KR101552283B1 - 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템 - Google Patents

표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101552283B1
KR101552283B1 KR1020140015388A KR20140015388A KR101552283B1 KR 101552283 B1 KR101552283 B1 KR 101552283B1 KR 1020140015388 A KR1020140015388 A KR 1020140015388A KR 20140015388 A KR20140015388 A KR 20140015388A KR 101552283 B1 KR101552283 B1 KR 101552283B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
surface acoustic
acoustic wave
wave sensor
high frequency
temperature
Prior art date
Application number
KR1020140015388A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150094861A (ko
Inventor
정완영
Original Assignee
부경대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 부경대학교 산학협력단 filed Critical 부경대학교 산학협력단
Priority to KR1020140015388A priority Critical patent/KR101552283B1/ko
Publication of KR20150094861A publication Critical patent/KR20150094861A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101552283B1 publication Critical patent/KR101552283B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템은, 리더 모듈, 측정 부분에 설치된 표면탄성파 센서 모듈, 및 모니터부를 갖는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 측정 시스템에 있어서, 상기 리더 모듈은, 상기 표면탄성파 센서 모듈에 온도 측정에 필요한 고주파 질의 신호를 송신하는 송신부와, 상기 표면탄성파 센서 모듈로부터 고주파 응답 신호를 수신하는 수신부를 가지며, 상기 수신부는, 상기 표면탄성파 센서 모듈로부터 고주파 응답 신호를 수신하여 온도에 해당하는 신호로부터 상기 측정 부분의 온도 데이터를 계산하고, 동시에 리더 모듈에서 수신부로 전송되는 고주파 신호의 송신 전력과 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력을 비교함으로써 수신신호세기(RSSI)를 측정하여 상기 표면탄성파 센서 모듈과 상기 리더 모듈 사이의 거리와의 관계에 따라 상기 측정 부분의 위치 데이터를 계산하고, 상기 모니터부는 상기 수신부로부터 상기 온도 데이터와 위치 데이터를 전송 받아 온도, 위치 값을 모니터 화면에 디스플레이한다.

Description

표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템{simultaneous temperature and distance measuring system using SAW sensor}
본 발명은, 표면탄성파 센서를 이용한 온도 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 움직이거나 전선을 연결하기 힘든 측정 부분의 온도를 무선으로 측정함과 동시에 측정 부분의 거리도 무선으로 측정할 수 있도록 한, 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템에 관한 것이다.
종래의 온도센서는 유선방식으로 전력을 공급하는 전선이 측온 저항체(RTD) 또는 열전대(T/C) 센서와 연결된 상태로 사용되며, 온도센서가 피측정 부분에 직접 접촉하여 대상물체의 온도를 측정하는 방식이다. 이러한 유선방식의 온도센서는, 예를 들어 선박 내부엔진의 크랭크축 베어링이나 기차의 브레이크패드 등과 같이, 전선으로 접촉하거나 연결할 수 없는 부분이나 움직이는 부분의 온도를 측정하는데 사용하기가 어렵다.
그래서 전선의 연결이 어렵거나 움직이는 측정 부분의 온도를 측정하기 위하여, 비접촉 무선 온도센서방식인 표면탄성파 센서를 이용하기 시작하였다.
표면탄성파 센서를 이용한 무선 온도 감지 시스템은, 무선을 사용한다는 특성과 별도의 전력을 공급할 필요가 없는 수동적 특성을 가지기 때문에, 움직이거나 전선을 연결하기 힘든 측정 부분의 온도를 측정하는데 적절하고, 유지비용이 적게 들며, 정확성이 높아 시스템의 효율성을 극대화할 수 있다. 표면탄성파 센서를 이용한 무선 온도 감지 시스템의 예가 특허문헌1 및 특허문헌2에 개시되어 있다.
특개 2014-0008837호 공보 특허 10-1215413호 공보
그런데 종래의 표면탄성파 센서를 이용한 무선 온도 감지 시스템은, 움직이거나 전선을 연결하기 힘든 측정 부분의 온도를 비접촉방식으로 측정 가능하지만, 측정 부분의 온도와, 표면탄성파 센서 모듈과 리더 모듈 사이의 거리를 동시에 측정하지 못하는 문제점이 있다. 이에, 측정 부분의 온도 및 거리를 동시에 측정할 수 있는 표면탄성파 센서를 이용한 무선 온도 감지 시스템이 절실히 요구되는 실정에 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 비접촉 무전원 표면탄성파 센서를 이용하여 움직이거나 전선을 연결하기 힘든 측정 부분의 온도 및 거리를 동시에 측정함으로써 측정 부분의 온도 및 위치를 동시에 측정할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템은, 리더 모듈, 측정 부분에 설치된 표면탄성파 센서 모듈, 및 모니터부를 갖는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 측정 시스템에 있어서, 상기 리더 모듈은, 상기 표면탄성파 센서 모듈에 온도 측정에 필요한 고주파 질의 신호를 송신하는 송신부와, 상기 표면탄성파 센서 모듈로부터 고주파 응답 신호를 수신하는 수신부를 가지며, 상기 수신부는, 상기 표면탄성파 센서 모듈로부터 고주파 응답 신호를 수신하여 상기 고주파 질의 신호와 상기 고주파 응답 신호 각각의 중심주파수를 계산하고 나서 그 중심주파수 간의 차이로부터 상기 측정 부분의 온도 데이터를 계산하고, 동시에 리더 모듈에서 수신부로 전송되는 고주파 신호의 송신 전력과 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력을 비교함으로써 수신신호세기(RSSI)를 측정하여 상기 표면탄성파 센서 모듈과 상기 리더 모듈 사이의 거리와의 관계에 따라 상기 측정 부분의 위치 데이터를 계산하고, 상기 모니터부는, 상기 수신부로부터 상기 온도 데이터와 위치 데이터를 전송 받아 온도, 위치 값을 모니터 화면에 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 리더 모듈이 1개 이상 복수개이고, 상기 표면탄성파 센서 모듈이 1개 이상 복수개인 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 리더 모듈은, 수신신호세기(RSSI) 디텍터를 구비하며, 상기 수신신호세기(RSSI) 디텍터는, 상기 리더 모듈에서 수신부로 송신하는 고주파 신호의 송신 전력과, 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력을 비교하여 수신신호세기(RSSI)로서 출력할 수 있다.
바람직하게는, 상기 리더 모듈은, 수신신호세기(RSSI) 디텍터를 구비하며, 상기 수신신호세기(RSSI) 디텍터는, 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력만을 수신신호세기(RSSI)로서 출력할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수신신호세기(RSSI) 디텍터는, 고주파 전력 비교기인 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 모니터부는, 모니터 화면에 온도 값과 위치 값 중 어느 하나 이상을 디스플레이하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템에 의하면, 움직이거나 전선을 연결하기 힘든 측정 부분의 온도 및 위치를 동시에 측정하는 것이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 리더 모듈의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은, 도 2에 도시된 수신신호세기(RSSI) 디텍터의 내부 구조를 나타낸 예시도이다.
도 4는, 리더 모듈에서 송신하는 고주파 버스트 질의 신호와, 표면탄성파 센서 모듈의 고주파 반사(응답) 신호를 각각 나타낸 파형도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템에 의해 측정 부분의 온도 및 거리를 동시에 측정하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템에 의해 측정된 무선주파수 수신신호세기(RSSI)와, 리더 모듈과 표면탄성파 센서 모듈 사이의 거리와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 도 1의 모니터부에 모니터링되는 데이터 정보를 디스플레이한 예시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템을 첨부된 도면을 참조하면서 설명하기로 한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템(1)은, 리더 모듈(10), 표면탄성파 센서 모듈(20), 및 모니터부(30)를 포함하여 구성되며, ISM 대역에 속하는 고주파(RF) 신호, 예를 들어 433MHz, 900MHz 주파수 대역의 고주파(RF) 신호를 사용할 수 있다. 한편, 도면에서는 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20)이 각각 1개 설치된 것으로 도시되어 있지만, 실제로는 1개의 리더 모듈(10)과 2개 이상 복수개의 표면탄성파 센서 모듈(20)이 설치되거나, 2개 이상 복수개의 리더 모듈(10)과 2개 이상의 표면탄성파 센서 모듈(20)이 설치될 수 있다.
여기서, 리더 모듈(10)은, 온도 측정에 필요한 고주파(RF) 버스트 질의 신호를 발생하여 표면탄성파 센서 모듈(20)에 송신하고, 표면탄성파 센서 모듈(20)로부터 반향되는 고주파(RF) 응답 신호를 수신하여 고주파(RF) 질의 신호와 고주파(RF) 응답 신호 간의 변화를 계산함으로써 측정 부분의 온도를 측정하고, 또한 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20) 사이의 신호감쇄(received signal strength indication: RSSI)를 이용하여 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20) 사이의 거리를 동시에 측정한다. 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20) 사이의 고주파(RF) 신호 전달은 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20) 각각의 안테나를 통하여 이루어진다.
또한, 표면탄성파 센서 모듈(20)은, 움직이거나 전선을 연결하기 어려운 측정 부분, 예를 들어 도시하지 않은 선박 엔진의 크랭크축, 기차의 브레이크패드 등에 설치되며, 표면탄성파 센서를 이용하여 측정 부분의 온도를 측정한다. 표면탄성파 센서 모듈(20)은, 도면에 도시된 바와 같이, 압전 기판 상에 형성된 빗살무늬 전극인 트랜스듀서(interdigit transducer: IDT), 표면탄성파(SAW) 센서, 반사판을 가지며, 또한, 상기 트랜스듀서(IDT)에 전기적으로 연결된 안테나, 예를 들어 헤리컬 안테나를 가진다. 상기 트랜스듀서(IDT)가 압전 기판의 표면 중앙부에 배치되고, 트랜스듀서(IDT)의 좌, 우 양측에 표면탄성파(SAW) 센서가 각각 배치되며, 표면탄성파(SAW) 센서 외측에 각각 반사판이 배치된다. 한편, 표면탄성파 센서 모듈(20)로는, 도면에 도시된 바와 같은 공진형 표면탄성파 센서 모듈을 사용 가능하고, 또한 도면에 도시하지 않았지만 지연선로형 표면탄성파 센서 모듈을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 표면탄성파 센서 모듈(20)에서는, 자신의 안테나가 리더 모듈(10)로부터 고주파(RF) 버스트 질의 신호를 무선 수신하여 트랜스듀서(IDT)에 전송하면, 트랜스듀서(IDT)가 역 압전 효과에 의해 고주파(RF) 버스트 질의 신호와 같은 전기적 고주파 신호를 기계적 표면탄성파로 변환한다. 이렇게 변환된 기계적 표면탄성파는, 표면탄성파 센서의 표면을 통과하게 된다. 이때, 표면탄성파 센서가 온도 의존성을 가지는데, 이는 측정 부분의 온도에 따라 기계적 표면탄성파의 공진주파수, 위상, 전파속도(지연시간)에 영향을 미친다. 이후, 기계적 표면탄성파는, 다시 반사판에 의해 트랜스듀서(IDT)로 반사된다. 이에 따라 트랜스듀서(IDT)는 반사된 기계적 표면탄성파를 압전 효과에 의해 전기적 고주파 신호로 변환한다. 이후, 안테나는 변환된 전기적 고주파 신호를 고주파 응답 신호로서 리더 모듈(10)에 무선 전송한다.
또한, 모니터부(30)는, 측정 부분의 온도 및 거리를 모니터링하기 위한 모니터링 프로그램을 구비하며, 리더 모듈(10)에서 신호처리된 측정 부분의 온도에 해당하는 데이터를 온도 값으로 모니터 화면에 디스플레이한다. 물론, 도면에 도시하지 않았지만, 모니터부(30)의 저장부에 온도 값과 함께 측정 시간을 저장하는 것도 가능하다.
더욱이, 모니터부(30)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 리더 모듈(10)과 표면탄성파 모듈(20) 사이의 거리와, 표면탄성파 모듈(20)에서의 고주파 신호의 수신신호세기(received signal strength indication: RSSI)의 관계를 나타내는 그래프를 디스플레이 가능하다. 한편, 리더 모듈(10)에 1개의 모니터부(30)만 연결된 것으로 도시되어 있지만, 리더 모듈(10)에 2개 이상 복수개의 모니터부(30)가 연결되는 것도 가능하다. 모니터부(30)로는, 예를 들어 개인용 컴퓨터(PC)를 사용할 수 있으며, 노트북이나 태블릿 PC 등도 사용 가능하다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템은, 측정 부분, 예를 들어 움직이거나 전선 연결이 어려운 부분의 온도와 위치를 동시에 측정할 수 있다.
도 2는, 도 1에 도시된 리더 모듈의 세부 구성을 나타낸 블록도이다. 리더 모듈(10)은 시간영역 샘플링 타입 시스템으로서, 송신부(110)와 수신부(120)로 구성된다. 물론, 리더 모듈(10)은 도면에 도시하지 않았지만, 주파수영역 샘플링 타입 시스템으로 구성될 수도 있다.
여기서, 송신부(110)는, 전압 제어 발진기(VCO)(111), 대역통과필터(112), 펄스 컨트롤러(113), SPST 스위치부(114), 전력증폭기(PA)(115), 스플리터/컴바이너(splitter/combiner)(116), 안테나(117), 대역통과필터(118)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 스위치부인 SPST 스위치부(114)는 SPST ON 스위치부(114a)와 SPST OFF 스위치부(114)로 구성될 수 있다.
또한, 전압 제어 발진기(VCO)(111)는, 입력 전압에 따라 발진 주파수를 제어하는 전자 발진기로서, 온도 측정에 필요한 ISM 대역의 고주파(RF) 신호, 예를 들어 433MHz의 캐리어 주파수를 가진 고주파(RF) 신호를 생성한다. 대역통과필터(112)는, 전압 제어 발진기(VCO)(111)로부터 공급 받은 고주파(RF) 신호 중 원하는 대역, 예를 들어 433MHz 대역의 주파수를 가진 고주파(RF) 신호만을 통과시킨다. 펄스 컨트롤러(113)는, 송/수신 신호를 제어하기 위하여, SPST 스위치부(114)의 SPST ON 스위치(114a)와 SPST OFF 스위치(114b)를 각각 온, 오프시키도록 트리거 펄스를 생성한다. SPST ON 스위치(114a)와 SPST OFF 스위치(114b)가 펄스 컨트롤러(113)의 제어에 의해 각각 온, 오프되므로 SPST 스위치부(114)는 고주파(RF) 버스트 질의 신호를 생성하는 펄스와 캐리어 주파수를 조절할 수 있다. 고주파(RF) 버스트 질의 신호는, 진폭 변이 변조(amplitude shift keying: ASK)의 온-오프 변조(on-off keying: OOK) 방식을 사용함으로써 생성될 수 있으며, 433MHz의 범위에서 작동하는 것이 가능하다. 전력증폭기(115)는, 안테나(1117)에 충분한 전력의 고주파를 공급하기 위하여 설치될 수 있으며, SPST 스위치부(114)에서 출력된 고주파 신호의 전력을 증폭한다. 스플리터/컴바이너(116)는, 전력증폭기(115)에서 출력된 고주파 신호, 즉 고주파 버스트 질의 신호를 안테나(117)에 전송하고 동시에 안테나(117)로부터 표면탄성파 센서 모듈(20)로부터의 고주파 반향 신호, 즉 고주파 응답 신호를 수신할 수 있다. 즉, 스플리터/컴바이너(116) 중의 스플리터는 고주파 질의 신호를 표면탄성파 센서 모듈(20)에 전송할 때 사용하고, 컴바이너는 표면탄성파 센서 모듈(20)에서 반송되는 반향 신호를 수신하기 위해서 사용한다. 안테나(117)는, 스플리터/컴바이너(116)로부터 전송된 고주파 질의 신호를 표면탄성파 센서 모듈(20)로 무선 송신하거나 표면탄성파 센서 모듈(20)로부터 고주파 응답 신호를 무선 수신한다. 안테나(117)로는, 예를 들어 다이폴(dipole) 안테나를 사용하는 것이 가능하다.
또한, 수신부(120)는, 대역통과필터(121), SPST 스위치부(123), 저잡음 증폭기(LNA)(124), 혼합기(125), 중간주파증폭기(IF Amp)(126), 중간주파수(IF)필터 (127), 수신신호세기(RSSI) 디텍터(128), A/D 컨버터(129), 마이크로프로세서(MCU)(130), 시리얼 통신 USB 변환부(131)와 같은 통신 수단을 포함하여 구성될 수 있다. 제2 스위치부인 SPST 스위치부(123)는, SPST ON 스위치부(123a)와 SPST OFF 스위치부(123b)를 구비한다.
대역통과필터(121)는, 안테나(117)를 통하여 수신한 표면탄성파 센서 모듈(20)의 고주파 응답 신호에서 원치 않는 신호들과 잡음을 제거하기 위하여, 고주파 응답 신호에서 원하는 대역의 신호만을 통과시킨다. 송신부(110)의 SPST ON 스위치부(114a)와 SPST OFF 스위치부(114b)는, 송신부(110)에서 표면탄성파 센서 모듈(20)로 질의 버스트 신호의 펄스를 온-오프하기위한 스위치라면, 동시에 펄스 컨트롤러(113)의 제어에 의해 송신부(110)의 버스트 신호의 송신시간과 중복되지 않게 수신부(120)의 SPST ON 스위치부(123a)와 SPST OFF 스위치부(123b)는 표면탄성파 센서 모듈(20)로부터의 수신 신호가 수신되도록 수신 펄스를 온-오프하기 위한 스위치이다.
수신 모드로 활성화되도록 SPST ON 스위치부(123a)와 SPST OFF 스위치부(123b)가 각각 온, 오프되므로 SPST 스위치부(123)에서 표면탄성파 센서 모듈(20)로부터의 반향된 고주파 신호에 온도 데이터와 수신신호세기(RSSI) 데이터가 포함될 수 있다. 저잡음 증폭기(LNA)(124)는, SPST 스위치부(123)를 통과한 신호를 예를 들어 23dB의 이득 수준으로 증폭한다. 혼합기(mixer)(125)는, 고주파 질의 신호 파형을 만들기 위하여, 전압 제어 발진기(VCO)(111)의 기준 신호와, 저잡음 증폭기(LNA)(124)를 통과한 신호를 합성하여 더 낮은 중간주파수의 신호를 출력한다. 중간주파증폭기(IF Amp)(126)는, 혼합기(125)의 출력 신호를 예를 들어 16dB의 이득 수준으로 증폭한다. 중간주파수 필터(127)는, 중간주파증폭기(IF Amp)(126)의 출력 신호를 특정 중간주파수 대역을 중심으로 증폭한다. 수신신호세기(RSSI) 디텍터(128)는, 고주파 전력 비교기로서, 송신부(110)에서 송신하는 고주파신호와 수신부(120)에서 수신하는 고주파신호의 전력을 비교하여 수신신호세기(RSSI)를 출력한다. 수신신호세기(RSSI) 디텍터(128)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 송신부(110)의 전력증폭기(115)에서 출력하는 고주파 버스트 질의 신호와, 수신부(120)의 중간주파수 필터(127)에서 출력하는 초음파센서 반향 고주파 신호를 각각 입력하고, 각각의 신호를 제1,2 로그값 검출기(128a, 128b)를 각각 통과하게 하여 고주파 입력의 전력이 입력 전력의 로그값에 비례하는 출력전압으로 변환되게 하고 이를 증폭하게 된다. 즉, 수신신호세기 디텍터는 송신부(110)에서 송신되는 버스트 질의 신호와 수신부(120)에서 수신되는 초음파센서 반향신호의 로그값의 차이값을 제1 증폭기(128c)와 제2 증폭기(128d)에 의해 2단 증폭하여 나타내게 되어서 리더모듈(10)의 고주파 버스트 질의 신호와 초음파 센서 모듈(20)로부터의 반향 고주파신호의 차이값을 표시하게 된다.
A/D 컨버터(129)는, 샘플/홀드 방식에 의해 중간주파수 필터(127)에서 출력되는 아날로그 신호와 수신신호세기(RSSI) 디텍터(128)에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 변환한다. 마이크로프로세서(MCU)(130)는, 측정 부분의 온도 값을 결정하거나 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20) 사이의 거리를 결정하기 위하여, A/D 컨버터(129)의 출력 신호를 신호처리한다. 즉, A/D 컨버터(129)의 출력 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform: FFT)을 적용하여 A/D 컨버터(129)의 출력 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하고, 피크 결정 함수(peak determining function)를 적용하여 고주파 응답 신호의 중심 주파수를 찾게 된다.
도 4는, 리더 모듈(10)에서 표면탄성파 센서 모듈(20)로 전달되는 고주파 버스트 질의 신호와, 표면탄성파 센서 모듈(20)에서 반사된 고주파 반사(응답) 신호를 각각 나타낸 파형도이다. 도 1을 참조하면, 표면탄성파 센서 모듈(20)의 안테나가 리더 모듈(10)로부터 고주파(RF) 버스트 질의 신호를 무선 수신하여 빗살무늬 트랜스듀서(IDT)에 전송하면, 빗살무늬 트랜스듀서(IDT)가 역 압전 효과에 의해 고주파(RF) 버스트 질의 신호와 같은 전기적 고주파 신호를 기계적 표면탄성파로 변환한다. 이렇게 변환된 기계적 표면탄성파는, 표면탄성파 센서의 표면을 통하여 측정 부분에 전송된다. 이후, 기계적 표면탄성파는, 다시 반사판에 의해 빗살무늬 트랜스듀서(IDT) 쪽으로 반사된다. 이에 따라 트랜스듀서(IDT)는 반사된 기계적 표면탄성파를 압전 효과에 의해 전기적 고주파 신호로 변환되어, 표면탄성파 센서 모듈(20)의 안테나가 변환된 전기적 고주파 신호를 고주파 응답 신호로서 리더 모듈(10)에 무선 전송한다. 이때 빗살무늬 트랜스듀스(IDT)와 반사판 사이의 기계적 표면 탄성파와 반사판과 빗살무늬 트랜스듀스(IDT) 사이의 기계적 표면탄성파가 중첩되어 정상파(standing wave)를 형성하게 된다. 표면탄성파 센서 위에서의 정상파의 주파수는 리더 모듈(10)에서의 버스트 질의 신호의 주파수도 차이를 보이게 되며, 이 차이는 표면탄성파 센서의 온도를 반영하게 된다. 역으로 도 4에서의 버스트 질의 신호의 중심주파수와, 오른편의 표면탄성파 센서 모듈의 반사(응답) 신호의 중심주파수의 차이가 온도로 표시되게 된다.
표면탄성파 센서모듈의 반사 신호의 중심 주파수는, 중심 주파수와 측정 부분의 온도 간의 상관관계를 검증하기 위하여, 도시하지 않은 디지털 온도계 및 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 눈금을 매기며, 이러한 정보를 기반으로 온도 데이터를 계산할 수 있다.
이와 동시에 마이크로프로세서(MCU)(130)는, 표면탄성파 모듈(20)에서의 고주파 신호의 수신신호세기(received signal strength indication: RSSI)를 분석하여 도 4에 도시된 바와 같은, 리더 모듈(10)과 표면탄성파 모듈(20) 사이의 거리와, 표면탄성파 모듈(20)에서의 고주파 신호의 수신신호세기(received signal strength indication: RSSI)의 관계를 바탕으로 측정 부분의 위치를 측정한다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템에 의해 측정 부분의 온도 및 거리를 동시에 측정하는 과정을 나타낸 플로우차트이다. 설명의 편의상 도 1 및 도 2를 연관하여 설명하기로 한다. 본 발명의 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템(1)은 예를 들어 시간영역샘플링방식을 사용하며 펄스형 버스트 질의신호를 사용하는 것을 전제로 한다.
도 5를 참조하면, 단계(S1)에서, 본 발명의 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템(1)의 리더 모듈(10)의 송신부(110)는, 측정 부분의 온도를 측정하는데 필요한 고주파 버스트 질의 신호를 생성하여 표면탄성파 센서 모듈(20)에 무선 송신한다. 여기서, 표면탄성파 센서 모듈(20)은, 움직이거나 전선을 연결하기 어려운 측정 부분, 예를 들어 선박 엔진의 크랭크축, 기차의 브레이크패드 등에 미리 설치되어 있다.
단계(S2)에서, 표면탄성파 센서 모듈(20)은, 자신의 안테나를 통하여 송신부(110)의 고주파 질의 신호를 무선 수신하면, 빗살무늬 트랜스듀서(IDT)가 역압전 효과에 의해 고주파(RF) 질의 신호와 같은 전기적 신호를 기계적 표면탄성파로 변환하여 표면탄성파 센서의 표면을 통하여 측정 부분에 전송된다. 이때, 표면탄성파 센서가 온도 의존성을 가지는데, 이는 측정 부분의 온도에 따라 상기 기계적 표면탄성파의 공진주파수, 위상, 전파속도(지연시간)에 영향을 미친다. 이러한 기계적 표면탄성파는, 다시 반사판에 의해 반사되어 빗살무늬의 트랜스듀서(IDT)로 돌아온다. 이때, 기계적 표면탄성파는, 압전효과에 의해 전기적 고주파 신호로 변환된다.
단계(S3)에서, 표면탄성파 센서의 빗살무늬 트랜스듀스와 반사판 사이를 왕복하는 기계적 표면탄성파는 서로 중첩되어서 일정한 주파수의 정상파를 형성하게 된다.
단계(S4)에서, 표면탄성파 센서 모듈(20)은, 이러한 정상파의 전기적 고주파 신호를 고주파 응답 신호로서 리더 모듈(10)의 안테나(117)에 무선 전송한다.
단계(S5)에서, 리더 모듈(10)의 수신부(120)에서 표면탄성파 센서 모듈(20)의 고주파 응답 신호를 수신하면, 수신부(120)의 RSSI 디텍터(128)는, 송신부(110)에서 송신하는 버스트 질의 고주파 신호와, 수신부(120) 수신하는 표면탄성파 센서 모듈(20)의 고주파 응답 신호의 전력을 비교하여 수신신호세기(RSSI)로서 출력한다. 또 다른 방법으로는 송신부(110)에서 송신하는 버스트 질의 고주파신호와 무관하게 표면탄성파 센서 모듈(20)의 반향파만을 증폭하여 그 신호만을 수신신호세기(RSSI)로서 출력할 수도 있다.
수신부(120)의 마이크로프로세서(MCU)(130)에서는, 상기 고주파 응답 신호를 신호처리함으로써 고주파 응답 신호의 위상, 주파수, 지연시간의 변화를 분석한다. 버스트 질의 신호와 표면탄성파 센서 모듈의 반사신호를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform: FFT)을 적용하여 각각의 중심주파수를 계산하고 그 중심주파수의 차이로 부터 표면탄성파 센서 모듈(20)의 온도를 계산하게 된다.
이와 동시에 마이크로프로세서(MCU)(130)에서는, RSSI 디텍터(128)에서 얻어진 수신신호세기(received signal strength indication: RSSI)를 분석하여 도 6에 도시된 바와 같은, 리더 모듈(10)과 표면탄성파 센서 모듈(20) 사이의 거리와, 표면탄성파 모듈(20)에서의 고주파 신호의 수신신호세기(RSSI)의 관계를 바탕으로 측정 부분의 위치를 계산한다. 이후, 수신부(120)는, 패킷 형태의 온도 데이터와 함께 위치 데이터를 통신 수단, 예를 들어 시리얼 통신 유에스비(USB) 컨버터를 통하여 모니터부(30)에 전송한다.
단계(S6)에서, 모니터부(30)는, 리더 모듈(10)의 수신부(120)로부터 전송 받은 데이터를, 온도 모니터링 작업자가 인식할 수 있는 형태의 온도, 위치 값으로 변환하여 모니터 화면에 디스플레이한다. 이때, 온도, 위치를 선택적으로 디스플레이하거나, 위치만을 디스플레이하거나, 온도와 위치를 모두 디스플레이하는 것이 가능하다.
1: 온도 및 거리 동시 측정 시스템
10: 리더 모듈
20: 표면탄성파 센서 모듈
30: 모니터부
110: 송신부
111: 전압 제어 발진기(VCO)
112,118: 대역통과필터
113: 펄스 컨트롤러
114: SPST 스위치부
114a: SPST ON 스위치
114b: SPST OFF 스위치
115: 전력증폭기
116: 스플리터/컴바이너(splitter/combiner)
117: 안테나
120: 수신부
121: 대역통과필터
123: SPST 스위치부
123a: SPST ON 스위치
123b: SPST OFF 스위치
124: 저잡음 증폭기
125: 혼합기(mixer)
126: 중간주파 증폭기
127: 중간주파수 필터
128: RSSI 디텍터
128a: 제1 로그값 검출기
128b: 제2 로그값 검출기
128c: 제1 증폭기
128d: 제2 증폭기
129: A/D 컨버터
130: 마이크로프로세서(MCU)
131: 시리얼 통신 USB 변환부

Claims (7)

  1. 리더 모듈, 측정 부분에 설치된 표면탄성파 센서 모듈, 및 모니터부를 갖는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 측정 시스템에 있어서,
    상기 리더 모듈은, 상기 표면탄성파 센서 모듈에 온도 측정에 필요한 고주파 질의 신호를 송신하는 송신부와, 상기 표면탄성파 센서 모듈로부터 고주파 응답 신호를 수신하는 수신부를 가지며,
    상기 수신부는, 상기 표면탄성파 센서 모듈로부터 고주파 응답 신호를 수신하여 상기 고주파 질의 신호와 상기 고주파 응답 신호 각각의 중심주파수를 계산하고 나서 그 중심주파수 간의 차이로부터 상기 측정 부분의 온도 데이터를 계산하고, 동시에 리더 모듈에서 수신부로 전송되는 고주파 신호의 송신 전력과 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력을 비교함으로써 수신신호세기(RSSI)를 측정하여 상기 표면탄성파 센서 모듈과 상기 리더 모듈 사이의 거리와의 관계에 따라 상기 측정 부분의 위치 데이터를 계산하고,
    상기 모니터부는, 상기 수신부로부터 상기 온도 데이터와 위치 데이터를 전송 받아 온도 값과 위치 값을 모니터 화면에 선택적으로 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리더 모듈이 1개 이상 복수개인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면탄성파 센서 모듈이 1개 이상 복수개인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리더 모듈은, 수신신호세기(RSSI) 디텍터를 구비하며, 상기 수신신호세기(RSSI) 디텍터는, 상기 리더 모듈에서 수신부로 송신하는 고주파 신호의 송신 전력과, 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력을 비교하여 수신신호세기(RSSI)로서 출력하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 리더 모듈은, 수신신호세기(RSSI) 디텍터를 구비하며, 상기 수신신호세기(RSSI) 디텍터는, 표면탄성파 센서 모듈로부터 수신부에 수신되는 수신 전력만을 수신신호세기(RSSI)로서 출력하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 수신신호세기(RSSI) 디텍터는, 고주파 전력 비교기인 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모니터부는, 모니터 화면에 온도 값과 위치 값 중 어느 하나 이상을 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템.
KR1020140015388A 2014-02-11 2014-02-11 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템 KR101552283B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140015388A KR101552283B1 (ko) 2014-02-11 2014-02-11 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140015388A KR101552283B1 (ko) 2014-02-11 2014-02-11 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150094861A KR20150094861A (ko) 2015-08-20
KR101552283B1 true KR101552283B1 (ko) 2015-09-14

Family

ID=54058047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140015388A KR101552283B1 (ko) 2014-02-11 2014-02-11 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101552283B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220140126A (ko) * 2021-04-09 2022-10-18 김규태 온도 측정 장치 및 그 제조 방법

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101648803B1 (ko) * 2016-02-17 2016-08-17 삼덕전기 주식회사 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반)의 무선 온도검출 시스템
KR102633538B1 (ko) 2016-03-25 2024-02-06 엘지이노텍 주식회사 센서 모듈 및 이의 동작 방법
KR101844806B1 (ko) * 2016-05-17 2018-04-03 한빛이디에스(주) Saw소자를 이용한 무선 온도 측정 장치
KR102483328B1 (ko) * 2017-11-13 2022-12-30 삼성전자주식회사 복수개의 전자 장치들 간의 거리 측정 방법 및 그에 따른 전자 장치
CN113155306B (zh) * 2021-01-18 2023-11-10 国网吉林省电力有限公司长春供电公司 高压电力电缆接头内置式无源无线感温传感器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000028710A (ja) 1998-07-13 2000-01-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd スペクトラム拡散方式による距離測定システム
JP2005134994A (ja) 2003-10-28 2005-05-26 Sony Corp 無線応答測定システム及び無線応答測定方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000028710A (ja) 1998-07-13 2000-01-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd スペクトラム拡散方式による距離測定システム
JP2005134994A (ja) 2003-10-28 2005-05-26 Sony Corp 無線応答測定システム及び無線応答測定方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220140126A (ko) * 2021-04-09 2022-10-18 김규태 온도 측정 장치 및 그 제조 방법
KR102577404B1 (ko) * 2021-04-09 2023-09-11 김규태 온도 측정 장치 및 그 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150094861A (ko) 2015-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101552283B1 (ko) 표면탄성파 센서를 이용한 온도 및 거리 동시 측정 시스템
US11555922B2 (en) Object detection device
EP2771844B1 (en) Rfid-based devices and methods for interfacing with a sensor
KR101844806B1 (ko) Saw소자를 이용한 무선 온도 측정 장치
GB2356055A (en) Apparatus and method for interrogating a passive sensor
CN104142191B (zh) 真空隔离断路器在线测温系统
CN103279777A (zh) 一种无线声表面波测温系统读写器
US8829924B2 (en) Method and apparatus for monitoring physical properties
CN108344800B (zh) 基于无线无源声表面波传感器的温度检测系统及收发系统
JP2011232055A (ja) 移動体周辺監視システム
JP4615599B2 (ja) 内燃機関におけるシリンダ圧を測定するための測定システム
CN203260051U (zh) 一种无线声表面波测温系统读写器
CN107192473A (zh) 基于相控阵天线的声表面波温度检测系统及检测方法
KR100778651B1 (ko) 타이어 압력 감지 시스템 및 타이어 압력 감지 방법
KR100807843B1 (ko) 타이어 압력 감지 시스템용 무선 송신기
CN102884442A (zh) 用于在调频的雷达系统中的干扰抑制的系统和方法
CA2924586C (en) Passive wireless sensor
JP2017096841A (ja) 無給電ワイヤレスセンサおよびそれを用いた計測システム並びに計測システムの検知方法
JP2017003318A (ja) 温度センサ
Lee et al. Wireless surface acoustic wave temperature monitoring system with RF burst signal
KR102633080B1 (ko) 적어도 하나의 saw 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법
KR20150034470A (ko) 전파 토모그래피 시스템에서 위상 측정 장치 및 방법
KR102405261B1 (ko) 자동차-디바이스 거리 측정 시스템
RU2353061C1 (ru) Устройство для контроля параметров каналов радиосвязи
Viikari et al. Optimized signal processing for FMCW interrogated reflective delay line-type SAW sensors

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180903

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190827

Year of fee payment: 5