[논문]거대자기임피던스 효과를 이용한 자기 센서

최규남

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.6.1057

거대자기임피던스 효과를 이용한 자기 센서
Magnetic Sensor Using Giant Magneto-Impedance Effect 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.6, 2017년, pp.1057 - 1064

최규남 (인천대학교 정보통신공학과)

초록
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거대자기임피던스 효과를 이용한 자기센서를 사용하여 자화된 금속이물질을 감지할 수 있는 고감도 금속이물질 감지 센서를 구현하였다. 스트립 형태의 센서는 지자기의 영향으로 스트립의 축방향이 놓인 위치에 따라 초기 직류전압은 다르게 나타났지만 접지점에 연결된 스트립에서 멀어질수록 외부 자계에 대한 출력전압이 증가하며 스트립의 축 방향에는 무관함을 나타내었다. 제안하는 자기센서는 고감도 실현을 위하여 능동잡음필터를 적용하여 기저잡음의 반 이상을 제거할 수 있었고 설치된 주변 환경에서 발생하는 전자기 잡음 및 지자기로 부터의 영향을 받지 않고 자화된 금속 이물질을 검출할 수 있음을 보여주었다. 자화된 철구의 경우 5mm 이격거리에서 지름 0.8mm 까지 감지가 가능함을 실험적으로 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

High sensitivity magnetic sensor having foreign metal detection capability is proposed utilizing giant magneto-impedance effect. Strip sensor showed the increasing output voltage when the external magnetic field was applied along with strip from strip grounding point, although the initial DC voltage varied depending on the pointing direction of strip sensor. Proposed sensor was able to eliminate more than half of background noise using active noise filter to achive high sensitivity, and it showed the capability to detect magnetized foreign metal object independent of ambient electro-magnetic noise and earth magnet. In case of ferrous sphere, the metal detection up to 0.8mm diameter was experimentally demonstrated at 5mm distance from strip sensor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

거대자기임피던스 자기센서를 이용한 금속감지 방식은 자기장의 변화만을 감지하므로 기존의 전자파방식과 같이 피검사체의 흡습 정도나 알루미늄 포장재의 존재에 영향을 받지 않고 비접촉식으로 내부를 투과하여 감지할 수 있기 때문에, 기존의 전자파 감지 방식에서와 같이 피검사체의 흡습 정도에 따라 감도를 낮게 조정할 필요가 없어 이종 금속에 대한 변별력과 함께 안정적인 금속 이물질 검출이 가능하다. 본 논문에서는 거대자기임피던스 효과를 이용한 자기센서를 사용하여 자화된 금속 이물질 검출에 대하여 실험적으로 연구하였다.
본 연구에서는 거대자기임피던스 효과를 이용한 고감도 금속감지 방법을 시도하였다. 거대자기임피던스 자기센서를 이용한 금속감지 방식은 자기장의 변화만을 감지하므로 기존의 전자파방식과 같이 피검사체의 흡습 정도나 알루미늄 포장재의 존재에 영향을 받지 않고 비접촉식으로 내부를 투과하여 감지할 수 있기 때문에, 기존의 전자파 감지 방식에서와 같이 피검사체의 흡습 정도에 따라 감도를 낮게 조정할 필요가 없어 이종 금속에 대한 변별력과 함께 안정적인 금속 이물질 검출이 가능하다.

제안 방법

거대자기임피던스 효과를 이용한 자기센서를 구현 및 평가하기 위하여 금속감지 자기헤드부, 연자성체 구동부, 자기센서 수신부를 다음과 같이 구성하였다.
거대자기임피던스 효과를 이용한 자기센서를 제작하여 자화된 금속감지 특성을 평가하였다. 센서는 먼 거리에서는 거리의 제곱에 반비례하는 감도를 나타내지만 가까운 거리에서는 센서 스트립의 위치에 따라 감도가 변화하며 접지점에서 멀어질수록 출력전압이 증가하며 이는 스트립의 축 방향에 거의 무관함을 알 수 있다.
능동잡음필터의 내부 블록도를 그림 4에 나타내었다. 능동잡음필터의 작동원리는 1차 증폭기 출력신호를 두 가지 경로로 나누어 첫 번째 경로는 그대로 보내고 두 번째 경로는 반전신호를 만들어 금속감지 신호가 없을 경우는 그대로 보내고 금속감지 신호가 입력될 경우는 차단하여, 이 두 가지 경로를 합하여 상쇄시키거나 감지신호를 그대로 통과시키거나 하는 방법을 사용하였다. 이렇게 제작된 거대자기임피던스 효과를 이용한 자기센서를 아래 그림 5에 나타내었다.
이러한 내부 잡음은 전 주파수 대역에 걸쳐서 불규칙하게 분포되어 있으므로 일반적인 필터로는 제거가 어렵다. 따라서 금속감지시의 신호패턴과 무감지시의 신호패턴의 차를 분석하여 무감지시는 잡음신호가 상쇄되고 감지 할 때는 감지신호를 그대로 통과시키는 능동잡음필터를 사용하여 내부 잡음을 경감시키는 방법을 사용하였다. 능동잡음필터의 내부 블록도를 그림 4에 나타내었다.
자기센서 수신부는 수신코일에서 수신된 검출신호를 샘플링한 후 잡음제거 회로를 사용하여 주변 잡음을 1차로 제거하고 수신신호 전압 최대값이 증폭기의 허용입력전압에 근접하도록 증폭시킨 후 능동 잡음제거 회로를 사용하여 기저잡음을 제거하였다. 이렇게 잡음이 제거된 수신신호를 필요한 크기로 증폭하고 금속검출 경보를 발생시키는 임계치보다 큰 수신전압이 입력되면 외부 신호처리 모듈이 필요한 사양의 출력전압이 송출되도록 하였다. 자기센서 수신부의 블록도를 그림 3에 나타내었다.
자기센서 수신부는 수신코일에서 수신된 검출신호를 샘플링한 후 잡음제거 회로를 사용하여 주변 잡음을 1차로 제거하고 수신신호 전압 최대값이 증폭기의 허용입력전압에 근접하도록 증폭시킨 후 능동 잡음제거 회로를 사용하여 기저잡음을 제거하였다. 이렇게 잡음이 제거된 수신신호를 필요한 크기로 증폭하고 금속검출 경보를 발생시키는 임계치보다 큰 수신전압이 입력되면 외부 신호처리 모듈이 필요한 사양의 출력전압이 송출되도록 하였다.
자화된 금속구(철)를 사용하여 감지 특성을 측정하였다. 지름 1.
기저잡음을 제거하기 위하여 능동잡음필터를 사용하여 ~2/3에 해당하는 잡음성분을 감소시킬 수 있었다. 자화된 금속구의 검출은 5mm이격된 거리에서 지름 1.2mm와 0.8mm인 철구를 사용하여 검출감도 시험하였다. 측정결과는 철구의 경우 지름 0.

대상 데이터

이러한 연자성체 재료는 Fe-Si-B 합금계열에 Cu와 Nb를 소량 첨가하거나 일부 Fe 성분을 Co 또는 Ni과 치환하여 제조한다[20]. 본 연구에서는(FeCo)SiB 연자성체 재료를 사용하였다.
즉 표 1과 같은 μr=5000을 갖는 (FeCo)SiB 연자성체를 코어 재료로 사용하고 그 위에 표 2와 같이 보빈 위에 코일을 감아 사용하였다.

성능/효과

능동잡음필터는 잡음의 불규칙성을 분석하여 불규칙한 정도를 판단의 기준으로 하여 소거시키는 방법을 사용하였다. 그러나 과도한 적용은 감도를 저하시키므로 실험을 통하여 허용치를 결정하였고, 그림8에서는 시간 기준으로 잡음의 약 2/3가 제거되었고 진폭기준으로도 약 2/3가 제거됨을 보이고 있다.
또한 본 연구에서 적용한 자기센서를 이용한 금속 감지 방식은 기존의 일반적인 LVDT를 이용한 금속 감지 방식[22]과 비교하여 간단한 구조로도 유사한 검출 감도를 가지며 LVDT 방식이 검출할 수 없는 전기전도성을 갖는 알루미늄 포장재 내부의 금속도 검출할 수 있는 장점이 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기센서 자체의 내부 잡음은 어떻게 경감시켰는가?	이러한 내부 잡음은 전 주파수 대역에 걸쳐서 불규칙하게 분포되어 있으므로 일반적인 필터로는 제거가 어렵다. 따라서 금속감지시의 신호패턴과 무감지시의 신호패턴의 차를 분석하여 무감지시는 잡음신호가 상쇄되고 감지 할 때는 감지신호를 그대로 통과시키는 능동잡음필터를 사용하여 내부 잡음을 경감시키는 방법을 사용하였다. 능동잡음필터의 내부 블록도를 그림 4에 나타내었다.
	비정질합금은 어떤 특성을 갖는가?	특히 도전율이 크며 두께가 얇은 비정질 합금 재료가 자기 결정 이방성, 결정구조결함으로 인하여 우수한 연자석 성질을 가진다. 비정질합금은 연자성 성질을 가지면서 기계적인 강도도 일반 금속과 같이 유지되는 특성을 가지고 있다. 나노결정합금 재료도 거대자기임피던스 센서 재료로 높은 감도를 나타내는데, 이는 비정질금속결정성은 연자석 성질을 약화 시키지만 일부 10μm이하의 나노결정성은 연자석 성질을 향상시키기 때문이다[19].
	자기센서는 어떻게 분류되는가?	자기센서는 기존의 철, 텅스텐 등의 금속체를 검출하는 금속검출기와 달리 자화된 금속체 만을 검출하며 다양한 산업분야에 적용된다[1-3]. 현재 자기센서는 홀(Hall)센서[4], 자기저항센서[5-6], 거대자기저항(GMR)센서[7], 플럭스게이트(Flux-Gate)센서[8-9], 자기임피던스(MI)센서[10-11], 거대자기임피던스(GMI) 센서[12-13]로 분류된다. 이중 거대자기임피던스센서는 인가주파수에 따라 동작원리가 달라지는데 저주파(1~10kHz)에서는 자기인덕티브[14] 현상을, 고주파(10kHz-1GHz)에서는 표피효과를[15], 초고주파(>1GHz)에서는 페로마그네틱공진[16] 현상을 이용한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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