KR200184719Y1 - 수중 감지 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 수중 감지 장치에 관한 것으로서, 다수개의 초음파 센서 요소가 적절한 곡률로 배열되어서, 종래의 단일 센서를 장착한 수중 감지 장치에 비해 훨씬 정확하고, 광범위하게 물체를 감지할 수 있는 수중 감지 장치에 관한 것이다. 본 고안은 초음파 센서에 전기적 신호를 인가하기 위해 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발진부와, 상기 펄스 신호를 초음파 센서에의 인가 및 상기 초음파 센서에 집속된 반사파 신호의 입력을 동시에 수행하는 인터페이스부와, 상기 펄스 신호를 인가받아 초음파 신호를 발생시켜 목적 물체에 송신하고, 상기 목적 물체로부터 반사되는 반사파 신호를 수신받아 전기적 신호로 변환시키는 다수개의 초음파 센서를 배열하여 구성된 배열형 초음파 센서와, 상기 인터페이스로 부터 인가받은 전기적 신호를 증폭시키는 수신신호 증폭부와, 상기 증폭된 전기적 신호에서 영상신호를 분리해내는 검파회로부와, 상기 분리된 영상 신호를 증폭하기 위한 영상신호 증폭부와, 상기 영상신호 증폭부로 부터 증폭되어 출력되는 영상 신호를 디스플레이하기 위한 CRT와, 상기 CRT의 수평 및 수직 전자비임 주사의 주기와 위상을 결정하고, 상기 펄스 발진부에 동기신호를 가하는 동기회로부로 구성되어진다.

Description

수중 감지 장치{Underwater Investigation device}

본 고안은 수중 감지 장치에 관한 것으로서, 다수개의 초음파 센서 요소가 적절한 곡률로 배열되어서, 종래의 단일 센서를 장착한 수중 감지 장치에 비해 훨씬 정확하고, 광범위하게 물체를 감지할 수 있는 수중 감지 장치에 관한 것이다.

초음파란 주파수가 높은 음파를 말한다. 초음파는 일반적으로 가청주파수 20Hz ~ 20KHz 보다 높고 사람의 귀로 직접 들을 수 없는 주파수의 음파를 가리킨다. 또한, 동일한 초음파라도 그 파가 공기, 수중, 그리고, 고체 등 어떤 물질에 존재하느냐에 따라 그 성질이 크게 달라진다.

초음파 센서는 초음파를 이용하여 금속, 비금속으로 된 대상체 즉 재료, 부품, 구조물, 인체 등에 손상을 주지 않고, 내부나 표면에 존재하는 결함을 검출하고 재질을 평가하고 진단하는 비파괴시험기술의 핵심부품이다. 이는 철강, 조선, 중공업산업, 항공산업, 세라믹, 반도체산업 등 다양한 제품의 공정 중/후 품질관리에 널리 사용되고 있다. 또한, 국가기간시설물인 원자력 및 화력발전소, 교량, 군사시설 등의 대형구조물의 안전진단 및 상시감시에 사용되고 있다. 또한, 군사용 수중음파 탐지기, 상수도나 송유관 등의 유량측정기, 어군탐지기 등에 사용되고 있다.

초음파 센서의 기본 원리는 압전 소자에 응력이 주어질 때, 전압이 발생하는 것을 이용한 것이다. 또한, 상기 압전 소자에 전기적인 에너지를 인가하면, 기계적인 응력을 인출하는 것도 가능한데, 즉, 상기 압전 소자의 고유 진동수를 소정의 진동수로 설정하면 초음파가 발생된다.

또한, 수중의 초음파 응용에서 이용되는 주파수는 일반적으로 공기 중에서와 거의 마찬가지로 10KHz ~ 수백 KHz이다. 그러나, 수중에서는 초음파의 감쇠가 공기 중보다 적고, 또 공기 중에 비하여 대출력 음원을 낼 수 있으므로, 수십 ~ 수천 m의 레인지에서 반사 정보의 측정이 실용화되고 있다.

현재 수중의 초음파 응용의 대표적인 예로서, 어군 탐지기를 들 수 있다. 즉, 어선에서 수중을 향하여 초음파를 발사하고 바다 속의 어군으로부터 반사되어 돌아오는 파를 포착한다.

또한, 어군의 위치를 보다 정확하게 알기 위해 가급적 예민한 초음파 빔을 발사하여 측정의 지향성을 좋게하고 있다. 초기의 어군 탐지기는 초음파 빔이 고정되어 있어서 어선이 움직임으로써 바다 속에 주사하도록 되어 있었다. 이에 대해 최근에는 초음파 빔의 방향을 독자적으로 주사하여 바다 속의 물체를 3차원적으로 탐조해서 CRT에 표시하는 장치도 사용되고 있다.

수중의 초음파 응용의 다른 대표적인 예는 소나(SONAR) 즉, 항해에 음파를 이용하는 장치를 말한다. 소나는 초음파를 발사하고, 그 반사파를 받아 주위에 있는 대상물의 거리, 방향, 형상, 이동 속도 등의 정보를 얻도록 하는 것으로 앞서 언급한 어군 탐지기도 이에 포함된다. 그러나, 일반적으로 소나라고 하면 레이더와 마찬가지로 수평방향으로 회전 주사를 하는 PPI방식(Plane Position Indicator)으로 표시하는 것이 대표적이다.

이런 형태의 소나에서는 바닷속 음파의 속도가 느리기 때문에 전파에 의한 레이더와는 다른 방식으로 영상화하고 있다. 즉, 수평방향에 무지향성으로 펄스를 발산하고 다음에 지향성이 예민한 수파기를 고속으로 회전시키면서 가까운 거리부터 순차적으로 반사파를 수파하여 CRT상에 표시한다. 이 때, CRT상에서의 주사는 내측에서 외측으로 향하는 맴돌이 형상이 된다.

그러나, 상기 종래의 수중 감지 장치는 단일 초음파 센서를 장착하고 있으므로, 상기 배열형 초음파 센서에 비해 광범위한 감지가 어렵다는 단점이 있다.

또한, 대상 물체를 감지할 수 있는 방사각이 작으므로, 임의의 장소에 고정적으로 설치하여 지속적인 관찰을 수행하기에는 미흡하다.

또한, 단일 초음파 센서에 의한 감지 신호를 영상화하므로, 대상 물체의 형상을 정확하게 파악하는데는 무리가 있다.

본 고안은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 다수개의 초음파 센서 요소가 적절한 곡률로 배열되어서, 종래의 단일 센서를 장착한 수중 감지 장치에 비해 훨씬 정확하고, 광범위하게 물체를 감지할 수 있는 수중 감지 장치를 제공하는데 있다.

상기 본 고안의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로, 본 고안은 초음파 센서에 전기적 신호를 인가하기 위해 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발진부와, 상기 펄스 신호를 초음파 센서에의 인가 및 상기 초음파 센서에 집속된 반사파 신호의 입력을 동시에 수행하는 인터페이스부와, 상기 펄스 신호를 인가받아 초음파 신호를 발생시켜 목적 물체에 송신하고, 상기 목적 물체로부터 반사되는 반사파 신호를 수신받아 전기적 신호로 변환시키는 다수개의 초음파 센서를 배열하여 구성된 배열형 초음파 센서와, 상기 인터페이스로 부터 인가받은 전기적 신호를 증폭시키는 수신신호 증폭부와, 상기 증폭된 전기적 신호에서 영상신호를 분리해내는 검파회로부와, 상기 분리된 영상 신호를 증폭하기 위한 영상신호 증폭부와, 상기 영상신호 증폭부로 부터 증폭되어 출력되는 영상 신호를 디스플레이하기 위한 CRT와, 상기 CRT의 수평 및 수직 전자비임 주사의 주기와 위상을 결정하고, 상기 펄스 발진부에 동기신호를 가하는 동기회로부로 구성되어진다.

도 1은 본 고안에 의한 수중 감지 장치의 전체구조를 보이는 도면이다.

도 2는 본 고안에 있어서, 단일 초음파 센서의 구조를 보이는 측단면도이다.

도 3은 본 고안에 있어서, 상기 단일 초음파 센서가 적절한 곡률로서, 배열되어진 배열형 초음파 센서를 보이는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 펄스 발진부 110 : 인터페이스부

120 : 목적 물체 130 : 배열형 초음파 센서

140 : 수신신호 증폭부 150 : 검파회로부

160 : 영상신호 증폭부 170 : CRT

180 : 동기회로부 190 : 초음파 센서 요소

180 : 초음파 센서 요소

이하 본 고안의 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 그 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안에 의한 수중 감지 장치의 전체구조를 보이는 도면이다.

도 1에서 도시한 바와 같이, 초음파 센서에 전기적 신호를 인가하기 위해 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발진부(100)와, 상기 펄스 신호를 초음파 센서에의 인가 및 상기 초음파 센서에 집속된 반사파 신호의 입력을 동시에 수행하는 인터페이스부(110)와, 상기 펄스 신호를 인가받아 초음파 신호를 발생시켜 목적 물체(120)에 송신하고, 상기 목적 물체(120)로부터 반사되는 반사파 신호를 수신받아 전기적 신호로 변환시키는 다수개의 초음파 센서를 배열하여 구성된 배열형 초음파 센서(130)와, 상기 인터페이스(110)로 부터 인가받은 전기적 신호를 증폭시키는 수신신호 증폭부(140)와, 상기 증폭된 전기적 신호에서 영상신호를 분리해내는 검파회로부(150)와, 상기 분리된 영상 신호를 증폭하기 위한 영상신호 증폭부(160)와, 상기 영상신호 증폭부로 부터 증폭되어 출력되는 영상 신호를 디스플레이하기 위한 CRT(170)와, 상기 CRT(170)의 수평 및 수직 전자비임 주사의 주기와 위상을 결정하고, 상기 펄스 발진부(100)에 동기신호를 가하는 동기회로부(180)로 구성되어 진다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 고안의 제 부분에 대한 상호작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 펄스 발진부(100)에서 펄스 신호를 발생시키면, 상기 동기 회로부(180)는 동기 신호를 생성하여 상기 생성된 펄스 신호에 추가한다. 이 때, 상기 동기신호는 CRT(170)의 수평 및 수직 동기 신호를 제어하여 전자비임 주사의 주기 및 위상을 결정하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 동기 신호가 추가된 펄스 신호는 상기 인터페이스부(110)를 통과하여, 상기 배열형 초음파 센서(130)의 각 초음파 센서 요소(190)에 인가되면, 각 초음파 센서(190)는 초음파 신호를 발생시켜 목적 물체(120)를 향해 송신한다.

이 때, 물과 공기 중에서는 음향 임피던스가 현저히 다르므로, 상기 송신된 초음파 신호가 수중에 존재하는 목적 물체(120)에 도달하게 되면, 거의 100% 반사하게 된다.

또한, 상기 배열형 초음파 센서(130)내의 각 초음파 센서(190)는 상기 목적 물체(120)에서 반사되어 돌아오는 반사파 신호를 각각 수신하여 전기적 신호로 변환시킨다.

또한, 상기 인테페이스부(110)는 상기 각 초음파 센서(190)에서 변환된 전기적 신호를 조합하여, 상기 수신신호 증폭부(140)에 인가하면, 상기 수신신호 증폭부(140)는 상기 조합된 전기적 신호를 CRT(170)에 필요한 크기까지 증폭한다.

또한, 상기 검파 회로부(150)는 상기 증폭된 수신신호에서 영상신호를 찌그러짐 없이 분리시켜서, 그 출력신호를 상기 영상신호 증폭부(160)에 인가한다.

또한, 상기 영상신호 증폭부(160)는 상기 검파 회로부(150)의 출력신호에서 영상신호만을 분리해서, 상기 CRT(170)를 작용시키기 위한 필요한 진폭까지 신호를 증폭시킨다.

또한, 상기 CRT(170)는 상기 영상신호 증폭부(160)의 출력신호를 인가받아 영상을 디스플레이시킨다.

또한, 상기 배열형 초음파 센서(130)는 다수개의 초음파 센서(190)가 적절한 곡률로 배열된 형태를 가지며, 상기 초음파 센서 요소(190)는 각각 상기 펄스 발진부(100)로 부터의 전기적 신호를 인가받아 각각 초음파 신호를 발생시켜서 목적 물체(120)에 송신하고, 상기 목적 물체(120)에서 반사된 초음파 신호를 각각 수신받은 후, 각 수신받은 신호를 전기 신호로 변환시킨다.

그리고, 상기와 같이 각 초음파 센서(190)에 의해 변환되어진 전기적 신호는 하나의 전기적 신호로 조합되어지고, 영상으로 디스플레이되기 위한 소정의 과정을 거친 후, 상기 CRT(170)에 하나의 영상으로 디스플레이된다.

또한, 상기 배열형 초음파 센서(130)는 감지할 수 있는 방사각이 45。에 이르러, 초음파 송신 방향을 변화시키지 않고도 광범위한 감지가 가능하므로 고정식으로 사용도 가능하다. 따라서, 상기 배열형 초음파 센서(130)는 일정 지역에 대한 지속적인 관찰이 필요한 경우 매우 유용하게 사용되어 질 수 있다.

또한, 상기 배열형 초음파 센서(130)의 각각의 요소 센서(190)는 초음파의 송신뿐만 아니라, 수신도 가능하기 때문에, 송수신 분리형에 비해 별도의 장비가 필요하지 않은 잇점이 있다.

도 2는 본 고안에 있어서, 단일 초음파 센서의 구조를 보이는 측단면도이다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 초음파 센서는 초음파 신호를 집속 및 발신하고, 초음파 진동자(220) 부분을 보호하는 렌즈(200)와, 상기 초음파 진동자(220)와 공기 및 수중과의 음향 임피던스 차이를 감소시킴으로서, 초음파의 반사율을 증가시키고 효율을 향상시키는 역활을 수행하는 정합층(210)과, 전기적 신호를 인가받아 음향신호인 초음파 신호로 변환시키는 기능과 초음파 신호를 검출하여 전기적 신호로 변환시키는 기능을 동시에 수행하는 초음파 진동자(220)와, 상기 초음파 진동자(220)의 공명으로 발생되는 초음파 신호중 상기 초음파 진동자(220)의 후면으로 방출되는 불필요한 초음파를 흡수하는 역활을 수행하는 후면층(230)과, 상기 초음파 진동자(220)에 구동 펄스 신호를 인가하고, 초음파 검출 시에 변환된 전기적 신호를 CRT에 인가하기 위한 전선으로 사용되어지는 신호선(240)과, 상기 초음파 진동자(220)를 접지시키는 접지선(250)으로 구성되어 진다.

상기 초음파 센서는 중심 주파수가 200KHz로서, 고주파형 초음파 센서이다.

상기 고주파형 초음파 센서는 고주파의 초음파 신호를 공중 혹은 수중에 방사하고 물체로부터 반사파를 검지함으로써 물체의 유무나 물체까지의 거리를 계측할 수 있다.

일반적으로 주파수가 수십 KHz인 초음파 센서는 압전 세라믹을 결합시킨 바이모르 진동자의 왜곡진동을 이용하고 있지만, 주파수가 80KHz 이상이 되면 실용적인 특성을 얻을 수 없기 때문에, 상기 고주파형 초음파 센서는 상기 초음파 진동자내 압전 세라믹의 세로 진동을 이용한다. 이 경우 상기 압전 세라믹과 공기 및 수중과의 음향 임피던스의 매칭이 매우 중요하며, 상기 정합층(210)은 이러한 임피던스 정합을 도모하고 있다.

또한, 상기 구성을 갖는 초음파 센서의 제 부분의 상호 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 외부에서 구동 펄스 신호가 상기 신호선(240)을 경유하여 상기 초음파 진동자(220)에 인가되면, 상기 초음파 진동자(220)내 압전 세라믹이 세로 진동을 수행하여 초음파를 발생시킨다. 즉, 상기 초음파 센서에 인가한 전압의 방향으로 응력이 발생한다. 상기와 같이 발생된 초음파 신호는 상기 렌즈(200)를 경유하여 공기 및 수중으로 발신되어 진다.

또한, 상기 송신되어진 초음파 신호가 목적 물체에 반사되어 되돌아오면, 상기 렌즈(200)에 집속되고, 상기 초음파 진동자(220)는 상기 검출된 초음파 신호를 전기적 신호로 변환시킨다. 그 후, 상기 전기적 신호는 상기 신호선을 경유하여 영상으로 디스플레이되기 위한 소정의 과정을 거쳐서, 상기 CRT에 하나의 영상으로 디스플레이된다.

도 3은 본 고안에 있어서, 상기 초음파 센서가 적절한 곡률로서, 배열되어진 배열형 초음파 센서를 보이는 도면이다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 다수개의 초음파 센서 요소가 적절한 곡률을 이루면서, 원호모양의 형태를 하고 있는데, 이는 감지할 수 있는 각도를 증가시키기 위한 것이다. 또한, 각각의 초음파 센서 요소는 초음파 신호에 대한 송수신이 모두 가능하도록 함으로써, 초음파 신호의 송수신을 하나의 센서로 해결할 수 있다.

또한, 초음파 신호의 송신 및 수신의 별도의 장비가 필요하지 않아서, 사용자에게 편리함을 주고 있다.

또한, 상기 배열형 초음파 센서는 각각의 센서 요소가 초음파 신호를 감지하여 그 신호를 전기적 신호로 변환시킨 후, 상기 각 전기적 신호를 하나로 조합하여 영상화 할 수 있도록 한다. 따라서, 단일 초음파 센서에 비해 목적 물체의 형상을 보다 광범위하게 영상화 할 수 있어서, 상기 목적 물체를 정확히 판단할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안은 초음파 센서에 전기적 신호를 인가하기 위해 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발진부와, 상기 펄스 신호를 초음파 센서에의 인가 및 상기 초음파 센서에 집속된 반사파 신호의 입력을 동시에 수행하는 인터페이스부와, 상기 펄스 신호를 인가받아 초음파 신호를 발생시켜 목적 물체에 송신하고, 상기 목적 물체로부터 반사되는 반사파 신호를 수신받아 전기적 신호로 변환시키는 다수개의 초음파 센서를 배열하여 구성된 배열형 초음파 센서와, 상기 인터페이스로 부터 인가받은 전기적 신호를 증폭시키는 수신신호 증폭부와, 상기 증폭된 전기적 신호에서 영상신호를 분리해내는 검파회로부와, 상기 분리된 영상 신호를 증폭하기 위한 영상신호 증폭부와, 상기 영상신호 증폭부로 부터 증폭되어 출력되는 영상 신호를 디스플레이하기 위한 CRT와, 상기 CRT의 수평 및 수직 전자비임 주사의 주기와 위상을 결정하고, 상기 펄스 발진부에 동기신호를 가하는 동기회로부를 구성함으로써,

종래의 단일 센서 및 종래의 단일 센서를 장착한 수중 감지 장치에 비해 훨씬 정확하고, 광범위하게 물체를 감지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 감지할 수 있는 방사각이 45。로서 크기때문에, 일정지역에 고정적으로 설치를 수행하여, 그 지역에 대한 지속적인 관찰이 가능한 효과가 있다.

또한, 상기 배열형 초음파 센서가 초음파 신호의 송신 및 수신을 동시에 수행하므로, 송수신의 별도의 장비가 필요없어 간편히 설치할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 각각의 초음파 센서 요소가 각각 집속한 반사파 신호를 전부 합하여 하나의 영상으로 디스플레이할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 수중 감지 장치에 있어서,

   초음파 센서에 전기적 신호를 인가하기 위해 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발진부와,

   상기 펄스 신호를 초음파 센서에의 인가 및 상기 초음파 센서에 집속된 반사파 신호의 입력을 동시에 수행하는 인터페이스부와,

   상기 펄스 신호를 인가받아 초음파 신호를 발생시켜 목적 물체에 송신하고, 상기 목적 물체로부터 반사되는 반사파 신호를 수신받아 전기적 신호로 변환시키는 다수개의 초음파 센서를 배열하여 구성된 배열형 초음파 센서와,

   상기 인터페이스로 부터 인가받은 전기적 신호를 증폭시키는 수신신호 증폭부와,

   상기 증폭된 전기적 신호에서 영상신호를 분리해내는 검파회로부와,

   상기 분리된 영상 신호를 증폭하기 위한 영상신호 증폭부와,

   상기 영상신호 증폭부로 부터 증폭되어 출력되는 영상 신호를 디스플레이하기 위한 CRT와,

   상기 CRT의 수평 및 수직 전자비임 주사의 주기와 위상을 결정하고, 상기 펄스 발진부에 동기신호를 가하는 동기회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 감지 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 배열형 초음파 센서는 다수개의 초음파 센서가 적절한 곡률로서 배열되어, 각 초음파 센서 요소가 수신받은 반사파 신호를 조합하여 하나의 영상을 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 수중 감지 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 각 초음파 센서 요소는

   초음파 신호를 집속 및 발신하고, 초음파 진동자 부분을 보호하는 렌즈와,

   상기 초음파 진동자와 공기 및 수중과의 음향 임피던스 차이를 감소시킴으로서, 초음파의 반사율을 증가시키고 효율을 향상시키는 역활을 수행하는 정합층과,

   전기적 신호를 인가받아 음향신호인 초음파 신호로 변환시키는 기능과 초음파 신호를 검출하여 전기적 신호로 변환시키는 기능을 동시에 수행하는 초음파 진동자와,

   상기 초음파 진동자의 공명으로 발생되는 초음파 신호중 상기 초음파 진동자의 후면으로 방출되는 불필요한 초음파를 흡수하는 역활을 수행하는 후면층과,

   상기 초음파 진동자에 구동 펄스 신호를 인가하고, 초음파 검출 시에 변환된 전기적 신호를 CRT에 인가하기 위한 전선으로 사용되어지는 신호선과,

   상기 초음파 진동자를 접지시키는 접지선을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 감지 장치.