KR20040035975A - 물체감지용 써치코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미국의 헨리(Joseph Henry)와 영국의 패러데이(Michael Faradey)가 발견한 전자기 유도에 관한 법칙 중, 코어에 감겨진 코일에 N극과 S극의 변화를 주어 자기장이 변하면 전류가 발생하는 법칙을 역이용한 써치코일에 관한 것으로서, 높은 히스테리시스 현상을 갖는 코어에 마그네트 써치코일을 구성하여 이 코어의 주위에서 이동하는 물체가 가지고 있는 고유 자기장이 코어에 유도되어 전압이 발생함으로써 물체의 이동상황을 감지할 수 있도록 한 기술이다.

Description

물체감지용 써치코일{Search Coil For Sensing Objects}

본 발명은 미국의 헨리(Joseph Henry)와 영국의 패러데이(Michael Faradey)가 발견한 전자기 유도에 관한 법칙 중, 코어에 감겨진 코일에 N극과 S극의 변화를 주어 자기장이 변하면 전류가 발생하는 법칙을 역이용할 수 있는 써치코일에 관한것으로서, 높은 히스테리시스 현상을 갖는 코어에 마그네트 써치코일을 구성하여 이 코어의 주위에서 이동하는 물체가 가지고 있는 고유 자기장이 코어에 유도되면 써치코일에 전압이 발생함으로써 예를 들어 물체의 이동상황을 감지할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.

종래의 물체 감지 등에 이용되는 센서는 지향성이 없으므로 근거리 물체와 원거리 물체를 분류할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 감지도를 높일 경우 의도하지 않은 물체가 감지될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어 감지범위내에 서로 다른 물체가 존재할 경우 카운트에 에러가 발생할수 있다. 따라서, 교량이나 고가도로 등에 설치하여 사용하기에는 부적합하다.

또한, 현재 사용하고 있는 감지기중 코일을 이용한 인덕턴스 방식의 감지기에는 루프(loop)식과 플럭스 게이트(Flux Gate) 방식으로 분류할 수 있는데, 모두가 정해진 코일에 발진된 주파수와 전류를 흘려서 코일에 인덕턴스가 형성되도록 한 후, 근접하는 물체의 금속으로 인하여 인덕턴스가 변화하면 이때 변화하는 파형의 변화, 혹은 전압 변화를 감지하도록 되어 있어 인덕턴스를 형성하기 위한 전자적 발진회로와 검지기회로가 필히 있어야 한다. 더구나, 이 방식은 금속 성분의 분포도가 일정하지 않아 사용코자 하는 위치에 따라 별도로 조정하여야 하므로 불편하고, 사용하는 코일보다 면적이 넓은 철근 혹은 금속에 부착될 때는 감지기로서 사용이 불가능해짐은 물론, 코일에 전류를 계속 공급하여야 하므로 반드시 전원이 필요하다.

또한, 코일에 주파수를 공급하므로 두 개 혹은 다수개의 센서를 사용할 때이들 센서들이 근접 위치할 경우에는 상호 간섭이 발생한다. 따라서, 센서간의 거리가 필히 소정거리 이상으로 떨어져 있어야 한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 물체가 가지고 있는 철 속의 자기성분만을 감지함으로써 전류 공급이 필요 없음과 동시에 영구적인 사용이 가능한 써치코일을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 써치코일은, 스테인(Stain)봉속에 증폭기와 함께 내장함과 동시에, 외부로부터의 충격 및 습도를 고려하여 에폭시 몰딩하며, 피복에 우레탄이 함유된 A.B.S 고무 케이블(Rubber Cable)을 연결 사용토록 한 것을 특징으로 한다.

상기 써치코일은 철 속의 자기성분만을 감지하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 써치코일 및 부가적인 구성부분을을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 써치코일의 감지범위를 나타낸 원리도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 써치코일 및 부가적인 구성부분의 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 ------ 써치코일 11 ------ 코어

20 ------ 필터 30 ------ 증폭기

31 ------ 컨버터 60 ------ 스테인봉

70 ------ 케이블

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

우리가 살고 있는 지구는 남극과 북극으로 분류되어 있는데, 북극은 N극, 남극은 S극으로 자장을 가지고 있어 지구 VYAYS 위를 이동하는 철 성분을 가진 금속체는 자기의 세기, 투자열, 보자율의 함유량의 차이는 있을지라도 공통적으로 자기 성분을 가지게 된다. 따라서, 헨리 법칙이나 패러데이 법칙을 역 이용하면 자기 성분을 가진 금속체가 움직일 때 자장이 변함에 따라 주위에 있는 히스테리시스가 높은 코어에 감긴 코일의 회전수에 비례하여 전압이 출력되게 된다.

과거에 사용된 코어로서는 강자성체와 특성이 정 반대인 비자성체인 연철,규소, 철-니켈 합금, 철-알루미늄 합금을 이용하여

①투자율이 적고 포화, 자속밀도가 적은 물질을 히스테리시스 곡선의 모양이 각형이며 면적이 큰 것

②보자력과 잔류자기가 적고 히스테리시스 곡선의 면적이 적은 물질

③투자율이 적은 항 투자율의 물질

④상온에서 투자율이 선형 비례하는 정자기 물질

⑤히스테리시스 곡선 기울기가 적고 자속력이 빠른 물질

⑥비 자성조직을 갖는 합금재료(δ ≫1)

등의 특성을 가진 비-강자성(Non-ferromanetism) 또는 비-파라스틱 강자성(Non-Parastic ferromagnetism)이라 부르는 재료를 이용하던 중 퍼머로이(Permerloy)를 개발하기에 이르러 산업기기, 병기에 꾸준히 응용되어 왔으나 현재는 더욱 우수한 소재가 개발되어 일반 써치코일로 이용하기에 문제가 없다.

그리고, 써치코일에서 출력되는 전압이 미약할 때에 응용하는 전자적 증폭 장치도 고도로 발달하여 증폭율이 140㏈이상 160㏈를 증폭하는 증폭기는 이미 보급화되어 있는 단계이다. 더욱 나노(nano) 기술까지 이르게 되어, 차량감지기는 물론 거리가 500m 떨어진 곳에서 이동하는 금속체의 차량, 선박을 검지하는 것은 별로 어려움이 없는 기술까지 발전하였으며 실제적으로 군에서 병기 또는 유도탄 등에 대해서는 이미 오래 전부터 응용하여 온 기술이다.

그 동안 감지기술의 한계를 극복하기 위하여 써치코일 방식을 이용한 사례가 몇몇 있으나, 기술 발전의 한계로 말미암아 써치코일 방식이 센서로 사용되기에는역부족이었다.

그러나, 현재는 히스테리시스 특성이 우수한 재질이 개발되고, 예전에 이용되던 Permerloy 보다 7배 이상의 성능을 가진 금속 소재와 전자 기술의 급속적인 발전으로 써치코일 증폭기 방식을 군사 병기에 이용하는 단계까지 이르러 기타 여러 가지 응용 분야로의 확대 이용에도 문제가 없을 정도가 되었다.

상기와 같은 근간을 토대로 한 본 발명은 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 금속체에서 발생되는 고유의 자장을 감지하기 위하여 코어(11)와 코일(12)로 이루어진 써치코일(10)이 구성된다.

상기 써치코일(10)은 특수 합금으로 국내에 알려진 규소 강판의 일종으로 철-니켈(Fe-Nickel) 코발트를 일정 비율로 배합한 후 두께를 0.025m/m 이하가 되도록 특수 가공된 코어(11)를 사용한다. 이때, 종전에 사용하였던 훼라이트, 규소, 니켈, Permerloy 등과 같은 금속이 가지고 있는 히스테리시스 특성 곡선과 투자율의 약 7배의 효율을 가진 특별히 개발된 소재에 코일(12)을 감되, 감지하고자 하는 물체가 가지고 있는 가우스(gauss)와 사용 장소에서의 지구가 가지고 있는 자장의 세기와 방향 그리고 후단에 사용되는 증폭기의 임피던스가 매칭되도록 전기적 및 전자적 총괄 발란스를 맞추어 설계함으로써 최고의 성능을 발휘하도록 한다.

이 같은 본 발명의 써치코일(10)은 전류가 흐르지 않으므로 오랜 시간 전류가 흐르고 있으면 표피작용 혹은 동선의 분자 변질 등 특성이 변할 소지가 있는 단점을 해소할 수 있다.

한편,본 발명의 써치코일(10)은 주위 환경에 존재하는 금속으로부터의 영향을 받지 않으므로 물속, 땅속 또는 압력과 충격을 받을 때를 고려하여 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 스테인(Stain)봉(60) 속에 써치코일(10) 및 증폭기(30)를 동시에 내장하여 크기를 최소화하였으며, 외부로부터의 충격 및 습도를 고려하여 에폭시 몰딩하여 방수 효과를 높였다.

또한, 써치코일(10)에 연결되는 케이블(70)은 본 발명에 따른 써치코일(10)의 사용시 신뢰성과 마모성 혹은 약품 등에 의한 변질을 고려하여 피복에 우레탄이 함유된 A.B.S 고무 케이블(Rubber Cable)을 사용함으로써 물속, 땅속, 약품 및 해저에서 사용하여도 무방하도록 하였으며, 굵기를 최대로 하여 선이 길어질 수록 전류의 손실이 최소가 되도록 하였다.

본 발명의 써치코일(10)은 또한, 상기 써치코일(10)에서 감지된 신호에 포함된 잡음(noise)을 제거하기 위하여 필터(20) 및 증폭기(30)와 결합되어 사용하며, 필터(20)는 지구상 어느 곳이나 고주파, 저주파, 전자파 등 노이즈가 유도되고 있으므로 물체의 자기장의 변화를 양호하게 판단하기 위하여 불필요한 신호를 제거하도록 한다. 이때, 잡음주파수와 매칭되는 커패시턴스를 이용 잡음을 상쇄시킴으로써 신호 대 잡음비(S/N)를 향상시켜 센서 후단에 사용되는 증폭기(30)의 효율을 높이게 된다.

즉, 증폭기(30)는 필터(20)에서 잡음이 제거된 상태로 출력된 써치코일(10)의 감지신호를 소정레벨 증폭하기 위한 것으로서, 써치코일(10)에서 출력되는 감지신호가 전압 및 전류로 환산시 너무 미약하므로 입력전압이 0.03㎶에서 동작하고 전류도 100PA에서 동작되도록 구성한다. 그리고, 최소한 증폭율이 130㏈ 이상이 되도록 구성한다.

이 같은 증폭기(30)는 현재 반도체 제조업체에서 많은 발전과 개발을 통해 이미 실용화시킨 기술로서 각종 시험을 거쳐 신뢰성이 입증되어 군수 장비나 산업기기 등에 이용되고 있다.

본 발명에 사용되는 증폭기(30)로서는 컨버터 회로가 필수이므로 도 3에 도시한 바와 같이 증폭기(30)를 컨버터(31)를 내장시킨 하나의 칩으로 만들어 사인파가 아닌 디지털신호(펄스파)가 출력되도록 구성하였으며, 소모 전류가 적어 건전지로 사용하여도 장시간 사용이 가능하도록 설계되어 있다.

특히, 반도체를 사용할 경우 실리콘일 때 출력 신호가 공급 전압보다 0.6V 볼트 저하 현상이 일어나지만, 본 발명의 증폭기(30)에서는 공급 전압의 100%가 출력되도록 설계되어 있다.

이 같이 구성된 본 발명은 철 성분을 써치코일(10)에 의해 감지하여 그 감지신호를 필터(20)에 출력하면, 필터(20)는 상기 써치코일(10)이 감지한 신호에 포함된 잡음성분을 제거한 후 증폭기(30)로 출력한다.

따라서, 증폭기(30)에서는 미리 정해진 소정레벨(140dB)로 감지신호를 증폭하여 추후 필요한 동작을 수행토록 한다.

상술한 본 발명은 특정한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적사상의 범주내에서는 얼마든지 수정 및 변형실시가 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 써치코일은 다음과 같은 여러 가지 효과가 있다.

첫째, 코일 자체에서 신호가 출력되기 때문에 감지보드와 같은 복잡한 전자 회로가 필요없다.

둘째, 부품 수량이 적어 불량 요소가 없고 영구적이며 제작시 원가를 절감할 수 있다.

샛째, 써치코일이 지향성을 가지고 있으므로 써치코일의 길이에 따라 감지범위를 상,하,좌,우로 분류하여 감지할 수 있다.

넷째, 여러 개의 써치코일을 사용하여 물체의 길이와 폭을 감지할 수 있다.

다섯째, 써치코일의 감지신호를 데이터화하여 저장하여 두었다가 이용코자 하는 신호만을 픽업하여 사용할 수 있다.

Claims (2)

1. 스테인(Stain)봉(60)속에 증폭기(30)와 함께 내장함과 동시에, 외부로부터의 충격 및 습도를 고려하여 에폭시 몰딩하며, 피복에 우레탄이 함유된 A.B.S 고무 케이블(70)을 연결 사용토록 한 것을 특징으로 하는 물체감지용 써치코일.
2. 제1항에 있어서, 상기 써치코일은 철 속의 자기성분만을 감지하는 것을 특징으로 하는 물체감지용 써치코일.