KR20170136885A - Small fine dust photo sensor - Google Patents

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하창우
박화진
최동진
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광전자 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a fine dust sensor and, more specifically, relates to a small optical fine dust sensor capable of measuring fine dust of a 1 m level. According to the present invention, the dust sensor comprises: a body unit having an inlet into which dust moves and an outlet from which dust is discharged; a dust flow means to cause dust to flow from the inlet to the outlet; a light emitting unit to generate light in the body unit to emit light to dust; a condensing lens to condense reflection light scattered by floating dust; a one-chip light receiving element to amplify a current by at least 1000 times with a photodiode in which the current is generated by the light condensed by the condensing lens to output an amplified current; and a microcomputer to use a signal outputted by the light receiving element to determine a concentration of dust.

Description

소형화된 광학식 미세 먼지 센서{SMALL FINE DUST PHOTO SENSOR}[0001] SMALL FINE DUST PHOTO SENSOR [0002]

본 발명은 미세 먼지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1㎛ 정도의 미세먼지를 측정할 수 있는 소형 미세 먼지 센서에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine dust sensor, and more particularly, to a small fine dust sensor capable of measuring fine dust of about 1 μm.

먼지를 검출하기 위한 종래 먼지센서들의 구조는 보통 수광소자로 Photo Diode, Photo transistor, 발광소자에는 LED 혹은 Laser Diode의 조합으로 이루어져 있다. 보통 수광소자는 발광소자로부터 발생된 평행광이 미세먼지에 맞고 반사되는 산란광을 수광하여 먼지의 농도를 측정한다. The structure of conventional dust sensors for detecting dust is usually composed of a photodiode as a light receiving element, a photo transistor, and a combination of an LED or a laser diode as a light emitting element. Usually, the light receiving element receives the scattered light reflected by the parallel light generated from the light emitting element and measures the density of the dust.

예를 들어, 대한민국 실용신안 등록 제0372496호에서는 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이, 수광센서(1) 및 발광부(2), 먼지에 의해 산란된 빛을 집광하는 렌즈(3) 및 가시광필터(5)로 구성된 광학부(4), 수광부의 아나로그 출력신호를 증폭하는 증폭부(30), 증폭전 수광부 광센서 에미터 신호(20), 에미터신호 및 증폭신호를 입력받아 센서의 감도를 보정하고 출력하고, 센서의 감도분산을 보정하기위한 감도보정 입력회로부(50) 및 신호를 알고리즘 처리하는 마이컴(40)으로 구성된 광학식 먼지센서를 제공한다. For example, Korean Utility Model Registration No. 0372496 discloses a light receiving sensor 1 and a light emitting portion 2, a lens 3 for condensing light scattered by dust, An optical unit 4 composed of a filter 5, an amplifying unit 30 for amplifying an analog output signal of the light receiving unit, an optical sensor emitter signal 20 before amplification, an emitter signal and an amplified signal, A sensitivity correction input circuit unit 50 for correcting and outputting sensitivity, correcting the sensitivity dispersion of the sensor, and a microcomputer 40 for processing the signal.

대한민국 특허 공개 제10-2015-0113575호에서는 마이컴이 기준신호의 발생 기능을 수행하는 기준신호 발생부를 포함함으로써 먼지센서 감도의 자가 진단 및 보상이 가능하도록 하는 광학식 먼지 센서를 제공한다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0113575 provides an optical dust sensor capable of self-diagnosis and compensation of dust sensor sensitivity by including a reference signal generator for performing a function of generating a reference signal.

이러한 제품들은 먼지센서에서 발생하는 미세한 신호를 증폭하기 위한 별도의 회로가 필요하며, 이러한 증폭회로 인해 제품의 소형화가 어려워, 설치 공간이 협소한 장치에는 적용하기 어려운 문제가 있다. These products require a separate circuit for amplifying the minute signals generated from the dust sensor. Because of this amplification circuit, it is difficult to miniaturize the product and it is difficult to apply to a device having a narrow installation space.

또한, 종래 광학식 먼지센서들을 발광소자의 직진성으로 인해 수광소자와 발광소자가 대칭구조로 되어 있으며, 수·발광 소자의 대칭구조 사이에 유입되는 미세먼지를 Focusing 하기 위하여 종래에는 45°의 대치각 θ를 갖는 것이 일반적으로 모듈의 구조변경에 제한적이다. Conventionally, the conventional optical dust sensors have a symmetrical structure of the light receiving element and the light emitting element due to the linearity of the light emitting element. In order to focus the fine dust flowing between the symmetrical structure of the light emitting element, Is generally limited to structural modification of the module.

또한, 종래의 제품들은 발광 소자의 성능 저하로 인한 기준 신호의 변화와 함께 수·발광 사이에 유입되는 먼지의 흐름이 원활하지 않아 수광소자의 표면에 먼지가 쌓이게 되어 감도가 떨어지는 문제가 있다. In addition, in conventional products, there is a problem that the flow of dust introduced between the water and the light emission is not smooth due to the change of the reference signal due to the degradation of the performance of the light emitting device, and dust accumulates on the surface of the light receiving device.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 별도의 증폭회로 없어, 소형화가 가능하면서도 정밀한 측정이 가능한 새로운 광학식 먼지센서를 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a new optical dust sensor which can be miniaturized and can be precisely measured without a separate amplification circuit.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 높은 정밀성으로 인해 수광 소자와 발광 소자가 비대칭형태로 인해 정밀 측정이 가능한 새로운 광학식 먼지 센서를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a new optical dust sensor capable of precisely measuring a light receiving element and a light emitting element due to an asymmetric shape due to high precision.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 수·발광 사이에 유입되는 먼지의 흐름이 원활하게 하여 수광소자의 표면에 먼지가 쌓이는 것을 방지하고, 실시간으로 미세 먼지의 농도를 측정할 수 있도록 한 새로운 광학식 먼지 센서를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a new optical system which can prevent the accumulation of dust on the surface of the light receiving element due to smooth flow of dust introduced between water and light, Thereby providing a dust sensor.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은In order to solve the above problems,

먼지가 유입되는 유입구와 먼지가 배출되는 배출구를 가지는 몸체부;A body portion having an inlet through which dust is introduced and an outlet through which dust is discharged;

상기 유입구에서 배출구로의 먼지 유동을 일으키는 먼지 유동 수단;A dust flow means for causing a dust flow from the inlet to the outlet;

상기 몸체부 내부에서 빛을 발생시켜 먼지를 조사하는 발광부;A light emitting unit for generating light and irradiating dust inside the body portion;

부유하는 먼지에 의해 산란되는 반사광을 집광시키는 집광 렌즈;A condensing lens for condensing reflected light scattered by floating dust;

집광 렌즈에 의해서 집광된 광에 의해서 전류가 발생되는 포토다이오드와 상기 전류를 1000배 이상 증폭하여 출력하는 원(one) 칩형 수광소자; 및A photodiode in which a current is generated by the light condensed by the condenser lens, and a one chip type light receiving element for amplifying the current by at least 1000 times and outputting the amplified current; And

상기 수광소자에서 출력되는 신호를 이용해서 먼지농도를 판단하는 마이컴A microcomputer for determining a dust concentration using a signal output from the light receiving element,

을 포함하여 이루어진다. .

본 발명에 있어서, 상기 먼지 유동 수단은 기계적 또는 열적으로 유동시킬 수 있으며, 예를 들어 열 저항, 팬, 히터 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 좁은 공간의 몸체부 내부에서 대류에 의해서 먼지를 유동시키는 있는 열저항에 바람직하다. In the present invention, the dust flow means may be mechanically or thermally flowable. For example, a heat resistance, a fan, a heater, or the like may be used. Preferably, it is desirable for the thermal resistance to flow the dust by convection inside the body of the narrow space.

본 발명에 있어서, 상기 발광부와 수광부의 위치는 발광부의 광이 수광부로 직접 입력되지 않도록 대향하여 배치된다. 일반적으로 발광부의 광축과 수광부의 광축은 90°를 이루는 것이 바람직하지만, 본원 발명의 경우 수광소자에서 출력되는 전류량이 충분하므로 센서의 설치 환경에 형상에 따라서 임의로 변경할 수 있으며, 예를 들어, 30~150°범위에서 조절가능하다.In the present invention, the positions of the light emitting portion and the light receiving portion are arranged so as to face each other so that light from the light emitting portion is not directly input to the light receiving portion. Generally, it is preferable that the optical axis of the light emitting unit and the optical axis of the light receiving unit form 90 [deg.]. However, since the amount of current outputted from the light receiving element is sufficient in the present invention, it can be arbitrarily changed according to the shape of the sensor installation environment. It is adjustable in the range of 150 °.

본 발명은 일 측면에 있어서, 본 발명에 따른 먼지센서는 In one aspect, the present invention provides a dust sensor according to the present invention,

빛을 발생시켜 먼지를 조사하는 발광부;A light emitting portion for emitting light to irradiate dust;

부유하는 먼지에 의해 산란되는 반사광을 집광시키는 집광 렌즈;A condensing lens for condensing reflected light scattered by floating dust;

집광 렌즈을 통해서 집광된 광을 포토다이오드에 조사하여 전류를 발생시키고, 발생된 전류를 1000배 이상 증폭하여 출력하는 원 칩에 수광소자를 포함하는 수광부; 및 A light receiving unit including a light receiving element on a first chip that generates light by irradiating the photodiode with light condensed through a condenser lens, amplifies the generated current by 1000 times or more, and outputs the amplified light; And

상기 수광소자에서 출력되는 신호를 이용해서 먼지농도를 판단하는 마이컴A microcomputer for determining a dust concentration using a signal output from the light receiving element,

을 포함하여 이루어진다. .

본 발명에 있어서, 상기 원칩에서 출력되는 전류는 2856K 광원 5lux 조건에서 20~50 mA 수준이 적절하며, 상기 범위보다 적을 경우, 재증폭이 필요하게 되며, 상기 범위보다 많을 경우 전류가 포화되어 실시간으로 변하는 먼지의 농도를 감지하기 어려워진다. In the present invention, the current output from the one chip is suitably in the range of 20 to 50 mA under the condition of 2856K light source 5 lux. If the current is less than the above range, re-amplification is required. It becomes difficult to detect the density of the changing dust.

본 발명에 따른 먼지 센서는 수광센서에서 발생되는 전류량이 커서 별도의 증폭회로 없이 먼지 농도를 측정할 수 있으며, 이로 인해 먼지센서의 크기가 소형화될 수 있으며, 고출력 수광센서로 인해 수광부와 발광부의 배치 각도를 임의로 조절할 수 있다. The dust sensor according to the present invention can measure the dust concentration without a separate amplification circuit because the amount of current generated from the light receiving sensor is large. Therefore, the size of the dust sensor can be downsized. Due to the high output light receiving sensor, The angle can be arbitrarily adjusted.

또한, 본 발명에 따른 먼지센서는 먼지 센서 부에서 먼지를 유동시키는 수단을 포함하여, 먼지센서로 유입되는 먼지가 쌓여 감도가 저하되는 문제를 해결할 수 있다. In addition, the dust sensor according to the present invention includes a means for flowing dust in the dust sensor portion, thereby solving the problem that the dust introduced into the dust sensor accumulates to reduce the sensitivity.

도 1은 종래 먼지센서의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 먼지센서의 측정 순서를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 먼지센서의 신호처리를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 수광센서를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 먼지 선세의 단면을 보여주는 도면이다. 1 is a view showing the internal structure of a conventional dust sensor.
2 is a view showing a measurement procedure of a conventional dust sensor.
3 is a diagram showing signal processing of a dust sensor according to the present invention.
4 is a view for explaining a light receiving sensor used in the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of dust gauging according to the present invention.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The following examples are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the scope of the invention.

도 3 내지 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 먼지센서(10)는 내부가 비어 있는 직육면체 형태의 몸체부(100)를 가지며, 상기 먼지 센서 몸체부(100)의 하단면의 일측에는 먼지가 유입되도록 개방된 유입구(110)이 설치되고, 몸체부(100)의 상단면의 중심부에는 먼지가 배출되도록 개방된 배출구(120)이 설치된다. 몸체부(100) 내부 하단 중심부에는 열저항(130)이 형성된다. 열저항(130)에서 열이 발생하여 주변 온도보다 높은 온도를 유지하면 대류가 발생하여 상기 유입구(110)로부터 유입된 먼지가 가라앉지 않고 떠올라서 배출되게 된다. 3 to 5, the dust sensor 10 according to the present invention has a rectangular parallelepiped-shaped body portion 100 in which the interior of the dust sensor 10 is hollow, An inlet 110 opened to allow dust to flow in and a discharge port 120 opened to discharge dust are installed at the center of the upper surface of the body 100. A thermal resistance 130 is formed at the bottom center of the body 100. When heat is generated in the thermal resistor 130 and the temperature is maintained at a temperature higher than the ambient temperature, convection occurs, so that the dust introduced from the inlet 110 does not sink, but is discharged after being floated.

본 발명의 먼지 센서(10)의 측면에는 발광소자(200)와 수광소자(300)가 배치된다. 발광소자(200)는 원통형의 광 가이드부(210)과 발광용 다이오드(220)로 이루어지며, 수광소자(300)는 원통형의 수광 가이드부(310)과 수광 가이드부(310)의 전단에 설치된 집광렌즈(320)와 상기 집광 렌즈(320)에 의해서 집광된 광에 의해서 전류를 발생시키는 수광칩(330)으로 이루어진다. The light emitting device 200 and the light receiving device 300 are disposed on the side surface of the dust sensor 10 of the present invention. The light emitting device 200 includes a cylindrical light guide part 210 and a light emitting diode 220. The light receiving device 300 is installed at a front end of a cylindrical light receiving guide part 310 and a light receiving guide part 310 And a light receiving chip 330 for generating a current by the light condensed by the condenser lens 320.

상기 먼지 센서(10)의 양측에 설치되는 발광 소자(200)와 수광 소자(300)는 소정 각도로 경사지게 설치되며, 상호 대향하여 설치된다. 바람직하게는 동일한 각도로 기울어져 좌우 대칭형태를 이루는 것이 좋지만, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 발광소자(200)와 수광 소자(300)은 각각 15°~ 75°사이의 범위에서 기울어져 설치될 수 있다. The light emitting device 200 and the light receiving device 300 provided on both sides of the dust sensor 10 are installed at an angle to each other and are installed to face each other. But it is preferable to be inclined at the same angle to form a symmetrical shape. However, the present invention is not limited thereto. For example, the light emitting device 200 and the light receiving device 300 may be installed at an inclination in a range between 15 ° and 75 °, respectively.

상기 먼지 센서(10)에 설치되는 수광칩(330)는 집광렌즈(320)에 의해서 집광된 광의 조사량에 따라 광전류가 발생되는 포토 다이오드(331)와 광전류를 증폭하여 증폭된 전류를 발생시키는 전류 증폭회로(332)가 하나의 Photo IC칩으로 형성된다. 상기 증폭 회로(322)는 칩에서 출력되는 전류량을 포도다이오드에서 출력되는 1,000배, 예를 들어 4,600~18,000배로 증폭시킬 수 있다. 실제로 원칩의 포토다이도으에서 1nA가 흐르게 되면, 최대 180μA의 전류가 출력되었다. The light receiving chip 330 mounted on the dust sensor 10 includes a photodiode 331 generating a photocurrent according to the amount of light condensed by the condenser lens 320 and a photodiode 331 amplifying the photocurrent to generate a current amplified The circuit 332 is formed as one Photo IC chip. The amplification circuit 322 can amplify the amount of current output from the chip to 1,000 times, for example, 4,600 to 18,000 times as much as that output from the grape diode. In fact, when 1nA flows from the photodiode of the one-chip, a maximum of 180μA of current is output.

본 발명에 따른 먼지 센서(10)는 다음과 같이 작동한다. 도 5에서 유입구(110)로 먼지가 유입되면 발광소자(200)에서 발생하는 평행광이 먼지에 반사되어 산란되며, 산란 광은 집광렌즈(320)를 통해 Photo Diode(331)과 고 증폭회로(332)가 원칩화되어 있는 Photo IC 수광칩(330)으로 전달된다. 발광 소자(320)와 Photo IC 수광칩(330)은 대칭 구조로 설계하였으며, 이때 대치각은 미세먼지를 포커싱 할 수 있는 위치면 모두 적용 가능하다. 유입구(110)를 통해 유입된 먼지는 배출구(120) 방향으로 열저항(130)에 의한 대류에 의해 순환되며, 먼지의 유입과 배출이 원활해짐에 따라 실시간 변하는 먼지의 양을 검출할 수 있게 된다. Photo IC인 수광칩(330)로 증폭된 출력 값은 신호처리부를 통해 입자 농도에 비례한 Pulse 신호를 발생시키고, 단위 시간당 산란광의 Puls신호를 비율로 산출하여 설정된 비율 값에 비교를 통해 공기에 포함된 미세먼지의 양과 농도를 검출한다.The dust sensor 10 according to the present invention operates as follows. 5, the parallel light generated in the light emitting device 200 is reflected and scattered by the dust when the dust is introduced into the inlet 110. The scattered light is transmitted through the condenser lens 320 to the photo diode 331 and the high- 332 are transferred to the Photo IC light receiving chip 330 which is one-chip. The light emitting device 320 and the photo IC light receiving chip 330 are designed to have a symmetrical structure. At this time, the facing angle can be applied to all of the position surfaces capable of focusing fine dust. The dust introduced through the inlet 110 is circulated by the convection by the thermal resistor 130 in the direction of the outlet 120 and the amount of dust that changes in real time can be detected as the inflow and outflow of the dust becomes smooth . The output value amplified by the light receiving chip 330, which is Photo IC, generates a pulse signal proportional to the particle concentration through the signal processor, calculates the pulse signal of the scattered light per unit time as a ratio, And detects the amount and concentration of the fine dust.

산출 식은 Pulse ration[%] = Pulse time(sec)/t(sec)x 100The formula is Pulse ration [%] = Pulse time (sec) / t (sec) x 100

이며, 산출된 식은 설정된 기준 비율 값에 비교를 통해 공기에 포함된 먼지의 농도와 크기를 검출한다. , And the calculated equation detects the concentration and size of the dust contained in the air by comparing with the set reference ratio value.

Claims (4)

먼지가 유입되는 유입구와 먼지가 배출되는 배출구를 가지는 몸체부;
상기 유입구에서 배출구로의 먼지 유동을 일으키는 먼지 유동 수단;
상기 몸체부 내부에서 빛을 발생시켜 먼지를 조사하는 발광부;
부유하는 먼지에 의해 산란되는 반사광을 집광시키는 집광 렌즈;
집광 렌즈에 의해서 집광된 광에 의해서 전류가 발생되는 포토다이오드와 상기 전류를 1000배 이상 증폭하여 출력하는 원(one) 칩형 수광소자; 및
상기 수광소자에서 출력되는 신호를 이용해서 먼지농도를 판단하는 마이컴을 포함하는 먼지센서.A body portion having an inlet through which dust is introduced and an outlet through which dust is discharged;
A dust flow means for causing a dust flow from the inlet to the outlet;
A light emitting unit for generating light and irradiating dust inside the body portion;
A condensing lens for condensing reflected light scattered by floating dust;
A photodiode in which a current is generated by the light condensed by the condenser lens, and a one chip type light receiving element for amplifying the current by at least 1000 times and outputting the amplified current; And
And a microcomputer for determining a dust concentration using a signal output from the light receiving element. 제1항에 있어서, 상기 먼지 유동 수단, 은 열저항인 것을 특징으로 하는 먼지센서.The dust sensor according to claim 1, wherein the dust flow means is a thermal resistor. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발광부와 수광부 사이의 각도는 30~150°범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 먼지 센서.The dust sensor according to claim 1 or 2, wherein an angle between the light emitting portion and the light receiving portion is adjusted within a range of 30 to 150 degrees. 빛을 발생시켜 먼지를 조사하는 발광부;
부유하는 먼지에 의해 산란되는 반사광을 집광시키는 집광 렌즈;
집광 렌즈을 통해서 집광된 광을 포토다이오드에 조사하여 전류를 발생시키고, 발생된 전류를 1000배 이상 증폭하여 출력하는 원 칩에 수광소자를 포함하는 수광부; 및
상기 수광소자에서 출력되는 신호를 이용해서 먼지농도를 판단하는 마이컴
을 포함하는 먼지센서.A light emitting portion for emitting light to irradiate dust;
A condensing lens for condensing reflected light scattered by floating dust;
A light receiving unit including a light receiving element on a first chip that generates light by irradiating the photodiode with light condensed through a condenser lens, amplifies the generated current by 1000 times or more, and outputs the amplified light; And
A microcomputer for determining a dust concentration using a signal output from the light receiving element,
.
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