KR20120133709A - 플럭스 게이트 센서 및 그를 이용한 센싱방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼밍 효과에 따른 센서의 특성 파괴를 억제할 수 있는 플럭스 게이트 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서는 외부 자계에 따른 전압 신호를 출력하는 센싱부, 보상 범위의 세기를 가진 외부 자계에 대해, 센싱부에서 출력되는 전압 신호에 상응하는 보상 자계를 상기 외부 자계를 상쇄하는 방향으로 인가하는 특성 보상부 및 보상 범위보다 좁은 측정범위에서 상기 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력하는 출력부를 포함한다.

Description

플럭스 게이트 센서 및 그를 이용한 센싱방법{FLUX-GATE SENSOR AND SENSING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 플렉스 게이트 센서 및 그를 이용한 센싱 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면, 센싱 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 플럭스 게이트 센서 및 그를 이용한 센싱방법에 관한 것이다.
플럭스 게이트 센서는 자기장의 세기를 측정하는 센서로, 외부 자계에 의해 두 측정 권선에 유도되는 기전력의 차분 신호에 포함되는 두 배 주파수 성분의 크기를 측정한다. 이러한 플럭스 게이트 센서가 강한 외부 자계에 노출될 경우, 히스테리시스로 인해 측정 특성이 특성 곡선상에서 이동하고, 센서의 선형성이 심하게 손상되어 측정이 불가능해진다. 이를 방지하기 위해 인가된 외부 자계에 상응하는 보상 자계를 센서에 인가하여 센서에 히스테리시스가 발생하는 것을 억제하는 보상형 플럭스 게이트 센서의 구조가 알려져 있다. 보상 자계는 외부 자계를 상쇄하는 방향으로 인가된다.
한편, 플럭스 게이트 센서의 출력은 A/D 변환기를 통해 디지털로 변환되어 출력된다. A/D 변환기의 분해능은 출력 디지털 값의 비트수에 따라 결정되는 것으로 알려져 있지만 실재로는 비트 수만큼 충분한 정밀도를 제공하지 않는 경우가 많다. 예를 들어 24 비트 A/D 변환기의 경우 실재로는 22비트 정도의 분해능만을 갖고 있다.
보상형 플럭스 게이트 센서에 있어서, 보상 범위를 고려하여 A/D 변환기의 변환 범위를 설정한다. 일반적으로 센서의 보상 범위가 A/D 변환기의 변환 범위와 일치하도록 매칭시키고 있다. 그러나, 비트 수만큼의 분해능을 갖지 않는 A/D 변환기로 인해 적절한 변환 범위를 설정하더라도 센서 출력 값이 비트 수만큼의 분해능을 정확히 제공하지 못한다. 또한, 보상범위가 A/D 변환기의 변환 범위에 맞추어 제한되므로, 보상 범위를 넘는 강한 외부자계에 노출될 경우 히스테리시스가 발생하고 이로 인해 메모리 효과(memory effect) 혹은 퍼밍 효과(perming effect)가 발상하여 센서의 특성이 파괴되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 퍼밍 효과에 따른 센서의 특성 파괴를 억제할 수 있는 플럭스 게이트 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 플럭스 게이트 센서의 분해능을 향상시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 제1측면은, 외부 자계에 따른 전압 신호를 출력하는 센싱부, 보상 범위의 세기를 가진 외부 자계에 대해, 센싱부에서 출력되는 전압 신호에 상응하는 보상 자계를 상기 외부 자계를 상쇄하는 방향으로 인가하는 특성 보상부 및 보상 범위보다 좁은 측정범위에서 상기 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력하는 출력부를 포함한다.
부가적으로, 출력부는, 특성 보상부에서 보상 자계에 관련된 신호를 증폭하되, 2 이상의 증폭율로 증폭하는 앰프 및 앰프로 인해 증폭된 신호를 디지털 값으로 출력하는 A/D 변환기를 포함한다.
부가적으로, 앰프의 증폭율은 5 이상 15 이하이다.
부가적으로, 특성 보상부는 보상자계를 인가하는 보상코일, 보상코일에 의해 발생된 전압을 기준 값과 비교하는 비교기, 비교기의 출력전압을 전류로 전환하여 보상코일에 흐르게 하는 V-I 변환기를 포함한다.
부가적으로, 특성보상부는 오실레이터로부터 상기 보상코일에 의해 발생된 전압의 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 신호를 전달받아 상기 보상코일에 의해 발생된 전압을 반송하여 출력하는 복조기를 더 포함한다.
부가적으로, 특성보상부는 복조기에서 출력되는 신호를 필터링하여 비교기로 전달하는 로우패스 필터를 더 포함한다.
본 발명의 제2측면은, 외부자계의 크기에 대응하는 보상자계를 생성하는 단계, 기준전압과 보상자계에 의해 발생된 기전력을 비교하여 보상자계를 피드백하는 단계 및 보상 범위보다 좁은 측정범위 내에서 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력하는 단계를 포함하는 플럭스 게이트 센서를 이용한 센싱방법을 제공하는 것이다.
부가적으로, 디지털 신호를 출력하는 단계에서, 보상 범위보다 좁은 측정범위를 갖도록 하기 위해 보상자계에 의해 흐르는 전류를 증폭한다.
부가적으로, 보상자계에 의해 흐르는 전류의 증폭율은 5 이상 15 이하이다.
본 발명에 따른 플렉스 게이트 센서 및 그를 이용한 센싱 방법은 퍼밍 효과에 따른 센서의 특성 파괴를 억제할 수 있다. 또한, 플럭스 게이트 센서의 분해능을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서의 일실시예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서의 다른 일실시예를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 하나의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 측정된 자계강도를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 하나의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 측정된 자속밀도를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 하나의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 생성된 기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 두 개의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 측정된 자계강도를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 두 개의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 측정된 자속밀도를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 두 개의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 측정된 자속밀도의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 4d는 두 개의 권선에 의한 자계와 보상자계에 의해 생성된 기전력을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 센싱 출력과 외부자기장의 세기의 비의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 센싱 출력과 외부자기장의 세기의 비의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서를 이용하여 센싱하는 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
이하에서는 본 발명을 이러한 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서의 다른 일실시예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 플럭스 게이트 센서(100)는 센싱부(110), 비교기(120), V-I 변환기(130), 보상코일(140), 앰프(150)를 포함한다.
센싱부(110)는 권선(미도시)을 포함하고 권선에 의해 형성된 외부 자계에 대응한 전압 신호를 출력한다. 비교기(120)는 일단은 센싱부(110)에서 출력된 전압 신호를 입력받고 타단은 기준전압(V1)을 입력받아 센싱부(110)에서 출력된 전압신호와 기준전압(V1)을 비교한 결과에 대응하는 전압을 출력한다. V-I 변환기(130)는 비교기(120)에서 출력된 전압을 전류로 전환하여 출력한다. V-I 변환기(130)에서 출력되는 전류는 보상코일(140)로 전달한다. 보상코일(140)은 외부자계를 상쇄하는 방향으로 보상자계를 인가한다. 또한, 보상코일(140)은 V-I 변환기(130)로부터 전류를 전달받아 보상코일(140)에 의해 형성되는 보상자계의 세기를 보정한다. 앰프(150)는 보상자계와 외부자계에 대응한 자기장의 세기에 대응한 신호를 증폭하여 출력한다.
도 2는 본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서의 다른 일실시예를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 플럭스 게이트 센서(200)는 센싱부(210), 특성 보상부(220), 출력부(230)를 포함한다. 센싱부(210)는 외부자계에 따른 전압신호를 출력한다. 특성보상부(220)는 보상 범위의 세기를 가진 외부 자계에 대해, 센싱부에서 출력되는 전압 신호에 상응하는 보상 자계를 외부 자계를 상쇄하는 방향으로 인가한다. 출력부(230)는 보상 범위보다 좁은 측정범위에서 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력한다.
일 양상으로, 센싱부(210)는 플럭스 게이트(211), 오실레이터(212), 제1앰프(213)를 포함할 수 있다. 플럭스 게이트(211)는 제1권선(211a)과 제2권선(211b)을 포함하고 제1권선(211a)과 제2권선(211b)은 서로 반대방향으로 감겨 있다. 제1권선(211a)의 일단은 제1앰프(213)를 통해 오실레이터(212)와 연결되어 오실레이터(212)를 통해 소정의 주파수 f를 갖는 신호(fs)를 전달받는다.
일 양상으로, 특성보상부(220)는 보상권선(221), 캐패시터(C), 복조기(222), 로우패스 필터(223), 비교기(224), V-I 변환기(225)를 포함할 수 있다. 보상권선(221)은 제2권선(211b)에 의해 전류가 유도되어 흐르게 되고 이로 인해 보상권선(221)은 보상 자계를 발생시켜 플럭스 게이트(211)에 인가되도록 함으로써 보상 자계가 외부자계를 상쇄하는 방향으로 인가한다. 따라서, 플럭스 게이트 센서(200)의 특성이 파괴되는 것을 방지하여 센서의 동작 신뢰성을 확보할 수 있도록 한다.
일 양상으로 플럭스 게이트(211)는 하나의 권선을 포함하는 경우, 권선에 외부자계가 인가되고 보상권선에 의해 보상자계가 인가된다. 보상자계로 인해 플럭스 게이트(211)에 형성되는 자가장의 자계강도(H)는 도 3a에 도시되어 있는 것과 같이 Ha 만큼 쉬프트되어 형성된다. 자속밀도(B)는 도 3b에 도시되어 있는 것과 같이 쉬프트되어 형성된다. 그리고, 권선에 생성된 기전력(
Figure pat00001
)은 도 3c에 도시되어 있는 것과 같은 구형파가 보상자계에 의해 구형파가 쉬프트되어 형성된다.
일 양상으로 플럭스 게이트(211)가 두 개의 권선(211a,211b)을 포함하는 경우, 제1권선(211a)과 제2권선(211b)에 외부자계가 인가되고 보상권선(221)에 의해 보상자계가 인가된다. 보상자계로 인해 플럭스 게이트(211)에 형성되는 자기장의 자계강도(H)는 도 4a에 도시되어 있는 것과 같이 Ha 만큼 쉬프트되어 형성된다. 이때, 제1권선(211a)과 제2권선(211b)은 감긴 방향이 반대이기 때문에 제1권선(211a)에 의해 형성된 자계강도와 제2권선(211b)에 의해 형성된 자계강도는 방향이 반대로 나타난다. 또한, 제1권선(211a)에 의해 형성된 자속밀도(B)와 제2권선(211b)에 의해 형성된 자속밀도(B)는 도 4b에 도시되어 있는 것과 같이 형성된다. 그리고, 제1권선(211a)과 제2권선(211b)의 자속밀도의 차이(Bd)는 도 4c에 도시되어 있는 것과 같이 나타난다. 그리고, 제1권선(211a)과 제2권선(211b)에 의해 형성된 기전력(
Figure pat00002
)의 크기는 도 4d에 도시되어 있는 것과 같이 나타난다. 즉, 플럭스 게이트(211)가 두 개의 권선(211a,211b)을 포함하는 경우 하나의 권선을 포함하는 경우보다 주파수 성분이 2배가 된다. 즉, 플럭스 게이트(211)에 의해 형성된 기전력은 2f의 주파수를 갖는 고조파가 신호(2fs)가 된다.
그리고, 복조기(222)는 오실레이터(212)로부터 2f의 주파수를 갖는 신호(2fs)를 전달받아 보상권선(221)을 통해 전달받은 기전력을 반송하여 신호를 생성하고 생성된 신호를 비교기(224)로 전달한다. 일 양상으로, 복조기(222)를 통해 전달받은 신호는 로우패스 필터(223)를 통해 비교기(224)로 전달되는 것도 가능하다.
비교기(224)는 일단에 복조기(222)를 통해 전달받은 신호를 입력받고 타단에 기준전압(V1)을 입력받아 기준전압(V1)과 복조기(222)를 통해 전달받은 신호의 전압을 비교하고 비교결과를 V-I 변환기(225)로 전달한다.
V-I 변환기(225)는 전압을 전류로 전환하는 수단으로, 비교기(224)에서 전달된 전압을 전류로 변환하여 보상권선(221)으로 전달한다. V-I 변환기(225)는 보상권선(221)에 전류를 전달하여 보상권선(221)에서 V-I 변환기(225)로부터 전달받은 전류를 피드백받아 보상자계가 보상되도록 함으로써, 센싱 결과가 신뢰성을 갖을 수 있도록 한다.
일 양상으로, 출력부(230)는 A/D 변환기(231)와 제2앰프(232)를 포함할 수 있다. 제2앰프(232)는 보상권선(221)을 통해 흐르는 전류값을 증폭하여 자기장 세기의 변화를 측정하는 측정범위를 좁힌다. 이로 인해, 측정범위에 대응하여 특성보상부(220)에 의해 자계를 보상하여 센서의 특성이 파괴되는 것을 방지하도록 한다. 이때, 제2앰프(232)의 증폭률은 5~10인 것이 바람직하다. 그리고, 출력부(230)는 센싱결과를 A/D 변환기(231)로 전달하여 센싱된 신호를 디지털 값을 출력한다. A/D 변환기(231)에 입력되는 신호는 제2앰프(232)에 의해 충분히 증폭되어 입력되므로, A/D 변환기(231)의 변환범위가 커져 보상코일에 의한 보상범위를 크게 설정할 수 있다.
그리고, 플럭스 게이트 센서(200)는 제2앰프(232)의 증폭률에 상응하는, 측정범위의 수배에 달하는 강한 외부자계에 노출될 경우라 하더라도 넓게 설정된 보상범위로 인해 플럭스 게이트 센서(200)에서 히스테리시스가 발생되지 않게 된다. 따라서, 메모리 효과(memory effect) 혹은 퍼밍 효과(perming effect)로 인해 센서의 특성이 파괴를 방지한다.
또한, 증폭을 한 상태에서 A/D 변환기(231)를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하기 때문에, 비트 수만큼의 분해능을 갖지 않는 A/D 변환기(231)를 사용하는 것도 가능하다.
일 양상으로, 출력부(230)에서 제2앰프(232)를 통해 보상권선(221)을 통해 흐르는 전류값을 10의 배율로 증폭하게 되면, 센싱 출력과 외부자기장의 세기의 비가 도 5a에서 도 5b와 같이 변하게 된다. 즉, 도 5b와 같이 센싱출력을 증폭하면 외부자계의 측정 범위를 더 작게할 수 있다. 따라서, 도 5b의 경우 보다 더 선형적인 구간에서 외부 자계에 대응하는 센싱출력을 기대할 수 있어 보다 정확한 센싱 결과를 도출할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 플럭스 게이트 센서를 이용하여 센싱하는 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 외부자계의 크기에 대응하는 외부자계의 히스테리스스를 상쇄하는 방향으로 보상자계를 생성한다.(600) 기준전압과 보상자계에 의해 발생된 기전력을 비교하여(610) 보상자계를 피드백하여 보정한다.(620) 보상 범위보다 좁은 측정범위 내에서 상기 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력한다.(630)
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
200: 플럭스 게이트 센서 211: 플럭스 게이트
211a: 제1권선 211b: 제2권선
212: 오실레이터 213: 제1앰프
220: 특성 보상부 221: 보상권선
222: 복조기 223: 로우패스 필터
224: 비교기 225: V-I 변환기
230: 출력부 231: A/D 변환기
232: 제2앰프

Claims (9)

  1. 외부 자계에 따른 전압 신호를 출력하는 센싱부;
    보상 범위의 세기를 가진 외부 자계에 대해, 센싱부에서 출력되는 전압 신호에 상응하는 보상 자계를 상기 외부 자계를 상쇄하는 방향으로 인가하는 특성 보상부; 및
    상기 보상 범위보다 좁은 측정범위에서 상기 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력하는 출력부를 포함하는 플럭스 게이트 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    출력부는,
    특성 보상부에서 보상 자계에 관련된 신호를 증폭하되, 2 이상의 증폭율로 증폭하는 앰프; 및
    앰프로 인해 증폭된 신호를 디지털 값으로 출력하는 A/D 변환기;를 포함하는 플럭스 게이트 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    앰프의 증폭율이 5 이상 15 이하인 플럭스 게이트 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    특성 보상부는
    보상자계를 인가하는 보상코일;
    보상코일에 의해 발생된 전압을 기준 값과 비교하는 비교기;
    비교기의 출력전압을 전류로 전환하여 보상코일에 흐르게 하는 V-I 변환기를 포함하는 플럭스 게이트 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    특성보상부는
    오실레이터로부터 상기 보상코일에 의해 발생된 전압의 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 신호를 전달받아 보상코일에 의해 발생된 전압을 반송하여 출력하는 복조기를 더 포함하는 플럭스 게이트 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    특성 보상부는
    복조기에서 출력되는 신호를 필터링하여 비교기로 전달하는 로우패스 필터를 더 포함하는 플럭스 게이트 센서.
  7. 외부자계의 크기에 대응하는 보상자계를 생성하는 단계;
    기준전압과 보상자계에 의해 발생된 기전력을 비교하여 보상자계를 피드백하는 단계; 및
    보상 범위보다 좁은 측정범위에서 상기 특성보상부의 보상 자계에 관련된 신호의 크기를 디지털 값으로 출력하는 단계를 포함하는 플럭스 게이트 센서를 이용한 센싱방법.
  8. 제7항에 있어서,
    디지털 신호를 출력하는 단계에서, 보상 범위보다 좁은 측정범위 내를 갖도록 하기 위해 보상자계에 의해 흐르는 전류를 증폭하는 플럭스 게이트 센서를 이용한 센싱방법.
  9. 제8항에 있어서,
    보상자계에 의해 흐르는 전류의 증폭율은 5 이상 15 이하인 플럭스 게이트 센서를 이용한 센싱방법.
KR1020110052499A 2011-05-31 2011-05-31 플럭스 게이트 센서 및 그를 이용한 센싱방법 KR101224622B1 (ko)

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