KR20210147246A - 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치는, 자기장 발생 신호를 생성하고, 지중 자기장 안테나로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하는 콘트롤 유닛, 상기 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나로 송신하고, 상기 지중 자기장 안테나로부터 송신되는 상기 자기장 신호를 수신하는 지상 자기장 안테나, 상기 지상 자기장 안테나로부터 수신한 상기 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부로 전송하고, 상기 센서부로부터 수신한 상기 센싱 데이터를 포함하는 상기 자기장 신호를 상기 지상 자기장 안테나로 송신하는 지중 자기장 안테나 및 상기 유도된 전기신호에 의해 구동되어 지중 상태를 측정하여 상기 센싱 데이터를 생성하는 센서부를 포함할 수 있다.

Description

자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD OF WIRELESS UNDERGROUND SENSOR USING MANETIC FIELD}
본원은 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치 및 방법에 관한 것이다.
지하에는 전력선, 가스 수송관, 상하수도관, 지역난방수로관, 인터넷 통신케이블 등 다양한 매설물이 존재한다. 특히, 최근에는 지진계측용, 친환경버스 구동 에너지원, 싱크홀 계측용, 지하수 유입 감지기기, 교량 및 건물 기울어짐 계측용 장치 등의 수많은 매설물들이 추가적으로 지중에 매설되어, 매설물의 수가 급격히 증가하고 있다.
지중 매설물의 양이 급격히 증가함에 따라, 적절한 예방조치를 통해 고장 방지, 사고 방지, 기기의 수명연장 등을 위해서 지하 매설물을 체계적으로 관리하고 모니터링을 위한 장치 및 시스템이 필요하다.
기존의 지하 매설물의 관리 및 모니터링을 위한 방식으로 유선 방식, EM 송수신 방식, 초음파 방식을 이용하여 지하 매설물을 탐지하고 관리하는 방식이 존재한다.
유선 방식의 경우, 지하에 매설된 장치와 유선으로 연결하고, 매설된 장치에 의하여 지하 매설물을 관리 및 모니터링하는 방식이다. 유선 방식의 경우, 긴 금속선으로 된 유선에 노이즈에 의하여 신뢰도가 떨어질 수 있고, 매설물의 양이 증가함에 따라 유선 관리, 손상 등의 위험이 크며, 매설된 장치의 배터리 교체 등의 문제점이 있다.
EM 송수신 방식의 경우 전파가 중간 매질에 의해 흡수되어 짧은 무선 통신거리의 제약이 있고, 배터리 교체 문제, 고가의 무선 송수신 시스템이 필요한 문제, 적용이 매우 제한적이어서 지하 매설물 관리 및 모니터링에 적용함에 있어 문제점이 있다.
초음파 방식의 경우, 초음파 신호의 구별이 어렵고 고충격파가 필요하며, 짧은 무선 통신 거리, 주위 진동파에 의한 신호 변형 등의 문제가 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자기장 안테나를 이용하여 무선으로 신호를 송수신하고, 지중에 매설되는 센서는 배터리 없이 동작할 수 있는 것이고, 무선 송수신 시스템 없이 신호를 송수신할 수 있는 무선, 무칩, 무전원(Wireless, Chipless, batteryfree) 특성을 갖는 지하 매설물 관리 및 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 자기장을 이용하여 통신하기 때문에 장거리 통신확보가 가능하며 하나의 센서에 의해 온도, 습도, 가스 농도 정보를 얻을 수 있다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치는, 자기장 발생 신호를 생성하고, 지중 자기장 안테나로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하는 콘트롤 유닛, 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나로 송신하고, 지중 자기장 안테나로부터 송신되는 자기장 신호를 수신하는 지상 자기장 안테나, 지상 자기장 안테나로부터 수신한 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부로 전송하고, 센서부로부터 수신한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나로 송신하는 지중 자기장 안테나 및 유도된 전기신호에 의해 구동되어 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성하는 센서부를 포함할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 센서부는, 유도된 전기신호를 통해 표면 탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave)를 생성하는 표면 탄성파 센서로 될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 센서부는, 지중의 온도, 습도 또는 가스 농도 중 적어도 어느 하나를 측정하고, 센싱 데이터는 측정된 온도, 습도 또는 가스 농도 중 적어도 어느 하나에 관한 정보를 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 지상 자기장 안테나 및 지중 자기장 안테나는, 막대 형상의 코어 및 코어의 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선을 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 코어는, 일측 끝단이 볼록한 곡선의 형태로 된 것이고, 지상 자기장 안테나의 코어의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단과 지중 자기장 안테나의 코어의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단이 마주보도록 배치될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 코어는 내부에 강자기성 물질을 포함하고, 복수회 감겨진 권선 사이에 절연체를 더 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 지중 자기장 안테나 및 센서부는 복수개일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 콘트롤 유닛은, 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호를 생성할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 장치의 콘트롤 유닛은 중심 주파수를 달리하여 자기장 발생 신호를 생성하여, 복수개의 센서부를 선택적으로 구동할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 방법은 콘트롤 유닛에서 자기장 발생 신호를 생성하여 지상 자기장 안테나로 송신하는 단계, 지상 자기장 안테나에서 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나로 송신하는 단계, 지중 자기장 안테나에서 지상 자기장 안테나로부터 수신한 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부로 전송하는 단계, 유도된 전기신호에 의해 구동된 센서부에서 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성하는 단계, 지중 자기장 안테나에서 상기 센서부로부터 수신한 센서 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나로 송신하는 단계, 지상 자기장 안테나에서 지중 자기장 안테나로부터 송신되는 자기장 신호를 수신하는 단계 및 콘트롤 유닛에서 지중 자기장 안테나로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 방법에 있어서, 센서부는 유도된 전기신호를 통해 표면 탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave)를 생성하는 표면 탄성파 센서로 된 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 탐사 방법에 있어서, 지상 자기장 안테나 및 지중 자기장 안테나는, 막대 형상의 코어 및 상기 코어의 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선을 포함하는 것일 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치를 제공함으로써, 장거리 통신확보가 가능하고, 자기장을 이용한 무선(Wireless) 통신을 통해 관리가 용이하고 손상의 위험이 적으며, 무선 송수신 시스템을 위한 칩을 사용하지 않으므로 비용이 저렴하며(Chipless), 배터리를 사용하지 않아 배터리 교체 등을 위한 유지를 할 필요가 없어 관리가 용이하고, 유지 비용이 절감(Batteryless)된다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도1은 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도2는 본원의 일 실시예에 따른 센서부의 구성을 나타낸 도면이다.
도3은 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛에서 분석한 자기장 신호를 나타낸 도면이다.
도4는 본원의 일 실시예에 따른 지상 자기장 안테나 및 지중 자기장 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도5는 본원의 일 실시예에 따른 코어의 형상 및 배치 각도에 따른 자기선속 밀도(magnetic flux density)를 나타낸 도면이다.
도6은 본원의 일 실시예에 따른 복수개의 지중 자기장 안테나 및 복수개의 센서부를 이용한 지중 탐사 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도7은 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛의 복수개의 센서부를 선택적으로 구동하는 중심 주파수를 나타낸 도면이다.
도8은 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛의 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호를 생성을 나타낸 도면이다.
도9는 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치의 개략적인 구성도이다.
도10은 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법의 동작 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도1은 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)의 동작을 나타낸 도면이다.
도1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 무선 지중 탐사 장치(100)는 자기장 발생 신호를 생성하고, 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하는 콘트롤 유닛(110), 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나(130)로 송신하고, 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신되는 자기장 신호를 수신하는 지상 자기장 안테나(120), 지상 자기장 안테나(120)로부터 수신한 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부(140)로 전송하고, 센서부(140)로부터 수신한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나(120)로 송신하는 지중 자기장 안테나(130) 및 유도된 전기신호에 의해 구동되어 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성하는 센서부(140)를 포함할 수 있다.
무선 지중 탐사 장치(100)는 지중의 상태를 측정 및 모니터링 하기 위한 것으로, 자기장 발생 신호는 자기장 신호로 변환되어 전송되고, 지중 자기장 안테나(130)에서 자기장 신호를 이용하여 전기 신호가 유도될 수 있다. 유도된 전기 신호에 의해 지중 매설된 센서부(140)가 구동되어, 센서부(140)는 지중 상태를 측정한 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 센싱 데이터는 다시 자기장 신호로 변환되어 지상 자기장 안테나(120)로 송신될 수 있고, 자기장 신호에 포함된 센싱 데이터를 통해 지중 상태를 측정할 수 있다. 즉, 지상 자기장 안테나(120)와 지중 자기장 안테나(130) 사이에서 자기장 발생 신호와 센싱 데이터는 각각 자기장 신호로 변환되어 전송되고, 이를 다시 전기적인 신호로 변환하여 센서부(140)를 구동하거나, 센싱 데이터를 분석할 수 있다.
무선 지중 탐사 장치(100)는 지상 자기장 안테나(120)와 지중 자기장 안테나(130) 간에 자기장 신호를 이용하여 통신하는 것으로, 전자기파(EM)을 이용하여 무선으로 지중 상태를 탐사하는 방법에 비하여 통신 거리가 길다는 장점이 있다. 전자기파를 이용한 탐사 장치의 경우, 지중 물질에 따라 유전율(permittivity)이 상이하여, 전자기파의 흡수, 반사 등에 의하여 전자기파가 진행함에 따라 급격히 세기가 줄어들게 된다. 따라서 전자기파를 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)는 짧은 통신거리를 갖게 된다. 아래 [표1]에서와 같이, 공기, 유리 등 물질의 상대 유전율은 물질 별로 매우 상이한 값은 가짐에 비해, 흙, 물 등의 상대 투자율은 1에 가까운 값을 가짐을 알 수 있다. 지중 물질의 투자율이 대부분 1에 가까운 값이기 때문에 자기장을 이용하여 지중 상태를 측정하는 경우, 자기장이 지중 매질을 통과하여 진행할 때 물질별 투자율의 차이가 적어 반사, 흡수 등의 신호 왜곡이 발생하지 않고 넓은 범위를 적은 에너지를 이용하여 자기장 신호를 전달할 수 있다.
[표1] 물질의 상대 유전율 및 상대 투자율
Figure pat00001
이하에서는 도1을 참조하여 무선 지중 탐사 장치(100)의 각 구성에 대해서 설명한다.
콘트롤 유닛(110)은 자기장 발생 신호를 생성할 수 있고, 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석할 수 있다. 콘트롤 유닛(110)에서 생성된 자기장 발생 신호는 지상 자기장 안테나(120)로 전송되어 자기장 신호로 변환될 수 있다. 또한, 콘트롤 유닛(110)은 사용자의 설정에 따라 특정한 중심 주파수를 갖는 자기장 발생 신호를 생성할 수 있고, 해당 중심 주파수는 후술할 센서부(140)가 구동되는 중심 주파수와 같은 주파수일 수 있다.
콘트롤 유닛(110)은 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신된 자기장 신호에 포함된 센싱 데이터를 분석할 수 있다. 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신된 자기장 신호는 위상 변조, 주파수 변조, 위상 변조 등 다양한 방식에 의해서 변조되어 센싱 데이터를 포함할 수 있고, 자기장 신호를 수신한 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환될 수 있다. 콘트롤 유닛(110)은 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호를 복조하여 자기장 신호에 포함된 센싱 데이터를 분석할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호의 시간 지연을 측정하여 센싱 데이터를 분석할 수 있고, 위상 지연을 측정하여 센싱 데이터를 분석할 수 있다.
지상 자기장 안테나(120)는 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나(130)로 송신할 수 있고, 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신되는 자기장 신호를 수신할 수 있다. 지중 자기장 안테나(130)는 지상 자기장 안테나(120)로부터 수신한 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부(140)로 전송할 수 있고, 센서부(140)로부터 수신한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나(120)로 송신할 수 있다. 즉, 지상 자기장 안테나(120) 및 지중 자기장 안테나(130)는 자기장 발생 신호 또는 센싱 데이터와 같은 전기적 신호를 자기장 신호로 변환할 수 있고, 변환된 자기장 신호를 전송할 수 있으며, 수신한 자기장 신호를 전기 신호 또는 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환할 수 있는 것으로, 전기적인 신호와 자기장 신호 간의 상호 변환을 수행할 수 있다.
전류가 흐르는 도선의 주위에는 자기장이 발생하므로, 이를 이용하여 자기장 발생 신호 및 센싱 데이터와 같은 전기적인 신호를 자기장 신호로 변환할 수 있다. 또한, 자기선속의 변화가 기전력을 발생시킨다는 패러데이의 전자기 유도 법칙을 이용하여, 지상 자기장 안테나(120)에서 송신한 자기장 신호를 지중 자기장 안테나(130)에서 전기 신호로 변환할 수 있고, 지중 자기장 안테나(130)에서 송신한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환할 수 있다.
예를 들어, 자기장 발생 신호 및 센싱 데이터가 주파수를 갖는 교류 전압 또는 교류 전류와 같은 전기적인 신호에 해당할 때, 지상 자기장 안테나(120)에서 자기장 발생 신호에 해당하는 주파수를 갖는 자기장 신호를 생성하여 송신할 수 있다. 이때, 지상 자기장 안테나(120)로부터 송신된 자기장 신호는 지중 자기장 안테나(130)를 통과하고, 시간에 따라 변하기 때문에 자기선속의 변화에 의해서 전기 신호가 유도될 수 있다. 반대로, 센싱 데이터가 주파수를 갖는 교류 전압 또는 교류 전류와 같은 전기적인 신호에 해당할 때, 지중 자기장 안테나(130)에서 센싱 데이터에 해당하는 주파수를 갖는 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 생성하여 송신할 수 있다. 이때, 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신된 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호는 지상 자기장 안테나(120)를 통과하고, 시간에 따라 변하기 때문에, 자기선속의 변화에 의해서 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호가 유도될 수 있다.
센서부(140)는 유도된 전기신호에 의해 구동되어 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 센서부(140)는 유도된 전기신호에 의해 구동하는 것으로, 배터리와 같이 센서부(140)에 전원을 공급하는 장치를 포함할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 센서부(140)는 센서의 종류에 따라 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않은 센서를 적용하여, 배터리와 같은 전원 공급 장치를 포함하지 않으며, 별도의 전원 공급 장치에 의해 동작하는 IC 칩 등을 포함하지 않고, 유도된 전기 신호에 의해서 지중 상태를 측정하고, 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 생성된 센싱 데이터는 지중 자기장 안테나(130)로 전송되어 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 생성할 수 있는 전기적인 신호에 해당할 수 있다. 또한, 센싱 데이터는 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호가 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환될 수 있는, 시간에 따라 변하는 전기적인 신호일 수 있다.
즉, 지상 자기장 안테나(120)에 자기장 발생 신호가 인가되면, 자기장 신호의 형태로 지중 자기장 안테나(130)에 전달되고, 이 신호가 다시 전기 에너지로 변형되어, 센서부(140)를 구동할 수 있고, 구동된 센서부(140)는 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호로 지상 자기장 안테나(120)로 전달되어, 콘트롤 유닛(110)에 의해 분석될 수 있다.
도2는 본원의 일 실시예에 따른 센서부(140)의 구성을 나타낸 도면이다.
도2를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 센서부(140)는, 유도된 전기신호를 통해 표면 탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave)를 생성하는 표면 탄성파 센서로 된 것일 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따른 센서부(140)는 지중의 온도, 습도 또는 가스 농도 중 적어도 어느 하나를 측정하고, 센싱 데이터는 측정된 온도, 습도 또는 가스 농도 중 적어도 어느 하나에 관한 정보를 포함하는 것일 수 있다. 센서부(140)에 포함되는 센서의 종류, 개수는 다양하게 변형 가능하다.
표면 탄성파 센서는 압전 기판(piezoelectric substrate)와 입력 및 출력 인터디지털 변환기(IDT, Interdigital Transducer), 지연 라인(delay line) 등으로 구성된다. 입력 및 출력 IDT(141)는 빗 모양의 금속 전극쌍이 엇갈려서 겹쳐있는 것으로, 입력 IDT(141)의 전극쌍에 인가되는 신호의 극성이 바뀜에 따라 압전 기판에 힘이 작용하여, 표면 탄성파가 발생하는 것으로, 전기 신호를 기계적인 파동으로 변환하는 것이고, 출력 IDT(141)는 입력 IDT(141)와 반대로 기계적인 파동이 전기 신호로 출력된다. 이때 발생하는 표면 탄성파의 속도를 vp, IDT(141)의 엇갈린 전극쌍 사이의 간격을 p라할때, 주파수f0는 vp/p가 된다. IDT(141)에서 발생한 표면 탄성파는 압전 기판의 표면을 따라 진행하다. 지연 라인에 작용하는 압력, 토크, 온도 등은 지연라인의 길이의 변화를 가져오기 때문에, 지연 라인의 길이의 변화에 따라 출력 IDT(141)에서 출력되는 전기 신호의 위상, 주파수, 시간 지연이 발생하고 이를 측정하여 센서에 작용하는 압력, 토크, 온도 등을 측정할 수 있다.
입력 IDT(141)와 출력 IDT(141)는 표면 탄성파 센서 양측 끝단에 위치할 수 있다. 또한, 반사 바(145)(reflect bar)를 센서 표면에 형성하여, IDT(141)에서 발생하여 센서 표면을 따라 진행하는 표면 탄성파가 반사 바(145)에 의해 반사된 반사파를 다시 IDT(141)에서 전기 신호로 변환할 수 있다. 하나의 IDT(141)로 전기 신호를 입력하고, 전기 신호에 의해 발생한 표면 탄성파가 반사 바(145)에 반사된 반사파가 다시 해당 IDT(141)로 출력되어, 하나의 포트를 이용하여 전기 신호를 입력 및 출력할 수 있다.
도2를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 센서부(140)는 압전 기판 위에 IDT(141)가 중앙에 위치하고, 센서부 포트(146)를 통해 지중 자기장 안테나(130)에서 유도된 전기 신호가 기판 중앙에 위치하는 IDT(141)로 입력되어, 표면 탄성파를 생성할 수 있다. 생성된 표면 탄성파는 좌우로 진행하고, 반사 바(145)에서 일부 반사되고 일부는 진행할 수 있다. IDT(141)의 오른쪽에 온도 센서(142)는 두개의 반사 바(145)로 구성될 수 있고, 온도 센서(142)의 오른쪽에 습도 센서(143)가 위치하고, 습도 센서(143)의 오른쪽에 반사 바(145)가 위치할 수 있다. IDT(141)의 왼쪽으로 가스 센서(144)가 위치할 수 있고, 가스 센서(144) 좌우측에 반사 바(145)가 하나씩 위치할 수 있다.
도2에서, IDT(141)의 오른쪽에 위치하는 온도 센서(142)는 두 개의 반사 바(145) 사이의 공간이 지연 라인이 되어, 두번째 반사 바(145)에서 반사된 반사파와 첫번째 반사 바(145)에서 반사된 반사파 사이의 시간 지연, 위상 지연, 주파수 지연을 통해 온도를 측정할 수 있다. 기판의 온도가 증가하게 되면, 기판에 흐르는 표면 탄성파의 속도가 느리지는 특성을 이용하여, 온도가 높아질 수 록 시간 지연, 위상 지연, 주파수 지연 등이 커지게 된다.
도2에서, 가스 센서(144)는 감지하고자 하는 가스를 수용할 수 있는 센싱 물질을 형성함으로써 가스의 농도를 측정할 수 있다. 센싱 물질에 감지하고자 하는 가스가 반응하면 질량이 변화하게 되고, 질량의 변화로 인해 표면 탄성파의 속도가 변화하게 된다(Mass Loading Effect). IDT(141)의 왼쪽으로 진행하는 표면 탄성파가 가스 센서(144)의 오른쪽의 반사 바(145)에서 반사되는 파와, 가스 센세를 통과하여 가스 센서(144)의 왼쪽의 반사 바(145)에서 반사되는 파의 시간 지연, 위상 지연, 주파수 지연 등의 피크 변화를 통해 가스 농도를 측정할 수 있다.
예시적으로, 가스 센서(144)는 수소 가스(H2 Gas)를 감지하기 위해서, 수소 감지 물질로 증착된 3-D 구조의 SnO2 센싱 물질을 형성할 수 있다. 형성된 3-D 구조의 SnO2 센싱 물질에 수소가 반응하면, 센싱 물질 표면의 활성산소를 떼어내게 되어 미세하게 질량이 감소하게 되고, 이로 인하여 해당 센싱 물질이 형성된 구간을 지나는 표면 탄성파의 속도가 변화하게 되어, 센싱 물질이 형성된 구간을 통과하여 반사된 파의 시간 지연이 더 커지게 된다. 반대로, 센싱 물질에 산소가 결합하게 되면, 다시 센싱 물질 표면에 활성산소가 형성될 수 있다. 이러한 산화 환원 메커니즘을 이용하는 3-D 구조의 SnO2 센싱 물질을 이용하여 수소 가스 농도를 측정할 수 있게 된다.
즉, 측정하고자 하는 가스를 수용할 수 있는 센싱 물질을 해당 가스가 반응할 수 있도록 형성하고, 해당 가스 농도에 따라 생기는 미세한 질량 변화로 인한 표면 탄성파의 속도 변화를 이용하여, 센싱 물질이 형성된 구간을 통과하여 반사된 파의 시간 지연 등을 통해 가스 농도를 측정할 수 있는 것이다.
도2에서, 습도 센서(143)도 가스 센서(144)와 동일한 원리로 수증기와 반응할 수 있는 센싱 물질을 형성하여 구성될 수 있다. 따라서, IDT(141)의 오른쪽으로 진행하는 표면 탄성파가 습도 센서(143)의 왼쪽의 반사 바(145)에서 반사되는 파와, 습도 센서(143)를 통과하여 습도 센서(143)의 오른쪽 반사 바(145)에서 반사되는 파의 시간 지연, 위상 지연, 주파수 지연 등의 피크 변화를 통해 습도를 측정할 수 있다.
예시적으로, 습도 센싱 물질인 rGO:MOS는, 외부의 수증기에 노출되면 수증기가 MOS2 표면에 부착되고, rGO 표면에는 OH기 또는 COOH기를 형성할 수 있다. 이 과정에서 외부의 물 분자와 반응함에 따라 질량 변화가 생기고, 가스 센서(144)와 마찬가지로 표면 탄성파의 속도가 변화되어, 센싱 물질 rGO:MOS2를 통과하여 반사된 파의 시간 지연이 변화된다. 이러한 시간 지연을 측정하여 습도를 측정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 센싱 물질이 특정 가스 또는 수증기와 결합하는 반응에 의해 표면 탄성파가 해당 센싱 물질이 형성된 구간을 통과할 때 속도 변화가 발생하고, 이러한 속도 변화에 의한 시간 지연의 변화를 측정하여 특정 가스 농도 또는 습도를 측정할 수 있다. 전술한 예시 외에, 측정하고자 하는 특정 가스와 결합할 수 있는 센싱 물질을 이용하여, 특정 가스와 결합할 수 있도록 센싱 물질을 기판 위에 형성함으로써, 측정하고자 하는 특정 가스의 농도를 구할 수 있다.
특정 가스 또는 수증기가 센싱 물질과 결합하는 반응에 의한 표면 탄성파 속도의 변화가 미세한 경우, 시간축에서 해당 센싱 물질을 통과한 반사 파의 시간 지연의 변화량도 매우 미세한 차이에 불과할 수 있다. 이러한 경우 해당 센싱 물질을 통과한 반사 파의 위상 변화를 통해 보다 정밀한 측정이 가능할 수 있다.
센서부(140)가 표면 탄성파 센서인 경우, 센서부(140)는 온도 센서(142) 등을 구동하기 위한 IC 칩 등을 포함하지 않으며, 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않고, 자기장 신호에 의해 유도된 전기 신호만으로 센서를 구동할 수 있다. 따라서, 매설된 센서 유닛에 유선 전원 공급 또는 별도의 전원 공급 장치를 포함하여 지중에 센서 유닛을 매설하는 방식에 비해, 전원 공급을 위한 전력선의 파손, 노후 위험이 없고, 별도의 전원 공급 장치의 교체를 위한 비용이 소모되지 않는 장점이 있다.
도3은 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛(110)에서 분석한 자기장 신호를 나타낸 도면이다.
도3을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 센서부(140)는 지중의 온도, 습도, 가스 농도 중 적어도 어느 하나를 측정하고, 센싱 데이터는 측정된 온도, 습도, 가스 농도 중 적어도 어느 하나에 관한 정보를 포함하는 것일 수 있다. 도3에서, 콘트롤 유닛(110)은 지중 상태를 측정하기 위해 센싱 데이터가 포함된 자기장 신호를 분석하는 것을 확인할 수 있다. 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호가 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환되고, 콘트롤 유닛(110)은 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호를 수신하여 이를 분석하여, 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석할 수 있다.
도3(a)는 시간 영역에서 측정된 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 나타낸다. IDT TAG에 의한 신호는 센서부(140)를 식별하기 위한 신호로, 자세한 내용은 후술한다. 온도, 습도, 가스 농도를 측정하기 위해서 전술한 바와 같이 각 지연 라인, 가스 센싱 물질 형성 구간, 습도 센싱 물질 형성 구간을 통과하여 반사된 파와, 지연 라인, 가스 센싱 물질 형성 구간, 습도 센싱 물질 형성 구간을 통과하지 않은 파의 시간 지연을 통하여 온도, 습도, 가스 농도를 측정할 수 있다. 도3(a)에서 각 측정 항목별로 지연 라인을 통과하여 반사된 파와 지연 라인을 통과하지 않고 반사된 파를 표시하고 있다. 지중의 온도, 습도, 가스 농도에 따라 반사된 파의 시간 지연이 달라짐을 이용하여, 각각의 파의 시간 지연을 측정하여 센서부(140)가 위치하는 지중의 온도, 습도, 가스 농도를 측정할 수 있다.
도3(b), (c), (d)는 각각 가스 농도, 온도, 습도 측정을 위하여 지연 라인, 가스 센싱 물질 형성 구간, 습도 센싱 물질 형성 구간을 통과한 파의 위상 지연을 측정한 것이다. 전술한 바와 같이, 가스 농도 및 습도의 측정 시에, 특정 가스 및 수증기와의 결합으로 인한 질량 변화, 표면 탄성파의 속도 변화, 시간 지연의 변화량이 매우 미세한 경우, 위상 지연을 측정함으로써 보다 정밀한 측정이 가능하다. 또한, 주파수 영역에서 주파수 지연을 측정함으로써 온도, 습도, 가스 농도 등의 측정을 할 수도 있다.
위와 같이, 센서부(140)는 지중의 온도, 습도, 가스 농도 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있고, 센싱 데이터는 측정된 온도, 습도, 가스 농도 중 적어도 어느 하나에 관한 정보를 포함하고 있다. 콘트롤 유닛(110)은, 센싱 데이터가 포함된 자기장 신호를 시간 영역에서 반사파의 시간 지연, 위상 영역에서 반사파의 위상 지연 측정 등을 통해 센싱 데이터를 분석하고, 지중 상태를 측정할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면 표면 장력파 센서는 중심 주파수를 식별하기 위한 IDT 태그를 더 포함할 수 있다. IDT 태그는 복수개의 반사 바(145)로 형성될 수 있는 것으로, IDT 태그의 위치 및 개수를 조절하여, 시간 영역에서 온도, 습도 및 가스 농도 측정을 위한 반사파가 IDT(141)에 도달하기 이전에, IDT 태그에 의한 반사파가 도달하도록 할 수 있다. IDT 태그 반사파의 신호를 통해서 해당 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 송신한 센서부(140)를 식별하여, 센서부(140)의 중심 주파수를 파악할 수 있다.
도4는 본원의 일 실시예에 따른 지상 자기장 안테나(120) 및 지중 자기장 안테나(130)의 구성을 나타낸 도면이다.
도4를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 지상 자기장 안테나(120)와 지중 자기장 안테나(130)는, 막대 형상의 코어(121, 131) 및 코어(121, 131)의 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선(122, 132)을 포함할 수 있고, 코어(121, 131)는 내부에 강자기성 물질을 포함하고, 복수회 감겨진 권선(122, 132) 사이에 절연체를 더 포함하는 것일 수 있다. 지상 자기장 안테나(120)와 지중 자기장 안테나(130)는 콘트롤 유닛(110) 또는 센서부(140)와 연결되기 위한 포트(123, 133)를 포함할 수 있다.
도 4에서, 코어(121, 131) 내부는 투자율(magnetic permeability)이 높은 강자기성 물질로 형성할 수 있다. 코어(121, 131)와 권선(122, 132) 사이에 절연체를 형성하여, 권선(122, 132)에 인가되는 전기적인 신호가 직접 코어(121, 131)에 전달되지 않도록 할 수 있다. 예시적으로, 투자율이 높은 CoNiFe와 같은 물질로 코어(121, 131) 내부를 형성하여, 두 자기장 안테나 사이의 높은 유도계수를 얻을 수 있고, 구리와 같은 전도성이 높은 금속을 이용하여 권선(122, 132)을 형성할 수 있고, 폴리이미드와 같은 절연 물질로 권선(122, 132)과 코어(121, 131) 사이에 절연체를 형성할 수 있다.
지상 자기장 안테나(120)의 포트(123)에 주파수를 가지는 전기적인 에너지인 자기장 발생 신호가 인가되면, 권선(122, 132)에 전류가 흐르게 되고, 권선(122, 132)으로 감겨진 막대 형상의 코어(121, 131)를 통과하는 자기장이 발생할 수 있다. 발생한 자기장의 자기선속이 지중 자기장 안테나(130)를 통과하면, 지중 자기장 안테나(130)를 통과하는 자기선속의 변화로 인하여 기전력이 발생하여, 전기 신호가 유도될 수 있고, 유도된 전기 신호는 지중 자기장 안테나(130)의 포트(133)에 연결된 센서부 포트(146)로 입력될 수 있다.
반대로, 센서부(140)에서 생성된 전기적인 에너지인 센싱 데이터는 지중 자기장 안테나(130)의 포트(133)로 입력되어, 지중 자기장 안테나(130)의 코어(121, 131)에 발생한 자기선속이 지상 자기장 안테나(120)를 통과하여 자기선속의 변화에 의해 전기적인 에너지가 유도될 수 있다. 유도된 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호는 지상 자기장 안테나(120)의 포트(123)와 연결된 콘트롤 유닛(110)으로 입력, 분석하게 되어 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석할 수 있다.
도5는 본원의 일 실시예에 따른 코어(121, 131)의 형상 및 배치 각도에 따른 자기선속 밀도(magnetic flux density)를 나타낸 도면이다. 도5는 코어(121, 131)의 형상 및 양 코어(121, 131)의 배치 각도에 따라, 한 자기장 안테나에 전기적인 신호를 인가하였을 때, 다른 자기장 안테나를 통과하는 자기선속 밀도를 나타내는 것으로, 다른 자기장 안테나를 통과하는 자기선속 밀도가 높은 수록 유도계수(magnetic inductance)가 높은 것을 의미한다. 즉, 한 자기장 안테나에 전기적인 신호를 인가하였을 때, 다른 자기장 안테나에서 유도되는 전기적인 신호가 커지게 되어, 자기장 통신 채널의 성능이 우수하다는 것을 의미한다.
도5를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 코어(121, 131)는 일측 끝단이 볼록한 곡선(convex)의 형태로 된 것이고, 지상 자기장 안테나(120)의 코어(121)의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단과 지중 자기장 안테나(130)의 코어(131)의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단이 마주보도록 배치되는 것일 수 있다. 도5에서, 양 코어(121, 131)의 각도가 직렬일 때, 즉 0°인 경우 자기선속 밀도가 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 측정된 각도 구간 내에서, 두 코어(121, 131)의 일측 끝단이 볼록한 곡선의 형태이고, 두 코어(121, 131) 끝단이 모두 볼록한 곡선 형태의 끝단이 서로 마주보는 경우(도5에서 convex-convex 곡선)에 측정된 자기선속 밀도의 값이, 양 코어(121, 131) 모두 평평한 경우(flat-flat) 및 한 코어(121, 131)의 일측 끝단만 볼록한 곡선 형태이고 나머지 코어(121, 131)의 일측 끝단은 평평한 경우(convex-flat)의 경우보다 크게 측정됨을 확인할 수 있다. 따라서, 지상 자기장 안테나(120)의 코어(121, 131)의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단과 지중 자기장 안테나(130)의 코어(121, 131)의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단이 마주보도록 배치하여 두 자기장 안테나 사이의 유도계수를 높이고, 두 자기장 안테나에 의해 형성되는 자기장 채널의 성능을 높일 수 있다. 이는 코어(121, 131) 일측 끝단을 통과하는 자기선속이 코어(121, 131) 끝단의 형상에 의해 렌즈와 같은 역할을 하기 때문에, 다른 자기장 안테나를 통과하는 자기선속의 밀도가 증가할 수 있다.
한 자기장 안테나에 전기 신호를 인가하였을 때, 다른 자기장 안테나에 유도되는 전기 신호의 크기는 자기장 안테나에 입력되는 자기장 발생 신호의 크기, 주파수, 자기장 안테나 코어(121, 131)의 형상, 재질, 배치 각도, 권선(122, 132)을 감은 횟수, 중간 매질인 지중 물질의 투자율 등 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 도4 및 도5의 내용을 종합하면, 코어(121, 131) 내부에 강자기성 물질을 형성하고, 일측 끝단이 볼록한 곡선형태인 코어(121, 131)를 포함하고, 볼록한 부분이 서로 마주보도록 지상 자기장 안테나(120)와 지중 자기장 안테나(130)를 배치하여, 한 자기장 안테나에 전기 신호를 인가하였을 때 다른 자기장 안테나에 유도되는 전기 신호의 크기를 높일 수 있다.
도6은 본원의 일 실시예에 따른 복수개의 지중 자기장 안테나(130) 및 복수개의 센서부(140)를 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)의 동작을 나타낸 도면이다. 도6은 세 개의 지중 자기장 안테나(130a, 130b, 130c)와 센서부(140a, 140b, 140c)를 이용한 무선 지중 탐사 장치(100) 동작의 예이다.
도6을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 지중 자기장 안테나(130) 및 센서부(140)는 복수개일 수 있다. 도6과 같이, 복수의 지중 자기장 안테나(130) 및 센서부(140)를 지중에 매설하고, 하나의 콘트롤 유닛(110) 및 지상 자기장 안테나(120)를 이용하여 무선으로 복수의 지중 자기장 안테나(130a, 130b, 130c) 및 센서부(140a, 140b, 140c)를 구동하여 온도, 습도, 가스 농도 등의 지중 상태를 측정할 수 있다. 즉, 하나의 지상 자기장 안테나(120)에 자기장 발생 신호를 인가하여, 복수개의 지중 자기장 안테나(130a, 130b, 130c) 및 센서부(140a, 140b, 140c)로부터 각각 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 수신하여, 이를 분석하여 온도, 습도, 가스 농도 등을 측정할 수 있다.
도7은 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛(110)의 복수개의 센서부(140)를 선택적으로 구동하는 중심 주파수를 나타낸 도면이다. 도7에서 Sensor 1의 중심 주파수는 250MHz이고, Sensor 2의 중심 주파수는 235MHz, Sensor 3의 중심 주파수는 220MHz이다.
도7을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛(110)은 중심 주파수를 달리하여 자기장 발생 신호를 생성하여, 복수개의 센서부(140)를 선택적으로 구동할 수 있다. 도6에서와 같이 지중 자기장 안테나(130)와 센서부(140)가 복수개인 경우, 센서부(140)인 표면 탄성파 센서의 중심 주파수가 모두 동일한 경우, 복수개의 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신되는 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호가 동시에 수신되어, 시간 영역에서 복수개의 센싱 데이터 각각을 분석하기 어려울 수 있다. 따라서, 센서부(140) 각각의 중심 주파수를 달리하고, 콘트롤 유닛(110)은 중심 주파수를 달리하여 자기장 발생 신호를 생성하여, 복수개의 센서부(140) 중에서 측정을 원하는 센서부(140)만 선택적으로 구동함으로써, 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호 분석을 용이하게 할 수 있다.
도7은 지상 자기장 안테나(120)에서 약 220MHz의 자기장 신호를 생성하여 각각 다른 중심 주파수를 센서부(140)(Sensor 1, 2, 3)로 송신하였을 때, 각각의 지중 자기장 안테나(130) 및 센서부(140)로부터 수신된 자기 에너지의 크기를 주파수에 따라 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이, 표면 탄성파 센서는 IDT(141)의 전극쌍 사이의 간격인 피치 등을 조절하여 결정할 수 있다. 도7의 복수의 지중 자기장 안테나(130)에서 각각에서 송신되는 자기 에너지의 최대 크기는, 각각의 지중 자기장 안테나(130)와 연결된 표면 탄성파 센서로 된 센서부(140)의 중심 주파수와 일치하고, 중심 주파수를 벗어날수록 송신되는 자기 에너지의 크기가 급감하는 것을 알 수 있다.
따라서, 복수개의 센서부(140) 각각이 적절한 band width를 갖도록 중심 주파수를 다르게 하고, 콘트롤 유닛(110)에서 생성되는 자기장 발생 신호의 중심 주파수를 구동하고자 하는 센서부(140)의 중심 주파수로 조절하고, 출력 주파수 범위(band width)를 구동을 원하지 않는 센서부(140)의 중심 주파수를 포함하지 않도록 좁게 하여, 복수개의 센서부(140)를 선택적으로 구동할 수 있다. 자기장 발생 신호의 주파수 범위를 특정 센서부(140)의 중심 주파수에 집중할수록, 해당 센서부(140)에서 측정한 센싱 데이터를 더욱 정확히 분석할 수 있다.
예시적으로, 도7에서와 같이 3개의 지중 자기장 안테나(130)와 센서부(140)가 지중에 매설되어 있고, 센서부(140) 각각의 중심 주파수가 220MHz, 235MHz, 250MHz인 표면 탄성파 센서인 경우, 콘트롤 유닛(110)에서 220MHz 중심 주파수인 자기장 발생 신호를 생성하면, 지상 자기장 안테나(120)에서 생성되어 전송되는 자기장 신호의 중심 주파수는 동일한 220MHz이고, 235MHz와 250MHz의 중심 주파수를 갖는 센서부(140)와 연결된 지중 자기장 안테나(130)에서 수신되는 신호의 크기는 매우 작은 반면, 220MHz의 중심 주파수를 갖는 센서부(140)와 연결된 지중 자기장 안테나(130)로부터 수신되는 신호의 크기는 매우 크기 때문에, 220MHz의 중심 주파수를 갖는 센서부(140)를 선택적으로 구동한 것을 뜻한다. 결국, 센서부(140)의 중심 주파수를 달리하고 콘트롤 유닛(110)에서 중심 주파수를 달리하여 자기장 발생 신호를 생성하여, 결과적으로 복수개의 센서부(140)에서 측정하고자 하는 센서부(140)를 선택적으로 구동할 수 있다.
도8은 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛(110)의 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호를 생성을 나타낸 도면이다. 도8에서 SAW sensor signal은 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호가 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환되어 측정된 것이고, Signal Generator signal은 콘트롤 유닛(110)에서 생성한 자기장 발생 신호를 의미한다.
도8을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛(110)은 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호를 생성하는 것일 수 있다. 콘트롤 유닛(110)에서 생성하는 자기장 발생 신호는 신호 발생 주기에 따라 일정 시간 생성되어 지상 자기장 안테나(120)로 공급되고, 일정 시간은 자기장 발생 신호를 공급하지 않고 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석할 수 있다. 자기장 발생 신호를 공급하지 않는 시간동안 지상 자기장 안테나(120)에서 수신한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하여, 센서부(140)에서 측정한 센싱 데이터를 정확하게 분석할 수 있다.
신호 발생 주기는 자기장 발생 신호를 공급하여 센싱 데이터를 포함한 자기장 신호를 수신하는데 걸리는 측정 시간, 즉 지상 자기장 안테나(120)를 통하여 공급된 자기장 발생 신호가 자기장 신호로 변환되어, 지중 자기장 안테나(130)로 전송되고, 변환된 전기 신호에 의해 센서부(140)가 구동되고 센싱 데이터를 생성하여 다시 이를 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호로 변환하여 지상 자기장 안테나(120)로 공급하는데 필요한 시간에 따라 조절할 수 있다. 신호 발생 주기를 측정 시간에 따라 조절하여, 센싱 데이터를 정확하게 분석할 수 있다.
예를 들어, 서큘레이터와 같은 장비를 콘트롤 유닛(110)의 자기장 발생 신호를 생성하여 전송하는 포트, 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하기 위한 포트, 지상 자기장 안테나(120) 포트(123)와 연결할 수 있다. 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 수신하는데 걸리는 측정 시간이 T1인 경우, T1보다 짧은 시간동안 자기장 발생 신호를 공급하고, T1 경과 이후 일정 시간동안 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석할 수 있고, 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호 수신이 완료된 이후, 다시 자기장 발생 신호를 지상 자기장 안테나(120)에 공급할 수 있다. 자기장 발생 신호 공급과 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호 분석을 주기적으로 번갈아 할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 콘트롤 유닛(110)은 신호 발생 주기에 따라 생성하는 자기장 발생 신호의 중심 주파수를 달리할 수 있다. 콘트롤 유닛(110)은 각 주기별로 생성하는 자기장 발생 신호의 중심 주파수를 달리하여, 순차적으로 복수의 센서부(140) 각각을 구동하여 지중 상태를 측정할 수 있다. 예를 들어, 중심 주파수가 각각 220MHz, 235MHz, 250MHz인 3개의 센서부(140)를 순차적으로 측정하기 위해, 제1주기에는 220MHz 중심 주파수 자기장 발생 신호를 생성하여 전송하고, 측정 완료 이후 제2주기에는 235MHz, 제3주기에는 250MHz 중심 주파수 자기장 발생 신호를 전송 및 센싱 데이터 분석을 반복하여, 각 주기별로 다른 센서부(140)를 구동하여 지중 상태를 측정하고, 제3주기 이후 다시 제1주기 220MHz 중심 주파수 자기장 발생 신호를 생성하여 전송하고, 센싱 데이터를 분석하는 과정을 반복하여 주기별로 중심 주파수가 다른 자기장 발생 신호를 생성할 수 있다.
도9는 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)의 개략적인 구성도이다.
도9를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)는 콘트롤 유닛(110), 지상 자기장 안테나(120), 지중 자기장 안테나(130) 및 센서부(140)를 포함할 수 있다.
콘트롤 유닛(110)은, 자기장 발생 신호를 생성하여 지상 자기장 안테나(120)로 전송할 수 있고, 지중 자기장 안테나(130)로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석할 수 있다. 또한, 자기장 발생 신호의 중심 주파수를 달리하여, 복수개의 센서부(140)를 선택적으로 구동할 수 있으며, 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호를 생성하여 측정의 정확도를 높일 수 있다.
지상 자기장 안테나(120)는 막대 형상의 코어(121), 코어(121) 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선(122)을 포함할 수 있고, 콘트롤 유닛(110)과 연결되기 위한 포트(123)를 포함할 수 있다. 지상 자기장 안테나(120)는 콘트롤 유닛(110)으로부터 자기장 발생 신호를 수신하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나(130)로 송신하고, 지중 자기장 안테나(130)로부터 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 수신할 수 있다. 수신한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호는 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환되어, 콘트롤 유닛(110)으로 전송할 수 있다.
지중 자기장 안테나(130)는 지상 자기장 안테나(120)와 동일하게 막대 형상의 코어(131), 코어(131) 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선(132)을 포함할 수 있고, 센서부(140)와 연결되기 위한 포트(133)를 포함할 수 있다. 지중 자기장 안테나(130)는 지상 자기장 안테나(120)로부터 자기장 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 센서부(140)로 전송할 수 있다. 센서부(140)로부터 수신한 센싱 데이터에 기초하여 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나(120)로 전송할 수 있다.
센서부(140)는 유도된 전기신호에 의해 구동되어 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 센서부(140)는 표면 탄성파 센서로 된 것일 수 있고, IDT(141), 온도 센서(142), 습도 센서(143) 및 가스 센서(144), 반사 바(145), 센서부 포트(146)를 포함하여 지중의 온도, 습도 및 가스 농도를 측정할 수 있다.
이하 도10에 도시된 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법의 동작 단계는 앞서 설명된 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치(100)에 설명된 내용은 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법의 동작 단계에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도10은 본원의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법의 동작 흐름도이다.
도10을 참조하면, 단계S1010에서는 콘트롤 유닛(110)에서 자기장 발생 신호를 생성하고 지상 자기장 안테나(120)로 송신한다. 자기장 발생 신호는 중심 주파수를 달리하여 생성되어 복수의 센서부(140)를 선택적으로 구동할 수 있고, 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호 생성 및 송신, 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호 분석을 일정 주기에 따라 반복하여 생성될 수 있다.
단계 S1020에서는, 지상 자기장 안테나(120)에서 자기장 발생 신호에 기초하여 생성된 자기장 신호를 지중 자기장 안테나(130)로 송신할 수 있다. 자기장 신호의 중심 주파수는 자기장 발생 신호의 주파수와 동일하며, 신호 발생 주기에 따라 자기장 발생 신호가 발생되는 주기에만 자기장 신호를 전송할 수 있다.
단계 S1030에서는, 복수의 지중 자기장 안테나(130)에서 자기장 신호를 수신하여, 전기 신호가 유도되고, 유도된 전기 신호는 센서부(140)로 전송될 수 있다. 유도되는 전기 신호의 크기는 지상 자기장 안테나(120)에 입력되는 자기장 발생 신호의 크기, 주파수, 자기장 안테나 코어(121, 131)의 형상, 재질, 배치 각도, 권선(122, 132)을 감은 횟수, 중간 매질인 지중 물질의 투자율 등 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.
단계 S1040에서는, 복수의 센서부(140)에서 유도된 전기 신호를 수신하여 센서부(140)를 구동하고, 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성한다. 자기장 발생 신호, 자기장 신호, 유도된 전기 신호의 중심 주파수는 동일하며, 복수개의 센서부(140) 중에서, 센서부(140)의 중심 주파수가 동일한 센서부(140)만 구동한다. 센서부(140)는 표면 탄성파 센서로, IDT(141), 반사 바(145), 온도 센서(142), 습도 센서(143) 및 가스 센서(144) 등을 포함할 수 있고, 유도된 전기 신호에 의해 발생한 표면 탄성파가 각 센서를 통과하여 반사된 반사파의 시간 지연, 위상 지연, 주파수 지연을 통해 지중 상태를 측정한 센싱 데이터를 생성할 수 있다.
단계 S1050에서는, 구동된 센서부(140)와 연결된 지중 자기장 안테나(130)에서 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 지상 자기장 안테나(120)로 송신한다.
단계 S1060에서는 지상 자기장 안테나(120)에서 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 수신한다. 수신된 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호는 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호로 변환되어 콘트롤 유닛(110)으로 전송된다.
단계 S1070에서는 콘트롤 유닛(110)에서 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석한다. 수신한 센싱 데이터를 포함하는 전기 신호를 분석하여 구동된 센서부(140)의 각 센서를 통과한 반사파의 시간 지연, 위상 지연, 주파수 지연을 측정하여 온도, 습도, 가스 농도에 관한 정보를 얻을 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 무선 지중 탐사 장치
110: 콘트롤 유닛
120: 지상 자기장 안테나
121: 지상 자기장 안테나 코어
122: 지상 자기장 안테나 권선
123: 지상 자기장 안테나 포트
130: 지중 자기장 안테나
131: 지중 자기장 안테나 코어
132: 지중 자기장 안테나 권선
133: 지중 자기장 안테나 포트
140: 센서부
141: IDT (Interdigital Transducer)
142: 온도 센서
143: 습도 센서
144: 가스 센서
145: 반사 바(Reflect bar)
146: 센서부 포트

Claims (12)

  1. 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치에 있어서,
    자기장 발생 신호를 생성하고, 지중 자기장 안테나로부터 송신되며 지중 상태에 관한 센싱 데이터를 포함하는 자기장 신호를 분석하는 콘트롤 유닛;
    상기 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나로 송신하고, 상기 지중 자기장 안테나로부터 송신되는 상기 자기장 신호를 수신하는 지상 자기장 안테나;
    상기 지상 자기장 안테나로부터 수신한 상기 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부로 전송하고, 상기 센서부로부터 수신한 상기 센싱 데이터를 포함하는 상기 자기장 신호를 상기 지상 자기장 안테나로 송신하는 지중 자기장 안테나; 및
    상기 유도된 전기신호에 의해 구동되어 지중 상태를 측정하여 상기 센싱 데이터를 생성하는 센서부,
    를 포함하는 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 유도된 전기신호를 통해 표면 탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave)를 생성하는 표면 탄성파 센서로 된 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서부는,
    지중의 온도, 습도 또는 가스 농도 중 적어도 어느 하나를 측정하고,
    상기 센싱 데이터는,
    측정된 온도, 습도 또는 가스 농도 중 적어도 어느 하나에 관한 정보를 포함하는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지상 자기장 안테나 및 상기 지중 자기장 안테나는,
    막대 형상의 코어 및 상기 코어의 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선을 포함하는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코어는,
    일측 끝단이 볼록한 곡선의 형태로 된 것이고,
    상기 지상 자기장 안테나의 상기 코어의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단과 상기 지중 자기장 안테나의 상기 코어의 볼록한 곡선 형태의 일측 끝단이 마주보도록 배치되는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코어는,
    내부에 강자기성 물질을 포함하고, 상기 복수회 감겨진 권선 사이에 절연체를 더 포함하는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지중 자기장 안테나 및 상기 센서부는 복수개인 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 콘트롤 유닛은,
    신호 발생 주기에 따라 상기 자기장 발생 신호를 생성하는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  9. 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘트롤 유닛은,
    중심 주파수를 달리하여 자기장 발생 신호를 생성하여, 상기 복수개의 센서부를 선택적으로 구동하는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 장치.
  10. 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법에 있어서,
    콘트롤 유닛에서 자기장 발생 신호를 생성하여 지상 자기장 안테나로 송신하는 단계;
    상기 지상 자기장 안테나에서 상기 자기장 발생 신호에 기초하여 자기장 신호를 생성하여 지중 자기장 안테나로 송신하는 단계;
    상기 지중 자기장 안테나에서 상기 지상 자기장 안테나로부터 수신한 상기 자기장 신호에 의해 유도된 전기신호를 센서부로 전송하는 단계;
    상기 유도된 전기신호에 의해 구동된 센서부에서 지중 상태를 측정하여 센싱 데이터를 생성하는 단계;
    상기 지중 자기장 안테나에서 상기 센서부로부터 수신한 상기 센서 데이터를 포함하는 상기 자기장 신호를 상기 지상 자기장 안테나로 송신하는 단계;
    상기 지상 자기장 안테나에서 상기 지중 자기장 안테나로부터 송신되는 상기 자기장 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 콘트롤 유닛에서 상기 지중 자기장 안테나로부터 송신되며 지중 상태에 관한 상기 센싱 데이터를 포함하는 상기 자기장 신호를 분석하는 단계
    를 포함하는, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 유도된 전기신호를 통해 표면 탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave)를 생성하는 표면 탄성파 센서로 된 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 지상 자기장 안테나 및 상기 지중 자기장 안테나는,
    막대 형상의 코어 및 상기 코어의 둘레에 형성된 복수회 감겨진 권선을 포함하는 것인, 자기장을 이용한 무선 지중 탐사 방법.
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