KR100959700B1 - 도플러 방식의 마이크로파 센서 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국부신호 발생부에 의해 주기적으로 발진되는 2.4GHz의 고주파를 안테나 송신부 및 안테나 수신부에 의해서 파악하여 이동 물체의 움직임 여부를 판단토록하되, 수신 감도를 극대화하고 민감도의 조절이 용이하며 동시에 구조가 간략한 마이크로파 센서를 제공하는 것을 특징으로 하는 도플러 방식의 마이크로파 센서 장치에 관한 것으로,
도플러 방식의 움직임 감지장치로서 2.4Ghz 주파수의 반송파를 출력하고 출력된 반송파가 물체에 의해 반사되는 전파를 수신하되, 수신 주파수를 간헐적 발진시키고, 주파수 수신신호의 수신 증폭도를 조절하여 민감도를 조절함으로서 수신감도가 극대화된 상태로 물체의 움직임을 감지하는 마이크로파 센서부와; 상기 마이크로파 센서부의 주파수 송신신호와 주파수 수신신호를 증폭하는 센서신호 증폭부와; 상기 센서신호 증폭부에 의해서 증폭된 주파수 송신신호 및 주파수 수신신호를 이용하여 물체의 움직임을 종합적으로 판단하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성함이 특징이다.

Description

도플러 방식의 마이크로파 센서 장치{A Microwave Sensor Unit}

본 발명은 도플러 방식의 마이크로파 센서 장치에 관한 것으로, 특히 국부신호 발생부에 의해 주기적으로 발진되는 2.4GHz의 고주파를 안테나 송신부 및 안테나 수신부에 의해서 파악하여 이동 물체의 움직임 여부를 판단토록하되, 수신 감도가 좋고 민감도의 조절이 용이하면서도 구조가 간략한 마이크로파 센서를 제공하는 것을 특징으로 하는 도플러 방식의 마이크로파 센서 장치에 관한 것이다.

일반적으로 센서 혹은 감지장치는 온도나 압력 혹은 습도 등 여러 종류의 물리량을 감지하여 검출하거나 판별 및 계측하는 기능을 갖춘 소자를 말하는 것으로, 사람의 눈, 코, 귀, 혀 등과 같은 감각기간의 역할을 수행하며 감지한 정보를 정보 처리부에 해당되는 수단으로 전달하여 판단을 내리게 한다.

상기 센서를 통한 감지의 대상이 되는 물리량은 자기, 변위, 진동, 가속도, 회전수, 유량 혹은 유속, 액체성분, 가스성분, 가시광, 적외선, 초음파, 마이크로파, 외선, 방사선, X선 등 여러 가지 종류가 있으며, 출력신호로는 증폭과 메모리 내의 저장방법이나 원격조정이 간단하여 입력할 때 취급의 용이성으로 인하여 전기 신호가 주로 쓰이게 된다.

상기와 같은 역할을 수행하는 대표적인 센서로는 광센서, 이미지센서, 초음파센서, 변위 센서 등이 있다.

상기 광센서는 빛을 이용하여 대상을 검출하는 소자로, 이러한 광센서는 빛의 양, 물체의 모양이나 상태 혹은 움직임 등을 감지하여, 그 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들여 그 물체의 움직임이나 빠르기 등을 알아내는 것으로 투광부에서 방사된 펄스 변조광이 검출거리가 검출영역에 들어감에 따라 수광소자에의 입사광이 증가(감소)하게 되고 이렇게 증가(감소)한 입사광의 정류신호레벨이 동작레벨에 도달하면 출력을 내어주는 것이 일반적인 원리이다.

예를 들어서, 초음파나 적외선을 로봇의 전방에서 발사하여, 물체로부터 되돌아오는 빛의 강약으로 제 위치를 알게되고, 장애물로부터 멀어져 있으면 받는 빛은 약해지고 도달하는 시간이 길어지게 되며 , 가까워지면 강해지고 도달 시간이 짧게되며 어느 일정한 빛의 세기에서 멈추도록 로봇에게 프로그램화 시켜놓으면 앞쪽에 물체가 있을 때 판단해서 서게 되며, 그 이상 앞으로 나아가지 않고, 진행 방향을 바꾸게 되는 것도 비슷한 원리이다.

이미지센서는 피사체의 정보를 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치로 인간의 눈으로는 볼 수 없는 자외선영역 등의 불가시상을 가시상으로 변화하는 기능이 있다.

초음파센서는 인간의 귀로는 들을 수 없는 20MHz ~ 300MHz의 고주파대 음을 이용하여 물체의 위치나 거리를 감지하는 센서에 관한 것으로, 두께 2～3 ㎛의 진동막에 전압을 가하면 초음파가 발생하고 물체에 부딪혀 반사되어 되돌아오는 초음파를 다시 이 진동자에 의하여 감지하게 되면, 물체까지의 거리가 멀수록 반사하여 되돌아오기까지의 시간이 길어지기 때문에 물체까지의 거리를 알 수 있게 되는 것이다.

상기 변위센서는 물체간 이동거리 또는 위치변화를 아날로그 값으로 취할 수 있는 센서를 말하는 것으로, 검출대상물이 센서 헤드에 접근하며, 검출대상물의 표면에 와전류가 발생하게 되고, 와전류손실로 인하여 발진에너지가 감쇠하여 아날로그 변위를 출력하게 된다.

한편, 마이크로파 센서는 마이크로파를 송신한 후 이동 물체에 의해 센서 주변에 형성된 정전용량이 변화하게 되고 그 변화된 신호의 반사파를 감지하는 것이며 도플러 효과에 의하면 마이크로파의 반사체가 송신원으로부터 가까워지거나 멀어지면 그 속도에 비례하여 반사파의 주파수가 변한다는 원리를 이용하여 주파수를 감지하는 것이다.

[수식 1]은 도플러 효과에 의한 주파수 변화의 크기를 나타낸 것으로 f는 송신주파수, v는 이동체의 속도, c는 빛의 속도이다.

△f = fx (v/c) ------------------- [수식 1]

감도의 측면에서 보면 적외선 센서는 열을 발산하는 물체의 열을 감지하는 수동형이므로 감도는 센서의 수신부에서 결정되나, 초음파 및 마이크로파 센서는 수신부의 감도뿐 아니라 송신부의 송신전력이 커질수록 감도가 좋아지므로 감지수단의 성능을 향상시킬 경우에는 초음파 센서 및 마이크로파 센서를 적용함이 바람직하다.

구조적인 측면에서 보면 수신전용인 적외선 센서의 구조가 가장 간단하여 저가형으로 많이 채택되고 있다. 그러나, 주변의 온도와 이동체의 온도차를 감지하는 적외선 센서는 주위 환경에 따라 많은 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.

좀 더 향상된 성능을 갖는 감지수단인 초음파 센서 또한 복잡한 구조로 이루어져 있으며 외부 영향에 민감하게 반응하는 문제점을 내포하고 있으며 저가의 소비자 시장에 응용하기에는 적합하지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 초재생 검파용 인덕터와 주파수 혼합기용 트랜지스터 및 민감도 조절부를 이용하여, 간략하면서도 주파수의 수신감도가 극대화된 마이크로파 센서장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은, 도플러 방식의 움직임 감지장치로서, 주파수 신호를 출력하고 물체에 의해 반사되는 전파를 수신하되, 수신 주파수를 간헐적으로 발진시키고, 수신 주파수의 증폭도를 조절하여 민감도를 조절하는 마이크로파 센서부(100)와;

상기 마이크로파 센서부의 주파수 송신신호와 주파수 수신신호를 증폭하는 센서신호 증폭부(200)와;

상기 센서신호 증폭부에 의해서 증폭된 주파수 송신신호 및 주파수 수신신호를 이용하여 물체의 움직임을 종합적으로 판단하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 제어부(300)를 포함하며;

상기 마이크로파 센서부(100)는,

직렬연결된 저항의 중앙으로부터 출력라인을 연결하여 전원을 입력하는 전원 입력부(R2, R6, D1)와;

상기 전원 입력부에 직렬연결된 인덕터와 상기 인덕터에 병렬연결된 캐패시터를 이용하여 발진을 일으키는 발진부(C1, L2)와;

상기 발진부의 출력과 연결되어 발진 주파수를 증폭시키고 수신되는 주파수 신호를 입력받도록 하는 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터단에 연결되며, 인덕터 저항값을 제공하여 Quenching 주파수(Frequency)로 스위칭되도록 함으로서 트랜지스터의 발진과 발진 정지 동작에 의해서 최대의 수신감도를 얻도록하는 초재생 검파용 인덕터(L3)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터의 콜렉터단에 연결되어 트랜지스터에 의해 증폭된 주파수를 외부 물체를 향해 송신하는 송신 안테나부(E1)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터의 베이스단에 연결되며 물체에 맞아 반사되는 주파수 신호를 주파수 혼합기용 트랜지스터의 베이스단으로 전달하는 수신 안테나부(E2)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터의 에미터단에 연결되어 저항을 조절하는 동작에 의해서 증폭도를 조절함으로서 수신감도를 조절하는 민감도 조절부(R10, R13, SFR1)로 이루어짐이 특징이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 마이크로파 센서장치는 초재생 검파용 인덕터와 주파수 혼합기용 트랜지스터 및 민감도 조절부를 적용하기 때문에, 간략하면서도 수신감도가 극대화된 주파수 신호를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 마이크로파 센서장치 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 마이크로파 센서부 상세 회로도 및 증폭부 회로도.
도 3은 본 발명의 제어부 상세 회로도.
도 4는 본 발명의 판별신호 출력부 상세 회로도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 마이크로파 센서장치의 구성요소는 크게 마이크로파 센서부(100)와, 센서신호 증폭부(200)와, 제어부(300)와, 판별신호 출력부(400)로 이루어진다.

상기 마이크로파 센서부(100)는 도플러 방식의 움직임 감지장치로서 2.4Ghz 주파수의 반송파를 출력하고 출력된 반송파가 물체에 의해 반사되는 전파를 수신하여 물체의 움직임에 따른 도플러 효과로서 물체의 움직임을 감지한다. 이때 마이크로파 센서부는 초재생 검파용 인덕터와 주파수 혼합기용 트랜지스터 및 민감도 조절부를 이용하여 간략하면서도 수신감도가 극대화된 주파수 신호를 얻도록 한다.

상기 센서신호 증폭부(200)는 센서에 의해서 감지된 신호를 증폭시키는 역할을 한다.

상기 제어부(300)는 증폭된 신호를 이용하여 물체의 움직임을 종합적으로 판단하고 이에 따른 각종 제어신호를 출력한다.

상기 판별신호 출력부(400)는 제어부에 전기적으로 연결되어 있으며, 제어부의 신호에 따라 센서신호의 판독결과에 따른 조명등 온오프나 출입문의 열림 닫힘이 이루어지도록 전기적 신호를 출력한다.

본 발명의 가장 핵심장치는 마이크로파 센서부(100)로서 이하에서 마이크로프 센서부를 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 마이크로파 센서부(100)는 전원입력부와, 발진부와, 주파수 혼합기용 트랜지스터와, 송신 안테나부와, 수신 안테나부와, 초재생 검파용 인덕터와, 민감도 조절부로 이루어진다.

본 발명의 마이크로파 센서부의 구성요소를 보다 상세히 설명하면,

직렬연결된 저항의 중앙으로부터 출력라인을 연결하여 전원을 입력하는 전원 입력부(R2, R6, D1)와;

상기 전원 입력부에 직렬연결된 인덕터와 상기 인덕터에 병렬연결된 캐패시터를 이용하여 발진을 일으키는 발진부(C1, L2)와;

상기 발진부의 출력과 연결되어 발진 주파수를 증폭시키고 수신되는 주파수 신호를 입력받도록 하는 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터단에 연결되며, 인덕터 저항값을 제공하여 Quenching 주파수(Frequency)로 스위칭되도록 함으로서 트랜지스터의 발진과 발진 정지 동작에 의해서 최대의 수신감도를 얻도록하는 초재생 검파용인덕터(L3)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단에 연결되어 트랜지스터에 의해 증폭된 주파수를 외부 물체를 향해 송신하는 송신 안테나부(E1)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 베이스단에 연결되며 물체에 맞아 반사되는 주파수 신호를 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 베이스단으로 전달하는 수신 안테나부(E2)와;

상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터단에 연결되어 저항을 조절하는 동작에 의해서 증폭도를 조절함으로서 수신감도를 조절하는 민감도 조절부(R10, R13, SFR1)로 이루어진다.

이하에서 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 전원 입력부는 2개의 저항(R2, R6)과 1개의 역전압방지용 다이오드(D1)로 이루어지며, 2개의 저항(R2, R6)을 이용하여 적절한 전압이 출력되도록 한다.

발진부는 인덕터(L2)와 캐패시터(C1)로 이루어지며, 전원 입력부로부터 전달받은 전원을 이용하여 적절한 주파수로 발진이 이루어지도록 한다.

주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)는 발진부(C1, L2)에 의해서 발진된 주파수를 증폭하여 송신 안테나부(E1)를 통해 증폭된 주파수가 출력되도록 한다.

수신 안테나부(E2)는 외부 물체에 반사되어 되돌아오는 주파수를 수신하며, 수신된 신호는 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)로 전달된다.

한편, 상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터단에는 초재생 검파용 인덕터(L3)를 직렬로 설치하여 이루어진다.

따라서, 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터로 충분한 전류가 흘러 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 증폭도가 올라가고, 점점 증폭도가 높아져서 결국 LC 발진이 이루어지며, 이때 에미터에 연결된 인덕터(L3)에 의해서 고주파 전류가 급격히 줄어들고 이에 따라 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 증폭도는 감소하면서 발진을 멈추게 된다. 이후, 발진이 멈추면 다시 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터로 충분한 전류가 흘러 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 증폭도가 올라감으로서 발진이 이루어지는 것을 반복한다. 상기에서 수신감도가 좋은 점은 발진하기 직전으로 간헐적 발진을 하는 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)에 의해서 수신감도가 좋은 시점을 찾을 수 있게 된다.

즉, 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 발진과 발진정지 동작을 반복케함으로서 최대의 수신감도를 얻기위한 원리로 구성된 것이다.

민감도 조절부는 2개의 직렬 저항(R10, R13))과 상기 직렬 저항의 중앙에 연결되는 가변 저항(SFR1)으로 이루어지며, 상기 가변저항(SFR1)의 저항값을 임의로 조절하여 주파수 혼합기용 트랜지스터의 증폭도를 조절함으로서 수신감도를 극대화시킬 수 있다.

결국, 본 발명은 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)에 의해서 발진 주파수를 증폭하는 기능과, 수신 주파수를 검파하는 기능을 동시에 담당하게 되며 발진증폭 겸용 주파수 혼합기의 에미터단에 인덕터를 설치하여 수신감도를 최대로 높일 수 있고, 또한 인덕터의 하단에 민감도 조절수단을 부가하여 수신감도를 극대화할 수 있도록 트랜지스터의 증폭도를 조절하는 기능을 한다.

따라서, 본 발명은 전압 입력부와, 발진부와, 주파수 혼합기와, 인덕터와, 민감도 조절부등 간단한 구성수단을 이용하여 수신감도가 극대화된 마이크로파 센서를 얻을 수 있다.

한편, 상기와 같이 마이크로파 센서부(100)에 의해서 주파수의 발진과 수신이 이루어지며, 발진된 주파수와 수신된 주파수는 센서신호 증폭부(200)에 의해서 적절히 증폭되고 증폭이 완료된 송신신호 및 수신신호가 제어부(300)에 입력되며, 제어부(300)는 송신신호와 수신신호를 분석하여 물체가 있는지를 파악한다.

그리고 파악된 정보에 의해서 판별신호 출력부(400)를 통해 전기적 신호를 출력하여 조명등의 경우 조명등을 온시킬 것인지 오프시킬 것인지를 통보하고, 출입문의 경우 출입문을 폐쇄할 것인지 개방시킬 것인지를 통보한다.

즉, 마이크로파 센서부(100)에 의해서 사람이 존재하는 것을 판단되면 이를 이용하여 조명등의 온오프를 제어하고 아울러 출입문의 개방 및 폐쇄를 제어하는 것이다.

100: 마이크로파 센서부
200: 센서신호 증폭부
300: 제어부
400: 판별신호 출력부

Claims (1)

1. 도플러 방식의 움직임 감지장치로서, 주파수 신호를 출력하고 물체에 의해 반사되는 전파를 수신하되, 수신 주파수를 간헐적으로 발진시키고, 수신 주파수의 증폭도를 조절하여 민감도를 조절하는 마이크로파 센서부(100)와;
   상기 마이크로파 센서부의 주파수 송신신호와 주파수 수신신호를 증폭하는 센서신호 증폭부(200)와;
   상기 센서신호 증폭부에 의해서 증폭된 주파수 송신신호 및 주파수 수신신호를 이용하여 물체의 움직임을 종합적으로 판단하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 제어부(300)를 포함하며;
   상기 마이크로파 센서부(100)는,
   직렬연결된 저항의 중앙으로부터 출력라인을 연결하여 전원을 입력하는 전원 입력부(R2, R6, D1)와;
   상기 전원 입력부에 직렬연결된 인덕터와 상기 인덕터에 병렬연결된 캐패시터를 이용하여 발진을 일으키는 발진부(C1, L2)와;
   상기 발진부의 출력과 연결되어 발진 주파수를 증폭시키고 수신되는 주파수 신호를 입력받도록 하는 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)와;
   상기 주파수 혼합기용 트랜지스터(Q1)의 에미터단에 연결되며, 인덕터 저항값을 제공하여 Quenching 주파수(Frequency)로 스위칭되도록 함으로서 트랜지스터의 발진과 발진 정지 동작에 의해서 최대의 수신감도를 얻도록하는 초재생 검파용 인덕터(L3)와;
   상기 주파수 혼합기용 트랜지스터의 콜렉터단에 연결되어 트랜지스터에 의해 증폭된 주파수를 외부 물체를 향해 송신하는 송신 안테나부(E1)와;
   상기 주파수 혼합기용 트랜지스터의 베이스단에 연결되며 물체에 맞아 반사되는 주파수 신호를 주파수 혼합기용 트랜지스터의 베이스단으로 전달하는 수신 안테나부(E2)와;
   상기 주파수 혼합기용 트랜지스터의 에미터단에 연결되어 저항을 조절하는 동작에 의해서 증폭도를 조절함으로서 수신감도를 조절하는 민감도 조절부(R10, R13, SFR1)로 이루어짐을 특징으로 하는 도플러 방식의 마이크로파 센서 장치.

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