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[국내논문] 전기용량 측정에 의한 기울기 센서연구
Study on Inclination Sensor by Capacitance Measurements 원문보기

한국전기전자재료학회 2003년도 하계학술대회 논문집 Vol.4 No.2, 2003 July 10, 2003년, pp.807 - 810  

김한준 (한국표준과학연구원) ,  이래덕 (한국표준과학연구원) ,  강전흥 (한국표준과학연구원) ,  한상옥 (충남대학교)

초록
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금속 평행판 전극 사이에 주입된 액체 유전체의 움직임에 의해서 발생되는 차동 전기용량 변화를 이용하여 기울기 측정센서를 개발하였다. 기울기 $0^{\circ}{\sim}{\pm}90^{\circ}$의 범위에서 직선에 대한 상관계수가 0.999 99로 분석이 되어 우수한 선형성을 보였다. 센서의 전극구조를 완벽한 3-전극형 전기용량기로 설계하였기 때문에 외부로부터의 전자기 잡음 및 전기장의 영향에 관계없이 기울기를 정밀하게 측정할 수 있었다. 또한 안정된 디지털 출력을 이용하여 기울기의 정밀측정 뿐만 아니라 장치나 구조물 등의 기울기를 원격조정 또는 monitoring에도 적용이 가능하다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 연구에서는 양면 회로 기판 위에 형성된 한 쌍의 반원형 내부 전극과 이에 대향되는 외부 원형전극으로, 내부 전극 양쪽에 부착하여 제작된 3-단자형 전기용량기형 센서를 개발하였다. 개발된 센서 내부에 최적의 전기적 특성을 지닌 액체 유전체를 주입하면 주입된 액체 유전체가 대상물체의 기울기에 따라 유동함으로써 발생되는 차동의 전기용량 변화를 이용하여 대상물체의 기울기 또는 각도를 정밀측정 할 수 있는 방법을 개발하였다.
  • 전기용량이 증가되거나 측정 주파수가 증가되면 리액턴스가 감소되고 측정 회로에서의 전류가 증가되기 때문이다. 따라서 중앙의 내부 전극을 중심으로 양쪽에 대향 전극을 설치하여 출력 전기용량을 2배로 증가시킨 구조로 설계하였다. 또한 재현성과 안정도가 우수한 전기 용량기를 구성하기 위하여 적합한 크기를 지닌 가드링 전극의 적용과 정전차폐를 한 3-단자형 전기 용량기로 설계 제작 하였다.
  • 따라서 중앙의 내부 전극을 중심으로 양쪽에 대향 전극을 설치하여 출력 전기용량을 2배로 증가시킨 구조로 설계하였다. 또한 재현성과 안정도가 우수한 전기 용량기를 구성하기 위하여 적합한 크기를 지닌 가드링 전극의 적용과 정전차폐를 한 3-단자형 전기 용량기로 설계 제작 하였다. 즉 그림 1(a)와 같이 양면 회로 기판의 각면에 직경 25 mm인한 쌍의 반원형 내부 전극을 대칭으로 제작하고 그 주변에 폭이 약 5 mm인 가드링 전극을 형성하였다.
  • 즉 그림 1(a)와 같이 양면 회로 기판의 각면에 직경 25 mm인한 쌍의 반원형 내부 전극을 대칭으로 제작하고 그 주변에 폭이 약 5 mm인 가드링 전극을 형성하였다. 내부 전극을 중심으로 양쪽에서 대향되는 외부전극은 내부 전극과 동일한 크기와 형상으로 그림 1(b)와 같이 제작하였고 중앙부의 내부전극을 중심으로 대칭인 4개의 3-단자형 전기용량기가 구성되도록 그림 2에서와같이 금속링을 사용하여 각 전극의 간격과 위치를 고정시킨 후 두 개의 외부전극은 외부에서 병렬연결 하였다. 액체 유전체를 금속케이스 전체적의 절반이 채워지도록 주입하면 전극구조 몸체의 기울기에 따른 액체 유전체의 유동위치에 따라 두전기용량(G, &)의 차이가 발생하고 이들의 전기용량 값의 차이 (/C)를 측정함으로서 기울기를 측정할 수 있다.
  • 이 연구에서는 tan 6가 약 2 广1인 실리콘 오일을 유전체로 사용함으로서 전기용량 측정 시 컨덕턴스 평형조절이 완전히 무시 가능 하였다. 전극 면에 대한 액체의 부착력보다 액체 자체의 응집력을 증가시키기 위해서 모든 전극 표면을 테프론 등의 재질로 코팅하였다. 부착력이 응집력보다 크게되면 센서 몸체가 흔들리거나 회전했다가 원 위치로 돌아온 후에도 전극 표면에는 액체가 묻어있게 되고 이것은 측정에 큰 오차를 만드는 원인이 되기 때문이다.
  • 전기용량값을 차동으로 측정할 수 있는 전극 구조 내에 주입된 액체 유전체의 유동에 따라 전기용량 값 차이가 발생되어 기울기를 측정할 수 있는 전기용량을 응용한 측정방법을 개발하였다. 기울기 0° ~ ±90° 의 범위에서 직선에 대한 상관계수가 0.
  • 최근 미국 등에서 전기용량형 센서와 공기방울을 겸한 기울기 센세3], 추의 중력을 이용한 기계적 센세4], 용기 내부 액체의 전기저항을 이용한 기울기 센서 [5] 등이 발표되었으나 이미 위에서 언급한 것과 같은 유사한 단점을 모두 지니고 있다. 연구에서는 양면 회로 기판 위에 형성된 한 쌍의 반원형 내부 전극과 이에 대향되는 외부 원형전극으로, 내부 전극 양쪽에 부착하여 제작된 3-단자형 전기용량기형 센서를 개발하였다. 개발된 센서 내부에 최적의 전기적 특성을 지닌 액체 유전체를 주입하면 주입된 액체 유전체가 대상물체의 기울기에 따라 유동함으로써 발생되는 차동의 전기용량 변화를 이용하여 대상물체의 기울기 또는 각도를 정밀측정 할 수 있는 방법을 개발하였다.

대상 데이터

  • 또한 재현성과 안정도가 우수한 전기 용량기를 구성하기 위하여 적합한 크기를 지닌 가드링 전극의 적용과 정전차폐를 한 3-단자형 전기 용량기로 설계 제작 하였다. 즉 그림 1(a)와 같이 양면 회로 기판의 각면에 직경 25 mm인한 쌍의 반원형 내부 전극을 대칭으로 제작하고 그 주변에 폭이 약 5 mm인 가드링 전극을 형성하였다. 내부 전극을 중심으로 양쪽에서 대향되는 외부전극은 내부 전극과 동일한 크기와 형상으로 그림 1(b)와 같이 제작하였고 중앙부의 내부전극을 중심으로 대칭인 4개의 3-단자형 전기용량기가 구성되도록 그림 2에서와같이 금속링을 사용하여 각 전극의 간격과 위치를 고정시킨 후 두 개의 외부전극은 외부에서 병렬연결 하였다.
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