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KR200404559Y1 - 범용 다목적 브릿지 증폭기 - Google Patents

범용 다목적 브릿지 증폭기 Download PDF

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KR200404559Y1
KR200404559Y1 KR20-2005-0024109U KR20050024109U KR200404559Y1 KR 200404559 Y1 KR200404559 Y1 KR 200404559Y1 KR 20050024109 U KR20050024109 U KR 20050024109U KR 200404559 Y1 KR200404559 Y1 KR 200404559Y1
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Abstract

감지 센서의 출력에 따라 차동신호를 얻는 브릿지 회로를 이용하여 압력, 온도 및 저항성 변위를 범용적으로 측정할 수 있으며, 초소형으로 제작이 가능한 범용 다목적 브릿지 증폭기가 개시된다. 본 고안의 범용 다목적 증폭기는 압력, 온도 및 저항성 변위(선형 이동성)을 측정하는 경우에 하나의 휘스톤 브릿지의 단자 연결선을 변경하여 범용적으로 사용할 수 있으며 초소형으로 제작이 가능하고 사용상의 편의를 증진시킨다.

Description

범용 다목적 브릿지 증폭기{multi-purpose bridge amplifier}
본 고안은 범용 다목적 브릿지 증폭기에 관한 것으로, 특히 감지 센서의 출력에 따라 차동신호를 얻는 브릿지 회로를 이용하여 압력, 온도 및 저항성 변위를 범용적으로 측정할 수 있으며, 초소형으로 제작이 가능한 범용 다목적 브릿지 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로, 휘스톤 브리지(wheatstone bridge)는 도1에서 보는 바와 같이 전기저항이 R로 모두 동일한 값을 가지는 4개의 전기저항으로 구성하여 일측의 저항 한쌍과 다른 측의 저항 한쌍 사이의 차동신호를 얻을 수 있도록 하기 위한 장치이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 휘스톤 브릿지가 내부에 형성되어 동작하는 압력감지센서는 압력에 따라 전기저항이 변화하는 스트레인-게이지(strain-gauge)로 구성된 4개의 저항(R1~R4)을 양측이 고정된 감지막의 상부 및 하부의 동일 위치에 각각 2개씩 설치하여 구성된다. 감지막에 가해지는 압력이 0 이면 감지막의 상부 및 하부의 동일 위치에 각각 2개씩(R1,R2 및 R3,R4) 형성된 4개의 저항은 모두 동일한 R 값을 가지게 되고, 감지막에 압력이 가해지면 서로 쌍을 이루는 저항들의 저항값이 각각 서로 반대 방향으로 변화하게 된다. 즉, 감지막에 압력이 가해지면 두쌍의 저항중 R1 및 R3는 길이가 짧아져 전기저항이 감소하고, R2 및 R4는 반대로 길이가 길어져 전기저항이 증가하게 된다.
이와 같이 휘스톤 브릿지를 이용한 압력감지센서는 널리 사용되는데, 이는 측정환경의 변화에 출력이 민감하게 반응하지 않는 휘스톤 브릿지의 장점을 이용한 것이다.
그러나, 기기가 초소형화되고 범용성이 요구되어지는 추세에서 각종 변위를 측정하는 데 휘스톤 브릿지를 범용적으로 이용하여 사용상의 편의를 증진시키고자 하는 필요성이 제기된다.
본 고안은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 고안된 것으로, 본 고안의 범용 다목적 증폭기는 압력, 온도 및 저항성 변위(선형 이동성)을 측정하는 경우에 하나의 휘스톤 브릿지의 단자 연결선을 변경하여 범용적으로 사용할 수 있는 범용 다목적 브릿지 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은,
구동을 위한 직류전압(VE)을 입력받는 두개의 단자(101, 103)와 그라운드(GND)전압을 압력받기 위한 두개의 단자(102, 104)에 각각 대응되도록 이격되어 형성되는 4개의 단자들(105~108); 4 개의 단자들(105~108)중 두개의 단자(105, 106)가 연결되며 압력감지소자가 접속되는 동시에 휘스톤 브릿지 구성을 위한 단자(109)가 형성된 접점 A; 접점 A와 브릿지를 구성하는 제 1저항(R1)을 경유하여 직렬로 접속되며 온도감지소자 및 변위측정소자가 접속되기 위한 각각 두개의 단자(111, 113)가 형성된 접점 B; 4 개의 단자들(105~108)중 두개의 단자(107, 108)와 연결되며, 브릿지를 구성하는 제 2저항(R2)을 경유하여 온도감지소자 및 변위측정소자가 접속되기 위한 각각 두개의 단자(112, 114)가 직렬로 형성되는 접점 C; 접점 C와 브릿지를 구성하는 제 3저항(R3)을 경유하여 직렬로 접속되며, 브릿지를 구성하는 제 4저항(R4)을 경유하여 압력감지소자가 접속되는 동시에 휘스톤 브릿지 구성을 위한 단자(110)가 형성된 접점 D를 포함하는 휘스톤 브릿지부(210);
휘스톤 브릿지부(210)의 출력신호를 입력받아 이를 증폭하기 위한 두개의 증폭기(220, 230)로 형성된 증폭부;
증폭부의 출력측에 접속되어, 증폭된 신호를 각각 필터링하기 위한 로우패스필터(240) 및 하이패스필터(250)로 이루어진 필터부를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도면중 도 2는 휘스톤 브릿지를 이용한 저항성 변위 센서의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이고, 도 3은 휘스톤 브릿지를 이용한 온도 계측 회로의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이며, 도 4는 본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 휘스톤 브릿지의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 증폭부의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 필터부의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
본 고안에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기는 하나의 휘스톤 브릿지를 이용하여 압력감지센서, 저항성 변위센서 및 온도 계측센서에 범용적으로 사용할 수 있도록 장치를 구성한다.
저항성 변위센서회로는, 선형의 전기저항체상에서 접점이 이동하면서 양단의 전기저항이 변화하는 장치이다. 선형의 전기저항체에서 접점이 이동한 변위에 따른 전기저항의 변화를 ΔR 이라고 하면, 도 2에서 보는 바와 같이 ΔR보다 전기저항이 큰 저항 4개를 이용하여 휘스톤 브릿지를 이용하여 저항성 변위센서 회로를 구성할 수 있다.
도 2의 저항성 변위센서의 출력을 수식으로 표현하면 <식 1>과 같이 표현된다.
=
이때, R >> ΔR 이므로, 브릿지의 출력전압은,
<식 1>
<식 1>에서 휘스톤 브릿지회로의 차동출력전압은 ΔR 에 선형적으로 비례하게 된다.
또한, 온도 계측 회로에 사용되는 온도 계측 소자(써미스터)는 온도에 따라 전기저항이 지수함수적으로 변화하는 것으로 비선형적으로 변화하므로, 이를 선형화하기 위해서는 온도 계측 소자(써미스터)와 병렬로 일정한 저항을 연결시킨다. 즉, 도 3에서 보는 바와 같이, 온도 계측 소자(써미스터)(RT)와 병렬로 일정한 저항(RP)을 병렬로 연결시키면 온도에 따른 전기저항의 변화가 선형적으로 나타나는 데, 이 온도에 따른 변위를 ΔR 이라고 하면, ΔR보다 전기저항이 큰 저항 4개를 이용하여 휘스톤 브릿지를 구성하면 저항성 변위센서 회로와 동일한 구조를 갖는다.
도 3의 온도계측회로의 출력을 수식으로 표현하면 <식 2>과 같이 표현된다.
휘스톤 브릿지의 출력전압은
- <식2>
이므로, 휘스톤 브릿지의 출력전압은 온도의 선형함수가 된다.
상술한 바와 같이 압력감지센서 및 저항성 변위센서 및 온도 계측센서를 휘스톤 브릿지를 이용하여 구성하는 경우에 휘스톤 브릿지의 출력전압이 모두 선형적이므로, 도 4에서 보는 바와 같이 하나의 휘스톤 브릿지를 이용하여 압력감지센서, 저항성 변위센서 및 온도 계측센서에 범용적으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 휘스톤 브릿지는 도 4에서 보는 바와 같이 구동을 위한 직류전압(VE)을 입력받는 두개의 단자(101, 103)와 그라운드(GND)전압을 압력받기 위한 두개의 단자(102, 104)를 형성하며, 4개의 단자에 대응되도록 이격되어 형성되는 네 개의 단자(105~108)를 형성한다. 네 개의 단자(105~108)중 두개의 단자(105, 106)는 접점 A에 연결되며, 접점 A에는 단자(109)가 형성된다. 접점 A는 휘스톤 브릿지를 구성하는 제 1저항(R1)을 경유하여 접점 B와 직렬로 접속된다. 접점 B에는 각각 두개의 단자(111, 113)가 직렬 접속된다.
또한, 네 개의 단자(105~108)중 두개의 단자(107, 108)는 접점 C에 연결되며, 접점 C에는 휘스톤 브릿지를 구성하는 제 2저항(R2)을 경유하여 각각 두개의 단자(112, 114)가 직렬 접속된다. 접점 C와 제 2 저항(R2)을 경유하여 형성된 두개이 단자(112, 114)는 접점 B와 연결된 두개의 단자(111, 113)에 각각 대응되도록 형성된다. 접점 C는 휘스톤 브릿지를 구성하는 제 3저항(R3)을 경유하여 접점 D와 직렬로 접속된다. 접점 D에는 휘스톤 브릿지를 구성하는 제 4저항(R4)을 경유하여 단자(110)가 형성된다.
여기서, 접점 A, B, C 및 D에는 내부에 휘스턴 브릿지가 형성되어 압력을 측정하기 위한 압력감지소자가 접속될 수 있으며, 접점 A, B, C 및 D에는 압력감지소자가 접속되는 경우에는 회로내에 어떠한 저항도 연결하지 않는다. 압력감지소자를 사용하지 않는 경우에는 접점 B와 연결된 두개의 단자(111, 113) 및 접점 C와 제 2저항(R2)을 경유하여 형성된 두개의 단자(112, 114)에는 온도를 감지하기 위한 써미스터(RT) 및 이 써미스터(RT)와 병렬로 일정값 저항(RP)이 접속될 수 있다.
또는, 써미스터(RT) 및 이 써미스터(RT)와 병렬로 일정값 저항(RP) 대신에 저항성 변위(이동거리)를 측정하기 위한 선형의 전기저항체가 접속될 수 있다.
여기서, 접점 B와 접점 D가 휘스톤 브릿지의 차동출력값(VH - VL)이 되는 것이다.
만약, 이와 같이 구성된 휘스톤 브릿지를 압력감지센서로 사용하는 경우에는 대응되는 네개의 단자쌍(101 및 105, 102 및 106, 103 및 107, 104 및 108)중 두개의 단자쌍(102 및 106, 103 및 107) 혹은 압력감지센서의 종류에 따라 내부 브릿지의 구성이 반대인 경우에는 다른 두개의 단자쌍(101 및 105, 104 및 108)만을 연결시키며, 접점 A, B, C 및 D에는 내부에 휘스턴 브릿지가 형성되어 압력을 측정하기 위한 압력감지소자를 접속시키며, 회로에 다른 저항을 접속시키지 않으면 압력감지센서로 사용되는 것이다.
또한, 이와 같이 구성된 휘스톤 브릿지를 온도감지센서로 사용하는 경우에는 대응되는 네개의 단자쌍(102 및 105, 102 및 106, 103 및 107, 104 및 108)중 두개의 단자쌍(101 및 105, 104 및 108)만을 연결시키며, 접점 B와 연결된 두개의 단자(111, 113) 및 접점 C와 제 2저항(R2)을 경유하여 형성된 두개의 단자(112, 114)에는 온도를 감지하기 위한 써미스터(RT) 및 이 써미스터(RT)와 병렬로 일정값 저항(RP)을 접속시키며, 접점 A, B, C 및 D에 압력감지센서는 연결하지 않고 접점 A, B, C 및 D는 단순히 회로내의 접점으로만 작용한다.
만약, 저항성 변위센서로 사용하고자 하면 써미스터(RT) 및 이 써미스터(RT)와 병렬로 일정값 저항(RP) 대신에 저항성 변위(이동거리)를 측정하기 위한 선형의 전기저항체가 접속시키면 된다.
그러므로, 본 고안에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기는 하나의 휘스톤 브릿지를 이용하여 압력감지센서, 저항성 변위센서 및 온도 계측센서에 범용적으로 사용할 수 있으며 초소형으로 형성할 수 있다.
본 고안에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기의 범용 휘스톤 브릿지의 출력신호(VH - VL)는 도 5에서 보는 바와 같이, 두개의 증폭기(220, 230)로 형성된 증폭부를 통하여 로우패스필터(240) 및 하이패스필터(250)로 이루어진 필터부를 경유하게 된다. 여기서 증폭부 및 필터부는 통상의 구성 및 동작을 가짐으로서 그 설명을 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기는 휘스톤 브릿지를 비롯한 증폭부 및 필터부를 모두 칩의 형태로 형성할 수 있으며, 하나의 휘스톤 브릿지를 이용하여 압력감지센서, 저항성 변위센서 및 온도 계측센서에 범용적으로 사용할 수 있도록 장치를 구성함으로서 초소형으로 제작이 가능하고 사용상의 편의를 증진시킨다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 고안은 이에 한정되는 것이 아니며 본 고안의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.
도 1은 휘스톤 브릿지를 이용한 압력 감지 소자의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
도 2는 휘스톤 브릿지를 이용한 저항성 변위 센서의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
도 3은 휘스톤 브릿지를 이용한 온도 계측 회로의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 휘스톤 브릿지의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 증폭부의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 범용 다목적 브릿지 증폭기에 사용되는 필터부의 구조 및 동작을 보여주기 위한 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 ~ 114 : 단자 210 : 휘스톤 브릿지부
220, 230 : 증폭기 240 , 250 : 필터

Claims (1)

  1. 구동을 위한 직류전압(VE)을 입력받는 두개의 단자(101, 103)와 그라운드(GND)전압을 압력받기 위한 두개의 단자(102, 104)에 각각 대응되도록 이격되어 형성되는 4개의 단자들(105~108); 상기 4 개의 단자들(105~108)중 두개의 단자(105, 106)가 연결되며 압력감지소자가 접속되는 동시에 휘스톤 브릿지 구성을 위한 단자(109)가 형성된 접점 A; 상기 접점 A와 브릿지를 구성하는 제 1저항(R1)을 경유하여 직렬로 접속되며 온도감지소자 및 변위측정소자가 접속되기 위한 각각 두개의 단자(111, 113)가 형성된 접점 B; 상기 4 개의 단자들(105~108)중 두개의 단자(107, 108)와 연결되며, 브릿지를 구성하는 제 2저항(R2)을 경유하여 온도감지소자 및 변위측정소자가 접속되기 위한 각각 두개의 단자(112, 114)가 직렬로 형성되는 접점 C; 상기 접점 C와 브릿지를 구성하는 제 3저항(R3)을 경유하여 직렬로 접속되며, 브릿지를 구성하는 제 4저항(R4)을 경유하여 압력감지소자가 접속되는 동시에 휘스톤 브릿지 구성을 위한 단자(110)가 형성된 접점 D를 포함하는 브릿지부(210);
    상기 브릿지부의 출력신호를 입력받아 이를 증폭하기 위한 두개의 증폭기(220, 230)로 형성된 증폭부;
    상기 증폭부의 출력측에 접속되어, 증폭된 신호를 각각 필터링하기 위한 로우패스필터(240) 및 하이패스필터(250)로 이루어진 필터부를 포함하는 범용 다목적 브릿지 증폭기.
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