본 논문에서는 스마트폰에 장착 가능하고 휴대가 가능한 고효율 NDIR $CO_2$센서 모듈을 개발하였다. 저전력 회로 설계를 위하여 텅스텐램프 대신에 적외선 LED를 사용하였으며, 센서 모듈에 최적화된 광도파로를 설계 및 제작하였다. 스마트폰과 인터페이스가 가능한 회로를 통하여 스마트폰의 전원으로 센서 모듈이 구동되도록 설계하였다. $CO_2$ 농도, 온도 및 습도 등 측정된 센서의 데이터는 스마트폰 앱을 통하여 화면에 표시하였다. 측정 결과, 개발된 센서 모듈은 온도$-10^{\circ}C{\sim}50^{\circ}C$ 구간에서 0 ~ 3,000ppm 범위의 $CO_2$ 농도를 측정할 수 있었으며 측정 오차는 ${\pm}60ppm$이내였다.
본 논문에서는 스마트폰에 장착 가능하고 휴대가 가능한 고효율 NDIR $CO_2$ 센서 모듈을 개발하였다. 저전력 회로 설계를 위하여 텅스텐램프 대신에 적외선 LED를 사용하였으며, 센서 모듈에 최적화된 광도파로를 설계 및 제작하였다. 스마트폰과 인터페이스가 가능한 회로를 통하여 스마트폰의 전원으로 센서 모듈이 구동되도록 설계하였다. $CO_2$ 농도, 온도 및 습도 등 측정된 센서의 데이터는 스마트폰 앱을 통하여 화면에 표시하였다. 측정 결과, 개발된 센서 모듈은 온도$-10^{\circ}C{\sim}50^{\circ}C$ 구간에서 0 ~ 3,000ppm 범위의 $CO_2$ 농도를 측정할 수 있었으며 측정 오차는 ${\pm}60ppm$이내였다.
In this paper, a portable high efficiency nondispersive infrared(NDIR) $CO_2$ sensor module with a smart device interface is developed. For low power consumption design, an IR LED was used instead of tungsten lamp for light source and an optical waveguide optimized to the sensor module is...
In this paper, a portable high efficiency nondispersive infrared(NDIR) $CO_2$ sensor module with a smart device interface is developed. For low power consumption design, an IR LED was used instead of tungsten lamp for light source and an optical waveguide optimized to the sensor module is designed. With the smart device interface, power of the sensor module is applied from the battery of smart phone. The measured data of the sensor module such as $CO_2$ concentration, temperature, and humidity are displayed on the smart phone using android application. From measured results, the developed sensor module shows ${\pm}60ppm$ tolerance error from 0 to 3,000ppm $CO_2$ concentration range among $-10^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$ ranges.
In this paper, a portable high efficiency nondispersive infrared(NDIR) $CO_2$ sensor module with a smart device interface is developed. For low power consumption design, an IR LED was used instead of tungsten lamp for light source and an optical waveguide optimized to the sensor module is designed. With the smart device interface, power of the sensor module is applied from the battery of smart phone. The measured data of the sensor module such as $CO_2$ concentration, temperature, and humidity are displayed on the smart phone using android application. From measured results, the developed sensor module shows ${\pm}60ppm$ tolerance error from 0 to 3,000ppm $CO_2$ concentration range among $-10^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$ ranges.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 기존의 NDIR 방식의 단점을 극복하고 소형이면서도 휴대성이 편하고 스마트폰에 접속하여 추가적인 배터리 사용 없이 언제든지 측정이 가능한 휴대용 가스 센서의 개발을 목적으로 하였다.
본 논문에서는 LED 빛이 반사되는 각도와 Photo diode(PD)에 도달하기 전의 반사각을 동일하게 함으로써 PD에 입사되는 빛의 양이 최소의 손실분을 제외하고 도달하게 하기 위한 구조로 그림 1과 같이 설계 하였다.
본 논문에서는 소형이며 휴대성이 편리하고 스마트폰과 결합하여 측정 가능한 휴대용 NDIR CO2 센서를 개발하였다. 기존의 텅스텐램프 사용으로 전류 소모가 많은 단점을 적외선 LED 사용으로 개선하였으며, 빛의 최적 경로 시뮬레이션을 통하여 소형 광도파 관을 설계하고, 저전력 회로 설계로 CO2 센서를 구현 하였다.
제안 방법
그림 6과 같이 제작된 지그와 항온조를 이용하여 -10°C~ 50°C범위에서 온도별 캘리브레이션을 진행하였다. 각 온도별 설정 온도 도달 시간 및 설정 온도 유지 시간을 지정하여 모듈 및 공급 가스의 온도 적응 시간을 할당하며, 캘리브레이션 입력 가스의 압력을 적절히 조절하여 최적의 캘리브레이션 값을 도출하였다.
센서를 개발하였다. 기존의 텅스텐램프 사용으로 전류 소모가 많은 단점을 적외선 LED 사용으로 개선하였으며, 빛의 최적 경로 시뮬레이션을 통하여 소형 광도파 관을 설계하고, 저전력 회로 설계로 CO2 센서를 구현 하였다. 본 논문에서 제안한 센서는 전원, 디스플레이 및 입력 장치 등을 스마트폰과 인터페이스하고 앱을 활용하여 휴대용 측정장치로 활용이 가능하다.
도파관의 매질은 플라스틱이며 반사면은 Cu와 Ni 도금 후에 특수 금도금으로 장기 사용 시에도 센서 정밀도 유지 및 오차 최소화를 고려하여 제작하였다. 도파관의 크기는 길이가 33.
추출된 데이터는 Micro USB 인터페이스를 통해 휴대단말기로 전송하여 휴대단말기에 CO2 가스 농도가 표시되도록 한다. 또한 온도, 습도 센서(SHT21)를 이용하여 현재 온도, 습도 측정값도 제어부에서 입력받아 휴대단말기로 동시에 전송하여 휴대단말기에 CO2 가스 농도와 같이 표시 되도록 한다.
기존의 텅스텐램프 사용으로 전류 소모가 많은 단점을 적외선 LED 사용으로 개선하였으며, 빛의 최적 경로 시뮬레이션을 통하여 소형 광도파 관을 설계하고, 저전력 회로 설계로 CO2 센서를 구현 하였다. 본 논문에서 제안한 센서는 전원, 디스플레이 및 입력 장치 등을 스마트폰과 인터페이스하고 앱을 활용하여 휴대용 측정장치로 활용이 가능하다.
본 논문에서는 제작된 서로 다른 모듈 5개를 표준 가스 1,000ppm, 2,000ppm 및 3,000ppm을 주입하여 측정의 정확도를 확인하였으며, 신뢰성을 입증하기 위하여 약 한 달의 기간 동안 총 4회 측정하고 그 결과를 다시 비교하였다.
시뮬레이션 프로그램인 Tracepro를 활용하여 설계한 광 도파관에 대한 빛의 경로를 그림 2과 같이 확인하였다. 그림 2는 PD에서 검출된 광 도파로를 통과한 광 세기를 보여준다.
신뢰성 입증을 위하여 총 18개의 모듈을 제작하여 온도를 -10°C와 50°C까지 변화키면서 동시에 성능을 측정하였다.
이를 위하여 기존의 필라멘트 램프 대신에 LED를 사용하여 저전력 소비와 열 발생이 적은 센서 모듈 개발을 하였으며, 기존의 센서 측정기에서 많은 부분을 차지한 센서 데이터의 표시나 입력 장치, 전원부와 같은 중요 설계 부분을 스마트폰의 앱으로 대체하고, 센서의 전원을 추가적인 배터리 없이 스마트폰에 의해 공급하도록 설계하였다.
그림 8은 온도를 -10°C에서 50°C까지 변화시킨 경우에 표준가스 3,000ppm에 대한 측정 오차의 그래프이다. 이번에는 동시에 서로 다른 5개의 모듈을 측정하여 측정 정확도를 확인하였다. 모듈에 따라서 최대 측정 오차는 ±60ppm(3%)의 안정된 결과를 나타 내었다.
대상 데이터
30 um이며, 1 mW 이하의 저전력을 소모한다. PD는 Lms43PD-03를 사용하였다.[7]
데이터 출력부를 통하여 중앙처리장치인 SAMD21 내부적인 Full-Speed USB Device와 Embedded Host 기능을 이용하여 스마트폰과 데이터 통신을 한다. 기본적인 데이터 사양은 9600 Baud rate, 8 Data bits, 1 Stop bits이며 Parity bit와 Flow control은 없다.
도파관의 매질은 플라스틱이며 반사면은 Cu와 Ni 도금 후에 특수 금도금으로 장기 사용 시에도 센서 정밀도 유지 및 오차 최소화를 고려하여 제작하였다. 도파관의 크기는 길이가 33.94mm, 높이가 3.48mm, 그리고 넓이가 9.1mm이다.
3㎛ 광을 도파관을 통하여 전달 받는다. 본 논문에서 기존에 사용하였던 적외선 램프대신에 LMSNT사의InAsSb/InAsSbP 헤테로 구조를 가지는 Lms43LED를 사용하였으며, 이 소자의 최대파장 범위는 4.10-4.30 um이며, 1 mW 이하의 저전력을 소모한다. PD는 Lms43PD-03를 사용하였다.
온도 및 습도 센서는 Sensirion사에서 공급된 SHT21(Humidity and Temperature Sensor) 센서를 사용하여 중앙제어장치와 Digital Output, I2C Interface하여 온도, 습도 데이터를 입력 받는다. 그림 5은 최종 제작된 광도파로를 실장한 센서 모듈의 실물 사진이다.
3V 전압을 제공한다. 제어부 중앙처리장치는 ARM Coretex-M0+를 기반으로 운영되는 SAMD21 마이크로프로세서를 사용하였다. DC 3.
성능/효과
그림 9는 표준가스 농도와 측정된 가스 농도의 결과를 비교한 그래프로서 가장 낮은 온도 (-10°C)와 가장 높은 온도 (50°C) 구간에서 모두 잘 일치하였다. R제곱은 1을 만족하여 표준농도 값과 제작된 모듈의 측정값과의 상관관계는 잘 일치하였다.
그림 2는 PD에서 검출된 광 도파로를 통과한 광 세기를 보여준다. 광 세기 시뮬레이션 결과 LED에서 출력되는 빛이 도파관의 반사각을 통하여 최종 PD 에 도달하는 빛의 양은 입사되는 반사각의 경로에 따라서 약 60% 정도 결과를 확인 할 수 있다.
동일한 제품을 4회 측정하였으며 최대 측정 오차는 -28ppm으로 오차범위는 ±30ppm이내의 안정된 결과를 나타내었다.
모듈에 따라서 최대 측정 오차는 ±60ppm(3%)의 안정된 결과를 나타 내었다. 온도에 따른 오차의 함수관계는 없었으며 그림 7과 비교하여 볼 때 높은 농도에서 상대적으로 오차는 늘어나는 것으로 확인 되었다.
최종 제작된 센서는 캘리브레이션 후에 -10°C에서 60°C까지 10°C 간격으로 온도에 노출, 온도 적응 유지 시간 이후에 0, 1000ppm, 2000ppm 및 3000ppm 의 4가지 표준 가스를 공급 후 측정결과는 오차 범위는 ±60ppm이하를 만족하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화탄소 센서는 어디에 사용되는가?
이산화탄소(CO2) 센서는 공기 중의 오염 상태를 파악하기 위한 센서로 지하철, 철도, 버스 및 자동차와 같은 다중이용시설이나 주택 등에 사용되며, 식물의 성장이나 생육에 직접적인 영향을 주는 CO2량을 관리 하기 위해서도 사용되고 있다.
저전력 회로 설계를 제작 위해 무엇을 하였는가?
본 논문에서는 스마트폰에 장착 가능하고 휴대가 가능한 고효율 NDIR $CO_2$ 센서 모듈을 개발하였다. 저전력 회로 설계를 위하여 텅스텐램프 대신에 적외선 LED를 사용하였으며, 센서 모듈에 최적화된 광도파로를 설계 및 제작하였다. 스마트폰과 인터페이스가 가능한 회로를 통하여 스마트폰의 전원으로 센서 모듈이 구동되도록 설계하였다.
이산화탄소 센서는 어떻게 분류되며 각각의 특징은 무엇인가?
CO2 센서는 검출 방식에 따라서 크게 접촉식과 광학식으로 분류되며, 접촉식은 소형, 저가인 장점과 측정 신뢰성이 낮은 단점을 가지고 있으며 광학식은 신뢰성이 좋지만 크기가 크고 충격에 약하다는 단점을 가지고 있다. 광학식 중에서 현재 사용되고 있는 NDIR(Non Dispersive Infrared)방식은 정밀도나 센서 수명에 있어서 가장 뛰어나다.
참고문헌 (9)
G.-S. Kim, J.-T. Oh, H. S. Kim, and J.-C. Kim, "A study on $CO_2$ sensor module using NDIR method," J. IEEK, vol. 46SC, no. 2, pp. 36-40, Mar. 2009.
S. H. Yi, Y. H. Park, S. O. Han, N. K. Min, E. S. Kim, and T. H. Ahn, "Novel NDIR $CO_2$ sensor for indoor air quality monitoring," Technical Digest of The 13th Int. Conf. Solid-State Sensors, Actuators Microsystems, pp. 1211-1214, Seoul, Korea, Jun. 2005.
D. Garcia-Romeo, H. Fuentes, N. Medrano, B. Calvo, P. A. Martinez, and C. Azcona, "A NDIR-based $CO_2$ monitor system for wireless sensor networks," 2012 IEEE 3rd Latin Am. Symp. Cir. Syst. (LASCAS), pp. 1-4, Feb.-Mar. 2012.
D. Gibson and C. MacGregor, "A novel solid state non-dispersive infrared $CO_2$ gas sensor compatible with wireless and portable deployment," J. Sensors, vol. 13, no. 6, pp. 7079-7103, 2013.
J.-W. Kwon, J.-C. Kim, G.-S. Kim, and H. Kim, "Air quality monitoring system using NDIR- $CO_2$ sensor for underground space based on wireless sensor network," J. IEEK, vol. 46, no. 4, pp. 28-38, Jul. 2009.
Y. Wang, M. Nakayama, M. Yagi, M. Nishikawa, M. Fukunaga, and K. Watanabe, "The NDIR $CO_2$ monitor with smart interface for global networking," IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, vol. 54, no. 4, pp. 1634-1639, Aug. 2005.
http://lmsnt.com/datasheets/Standard%20chip/Lms43LED/lms43led_series_rev040512.pdf http://lmsnt.com/datasheets/PD/Lms43PD/-03/Lms4 3PD-03series_rev070515.pdf Retrieved July, 20, 2015, from http://lmsnt.com/
"AN131-CO2 Sensor Calibration: What You Need to Know" Retrieved July, 20, 2015, from http://www.co2meters.com/Documentation/AppNotes/AN131-Calibration.pdf
H. P. Beerman, "The pyroelectric detector of infrared radiation," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 16, no. 16, pp. 554-557, Jun. 1969.
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