KR19990052485A - 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집광부, 센서부, 증폭부, 비교부, 타이머부와 구동부로 구성된 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템의 구현에 관한 것이다.

종래에는 물체의 움직임만을 감지할 뿐이거나, 인체를 감지하여도 센서의 성능이 떨어졌다. 하지만 본 발명에서는 초전형 센서를 이용하여 지능형 스위칭 시스템을 개발하여, 절전효과와 인간공학의 편의성을 높였다.

본 발명은, 인체의 방사 에너지를 초전센서에 집광시키기 위한 집광부, 집광된 연속된 적외선을 초전현상을 이용하여 감지하는 초전형 센서부, 센서의 출력을 증폭하는 증폭부, 증폭된 신호가 인체인지 아닌지를 판별하기 위한 비교부, 최종입력부터 설정시간만큼 지연시간을 조절하는 타이머부와 설정된 시간 동안만 부하를 동작시키는 구동부를 구비하여 이루어진다.

본 발명은, 절전효과와 인간공학적인 측면의 편의성추구에 부합하는 장치, 도난경보장치의 입력단자부 등에 응용될 수 있다.

Description

적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템

본 발명은 초전형 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템에 관한 것으로 특히, 절전효과와 편의성을 추구하는 스위칭 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 센서는 일상생활뿐만 아니라, 과학·기술 및 산업현장 등 다양한 분야에서 널리 응용되고 있다. 센서는 인간이 갖고 있는 오감의 불완전성을 보완하고, 그 기능을 확장하며, 나아가서는 인간의 오감을 초월하는 영역까지 인식할 수 있는 장치로 발전하였다.

그러나 기존의 센서를 이용한 스위칭 시스템은 물체의 움직임만을 감지하거나, 인체를 감지하여도 센서의 성능이 떨어지는 문제점이 발생하였다.

따라서, 본 발명은 상기된 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열적외선 센서를 이용한 지능형 스위칭 시스템을 개발하여 인체의 움직임을 감지하여 조명시스템이나 경보기 등에 응용될 수 있는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명 스위칭 시스템의 동작순서를 나타내는 흐름도.

도 2는 본 발명 스위칭 시스템의 상세 회로도.

도 3은 도 2의 비교부의 구성도.

도 4는 도 2 의 타이머부의 구성도.

도 5는 멀티미러와 시야관계도.

도 6은 센서의 내부회로도.

도 7은 비반전 교류증폭기의 구성도.

도 8은 인체감지신호의 검출도.

도 9는 반전 증폭기의 구성도.

도 10은 비교기의 검출파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 집광부 20 : 센서부

30 : 증폭부 40 : 비교부

50 : 타이머부 60 : 구동부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 의한 지능화된 절전형 스위칭 시스템의 바람직한 일 실시예는,

인체의 방사 에너지를 초전센서에 집광시키기 위한 집광부;

집광된 연속된 적외선을 초전현상을 이용하여 감지하는 초전형 센서부;

센서의 출력을 증폭하는 증폭부;

기준전압과 필터에서 수신된 신호를 비교하여 기준전압 이상의 신호만 출력하여, 증폭된 신호가 인체인지 아닌지를 판별하기 위한 비교부;

최종입력부터 설정시간만큼 지연시간을 조절하는 타이머부; 및

설정된 시간 동안만 부하를 동작시키는 구동부를 구비한다.

본 발명에 있어서, 멀티미러를 사용하여 구면거울이 받는 시야각이 90。보다 큰 것이 바람직하며,

상기 센서부로서 초전형 센서를 이용하는 것이 바람직하며,

상기 증폭부는, 대역통과 필터를 이용한 비반전 교류증폭기; 및 차단주파수와 증폭도를 조절할 수 있는 반전증폭기로 이루어지는 것이 바람직하며,

상기 비교부는 듀얼 소자형태의 윈도비교기를 사용하여 상기 센서부의 검출대상이 인체인지 아닌지를 구별하는 것이 바람직하며,

상기 타이머부는 최종입력으로부터 소정의 설정시간만큼 타이머가 작동하게 하고, 가변저항을 연결하여 필요한 지연시간을 조절할 수 있는 것이 바람직하며,

상기 초전형 센서는 LiTaO₃, LiNbO₃, SBN 및 TGS의 단결정, PbTiO₃와 PZT의 세라믹 초전형 센서가 있으며, 주파수 응답이 좋을 것이 요망되는 경우에는 상기 센서로서 LiTaO₃를 사용하는 것이 바람직하며,

상기 초전형 센서는 고임피던스를 보상하기 위해 센서소자 내부에 임피던스 변환용 FET를 내장하는 것이 바람직하며,

신호의 추출은 일반적으로 소스폴로워를 사용하며, 소스 저항은 10㏀~ 100㏀범위의 것을 사용하는 것이 바람직하며,

상기 소스저항에 발진을 방지하기 위한 바이패스콘덴서를 결합시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 자세한 설명을 도 1과 도 2를 참고로 설명하면 다음과 같다. 집광부(10)는 인체의 방사 에너지를 최대한 집광시키기 위해서 렌즈와 멀티미러 2종류를 사용한다. 렌즈를 사용하는 경우 그 재료에 원적외선 에너지가 잘 투과하는 것을 사용해야 한다. 멀티미러의 경우는 표면반사형태를 사용해야 한다. 이면반사형을 사용할 경우는 표면의 기본재료에 원적외선을 잘 투과시키는 것을 사용해야 한다.

만일 집광부없이 검출 시스템을 사용한다면, 사람이 있을 때의 입력에너지는 검출기로부터 거리의 제곱에 반비례하여 작아진다. 이 때문에 수십 센티미터되는 거리에서도 감지가 어려워진다. 검출기 자체의 시야각은 90。 정도인데 감지의 난제를 해결하기 위해서 멀티미러를 보통 사용한다. 도 5는 멀티미러와 시야를 나타낸 것으로 미러 세그먼트가 여러개인 멀티미러를 사용하는 것이 좋다.

도 5에서 A, B, C를 구면거울로 가정하고, 각 구면거울의 시야를 a, b, c라 하면, 각 구면거울이 받는 전체시야각은 90。 보다 커진다.

멀티미러로 집광된 적외선은 여러파장의 빛을 포함하고 있으므로 그대로 검출기에 넣으면 신호대 잡음비가 나빠진다. 따라서 7㎛ 외의 신호를 제거하는 필터를 사용한다. 때로 검출기의 신호대 잡음비를 높이기 위해 금속성으로 차폐된 케이스를 사용하기도 한다.

센서부는 집광부의 신호를 감지하는데 사용한다. 여기서 사용되는 초전형 센서는 결정에 온도변화가 생기면, △Q/△T의 도전계수에 해당하는 강유전체 결정의 자발분극치 변화에 의하여 결정표면에 전하가 나타난다. 적외선의 연속된 조사에 의하여 생긴 전하는 대기중에 존재하는 반대부호의 이온이나 전자와 결합하여 전기적으로 중화되어 평형상태가 되고, 연속신호에는 감소하지 않는다. 이와 같은 초전현상을 이용한 것이 초전형 센서이다. 센서의 감도를 높이려면 체적비열이 작고, 초전계수가 큰 것을 사용해야 한다.

초전형 센서는 임피던스(10¹²Ω 이상)가 대단히 높아서 센서소자 내부에 임피던스 변환용 FET를 내장한 형태로 사용하고 있다. 신호의 추출은 일반적으로 소스폴로워를 사용하며, 소스 저항은 10㏀~ 100㏀범위의 것을 사용한다. 소스저항에 달린 바이패스콘덴서는 발진을 방지하는 역할도 한다.

초전체 종류로는 여러 가지가 있는데, LiTaO₃, LiNbO₃, SBN 및 TGS는 단결정, PbTiO₃와 PZT는 세라믹, 그리고 PVF₃는 유기계필름이다. PVF₂초전체는 많이 사용되어 왔지만, 초전계수가 작고 감도가 나쁘다. PZT초전체를 비교적 많이 사용하고 있다. 주파수응답이 좋은 초전체로서는 LiTaO₃등이 사용되고 있다.

센서의 출력은 직류전압 바이어스 성분과 열전변환된 신호성분이 중첩된 형태로 다음 증폭단에 전달된다. 이때 직류성분은 증폭단을 바이어스시키는데 이용하고, 신호성분만이 비반전 OP-앰프를 통해 증폭된다.

도 7을 참고로 비반전 교류증폭기를 설명하면 다음과 같다. 도 7에서 입력단의 저항 R₁과 커페시터 C₁은 저역주파수 차단필터로 동작하고, 저항 R₂와 커패시터 C₂는 고대역주파수 차단필터로 작용한다. 이때 가변저항 R₂를 조정하여 차단주파수를 조절한다. 따라서 반전력점(또는 3dB 내려간 점)에서의 저역차단주파수f_L, 고역차단주파수 f_H및 전압이득 G₁에 대한 식은 다음과 같다.

여기서 f_L은 저역차단주파수, R₁은 저항 C₁은 커패시터이다.

여기서 f_H은 고역차단주파수, R₂는 저항 C₂는 커패시터이다.

여기서 G₁은 전압이득, V_o는 출력전압, V_i는 입력전압이다.

수학식 1과 수학식 2의 차단주파수는 광학계, 검출기 성능, 시야각 및 거리등을 고려하여 설계목표 사양으로 결정된다. 예를 들어 화장실, 거실 및 방에 있는 인체를 검출한다고 할 때, 멀티미러의 초점거리나 검출기의 주파수등이 고려돼야 한다.

도 8은 안정한 입력신호로부터 인체를 감지한 신호이다.

도 7의 비반전증폭기 다음으로 도 9와 같은 비교기부의 반전증폭기를 사용하여 입력부의 고대역 필터기능을 수행하게 하고, R₅와 C₅로 저대역필터를 수행시킴으로써 차단주파수와 증폭도를 조절한다.

도 9에서 증폭도 G2는 수학식 4와 같다.

기준전압과 필터에서 수신된 신호를 비교하여 기준전압 이상의 신호만 출력하여 타이머부로 보내줌으로써 센서의 시야내에 들어오는 대상이 인체인지 아닌지를 판별하기 위한 신호처리가 이루어진다. 이때 대상에 따라 검출기의 출력은 양 또는 음의 값을 나타낸다.

이러한 양쪽 신호를 안정하게 감지하기 위해서 듀얼소자형태의 윈도비교기를 사용하여 감지한다. 도 3에서 전압 V_A, V_B가 각각 기준전위 역할을 하며, 반전증폭기에서 전달되는 신호가 이 전위를 넘는가 넘지 않는가에 따라 동작한다. 도 10는 입력되는 신호의 논리동작을 나타낸다. 만일 입력신호가 V_A보다 크거나 V_B보다 작게 들어오면, 각 OP-앰프의 출력은 NOR게이트 동작을 취한다. 비교기 출력측 트랜지스터는 이러한 입력신호가 들어올때마다 하이에서 로우로 변하여 인체가 감지됨을 알리게 된다.

타이머부는 앞의 트랜지스터로부터 들어온 신호에 따라 리셋동작을 반복하고, 최종입력신호부터 설정시간만큼 타이머가 작용하게 한다.

최초의 신호로 트리거를 걸어 일정시간이 되었을 때, 그 사이에 신호가 들어가더라도 그와 상관없이 스위치를 끄려면, IC의 출력을 회귀시키면 된다.

이를 도 4를 참고로 설명하면 다음과 같다. 도 4는 IC555의 결선예를 나타낸다. 만일 일정시간 신호지연을 유지하려면, R₁₀대신 가변저항을 연결하여 필요한 지연시간을 조절할 수 있다. 출력쪽의 커페시터 C₇, C₈과 저항 R₁₀이 그 역할을 한다.

설정된 시간 동안만 부하를 동작시키는 구동부는 릴레이를 사용하거나, 부저들을 사용할 때는 릴레이를 제거한 뒤 직접 연결한다. 최근에는 Triac 이나 Thyristor를 사용한 무접점 스위치소자가 보급되고 있다.

상기와 같이 동작하는 본 발명은, 절전효과와 인간공학적인 측면의 편의성추구에 부합하는 장치, 도난경보장치의 입력단자부 등에 응용될 수 있다.

Claims (11)

1. 인체의 방사 에너지를 초전센서에 집광시키기 위한 집광부;

   집광된 연속된 적외선을 초전현상을 이용하여 감지하는 초전형 센서부;

   센서의 출력을 증폭하는 증폭부;

   기준전압과 필터에서 수신된 신호를 비교하여 기준전압이상의 신호만 출력하여, 증폭된 신호가 인체인지 아닌지를 판별하기 위한 비교부;

   최종입력부터 설정시간만큼 지연시간을 조절하는 타이머부; 및

   설정된 시간 동안만 부하를 동작시키는 구동부를 구비한, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 멀티미러를 사용하여 구면거울이 받는 시야각이 90。보다 큰, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 센서부로서 초전형 센서를 이용한,적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 증폭부는, 대역통과 필터를 이용한 비반전 교류증폭기; 및

   차단주파수와 증폭도를 조절할 수 있는 반전증폭기로 이루어지는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 비교부는 듀얼 소자형태의 윈도비교기를 사용하여 상기 센서부의 검출대상이 인체인지 아닌지를 구별하는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 타이머부는 최종입력으로부터 소정의 설정시간만큼 타이머가 작동하게 하고, 가변저항을 연결하여 필요한 지연시간을 조절할 수 있는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 초전형 센서는 LiTaO₃, LiNbO₃, SBN 및 TGS의 단결정, PbTiO₃와 PZT의 세라믹, 그리고 PVF₃의 유기계필름 가운데 하나를 사용하는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 초전형 센서가 주파수 응답이 좋을 것이 요망되는 경우에는 상기 센서로서 LiTaO₃를 사용하는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
9. 제 1 항, 제 7 항 및 제 8 항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 초전형 센서는 고임피던스를 보상하기 위해 센서소자 내부에 임피던스 변환용 FET를 내장하는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
10. 제 1 항에 있어서, 신호의 추출은 일반적으로 소스폴로워를 사용하며, 소스 저항은 10㏀~ 100㏀범위의 것을 사용하는, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 소스저항에 발진을 방지하기 위한 바이패스콘덴서를 결합시킨, 적외선 센서를 이용한 지능화된 절전형 스위칭 시스템.