KR101174483B1 - 차분 자기 센서 모듈을 구비한 자기장 검출 장치 - Google Patents

차분 자기 센서 모듈을 구비한 자기장 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자기장에 대응하여 전기 신호를 각각 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 출력값과 상기 제2 자기 센서의 출력값의 차분값을 출력 신호로서 출력하는 차분 자기 센서 모듈; 및 상기 출력 신호를 필터링하고 증폭하여 상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이를 수치화하는 신호처리부를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서는, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제1 출력단자와 연결되며, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제2 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 차분 자기 센서 모듈을 이용하여 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정할 수 있으며, 각 자기 센서의 감응 방향으로 강한 자기장이 인가될 때에도 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정할 수 있다.

Description

차분 자기 센서 모듈을 구비한 자기장 검출 장치{Magnetic-field detecting apparatus having differnetial-magetic-sensor-module}
본 발명은 자기장 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차분 자기 센서 모듈을 이용하여 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정하고, 각 자기 센서의 감응 방향으로 강한 자기장이 인가될 때에도 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정할 수 있는 자기장 검출 장치에 관한 것이다.
자기적 현상을 이용한 비파괴(Nondestructive) 검사 방법은 구조물의 표면 결함이나 표면 근방의 이면 결함 또는 내면 결함을 찾아내는데 유용한 검사 방법이다. 비파괴 검사 방법을 이용하여, 원자력 발전, 화력 발전, 화학 산업 등에 사용되는 대형 플랜트나 구조물의 결함을 찾아낼 수 있다.
공간상의 자기장의 세기 분포 또는 미소 공간상에서의 자기장의 세기 차이를 측정하면, 자화된 시험편의 결함 측정, 와전류에 의한 비파괴 검사, 금속 및 지뢰검출, 인쇄 회로 기판의 배선 검사, 전원선 및 전원 연결부의 누설 전류 탐지, 자기 패턴의 검사 등에 다양하게 활용될 수 있다.
공간상의 자기장의 세기 분포 또는 미소 공간상에서의 자기장의 세기 차이를 측정하기 위한 방법 중 하나가 많은 수의 자기 센서를 2차원 또는 3차원으로 배열하여 각각의 위치에 해당하는 공간상의 자기장의 세기를 측정하는 것이다.
자기 센서를 2차원 또는 3차원으로 배열하면, 배선의 개수가 센서의 개수에 비례하여 증대하고, 따라서 2차원 배열된 자기센서를 구동 및 신호 추출을 위한 배선방법은 매우 복잡하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정하고, 각 자기 센서의 감응 방향으로 강한 자기장이 인가될 때에도 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정할 수 있는 자기장 검출 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 자기장에 대응하여 전기 신호를 각각 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 출력값과 상기 제2 자기 센서의 출력값의 차분값을 출력 신호로서 출력하는 차분 자기 센서 모듈; 및 상기 출력 신호를 필터링하고 증폭하여 상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이를 수치화하는 신호처리부를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서는, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제1 출력단자와 연결되며, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제2 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 복수의 차분 자기 센서 모듈들이 M 행 * N 열로 배열된 차분 자기 센서 배열; 및 상기 차분 자기 센서 모듈들의 각 출력값들로부터 상기 차분 자기 센서 모듈이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이를 정량화하는 신호처리부를 포함하고, 상기 차분 자기 센서 모듈의 각각은, 자기장 세기에 대응하는 전기 신호를 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서는, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하며, 상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력 단자와 연결되며, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 자기장에 대응하여 전기 신호를 각각 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서와 제3 자기 센서와 제4 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서의 차분값과 상기 제3 자기 센서와 상기 제4 자기 센서의 차분값의 차분값을 출력 신호로서 출력하는 차분 자기 센서 모듈; 및 상기 출력 신호를 필터링하고 증폭하여 상기 차분 자기 센서 모듈이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이를 수치화하는 신호처리부를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서와 상기 제3 자기 센서와 상기 제4 자기 센서의 각각은, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제3 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제4 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 제3 자기 센서의 제1 출력단자와 연결되며, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제4 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 복수의 차분 자기 센서 모듈들이 M 행 * N 열로 배열된 차분 자기 센서 배열; 및 상기 차분 자기 센서 모듈들의 각 출력값들로부터 상기 차분 자기 센서 모듈이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이를 정량화하는 신호처리부를 포함하고, 상기 차분 자기 센서 모듈의 각각은, 자기장 세기에 대응하는 전기 신호를 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서와 제3 자기 센서와 제4 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서와 상기 제3 자기 센서와 상기 제4 자기 센서의 각각은, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제3 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제4 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 제3 자기 센서의 제1 출력단자와 연결되고, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제4 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 차분 자기 센서 모듈을 이용하여 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정할 수 있으며, 각 자기 센서의 감응 방향으로 강한 자기장이 인가될 때에도 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장 세기 차이를 측정할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 복수의 차분 자기 센서 모듈을 매트릭스 형태로 배열한 차분 자기 센서 배열을 이용함으로써, 신속하게 넓은 영역에서 인접한 미소 공간상의 자기장의 세기 차이를 측정할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 스위칭부의 모든 스위치들을 자기 센서가 배치된 곳의 바깥 쪽에 위치시킴으로써, 각 자기 센서를 더욱 조밀하게 배열할 수 있고 각 자기 센서가 배치된 영역 내에서 배선의 개수를 최소화할 수 있다.
도 1은 자기 센서 및 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 자기 센서를 매트릭스 형태로 배열한 자기 센서 배열을 포함하는 자기장 검출 장치를 예시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 예시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 예시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 자기장 검출 장치를 나타낸 도면.
도 10은 신호처리부를 상세히 나타낸 도면.
도 11은 도 2의 자기 센서 배열에 따른 실험 결과를 나타낸 도면.
도 12는 도 11에서 횡축 방향의 미소 영역에서 자기장 세기의 차이 분포를 나타낸 도면.
도 13은 도 4의 차분 자기 센서 배열에 따른 실험 결과를 나타낸 도면.
도 14는 도 2의 배열 방식에서 자기 센서의 감응 방향으로 자기장이 인가되는 경우의 실험 결과를 나타낸 도면.
도 15는 도 4 내지 도 8의 배열 방식에서 자기 센서의 감응 방향으로 자기장이 인가되는 경우의 실험 결과를 나타낸 도면.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 자기 센서와 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 것처럼, 자기장 검출 장치(60)는 자기 센서(10) 및 신호처리부(30)를 구비하며, 추가로 스위치(20)를 더 구비할 수 있다.
자기 센서(10)는 제1 전원 단자(a), 제2 전원 단자(c), 제1 출력 단자(d) 및 제2 출력 단자(b)를 포함한다. 제1 전원 단자(a)는 제1 전원(Vcc)과 연결되고 제2 전원 단자(c)는 접지인 제2 전원(GND)과 연결되며, 제1 출력 단자(d) 및 제2 출력 단자(b)는 각각 제1 출력 전압(V1+) 및 제2 출력 전압(V1-)을 출력한다.
스위치(20)는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW1')를 포함하는데, 제1 전원 단자(a)와 제1 전원(Vcc) 사이에는 제1 스위치(SW1)가 연결되고, 제2 전원 단자(c)와 접지(GND) 사이에는 제2 스위치(SW1')가 연결된다. 스위치(20)는 자기 센서(10)에 대한 구동의 개시 및 종료를 수행하는 역할을 수행하며, 복수의 자기 센서(10)를 매트릭스 형태로 배열하는 경우에 각각의 행과 열에 위치한 자기 센서에 대하여 구동의 개시와 종료를 수행한다.
자기 센서(10)의 제1 전원 단자(a)에 제1 전원(Vcc)이 인가되고 제2 전원 단자(c)에 제2 전원(GND, 접지)이 연결되면, 자기 센서(10)는 자기 센서(10)로 입사되는 자기장의 세기에 대응되는 전기 신호를 제1 출력 단자(d) 및 제2 출력 단자(b)를 통하여 신호 처리부(30)로 출력한다. 자기 센서(10)에서 전기장 및 자기장이 직교하면 제1 출력 단자(d)와 제2 출력 단자(b) 간에 전압 차이가 발생한다.
즉, 각 스위치(SW1, SW1')가 구동되면, Vcc와 GND가 자기 센서(10)의 a단자와 c단자에 입력된다. 그리고 자기 센서(10)에 입력되는 자기장의 세기에 비례하여 제1 출력 단자(b)에는 V1+, 제2 출력 단자(d)에는 V1-에 해당하는 전압이 출력된다. 신호처리부(30)는 V1+와 V1-의 전기신호를 검출함으로써, 자기 센서(10)가 위치한 공간상의 자기장의 세기를 정량적으로 측정할 수 있다.
본 발명에서 자기 센서는 홀 센서(hall sensor), 자기 저항 센서(magneto-resistive sensor, MR sensor) 센서, 거대 자기 저항 센서(giant magneto resistive sensor, GMR sensor) 및 거대 자기 임피던스 센서(giant magneto impedance sensor, GMI sensor)를 포함하는 센서를 의미한다.
단일의 자기 센서(10)를 이용하여 자기장을 검출하려면, 피측정체(미도시)와 평행한 평면상에서 정밀하게 이동시키면서 피측정체(60)에서 발생하는 자기장을 감지할 수 있다. 이와 같은 방법에서는 피측정체(60)를 전체적으로 스캔(scan)할 수 있도록 자기 센서(10)를 이동시켜야 한다. 전술한 것처럼 단일의 자기 센서(10)를 사용하는 경우에는 자기 센서(10)를 피측정체 상에서 이동시켜야 한다.
한편 후술하겠지만 복수의 자기 센서(10)를 매트릭스 형태로 배열함으로써 넓은 면적에 대하여 신속하게 자기장을 검출할 수 있으며, 그 외에도 차분 자기 센서 배열을 이용하는 경우에는 자기 센서를 이동시키지 않고도 피측정체에 인가된 자기장을 검출할 수도 있다. 본 발명에 따른 자기 센서, 자기 센서 배열 및 차분 자기 센서 배열을 이용하여 피측정체의 자기장을 검출함으로써, 피측정체를 파괴하지 않고 비파괴 방식으로 피측정체의 내부 구조를 검사할 수 있으며 그에 따라 피측정체 내부에 존재할 수 있는 균열 등의 결함을 검출할 수 있다.
도 2는 도 1의 자기 센서를 매트릭스 형태로 배열한 자기 센서 배열을 포함하는 자기장 검출 장치를 예시한 도면이다.
도 2에 따른 자기장 검출 장치는 자기 센서 배열(110), 스위칭부(211, 212) 및 신호처리부(미도시)를 포함한다.
도 2에 따른 자기 센서 배열(110)은 M 행 * N 열(도 2에서는 4 행 * 4 열이지만 본 발명의 실시예가 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 행과 열로 배열될 수 있음)의 매트릭스 형태로 자기 센서(1101~1116)가 배열된다. m(m은 1~M) 행에 배치된 각 자기 센서들의 제1 전원 단자(a)는 동일한 전원 라인을 통해 제1 전원(Vcc)과 연결되고, m(m은 1~M) 행에 배치된 각 자기 센서들의 제2 전원 단자(b)는 동일한 전원 라인을 통해 제2 전원(GND)과 연결된다. 그리고 n(n은 1~N) 열에 배치된 각 자기 센서들의 제1 출력 단자(d)는 동일한 출력 라인을 통해 전기 신호(Vn+)를 출력하고, n(n은 1~N) 열에 배치된 각 자기 센서들의 제2 출력 단자(d)는 동일한 출력 라인을 통해 전기 신호(Vn-)를 출력한다.
스위칭부(211, 212)는 자기 센서 배열(110)에서 각 자기 센서(1101~1116)의 구동을 개시하고 종료한다. 이를 위해 스위칭부(211, 212)는 각 자기 센서(1101~1116)의 제1 전원 단자(a)에 제1 전원(Vcc)을 전달하는 제1 스위치(211)와 각 자기 센서(1101~1116)의 제2 전원 단자(c)에 제2 전원(GND)을 전달하는 제2 스위치(212)를 포함한다.
제1 스위치(211)는 행 별로 자기 센서를 구동하기 위하여 행의 개수와 동일한 개수의 스위치를 구비한다. 유사하게, 제2 스위치(212)도 행 별로 자기 센서를 구동하기 위하여 행의 개수와 동일한 개수의 스위치를 구비한다. 도 2의 자기 센서 배열(110)은 4행으로 구성되었으므로, 도 2의 경우 제1 스위치(211)는 4 개의 스위치(SW1a, SW2a, SW3a, SW4a)로 구성되고, 제2 스위치(212)도 또한 4 개의 스위치(SW1b, SW2b, SW3b, SW4b)로 구성된다. 하나의 스위치가 턴 온되는 경우, 그 스위치와 연결된 행에 속하는 모든 자기 센서로 전원이 공급된다. 자기 센서는 제1 전원(Vcc)과 제2 전원(GND)가 모두 인가되어야 구동되므로, 제1 스위치와 제2 스위치(211, 212)에서 동일한 행에 속하는 스위치는 동시에 턴 온되도록 제어되어야 한다.
제1 스위치(211)에서 SW1a는 1 행의 자기 센서(1101~1104)의 각 제1 전원 단자들(a)로 제1 전원(Vcc)을 전달하고, SW1b는 1 행의 자기 센서(1101~1104)의 각 제2 전원 단자들(c)로 제2 전원(GND)을 전달한다. SW2a는 2 행의 자기 센서(1105~1108)의 각 제1 전원 단자들(a)로 제1 전원(Vcc)을 전달하고, SW2b는 2 행의 자기 센서(1101~1104)의 각 제2 전원 단자들(c)로 제2 전원(GND)을 전달한다. 스위치 SW3a, SW3b, SW4a, 및 SW4b도 상기와 유사하게 연결된다.
도 2에서 m 행에 배치된 자기 센서들은, m 행의 자기 센서들과 연결되는 스위치들(SWma 및 SWmb)이 턴 온되어 m 행에 배치된 자기 센서들로 제1 전원(Vcc) 및 제2 전원(Vg)이 인가되는 경우에, m 행에 배치된 자기 센서들은 각각의 자기 센서로 입사되는 자기장의 세기에 대응되는 전기 신호를 각각 출력한다.
예를 들어, 1 행에 배치된 자기 센서들(1101~1104)은, 스위치 SW1a 및 스위치 SW1b가 턴 온되는 경우에, 자기 센서(1101~1104)로 입사되는 자기장의 세기에 대응되는 전기 신호를 각각의 출력 라인을 통하여 출력한다. 스위치 SW1a 및 스위치 SW1b가 턴 온되는 경우, 1 행의 1 열에 배치된 자기 센서(1101)는 자기장 세기에 대응하는 출력값인 V1+와 V1-를 전기 신호로서 출력하고, 1 행의 2 열에 배치된 자기 센서(1102)는 자기장 세기에 대응하는 출력값인 V2+와 V2-를 전기 신호로서 출력한다. 한편, 1 행의 3 열과 1 행의 4 열에 배치된 자기 센서(1103, 1104)는 각각 V3+와 V3-, V4+와 V4-를 출력한다.
한편 각각의 출력 라인(Vn+, Vn-)은 신호처리부(30)와 연결되어 있다. 신호처리부(30)는 각각의 출력 라인(Vn+, Vn-)을 통해서 전달되는 전기 신호를 분석하여 자기 센서 배열에서 각각의 자기 센서(1101~1116)의 위치에 해당하는 자기장을 정량적으로 검출한다.
동일한 열에 배치된 자기 센서들의 제1 출력 단자(d)와 제2 출력 단자(b)는 각각 동일한 출력 라인에 연결되어 있으므로, 제1 스위치와 제2 스위치(211, 212)에서 서로 다른 행에 속하는 스위치는 동시에 턴 온되지 않도록 제어되어야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치는 차분 자기 센서 모듈(13) 및 신호처리부(33)를 포함하며, 추가로 스위칭부(23)를 더 포함할 수 있다.
도 3에서처럼, 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈(13)은 한 쌍의 자기 센서로 이루어지며, 제1 자기 센서(131) 및 제2 자기 센서(132)를 포함한다.
제1 자기 센서(131) 및 제2 자기 센서(132)는 각각 제1 전원 단자(a), 제2 전원 단자(c), 제1 출력 단자(d) 및 제2 출력 단자(b)를 구비한다.
제1 자기 센서(131) 및 제2 자기 센서(132)에서, 제1 전원 단자(a)는 제1 전원(Vcc)과 연결되고 제2 전원 단자(c)는 접지인 제2 전원(GND)과 연결된다. 한편 제1 자기 센서(131)의 제2 출력 단자(b)는 제2 자기 센서(132)의 제2 출력 단자(b)와 연결된다.
제1 자기 센서(131)의 제1 출력 단자(d)는 신호처리부(33)와 연결되며, 제1 출력 전압(V1+)을 출력한다. 그리고 제2 자기 센서(132)의 제1 출력 단자(d)는 신호처리부(33)와 연결되며, 제2 출력 전압(V1-)을 출력한다.
스위칭부(23)는 차분 자기 센서 모듈(13)에 전원을 공급하는 역할을 수행하며, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW1')를 포함한다. 제1 스위치(SW1)는 제1 전원(Vcc)과 각 자기 센서(131. 132)의 제1 전원 단자(a)의 사이에 위치하고, 제2 스위치(SW1')는 제2 전원(GND)과 각 자기 센서(131. 132)의 제2 전원 단자(c)의 사이에 위치한다.
한 쌍의 자기 센서(131, 132)를 도 3처럼 배열하고 배선하면, 공간상에서 인접한 영역의 자기장의 세기 차이를 측정할 수 있다. 즉, 도 3에서 SW1과 SW1'를 구동하면, Vcc와 GND에 의하여 각 자기 센서(131, 132)의 각 전원 단자들(a와 c)로 전원이 공급된다. 그에 따라 좌측 자기 센서(131)와 우측 자기센서(132)에서, 제1 출력 단자(d)와 제2 출력 단자(b)는 각각 자기장의 세기에 비례한 전기 신호를 출력한다. 이때, 좌측 자기 센서(131)의 제2 출력 단자(b)와 우측 자기 센서(132)의 제2 출력 단자(b)를 서로 연결하면, 좌측 자기 센서(131)의 제1 출력 단자(d)와 우측 자기 센서(132)의 제1 출력 단자(d)로부터 각각 V1+와 V1-에 해당하는 전기 신호가 출력된다. 이러한 전기 신호는 좌측 자기 센서(131)와 우측 자기 센서(132)에 각각 입사된 자기장의 세기와는 무관하며, 2 개의 자기 센서(131, 132)에서의 상대적인 자기장 세기의 차이에 비례한다. 즉, 도 3의 차분 자기 센서 모듈(13)은 인접한 미소 공간, 즉 2 개의 자기 센서(131, 132)가 위치한 공간에서의 자기장의 세기 차이를 전기 신호로 출력한다.
신호처리부(33)는 제1 자기 센서(131)의 제1 출력 단자(d) 및 제2 자기 센서(132)의 제1 출력 단자(d)와 연결되며, 차분 자기 센서 모듈(13)의 제1 출력 전압(V1+)과 제2 출력 전압(V1-)을 수신한다.
본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈(13)은 제1 자기 센서(131)의 제2 출력 단자(b)와 제2 자기 센서(132)의 제2 출력 단자(b)를 서로 연결함으로써, 결과적으로 제1 자기 센서(131)와 제2 자기 센서(132)의 출력값의 차분에 해당하는 값을 제1 출력 전압(V1+)과 제2 출력 전압(V1-)의 형태로 출력한다.
도 4는 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 예시한 도면이다.
본 발명에 따른 자기장 검출 장치는 차분 자기 센서 배열(130)과 스위칭부(231, 232)와 신호처리부(미도시)를 포함한다.
우선 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열(130)은 도 3과 동일한 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)이 M 행 * N 열(도 4에서는 4 행 * 3 열이지만 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 행과 열로 배열될 수 있음)의 매트릭스 형태로 배열된다. 도 4의 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)은 도 3의 차분 자기 센서 모듈(13)과 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열(130)에서, n(n은 1~N) 열에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에 포함된 모든 자기 센서들의 제1 전원 단자들(a)은 하나로 연결된 전원 라인을 통해 제1 전원(Vcc)과 연결되고, n(n은 1~N) 열에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에 포함된 모든 자기 센서들의 제2 전원 단자들(b)은 하나로 연결된 전원 라인을 통해 제2 전원(GND)과 연결된다. 한편, 각각의 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)에서, 좌측 자기 센서(1301~1324에서 홀수인 자기 센서)의 제2 출력 단자들(b)은 우측 자기 센서(1301~1324에서 짝수인 자기 센서)의 제2 출력 단자(b)와 서로 연결된다. 그리고 m(m은 1~M) 행에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에서 좌측 자기 센서(1301~1324에서 홀수인 자기 센서)의 제1 출력 단자들(d)은 동일한 출력 라인을 통해 전기 신호(Vm+)를 출력하고, m(m은 1~M) 행에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에서 우측 자기 센서(1301~1324에서 짝수인 자기 센서)의 제1 출력 단자들(d)은 동일한 출력 라인을 통해 전기 신호(Vn-)를 출력한다.
그리고 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)의 각 출력 라인들은 모두 신호처리부(33)와 연결되며, 각 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)의 출력값들(V1+, V2+, V3+, V4+, V1-, V2-, V3-, V4-)은 각각 신호처리부(33)로 전달된다.
스위칭부(231, 232)는 자기 센서 배열(130)에서 각 자기 센서(1301~1324)의 구동을 개시하고 종료한다. 이를 위해 스위칭부(231, 232)는 각 자기 센서(1301~1324)의 제1 전원 단자(a)에 제1 전원(Vcc)을 전달하는 제1 스위치(231)와 각 자기 센서(1302~1324)의 제2 전원 단자(c)에 제2 전원(GND)을 전달하는 제2 스위치(232)를 포함한다.
제1 스위치(231)는 열 별로 자기 센서를 구동하기 위하여 열의 개수와 동일한 개수의 스위치를 구비한다. 유사하게, 제2 스위치(212)도 열 별로 자기 센서를 구동하기 위하여 열의 개수와 동일한 개수의 스위치를 구비한다. 도 4의 자기 센서 배열(130)은 3열로 구성되었으므로, 도 4에서 제1 스위치(231)는 3개의 스위치(SW1, SW2, SW3)로 구성되고, 제2 스위치(232)도 또한 3개의 스위치(SW1', SW2', SW3')로 구성된다. 3개의 스위치 중에서 어느 하나의 스위치가 턴 온되는 경우, 그 턴 온된 스위치와 연결된 열에 속하는 차분 자기 센서 모듈에 포함된 모든 자기 센서들로 전원(Vcc, GND)이 인가된다. 자기 센서는 제1 전원(Vcc)과 제2 전원(GND)이 모두 인가되어야 구동되므로, 제1 스위치와 제2 스위치(231, 232)에서 동일한 열에 속하는 스위치는 동시에 턴 온되도록 제어되어야 한다. 예를 들어, 첫번째 열에 속하는 차분 자기 센서 모듈(13_1, 13_4, 13_7, 13_10)을 구동하려 하는 경우 SW1과 SW1'가 턴 온되도록 제어되어야 한다.
제1 스위치(231)에서 첫번째 열과 연결된 스위치(SW1)는 첫번째 열의 차분 자기 센서 모듈(13_1, 13_4, 13_7, 13_10)에 포함된 모든 자기 센서의 각 제1 전원 단자들(a)로 제1 전원(Vcc)을 전달하도록 연결되고, 제2 스위치(232)에서 첫번째 열과 연결된 스위치(SW1')는 첫번째 열의 차분 자기 센서 모듈(13_1, 13_4, 13_7, 13_10)에 포함된 모든 자기 센서의 각 제2 전원 단자들(c)로 제 2 전원(GND)을 전달하도록 연결된다. 한편 스위치 SW2, SW2', SW3, 및 SW3'도 상기와 유사하게 연결된다.
제1 스위치(231)와 제2 스위치(232)에서 동일한 열에 속하는 스위치들은 동일한 시각에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어된다. 예를 들어, SW1과 SW1'는 동시에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어되고, SW2와 SW2'는 동시에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어되며, SW3와 SW3'는 동시에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어되어야 한다.
한편 각각의 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)의 각 출력 라인들에서 출력되는 출력값들(V1+, V2+, V3+, V4+, V1-, V2-, V3-, V4-)이 어떤 차분 자기 센서 모듈에서 출력되었는지를 식별하기 위하여, 상기 스위치들은 2개의 열에서 동시에 턴 온되지 않도록 제어되어야 한다. 어느 한 열의 차분 자기 센서 모듈들을 구동하는 스위치가 턴 온된 경우에는 다른 열의 차분 자기 센서 모듈을 구동하는 스위치는 턴 오프된 상태로 있도록 제어되어야 한다.
예를 들어, 제1 열의 차분 자기 센서 모듈(13_1, 13_4, 13_7, 13_10)을 구동하는 스위치인 SW1과 SW1'가 턴 온된 경우, 나머지 스위치들(SW2, SW2', SW3, SW3')은 턴 오프된 상태로 있게 된다. 각 열의 차분 자기 센서 모듈을 구동하는 스위치가 순서대로 주기적으로 턴 온/턴 오프하도록 제어됨으로써, 차분 자기 센서 배열(130)이 위치한 공간에서의 상대적인 자기장 세기의 차이를 신속하게 검출할 수 있다.
한편 본 발명에서, 스위칭부(231, 232)의 모든 스위치들(SW1~SW3, SW1'~SW3')은 차분 자기 센서 배열(130)의 바깥쪽에 위치하는 것이 바람직하다, 그럼으로써, 각 자기 센서들(1301~1324)이 더욱 조밀하게 배열될 수 있고, 각 자기 센서(1301~1324)가 배열된 영역 내에서 배선의 개수가 최소화될 수 있다.
또한, 이러한 배열에서는 SW1과 SW1', SW2와 SW2', SW3와 SW3'이 순차적으로 스위칭 구동되고, V1+와 V1-, V2+와 V2-, V3+와 V3-, 및 V4+와 V4-의 출력값들이 신호처리부(33)에 의하여 병렬로 측정됨으로써, 신속하게 넓은 영역에서 인접한 미소 공간상의 자기장의 세기 차이가 측정될 수 있다. 이러한 원리에 의하면 상기 도 4의 4행 * 3열의 차분 자기 센서 모듈(13_1~13_12)의 배열뿐만 아니라 더 많은 행과 열을 가지도록 차분 자기 센서 모듈을 2차원적으로 배열하고 이를 이용하여 공간상의 자기장의 세기 차이를 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈을 구비한 자기장 검출 장치를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈(14)은 도 3의 차분 자기 센서 모듈(13)과 배선 연결 방식이 동일하지만, 자기 센서들(141, 142)의 각 단자들(a, b, c, d)의 배치 방식이 상이한 실시예이다.
또한 도 6의 차분 자기 센서 배열(140)은 도 4의 차분 자기 센서 배열(130)과 배선 연결 방식이 동일하지만, 자기 센서들(1401~1424)의 각 단자들(a, b, c, d)의 배치 방식이 상이한 실시예이다.
도 5 및 도 6에서 차분 자기 센서 모듈(14) 및 차분 자기 센서 배열(140)은 도 3 및 도 4의 차분 자기 센서 모듈(13) 및 차분 자기 센서 배열(130)과 그 구성 요소 및 기능이 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
이처럼, 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈(13, 14) 및 차분 자기 센서 배열(130, 140)에서 각 자기 센서들에 포함된 단자들은 도 3 내지 도 6의 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 배치될 수 있으며, 각 단자와 전원 라인과 출력 라인 간도 다양한 형태로 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈과 이를 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치는 차분 자기 센서 모듈(15) 및 신호처리부(35)를 포함하며, 추가로 스위칭부(25)를 더 포함할 수 있다.
도 7에서처럼, 본 발명에 따른 차분 자기 센서 모듈(15)은 4 개의 자기 센서를 구비하며, 제1 자기 센서(151), 제2 자기 센서(152), 제3 자기 센서(153), 및 제4 자기 센서(154)를 포함한다. 제1 자기 센서 내지 제4 자기 센서(151~154)는 각각 제1 전원 단자(a), 제2 전원 단자(c), 제1 출력 단자(d) 및 제2 출력 단자(b)를 포함한다.
제1 자기 센서 내지 제4 자기 센서(151~154)에서, 모든 제1 전원 단자(a)는 하나로 연결된 전원 라인을 통해 제1 전원(Vcc)과 연결되고, 모든 제2 전원 단자(c)는 하나로 연결된 전원 라인을 통해 접지인 제2 전원(GND)과 연결된다. 그리고 제1 자기 센서(151)의 제2 출력 단자(b)는 제2 자기 센서(152)의 제2 출력 단자(b)와 연결되고, 제3 자기 센서(153)의 제2 출력 단자(b)는 제4 자기 센서(154)의 제2 출력 단자(b)와 연결된다. 그리고 제2 자기 센서(152)의 제1 출력 단자(d)는 제3 자기 센서(153)의 제1 출력 단자(d)와 연결된다.
제1 자기 센서(151)의 제1 출력 단자(d)는 신호처리부(35)와 연결되며, 제1 출력 전압(V1+)을 출력한다. 그리고 제4 자기 센서(154)의 제1 출력 단자(d)는 신호처리부(35)와 연결되며, 제2 출력 전압(V1-)을 출력한다.
스위칭부(25)는 차분 자기 센서 모듈(15)에 포함된 각 자기 센서(151~154)에 전원을 공급하는 역할을 수행하며, 제1 전원(Vcc)과 각 자기 센서(151~154)의 제1 전원 단자(a)의 사이에 위치하는 제1 스위치(SW1) 및 제2 전원(GND)과 각 자기 센서(151~154)의 제2 전원 단자(c)의 사이에 위치하는 제2 스위치(SW1')를 포함한다.
4 개의 자기 센서(151~154)를 도 7처럼 배치하고 배선하면, 공간상에서 횡방향과 종방향의 자기장의 세기 차이를 측정할 수 있다. 도 7의 차분 자기 센서 모듈(15)에서 상단 2 개의 자기 센서(151, 152)와 하단 2 개의 자기 센서(153, 154)의 단자 배치 및 배선 연결은 도 3의 차분 자기 센서 모듈(13)과 유사하다. 그러나 도 7의 차분 자기 센서 모듈(15)은 상단 우측 자기 센서(152)의 제1 출력 단자(d)와 하단 좌측(153)의 제1 출력 단자(d)를 서로 연결함으로써, 결과적으로 상단 자기 센서(151, 152)에서의 자기장 세기 차이와 하단 자기 센서(153, 154)에서의 자기장 세기 차이의 차분값을 제1 출력 전압(V1+)과 제2 출력 전압(V1-)의 형태로 출력한다.
즉, 도 7의 실시예에 따른 차분 자기 센서 모듈(15)은 제1 자기 센서(151)와 제2 자기 센서(152)의 출력값의 차분값과 제3 자기 센서(153)와 제4 자기 센서(153)의 출력값의 차분값의 차분값을 출력값으로서 출력한다.
도 8은 본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열을 구비한 자기장 검출 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 자기장 검출 장치는 차분 자기 센서 배열(150)과 스위칭부(251, 252)와 신호처리부(미도시)를 포함한다.
본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열(150)은 도 7과 동일한 차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)이 M 행 * N 열(도 8에서는 2 행 * 3 열이지만 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 행과 열로 배열될 수 있음)의 매트릭스 형태로 배열된다.
도 8의 차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)은 도 7의 차분 자기 센서 모듈(15)과 그 기능, 단자의 배치 및 배선의 연결 방식이 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 한편 도 8의 차분 자기 센서 배열(150)에서, 각 모듈(15_1~15_6) 내에 존재하는 자기 센서(1501~1524)의 단자 배치, 단자 간 연결, 각 단자와 전원 라인과 출력 라인 간의 연결은 도 8의 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 발명에 따른 차분 자기 센서 배열(150)에서, n(n은 1~N) 열에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에 포함된 모든 자기 센서들의 제1 전원 단자들(a)은 하나로 연결된 전원 라인을 통해 제1 전원(Vcc)과 연결되고, n(n은 1~N) 열에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에 포함된 모든 자기 센서들의 제2 전원 단자들(b)은 하나로 연결된 전원 라인을 통해 제2 전원(GND)과 연결된다. 그리고 m(m은 1~M) 행에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에서 상단 좌측 자기 센서의 제1 출력 단자들(d)은 동일한 출력 라인에 접속되어 전기 신호(Vm+)를 출력하고, m(m은 1~M) 행에 배치된 각 차분 자기 센서 모듈에서 하단 우측 자기 센서(1301~1324에서 짝수인 자기 센서)의 제1 출력 단자들(d)은 동일한 출력 라인에 접속되어 전기 신호(Vn-)를 출력한다.
한편, 각각의 차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)에서, 상단 좌측 자기 센서(1501, 1505, 1509, 1513, 1517, 1521)의 제2 출력 단자(b)는 상단 우측 자기 센서(1502, 1506, 1510, 1514, 1518, 1522)의 제2 출력 단자(b)와 서로 연결되고, 하단 좌측 자기 센서(1503, 1507, 1511, 1515, 1519, 1523)의 제2 출력 단자(b)는 상단 우측 자기 센서(1504, 1508, 1512, 1516, 1520, 1524)의 제2 출력 단자(b)와 서로 연결된다.
차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)의 각 출력 라인들은 신호처리부(33)와 연결되며, 각 차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)의 출력값들(V1+, V2+, V1-, V2-)을 동시에 신호처리부(33)로 전달한다.
스위칭부(251, 252)는 차분 자기 센서 배열(150)에서 각 자기 센서(1501~1524)의 구동을 개시하고 종료한다. 이를 위해 스위칭부(251, 252)는 각 자기 센서(1501~1524)의 제1 전원 단자(a)에 제1 전원(Vcc)을 전달하는 제1 스위치(251)와 각 자기 센서(1501~1524)의 제2 전원 단자(c)에 제2 전원(GND)을 전달하는 제2 스위치(232)를 포함한다.
차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)을 각각의 열마다 순차적으로 구동시키기 위해, 제1 스위치(251)는 각각의 열마다 구비되는 스위치들(SW1, SW2, SW3)을 포함하며, 유사하게 제2 스위치(252)도 각각의 열마다 구비되는 스위치들(SW1', SW2', SW3')을 포함한다. 즉, 제1 스위치(251)와 제2 스위치(252)는 열 별로 자기 센서를 구동하기 위하여 열의 개수와 동일한 개수의 스위치들을 각각 구비한다.
한편, 각 열에 구비된 스위치는 동시에 턴 온/턴 오프하도록 제어되어야 하며, 동시에 상이한 2개 열에서 스위치가 턴 온되지 않도록 제어되어야 한다.
예를 들어, SW1과 SW1'는 동시에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어되고, SW2와 SW2'는 동시에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어되며, SW3와 SW3'는 동시에 턴 온되고 턴 오프되도록 제어되어야 한다.
또한, 어느 한 열과 연결된 스위치가 턴 온된 경우에는 다른 열과 연결된 스위치는 턴 오프되어 있어야 한다. 만일 SW1과 SW1'가 턴 온되어 있는 경우, SW2, SW2', SW3, SW3'는 턴 오프되어 있어야 한다.
도 9는 본 발명에 따른 자기장 검출 장치를 설명한 도면이다.
본 발명에 따른 자기장 검출 장치(600)는 차분 자기 센서(100), 스위칭부(200), 신호처리부(300), 및 제어부(400)를 포함하며, 추가로 자기장 인가부(500)를 더 포함할 수 있다.
차분 자기 센서(100)는 도 3과 도 5와 도 7의 차분 자기 센서 모듈들(13, 14, 15) 및 도 4와 도 6과 도 8의 차분 자기 센서 배열들(130, 140, 150) 중의 어느 하나가 될 수 있다. 차분 자기 센서(100)는 자화된 피측정체(70)에 대하여 공간상의 자기장 세기 차이를 출력값으로서 출력한다.
신호처리부(300)는 차분 자기 센서(100)의 출력값을 기초로 차분 자기 센서(100)가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득한다. 도 4, 도 6 및 도 8처럼 매트릭스 형태로 차분 자기 센서 모듈이 배열되는 경우, 차분 자기 센서(100)는 그 행의 개수에 따라 복수 개의 출력값들을 출력할 수 있다.
예를 들어 차분 자기 센서(100)가 5 행 * N 열의 차분 자기 센서 모듈로 구성되는 경우 V1+ ~ V5+ 및 V1- ~ V5-가 출력될 수 있다. 신호처리부(300)는 복수의 출력값들을 병렬로 입력받아 각 행에 배치된 자기 센서가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이를 각각 정량화한다.
한편, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치(600)는 피측정체(70)를 자화시키기 위해 자기장 인가부(500)를 더 포함할 수 있다. 자기장 인가부(500)는 교류 또는 직류 전류를 이용하여 피측정체(70)를 자화시킨다.
스위칭부(200)는 차분 자기 센서(100) 내에 포함된 각 자기 센서들을 구동하는 스위치를 포함한다. 스위칭부(200)에 포함된 모든 스위치는 차분 자기 센서(100)의 바깥쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 스위칭부(200)는 제1 전원(Vcc)과 차분 자기 센서(100) 사이에 위치하며, 또한 제2 전원(GND)과 차분 자기 센서(100) 사이에 위치한다. 스위칭부(200)는 차분 자기 센서(100) 내에 포함된 각 자기 센서들로 제1 전원(Vcc)과 제2 전원(GND)을 전달한다.
제어부(400)는 스위칭부(200)의 스위칭 동작과 신호처리부(300)의 동작을 제어한다. 또한 제어부(400)는 신호처리부(300)로 스위칭부(200)에 포함된 각 스위치의 동작 상태에 대한 정보를 전달한다. 도 3과 도 5와 도 7에서처럼 차분 자기 센서 모듈이 하나만 있는 경우에는 스위칭부(200)의 제어가 필수적이지 않지만, 도 4와 도 6과 도 8에서처럼 차분 자기 센서 모듈이 매트릭스 형태로 배열되는 경우에는 각 스위치와 신호처리부의 동작이 제어부(400)에 의해 순차적으로 제어되어야 한다.
예를 들어, 도 8의 차분 자기 센서 배열(150) 방식에 의하는 경우, 제어부(400)는 차분 자기 센서 모듈(15_1~15_6)들이 횡방향으로 순차적으로 구동되도록 각 스위치들을 제어할 수 있다. 이를 위해 제어부(400)는 SW1과 SW1'를 턴 온시켜 첫번째 열에 위치한 차분 자기 센서 모듈(15_1, 15_4)을 구동시킨다. 첫번째 열에 위치한 차분 자기 센서 모듈(15_1, 15_4)이 구동되면, 첫번째 열에 위치한 각 차분 자기 센서 모듈(15_1, 15_4)은 V1+, V1-, V2+, V2-를 출력값으로서 출력하고, 상기 출력값들(V1+, V1-, V2+, V2-)은 신호처리부(300)로 전달된다. 한편 제어부(400)는 첫번째 열의 스위치가 턴 온되었음을 신호처리부(300)로 알려준다. 그에 따라 신호처리부(300)는 상기 출력값들(V1+, V1-, V2+, V2-)에 대한 연산을 처리하여 첫번째 열에 위치한 각 차분 자기 센서 모듈(15_1, 15_4)이 위치한 공간에서의 자기장 세기 차이를 정량화하고, 정량화한 데이터를 저장한다.
그리고 나서 제어부(400)는 SW1과 SW1'를 턴 오프시키고, SW2와 SW2'를 턴 온시켜 두번째 열에 위치한 차분 자기 센서 모듈(15_2, 15_5)을 구동시킨다. 상기와 동일하게 두번째 열에 위치한 차분 자기 센서 모듈(15_2, 15_5)이 구동되면, 두번째 열에 위치한 각 차분 자기 센서 모듈(15_2, 15_5)은 V1+, V1-, V2+, V2-를 출력값으로서 출력하고, 상기 출력값들(V1+, V1-, V2+, V2-)은 신호처리부(300)로 전달된다. 제어부(400)는 두번째 열의 스위치가 턴 온되었음을 신호처리부(300)로 알려주며, 그에 따라 신호처리부(300)는 출력값들(V1+, V1-, V2+, V2-)에 대한 연산을 처리하여 두번째 열에 위치한 각 차분 자기 센서 모듈(15_2, 15_5)이 위치한 공간에서의 자기장 세기 차이를 정량화하고, 정량화한 데이터를 저장한다.
그리고 나서, 상기와 동일한 방식으로 제어부(400)는 SW2과 SW2'를 턴 오프시키고, SW3와 SW3'를 턴 온시켜 세번째 열에 위치한 차분 자기 센서 모듈(15_3, 15_6)를 구동시킨다. 상기와 같은 과정을 거치고 나면, 신호처리부(300)는 차분 자기 센서 배열(150)이 점유하는 모든 공간상에서의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하고 저장할 수 있다.
도 4와 도 6의 차분 자기 센서 배열(130, 140)도 상기와 유사하게 제어된다.
도 10은 신호처리부를 상세히 나타낸 도면이다.
도 10에서 차분 자기 센서(100)는 도 9에서 설명한 것처럼 도 3과 도 5와 도 7의 차분 자기 센서 모듈들(13, 14, 15) 및 도 4와 도 6과 도 8의 차분 자기 센서 배열들(130, 140, 150) 중의 어느 하나가 될 수 있다. 도 4, 도 6 및 도 8처럼 매트릭스 형태로 차분 자기 센서 모듈이 배열되는 경우, 차분 자기 센서(100)는 그 행의 개수에 따라 복수 개의 출력값들을 출력할 수 있다.
신호처리부(300)는 차분 자기 센서(100)로부터 출력되는 전기 신호(V+, V-)로부터 차분 자기 센서(100)가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득한다. 이를 위해 신호처리부(300)는 차분 자기 센서(100)에서 출력되는 출력값들을 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(analog to dogital converter, AD converter, 330)를 포함하며, 디지털 신호를 처리하여 차분 자기 센서(100)가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하는 데이터 처리부(340)를 더 포함할 수 있다.
도 9에서 설명한 것처럼, 신호처리부(300)는 제어부(400)로부터 스위칭부(200)에 포함된 각 스위치의 동작 상태에 대한 정보를 전달받는다. 따라서 신호처리부(300)는 차분 자기 센서(100)에서 출력되는 출력값들 및 그 출력값들에 대한 디지털 신호들이 어떤 차분 자기 센서 모듈에서 생성된 신호인지를 각각 식별할 수 있다.
데이터 처리부(340)는 AD 변환부(330)의 출력 신호를 저장 및 연산 처리하여 공간상에서 정량적으로 수치화된 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하고 이를 기초로 공간상의 자기장 세기 차이의 분포를 영상화할 수 있다.
또한 데이터 처리부(340)는 공간상의 자기장 세기 차이의 분포를 각 세기 차이에 따라 다양한 색깔로 공간상에 채색하여 표현함으로써 공간상의 자기장 세기 차이의 분포를 용이하게 구별하도록 할 수 있다.
한편, 신호처리부(300)는 노이즈를 제거하기 위하여 차분 자기 센서(100)로부터 출력되는 전기 신호(V+, V-)를 필터링하는 필터(310) 및 필터링된 전기 신호를 증폭하는 증폭부(320)를 더 포함할 수도 있다.
피측정체(70)에 자기장을 인가하기 위해 교류 전류 또는 직류 전류가 이용될 수 있으므로, 자기장 인가를 위해 이용되는 전원 및 노이즈 특성에 따라 고역 통과 필터(high pass filter), 저역 통과 필터(low pass filter) 및 대역 통과 필터(band pass filter) 등의 다양한 필터가 이용될 수 있다. 또한 신호처리부(300)는 맥류를 일정한 전압으로 유지시켜주는 평활회로(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상기 실시예들을 실제 제작하여 도출된 실험 결과를 도면으로서 설명하도록 한다.
도 11은 도 2의 자기 센서 배열에 따른 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 직경 15mm의 원형 영구자석에 의하여 형성되는 자기장의 세기 분포를 도 2의 배열 방식을 가지는 자기 센서 배열에 의하여 측정한 자기 영상의 한 예를 나타낸다. 좌측과 우측의 각각의 반구형은 원형 영구자석의 N극과 S극에 대응한다. 도 2의 자기 센서 배열에 의한 배열 방식에 따라 총 1024개의 자기 센서를 0.78mm 간격으로 32행 * 32열의 매트릭스 방식으로 배치하고 배선하였다. 자기 센서 간의 간격 및 행과 열의 개수는 일 예로서 본 발명의 한계를 나타내는 것은 아니다.
도 12는 도 11에서 횡축 방향의 미소 영역에서 자기장 세기의 차이 분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 11의 자기장 세기 분포에서 횡축 방향으로 인접한 미소 영역별로 자기장 세기의 차이를 계산하여 도시한 결과를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 자기장의 변화가 급격한 곳(예를 들어, 공기와 자극의 경계 그리고 N극과 S극의 경계)에서 자기장 세기의 차이가 더욱 명확하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 13은 도 4의 차분 자기 센서 배열에 따른 실험 결과를 나타낸 도면이고, 도 14는 도 2의 배열 방식에서 자기 센서의 감응 방향으로 자기장이 인가되는 경우의 실험 결과를 나타낸 도면이며, 도 15는 도 4 내지 도 8의 배열 방식에서 자기 센서의 감응 방향으로 자기장이 인가되는 경우의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 직경 15mm의 원형 영구자석에 의하여 형성되는 자기장의 세기 분포를 상기 도 4의 배열 방식을 가지는 차분 자기 센서 배열에 의하여 측정한 자기 영상의 한 예를 나타낸다.
도 4의 배열 방식과 유사한 방식으로 총 2,048개의 자기 센서를 횡축 방향으로 0.52mm, 종축 방향으로 0.78mm 간격을 유지하여 32행 * 64열의 매트릭스 방식으로 배치하고 배선하였다. 횡축 방향으로 인접한 2개의 자기 센서를 도 3 및 도 4의 차분 자기 센서 모듈의 형태로 연결하여, 총 32행 * 32열의 데이터가 출력되도록 배치/배선되었다. 여기에서 자기 센서들 간의 간격 및 행과 열의 수는 이해를 돕기 위한 예로서, 본 발명의 한계를 나타내는 것은 아니다.
도 13의 결과는 상기 도 12의 횡축 방향으로 인접한 자기 센서 간의 측정값의 차이를 계산하여 도시한 결과와 유사하다. 따라서, 도 4처럼 자기 센서를 배열하면, 별도의 계산 과정 없이 원하는 결과가 획득될 수 있음을 알 수 있다.
도 4 내지 도 8에서와 같이 자기 센서를 배치하고 배선을 연결하는 방식은 외부 자기장의 세기가 각 자기 센서의 자기 감응 방향과 같은 방향이고, 또한 인접한 자기장 세기의 차이를 측정할 때 유리하다.
일예로, 자기 센서는 자기 센서에 수직인 방향의 자기장의 세기에 민감하다. 따라서, 도 2와 같은 형태의 배치 방식에 의하면, 그림 면의 법선 방향의 자기장이 가장 민감한 감응방향이 된다. 결과적으로 그림 면의 법선 방향으로 강한 자기장이 인가될 때, 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장의 세기 차이를 측정하고자 하는 경우, 자기 센서의 측정 영역을 초과하기 때문에, 도 14의 결과처럼 원하는 값, 즉 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장의 세기 차이를 측정할 수 없다.
그러나 도 4 내지 도 8의 배열 방법 및 배선 방법에 의한 차분 자기 센서 모듈 및 차분 자기 센서 배열을 이용하면, 자기 센서의 감응 방향(그림 면의 법선 방향)으로 강한 자기장이 인가될 때에도 도 14와는 달리 공간상의 인접한 미소 영역에서의 자기장의 세기 차이를 측정할 수 있음을 도 15를 통해 알 수 있다.
이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하므로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 이로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
스위치(20) 신호처리부(30, 33, 34, 35, 300)
스위칭부(23, 25, 200, 211, 212, 231, 232, 251, 252)
자기장 인가부(500) 필터(310) 증폭부(320)
AD 변환부(330) 제어부(400)

Claims (14)

  1. 자기장에 대응하여 전기 신호를 각각 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서의 출력값과 상기 제2 자기 센서의 출력값의 차분값을 출력 신호로서 출력하는 차분 자기 센서 모듈; 및
    상기 출력 신호를 필터링하고 증폭하여 상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서가 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서의 각각은, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고,
    상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되며, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  2. 복수의 차분 자기 센서 모듈들이 M 행 * N 열로 배열된 차분 자기 센서 배열; 및
    상기 차분 자기 센서 모듈들의 각 출력값들로부터 상기 차분 자기 센서 모듈이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 차분 자기 센서 모듈의 각각은, 자기장 세기에 대응하는 전기 신호를 각각 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서를 포함하고,
    상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서의 각각은, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하며,
    상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력 단자와 연결되며, 상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 자기장 검출 장치는
    상기 N 열의 각 열마다 배치되고, 각 열에 배치된 차분 자기 센서 모듈에 포함된 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서의 제1 전원 단자와 상기 전원 사이에 연결되는 N 개의 제1 스위치; 및
    상기 N 열의 각 열마다 배치되고, 각 열에 배치된 차분 자기 센서 모듈에 포함된 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서의 제2 전원 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 N 개의 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자기장 검출 장치는
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 동작에 대한 정보를 상기 신호처리부로 제공하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는
    각 열마다 배치된 스위치들이 열의 순서대로 순차적이고 주기적으로 턴 온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제어부는
    n((n은 1~N인 자연수) 열에 위치한 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 턴 온되고, 상기 n 열을 제외한 다른 열의 스위치들은 턴 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 차분 자기 센서 모듈들의 출력값들을 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 포함하며, 상기 디지털 신호를 이용하여 상기 차분 자기 센서 배열이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이의 분포를 정량화하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  8. 자기장에 대응하여 전기 신호를 각각 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서와 제3 자기 센서와 제4 자기 센서를 포함하고, 상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서의 차분값과 상기 제3 자기 센서와 상기 제4 자기 센서의 차분값의 차분값을 출력 신호로서 출력하는 차분 자기 센서 모듈; 및
    상기 출력 신호를 필터링하고 증폭하여 상기 차분 자기 센서 모듈이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서와 상기 제3 자기 센서와 상기 제4 자기 센서의 각각은, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고,
    상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제3 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제4 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 제3 자기 센서의 제1 출력단자와 연결되고
    상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제4 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  9. 복수의 차분 자기 센서 모듈들이 M 행 * N 열로 배열된 차분 자기 센서 배열; 및
    상기 차분 자기 센서 모듈들의 각 출력값들로부터 상기 차분 자기 센서 모듈이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이에 대한 정보를 획득하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 차분 자기 센서 모듈의 각각은, 자기장 세기에 대응하는 전기 신호를 출력하는 제1 자기 센서와 제2 자기 센서와 제3 자기 센서와 제4 자기 센서를 포함하고,
    상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서와 상기 제3 자기 센서와 상기 제4 자기 센서의 각각은, 전원(Vcc)이 연결되는 제1 전원 단자, 접지(GND)가 연결되는 제2 전원 단자, 자기장 세기에 대응하는 제1 출력값을 출력하는 제1 출력 단자, 및 자기장 세기에 대응하는 제2 출력값을 출력하는 제2 출력 단자를 각각 포함하고,
    상기 제1 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제2 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제3 자기 센서의 제2 출력 단자는 상기 제4 자기 센서의 제2 출력단자와 연결되고, 상기 제2 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 제3 자기 센서의 제1 출력단자와 연결되며,
    상기 제1 자기 센서의 제1 출력 단자와 상기 제4 자기 센서의 제1 출력 단자는 상기 신호처리부와 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 자기장 검출 장치는
    상기 N 열의 각 열마다 배치되며, 각 열에 배치된 차분 자기 센서 모듈에 포함된 제1 자기 센서 내지 제4 자기 센서의 제1 전원 단자와 상기 전원 사이에 연결되는 N 개의 제1 스위치; 및
    상기 N 열의 각 열마다 배치되며, 각 열에 배치된 차분 자기 센서 모듈에 포함된 제1 자기 센서 내지 제4 자기 센서의 제2 전원 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 N 개의 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 자기장 검출 장치는
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 동작에 대한 정보를 상기 신호처리부로 제공하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는
    각 열마다 배치된 스위치들이 열의 순서대로 순차적이고 주기적으로 턴 온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 제어부는
    n(n은 1~N인 자연수) 열에 위치한 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 턴 온되고, 상기 n 열을 제외한 다른 열의 스위치들은 턴 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 차분 자기 센서 모듈들의 출력값들을 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 포함하며, 상기 디지털 신호를 이용하여 상기 차분 자기 센서 배열이 위치한 공간상의 자기장 세기 차이의 분포를 정량화하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
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