KR101844806B1 - Saw소자를 이용한 무선 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SAW소자를 구성하는 기판의 온도 변화에 따른 물리적 특성에 의해 변하는 공진주파수 변화를 감지함에 의해 온도를 감지하는 SAW소자를 이용한 무선온도 감지기에 관한 으로, 안테나를 통해 인가된 AC신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT와, IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 안테나로 방출하는 반사판으로 이루어지며, 온도변화에 의해 물리적 특성 변형에 의해 변형된 진동특성을 갖는 SAW소자와; 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 상기 SAW소자에 전송하고, SAW소자로부터 출력되는 반사파 중 온도변화에 따라 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 진동특성에 따라 변형된 주파수와 일치하여 증폭된 공진주파수를 감지하여 기 설정된 주파수와 대비함에 의해 SAW소자가 설치된 장소의 온도를 감지하는 판독기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

SAW소자를 이용한 무선 온도 측정 장치{wireless temperature measurement device using surface acoustic wave device}

본 발명은 SAW소자를 구성하는 기판의 온도 변화에 따른 물리적 특성에 의해 변하는 공진주파수 변화를 감지함에 의해 온도를 감지하는 SAW소자를 이용한 무선온도 감지기에 관한 것이다.

통상적으로 기계장치나 전기/전자 장비들은 작동하는 과정에서 많은 열을 발생시키고, 이러한 열은 장치들의 구동에 많은 영향을 줄 뿐만 아니라, 장치의 고장 원인이 된다.

이에 따라 기계 또는 전기 전자 장치에는 온도를 감지하여, 장치가 최적의 온도 상태에서 작동될 수 있도록 온도감지수단을 구비하고 있다.

온도감지수단으로는 온도를 감지하기 위한 장치의 특성에 따라 다양한 것이 있으나, 최근에 많이 사용되는 온도감지수단으로는 구조가 단순하여 설치가 용이할 뿐만 아니라, 정밀도가 높은 전자식 온도계가 많이 사용되고 있다.

또한, 용광로나 사람이 출입하기 어려운 좁은 공간에도 온도감지수단이 설치되어 있고, 이러한 장소에 설치된 온도감지수단은 사람이 일일이 온도를 확인할 수 없으므로 원격으로 감지된 온도를 확인할 수 있는 온도감지장치가 사용되고 있다.

원격에서 온도를 확인할 수 있는 온도감지와 관련된 기술로는 다양한 것이 있고 그 예로는 특허문헌 1 내지 3이 있다.

특허문헌 1 내지 3을 비롯한 종래의 원격 온도 감지 장치들은 무선으로 감지된 온도를 전송하는 장치들로, 사용자가 온도감지 공간에 직접 방문하지 않고 온도를 확인할 수 있는 장점이 있다.

그러나 이러한 종래의 무선 온도 감지 기술은 감지된 온도 정보를 송수신하는 거리에 한계가 따르는 문제가 있다.

한편, SAW(surface acoustic wave)소자를 이용한 다양한 센서들이 개발되고 있으나, 이를 이용한 온도를 감지하는 기술은 없었다.

대한민국 공개특허 제10-1999-0067442호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, SAW소자를 구성하는 기판의 온도 변화에 따른 물리적 특성에 의해 변하는 공진주파수 변화를 감지함에 의해 온도를 감지하는 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치는 안테나를 통해 인가된 AC신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT와, IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 안테나로 방출하는 반사판으로 이루어지며, 온도변화에 의해 물리적 특성 변형에 의해 변형된 진동특성을 갖는 SAW소자와; 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 상기 SAW소자에 전송하고, SAW소자로부터 출력되는 반사파 중 온도변화에 따라 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 진동특성에 따라 변형된 주파수와 일치하여 증폭된 공진주파수를 감지하여 기 설정된 주파수와 대비함에 의해 SAW소자가 설치된 장소의 온도를 감지하는 판독기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 판독기는, 상기 SAW소자로부터 출력되는 반사파를 안테나를 통해 수신하는 수신부와; 상기 SAW소자에 전송할 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 안테나로 전송하는 송신부와; 상기 수신부에서 수신된 신호를 공진주파수를 기 설정된 주파수와 대비하여 주파수에 따른 온도를 검출하는 연산처리부를 포함한다.

상기 판독기의 수신부와 송신부 사이에는 안테나를 통해 송신되는 신호와 수신되는 신호가 간섭을 일으키지 않고 연산처리부에 전송될 수 있도록 수신모드와 송신모드를 전환하는 스위칭부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 수신부는, 안테나로부터 수신된 반사파를 증폭하는 하나 이상의 증폭기와; 온도변화에 따라 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 진동특성에 따라 변형된 주파수와 일치하여 증폭된 공진주파수만을 통과시키는 하나 이상의 필터와; 증폭 및 필터링된 공진주파수의 반사파의 크기에 비례하는 DC전압을 연산처리부로 출력하는 전압변환회로를 포함한다.

상기 송신부는, 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 생성하는 Tx-PLL과; Tx-PLL에서 생성된 신호 중 SAW센서의 온도에 따른 물리적 특성의 변화에 의해 변하는 주파수대역의 신호만을 안테나로 출력시키는 하나 이상의 필터와; Tx-PLL에서 생성된 신호를 증폭시켜 안테나로 전송하는 증폭기를 포함한다.

상기 연산처리부는 Tx-PLL로부터 출력되는 송신신호가 수신부에 영향을 주는 것을 방지할 수 있도록 Tx-PLL로부터 송신신호가 출력됨과 동시에 Tx-PLL에 공급되는 전원을 차단하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치는 사람이 출입할 수 없는 장소의 온도를 원격으로 감지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 측정 장치의 출력 전력과 수신감도를 조절함에 의해 먼 거리에서 높은 정확도를 갖는 온도측정시스템을 구현할 수 있고, 특히, 전력설비 등 사람이 근접하기 어려운 곳의 온도를 원거리에서 보다 용이하고 정확하게 계측할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치를 구성하는 SAW소자의 측면도
도 3은 SAW소자의 온도변화에 따른 주파수 변화를 도시한 그래프
도 4는 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치를 구성하는 판독기의 블록도
도 5는 판독기의 송신신호 파형을 도시한 도표
도 6은 판독기에서 수신한 반사파의 형태
도 7은 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치를 이용하여 측정된 온도변화에 따른 주파수 변화를 도시한 그래프

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, SAW소자(10)와, SAW소자의 열에 의한 특성 변환에 따른 탄성파 주파수 변화로부터 온도를 측정하는 판독기(20)를 포함한다.

이하의 설명에서, 온도변화에 따라 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 주파수를 "변형주파수"라 통칭하고, 판독기로부터 SAW소자로 전송된 송신신호 주파수 중 변형주파수와 동일한 주파수 신호를 "공진주파수"라 한다.

상기 SAW소자(10)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 안테나를 통해 인가된 AC신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT(Inter-Digital Transducer)(10t)와, 상기 IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 안테나로 방출하는 반사판(10r)으로 이루어진다.

이러한 SAW소자(10)는 다양한 분야에 사용되는 통상의 SAW소자와 동일한 구성 및 작용을 하는 것으로, 상기 IDT(10t)는 압전기판(Piezoelectric)(10p) 위에 증착되어 있고, IDT의 전극에 신호를 입력하면 IDT내에서 표면탄성파가 발생한다.

상기 IDT의 일측에는 IDT로부터 출력되는 표면탄성파를 반사시키는 반사판(10r)이 설치되어 있다.

이러한 SAW소자(10)는 도 2에 도시한 바와 같이, 주변 온도가 변하면 물리적 특성의 변형이 일어나게 되고, 도 3에 도시한 바와 같이 주파수 특성도 변화된다.

이에 따라 온도 변화에 따라 달라진 SAW소자(10)의 변형주파수를 찾으면 SAW소자(10)가 설치된 장소의 온도를 알 수 있는 것이다.

이렇게 SAW소자(10)의 온도 변화에 따라 달라지는 진동주파수의 변화를 감지하기 위한 수단으로, 상기 판독기(20)를 구비하고 있다.

상기 판독기(20)는 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 상기 SAW소자(10)에 전송하고, SAW소자로부터 수신신호 중 SAW소자(10)로부터 출력되는 변형주파수와 동일한 주파수인 공진주파수를 감지하며, 감지된 공진주파수를 기 설정된 주파수와 대비하여 각 주파수에 대응되는 온도를 찾음에 의해 SAW소자가 설치된 장소의 온도를 감지하는 기능을 한다.

즉, 판독기(20)로부터 SAW소자로 송신된 송신주파수 중에는 SAW소자의 변형주파수와 동일한 공진주파수가 있고, 이 공진주파수가 변형주파수와 결합됨에 의해 해당 주파수의 반사파가 다른 반사파보다 크게 되며, 이 커진 주파수를 감지함에 의해 SAW소자가 설치된 장소의 온도를 감지할 수 있는 것이다.

상기 판독기(20)는 다양하게 변형하여 실시 할 수 있으나, 바람직한 예는 도 4에 도시한 바와 같이 구성된 것이다.

상기 판독기의 일예를 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.

상기 판독기(20)는, 상기 SAW소자(10)로부터 출력되는 반사파를 안테나를 통해 수신하는 수신부(21)와; 상기 SAW소자에 전송할 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 안테나로 전송하는 송신부(22)와; 상기 수신부에서 수신된 신호를 공진주파수를 기 설정된 주파수와 대비하여 주파수에 따른 온도를 검출하는 연산처리부(23)를 포함한다.

상기 수신부(21)는 온도에 의해 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 진동 특성에 따른 반사파를 수신하는 기능을 하는 것으로, 안테나로 수신된 반사파를 증폭하는 하나 이상의 증폭기(21a, 21i)를 포함한다.

증폭기들(21a, 21i) 중 저잡음증폭기(21a)는 SAW소자(10)의 안테나를 통해 송출되어 판독기(20)의 안테나로 수신한 반사파를 증폭시키는 기능을 하는 것으로, 무선으로 수신한 반사파 신호로부터 잡음을 제거할 수 있도록 저잡음증폭기가 사용된다.

또 다른 하나의 증폭기(21i)는 중간주파수증폭기로, 수신된 반사파의 주파수보다 낮추어진 중간주파수를 증폭하여 후단의 회로로 전송한다.

또한, 상기 수신부(21)는 상기 증폭기들과 필터들에 의해 증폭 및 필터링된 공진주파수에 해당하는 반사파 신호의 크기에 비례하는 DC전압을 연산처리부로 출력하는 전압변환회로(21h)를 구비하고 있다.

상기 전압변환회로(21h)는 수신된 공진주파수에 해당하는 반사파 신호 중 가장 큰 신호만을 DC전압으로 변환하는 피크홀드(Peak-hold)회로가 사용될 수 있다.

또한, 상기 수신부(21)의 전압변환회로(21h)의 전단에는 세라믹여파기(21c)를 더 설치하여 수신부로 수신되는 신호들 중에서 공진주파수의 선택도를 높일 수 있게 하였다.

또한 상기 수신부(21)에는 LO-PLL(21p)를 더 구비할 수 있다.

상기 LO-PLL(21p)은 수신한 반사파들 중 공진주파수가 다른 주파수와 간섭을 일으키지 않도록 주파수를 낮추기 위한 것으로, 여기서 발생된 주파수 신호는 주파수하향믹서(21m)를 통해 수신된 공진주파수와 합쳐져 수신된 공진주파수보다 낮은 주파수가 된다.

상기 주파수하향믹서(21m)의 출력(Fout)은 아래와 같다.

여기서, Fin은 수신부에서 수신한 공진주파수, Flocal은 LO-PLL에서 생성된 보정주파수

상기 송신부(22)는 SAW소자(10)에 온도 감지를 위한 신호를 송신하기 위한 수단으로, 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 생성하는 Tx-PLL(22p)과; Tx-PLL에서 생성된 신호 중 SAW센서의 온도에 따른 물리적 특성의 변화에 의해 변한 변환주파수 신호만을 안테나로 출력시키는 하나 이상의 필터(22f, 22b)와; Tx-PLL에서 생성된 신호를 증폭시켜 안테나로 전송하는 증폭기(22a)를 포함한다.

상기 Tx-PLL(22p)은 다양한 주파수 신호를 생성하는 신호 생성수단으로, 이 Tx-PLL(22p)에서 생성되는 신호의 주파수 대역은 SAW소자(10)가 열에 의해 변형되었을 때 변형되는 변형주파수의 대역과 같다.

상기 필터(22f, 22b)들은 저역통과필터(22f)와 대역통과필터(22b)이고, 상기 저역통과필터(22f)는 Tx-PLL(22p)의 고조파(harmonic) 성분을 제거하기 위한 것이고, 대역통과필터(22b)는 Tx-PLL(22p)에서 생성되는 신호의 주파수 대역 중, SAW소자(10)가 열에 의해 변형되었을 때 변형되는 변형주파수의 대역 이외의 주파수 신호를 제거하기 위한 것이다.

또한 상기 판독기(20)에는 스위칭부(24)를 더 구비하고 있다.

상기 스위칭부(24)는 도 4에 도시한 바와 같이, 수신부(21)와 송신부(22) 사이에 설치되며, 안테나를 통해 송신되는 신호와 수신되는 신호가 간섭을 일으키지 않고 연산처리부에 전송될 수 있도록 수신모드와 송신모드로 전환하는 기능을 한다.

상기 Tx-PLL(22p)로부터 출력되는 송신신호는 출력전력이 매우 커 수신부(21)에 영향을 중ㄹ 수 있다.

이에 따라 Tx-PLL(22p)로부터 출력되는 송신신호가 수신부에 영향을 주지 않게 하기 위하여 Tx-PLL로부터 송신신호가 출력됨과 동시에 Tx-PLL에 공급되는 전원을 차단하는 것이 바람직하며, Tx-PLL에 공급되는 전원의 차단은 연산처리부(23)의 제어에 의해 이루어질 수 있다.

상기 연산처리부(23)는 수신수 및 송신부를 제어하는 기능을 하는 것으로, 마이크로컴퓨터로 이루어지고, 상기한 바와 같이, 수신부(21)로 수신한 SAW소자로부터 수신된 공진주파수를 기 설정된 주파수에 대응되는 온도로 변환하여 온도가 검출한다.

상기 연산처리부(23)에는 SAW소자의 온도에 따른 물리적 특성 변화에 따라 달라지는 주파수 값과, 해당 주파수에 대응되는 온도 값이 저장되어 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치를 이용하여 온도를 측정하는 과정을 설명한다.

상기 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치의 설명에서 이미 설명하였듯이, 판독기(20)의 Tx-PLL(22p)로부터 출력되는 송신신호가 증폭 및 필터링된 상태로 안테나를 통해 SAW소자(10)의 안테나로 전송되면, SAW소자(10)의 IDT(10t)가 이 송신신호에 의해 탄성파를 발생시키고, 탄성파는 반사판(10r)에 의해 반사된다.

SAW소자는 온도에 따라 물리적 특성이 변하고, 물리적 특성의 변화는 탄성파의 주파수를 변하게 하여, SAW소자로부터 변형주파수가 발생된다.

온도에 대응하여 변형된 SAW소자의 변형주파수와 판독기로부터 송신된 송신신호의 주파수가 동일할 경우에는 도 6 (a)에 도시한 바와 같이 반사파가 커지지만, 변형주파수와 판독기로부터 송신된 송신신호의 주파수가 다를 경우에는 도 6 (b)에 도시한 바와 같이 반사파가 전혀 나타나지 않거나 작아진다.

이에 따라 SAW소자의 변형주파수와 일치되는 공진주파수를 찾고, 이 공진주파수에 대응되는 온도값을 찾음에 의해 SAW소자가 설치된 장소의 온도를 측정할 수 있는 것이다.

이러한 본 발명의 무선온도 측정 장치를 이용하여 실험한 결과, 도 7에 도시한 바와 같은 온도변화에 따라 주파수가 변하는 것을 알 수 있다.

10: SAW소자
10t: IDT 10r: 반사판
20: 판독기
21: 수신부
21a: 저잡음증폭기 21i: 중간주파수증폭기
21m: 주파수하향믹서 21l: 대역통과필터
21b: SAW필터 21c: 세라믹여파기
21h: 전압변환회로 21p: LO-PLL
22: 송신부
22p: Tx-PLL 22f: 저역통과필터
22b: 대역통과필터 22a: 증폭기
23: 연산처리부
24: 스위칭부

Claims (6)

1. 안테나를 통해 인가된 AC신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT와, IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 안테나로 방출하는 반사판으로 이루어지며, 온도변화에 의해 물리적 특성 변형에 의해 변형된 진동특성을 갖는 SAW소자와;
   설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 상기 SAW소자에 전송하고, SAW소자로부터 출력되는 반사파 중 온도변화에 따라 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 진동특성에 따라 변형된 주파수와 일치하여 증폭된 공진주파수를 감지하여 기 설정된 주파수와 대비함에 의해 SAW소자가 설치된 장소의 온도를 감지하는 판독기를 포함하되,
   상기 판독기는,
   상기 SAW소자로부터 출력되는 반사파를 안테나를 통해 수신하는 수신부와;
   상기 SAW소자에 전송할 설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 발생시켜 안테나로 전송하는 송신부와;
   상기 SAW소자의 온도에 따른 물리적 특성 변화에 따라 달라지는 주파수 값과, 해당 주파수에 대응되는 온도 값이 저장되며, 상기 저장된 온도 값을 통해 상기 수신부에서 수신된 신호의 공진주파수를 기 설정된 주파수와 대비하여 주파수에 따른 온도를 검출하는 연산처리부;를 포함하며,
   상기 수신부는,
   안테나로부터 수신된 반사파를 증폭하는 하나 이상의 증폭기와;
   온도변화에 따라 물리적 특성이 변형된 SAW소자의 진동특성에 따라 변형된 주파수와 일치하여 증폭된 공진주파수만을 통과시키는 하나 이상의 필터와;
   증폭 및 필터링된 공진주파수에 해당하는 반사파의 크기에 비례하는 DC전압을 연산처리부로 출력하는 전압변환회로;
   상기 전압변환회로 전단에 구비되고, 상기 수신부로 수신되는 신호들 중에서 상기 공진주파수의 선택도를 높일 수 있는 세라믹여파기; 및
   보정주파수가 발생되며, 주파수하향믹서를 통해 수신된 상기 공진주파수와 보정주파수가 합쳐져 공진주파수가 다른 주파수와 간섭을 일으키지 않도록 주파수를 낮추는 LO-PLL; 를 포함하고,
   상기 송신부는,
   설정된 범위의 주파수대역의 송신신호를 생성하는 Tx-PLL과;
   Tx-PLL에서 생성된 신호 중 SAW센서의 온도에 따른 물리적 특성의 변화에 의해 변화는 주파수대역의 신호만을 안테나로 출력시키는 하나 이상의 필터와;
   Tx-PLL에서 생성된 신호를 증폭시켜 안테나로 전송하는 증폭기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 판독기의 수신부와 송신부 사이에는 안테나를 통해 송신되는 신호와 수신되는 신호가 간섭을 일으키지 않고 연산처리부에 전송될 수 있도록 수신모드와 송신모드를 전환하는 스위칭부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 연산처리부는 Tx-PLL로부터 출력되는 송신신호가 수신부에 영향을 주는 것을 방지할 수 있도록 Tx-PLL로부터 송신신호가 출력됨과 동시에 Tx-PLL에 공급되는 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 SAW소자를 이용한 무선온도 측정 장치.

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