KR20180036265A - 광학식 초미세먼지 측정 센서 - Google Patents

광학식 초미세먼지 측정 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학식 초미세먼지 측정 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면, 가변 이득 증폭 회로를 이용하여 저농도 환경, 예를 들어, 100㎍/m3이하 수준의 초미세먼지량에 대한 측정의 정확도를 높이고, 백그라운드(Background) 보정 회로를 이용하여 무진 상태에서 발생하는 레퍼런스 전압을 최소화시킴으로써 출력 범위를 최대화시켜 측정의 정밀도를 높게 하고 무진 상태에서도 정밀도가 높은 측정을 가능하게 하는 광학식 초미세먼지 측정 센서에 관한 것이다.

Description

광학식 초미세먼지 측정 센서{Optical ultrafine particles sensor}
본 발명은 광학식 초미세먼지 측정 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면, 가변 이득 증폭 회로를 이용하여 저농도 환경, 예를 들어, 100㎍/m3이하 수준의 초미세먼지량에 대한 측정의 정확도를 높이고, 백그라운드(Background) 보정 회로를 이용하여 무진 상태에서 발생하는 레퍼런스 전압을 최소화시킴으로써 출력 범위를 최대화시켜 측정의 정밀도를 높게 하고 무진 상태에서도 정밀도가 높은 측정을 가능하게 하는 광학식 초미세먼지 측정 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 광학식 초미세먼지 측정 센서는 부유하는 먼지의 수를 검출하는 장치로서 발신부 적외선 LED와 먼지에 의해 산란된 적외선을 수신하는 수신부 포토 다이오드(Photo Diode)로 구성되어 발신부 적외선 LED에서 나온 적외선이 먼지와 부딪히며 산란에 의해 발생한 적외선 산란광의 광량에 따라 수신부 포토 다이오드의 출력값이 변하는 방식으로 작동한다.
이러한 종래의 광학식 초미세먼지 측정 센서에 관하여, 발명의 명칭이 '다중 발광부 제어 구조를 갖는 광량 조절이 가능한 차량 및 실내용 광학식 먼지 센서'인 한국 등록특허 제10-1600047호가 등록된 발명으로 제안된 바가 있다.
상기 발명은 광원을 포함하는 발광부; 및 상기 광원으로부터 출력된 광이 먼지에 의해 산란된 산란광을 수신하는 수광부를 포함하고, 상기 수광부는 산란광을 수신하여 전기신호로 변환하는 수광센서; 상기 수광센서의 출력을 증폭한 증폭신호를 출력하는 증폭부; 및 상기 증폭신호의 레벨에 따라 산란광의 광량을 확인하여 상기 광원의 레벨을 제어하는 제어신호를 생성하고, 상기 증폭신호의 레벨에 따라 오염도를 출력하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제어신호에 대응하는 광이 수신시간 이내에 수신되었는지 확인하여, 수신시간 이내에 수신된 경우, 소정 주기동안 상기 증폭신호의 레벨을 평균하여 출력하는 먼지 검출장치가 제안되었으나, 상기 발명에서는 기존 미세먼지 센서가 저농도 환경(100㎍/m3 이하)에서 측정이 불가능하거나 정확한 농도 측정이 불가능하고, 무진 상태에서 발신부 적외선의 완벽한 차폐가 불가능하여 포토 다이오드(Photo diode)에 레퍼런스 전압이 생기고 측정 가능 범위가 제한되는 문제점이 있었다.
한국 등록특허 제10-1600047호
본 발명의 목적은, 기존 미세먼지 센서가 저농도 환경(100㎍/m3 이하)에서 측정이 불가능하거나 정확한 농도 측정이 불가능했던 문제점을 해결하기 위하여, 광학식 초미세먼지 측정 센서에서 가변 이득 증폭 회로를 이용하여 저농도 환경에서 측정의 정확도를 높이고, 무진 상태에서 발신부 적외선의 완벽한 차폐가 불가하여 포토 다이오드(Photo diode)에 레퍼런스 전압이 생기고 측정 가능 범위가 제한되는 문제점을 해결하고자 백그라운드(Background) 보정 회로를 이용하여 무진 상태에서 레퍼런스 전압을 최소화시킴으로써 출력 범위를 최대화시켜 측정의 정밀도를 높게 하고 무진 상태에서도 정밀도가 높은 측정이 가능한 광학식 초미세먼지 측정 센서를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 광학식 초미세먼지 측정 센서에 가변 이득 증폭 회로를 설치하고 초미세먼지 농도 구간별 게인을 다르게 적용하여 저농도 환경, 예를 들어, 100㎍/m3 이하에서 초미세먼지 농도 측정의 정확도를 높이고, 백그라운드(Background) 보정 회로를 설치하여 무진 상태에서 포토 다이오드(Photo Diode)에 수신되는 적외선에 의해 발생하는 레퍼런스 전압(기존 0.6V)을 최소화(보정 후 0V)하고 측정이 가능한 먼지의 농도 측정의 범위를 확장한 본 발명에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서는, 가변 이득 증폭 회로로 농도 구간별 게인을 다르게 적용하여 저농도 환경(100㎍/m3 이하)에서 초미세먼지 센서의 농도 측정의 정확도가 증가하고, 백그라운드(Background) 보정 회로를 설치하여 무진 상태에서 포토 다이오드(Photo Diode)에 수신되는 적외선 산란광에 의해 발생하는 레퍼런스 전압(기존 0.6V)을 최소화(보정 후 0V)하고 측정이 가능한 초미세먼지량의 출력 범위를 최대화할 수 있게 되어 농도 측정의 범위를 확장하여 보다 정확한 농도 측정을 할 수 있게 되는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서의 작동의 흐름을 도시한 공정도
도 2a, 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서의 기본 동작 원리에 대해 도시한 작동도 및 측정 센서의 기본 구성도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서의 가변 이득 증폭 회로의 블록도
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서의 백그라운드 보정 회로의 블록도
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 이득 증폭 회로가 적용된 광학식 초미세먼지 측정 센서가 측정한 초미세먼지 농도와 가변 이득 증폭 회로가 적용되지 않은 광학식 초미세먼지 측정 센서가 측정한 초미세먼지 농도를 선그래프로 대비한 도면
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 백그라운드 보정 회로가 적용된 광학식 초미세먼지 측정 센서가 측정한 초미세먼지 농도와 백그라운드 보정 회로가 적용되지 않은 광학식 초미세먼지 측정 센서가 측정한 초미세먼지 농도를 선그래프로 대비한 도면
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
광학식 초미세먼지 측정 센서(A)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 적외선 LED에 전원이 인가되면(S1), 적외선에 비추어진 초미세먼지에서 반사된 적외선 산란광에 의해 초미세먼지가 수광부에 감지되고(S2), 상기 초미세먼지의 적외선 산란광이 포토 다이오드로 수광되어 포토 다이오드에서 신호가 출력되고(S3), 상기 신호는 1차 AMP로 증폭되고(S4), 상기 증폭된 신호값의 게인(Gain, 이득)에 따라서 가변 이득 AMP가 차등 적용되어 출력신호를 송출하고(S5), 출력이 0 ~ 1.0V의 지점에서는 0 ~ 100㎍/m3의 먼지농도가 측정되고(S6), 출력이 1.0 ~ 3.0V의 지점에서는 100 ~ 300㎍/m3 의 먼지농도가 측정되고(S7), 출력이 3.0 ~ 5.0V의 지점에서는 300 ~ 500㎍/m3 의 먼지농도가 측정된다(S8).
본 발명의 제1실시예에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서(A)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 통기공(H)을 통하여 공기가 유입되고 공기가 유출되는 공기통로상에서, 적외선 LED(1)에서 적외선이 출사하고 렌즈(2)를 통과한 적외선이 통기공(H)내의 분진(D)과 부딪히면 적외선이 산란되고, 이 산란된 적외선의 산란광이 적외선의 직진 방향과 교차하는 방향으로 설치된 렌즈(2')를 통과하여 포토 다이오드(3)에 수광되어 조사되면서 조사된 부분에 의하여 수광된 빛의 신호가 전기적 신호로 변환되어 출력되고, 이 경우에 먼지가 많을수록 산란된 광량이 증가하게 되며 이러한 산란된 광량이 많으면 많을수록 포토 다이오드(3)에서 발생되는 전기적 신호가 증가하게 되는 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서(A)는, 포토 다이오드(3)에 의하여 전달되는 신호가 입력되는 증폭기(4)와, 상기 증폭기(4)의 입력신호를 입력받아 입력된 신호에 차등을 두어서 이득을 증폭하는 가변 이득 증폭 회로(5)와, 상기 가변 이득 증폭 회로(5)에서 송출된 신호를 초미세먼지 농도 0~500㎍/m3 까지 직진성을 가진 PWM, PCI, I2C 등의 통신 신호로 변환하여 외부로 출력하는 MCU(Micro contoller unit)(6)와, 일단은 상기 MCU(6)에 연결되고 타단은 상기 증폭기(4)의 입력단에 연결된 보정회로(7)를 포함한다.
이와 같이 포토 다이오드(3)에서 발생된 전기신호는 증폭기(4)를 통하여 증폭되고, 증폭된 출력에 대하여 가변 이득 증폭 회로(5)에서 출력된 전압값에 따라서 선택적으로 차등 적용하여 출력으로 송출한다.
이와 같이 가변 이득 증폭 회로(5)에서 출력값을 차등 적용하여 출력하는 이유는 초미세먼지 농도가 100㎍/m3 이하의 저 농도(S6 공정)에서는 포토 다이오드(3)에서 발생되는 전기 신호가 작아 100㎍/m3이상의 농도와 동일한 증폭도를 사용할 경우 직진성을 얻을 수 없음으로 이를 해결하기 위하여 초미세먼지 농도가 100㎍/m3 이하인 Gain 1(36㏈)에 해당하는 초미세먼지 농도 조건에서는 가변 이득 증폭 회로(5)에서 증폭도를 높여 출력으로 송출한다. 이와 같이 Gain 1(36㏈) 조건에서 가변 이득 증폭 회로(5)에 의해 증폭도를 높임에 따라 초미세먼지 농도가 100㎍/m3 이하의 저 농도(S6 공정)에서 측정되는 초미세먼지의 측정농도는 직진성을 얻을 수 있으며 이는 도 5의 도시와 같이 초미세먼지 측정농도 그래프의 좌하(左下) 지역에서 직선으로 나타나 있다.
또한, 먼지농도가 100 ~ 300㎍/m3 (S7 공정)에서는 포토 다이오드(3)에서 발생되는 전기 신호가 100㎍/m3이하 농도보다는 크기 때문에 Gain 2(30㏈)에 해당하는 초미세먼지 농도 조건에서는 가변 이득 증폭 회로(5)에서 통상적인 소정의 증폭도를 사용하여 출력으로 송출하며, 이는 도 5의 도시와 같이 초미세먼지 측정농도 그래프의 중간 지역에서 직선으로 나타나 있으며, 먼지농도가 고 농도인 300 ~ 500㎍/m3(S8 공정)에서는 포토 다이오드(3)에서 발생되는 전기 신호가 충분히 크기 때문에 Gain 3(24㏈)에 해당하는 초미세먼지 농도 조건에서는 가변 이득 증폭 회로(5)에서 낮춰진 증폭도를 사용하여 측정되는 초미세먼지의 측정 농도가 실제의 초미세먼지 측정 농도보다 과도하게 측정되지 않도록 하는 출력으로 송출하며, 이는 도 5의 도시와 같이 초미세먼지 측정농도 그래프의 우상(右上) 지역에서 직선으로 나타나 있다.
본 발명에 따른 가변 이득 증폭 회로(5)의 증폭 원리를 도 3 및 4를 참조하여 간략히 설명한다면, 상기 가변 이득 증폭 회로(5)는 증폭수단, 다이오드 및 저항으로 이루어져, 출력전압이 0 ~ 1.0V(0 ~ 100㎍/m3)인 경우에는 증폭률이 가장 큰 Gain 1(36㏈)을 선택하며, 문턱전압 1.0V의 특성을 가진 다이오드(D1)의 문턱전압을 넘어가는 경우인 1.0 ~ 3.0V(100 ~ 300㎍/m3)인 경우에는 이에 해당하는 Gain 2(30㏈)를 선택하게 되어 저항(R5)의 값에 의해 증폭률이 결정되며, Gain 3(24㏈)의 경우도 마찬가지로 1.0V 문턱전압을 가진 다이오드(D2) 2개를 추가로 직렬 연결하여 출력전압이 3.0V 이상(300 ~ 500㎍/m3)인 경우에 저항(R6)의 값에 의해 소정의 증폭률을 가지게 되는 것이다.
이처럼 본 발명의 제1실시예에서 상기 가변 이득 증폭 회로(5)에 차등 적용하는 이득은 0 ~ 100㎍/m3 (출력 0 ~ 1.0V)의 지점에서 Gain 1, 100 ~ 300㎍/m3 (출력 1.0 ~ 3.0V)의 지점에서 Gain 2, 300 ~ 500㎍/m3 (출력 3.0 ~ 5.0V)의 지점에서 Gain 3의 서로 다른 증폭률로서 차등 적용하여 출력으로 내보내게 된다.
따라서, 구체적인 실시예로서, 도 5의 도시와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 이득 증폭 회로(5)가 적용되어 Gain 1로 출력된 초미세먼지 농도인 50㎍/m3(출력전압 0.5V)는 가변 이득 증폭 회로가 적용되지 않은 종래 기술에 따른 초미세먼지 측정 센서에서의 30㎍/m3의 농도에 대비하여 초미세먼지의 농도를 종래보다 정확하게 측정하게 되었으며, Gain 2로 출력된 초미세먼지 농도인 150㎍/m3(출력전압 1.5V)는 종래와 유사한 초미세먼지 농도를 측정하게 되었으나, Gain 3으로 출력된 초미세먼지 농도인 400㎍/m3(출력전압 4.0V)는 종래는 440㎍/m3의 농도를 측정하여, 초미세먼지의 고 농도 조건에서도, 저 농도 조건에서와 동일하게, 본 발명의 제1실시예에 따른 초미세먼지 측정 센서는 가변 이득 증폭 회로가 적용되지 않은 종래 기술보다 초미세먼지의 농도를 정확하게 측정하게 되었다.
본 발명의 상기 가변 이득 증폭 회로(5)가 송출하는 각각의 송출신호는 MCU(Micro contoller unit)(6)에서 먼지 농도를 0~500㎍/m3 까지 직진성을 가진 PWM, PCI, I2C 등의 통신 신호로 변환하여 외부로 출력하여 준다.
또한, 무진 상태에서 적외선의 완벽한 차폐가 불가능하여 적외선 산란광이 포토 다이오드(3)에 감지되어 발생하는 레퍼런스 전압이 기존에는 0.6V였으며, 0.6V 이하에서는 초미세먼지 농도의 측정이 불가능하던 문제점을, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 백그라운드 보정회로를 이용하여 레퍼런스 전압을 0V로 최소화하고 출력범위를 최대화하여 초미세먼지 농도의 측정범위를 확장하게 되었다.
상기 백그라운드 보정회로를 이용하여 레퍼런스 전압이 0V가 되지 못하는 원리를 보다 상세히 설명하면, 광학식 초미세먼지 측정 센서는 기본적으로 광원(光源)이 되는 적외선 LED(1)와 포토 다이오드(3)로 구성되며 이를 고정하기 위한 기구물이 존재함으로써 초미세먼지가 0㎍/m3인 공간에서도 적외선 LED(1)의 적외선이 포토 다이오드(3)로 산란되어 들어가므로 광량을 0으로 만들 수 없게 되고 레퍼런스 전압이 발생하는 것이다.
포토 다이오드(3)로 광량이 많이 들어가면, 초미세 먼지가 통기공(H)에 유입되어도 검출할 수가 없으므로 기존의 방식은 적외선 LED(1)가 포토 다이오드(3)로 들어가는 산란광 경로를 광량이 적게 들어갈 수 있도록 고정 기구물을 설계하는 것으로 레퍼런스 전압이 발생하는 문제를 해소하고자 하나, 본 발명에서는 포토 다이오드(3)에 광이 들어오더라도 MCU(Micro controller unit)(6)에서 가변 이득 증폭 회로(5)의 신호를 받아 보정회로(Correction circuit)(7)를 통하여 증폭기(4)로 보내어 포토 다이오드(3)의 전류를 전압으로 변환한 신호와 같게 만들어 증폭기(4)의 입력전압을 "0"으로 만들어 주는 백그라운드 보정회로(7)를 통하여 이 문제를 해결한 것이다.
백그라운드 보정을 함으로써, 고정 기구물에 의해 산란되어 포토 다이오드(3)로 들어오는 적외선 LED(1)의 광량을 전기적 신호로 0으로 만들어 미세먼지가 0㎍/m3인 공간에서는 0V로 백그라운드 보정하여 100㎍/m3 이하의 미세먼지 검출의 정확성을 높일 수가 있다.
도 6은 이와 같은 백그라운드 보정 회로(7)에 의해 백그라운드 보정되는 본 발명의 제1실시예에 따른 초미세먼지 측정 센서가 측정한 초미세먼지 측정농도와 백그라운드 보정이 되지 않는 종래의 기술에 따른 초미세먼지 측정 센서가 측정한 초미세먼지 측정농도를 비교한 도면으로서, 도 6의 도시와 같이 0 ~ 100㎍/m3 (출력 0 ~ 1.0V)의 지점인 초미세먼지 저농도 조건에서 고정 기구물에 의해 산란되어 포토 다이오드(3)로 들어오는 적외선 LED(1)의 광량을 전기적 신호로 0으로 만들어 미세먼지가 0㎍/m3인 공간에서 0V로 백그라운드 보정하여 100㎍/m3 이하의 조건에서 초미세먼지 농도 검출의 정확성을 높일 수가 있게 되는 것이다.
본 발명에 따른 광학식 초미세먼지 측정 센서는, 미세먼지의 농도를 측정하는 일반적인 미세먼지 측정 센서의 제조산업에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.
1 : 적외선 LED 2, 2' : 렌즈
3 : 포토 다이오드 4 : 증폭기
5 : 가변 이득 증폭 회로 6 : MCU
7 : 백그라운드 보정 회로

Claims (3)

  1. 광학식 초미세먼지 측정 센서에 있어서,
    상기 광학식 초미세먼지 측정 센서(A)는,
    렌즈(2)를 포함하고 적외선 광원을 출력하는 적외선 LED(1)와;
    상기 적외선 LED(1)로부터 출력된 광원이 미세먼지에 의해 산란된 산란광을 렌즈(2')를 통해 수광하여 전기신호로 변환하여 출력하는 포토 다이오드(3)와;
    상기 포토 다이오드(3)에서 출력하는 전기신호를 입력받아 증폭하여 출력하는 증폭기(4)와;
    상기 증폭기(4)에서 증폭된 신호를 측정된 미세먼지 농도에 따라 복수로 차등을 둔 게인에 따라 증폭하여 송출하는 가변 이득 증폭 회로(5)와;
    상기 가변 이득 증폭 회로(5)로부터 증폭되어 송출된 신호를 입력받아 통신 신호로 변환하여 출력하는 MCU(6)를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학식 초미세먼지 측정 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    무진 상태에서 상기 적외선 LED(1)에서 출력하는 적외선 광원을 차폐하지 못하여 상기 포토 다이오드(3)에서 감지되어 발생하는 레퍼런스 전압을 최소화하여 초미세먼지 농도 측정의 정밀도를 높이는 백그라운드 보정회로(7);를 더 포함하여,
    상기 백그라운드 보정회로(7)는, 일단은 상기 MCU(6)에 연결되고, 타단은 상기 가변 이득 증폭 회로(5)에 증폭 신호를 출력하는 상기 증폭기(4)의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 광학식 초미세먼지 측정 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭 회로(5)는 증폭수단, 다이오드 및 저항으로 이루어져, 상기 증폭기(4)에서 증폭된 신호가 출력전압 0 ~ 1.0V, 미세먼지 농도 0 ~ 100㎍/m3인 경우에는 증폭률을 크게 가진 Gain 1(36㏈)을 선택하며, 출력전압 1.0 ~ 3.0V, 미세먼지 농도 100 ~ 300㎍/m3인 경우에는 이에 해당하는 저항값에 의해 일정 증폭률을 가진 Gain 2(30㏈)를 선택하며, 츨력전압이 3.0V 이상, 미세먼지 농도 300 ~ 500㎍/m3인 경우에는 이에 해당하는 저항값에 의해 증폭률을 작게 가진 Gain 3(24㏈)을 선택하여, 상기 단계별 출력전압 및 미세먼지 농도에 따라 차등을 둔 어느 하나의 Gain에 따른 증폭률로 신호를 증폭하여 송출하는 것을 특징으로 하는 광학식 초미세먼지 측정 센서.



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