KR20060084031A

KR20060084031A - 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브

Info

Publication number: KR20060084031A
Application number: KR1020050004289A
Authority: KR
Inventors: 김윤명
Original assignee: 김윤명
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-07-21
Also published as: US20060176053A1; KR100653931B1; US7471084B2

Abstract

본 발명은 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브에 관한 것으로, 그 목적은 프로브 헤드 구조를 개선하여 전력선(電力線) 등에 의해 발생되는 자유공간이나 액으로 채워진 모의 인체(팬텀) 내에 존재하는 극저주파 자계의 측정을 용이하게 하고자 하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 극저주파 소형 3축 자계 프로브(40)에 의하면; 전송보드(10)와 전기적으로 접속되는 직선상의 연결튜브(41)와, 정육면체로 이루어지며 3개의 모서리가 모이는 일측 첨단부에 연결튜브(41)의 말단이 연결 고정되는 등방성 센싱헤드(42)와, 이 등방성 센싱헤드(42)의 타측 첨단부를 중심으로 인접하는 3면에 각각 마련되며 외주에 코일(45)이 권선된 3개의 보빈(43a)(43b)(43c)을 구비한다.

Description

극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브{3-AXES MAGNETIC FIELD MEASUREMENT PROBE}

도 1은 본 발명에 따른 극저주파 측정시스템을 개략적으로 보인 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브를 발췌하여 보인 사시도이다.

도 3은 도 2의 화살표 Ⅲ 방향에서 본 3축 자계 측정 프로브의 저면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 3축 자계 측정 프로브를 자계 발생장치 내부에 위치시킨 경우를 보인 것이다.

도 5는 자계 발생장치 내부 공간 스캔의 결과 값을 보인 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 3축 자계 측정 프로브를 자계 발생장치 윗면에 위치시킨 경우를 보인 것이다.

도 7은 자계 발생장치 윗면 공간 스캔의 결과 값을 보인 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 3축 자계 측정 프로브를 자계 발생장치 측면에 위치시킨 경우를 보인 것이다.

도 9는 자계 발생장치 측면 공간 스캔의 결과 값을 보인 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10..전송보드 20..컴퓨터

30..로봇 아암 40..3축 자계 측정 프로브

41..연결튜브 42..센싱헤드

43a,43b,43c..보빈 44..권선홈

45..코일

본 발명은 극저주파 자계 측정 프로브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근거리장 측정이 가능하며 높은 공간 분해능을 갖는 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브에 관한 것이다.

전기(電氣)는 현대 생활에서 필수 에너지원이 되었다. 모든 가정에 전기가 공급되어 편리한 생활을 하게 되었지만, 불가피하게 전기의 사용으로 발생되는 전계와 자계의 인체 영향과 같은 해결해야 할 부분이 있다.

일반적으로 저주파 전기장 및 자기장에의 노출은 미세한 에너지 흡수와 측정이 어려울 정도의 신체 온도상승을 유발한다. 그러나 약 100 kHz이상 주파수의 전자기장에 노출될 경우 상당량의 에너지 흡수와 온도상승을 유발한다. (일반적으로 균일한 전자기장 평면파에의 노출에서도 인체 내에는 아주 불균일한 에너지의 축적과 분포가 발생되므로, 이것을 노출량 측정 및 계산에 의하여 평가해야 한다.)

송전선로, 배전선로 그리고 일상가정의 전자 기기에서 발생되는 전자계는 60Hz가 주류를 이룬다. 따라서 전 세계적으로 50Hz와 60Hz를 포함하는 극저주파의 자계가 인체에 미치는 영양에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다. 그러나 국내에서는 극저주파 자계 측정 장비 기술에 대한 연구는 미미하며, 극저주파 측정/연구를 위한 센싱 프로브와 계측기의 대부분은 해외에서 수입되고 있는 실정이다.

이러한 60Hz를 포함하는 극저주파 자계 측정을 위해 사용되는 종래 프로브는 한 방향의 장(場,field)이나 모든 방향의 장(場, field) 성분의 합을 나타내도록 설계되는데, 단일 방향 프로브는 하나의 장 성분에만 응답하고 결과적으로 최고값을 찾기 위해서는 회전시켜야 한다. 그러나 이러한 센싱 과정은 번거롭고도 꽤 많은 시간을 소요하게 되고 측정上의 정확도에 문제점이 있다.

또한, 다중 센서는 공간 장의 세 성분을 합하는데 쓰이는데, 이것은 입사성분의 극성이나 방향과 독립적으로 측정이 가능하도록 한다. 이때 3개의 직각으로 배열된 소형 등방성 프로브를 요구되는데, 이것은 자기장 벡터의 방향과는 무관하게 필드 측정값이 동일하도록 해주며 이를 위해서는 0.01 ㎡ 이하의 단면적을 갖도록 구성 되어 있다. 이와 같이, 종래 저주파 3축 프로브에서는 상당한 단면적을 갖도록 구성되어 있기 때문에, 발생원과 매우 근접하여 공간 변화율이 심한 근거리장 측정이 어려운 것은 물론이며 공간 분해능이 현저하게 낮은 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로; 본 발명의 목적은 전력선(電力線) 등에 의해 발생되는 자유공간이나 액으로 채워진 모의 인체(팬텀) 내에 존재하는 극저주파 자계의 측정을 용이하게 할 수 있는 극저주파 소형 3축 자계 측 정 프로브를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 프로브를 보다 콤팩트하게 구성하여 발생원 (Source)과 근접한 지점에서의 근거리장 측정이 가능하도록 하며 높은 공간 분해능을 갖는 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

극저주파 전기장 값을 센싱하기 위한 자계 프로브와, 이 자계 프로브에서 측정 데이터를 수집하여 전송하는 전송보드와, 이 전송보드로부터 전송된 데이터를 기록 및 처리하도록 마이컴이 마련된 컴퓨터를 갖춘 극저주파 측정시스템에 있어서;

자계 프로브는 전송보드와 전기적으로 접속되는 직선상의 연결튜브와; 정육면체로 이루어지며 3개의 모서리가 모이는 일측 첨단부에 상기 연결튜브의 말단이 연결 고정되는 등방성 센싱헤드와; 이 등방성 센싱헤드의 타측 첨단부를 중심으로 인접하는 3면에 각각 고정 배치되며 가장자리를 따라 코일이 감겨진 3개의 보빈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 보빈들은 등방성 센싱헤드의 외면에 붙여서 배치되도록 정사각 플레이트 형태로 이루어지며, 가장자리에는 코일을 권선하기 위한 권선 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 극저주파 측정 프로브 시스템은 3축으로 구성되어 방향과 상관없이 등방성을 가지며 소형으로 제작되어 근거리장 측정이 가능하고 높은 공간 분해능을 갖도록 한 것으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 로봇 아암(30)에 매달려 설치되는 극저주파 자기장 값을 센싱하기 위한 3축 자계 측정 프로브(40)와, 이 3축 자계 측정 프로브(40)로부터 측정된 데이터를 수집하여 전송하는 전송보드(10)와, 이 전송보드(10)로부터 전송된 데이터를 수집하여 기록 및 처리하는 컴퓨터(20)를 갖추고 있다.

전송보드(10)는 3축 자계 측정 프로브(40)를 통해 검출된 신호 중에서 특정 신호가 컴퓨터(20)에서 요구되면, 요구된 특정 채널의 신호만을 차례로 선택하여 출력시킨다. 이 때, 출력 신호는 증폭회로(11)에 의하여 일정한 이득으로 증폭된 후 A/D 변환기(12)에 입력되어 디지털 출력되며, 이 신호는 포트를 통해 컴퓨터(20)로 전송된다. 이를 위해, 전송보드(10)는 증폭회로(11)와 A/D 변환기(12)와 CPU(13) 등을 갖추고 있으며, 이러한 구성을 통해 3축 자계 프로브(40)로부터 얻어진 센싱 신호는 CPU(13)의 명령에 따라 특정 채널의 데이터를 출력하게 된다.

그리고 컴퓨터(20)에서는 전송보드(10)로부터 전송된 데이터를 통해 자계 값을 기록 및 처리하는 것으로, 3축 자계 측정 프로브(40)에서 측정한 값을 도출하는 마이컴(未도시)을 구비하고 있다.

한편, 3축 자계 측정 프로브(40)는 포지션 콘트롤러(21)를 통해 제어되는 로봇 아암(30)에 설치되는 것으로, 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 전송보드(10)와 전기적으로 접속되는 연결튜브(41)와, 정육면체로 이루어지며 3개의 모서리가 모이 는 일측 첨단부에 연결튜브(41)의 말단이 연결 고정되는 등방성 센싱헤드(42)와, 이 등방성 센싱헤드(42)의 타측 첨단부를 중심으로 인접하는 3면에 각각 마련되며 가장자리에 코일(45)이 권선된 3개의 보빈(43a)(43b)(43c)으로 정의된다.

연결튜브(41)는 검출된 신호가 지나는 길로, 외부 자계에 영향을 거의 주지 않는 특성을 지닌 물질로 된 튜브를 재료로 제작하는 것이 바람직하다.

그리고 등방성 센싱헤드(42)는 정육면체로 이루어지며, 3개의 모서리가 모이는 일측 첨단부에 연결튜브(41)의 한 말단이 견실하게 연결 고정된다. 이러한 등방성 센싱헤드(42)는 테플론으로 가공된다. 센싱헤드(42)를 등방성으로 구성한 것은 3축 모든 방향에 대해서 그 각 축의 검파된 측정값들의 합이 위상과 상관없이 일정한 값을 가져 방향성을 갖지 않도록 하기 위함이다.

또한, 3개의 보빈(43a)(43b)(43c)은 등방성 센싱헤드(42)의 타측 첨단부를 중심으로 이웃하는 3면에 각각 나사(46)를 통해 고정 배치되며, 가장자리를 따라 코일(45)이 수천 회 권선되어 있다. 이러한 보빈(43a)(43b)(43c)들은 센싱헤드(42)의 외면에 당접하여 배치될 수 있도록 정사각 플레이트 형태로 이루어지며, 가장자리에는 코일(45)을 권선하기 위한 권선홈(44)이 형성되어 있다. 이 보빈(43a)(43b)(43c) 역시 테플론으로 가공되어 있으며, 코일(45)은 권선홈(44)을 따라 1500에서 2500 여회 혹은 그 이상 권선된다.

또한, 저주파 자계 프로브(40)가 좋은 센싱 특성을 갖도록 코일의 감는 횟수를 높이기 위해 코일 굵기는 매우 가는 것을 채택하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 예에서는 0.1 ~ 0.2mm 정도의 동선으로 코일(45)을 보빈(43a)(43b)(43c)에 2500여회 감았으며, 시작되는 선과 끝부분의 선을 연결튜브(41)에 전기적으로 접속하였다. 이러한 보빈(41) 한 변의 길이를 10 ~ 20mm 정도로 작게 구성하면, 자계 프로브(40)의 전체 사이즈는 작아지고 이와 함께 공간 해상도가 예리하게 된다.

결국, 등방성 센싱헤드(42)의 외면에 코일(45)이 권선된 보빈(43a)(43b)(43c)이 3축 방향으로 연결되어 방향과 상관없이 등방성을 가지게 된다.

다음에는 이와 같이 구성된 3축 자계 프로브의 작동 및 작용효과를 본 출원의 발명자가 실험한 결과 값을 통해 설명한다.

본 발명의 실시 예에서는 자기장을 검파하기 위해 3축 자계 측정 프로브(40)를 도 1에 도시한 바와 같이, 단축(單軸) 자계 발생장치(50)에 근접시키는 경우를 예로 설명한다.

이 단축 자계 발생장치(50)는 직육면체 타입 목재 프레임 바디에 3개의 코일(51)을 직렬로 연결하여 제작되어 있다. (본 발명의 실시 예에서는 목재프레임 바디의 상단과 하단에 균일한 자계를 형성하기 위해 3개의 코일(51)을 상, 하단은 각각 20 turns으로, 중간코일은 17 turns로 하였다. 또한, 이러한 자계 발생장치(50)의 자계 세기의 범위를 in-vivo 생체 실험을 위한 일반인과 직업인의 기준레벨을 충분히 포함하는 범위로 설정하였다.)

먼저, 이러한 자계 발생장치(50)에 일정한 크기의 전압을 입력하고, 3축 자계 측정 프로브(40)를 도 4와 같이, 자계 발생장치(50)의 상단과 중간코일이 이루는 영역의 내부 중앙에 위치시켜 자계 분포를 측정하였다.

즉, 전송보드(10)를 장착한 로봇 아암(30)에 3축 자계 프로브(40)를 연결하 여, 코일 내부의 가로(10cm), 세로(10cm)의 100 ㎠ 의 단면적을 공간 스캔하였다. (이 때 코일에의 입력전압은 60Hz, 0.3V로 하였다.) 자계 발생장치(50) 내부 공간 스캔의 결과 도 5와 같이, 자계가 매우 균일하게 분포하였음을 알 수 있다.

그리고 도 6과 같이, 자계 발생장치(50)를 바로 세워 둔 채, 코일(51) 상단 바로 위에 3축 자계 측정 프로브(40)를 위치시키고 수평면을 스캐닝하여 자계 분포를 측정하였다. 즉, 자계 센서용 전송보드(10)가 장착된 로봇 아암(30)에 3축 자계 측정 프로브(40)를 연결하여, 자계 발생장치(50) 윗면 외부에 근접하여 가로*세로 = 26 * 36 ㎠의 면적을 공간 스캔하였다. (이 때 입력전압은 60Hz, 0.6V로 하였다.) 자계 발생장치(50) 윗면에서 코일(51) 전체 면적을 포함하여 직사각형 26 * 36 ㎠ 면적을 스캔한 결과, 도 7과 같이, 코일(51)이 이루는 면적 내부에서 발생하는 자계의 세기는 비교적 균일한 필드가 발생하고, 중앙에서 바깥으로 나갈수록 세기가 급격히 감소한다는 사실을 확인할 수 있다.

마지막으로, 도 8과 같이, 자계 발생장치(50)를 눕힌 채 발생장치의 윗 수평면을 따라 3축 자계 측정 프로브(40)를 스캐닝하여 자계 분포를 측정하였다. 즉, 자계 센서용 전송보드(10)가 탑재된 로봇 아암(30)에 3축 자계 측정 프로브(40)를 연결한 후 이를 눕혀진 자계 발생장치(50)의 윗면에 근접시킨 후 가로 세로 24 * 46 ㎠의 면적을 공간 스캔하였다. (이 때 코일에의 입력전압은 60Hz, 0.6V로 하였다.) 이와 같이 스캔 면적은 24 * 46 ㎠으로, 자계 발생장치(50)의 3단의 코일 주변을 포함하도록 설정하였다.

3축 자계 프로브(40)로 자계 발생장치(50)의 바깥 면을 측정한 결과, 도 9와 같이, 권선 코일(51) 주변에서 높은 필드가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.

이와 같이, 3축 자계 측정 프로브(40)는 3축으로 구성되어 방향과 상관없이 등방성을 가지며 높은 공간 분해능을 가짐을 알 수 있다. 또한, 단면적이 4 ㎠ 이하를 갖는 작은 크기로 제작할 수 있으며, 이러한 경우에는 자기장 발생원의 근거리장 측정이 가능하며 보다 높은 공간 분해능을 갖게 된다.

한편, 본 발명에 따른 3축 자계 측정 프로브(40)는 모의 인체 용액 등에 담겨 측정이 가능하도록 방수 처리를 하는 것이 바람직한데, 진공 함침액에 넣어 건조시키면 방수를 완벽하게 할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브는 전송보드와 전기적으로 접속되는 직선상의 연결튜브와; 정육면체로 이루어지며, 3개의 모서리가 모이는 일측 첨단부에 연결튜브의 말단이 연결 고정되는 등방성 센싱헤드와; 이 등방성 센싱헤드의 타측 첨단부를 중심으로 인접하는 3면에 각각 마련되며, 가장자리를 따라 코일이 권선된 3개의 보빈을 구비한다.

따라서 3축 자계 측정 프로브를 회전시키지 않고서도 전력선(電力線) 등에 의해 발생되는 자유공간이나 액으로 채워진 모의 인체(팬텀) 내에 존재하는 극저주파 자계의 측정을 보다 용이하게 할 수 있는 작용효과가 있다. 또한, 자계 측정 프로브 사이즈를 보다 콤팩트하게 구성할 수 있기 때문에, 근거리장 측정이 가능하며 높은 공간 분해능을 갖는 장점이 있다.

Claims

극저주파 전기장 값을 센싱하기 위한 자계 프로브와, 상기 자계 프로브에서 측정 데이터를 수집하여 전송하는 전송보드와, 상기 전송보드로부터 전송된 데이터를 기록 및 처리하도록 마이컴이 마련된 컴퓨터를 갖춘 극저주파 측정시스템에 있어서;

상기 자계 프로브(40)는;

상기 전송보드(10)와 전기적으로 접속되는 직선상의 연결튜브(41)와;

정육면체로 이루어지며, 3개의 모서리가 모이는 일측 첨단부에 상기 연결튜브(41)의 말단이 연결 고정되는 등방성 센싱헤드(42)와;

상기 등방성 센싱헤드(42)의 타측 첨단부를 중심으로 인접하는 3면에 각각 마련되며, 가장자리를 따라 코일(45)이 권선된 3개의 보빈(43a)(43b)(43c)을 구비하는 것을 특징으로 하는 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브.
제 1항에 있어서,

상기 보빈(43a)(43b)(43c)들은 상기 등방성 센싱헤드(42)의 외면에 당접하여 배치할 수 있도록 정사각 플레이트 형태로 이루어지며, 가장자리에는 상기 코일(45)을 권선하기 위한 권선홈(44)이 형성된 것을 특징으로 하는 극저주파 소형 3축 자계 측정 프로브.