KR20010036295A - 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 - Google Patents

볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주위 온도에 영향을 받지 않고 정확하게 온도를 측정할 수 있는 볼로미터(Bolometer)형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것으로, 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압을 출력하는 감지 센서부와, 주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압을 출력하는 보상 센서부와, 상기 제 1, 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭부와, 상기 차동 증폭부의 출력과 상기 제 2 분압 전압을 입력하고 주변 온도를 보상하여 온도를 측정하는 마이콤을 포함하여 구성된다. 따라서 스위칭 소자 및 저항을 이용하지 않으므로 생산 단가 및 사이즈를 줄일 수 있다.

Description

볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치{Apparatus for determining a temperature using a Bolometer type Infrared Rays sensor}
본 발명은 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에 관한 것으로, 특히 주위 온도에 영향을 받지 않고 정확하게 온도를 측정할 수 있는 볼로미터(Bolometer) 센서의 주변 온도 보상 장치에 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 구성 면에서 거의 유사하지만, 써모파일형 센서는 적외선 입사 시 전압을 가변하고, 볼로미터형 센서는 적외선 입사시 저항값이 가변된다.
이와 같은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 볼로미터형 적외선 센서의 구성 단면도이고, 도 2은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 회로적 구성도이다.
일반적인 볼로미터형 적외선 센서의 구성은, 도 1과 같이, 기판(1)위에 보상 센서(2)와 감지 센서(3)가 각각 형성되고, 상기 보상 센서(2)와 감지 센서(3) 사이의 기판(1)에 열 차폐층(4)이 형성되어 있으며, 상기 감지 센서(3)위에 흑체(5)가 형성되고, 상기 보상 센서(2)에는 적외선에 입사되지 않고 감지 센서(3)에만 적외선이 입사되도록 하기 위하여 감지 센서(3) 상측에 적외선 입사 원도우(6)를 갖고 상기 센서(2, 3) 및 흑체(5)를 감싸도록 기판(1)위에 패캐지(7)가 형성된다. 그리고 기판(1) 하측에 상기 보상 센서(2) 및 감지 센서(3)의 리드(8)가 형성된다.
이와 같은 구조를 갖는 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 회로적 구성을 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 2와 같이, 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 직렬 연결되어 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압(V1)을 출력하는 보상센서(2) 및 감지 센서(3)와, 상기 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 상기 보상 센서(2) 및 감지 센서(3)에 병렬 연결되어 제 2 분압 전압(V2)을 출력하는 제 1, 제 2 저항(R1, R2)과, 상기 제 1, 제 2 분압 전압(V1, V2)을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭기(6)를 구비하여 구성된다.
여기서, 감지 센서(3)는 적외선 량을 감지하여 적외선의 양에 따라 저항 값이 가변되고, 상기 보상 센서(2)는 상기 감지 센서(3)와 동일한 구성은 갖고 적외선이 조사되지 않은 상태에서 주위 온도를 보상하기 위한 것이다.
따라서, 적외선이 상기 감지 센서(3)에만 조사되고 상기 보상 센서(2)에는 조사되지 않도록 되어 있다.
이와 같이 구성된 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 도 2에서 각 분압 전압(V1,V2) 및 차동 증폭기(6)의 출력 전압(V0)은 다음과 같다.
,
그리고
V0 = A(V1 - V2)이다.
여기서, A는 차동 증폭기의 증폭 이득이고, Rc는 보상 센서(2)의 저항값이며, Rb는 감지 센서(3)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 차동 증폭기(6)가 상기 두 전압 차를 증폭하여 출력한다.
따라서, 상기 차동 증폭기에서 출력되는 전압에 의해 적외선을 감지하게 된다.
그러나, 도 2와 같은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에서는 주변 온도에 따라 출력 값이 가변될 수 있으므로 보다 정확하게 적외선 량 및 온도를 측정하기 어려웠다.
다시 말하면, 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 2개의 저항과 보상 센서 및 감지 센서를 이용하여 분압 전압을 구하고 이를 차동 증폭하여 출력하였으나, 상기 보상 센서 및 감지 센서가 주위의 온도에 따라 저항 값이 변하게 되므로 오차가 발생되어 정확한 적외선 량 및 온도 측정이 어려웠다.
즉, 보상 센서와 감지 센서가 100PPM/℃인 동일 특성을 갖고, 적외선이 일정하게 입사된다는 가정하에, 센서의 온도가 0℃일 때, 각각 1㏀의 저항 값을 갖는 저항을 사용하였다고 가정하면, 센서의 온도가 100℃일 때 보상 센서는 1.01㏀의 저항 값을 갖고, 감지 센서는 0.99㏀의 저항 값을 갖게 된다. 따라서, 조사되는 적외선에 관계없이 주위 온도에 따라 보상 센서와 감지 센서의 저항 값이 서로 다른 값으로 가변되므로 정확한 적외선 량 및 온도 측정이 어렵게 된다.
결국, 저항이 온도 변화에 미세하게 변한다고 하더라도 그 변화량은 차동 증폭기에서 증폭되므로 실제 차동 증폭기의 출력은 크게 변하게 되어 정확한 온도 측정이 어렵다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 주변 온도를 보상할 수 있는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치가 사용되었다.
도 3은 종래의 주변 온도를 보상할 수 있는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도이고, 도 4는 도 3에 따른 주변 온도와 전압의 비교도이다.
즉, 종래의 주변 온도 보상을 위한 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는, 도 3과 같이, 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 직렬 연결되어 제 1 분압 전압(Vc) 및 제 2 분압 전압(V1)을 출력하는 제 1 저항(R1), 보상 센서(2) 및 감지 센서(3)와, 상기 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 상기 제 1 저항(R1) 및 보상 센서(2)와 감지 센서(3)에 병렬 연결되어 제 3 분압 전압(V2)을 출력하는 제 2, 제 3 저항(R2, R3)과, 상기 제 2, 제 3 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 증폭기(6)와, 상기 제 1` 분압 전압(Vc)과 상기 증폭기의 출력을 연산하여 주변 온도를 보상하는 마이콤(7)과, 상기 마이콤(7)의 제어 신호에 따라 상기 제 2, 제 3 저항(R2, R3)에 인가되는 정전압을 스위칭하는 스위치(S/W1)로 구성된다.
여기서, 제 1 분압 전압(Vc)은 제 1 저항(R1)과 보상 센서(2) 사이의 출력전압이고, 제 2 분압 전압(V1)은 상기 보상 센서(2)와 감지 센서(3) 사이의 분압 전압이며, 제 3 분압 전압(V2)은 제 2 저항(R2)와 제 3 저항(R3) 사이의 분압 전압이다.
이와 같이 구성된 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 동작은 다음과 같다.
상기 마이콤(7)은 주변 온도를 보상하기 위하여 상기 스위치(S/W1)를 오프 시키고, 증폭기(6)의 출력과 제 1 분압 전압을 합 연산하여(V0 = A(V1-V2)+Vc) 주변 온도를 보상하고, 주변 온도를 보상한 후, 상기 스위치(S/W1)를 온 시켜 적외선량 및 온도를 감지한다.
상기 마이콤(7)이 주변 온도를 보상하기 위하여 증폭기(6)의 출력과 제 1 분압 전압을 합 연산하는 이유는 다음과 같다.
도 4에 도시한 바와 같이, 주변 온도가 상승하게 되면 보상 센서(2)와 감지 센서(3)의 저항 값이 증가하게 되므로 상대적으로 제 1 분압 전압을 증가하게 된다. 그리고, 주변 온도가 증가하게 되면 보상 센서(2)와 감지 센서(3)의 저항이 증가하게 되지만 보상 센서(2)는 앞에서 서술한 바와 같이 외부와 차단되어 있지만, 감지 센서(3)는 적외선을 검출하기 위해 노출되어 있으므로 감지 센서(3) 자신도 적외선을 방출하기 때문에 주변 온도가 증가하더라도 보상 센서(2)보다 저항 값이 더 적게 증가한다. 따라서 주변 온도가 증가하게 되면 감지 센서(3)가 보상 센서(3)에 비해 저 작은 저항 값을 갖기 때문에 제 2 분압 전압(V1)은 상대적으로 감소하고 A(V1-V2) 값이 감소하게 된다.
따라서 상기 마이콤(7)은 제 1 분압 전압(Vc)과 증폭기(6)의 출력 값(A(V1-V2))을 합 연산하여 주변 온도를 보상한다.
그러나 이와 같은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다
첫째, 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 주변 온도를 보상하기 위하여 별도의 저항(R1) 및 스위치를 부가해야 하므로 생산 단가가 증가하고 기판 사이즈가 증가하게 된다.
둘째, 상기 마이콤은 주변 온도를 보상하기 위하여 상기 스위치(S/W1)를 오프 시키고, 증폭기의 출력과 제 1 분압 전압을 합 연산하여(V0 = A(V1-V2)+Vc) 주변 온도를 보상한 다음, 상기 스위치(S/W1)를 온 시켜 적외선 량 및 온도를 감지하게된다. 따라서, 스위치를 온/오프시켜야 하므로 감지 속도에 영향을 받게 된다.
셋째, 스위치를 온/오프하여 주변 온도와 센싱 온도를 번갈아 읽어야하므로 동시에 주변 온도와 센싱 온도를 읽을 수 없다.
넷째, 마이콤이 별도로 스위치를 제어하기 위한 제어 신호를 출력해야 한다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 별도의 저항 및 스위치를 추가하지 않고 주변 온도를 보상할 수 있으며, 감지 속도를 향상시킨 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 볼로미터형 적외선 센서의 구성 단면도
도 2은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도
도 3은 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도
도 4는 종래의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 주변 온도 보상 방법을 설명하기 위한 주변 온도와 전압 간의 관계 설명도
도 5는 본 발명 제 1 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도
도 6은 본 발명 제 2 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 보상 센서 3 : 감지 센서
6 : 증폭기 7 : 마이콤
10 : 가산기 11 : 주변 온도 측정부
20 : 감지 센서부 30 : 보상 센서부
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압을 출력하는 감지 센서부와, 주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압을 출력하는 보상 센서부와, 상기 제 1, 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭부와, 상기 차동 증폭부의 출력과 상기 제 2 분압 전압을 입력하고 주변 온도를 보상하여 온도를 측정하는 마이콤을 포함하여 구성됨에 그 특징이 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는, 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압을 출력하는 감지 센서부와, 주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압을 출력하는 보상 센서부와, 상기 제 1, 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭부와, 상기 제 2 분압 전압을 소정의 이득으로 증폭하여 출력하는 주변 온도 측정부와, 상기 차동 증폭부의 출력과 상기 주변 온도 측정부의 출력을 가산하여 온도를 측정하는 가산부를 포함하여 구성됨에 또 다른 특징이 있다.
상기와 같은 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명 제 1 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도이고, 도 6는 본 발명 제 2 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성도이다.
먼저, 본 발명 제 1 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 저항(R1) 및 감지 센서(3)이 직렬 연결되어 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압(V01)을 출력하는 감지 센서부(20)와, 상기 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 저항(R2) 및 보상 센서(2)가 직렬 연결되어 주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압(V02)을 출력하는 보상 센서부(30)와, 상기 제 1, 제 2 분압 전압(V01, V02)을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭기(6)와, 상기 차동 증폭기(6)의 출력과 상기 보상 센서부(30)에서 출력되는 제 2 분압 전압을 입력하여 주변 온도를 보상하여 온도를 측정하는 마이콤(7)을 구비하여 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명 제 1 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 감지 센서부(20)와 보상 센서부(30)에 의해 출력되는 제 1, 제 2 분압 전압(V01, V02)은 다음과 같다.
… (1)
… (2)
그리고, 상기 증폭기(6)의 출력(V1)은 다음과 같다.
이다.
여기서, 상술한 바와 같이 주변 온도가 상승하게 되면 보상 센서(2)와 감지 센서(3)의 저항 값이 증가하게 되고, 감지 센서(3) 보다 보상 센서(2)의 저항 값이 더 크게 증가한다.
그리고, 주변 온도가 보상되려면 온도를 측정하고자하는 대상체의 온도가 일정할 때, 주변 온도에서의 전압 변동분과 상기 증폭기의 출력 전압 변동분이 동일하여야한다. 그런데 상기와 같은 이유에 의해 동일하지 못하므로 상기 값이 동일한 값을 갖도록 한다.
즉 증폭기의 출력 전압 변동분(△V1)과 주변 온도 측정 전압의 변동분(△V2)의 관계식을 구하면 다음과 같다.
△V1 = B△V2
여기서, 마이콤은 B 값을 구하여 주변 온도를 보상하고, 최종적으로 마이콤은 온도 측정 값(V0)을 다음과 같이 출력한다.
V0 = V1 + BV2
한편, 본 발명 제 2 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 구성 및 동작은 다음과 같다.
본 발명 제 2 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치는 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 저항(R1) 및 감지 센서(3)이 직렬 연결되어 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압(V01)을 출력하는 감지 센서부(20)와, 상기 정전압단(Vcc)과 접지단(GND) 사이에 저항(R2) 및 보상 센서(2)가 직렬 연결되어 주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압(V02)을 출력하는 보상 센서부(30)와, 상기 제 1, 제 2 분압 전압(V01, V02)을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭기(6)와, 상기 보상 센서부(30)에서 출력되는 전압(V02)을 소정 이득으로 증폭하여 출력(V2)하는 주변 온도 측정부(11)와, 상기 차동 증폭기(6)의 출력(V1)과 상기 주변 온도 측정부(11)에서 출력되는 전압(V2)을 가산하여 온도 측정 값(V0)을 출력하는 가산기(10)를 구비하여 구비하여 구성된다.
여기서, 상기 주변 온도 측정부(11)의 증폭 이득은 상기 본 발명 제 1 실시예의 동작 설명에서 설명한 B의 값이다.
이와 같이 구성된 본 발명 제 2 실시예의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치의 동작은 다음과 같다.
본 발명 제 2 실시예에서도 감지 센서부(20)와 보상 센서부(30)의 출력전압 및 증폭기(6)의 출력 전압은 본 발명 제 1 실시예에와 같다.
그리고, 주변 온도 측정부(11)에서 출력되는 전압(V2)은 BV02이다.
따라서, 상기 가산기(10)가 상기 증폭기(7)에서 출력되는 전압(V1)과 주변 온도 측정부(11)에서 출력되는 전압(BV02)을 가산하면 본 발명 제 1 실시예서 마이콤이 출력한 값과 동일하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래에는 스위칭 소자와 저항을 추가적으로 사용하여야 하므로 생산 단가 및 사이즈가 증가되었으나, 본 발명은 스위칭 소자 및 마이콤을 사용하지 않고 주변 온도를 보상할 수 있으므로 생산 단가를 줄일 수 있고 사이즈를 줄일 수 있다.
둘째, 스위치를 온/오프 시킬 필요가 없으므로 적외선 량 감지 속도를 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압을 출력하는 감지 센서부와,
    주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압을 출력하는 보상 센서부와,
    상기 제 1, 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭부와,
    상기 차동 증폭부의 출력과 상기 제 2 분압 전압을 입력하고 주변 온도를 보상하여 온도를 측정하는 마이콤을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치.
  2. 적외선 량을 감지하여 제 1 분압 전압을 출력하는 감지 센서부와,
    주변 온도를 보상하기 위한 제 2 분압 전압을 출력하는 보상 센서부와,
    상기 제 1, 제 2 분압 전압을 차동 증폭하여 출력하는 차동 증폭부와,
    상기 제 2 분압 전압을 소정의 이득으로 증폭하여 출력하는 주변 온도 측정부와,
    상기 차동 증폭부의 출력과 상기 주변 온도 측정부의 출력을 가산하여 온도를 측정하는 가산부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치.
  3. 제 3 항에 있어서,
    상기 주변 온도 측정부의 이득(B)은 상기 차동 증폭부의 출력 전압 변동분(△V1)과 상기 제 2 분압 전압 변동분(△V02)의 관계식 △V1/△V02을 만족하는 값으로 함을 특징으로 하는 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치.
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KR1019990043249A KR20010036295A (ko) 1999-10-07 1999-10-07 볼로미터형 적외선 센서를 이용한 온도 측정 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022265161A1 (ko) * 2021-06-17 2022-12-22 주식회사 하벤 저전력 환경에서도 감도 손실 없이 저단가로 복수 채널에서의 센싱값을 측정 가능하고 초저온 영역까지의 온도측정 또한 가능한 수동형 멀티채널 센서태그와, 상기 수동형 멀티채널 센서태그를 포함하는 스마트 신선물류박스와, 상기 수동형 멀티채널 센서태그를 이용한 온도관리 시스템

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WO2022265161A1 (ko) * 2021-06-17 2022-12-22 주식회사 하벤 저전력 환경에서도 감도 손실 없이 저단가로 복수 채널에서의 센싱값을 측정 가능하고 초저온 영역까지의 온도측정 또한 가능한 수동형 멀티채널 센서태그와, 상기 수동형 멀티채널 센서태그를 포함하는 스마트 신선물류박스와, 상기 수동형 멀티채널 센서태그를 이용한 온도관리 시스템

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