KR20230055857A - 먼지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 기술에 의한 먼지 센서는 먼지에 산란된 빛을 검출하는 광 검출기 및 하이패스 필터를 포함하되 광 검출기의 출력에서 생성된 전기 신호가 하이패스 필터를 통과하기 전의 신호와 하이패스 필터를 통과한 후의 신호를 모두 이용하여 먼지 검출 신호를 생성하는 신호 처리 회로를 포함한다.

Description

먼지 센서{DUST SENSOR}
본 기술은 먼지 센서에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 광학 센싱 방식으로 먼지를 감지하는 먼지 센서에 관한 것이다.
빛을 이용하는 먼지 센서의 경우 주변 광으로 인한 노이즈 및 다이오드의 옵셋을 제거하기 위하여 하이패스 필터를 사용하는 경우가 많다.
도 1은 종래의 먼지 센서를 나타내는 블록도이다.
종래의 먼지 센서는 발광 다이오드(10), 구동 회로(11), 광 검출기(20), TIA(21), 하이패스 필터(30), 증폭기(40), 아날로그 디지털 변환기(50, ADC), 및 디지털 신호 처리 회로(60)를 포함한다.
발광 다이오드(10)는 구동 회로(11)의 제어에 따라 먼지(1)가 포함된 공기 중으로 빛을 발산한다.
광 검출기(20)는 먼지(1)에 의한 산란된 빛을 검출하여 전류 신호를 생성한다.
TIA(21, Transimpedance Amplifier)는 광 검출기(20)에서 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변경한다.
하이패스 필터(30)는 TIA(21)의 출력 신호에서 고주파 대역의 신호를 통과시키는 필터링 동작을 수행한다.
증폭기(30)는 하이패스 필터(30)의 출력을 증폭하여 출력하고 ADC(50)는 증폭기(30)의 출력을 디지털 신호로 변환한다.
디지털 신호 처리 회로(60)는 ADC(50)의 출력을 분석하여 먼지의 농도를 측정한다.
종래의 먼지 센서는 하이패스 필터(30)를 채용함으로써 저주파 성분의 노이즈와 옵셋 성분을 제거하는데 효과적이다.
그러나 특정 크기의 먼지 농도가 증가하는 경우 저주파 대역의 신호가 증가하는데 이는 옵셋 신호나 저주파 노이즈와 구별되지 않아 하이패스 필터(30)에 의해 제거되어 정확한 먼지 농도를 측정하는데 방해가 된다.
도 2는 먼지 센서의 정상적인 동작을 나타내는 파형도이다.
TIA(21)의 출력은 옵셋 성분을 포함하며 먼지를 감지한 구간에서 일시적으로 증가한 형태가 된다.
하이패스 필터(30)의 출력은 TIA(21)의 출력을 반영하여 먼지를 감지한 구간에서 일시적으로 증가한 형태가 되는데 이때 저주파 성분인 옵셋 성분은 제거된다.
증폭기(40) 출력은 하이패스 필터(30)의 출력을 증폭한 형태가 된다.
도 3은 상대적으로 큰 입자들이 밀집된 형태를 나타내는 경우 종래의 먼지 센서의 비정상적인 동작을 나타내는 파형도이다.
TIA(21)의 출력은 옵셋 성분을 포함하며 먼지를 감지한 구간에서 증가한 형태가 된다.
다만 TIA(21)의 출력은 큰 크기의 먼지가 밀집된 구간에서 크게 증가한 상태를 유지하다가 작은 크기의 먼지를 탐지한 구간에서 일시적으로 감소하는 형태가 된다.
하이패스 필터(30)의 출력은 TIA(21)의 출력을 반영하여 큰 크기의 먼지를 감지하기 시작한 시점에서 상승 펄스가 발생하고 작은 크기의 먼지를 감지한 시점에서 하강 펄스가 발생한다.
증폭기(40) 출력은 하이패스 필터(30)의 출력을 증폭한 형태가 된다.
그러나 큰 크기의 먼지를 지속적으로 감지하는 구간의 신호는 하이패스 필터(30)의 동작에 의해 신호가 소실되므로 결과적으로 잘못된 정보를 출력하게 된다.
도 4는 상대적으로 작은 입자들이 밀집된 형태를 나타내는 경우 종래의 먼지 센서의 비정상적인 동작을 나타내는 파형도이다.
TIA(21)의 출력은 옵셋 성분을 포함하며 먼지를 감지한 구간에서 증가한 형태가 된다.
다만 TIA(21)의 출력은 작은 크기의 먼지가 밀집된 구간에서 증가한 상태를 유지하다가 큰 크기의 먼지를 탐지한 구간에서 일시적으로 더 증가하는 형태가 된다.
하이패스 필터(30)의 출력은 TIA(21)의 출력을 반영하여 작은 크기의 먼지를 감지하기 시작한 시점에서 펄스가 발생하고 큰 크기의 먼지를 감지한 시점에서 펄스가 발생한다.
증폭기(40) 출력은 하이패스 필터(30)의 출력을 증폭한 형태가 된다.
작은 크기의 먼지가 밀집되어 해당 먼지를 지속적으로 감지하는 구간에서는 하이패스 필터(30)의 동작에 의해 신호가 소실되므로 결과적으로 잘못된 정보를 출력하게 된다.
이와 같이 종래의 먼지 센서는 특정 크기의 먼지가 밀집된 경우 센싱 성능이 저하되는 문제가 있다.
KR 10-1913973 B1 US 10620105 B2 US 2019/0282098 A1 US 2020/0018683 A1
https://www.ti.com/tool/TIDA-00378 https://www.ti.com/lit/ug/tidub65c/tidub65c.pdf?ts=1632968698891&
본 기술은 특정 크기의 먼지 입자가 밀집한 경우에도 먼지의 농도를 정확하게 센싱할 수 있는 먼지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 센서는 먼지에 산란된 빛을 검출하는 광 검출기 및 하이패스 필터를 포함하되 광 검출기의 출력에서 생성된 전기 신호가 하이패스 필터를 통과하기 전의 신호와 하이패스 필터를 통과한 후의 신호를 모두 이용하여 먼지 검출 신호를 생성하는 신호 처리 회로를 포함한다.
본 기술에 의한 먼지 센서는 증폭기의 옵셋이나 주변광으로 인한 저주파 노이즈를 제거하여 먼지 밀도를 정확히 감지할 수 있다.
본 기술에 의한 먼지 센서는 특정 크기의 먼지가 밀집된 경우에도 먼지 밀도를 정확히 감지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 먼지 센서를 나타내는 블록도.
도 2 내지 4는 종래 기술에 의한 먼지 센서의 문제점을 나타내는 파형도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 센서를 나타내는 블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 신호 처리 회로를 나타내는 블록도.
도 7 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 센서의 동작을 나타내는 블록도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 개시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 센서를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 먼지 센서는 발광 다이오드(10), 구동 회로(11), 광 검출기(20), TIA(21), 및 신호 처리 회로(100)를 포함한다.
발광 다이오드(10), 구동 회로(11), 광 검출기(20), 및 TIA(21)는 종래의 것과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명을 생략한다.
본 실시예에서 신호 처리 회로(100)는 TIA(21)의 출력을 이용하여 공기 중의 먼지(1)를 검출하여 먼지 검출 신호를 생성한다.
신호 처리 회로(100)는 하이패스 필터를 포함하며 하이패스 필터를 통과하기 전의 신호와 하이패스 필터를 통과한 후의 신호를 모두 이용하여 먼지 검출 신호를 생성한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 신호 처리 회로(100)를 나타낸 블록도이다.
신호 처리 회로(100)는 먹스(110), 디먹스(120), 하이패스 필터(130), 증폭기(140), 아날로그 디지털 변환기(150, ADC)를 포함한다.
신호 처리 회로(100)는 로우패스 필터(160), 레지스터(170), 검출 회로(180), 제 1 연산기(191), 제 2 연산기(192), 제 3 연산기(193)를 더 포함한다.
하이패스 필터(130), 증폭기(140), ADC(150)는 도 1에 도시된 하이패스 필터(30), 증폭기(40), ADC(50)에 대응한다.
먹스(110)는 하이패스 필터(130)에 입력되는 신호 또는 증폭기(140)의 출력을 선택적으로 출력하고, 디먹스(120)는 ADC(120)의 출력을 로우 패스 필터(160) 또는 제 3 연산기(193)에 출력한다.
본 실시예에서 ADC(150)의 출력은 멀티비트의 디지털 신호이다.
로우패스 필터(160)는 디지털 필터로서 로우패스 필터링 동작을 수행한다.
제 1 연산기(191)는 로우패스 필터(160)의 출력에 이득 신호(G)를 곱하여 출력한다.
이때 이득 신호(G)는 증폭기(140)의 이득에 대응한다.
레지스터(170)는 제 1 연산기(191)의 출력을 저장한다.
제 2 연산기(192)는 제 1 연산기(191)의 출력에서 레지스터(170)에 저장된 값을 뺀 결과를 출력한다.
제 3 연산기(193)는 디먹스(120)의 출력과 제 2 연산기(192)의 출력을 더하여 출력한다.
검출 회로(180)는 제 3 연산기(193)의 출력으로부터 먼지 검출 신호를 생성한다.
전술한 바와 같이 신호 처리 회로(100)는 하이패스 필터에 입력되기 전의 값과 하이패스 필터를 통과한 후의 값을 이용하여 먼지 검출 신호를 생성한다.
도 7 내지 도 9는 신호 처리 회로(100)의 동작을 설명하는 블록도이다.
도면에서 점선은 사용하지 않는 신호를 나타내고, 실선은 사용하는 신호를 나타낸다.
먼저 도 7의 동작을 개시한다. 도 7은 먼지가 없는 상태에서 수행되는 동작이다.
TIA(21)의 출력은 하이패스 필터(130)를 통과하기 전의 신호로서 먹스(110)를 통해 ADC(150)에 제공된다.
ADC(150)에서 출력된 멀티비트 디지털 신호는 디먹스(120)를 통해 로우패스 필터(160)에 제공된다.
제 1 연산기(191)는 로우패스 필터(160)의 출력에 이득 신호(G)를 곱하여 레지스터(170)에 저장한다.
도 7은 먼지가 없는 상태에서 수행되는 것이므로 레지스터(170)에 저장되는 신호는 저주파 노이즈와 옵셋 성분 등의 총합에 대응한다.
이하에서는 레지스터(170)에 저장된 값을 옵셋 신호로 지칭한다.
도 8과 도 9는 먼지가 있는 상태에서 수행된다.
먼저 도 8의 동작을 개시한다.
도 7과 마찬가지로 TIA(21)의 출력은 하이패스 필터(130)를 통과하기 전의 신호로서 먹스(110)를 통해 ADC(150)에 제공된다.
ADC(150)에서 출력된 멀티비트 디지털 신호는 디먹스(120)를 통해 로우패스 필터(160)에 제공된다.
제 1 연산기(191)는 로우패스 필터(160)의 출력에 이득 신호(G)를 곱하여 출력한다.
제 2 연산기(192)는 제 1 연산기(191)의 출력에서 레지스터(170)의 출력을 뺀 값을 출력한다.
레지스터(170)에 저장된 값은 옵셋 신호이므로 제 2 연산기(170)의 출력은 먼지가 있는 상태에서 측정된 저주파 신호에서 옵셋 신호를 제거한 신호에 대응한다.
도 2, 3을 참고하면 먼지가 있는 상태에서 측정된 저주파 신호는 고밀도의 먼지 정보에 대응한다.
본 실시예에서 제 2 연산기(192)는 뺄셈 결과를 유지한다.
로우패스 필터(160), 제 1 연산기(191), 레지스터(170), 제 2 연산기(192)는 고밀도 먼지 정보를 생성하기 위한 회로로서 이들을 고밀도 먼지 정보 생성 회로로 지칭할 수 있다.
다음으로 도 9의 동작을 개시한다.
도 9에서는 종래와 마찬가지로 TIA(20)의 출력이, 하이패스 필터(130), 증폭기(140), ADC(150)를 통과한 신호로서 고주파 성분을 포함한다.
도 2, 3을 참고하면 먼지가 있는 상태에서 측정된 고주파 성분은 저밀도의 먼지 정보에 대응한다.
제 3 연산기(193)는 제 2 연산기(192)의 출력과 디먹스(120)의 출력을 더하여 출력하는데 제 2 연산기(192)의 출력은 먼지로 인한 저주파 신호이고
디먹스(120)의 출력은 먼지로 인한 고주파 신호이므로 제 3 연산기(193)의 출력은 먼지로 인하여 발생하는 저주파 및 고주파 성분을 모두 포함한다.
검출 회로(180)는 제 3 연산기(193)의 출력으로부터 먼지 검출 신호를 생성한다.
검출 회로(180)는 신호의 크기, 신호의 변화 방향, 신호의 지속 시간으로부터 먼지의 크기, 먼지의 크기에 따른 밀도를 분류할 수 있다.
검출 회로(180)의 동작 자체는 비특허문헌 2 등의 종래의 기술로부터 통상의 기술자가 용이하게 알 수 있는 것이므로 구체적인 개시는 생략한다.
제 3 연산기(193)와 검출 회로(180)는 전체 먼지 정보에 대응하는 먼지 검출 신호를 생성하므로 이들을 먼지 검출 신호 생성 회로로 지칭할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 이상의 개시로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 문언적으로 기재된 범위와 그 균등범위를 기준으로 해석되어야 한다.
10: 발광 다이오드
11: 구동 회로
20: 광 검출 회로
21: TIA
30, 130: 하이패스 필터(HPF)
40, 140: 증폭기
50, 150: 아날로그 디지털 변환기(ADC)
60: 디지털 신호 처리 회로
110: 먹스(MUX)
120: 디먹스(DEMUX)
160: 로우패스 필터(LPF)
170: 레지스터
180: 검출 회로
191: 제 1 연산기
192: 제 2 연산기
193: 제 3 연산기

Claims (10)

  1. 먼지에 산란된 빛을 검출하는 광 검출기; 및
    하이패스 필터를 포함하되, 상기 광 검출기의 출력에서 생성된 전기 신호가 상기 하이패스 필터를 통과하기 전의 신호와 상기 하이패스 필터를 통과한 후의 신호를 모두 이용하여 먼지 검출 신호를 생성하는 신호 처리 회로
    를 포함하는 먼지 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 광 검출기의 출력을 전압 신호로 변환하여 상기 전기 신호를 생성하는 트랜스 임피던스 증폭기를 더 포함하는 먼지 센서.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 신호 처리 회로는 먼지가 없는 상태에서 옵셋 신호를 검출하고, 상기 하이패스 필터를 통과하기 전의 신호와 상기 옵셋 신호를 이용하여 고밀도의 먼지에 대응하는 신호를 생성하고, 상기 하이패스 필터를 통과한 후의 신호를 이용하여 저밀도의 먼지에 대응하는 신호를 생성하는 먼지 센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 신호 처리 회로는
    상기 전기 신호를 필터링하는 하이패스 필터;
    상기 하이패스 필터의 출력을 증폭하는 증폭기;
    상기 전기 신호 또는 상기 증폭기의 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기;
    상기 아날로그 디지털 변환기의 출력으로부터 고밀도 먼지 정보를 생성하는 고밀도 먼지 정보 생성 회로; 및
    상기 아날로그 디지털 변환기의 출력과 상기 고밀도 먼지 정보를 이용하여 전체 먼지 정보에 대응하는 먼지 검출 신호를 생성하는 먼지 검출 신호 생성 회로
    를 포함하는 먼지 센서.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 전기 신호 또는 상기 증폭기의 출력을 상기 아날로그 디지털 변환기에 제공하는 먹스를 더 포함하는 먼지 센서.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 아날로그 디지털 변환기의 출력을 상기 고밀도 먼지 정보 생성 회로 또는 상기 먼지 검출 신호 생성 회로에 제공하는 디먹스를 더 포함하는 먼지 센서.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 고밀도 먼지 정보 생성 회로는
    상기 아날로그 디지털 변환기의 출력을 필터링하는 로우패스 필터;
    상기 로우패스 필터의 출력에 이득 신호를 곱하는 제 1 연산기;
    상기 제 1 연산기의 출력을 저장하는 레지스터; 및
    상기 제 1 연산기의 출력에서 상기 레지스터에 저장된 값을 빼는 제 2 연산기
    를 포함하는 먼지 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 고밀도 먼지 정보 생성 회로는 먼지가 없는 상태에서 상기 제 1 연산기의 출력을 상기 레지스터에 저장하고, 먼지가 있는 상태에서 상기 제 2 연산기의 출력을 상기 고밀도 먼지 정보로 출력하는 먼지 센서.
  9. 청구항 4에 있어서, 상기 먼지 검출 신호 생성 회로는 상기 아날로그 디지털 변환기의 출력과 상기 고밀도 먼지 정보 생성 회로의 출력을 더하는 제 3 연산기를 포함하는 먼지 센서.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 먼지 검출 신호 생성 회로는 상기 제 3 연산기의 출력으로부터 먼지 검출 신호를 생성하는 검출 회로를 더 포함하는 먼지 센서.
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