KR20030033351A - 비유전 물질 감지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는, 소정 주파수의 구형파를 발생시키는 발진부와; 비유전 물질과 접촉하여 상기 구형파의 주파수를 변화시키는 감지부와; 상기 감지부에서 나온 구형파를 직류 성분으로 변환시키는 정류부와; 상기 정류부에서 나온 직류를 기준 전압과 비교하여 소정의 전압차 이상일 경우 신호 전류를 내보내는 비교 검출부와; 상기 비교 검출부에서 나온 신호 전류를 수신하여 스위칭 신호를 내보내는 타이머와; 상기 타이머에서 나온 스위칭 신호를 받아 비유전 물질의 감지 유무를 나타내 주는 표시부; 및 상기 제 구성요소에 일정한 전원을 공급하는 정전압 회로;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 비교적 간단한 회로로 구성되므로 고장이 적고, 고가의 IC를 사용하지 않으므로 생산 비용이 적게 드는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는 디지털 방식으로 작동되기 때문에 종래의 아날로그방식과는 비교할 수 없을 만큼 빠른 감지 속도를 가지며 또한, 특정부위 예컨대, 스위치등이 마모되는 일이 없으므로 오래 사용할 수 있다.

Description

비유전 물질 감지 장치{Sensor for detecting a non-dielectric substance}

본 발명은 비유전 물질 감지 장치에 관한 것으로서, 특히 비유전 물질을 캐패시터와 접촉시킴으로써 캐패시터의 용량을 변화시키고, 이에 따른 주파수의 변화를 감지하여 비유전 물질의 감지 유무를 알아내는 비유전 물질 감지 장치에 관한 것이다.

오늘날, 제어 계측 기술의 발달과 인건비 등의 상승으로 인해 공장 자동화가 광범위하게 진행되고 있는 추세인데, 상기 공장 자동화에 있어 필수적으로 요구되는 기술중의 하나는 특정물질을 감지하여 상기 물체의 위치를 정확해 파악해내는 센서기술에 관한 것이다.

예를 들어, 자동 컨베이어 벨트를 이용하여 밀가루를 특정 지점으로 이동시키고, 이동된 밀가루를 다시 일정한 용기에 담아 포장하는 공정을 생각해보자. 먼저, 상기 밀가루를 특정 지점으로 이동 시키고자 할 경우, 시작위치와 종료위치에 서 상기 밀가루를 감지하여 상기 컨베이어 벨트의 작동을 제어할 수 있는 수단이 필요할 것이다. 또한, 상기 밀가루를 특정 용기에 담아 포장하는 공정에 있어서도, 상기 용기내로 일정량의 밀가루가 들어가는지를 감지해내는 수단이 있어야만 하는 것이다.

그럼, 상기와 같은 경우 종래 사용되었던 방법에 대해 알아보기로 한다.

종래 일반적으로 사용되었던 방법은 아날로그 감지 방식으로, 용도에 따라 다양한 방식이 있었지만 그 중에서도 젖힘식 감지 방식이 많이 사용되었다. 예컨대, 상기 자동 컨베이어 벨트식 운송수단의 경우 원하는 종료 지점에 돌출부를 설치하여 상기 지점에 물건이 도달되면, 돌출부가 젖혀지면서 접점식 스위치가 'ON' 또는 'OFF'되고, 이에 따라 상기 컨베이어 벨트의 작동이 제어되는 방법이었다. 그러나 상기 방법에 따른 감지 장치는 장시간 사용할 경우 접점식 스위치가 마모되므로 정기적으로 이를 교체 시켜줘야 하는 불편함이 있었다. 특히, 상기 방법에 따른 감지 장치는 아날로그 방식이어서 반응 속도가 느리다. 따라서, 정밀한 스위칭 신호가 요구되는 고속 이동용 감지 장치로 사용하기에는 한계가 있었다.

한편, 종래 사용되었던 다른 방법으로는 광센서를 이용하는 방법이 있었다. 즉, 한쪽에 광 방출부를 설치하고 다른 한쪽에 광 수신부를 설치하여 방출부에서 나오는 광이 수신부에서 수신되는지 여부를 감지하고, 이에 따라 적절한 스위칭 신호를 내보내는 방법이었다. 그러나, 상기 방법에 따른 감지 장치는 작업환경에서 발생한 이물질 등으로 인해 광 방출부가 막혀 오작동 되는 문제가 있었고, 또한 목표로 하였던 물질이 아닌 다른 물질 예컨대, 작업자의 손이나 광센서 부근의 동물 등에 의해서 광이 차단되어 오작동 되는 문제가 있었다.

한편, 상기와 같은 문제들을 해결하기 위하여 최근에는 캐패시터의 정전 용량을 변화시키는 방법 즉, 캐패시터를 물체와 접촉시키고 이에 따른 주파수의 변화를 감지하는 방법을 이용한 센서들이 개발되었다. 그러나, 상기 센서들은 대개 유전물질 감지 장치용으로 개발되었거나 아니면 고가의 IC나 복잡한 회로를 사용하기때문에 고장이 잦고, 제조비용이 많이 드는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 캐패시터의 정전 용량을 변화시키는 방법을 이용하여 센서를 구성하되, 고가의 IC나 복잡한 회로를 사용하지 않고도 성능의 열화 없이 효과적으로 비유전 물질을 감지해내는 비유전 물질 감지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고,

도 2는 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이고,

도 3은 본 발명에 구비된 발진부에서 발생되는 최초 발진파와 이를 증폭시킨 최종 발진파의 파형을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명에 구비된 감지부에서 출력되는 신호를 비유전 물질 감지 전과 감지 후로 나누어 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 구비된 정류기에서 출력되는 신호를 비유전 물질 감지 전과 감지 후로 나누어 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 발진부 120: 감지부

130: 정류부140: 비교 검출부

150: 타이머 160: 표시부

211: 증폭기 221: 저항

222: 캐패시터223: 오피-앰프

241: 오피-앰프 270: 정전압 회로

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는, 소정 주파수의 구형파를 발생시키는 발진부와; 비유전 물질과 접촉하여 상기 구형파의 주파수를 변화시키는 감지부와; 상기 감지부에서 나온 구형파를 직류 성분으로 변환시키는 정류부와; 상기 정류부에서 나온 직류를 기준 전압과 비교하여 소정의 전압차 이상일 경우 신호 전류를 내보내는 비교 검출부와; 상기 비교 검출부에서 나온 신호 전류를 수신하여 스위칭 신호를 내보내는 타이머와; 상기 타이머에서 나온 스위칭 신호를 받아 비유전 물질의 감지 유무를 나타내 주는 표시부; 및 상기 제 구성요소에 일정한 전원을 공급하는 정전압 회로; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 발진부는 발생된 최초 구형파의 주파수를 증폭하여 출력시키는 증폭기를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 타이머의 스위칭 신호는 전원이 'ON' 또는 'OFF'로 상호 전환되면서 발생되는 신호로써, 상기 신호 전류 인가시에는 'ON' 신호를 발생시키고,비인가시에는 'OFF' 신호를 발생시킨다.

한편, 상기 타이머는 아주 짧은 시간 동안 신호 전류가 인가되더라도 일정시간 동안 'ON'신호를 발생시켜 주는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.

도 1과 도 2를 참조하면 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는, 소정 주파수의 구형파를 발생시키는 발진부(110)와; 비유전 물질과 접촉하여 상기 구형파의 주파수를 변화시키는 감지부(120)와; 상기 감지부(120)에서 나온 구형파를 직류 성분으로 변환시키는 정류부(130)와; 상기 정류부(130)에서 나온 직류를 기준 전압과 비교하여 소정의 전압차 이상일 경우 신호 전류를 내보내는 비교 검출부(140)와; 상기 비교검출부(140)에서 나온 상기 신호 전류를 수신하여 스위칭 신호를 내보내는 타이머(150)와; 상기 타이머(150)에서 나온 상기 스위칭 신호를 받아 비유전 물질의 감지 유무를 나타내 주는 표시부(160); 및 상기 회로에 일정한 전원을 공급하는 정전압 회로(270) 등으로 구성되어 있다.

도 3은 본 발명에 구비된 발진부에서 발생되는 최초 발진파와 이를 증폭시킨 최종 발진파의 파형을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 상기 발진부(110)는 오피-엠프(OP-AMP; 211)를 이용하여 (1)과 같이 일정한 주파수를 갖는 구형파를 최초로 발생시킨다. 이때, 주파수의 대역은 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치의 성능에 큰 영향을 미치므로 트라이얼 앤드 에러(trial and error)기법을 이용하여 정하게 되는데, 바람직하게는 35khz의 대역을 갖는다.

이후, 상기 발진부(110)는 상기 최초 구형파(1)를 발생시키는 과정에서 주파수가 높아짐으로 인하여 발생되는 전압 감소를 보완하기 위해 상기 구형파를 증폭시키게 된다. 따라서, 발진부에서 최종적으로 출력되는 구형파는 (2)와 같은 파형을 갖게 된다.

한편, 상기 발진부(110)에서 발생된 구형파(1)는 감지부(120)로 수신되어 비유전 물질 감지에 사용되게 되는데, 상기 감지부는(120)는 저항(221)과 캐패시터(222) 및 오피-앰프(223)등으로 구성된 로우 패스 필터 회로로 되어 있다.

일반적으로, 로우 패스 필터에서 출력되는 주파수는 저항과 캐패시터의 정전용량에 의해 결정되는데, 정전용량은 캐패시터 내부를 충진하는 물질의 유전율에 따라 변하게 된다. 따라서, 저항이 고정되어 있다면 상기 로우 패스 필터에서 출력되는 신호의 주파수는 전적으로 캐패시터의 내부 충진물에 의존하게 된다.

상기와 같은 원리를 이용하여 본 발명에서는 상기 캐패시터(222)를 비유전 물질 감지센서로 사용하였다. 즉, 상기 캐패시터(222)가 비유전 물질과 접촉하게 되면 정전용량이 변하게 되므로, 이를 분석해 내면 비유전 물질의 감지 유무를 알 수 있다.

그럼, 센서역할을 하는 상기 캐패시터(222)에 비유전 물질이 접촉되어 상기 표시부(160)에 그 감지 유무가 나타나기까지의 과정을 상세히 살펴보기로 한다.

도 4는 본 발명에 구비된 감지부에서 출력되는 신호를 비유전 물질 감지 전과 감지 후로 나누어 나타낸 도면이다.

도 2와 도 4를 참조하면, 상기 캐패시터(203)에 비유전 물질이 접촉되기 전에는 (1)과 같이 수신파와 비슷한 파가 출력된다. 그러나, 비유전 물질이 접촉되면 상기 캐패시터의 정전용량이 변하게 되므로 (2)와 같이 수신파와는 전혀 다른 고주파가 출력된다.

한편, 상기 감지부(120)에서 출력된 신호는 다이오드 및 적분기로 구성된 상기 정류부(130)를 거치면서 직류로 전환된다. 그리고, 이때 상기 정류기에서 출력되는 신호는 비유전 물질 접촉 전에는 도 5의 (1)과 같은 형태가 되고, 비유전 물질 접촉 후에는 도 5의 (2)와 같은 형태가 된다. 여기서, 도 5는 본 발명에 구비된 정류기에서 출력되는 신호를 비유전 물질 감지 전과 감지 후로 나누어 나타낸 도면이다.

이후, 상기 정류부(130)에서 나온 전류 신호는 비교 검출부(140)로 보내지는데, 상기 비교 검출부(140)에서는 비유전 물질 접촉 전의 전압(510)과 접촉 후의 전압(520)을 비교하여 소정의 전압차 이상일 경우 신호 전류를 타이머(150)로 보내게 된다. 여기서 상기 소정의 전압차는 사용자의 용도에 따라 선택이 가능하지만 오피-엠프(241)의 작동 특성 즉, 일정한 전압차 이하는 감지하지 못하는 특성상 0.7V이상이 되도록 조정 하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 비교 검출부(140)에서 나오는 신호 전류는 타이머(150)에 인가되고, 이때 상기 타이머(150)에서는 스위칭 신호 예컨대, 상기 신호 전류 인가시에표시부(160)의 전원을 'ON'시켜주는 신호를 표시부(160)로 내보낸다.

한편, 상기 센서 즉, 캐패시터(222)에 순간적으로 비유전 물질이 감지되는 경우를 생각해 보자. 이 경우 비유전 물질이 센서(222)에 접촉하는 시간은 아주 짧으므로 감지부(120)에서 출력되는 신호와 비교 검출부(140)에서 내보내는 신호 전류도 아주 짧게 된다. 따라서, 이를 바로 표시부(160)로 보내게 되면 그 작동 시간이 너무 짧아 인간의 감각으로 이를 확인하는 데는 어려움이 있다. 그러므로, 아주 짧은 신호 전류 인가시에도 일정시간 이상 상기 표시부(160)를 작동시켜 주는 스위칭 신호가 필요하다. 즉, 상기 타이머(150)는 아주 짧은 시간의 신호전류에도 반응하여 일정 시간 동안 스위칭 신호를 내보내는 특징을 갖고 있다.

이후, 상기 타이머(150)의 스위칭 신호는 최종적으로 표시부(160)로 보내지고, 상기 표시부(160)는 이를 인간이 지각할 수 있는 형태 예컨대, 벨 또는 LED등으로 표시해 줌으로써 비유전 물질의 감지 여부를 나타내 준다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시 예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 , 개량, 대체 및 부가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 이하 첨부되는 특허 청구의 범위에 의하여 정하여야만 한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는, 비교적 간단한 회로로 구성되므로 고장이 적고, 고가의 IC를 사용하지 않으므로 생산 비용이 적게 드는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는 디지털 방식으로 작동되기 때문에 종래의 아날로그방식과는 비교할 수 없을 만큼 빠른 감지 속도를 가지며 또한, 특정부위 예컨대, 스위치 등이 마모되는 일이 없으므로 오래 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 비유전 물질 감지 장치는 자동 제어에 관한 기본 기술 즉, 센서에 관한 기술이므로 다양한 분야에 응용될 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 소정 주파수의 구형파를 발생시키는 발진부와;

   비유전 물질과 접촉하여 상기 구형파의 주파수를 변화시키는 감지부와;

   상기 감지부에서 나온 구형파를 직류 성분으로 변환시키는 정류부와;

   상기 정류부에서 나온 직류를 기준 전압과 비교하여 소정의 전압차 이상일 경우 신호 전류를 내보내는 비교 검출부와;

   상기 비교 검출부에서 나온 신호 전류를 수신하여 스위칭 신호를 내보내는 타이머와;

   상기 타이머에서 나온 스위칭 신호를 받아 비유전 물질의 감지 유무를 나타내 주는 표시부; 및

   상기 제 구성요소에 일정한 전원을 공급하는 정전압 회로; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비유전 물질 감지 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 발진부는 발생된 최초 구형파의 주파수를 증폭하여 출력하는 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비유전 물질 감지 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 타이머의 스위칭 신호는 전원이 'ON' 또는 'OFF'로 상호 전환되면서 발생되는 신호로써, 상기 신호 전류 인가시에는 'ON'신호를 발생시키고, 비인가시에는 'OFF' 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 비유전 물질 감지 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 타이머는 아주 짧은 시간 동안 신호 전류가 인가되더라도 일정시간 동안 'ON'신호를 발생시켜 주는 것을 특징으로 하는 비유전 물질 감지 장치.