[논문]교량 센서를 위한 콘크리트 투과 무선 전력 및 데이터 전송 방법

장유진; 한정규; 조신영; 문건우

문제 정의

본 논문에서는 무선 전력 시스템을 이용하여, 콘크리트 구조물 속 센서에 전원을 공급하며, 동시에 무선전력시스템의 2차측에 부하변동을 일으켜 센서가 측정한 데이터를 송신하고, 1차측 캐패시터의 전압을 이용해 수신하는 회로를 제안한다. 제안한 방법은 전력선과 부가적인 통신 모듈 제거를 통해 비용을 절감 할 수 있다.
본 논문에서는 교량 센서용 디지털 데이터 전송회로를 포함한 무선전력 전송 회로를 제안하였다. 실험을 통해 300mm두께의 콘크리트를 투과하여 수신부에 10W의 전력이 43.

제안 방법

실험은 10W(3.3V, 3A) 전력 전송을 목표로 하였으며, 콘크리트 구조물의 두께를 50mm에서 300mm까지 변화시켜, 공진기, 사이의 거리를 조절하며 실험을 진행하였다. 효율결과는 표1에 정리하였다.
다음으로 2차측 전력 수신부에서 1차측 전력 송신부로 데이터를 전송 하는 실험을 진행하였다. 먼저, 공진기를 이용하여 왜곡 없이 전송되는 최대 전송률을 확인 하였다.
다음으로 2차측 전력 수신부에서 1차측 전력 송신부로 데이터를 전송 하는 실험을 진행하였다. 먼저, 공진기를 이용하여 왜곡 없이 전송되는 최대 전송률을 확인 하였다. 로드 가변 스위치(S_L)에 함수 발생기의 클럭 신호를 인가하여, 1차측 캐패시터에 동기화된 신호가 검출되는지를 평가 하였다.
먼저, 공진기를 이용하여 왜곡 없이 전송되는 최대 전송률을 확인 하였다. 로드 가변 스위치(S_L)에 함수 발생기의 클럭 신호를 인가하여, 1차측 캐패시터에 동기화된 신호가 검출되는지를 평가 하였다. 그림 6에서 보는 것과 같이 1500bps의 속도로 데이터가 2차측 전력 수신부에서 1차측 전력 송신부로 전달 가능함을 확인하였다.
그림 6에서 보는 것과 같이 1500bps의 속도로 데이터가 2차측 전력 수신부에서 1차측 전력 송신부로 전달 가능함을 확인하였다. 다음으로 디지털 패킷 전송 실험을 진행하였다. 그림3에서 정의한 8가지 아날로그 전압에 해당하는 8가지 디지털 신호(110001, 110011, 110101, 110111, 111001, 111011, 111101, 111111)는 모두 왜곡 없이 2차측 수신부에서 1차측 송신부로 전달됨을 확인하였다.

대상 데이터

무선 전력 및 데이터 전송을 위한 실험구성은 그림5와 같다. 실험에 사용될 철근이 포함된 콘크리트 구조물은 가로 세로 600mm의 크기를 가지며, 깊이를 50mm부터 300mm까지 변화하여 제작하였다. 1차측 공진기와 2차측 공진기는 콘크리트 사이에 위치하며, 각각 10턴, 직경 300mm로 제작되었다.
실험에 사용될 철근이 포함된 콘크리트 구조물은 가로 세로 600mm의 크기를 가지며, 깊이를 50mm부터 300mm까지 변화하여 제작하였다. 1차측 공진기와 2차측 공진기는 콘크리트 사이에 위치하며, 각각 10턴, 직경 300mm로 제작되었다. 무선전력전송용 공진기의 변수 값은 자화 인덕턴스 42μH, AC저항 0.

성능/효과

본 논문에서는 무선 전력 시스템을 이용하여, 콘크리트 구조물 속 센서에 전원을 공급하며, 동시에 무선전력시스템의 2차측에 부하변동을 일으켜 센서가 측정한 데이터를 송신하고, 1차측 캐패시터의 전압을 이용해 수신하는 회로를 제안한다. 제안한 방법은 전력선과 부가적인 통신 모듈 제거를 통해 비용을 절감 할 수 있다. 그리고 데이터 전송에 의한 전력 전송시스템의 효율 저감이 거의 없다.
그리고 데이터 전송에 의한 전력 전송시스템의 효율 저감이 거의 없다. 본론에서는 무선 전력 및 데이터 전송 원리에 대하여 설명하고, 300mm 거리의 콘크리트 구조물을 투과한 실험결과를 통해서 제안된 방법의 타당성을 보인다.
로드 가변 스위치(S_L)에 함수 발생기의 클럭 신호를 인가하여, 1차측 캐패시터에 동기화된 신호가 검출되는지를 평가 하였다. 그림 6에서 보는 것과 같이 1500bps의 속도로 데이터가 2차측 전력 수신부에서 1차측 전력 송신부로 전달 가능함을 확인하였다. 다음으로 디지털 패킷 전송 실험을 진행하였다.
다음으로 디지털 패킷 전송 실험을 진행하였다. 그림3에서 정의한 8가지 아날로그 전압에 해당하는 8가지 디지털 신호(110001, 110011, 110101, 110111, 111001, 111011, 111101, 111111)는 모두 왜곡 없이 2차측 수신부에서 1차측 송신부로 전달됨을 확인하였다. 전달된 디지털 신호의 통신속도는 500bps로 설정 하였다.
그림7은 8가지 신호 중에 디지털 신호 110101이 1차측으로 파형의 왜곡 없이 전달 됨을 보여준다. 따라서 무선전력전송을 진행 하면서, 2차측 전력 수신부에서 생성된 신호 데이터가 디지털로 변환되어서 1차측 전력 송신부로 공진기를 통해서 전송 될 수 있음을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 교량 센서용 디지털 데이터 전송회로를 포함한 무선전력 전송 회로를 제안하였다. 실험을 통해 300mm두께의 콘크리트를 투과하여 수신부에 10W의 전력이 43.64% 효율로 전달됨을 확인하였다. 수신부에서는 아날로그 전압 정보가 디지털 신호로 변환되어, 부가적인 통신회로 없이 공진기를 통해서, 1차측 송신부로 전달됨을 확인하였다.
64% 효율로 전달됨을 확인하였다. 수신부에서는 아날로그 전압 정보가 디지털 신호로 변환되어, 부가적인 통신회로 없이 공진기를 통해서, 1차측 송신부로 전달됨을 확인하였다. 따라서 제안한 회로 및 데이터 전송 기법은 저비용 교량용 센서 시스템에 적합하다.
수신부에서는 아날로그 전압 정보가 디지털 신호로 변환되어, 부가적인 통신회로 없이 공진기를 통해서, 1차측 송신부로 전달됨을 확인하였다. 따라서 제안한 회로 및 데이터 전송 기법은 저비용 교량용 센서 시스템에 적합하다.
효율결과는 표1에 정리하였다. 표1에 의하면, 제안한 데이터 전송 회로를 포함한 무선전력 전송회로와 기존 무선전력 사이에 효율의 저하가 최대 0.5%정도로 거의 차이가 없음을 확인 할 수 있다. 이는 캐패시터 전압을 감지하는 데이터 전송 회로에 의한 손실이 거의 없음을 의미한다.

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