파를 발진하는 발진회로와,

상기 발진회로에서 발생되는 전압파형의 발진파를 전류파형으로 변환시켜주는 전압-전류 변환회로와,

외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응하여 센싱을 행하고 이에 대응되는 임피던스 값을 출력하는 MI 센서와,

상기 MI 센서의 접점 저항을 최소화하며 상기 임피던스 값의 노이즈를 제거하기 위한 차동증폭기를 구비함을 특징으로 하는 신호처리회로.
제 2항에 있어서,

상기 검파부는,

상기 증폭부의 출력신호와 상기 발진회로의 발진파를 믹서하는 믹서회로와,

상기 믹서회로의 출력신호를 저역으로 필터링하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 필터링회로를 구비함을 특징으로 하는 신호처리 회로.
MI센서 신호처리 방법에 있어서:

외부에서 자기장이나 역학적인 힘이 인가되면, 이에 대응되는 임피던스 값의 변화를 전압값의 변화로 변환시켜 MI신호를 출력하는 단계와;

상기 MI 신호를 증폭하는 단계와;

상기 증폭부의 출력신호를 동기검파하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 검파 단계를 구비함을 특징으로 하는 신호처리 회로.
제 4항에 있어서,

상기 MI신호를 출력하는 단계는,

일정주파수를 가지는 발진파를 발생시키는 단계와,

상기 발진파를 전류파형으로 변환시켜주는 단계와,

외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘에 대응하여 센싱을 행하고 이에 대응되는 임피던스 값을 출력하는 단계와,

상기 MI 센서의 접점 저항을 최소화하며 상기 임피던스 값의 노이즈를 제거하도록 차동증폭을 행하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 신호처리방법.
제 5항에 있어서,

상기 검파단계는,

상기 증폭된 MI 신호를 상기 발진파와 믹서하여 출력하는 단계와,

상기 믹서된 신호를 저역으로 필터링하여 상기 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 신호처리 방법.