KR20010036293A - 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 감도 보상 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감도를 보상할 수 있는 볼로미터(Bolometer)형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 감도 보상 방법에 관한 것으로, 기준 전압과 감지 전압의 차를 증폭하여 출력하는 증폭부와, 정상 시의 상온과 고온의 증폭부의 출력값(Vr1, Vr2) 및 증폭 이득(A)을 저장하고 있다가, 상온일 때와 고온일 때의 증폭부의 출력신호(V01, V02) 및 증폭 이득(A')를 구하고 기 저장된 값(Vr1, Vr2, A)과 비교 판단하여 상기 증폭부의 증폭 이득 및 오프셋(ΔV)을 보상하여 적외선 량 및 온도를 감지하는 마이콤을 구비하여 다음의 식에 의해 감도를 보상하는 방법이다.

,

여기서, V0는 실제 적외선 감지 값, V0는 보상된 값이다.

따라서, 정확하게 적외선을 감지할 수 있다.

Description

볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 감도 보상 방법{Apparatus for determining a temperature using a Bolometer type Ifrared Rays sensor and method for compensating a sensetivity of the same}

본 발명은 볼로미터(Bolometer)형 적외선(Infrared Rays) 센서(sensor)를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것으로, 특히 감도를 보상할 수 있는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 징치 및 감도 보상 방법에 관한 것이다.

사회가 복잡해지고 과학이 발전함에 따라, 환경 및 주위의 변화를 감지하여 자동으로 경보해주고 감지된 결과에 따라 자동 제어하는 시스템들이 널리 사용되고 있다. 이와 같은 시스템들이 대표적인 것들이 화재 경보기, 침입경보기, 조리기의 온도 측정기, 인동 위성용 및 의료 진단용 추적 장치, 또는 적외선 현미경 등이다.

이와 같은 시스템에서 주위 환경 및 온도 등의 변화를 센싱하기 위한 소자로 사용되는 것들이 적외선 센서(Infrared Rays Sensor)이다.

상기 적외선 센서는 크게 써모파일형 센서(Thermopile type sensor)와 볼로미터형 센서(Bolometer type sensor)로 구분할 수 있다.

상기 써모파일형 센서와 볼로미터형 센서는 구성면에서 거의 유사하지만, 써모파일형 센서는 적외선 입사시 전압을 가변하고, 볼로미터형 센서는 적외선 입사시 저항값이 가변한다.

이와 같은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 회로적 구성도이다.

종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 직렬 연결되고 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압(V1)을 출력하는 보상 센서(1) 및 감지 센서(2)와, 상기 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 직렬 연결되고 상기 보상 센서(1) 및 감지 센서(2)에 병렬 연결되어 제 2 분압 전압(V2)을 출력하는 제 1, 제 2 저항(R1, R2)과, 피드백(Feedback)을 무시하기 위하여 상기 제 2 분압을 버퍼링하는 버퍼(3)와, 상기 제 1 분압 전압과 상기 버퍼(3)를 통한 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동증폭기(4)와, 상기 차동증폭기(4)의 증폭 이득을 조절하기 위하여 상기 버퍼(3)와 차동증폭기(4)의 반전단자(-) 사이 및 상기 차동증폭기(4)의 출력단과 반전단자(-) 사이에 각각 연결되는 제 3, 제 4 저항(R3, R4)를 구비하여 구성된다.

여기서, 감지 센서(2)는 적외선 량을 감지하여 적외선의 양에 따라 저항 값이 가변되고, 상기 보상 센서(1)는 상기 감지 센서(Rb)와 동일한 구성은 갖고 있으나 적외선이 조사되지 않은 상태에서 주위 온도를 보상하기 위한 것이다. 따라서, 적외선이 상기 감지 센서에만 조사되고 상기 보상 센서에는 조사되지 않도록 되어 있다. 그리고, 제 2 분압 전압(V2)은 상기 버퍼(3)를 통해 차동증폭기(4)의 반전단자에 입력되고, 제 1 분압 전압(V1)은 차동증폭기(4)의 비반전단자(+)에 입력되며, 제 4 저항(R4)은 차동증폭기(OP1)의 출력을 차동증폭기(OP1)의 반전단자(-)에 피드백한다.

이와 같이 구성된 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 동작은 다음과 같다.

종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 각 센서마다 편차가 존재하므로 그 편자를 보상하기 위하여 두 개의 저항(R3, R4)을 이용하였다.

즉, 도 1에서 각 분압 전압(V1, V2) 및 차동증폭기(OP1)의 출력 전압(V0)는 다음과 같다.

V0 =(V1 - V2) + V1 이고, 증폭기(4)의 증폭율(A)은이 된다.

여기서, Rc는 보상 센서(1)의 저항값이며, Rb는 감지 센서(2)의 저항값이다.

따라서, 적외선이 상기 감지 센서에 조사되면, 적외선 조사 양에 따라 감지 센서(Rb)의 저항값이 증가되므로 V1의 전압도 증가하게 된다. 하지만, 증가되는 양이 아주 미세하므로 상기 차동증폭기(4)가 상기 두 전압 차를 증폭하여 출력한다.

따라서, 상기 차동 증폭기(4)에서 출력되는 전압에 의해 적외선을 감지하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서는 각 센서마다 편차가 존재하기 때문에 적외선 센싱에 오차가 발생하게 된다. 따라서, 각 센서의 편차에 의한 에러를 보상하기 위하여 두 개의 저항(R3, R4)를 이용하였다.

즉, 전자 레인지 등의 조리기에 센서를 장착한 후 상기 증폭기의 증폭률을 조정하기 위하여 검사 장비에서 상기 저항(R4)값을 조정하여 각 센서의 편차를 보정하였다.

그러나 이와 같은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 상기에서 설명한 바와 같이, 제조 회사에서 조리기기에 설치 후, 단 한번에 의해 각 센서의 편차 및 증폭기의 오프셋을 저항을 이용하여 보상이 이루어지므로 장시간 사용에 의한 센서의 편차 및 증폭기의 오프셋에 따른 감도 보상이 불가능하였다.

따라서, 장시간 사용시에는 감도가 저하되므로 정확한 적외선 량 및 온도 측정이 불가능하였다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 수시로 센서의 편차 및 증폭기의 오프셋을 보상할 수 있는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 감도 보상 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도

도 2는 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 구성도

도 3은 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상 방법을 설명하기 위한 그래프

도 4은 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상 방법을 설명하기 위한 동작 순서도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 보상 센서 2 : 감지 센서

4 :증폭기 5 : 마이콤

6 : 온도판 7 : 구동부

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 기준 전압을 출력하는 기준 전압 공급부와, 적외선 량을 감지하여 감지 전압을 출력하는 센싱부와, 상기 기준 전압과 감지 전압의 차를 증폭하여 출력하는 증폭부와, 상온판 및 고온판을 상기 센싱부가 감지할 수 있는 위치로 이동시키는 온도판 구동부와, 정상 시의 상온과 고온의 증폭부의 출력값(Vr1, Vr2) 및 증폭 이득(A)을 저장하고 있다가, 상기 온도판 구동부를 제어하여 상온일 때와 고온일 때의 증폭부의 출력신호(V01, V02) 및 증폭 이득(A')를 구하고 기 저장된 값(Vr1, Vr2, A)과 비교 판단하여 상기 증폭부의 증폭 이득 및 오프셋을 보상하여 적외선 량 및 온도를 측정하는 마이콤을 포함하여 구성됨에 그 특징이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상 방법은 정상 동작시 제 1, 제 2 온도의 입력값(Vr1, Vr2)과 폭 이득(A)을 저장하는 제 1 단계와, 상기 제 1, 제 2 온도의 적외선 량 감지 전압(V01, V02)을 인식하는 제 2 단계와, 상기 제 1 단계의 제 1 온도의 입력값(Vr1)과 상기 제 2 단계의 제 1 온도의 감지 전압(V01)의 차를 구하여 오프셋(ΔV)을 구하는 제 3 단계와, 상기 제 2 단계에서의 감지 전압 증폭 이득(A')을 구하는 제 4 단계와, 상기 증폭 이득(A, A') 및 값 오프셋을 이용하여 실제 감지된 값을의 식으로 보상하는 제 5 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 감도 보상 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 구성도이다.

본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 직렬 연결되고 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압(V1)을 출력하는 보상 센서(1) 및 감지 센서(2)와, 상기 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 직렬 연결되고 상기 보상 센서(1) 및 감지 센서(2)에는 병렬 연결되어 제 2 분압 전압(V2)을 출력하는 제 1, 제 2 저항(R1, R2)와, 상기 제 1 분압 전압과 상기 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동증폭기(4)와, 상온판 및 고온판을 구비하여 일정한 온도를 출력하는 온도판(6)과, 상기 온도판(6)을 구동하는 구동부(7)와, 물체의 적외선 센싱 전에 상기 구동부(7) 및 온도판(6)을 제어하여 온도판(6)의 온도를 감지 센서(2)가 읽어내도록 하고 그때의 증폭기(4)의 출력을 기준 데이터와 비교하여 증폭기의 오프셋을 보정하고 물체의 적외선 량 및 온도를 측정하는 마이콤(5)을 구비하여 구성된다.

여기서, 감지 센서(2)는 적외선을 감지하여 적외선의 양에 따라 저항 값이 가변되고, 상기 보상 센서(1)는 상기 감지 센서(2)와 동일한 구성은 갖고 있으나 적외선이 조사되지 않은 상태에서 주위 온도를 보상하기 위한 것이다. 따라서, 적외선이 상기 감지 센서에만 조사되고 상기 보상 센서에는 조사되지 않도록 되어 있다. 그리고, 제 1 분압 전압(V1)은 상기 증폭기(4)의 비반전단자(+)에 입력되고, 제 2 분압 전압(V2)은 증폭기(4)의 반전단자(-)에 입력된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상을 설명하기 위한 적외선 량과 증폭기의 출력을 니타낸 그래프이고, 도 4은 본 발명 일 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상 방법을 설명하기 위한 동작 순서도이다.

먼저, 도 2에서 상기 각 분압 전압(V1, V2) 및 증폭기(4)의 출력 전압(V0)는 다음과 같다.

V1 =× Vcc,

V2 =× Vcc, 그리고

V0 = A(V1 - V2)이다.

여기서, A는 증폭기(4)의 증폭 이득이고, Rc는 보상 센서(1)의 저항값이며, Rb는 감지 센서(2)의 저항값이다.

따라서, 상기 증폭기는 증폭 이득(A)으로 제 1, 제 2 분압 전압의 차를 증폭하여 출력한다. 그러나 종래 기술에서 언급한 바와 같이, 장시간 사용하면 상기 증폭기의 증폭 이득이 떨어지기 때문에 감도가 저하된다.

도 3에서, X는 정상 동작시의 증폭기의 출력이고, Z는 장시간 사용으로 인하여 증폭기의 출력이 감소된 상태를 나타낸 것이다.

즉, 정상 동작 시, 상온에서의 적외선 량을 감지할 경우 증폭기(4)는 Vr1의 전압을 출력하고, 고온에서의 적외선을 감지할 경우 증폭기(4)는 Vr2의 전압을 출력한다. 그러나, 장시간 사용으로 인하여 증폭기(4)의 증폭 이득이 감소하면 상온에서 적외선을 감지할 경우 증폭기(4)는 V01의 전압을 출력하고, 고온에서 적외선을 감지할 경우 증폭기(4)는 V02의 전압을 출력하게 된다. 이와 같이 증폭기(4)가 증폭 이득이 감소하여 Z와 같은 전압을 출력하더라도 마이콤(5)이 이를 인식하여 증폭기(4)의 출력에 증폭 이득을 도 3의 Y와 같이 보상하고, Vr1과 V01 전압의 차 만큼을 보상하면 정상적인 온도를 측정할 수 있다.

그 구체적인 설명은 다음과 같다.

먼저, 마이콤(5)은 상기 도 3에서 X와 같이 정상적인 증폭률을 갖을 때, 상온과 고온일 때의 증폭기(4)의 출력 전압(Vr1, Vr2)과 증폭기의 증폭 이득(A)(도 3에서 X의 기울기)을 저장한다(S1).

그리고, 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 장시간 사용으로 인하여 센서 및 증폭기의 감도가 도 3의 Z와 같이 저하되었다고 가정하여, 상온 온도판(6)을 상기 감지 센서(3)에 위치시켜 적외선 량을 감지하고(S2)(이 때 증폭기(4)에서 출력되는 전압을 V01이라 한다), 계속해서 상온 온도판(6)을 제거하고 고온 온도판(6)을 상기 감지 센서(3)에 위치시켜 적외선을 감지한다(이 때 증폭기(4)에서 출력되는 전압을 V02라 한다)(S3).

따라서, 기 저장된 상온에서의 증폭기(4)의 출력 전압(Vr1)과 장 시간 사용 후 상온에서의 증폭기(4)의 출력 전압(V01)의 차를 구하여 오프셋 전압(Vr1-V01)을 구한다(S4). 즉 도 3에서 ″ΔV″이다.

그리고, 이와 같이 상온일 때의 증폭기(4)의 출력전압(V01)과 고온일 때의 증폭기(4)의 출력 전압(V02)을 마이콤(5)이 입력하여 두 전압 차(V02-V01) 및 기 저장된 값(Vr1, Vr2, A)를 이용하여 이 때의 증폭기(4)의 증폭 이득(A')을 구한다(S5).

이와 같이 오프 셋과 증폭 이득(A')을 구하고 이를 이용하여 증폭기의 감도 및 오프셋을 보상한다(S6).

즉, 도 3에서 Z와 같이 증폭기(4)가 전압을 출력한다고 하면 이 증폭기의 출력 전압에 (A/A')의 증폭 이득을 보상해 주면 도 3의 Y와 같은 전압이 되고, 여기서 오프셋을 더하여주면 도 3의 X와 같이 정상적인 값으로 보상된다.

이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, V0'는 보상된 전압값이며, V0는 증폭기의 출력전압이고, ΔV는 오프셋 값이다.

이와 같이 현재의 증폭기의 증폭 이득 및 오프셋을 구하여 실제 적외선 센싱 시 감도 및 오프셋을 보상하는 단계는 메인 전원이 온 될 때마다 할 수 있고 일정 기간에 한번씩 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 감도 보상 방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

종래는 제조 회사에서 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치를 조리기기에 설치 후, 단 한번에 의해 각 센서의 편차 및 증폭기의 오프셋을 저항을 이용하여 보상이 이루어지므로 장시간 사용에 의한 센서의 편차 및 증폭기의 오프셋에 따른 감도 보상이 불가능 하였으나, 본 발명에서는 마이콤을 이용하여 정상 동작시의 상온 및 고온의 출력과 증폭 이득을 저장하고 있다가 상온과 고온에서 측정된 값과 그 때의 증폭 이득을 구하여 오프셋 및 감도를 보상하므로 장시간 사용 후에도 감도를 수시로 보상할 수 있다. 따라서, 정확한 온도를 감지할 수 있다.

Claims (3)

1. 기준 전압을 출력하는 기준 전압 공급부와,

   적외선 량을 감지하여 감지 전압을 출력하는 센싱부와,

   상기 기준 전압과 감지 전압의 차를 증폭하여 출력하는 증폭부와,

   저온판 및 고온판을 상기 센싱부가 감지할 수 있는 위치로 이동시키는 온도판 구동부와,

   정상 시의 상온과 고온의 증폭부의 출력값(Vr1, Vr2) 및 증폭 이득(A)을 저장하고 있다가, 상기 온도판 구동부를 제어하여 상온일 때와 고온일 때의 증폭부의 출력신호(V01, V02) 및 증폭 이득(A')를 구하고 기 저장된 값(Vr1, Vr2, A)과 비교 판단하여 상기 증폭부의 증폭 이득 및 오프셋을 보상하여 적외선 량 및 온도를 측정하는 마이콤을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이콤은 기 저장된 값(Vr1, Vr2, A)과 구해진 값(V01, V02)을 이용하여,)의 식으로 증폭 이득(A')을 구하고, Voffset = Vr1-V01의 식으로 오프셋(Voffset)을 구하여,의 식으로 감도를 보상(V0')함을 특징으로 하는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치.
3. 정상 동작시 제 1, 제 2 온도의 입력값(Vr1, Vr2)과 폭 이득(A)을 저장하는 제 1 단계와,

   상기 제 1, 제 2 온도의 적외선 감지 전압(V01, V02)을 인식하는 제 2 단계와,

   상기 제 1 단계의 제 1 온도의 입력값(Vr1)과 상기 제 2 단계의 제 1 온도의 감지 전압(V01)의 차를 구하여 오프셋(ΔV)을 구하는 제 3 단계와,

   상기 제 2 단계에서의 감지 전압 증폭 이득(A')을 구하는 제 4 단계와,

   상기 증폭 이득(A, A') 및 값 오프셋을 이용하여 실제 감지된 값을 다음식으로 보상하는 제 5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 감도 보상 방법.

   여기서, V0'는 보상된 전압값이며, V0는 실제 감지된 값이다.