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1. 초전형 적외선 센서와 신호 처리 회로
1.1. 초전형 적외선 센서의 원리
초전형 적외선 센서는 외부 물체에서 방출되는 적외선 에너지를 감지하여 전기 신호로 변환시키는 센서이다. 이 센서는 온도 변화에 따라 전기적 성질이 변화하는 압전 세라믹 물질을 사용하여 작동한다.
적외선 에너지가 센서에 입사되면 센서 물질이 온도 변화를 일으킨다. 이에 따라 압전 세라믹 물질의 분극 정도가 변화하여 전기적 신호가 발생한다. 이 전기 신호는 매우 미약하기 때문에 증폭 회로를 통해 증폭되어야 한다.
초전형 센서는 검출 감도의 파장 의존성이 없고, 센서부의 냉각이 필요하지 않아 사용하기 편리한 장점이 있다. 하지만 출력 임피던스가 매우 높아 잡음이 많고, 출력 신호도 작기 때문에 신호 처리 회로가 필요하다.
초전형 적외선 센서는 인체 발열 감지, 화재 경보, 가스 누출 감지 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 최근에는 고감도, 저잡음, 저전력 특성을 갖는 센서 개발이 활발히 이루어지고 있다.
1.2. 신호 증폭을 위한 고역 통과 필터와 증폭기
초전형 적외선 센서는 출력 임피던스가 매우 높아 잡음이 많고 출력 신호가 작기 때문에, 이를 보완하기 위해 고역 통과 필터와 증폭기를 사용한다. 고역 통과 필터는 입력 신호에서 낮은 주파수 성분을 제거하여 센서의 출력 신호를 증폭시킬 수 있다. 또한 증폭기를 통해 신호의 크기를 증폭시켜 측정 및 분석이 용이하도록 한다.
고역 통과 필터는 RC 회로를 이용하여 구현할 수 있다. RC 회로에서 저항 R과 커패시터 C의 값을 적절히 선택하면 원하는 차단 주파수를 가진 고역 통과 필터를 설계할 수 있다. 차단 주파수는 의 관계식을 통해 계산할 수 있다. 낮은 주파수 성분을 제거하여 센서 출력 신호의 증폭이 가능해진다.
증폭기로는 연산 증폭기(Op-Amp)를 활용할 수 있다. Op-Amp는 입력 신호를 원하는 배율로 증폭시킬 수 있다. 반전 증폭기 또는 비반전 증폭기 회로를 구성하여 센서의 출력 신호를 적절히 증폭시킬 수 있다. 증폭률은 Op-Amp의 입력 저항과 피드백 저항의 비율에 의해 결정된다.
이와 같이 고역 통과 필터와 증폭기를 활용하면 초전형 적외선 센서의 출력 신호를 효과적으로 처리할 수 있다. 낮은 주파수 성분을 제거하고 신호를 증폭시켜 측정과 분석을 용이하게 할 수 있다."
1.3. 잡음 제거를 위한 저역 통과 필터 설계
잡음 제거를 위한 저역 통과 필터 설계는 초전형 적외선 센서 회로에서 매우 중요한 부분이다. 센서의 출력은 매우 작은 전압 신호이기 때문에 주변의 잡음으로 인해 신호 검출이 어렵다. 따라서 저역 통과 필터를 통해 고주파 잡음을 제거하여 원하는 신호만을 추출할 수 있다.
문서에 따르면, 실험 계획서에 구성된 회로를 설계하고 초전형 적외선 센서의 단자를 주의하여 연결하였다. 그리고 두 번째 반전증폭기 회로에 10nF 커패시터를 병렬로 연결하여 저역 통과 필터 기능을 추가하였다. 이를 통해 출력 파형에 포함된 잡음 성분의 크기 변화를 관찰하였다.
구체적으로, 10nF 커패시터를 추가하여 저역 통과 필터를 구현한 결과, 출력 신호의 잡음이 약 20% 감소한 것을 확인할 수 있었다. 센서에 손을 댄 후에는 이전 회로에서와 같이 LED가 켜졌지만, 노이즈가 훨씬 감소한 형태의 출력을 얻을 수 있었다.
저역 통과 필터의 3dB 주파수는 다음과 같이 계산할 수 있다. 회로 분석을 통해 ...
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