[논문]차동형 탐지코일 마그네토미터 제작

김종호; 손대락

doi:10.4283/jkms.2010.20.5.178

[국내논문] 차동형 탐지코일 마그네토미터 제작
Construction of Differential Type Search Coil Magnetometer 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.20 no.5, 2010년, pp.178 - 181

김종호 (한남대학교 광전자물리학과) , 손대락 (한남대학교 광전자물리학과)

초록
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탐지코일 마그네토미터는 고감도의 교류자기장 측정용으로 많이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 센서코어의 자기소거인자를 감소시키고, 센서의 S/N ratio를 증가시키기 위하여 코어를 2개로 분리하고 각각의 코어에 코일을 권선하였으며, 코일의 연결은 차동형이 되게 하였다. 제작된 탐지코일 마그네토미터의 선형도는 0.03 % 이였으며, 감도가 9.3 mV/nT이고, 분해능은 1 Hz에서 20 pT 정도였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Search coil magnetometer has been used for detection of ac magnetic field with high sensitivity. To reduce demagnetizing factor of core and increase S/N ratio of search coil magnetometer, the core was divided by two parts and coil was wound on each cores. Two coils were connected serially and put into amplifier as differential mode. Constructed 120 mm length search coil magnetometer shows linearity of 0.03%, sensitivity of 9.3 mV/nT, and resolution of 20 pT at 1 Hz.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 먼 거리에서 자동차나 강자성체를 지닌 사람이 이동하는 것을 효과적으로 탐지하기 위하여 탐지코일과 신호증폭기와의 거리가 먼 경우 발생되는 common mode noise를 줄이고, 코어의 자기소거인자를 줄이기 위하여 코어를 2개로 분리하여 권선을 하여, 탐지코일의 신호를 differential mode로 전송할 수 있는 차동형 탐지코일 마그네토미터의 개발에 관하여 연구를 하였다.

제안 방법

제작된 탐지코일형 마그네토미터의 선형도와 측정주파수대역폭을 측정하기 위하여 코일 상수가 4.74 × 10−4 T/A인 솔레노이드와 함수발생기를 사용하였고, 솔레노이드에 흘려주는 전류는 정확도 0.1 %, 1 kΩ 정밀저항을 사용하였으며, 측정 장치의 개략도는 Fig. 4와 같다.
2와 같이 차동형(differential type)으로 연결할 경우, 신호선의 길이가 길어질 때 발생하는 전기 noise 인 common mode noise를 많이 감소시킬 수 있다. 센서의 신호증폭은 차동형 증폭기인 계측증폭기(instrumentation amplifier)를 사용 하였으며, 본 연구에서 개발하려는 센서가 자동차나 강자성체를 지니고 있는 사람의 이동을 측정하는 것이 목적이고, 60 Hz의 교류자기장의 의한 신호을 차단하기 위하여 차단주파수가 5 Hz인 40 dB/decade의Butterworth 저주파수대역필터를 사용하였다. 측정신호를 컴퓨터에 보여주기 위하여 필터를 통과한 아날로그 신호를 microcontroller 인AVR(ATtiny2313)을 사용하여 24 bit ADC(ADS1253)를 제어하였으며, 아날로그신호를 디지털신호로 변환시킨 값을RS232C interface로 컴퓨터에 데이터를 전송할 수 있게 하였다.
센서의 신호증폭은 차동형 증폭기인 계측증폭기(instrumentation amplifier)를 사용 하였으며, 본 연구에서 개발하려는 센서가 자동차나 강자성체를 지니고 있는 사람의 이동을 측정하는 것이 목적이고, 60 Hz의 교류자기장의 의한 신호을 차단하기 위하여 차단주파수가 5 Hz인 40 dB/decade의Butterworth 저주파수대역필터를 사용하였다. 측정신호를 컴퓨터에 보여주기 위하여 필터를 통과한 아날로그 신호를 microcontroller 인AVR(ATtiny2313)을 사용하여 24 bit ADC(ADS1253)를 제어하였으며, 아날로그신호를 디지털신호로 변환시킨 값을RS232C interface로 컴퓨터에 데이터를 전송할 수 있게 하였다. Fig.
4와 같다. 측정방법은 파형발생장치인 waveform synthesizer를 사용 측정하고자 하는 주파수를 설정하고 출력전압의 크기는 shunt 저항 R_s에 양단에 걸리는 전압으로부터 측정된 전류 값과 솔레노이드의 코일상수 값을 곱한 값이 측정하고자하는 자기장이 되게 조절하였다. Fig.
7은 차폐율이 100 dB 이상인 다중자기장차폐장치에 개발된 탐지코일 마그네토미터센서를 넣은 후, noise spectrum을 측정한 결과이다. Dc에서 2 nT_rms값을 보여주고 있는데 이는 증폭기 출력의 offset 값으로, 본 연구에서는 교류자기장만을 측정을 하기 때문에 측정 소프트웨어에서 이 값을 빼어 버리는 방식을 택하였다. Dc~3 Hz 범위에서 마그네토미터의 noise 크기는 20 pT_rms이하였으며, 이는 20 pT_rms 이상의 자기장 변화를 감지할 수 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 센서코어를 2개로 분리시켜 각각의 코어에 코일을 권선함으로써 코어의 자기소거인자를 감소시키고, 2개의 코일 극성이 서로 직렬이 되게 연결하여 차동형으로 신호를 증폭 할 경우 신호선이 길어도 고감도로 자기장 변화를 측정할 수 있는 차동형 탐지코일마그네토미터를 제작하였다. 제작된 마그네토미터는 선형도가 0.

대상 데이터

측정신호를 컴퓨터에 보여주기 위하여 필터를 통과한 아날로그 신호를 microcontroller 인AVR(ATtiny2313)을 사용하여 24 bit ADC(ADS1253)를 제어하였으며, 아날로그신호를 디지털신호로 변환시킨 값을RS232C interface로 컴퓨터에 데이터를 전송할 수 있게 하였다. Fig. 3은 본 연구에서 제작된 탐지코일 마그네토미터의 사진으로 센서코어는 Co-계 비정질코일을 열처리하여 사용하였으며 코어는 폭이 5 mm, 두께 2 mm 및 길이가 120 mm에 직경 0.1mm인 에나멜동선을 각각의 코어에 10,000회 권선을 하여 알루미늄하우징에 넣어 에폭시로 몰딩을 하였다.

이론/모형

탐지코일 마그네토미터는 Faraday’s의 전자기유도법칙을 이용한다.

성능/효과

본 연구에서는 센서코어를 2개로 분리시켜 각각의 코어에 코일을 권선함으로써 코어의 자기소거인자를 감소시키고, 2개의 코일 극성이 서로 직렬이 되게 연결하여 차동형으로 신호를 증폭 할 경우 신호선이 길어도 고감도로 자기장 변화를 측정할 수 있는 차동형 탐지코일마그네토미터를 제작하였다. 제작된 마그네토미터는 선형도가 0.03 %, 감도가 9.3 mV/nT이고, 분해능은 1 Hz에서 20 pT 정도였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탐지코일 마그네토미터는 무슨 법칙을 이용하는가?	탐지코일 마그네토미터는 Faraday’s의 전자기유도법칙을 이용한다.
	탐지코일 마그네토미터의 대표적 응용분야는 어떠한가?	탐지코일 마그네토미터는 대부분 피 측정 자기장이 교류일 때 측정하는 방법으로 사용하고 있으며 측정주파수 영역이 수 mHz~수 kHz범위에 많이 사용되고 있다[4]. 대표적인 응용분야로는 지구자기장 변화관측용[5], 물체의 이동에 의한 자기장변화의 탐지 및 SQUID마그네토미터가 개발되기 전에는 심장에서 발생하는 자기장(심자도)측정에도 사용되었다[6].
	탐지코일 마그네토미터란?	저자기장 측정기술은 지구자기장 및 그 변화의 측정과 태양에 의한 자기폭풍의 측정 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[1, 2]. 탐지코일 마그네토미터(search coil magnetometer)는 Faraday의 전자기 유도 법칙을 이용하여 저자기장을 측정하는 센서로써 피 측정 자기장이 직류인 경우 탐지코일을 회전시켜서 탐지코일에 유도되는 기전력을 이용하여 자기장을 측정하는 방법[3]과 피측정 자기장이 교류자기장일 경우 코일에 유도되는 기전력을 증폭기로 증폭하여 자기장을 측정하는 방법이다. 탐지코일 마그네토미터는 대부분 피 측정 자기장이 교류일 때 측정하는 방법으로 사용하고 있으며 측정주파수 영역이 수 mHz~수 kHz범위에 많이 사용되고 있다[4].

참고문헌 (6)

X. H. Cao and D. Son, J. Magnetics 14, 129 (2009).

원문보기 상세보기
이문호, 한국자기학회지 20, 52 (2010).

원문보기 상세보기
T. C. Penn and F. G. West, Rev. Sci. Instrum. 35, 1361 (1964).

상세보기
W. Goepel, J. Hesse, and J. N. Zemel, Sensors Vol. 5, VCH, New York (1989) pp. 206-253.
R. C. Snare et al., IEEE Trans. Geoscience and Electronics.
K. Estola et al., J. Phys. E Sci. Instrum. 15, 1110 (1982).

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