KR101205779B1 - 수분 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

피측정물의 수분 측정 장치를 개시한다. 본 발명은 피측정물의 수분에 흡수가 일어나는 제1 신호광을 발생시키는 제1 LED(Light Emitting Diode)와, 피측정물의 수분에 흡수가 일어나지 않는 제2 신호광을 발생시키는 제2 LED와, 제1 LED와 제2 LED의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 제1 LED와 제2 LED에 각각 제공하는 구동 회로와, 제1 LED의 제1 신호광 및 제2 LED의 제2 신호광의 광 세기 분포를 균일하게 하고 광선속이 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정하는 광 보정부와, 광 보정부에서 보정된 제1 신호광 및 제2 신호광을 피측정물에 조사하고 피측정물로부터 반사되는 반사광을 집광하는 광학부와, 광학부에서 집광된 제1 신호광의 반사광과 제2 신호광의 반사광을 수광하여 각각의 반사광 광량을 검출하는 반사광 검출부와, 반사광 검출부가 검출한 제1 신호광의 반사광 광량과 제2 신호광의 반사광 광량을 이용하여 피측정물의 수분 함량에 따른 제1 신호광의 흡광도를 판단하고 그 판단한 흡광도에 따른 피측정물의 수분 함량 값을 제공하는 마이크로프로세서로 구성된다. 본 발명에 따르면, 보다 정확한 피측정물의 수분 측정은 물론이고, 기존 수분 측정 장치에서 투광수단에 이용되는 모터가 고장나서 수분 측정 장치의 수명이 단축되는 문제점을 해결한다.

Description

수분 측정 장치 {APPARATUS FOR MEASURING MOISTURE OF OBJECT TO BE MEASURED}
본 발명은 피측정물의 수분에 흡수가 일어나는 제1 신호광과 수분에 흡수가 거의 일어나지 않는 제2 신호광을 피측정물에 조사하고 반사되는 반사 광량을 측정하여 피측정물의 수분 함량을 측정하는 수분 측정 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 기존 수분 측정 장치에서 투광수단에 이용되는 모터와 모터에 의해 회전되는 필터 휠(Wheel)을 구비하지 않고도 제1 신호광 및 제2 신호광을 이용한 수분 측정이 가능하고, 제1 신호광 및 제2 신호광의 출력 형태를 피측정물 종류에 맞추어 다르게 변화시킴으로써 다양한 피측정물에 대한 보다 더 정확한 수분 함량 측정을 가능하게 하는 수분 측정 장치에 관한 것이다.
음식, 약품, 철강원료, 등 많은 물질들은 일정량의 수분을 함유하고 있으며, 수분의 함량이 각 제품의 특성을 좌우한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 따라서, 제품의 특성을 최적화하고 품질을 관리하기 위해서는 수분 함량의 정확한 측정과 제어가 공정상의 중요한 인자로 작용하고 있다.
수분 함량을 측정하는 기술은 매우 오래전에 개발되었으며, 측정 정도를 향상시키고 온라인상에서 안정적으로 수분을 측정하기 위한 노력들이 많이 이루어지고 있다.
수분 측정에 사용되는 방법에는 직접법과 간접법이 있으나, 간접법이 주로 사용되고 있으며, 간접적인 수분 측정에는 전기적 방식, 근적외선 방식, 중성자 산란 방식, 및 마이크로파 방식 등이 있다.
근적외선 방식을 이용한 수분 측정 장치는 근적외선을 물질의 표면에 조사하여 반사되는 적외선의 영역에서 수분에 의해 흡수되는 흡수 정도, 즉 흡광도를 측정하여 이를 수분 함량 정도를 결정하는데 이용한다.
근적외선을 이용한 수분 측정 장치는 특정의 시료에 대한 수분 함량과 조사한 근적외선을 시료가 흡수한 흡광도와의 관계를 관계식으로 구해두면, 그 관계식을 이용하여 시료의 수분 함량을 구하는 것이 가능하다. 이러한 목적으로 구한 관계식을 검량선식 또는 간단히 검량선이라 지칭한다.
종래의 근적외선을 이용한 수분 측정 장치의 구성을 살펴보면, 시료에 조사할 광을 발생시키기 위해서, 모터와 모터에 의해 회전하는 간접필터가 탑재된 필터 휠(Wheel)을 구비하고 있다.
여기서, 모터와 필터 휠은 그 크기가 커서 수분 측정 장치의 크기를 크게 만들고, 특히 모터는 고장이 발생되기 쉬워서, 결과적으로 모터 고장으로 수분 측정 장치의 수명이 단축되는 문제점이 발생되고 있다.
또한, 수분 함량을 측정하려 하는 피측정물의 종류는 다양하다. 각 피측정물마다 수분 함량에 따라 측정되는 광 흡광도는, 조사되는 광의 출력 형태에 따라서 구별되어 그 차이가 크게 나타나거나 그렇지 않다. 그러므로, 피측정물 종류에 따라 그리고 동일한 피측정물에서 수분 함량 차이에 따라 민감하게 차이가 있는 광 흡광도가 측정된다면, 해당 피측정물의 수분 함량 정도를 보다 정확하게 측정할 수 있을 것이다.
그러므로, 각 피측정물마다 그 수분 함량에 민감하게 광 흡광도가 측정되도록, 각 피측정물에 따라 조사하는 광의 출력 형태를 다르게 변화시켜줄 필요가 있다.
그러나, 종래의 수분 측정 장치에서는 피측정물의 종류에 무관하게 동일한 출력 형태를 가지는 광이 조사되도록 구성되어 있어, 다양한 피측정물의 수분 함량 측정에 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
한국 특허 공개번호 10-1999-0052842 일본 특개평 7-243958호 일본 특개소 63-063948호
그러므로, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 기존 수분 측정 장치에서 투광수단에 이용되는 모터와 모터에 의해 회전되는 필터 휠(Wheel)을 구비하지 않고도, 피측정물의 수분에 흡수가 일어나는 제1 신호광 및 수분에 흡수가 거의 일어나지 않는 제2 신호광을 피측정물에 조사하여 그 흡광도를 이용한 수분 측정이 가능한 수분 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 제1 신호광 및 제2 신호광의 출력 형태를 피측정물 종류에 맞추어 다르게 변화시킴으로써 다양한 피측정물에 대한 보다 더 정확한 수분 함량 측정을 가능하게 하는 수분 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제1 신호광 및 제2 신호광 각각의 일정량을 광원으로부터 그대로 수광하여 그 수광한 광량을 기준으로 제1 신호광 및 제2 신호광의 광의 세기가 서로 차이가 발생되는 경우, 그 차이를 보정해 줌으로써 보다 더 정확한 수분 함량 측정을 가능하게 하는 수분 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 수분 측정 장치는 피측정물의 수분에 흡수가 일어나는 제1 신호광을 발생시키는 제1 LED(Light Emitting Diode); 상기 피측정물의 수분에 흡수가 일어나지 않는 제2 신호광을 발생시키는 제2 LED; 상기 제1 LED와 상기 제2 LED의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 상기 제1 LED와 상기 제2 LED에 각각 제공하는 구동 회로; 상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 광 세기 분포를 균일하게 하고 광선속이 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정하는 광 보정부; 상기 광 보정부에서 보정된 상기 제1 신호광 및 상기 제2 신호광을 상기 피측정물에 조사하고 상기 피측정물로부터 반사되는 반사광을 집광하는 광학부; 상기 광학부에서 집광된 상기 제1 신호광의 반사광과 상기 제2 신호광의 반사광을 수광하여 각각의 반사광 광량을 검출하는 반사광 검출부; 및 상기 반사광 검출부가 검출한 상기 제1 신호광의 반사광 광량과 상기 제2 신호광의 반사광 광량을 이용하여 상기 피측정물의 수분 함량에 따른 상기 제1 신호광의 흡광도를 판단하고 상기 판단한 흡광도에 따른 상기 피측정물의 수분 함량 값을 제공하는 마이크로프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 제1 LED는, 수분과 공명흡수가 일어나는 1.94㎛ 파장을 가지는 제1 신호광을 발생시키는 LED이고, 상기 제2 LED는 수분과 공명흡수가 없는 파장을 가지는 제2 신호광을 발생시키는 LED이다. 일 예로, 상기 제2 LED는 수광소자가 InGaAsSb 반도체인 경우 1.3㎛ 에서 2.3㎛ 파장 범위 중 1.94㎛ 파장을 제외하고 어느 하나의 파장을 가지는 제2 신호광을 발생시키는 LED일 수 있다.
본 발명에서 상기 마이크로프로세서는, 적어도 하나의 피측정물 종류마다 구동 신호 제어 데이터를 매칭하여 저장하고 있고, 외부로부터 입력된 피측정물 선택에 따라 해당 구동 신호 제어 데이터를 상기 구동 회로로 전송하고, 상기 구동 회로는, 상기 마이크로프로세서로부터 전송받은 구동 신호 제어 데이터에 따라 상기 제1 LED와 상기 제2 LED의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 상기 제1 LED와 상기 제2 LED에 각각 제공하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 구동 신호 제어 데이터는, 상기 구동 신호의 펄스 주기(Period), 펄스 진폭(Amplitude), 및 펄스 폭(Width) 중 적어도 하나 이상을 제어하는 데이터이다.
바람직하게, 상기 광 보정부는, 상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 불균일한 시간적 공간적인 세기의 분포를 균일하게 하고 일정하게 퍼지지 않고 진행하도록 조명설계가 가능하다. 일 예로, 불균일한 광 세기를 균일한 광 세기로 출력하는 파리 눈 렌즈; 및 상기 파리 눈 렌즈를 통해 출력된 상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 광선속이 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정하는 보정 렌즈 시스템을 구비한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 반사광 검출부는, 수광 소자로 InGaAsSb 반도체를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 수분 측정 장치에서 상기 광학부는, 상기 광 보정부에서 보정된 상기 제1 신호광과 상기 제2 신호광을 상기 피측정물에 조사하되, 그 일정량의 광을 그대로 투과시키는 반사경을 포함하고, 상기 수분 측정 장치는, 상기 반사경으로부터 투과된 상기 제1 신호광의 일정량(이하, '제1 기준광'이라 함.)과 상기 제2 신호광의 일정량(이하, '제2 기준광'이라 함.)을 수광하여 각각의 광량을 검출하는 기준광 검출부; 및 상기 반사광 검출부가 검출한 상기 제1신호광의 반사광 광량을 상기 기준광 검출부가 검출한 상기 제1 기준광의 광량으로 나눈 값인 제1 반사값과, 상기 반사광 검출부가 검출한 상기 제1신호광의 반사광 광량을 상기 기준광 검출부가 검출한 상기 제1 기준광의 광량으로 나눈 값인 제2 반사값을 출력하는 연산부;를 더 포함하며, 상기 마이크로프로세서는, 상기 연산부가 출력하는 상기 제1 반사값과 상기 제2 반사값을 이용하여 상기 피측정물의 수분 함량에 따른 상기 제1 신호광의 흡광도를 판단하고 상기 판단한 흡광도에 따른 상기 피측정물의 수분 함량 값을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 반사경은, 상기 반사경 전체 면적 대비 입사된 상기 제1 신호광과 상기 제2 신호광의 일정량을 투과시킬 수 있는 면적의 구멍이 뚫려 있는 것을 특징으로 하고, 바람직하게, 상기 반사경의 구멍은, 상기 반사경 전체의 정중앙에 위치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수분 측정 장치는 사용자에게 데이터를 표시해 주는 표시부를 더 포함하고, 상기 마이크로프로세서는, 상기 피측정물의 수분 함량 값을 상기 표시부를 통해 표시해 주도록 구성될 수 있다.
본 발명은 기존 수분 측정 장치에서 투광수단에 이용되는 모터와 모터에 의해 회전되는 필터 휠(Wheel)을 구비하지 않는 구성을 가지어, 모터와 필터 휠을 구비함으로서 발생되는 장치의 대형화와 모터 고장으로 인한 장치의 수명 단축의 문제가 발생되지 않는다.
그리고, 본 발명은 피측정물에 조사하는 광의 출력 형태를 피측정물 종류에 맞추어 다르게 변화시킴으로써 다양한 피측정물에 대한 보다 더 정확한 수분 함량 측정이 가능하다.
또한, 본 발명은 피측정물의 수분 함량 측정을 위해서 이용되는 서로 다른 파장의 제1 신호광과 제2 신호광 각각의 일정량을 광원으로부터 그대로 수광하고 그 수광한 광량을 기준으로 제1 신호광 및 제2 신호광의 광의 세기가 서로 차이가 발생되는 경우 그 차이를 보정해 주도록 구성된다. 그에 따라, 본 발명은 상기의 두 신호광 자체의 광 세기 차이로 인해서 피측정물의 수분 측정에 오차가 발생되는 것을 최소화하여 보다 정확한 수분 측정을 가능하게 한다.
본 발명에서 상기의 제1 신호광과 제2 신호광 각각의 일정량을 광원으로부터 그대로 수광하기 위해 사용되는 반사경은, 기존의 경우 코팅 작업을 통해 제조되어 반사경을 제조하는데 단가나 노력이 많이 필요하였다. 그러나 본 발명에서 사용되는 반사경은 구멍을 뚫어서 간단하고 경제적으로 제조가 가능하다.
도 1은 수분을 함유한 피측정물에 대한 스펙트럼-광 측정장치의 투과도(T) 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 물분자 내부의 수소와 산소 원자 결합을 도시한 도면이다.
도 3은 10% 수분과 35% 수분을 함유한 피측정물의 광 반사율이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수분 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 광 보정부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 사용되는 LED 구동 신호의 실시 예를 도시한 도면이다.
도 7은 피측정물이 담배잎 시료인 경우에 수분이 30% 정도 함유된 것(건조한 상태)과 70% 정도 함유된 것에 대한 구동 신호의 변화에 따른 광 반사율을 도시한 도면이다.
도 8은 피측정물이 담배잎 시료인 경우에, 수분이 30% 정도 함유된 것(건조한 상태)과 70% 정도 함유된 것에 대한 구동 신호의 변화에 따른 광 반사율 차이를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 반사경의 구성을 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일반적으로 수분을 함유한 피측정물에 대한 스펙트럼-광 측정장치의 투과도(T)를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
빛을 조사할 때 원자 흡수와 농도와의 관계를 나타내는 법칙을 Beer-Lambert 법칙이라 한다. 어떤 빛이 지나가는 통로에 시료가 있으면 시료에 의하여 빛이 흡수되면서 빛의 복사 세기는 감소한다. 빛의 복사 세기는 단위 면적당, 시간당, 에너지이다. 따라서, 빛의 복사 세기가 Ii인 파장의 빛을 길이 ℓ인 시료에 입사하여 투과한 빛의 세기를 Io라 하면 입사한 빛과 투과한 빛의 비율을 투과도(T)라 하는데 이하 [식 1]과 같다.
[식 1]
Figure 112012022346723-pat00001
여기에서 α는 흡수율을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 근적외선 파장 대역에서의 수분을 함유한 피측정물의 광 투과도를 측정한 결과, 1.94㎛ 파장에서 가장 낮은 광 투과도를 나타낸다. 이는, 수분을 함유한 피측정물이 1.94㎛ 파장의 광에 대해 최대의 흡수도를 가지고 있음을 의미한다.
도 2는 물분자 내부의 수소와 산소 원자 결합을 도시한 도면이다.
도 2는 물분자 내부의 수소와 산소 원자결합에서 진동이 발생되고 있음을 나타낸 것으로, 도 1에서 근적외선 파장 대역 중 1.94㎛ 파장에서 가장 낮은 광 투과도를 나타내는 것에 대한 이유를 상기의 진동 현상으로 판단할 수 있다.
물분자 내부의 수소와 산소 원자결합 간의 공명 주파수는 1.94㎛ 파장을 가지는 주파수로 확인이 되었다. 이에 따라, 물분자의 공명 주파수와 동일한 주파수를 가지는 1.94㎛ 파장을 가지는 광은 다른 파장의 광에 비해서 물분자에 최대의 흡수도를 가지게 됨을 알 수 있다.
도 3은 10% 수분과 35% 수분을 함유한 피측정물의 광 반사율이 도시된 도면이다. 도 3은 피측정물의 수분 함량을 측정하기 위해 실험한 결과로, 피측정물의 수분 함량이 높을수록 광 반사율이 더 낮게 측정된다. 특히나, 피측정물에 조사한 광이 1.94㎛ 파장을 가지는 광인 경우에, 수분 함량에 따른 광 반사율 차이가 현저히 크게 발생된다.
그러므로, 1.94㎛ 파장을 가지는 광원을 피측정물에 조사하여 피측정물의 광 반사율을 측정하게 되면, 그 광 반사율 변화에 대응하는 피측정물 수분 함량 정도를 더 정확하게 판단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수분 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 수분 측정 장치는, 기존 수분 측정 장치에서 투광수단에 이용되는 모터와 모터에 의해 회전되는 필터 휠(Wheel)을 구비하지 않고도, 피측정물의 수분에 흡수가 일어나는 제1 신호광 및 수분에 흡수가 거의 일어나지 않는 제2 신호광을 이용한 피측정물 수분 측정이 가능한 구성을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1 신호광 및 제 2 신호광의 광원으로 LED(100,110)를 이용하고, LED의 광 출력을 제어하는 구동 회로(120)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 구성을 살펴보면, 본 발명은 제1 LED(100)와, 제2 LED(110)와, 구동 회로(120)와, 광 보정부(130)와, 광학부(140)와, 반사광 검출부(150)와, 동기신호 발생부(160)와, 마이크로프로세서(170)와, 사용자 인터페이스(200)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 이와 더불어, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기준광 검출부(180)와, 연산부(190)와, 표시부(210)를 더 포함한 구성을 가질 수 있다.
이하, 각 구성 요소들의 동작을 상세하게 살펴보도록 한다.
제1 LED(100)는 피측정물의 수분에 최대의 흡수가 일어나는 제1 신호광을 발생시킨다.
제2 LED(110)는 피측정물의 수분에 거의 흡수가 일어나지 않는 제2 신호광을 발생시킨다.
앞서, 도 1 내지 도 3을 통해 살펴 본 바와 같이, 피측정물의 수분에 최대의 흡수가 일어나는 제1 신호광은 1.94㎛ 파장을 가지는 광이다. 그리고 피측정물의 수분에 거의 흡수가 일어나지 않는 제2 신호광은 1.94㎛ 주위의 파장을 제외한 흡수가 없는 파장을 가지는 광이다.
따라서, 본 발명에서 제1 LED(100)는 1.94㎛ 파장을 가지는 제1 신호광을 발생시키는 LED이고, 제2 LED(110)는 일 예로, 수광소자가 InGaAsSb 반도체인 경우, 1.94㎛을 제외한 1.3㎛ 에서 2.3㎛ 범위 파장 중 어느 하나의 파장을 가지는 제2 신호광을 발생시키는 LED일 수 있다.
구동 회로(120)는 제1 LED(100)와 제2 LED(110)의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 제1 LED(100)와 제2 LED(110)에 각각 제공한다.
구동 회로(120)는 마이크로프로세서(170)로부터 전송받은 구동 신호 제어 데이터에 따라 제1 LED(100)와 제2 LED(110)의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시키고 제1 LED(100)와 제2 LED(110)에 각각 제공하는 동작을 수행한다.
광 보정부(130)는 제1 LED(100)의 제1 신호광 및 제2 LED(110)의 제2 신호광의 광 세기 분포를 균일하게 하고 광선속이 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정하는 동작을 수행한다.
본 발명은 제1 신호광 및 제2 신호광의 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 사용하는 구성을 가진다. 그러나, LED 자체의 광 출력 특성상 불균일한 광의 세기 분포를 가지며 타원형으로 빛이 퍼지는 현상이 발생한다.
이에 따라, 본 발명은 광 보정부(130)를 구비하여 LED 광 출력이 피측정물에 균일한 광속 세기를 가지며 일직선으로 피측정물에 조사하는 구성을 가진다. 본 발명은 광 보정부(130)를 통해 피측정물의 수분 함량에 따른 광 반사율이 LED 광원의 광 출력의 시간적 공간적인 세기의 분포 형태에 의해 영향을 받지 않도록 구성된다. 상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 불균일한 시간적 공간적인 세기의 분포를 균일하게 하고 일정하게 퍼지지 않고 진행하도록 조명설계가 가능하다. 일 예로, 광 보정부(130)는 파리 눈 렌즈(Fly-Eye Lens)(131)와 보정 렌즈 시스템(133)으로 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 광 보정부의 상세 구성을 도시한 도면으로, 살펴보면 광 보정부(130)는 파리 눈 렌즈(Fly-Eye Lens)(131)와 보정 렌즈 시스템(133)로 구성될 수 있다.
파리 눈 렌즈(131)는 제1 LED(100)의 제1 신호광 및 제2 LED(100)의 제2 신호광의 불균일한 광 세기 분포를 균일하게 하여 출력해 준다.
보정 렌즈 시스템(133)는 파리 눈 렌즈(131)를 통해 출력된 제1 LED(100)의 제1 신호광 및 제2 LED(110)의 제2 신호광의 일정한 광선속이 퍼지지 않고 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정해 준다.
광학부(140)는 광 보정부(130)에서 보정된 제1 신호광 및 상기 제2 신호광을 피측정물에 조사하고 피측정물로부터 반사되는 반사광을 집광한다.
광학부(140)는 세부적으로 반사경(141)과, 오목 거울(143)과, 집광 소자(145)를 구비한다.
반사경(141)은 광 보정부(140)에서 보정된 제1 신호광 및 제2 신호광이 피측정물에 조사되도록 제1 신호광 및 제2 신호광을 반사시킨다. 오목 거울(143)은 제1 신호광과 제2 신호광이 각각 피측정물에 조사되어 반사되는 광을 집광 소자(145)로 모아준다. 집광 소자(145)는 오목 거울(143)에서 반사되는 광을 집광하여 반사광 검출부(150)로 출력한다.
반사광 검출부(150)는 광학부(140)에서 집광된 제1 신호광의 반사광과 제2 신호광의 반사광을 수광하여 각각의 반사광 광량을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. 여기서, 반사광 검출부(150)는 서로 다른 파장을 가지는 제1 신호광의 반사광과 제2 신호광의 반사광 모두를 검출 가능하도록 구성되어야 한다.
반사광 검출부(150)는 수광 소자로 InGaAsSb 반도체를 구비한 것을 특징으로 하며, InGaAsSb 반도체는 1.94㎛ 파장을 가지는 제1 신호광과, 1.94㎛을 제외한 1.3㎛ 에서 2.3㎛ 범위 파장 중 어느 하나의 파장을 가지는 제2 신호광의 반사광을 모두 수광 가능하다.
동기신호 발생부(160)는 구동 회로(120)에서 제1 LED(100)와 제2 LED(110)로 출력하는 각 구동 신호에 대한 동기신호를 발생시킨다. 동기신호 발생부(160)가 발생한 동기 신호는 다음에서 설명하는 마이크로프로세서(170) 또는 연산부(190)에 입력되어 제1 신호광의 반사광 광량과 제2 신호광의 반사광 광량을 구별하는데 이용된다.
마이크로프로세서(170)는 반사광 검출부(150)가 검출한 제1 신호광의 반사광 광량과 제2 신호광의 반사광 광량을 입력받는다. 그리고, 입력받은 제1 신호광의 반사광 광량과 제2 신호광의 반사광 광량을 이용하여, 수분에 흡수되는 상기 제1 신호광을 실제 피측정물의 수분 함량에만 의존적으로 얼마나 흡수하였는지, 그 흡광도를 판단한다.
마이크로프로세서(170)는 피측정물의 흡광도와 그에 대한 수분 함량 값의 관계를 나타내는 검량선식 또는 검량선에 대한 정보를 기 저정하고 있다. 그리고 마이크로프로세서(170)는 상기 판단한 피측정물의 흡광도에 대응되는 수분 함량 값을 획득하고, 그 획득한 수분 함량 값을 제공한다.
본 발명에 따르면, 마이크로프로세서(170)는 적어도 하나의 피측정물 종류마다 구동 신호 제어 데이터를 매칭하여 데이터베이스화한다. 마이크로프로세서(170)는 사용자 인터페이스(200)를 통해서 사용자로부터 수분 함량을 측정할 피측정물의 종류를 선택받는다. 그리고 그 선택된 피측정물의 종류에 매칭되어 저장되어 있는 구동 신호 제어 데이터를 구동 회로(120)로 전송한다. 구동 회로(120)는 마이크로프로세서(170)로부터 전송받은 구동 신호 제어 데이터에 따라 제1 LED(100)와 제2 LED(110)의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 제1 LED(100)와 제2 LED(110)에 각각 제공해 준다.
상기와 같은 마이크로프로세서(170)와 구동 회로(120)의 동작은, 각 피측정물 종류에 따라 제1 LED(100)와 제2 LED(110)의 신호광 출력 형태를 다르게 해 준다.
수분 함량을 측정하려 하는 피측정물의 종류는 다양하다. 그리고 각 피측정물마다 수분 함량에 따른 광 반사율은, 조사되는 광의 출력 형태에 따라서 구별되어 그 차이가 크게 나타나거나 그렇지 않다. 그러므로, 피측정물 종류에 따라 그리고 동일한 피측정물에서 수분 함량 차이에 따라 민감하게 차이가 있는 광 반사율이 측정된다면, 해당 피측정물의 수분 함량 정도를 보다 정확하게 측정할 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명에서 사용되는 구동 신호의 실시 예를 도시한 도면이다. 도 6에서 윗부분에 도시되어 있는 구동 신호는 주파수 2kHz를 가지고 유사연속파의 형태를 나타내는 신호이다. 그리고 도 6에서 아랫부분에 도시되어 있는 구동 신호는 주파수 2kHz를 가지고 펄스폭이 위에 도시된 신호와 비교시 매우 작은 1 ㎲를 가지는 신호 형태이다. 도 6에 도시된 형태 이외에 다양하게 구동 신호는 구동 회로에서 발생 가능하다.
따라서, 구동 신호 제어 데이터는 구동 신호의 펄스 주기(Period), 펄스 진폭(Amplitude), 및 펄스 폭(Width) 중 적어도 하나 이상을 제어하는 데이터이다.
도 7은 피측정물이 담배잎 시료인 경우에 구동 신호의 변화에 따른 광 반사율을 도시한 도면으로, 담배잎 시료에 수분이 30% 정도 함유된 것(건조한 상태)과 70% 정도 함유된 것을 가지고 실험한 결과를 도시하고 있다.
그리고, 도 8은 피측정물이 담배잎 시료인 경우에, 구동 신호의 변화에 따른 담배잎 시료에 수분이 30% 정도 함유된 것(건조한 상태)과 70% 정도 함유된 것 간에 광 반사율 차이를 도시한 도면이다.
도 7과 도 8에 도시된 결과는, 구동 신호의 형태가 유사 연속파의 형태로 펄스가 한 주기의 절반의 폭을 가지며, 펄스 진폭(전류 크기)와 펄스 주파수는 서로 다른 경우에 담배잎 시료에서 나타나는 결과이다.
본 발명은, 도 7과 도 8과 같이, 특정한 피측정물에 대해서 LED 광 출력 형태를 달리하면서 나타나는 광 반사 정도를 측정하는 실험을 행하여 그에 대한 결과를 살피고, 해당 피측정물의 수분 함량을 가장 정확하게 측정 가능하게 하는 LED 광 출력 형태로 LED 광이 출력되도록 동작하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 담배잎 시료에 수분이 30% 정도 함유된 것(건조한 상태)과 70% 정도 함유된 것 간에 광 반사율 차이를 가장 크게 나타나게 하는 구동 신호를 담배잎 시료의 수분 함량 측정에 이용하는 것이 보다 정확한 수분 함량 측정을 가능하게 할 것이다. 그러므로 도 7과 도 8을 통해서, 피측정물이 담배잎 시료인 경우에는, 구동 신호의 펄스 전류 크기가 150mA 이고 펄스 주파수는 0.5kHz 인 경우에 가장 큰 반사율 차이를 나타내는 것을 알 수 있고, 그러한 형태의 구동 신호가 담배잎 시료의 수분 함량 측정에 이용되도록 본 발명은 구성되어 있다.
자세하게, 본 발명에 따른 마이크로프로세서(170)는 피측정물의 종류가 담배잎 시료인 경우에, 구동 신호로 유사 연속파 형태를 가지고 펄스 전류 크기는 150mA 이며 펄스 주파수는 0.5kHz 인 신호가 구동 회로에서 출력되게 하는 구동 신호 제어 데이터를 기 저장하고 있는 것을 특징으로 한다. 그리고, 사용자 인터페이스(200)로부터 피측정물로 담배잎 시료가 선택되면 상기의 구동 신호 제어 데이터를 구동 회로(120)에 전송하여 구동 회로(120)의 구동 신호 발생을 제어한다.
각 피측정물마다 그 수분 함량에 민감하게 광 반사율이 측정되도록, 각 피측정물에 따라 조사하는 광의 출력 형태를 다르게 변화시켜줄 필요가 있다. 그럼에 따라, 본 발명은 제1 신호광 및 제2 신호광의 출력 형태를 피측정물 종류에 맞추어 다르게 변화되도록 구성되어 다양한 피측정물에 대한 보다 더 정확한 수분 함량 측정이 가능하게 해 준다.
또한, 본 발명은 제1 신호광 및 제2 신호광 각각의 일정량을 광원으로부터 그대로 수광하여 그 수광한 광량을 기준으로 제1 신호광 및 제2 신호광의 광의 세기가 각각 서로 차이가 발생되는 경우, 그 차이를 보정해 줌으로써 보다 더 정확한 수분 함량 측정을 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서 광학부는 상기 광 보정부(130)에서 보정된 상기 제1 신호광과 상기 제2 신호광을 상기 피측정물에 조사하되, 그 일정량의 광을 그대로 투과시키는 반사경(141)을 포함할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 수분 측정 장치는 기준광 검출부(180)와, 연산부(190)와, 표시부(210)를 더 포함하도록 구성 가능하다.
기준광 검출부(180)는 반사경(141)으로부터 투과된 제1 신호광의 일정량(이하, '제1 기준광'이라 함.)과 제2 신호광의 일정량(이하, '제2 기준광'이라 함.)을 수광하여 각각의 광량을 검출하여 그에 대응하는 전기적 신호로 출력한다.
연산부(190)는 반사광 검출부(150)가 검출한 제1 신호광의 반사광 광량을 기준광 검출부(180)가 검출한 제1 기준광의 광량으로 나눈 값인 제1 반사값과, 반사광 검출부(150)가 검출한 제 2신호광의 반사광 광량을 기준광 검출부(180)가 검출한 상기 제2 기준광의 광량으로 나눈 값인 제2 반사값을 출력한다. 여기서, 연산부(190)는 동기신호 발생부(160)에서 발생된 동기신호를 입력받아, 제1 신호광에 대한 것과 제2 신호광에 대한 것을 구별하여 출력 가능하다.
마이크로프로세서(170)는 연산부(190)가 출력하는 제1 반사값과 제2 반사값을 입력받아 제1 반사값을 제2 반사값으로 나눈 값을 통해 피측정물의 수분 함량에 따른 제1 신호광의 흡광도를 판단하고, 상기 판단한 흡광도에 따른 피측정물의 수분 함량 값을 기 데이터베이스화하여 저장해 놓은 피측정물 특성에 따라 보정하여 제공 가능하다.
표시부(210)는 사용자에게 데이터를 표시해 주는 기능을 수행하며, 따라서 마이크로프로세서(170)는 기 데이터베이스화하여 저장해 놓은 피측정물 특성을 이용하여 수분 함량 값을 측정하고 표시부(210)를 통해 표시해 주도록 구성 가능하다.
본 발명에서 광학부(140)의 반사경(141)은 반사경(141)에 자체에 구멍이 뚫려 있는 것을 특징으로 한다. 반사경(141)에 구멍을 통해 상기의 제1 기준광과 제2 기준광을 획득하는 반사경(141)은, 그 제조에 있어서, 코팅 작업을 통해 상기의 제1 기준광과 제2 기준광을 획득하는 반사광 제조에 비해 보다 경제적이며 간단하게 제조 가능하다.
도 9는 본 발명에 따른 반사경의 구성을 도시한 도면이다. 앞서 언급한 바와 같이, 반사경(141)은 구멍(142)이 뚫려 있으며, 이때 구멍(142)은 반사경 전체 면적 대비 입사된 제1 신호광과 제2 신호광의 일정량을 투과시킬 수 있는 면적을 가진 구멍이다. 반사경(141)의 구멍(142)은 반사경(141) 전체의 정중앙에 위치하는 것이 바람직하겠다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 응용 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예 및 응용 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 제1 LED 110 : 제2 LED
120 : 구동 회로 130 : 광 보정부
131 : 파리 눈 렌즈 133 : 보정 렌즈 시스템
140 : 광학부 141 : 반사경
142 : 반사경의 구멍 143 : 오목 거울
145 : 집광 소자 150 : 반사광 검출부
160 : 동기신호 발생부 170 : 마이크로프로세서
180 : 기준광 검출부 190 : 연산부
200 : 사용자 인터페이스 210 : 표시부

Claims (10)

  1. 피측정물의 수분에 흡수가 일어나는 제1 신호광을 발생시키는 제1 LED(Light Emitting Diode);
    상기 피측정물의 수분에 흡수가 일어나지 않는 제2 신호광을 발생시키는 제2 LED;
    상기 제1 LED와 상기 제2 LED의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 상기 제1 LED와 상기 제2 LED에 각각 제공하는 구동 회로;
    상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 광 세기 분포를 균일하게 하고 광선속이 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정하는 광 보정부;
    상기 광 보정부에서 보정된 상기 제1 신호광 및 상기 제2 신호광을 상기 피측정물에 조사하고 상기 피측정물로부터 반사되는 반사광을 집광하는 광학부;
    상기 광학부에서 집광된 상기 제1 신호광의 반사광과 상기 제2 신호광의 반사광을 수광하여 각각의 반사광 광량을 검출하는 반사광 검출부; 및
    상기 반사광 검출부가 검출한 상기 제1 신호광의 반사광 광량과 상기 제2 신호광의 반사광 광량을 이용하여 상기 피측정물의 수분 함량에 따른 상기 제1 신호광의 흡광도를 판단하고 상기 판단한 흡광도에 따른 상기 피측정물의 수분 함량 값을 제공하는 마이크로프로세서를 포함하고,
    상기 마이크로프로세서는,
    적어도 하나의 피측정물 종류마다 구동 신호 제어 데이터를 매칭하여 저장하고 있고, 외부로부터 입력된 피측정물 선택에 따라 해당 구동 신호 제어 데이터를 상기 구동 회로로 전송하고,
    상기 구동 회로는,
    상기 마이크로프로세서로부터 전송받은 구동 신호 제어 데이터에 따라 상기 제1 LED와 상기 제2 LED의 광 출력을 제어하기 위한 구동 신호를 발생시켜 상기 제1 LED와 상기 제2 LED에 각각 제공하는 것인 수분 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 LED는,
    1.94㎛ 파장을 가지는 제1 신호광을 발생시키는 LED이고,
    상기 제2 LED는,
    1.94㎛ 파장을 제외하고 1.3㎛ 에서 2.3㎛까지의 파장 범위 중 어느 하나의 파장을 가지는 제2 신호광을 발생시키는 LED인 것인 수분 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 신호 제어 데이터는,
    상기 구동 신호의 펄스 주기(Period), 펄스 진폭(Amplitude), 및 펄스 폭(Width) 중 적어도 하나 이상을 제어하는 데이터인 것인 수분 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광 보정부는,
    상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 불균일한 광 세기 분포를 균일하게 하여 출력하는 파리 눈 렌즈; 및
    상기 파리 눈 렌즈를 통해 출력된 상기 제1 LED의 제1 신호광 및 상기 제2 LED의 제2 신호광의 광선속이 일직선으로 수평하게 진행하도록 보정하는 보정 렌즈 시스템을 구비한 것인 수분 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 반사광 검출부는,
    수광 소자로 InGaAsSb 반도체를 구비한 것인 수분 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광학부는,
    상기 광 보정부에서 보정된 상기 제1 신호광과 상기 제2 신호광을 상기 피측정물에 조사하되, 그 일정량의 광을 그대로 투과시키는 반사경을 포함하고,
    상기 수분 측정 장치는,
    상기 반사경으로부터 투과된 상기 제1 신호광의 일정량(이하, '제1 기준광'이라 함.)과 상기 제2 신호광의 일정량(이하, '제2 기준광'이라 함.)을 수광하여 각각의 광량을 검출하는 기준광 검출부; 및
    상기 반사광 검출부가 검출한 상기 제1 신호광의 반사광 광량을 상기 기준광 검출부가 검출한 상기 제1 기준광의 광량으로 나눈 값인 제1 반사값과, 상기 반사광 검출부가 검출한 상기 제2 신호광의 반사광 광량을 상기 기준광 검출부가 검출한 상기 제2 기준광의 광량으로 나눈 값인 제2 반사값을 출력하는 연산부;를 더 포함하며,
    상기 마이크로프로세서는,
    상기 연산부가 출력하는 상기 제1 반사값과 상기 제2 반사값을 이용하여 상기 피측정물의 수분 함량에 따른 상기 제1 신호광의 흡광도를 판단하고 상기 판단한 흡광도에 따른 상기 피측정물의 수분 함량 값을 제공하는 것인 수분 측정 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 반사경은,
    상기 반사경 전체 면적 대비 입사된 상기 제1 신호광과 상기 제2 신호광의 일정량을 투과시킬 수 있는 면적의 구멍이 뚫려 있는 것인 수분 측정 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 반사경의 구멍은,
    상기 반사경 전체의 정중앙에 위치한 것인 수분 측정 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    사용자에게 데이터를 표시해 주는 표시부를 더 포함하고,
    상기 마이크로프로세서는,
    상기 판단한 흡광도에 따른 피측정물의 수분 함량 값을 기 데이터베이스화하여 저장해 놓은 피측정물 특성에 따라 보정하여 상기 표시부를 통해 표시해 주는 것인 수분 측정 장치.

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