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초전형 적외선식 불꽃감지기의 감도특성 개선
Improving Sensitivity of the Pyroelectric Infrared Flame Detector 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.4, 2015년, pp.77 - 84  

송현선 (SEMYUNG UNIVERSITY Department of Electrical Engineering) ,  이의용 (Chang Sung Ace Co., Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

PZT ceramics, usually used pyroelectric materials exhibited a relatively highly Curie temperture(Tc) of $250-450^{\circ}C$ and permittivity constant of 500-1600. In this paper, the pyroelectric infrared detectors are applied two different types of pyroelectric materials, that is tetragona...

주제어

#PZT Ceramics   #Pyroelectric Infrared   #Detector   #Detecting Programming   #Amplifying Circuit of PIR Signal   #Microprocessor Control Circuit  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • (1) 초전형 적외선 감지기의 화재식별은 불꽃에서 나타나는 CO₂공명방사와 명멸현상을 기준 자료로 적용하였다.
  • 감도 시험은 반강유전체인 PbZrO3를 고용시킨 Pb(Zr,Ti)O3 세라믹스의 초전형 적외선 센서로 제작된 불꽃감지기(샘플 A)와 강유전체인 PbTiO3 세라믹스의 초전형 적외선 센서로 제작된 불꽃감지기(샘플 B)[5]의 감도를 비교하였으며, 비교대상 불꽃감지기의 샘플 A와 B의 기술사양은 표 1과 같다.
  • 신호전달부는 마이크로프로세서의 출력신호를 통신출력부로 보내며, 통신출력부에서는 RS-485로 신호를 관리자에게 통보한다. 감지기 점검회로에서는 감지기 이상 시와 화재발생 시의 출력신호를 수신반과 화재연동장치에 전송하도록 하였다. 마이크로프로세서 제어부는 증폭회로에서 입력된 신호를 정해진 데이터에 의하여 비교, 분석, 판단하고 화재발생여부를 결정하여 각각의 출력회로로 전송하는 장치이다.
  • 또한 대역통과필터 회로를 통하여 불꽃의 호흡작용에 의해 흔들리는 다양한 주파수 성분 중 1∼15Hz의 주파수가 감지되면 화재로 인식하도록 프로그램화함으로서 화재판별의 신뢰도를 제고하였다.
  • 불꽃의 이산화탄소 공명방사와 명멸현상에 의한 플리커 주파수를 검출할 수 있는 초전형 불꽃감지기의 감지특성 개선 방안을 제시하고 실증적 실험과 국내공인 인증기관의 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 
  • 시험은 대역폭 200MHz, 수직 해상도 9bits/CH, 채널 1, 2의 최대 샘플 속도 각각 100MS/s, 50MS/s의 조건하에서 전방 거리 60m, 각도 0°와 45°에서 정격화염(33×33cm 불판 N-Heptane)을 인가하였다.
  • 이 조성을 상경계조성(MPB : Morphotrophic Phase Bound ary)이라 하며, 이 영역에서 정방정계(tetragonal)상과 삼방정계(rhombohedral)상이 공존하면서 유전상수, 압전상수 및 전기-기계 결합계수가 매우 커지는 특성이 있으므로 본 연구에서는 정방정계상을 갖는 강유전체인 PbTiO3와 삼방정계상을 갖는 반강유전체인 PbZrO3를 고용시킨 Pb(Zr,Ti)O3(이하 PZT) 세라믹스를 초전형적외선 센서로 적용하였다.
  • 압전 및 초전재료로 널리 사용되고 있는 PZT계 세라믹스는 조성변화에 따라 퀴리온도가 250∼450℃로서 비교적 높으며 비유전율도 500∼1600 정도의 특성을 가지고 있으나 전기-기계 결합계수 값이 낮게 나타 나는 단점이 있다[2]. 이러한 문제점에 대한 개선방안으로 본 연구에서는 PZT 세라믹스에 원소의 치환 및 불순물을 소량 첨가함에 따라 초전특성이 변화하는 성질을 활용하였다. 즉 정방정계(tetragonal)상을 갖는 강유전체인 PbTiO3와 삼방정계(rhombohedral)상을 갖는 반강유전체인 PbZrO3를 고용시킨 Pb(Zr,Ti)O3(이하 PZT) 세라믹스를 초전형 적외선 센서로 구성하였다.
  • 초전형 감지기의 감도 시험에서는 감도실험 결과를 검정하기 위하여 Visual C⁺⁺ Window 운용 프로그램을 개발하였다. 화원방사에 따른 삼파장 초전형 불꽃감지기에서 출력되는 RS-485 통신신호를 PC의 RS-232신호로 컨버팅(converting)함으로써 화재 시 나타나는 각종 데이터 값을 그림 8과 같이 시각적으로 표현하였다.
  • 화원방사에 따른 삼파장 초전형 불꽃감지기에서 출력되는 RS-485 통신신호를 PC의 RS-232신호로 컨버팅(converting)함으로써 화재 시 나타나는 각종 데이터 값을 그림 8과 같이 시각적으로 표현하였다.
  • 화재식별은 불꽃에서 나타나는 CO₂공명방사와 명멸(flickering)현상을 기준 자료로 활용하였다. 화염의 불꽃은 4.

대상 데이터

  • 화원방사에 따른 삼파장 초전형 불꽃감지기에서 출력되는 RS-485 통신신호를 PC의 RS-232신호로 컨버팅(converting)함으로써 화재 시 나타나는 각종 데이터 값을 그림 8과 같이 시각적으로 표현하였다. 운용프로그램에는 삼파장 적외선 불꽃감지기의 상태표시, 프로그램 메인메뉴, IR1의 파형, IR2의 파형, IR3의 파형, 알람리스트, 알람의 그림표시 등을 나타낸다.
  • 이러한 문제점에 대한 개선방안으로 본 연구에서는 PZT 세라믹스에 원소의 치환 및 불순물을 소량 첨가함에 따라 초전특성이 변화하는 성질을 활용하였다. 즉 정방정계(tetragonal)상을 갖는 강유전체인 PbTiO3와 삼방정계(rhombohedral)상을 갖는 반강유전체인 PbZrO3를 고용시킨 Pb(Zr,Ti)O3(이하 PZT) 세라믹스를 초전형 적외선 센서로 구성하였다. 이 PZT 세라믹스는 Zr/Ti의 비율을 변화시키면 압전특성도 변화하게 되며, 특정 조성비 Zr/Ti = 52/48 부근 조성에서 유전 및 압전 특성 값이 높게 나타나 감지기의 감도를 개선할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
적외선센서란 어떤 형태가 있는가? 적외선센서는 에너지를 흡수하면 물질의 온도가 변화하는 현상을 포착하는 열형과 광양자로서 광전효과를 이용하여 온도를 감지하는 양자형이 있다. 열형은 서로 다른 종류의 금속 접합부에서 온도차가 생기면 열에너지에 의한 활발한 전자의 운동으로 기전력이 발생하는 제벡 효과를 이용한 것이다.
열형 적외선센서의 종류에는 구체적으로 무엇이 있는가? 열형은 서로 다른 종류의 금속 접합부에서 온도차가 생기면 열에너지에 의한 활발한 전자의 운동으로 기전력이 발생하는 제벡 효과를 이용한 것이다. 이것은 비스무트(Bi)와 안티몬(Sb)처럼 서로 다른 두 가지의 금속선 또는 박막을 직렬로 접속하여 온도변화를 검출하는 열전쌍형(thermopile)이고, 다른 하나는 초전효과 (pyroelectric effect)를 이용하는 초전형 센서 이다. 초전효과는 강유전체의 결정에 열을 가하면 자발분극의 극성변화에 의해 결정의 양단에 기전력이 발생하는 현상을 의미하며, 이러한 특성을 나타내는 초전도체에 는 삼황하글리신, 세라믹의 티탄산납(PbTiO3), 지르콘 티탄산납(PZT(PbZrl-xTixO3)), 탄탈산리튬(LiTaO3)플라스틱의 폴리플루오르화비닐(PVF2) 등이 있다[1]
온도에 따른 파장의 특징은 어떠한가? 자연계에 존재하는 모든 물체는 그 온도에 따라서 적외선을 방출하며 온도가 높은 것은 파장이 짧은 적외선을, 온도가 낮은 것은 파장이 긴 적외선을 방출한다. 이것은 어떤 온도에서 최대의 온도복사를 하는 완전 복사체를 표시하는 플랑크 법칙으로 알 수 있으며, 반대로 적외선을 계측하면 대상의 온도를 측정할 수 있다.
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참고문헌 (5)

  1. E.L.DERENIAK, "Infrared Detectors and System", Willy Interscience, pp.1-35, 1996. 

  2. Sangho Lee, Juhyun Yoo, Yeu-yong Lee, Hyun-Song Song, "Dielectric and Piezoelectric Properties of (Na,K) $NbO_{3}$ Ceramics as a Function of $SrTIO_{3}$ 3 Substitution", J. of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineersl , Vol.22, No.6, p484-488, 2009. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. Jeong-Wook Kim "Sequence of Reaction Phases and Pyroelectric Properties in the System Pb(Zn Nb ) O_(3)-Pb(Fe Nb )O_(3)" Hanyang Univ. Hh.D thesis, 1995. 

  4. Jun Rim Choi "Pyroelectric Infrared Microsensors Made by Micromachining technology", The Institute of Electronics and Information Engineers, Vol. 35-D, No.4, p. 93-100, 1998. 

  5. Hyun Seon Song, Yeu Yong Lee, "A Study on Signal Circuit of the Triple Pyroelectric Infrared Flame Detector", Journal of the korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers,, Vol.24, No.12, p201-207, 2010. 

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