소형 기상관측장치를 위한 초음파 풍향풍속계 및 로드셀 방식 강수량계 :An ultrasonic wind sensor and load cell precipitation for compact meteorological monitoring systems

이선길

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이선길 (경북대학교, 경북대학교 대학원)

지도교수: 최시영

발행연도: 2014

저작권: 경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수16

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

소형 기상관측장치를 위한 초음파 풍향풍속계 및 로드셀 방식 강수량계

이선길 센서및디스플레이공학과 2014.01 학위논문

2013

압전진동자를 이용한 초음파형 풍향풍속계

이선길 , 문영순 , 최시영 센서학회지 2013.01 학술저널

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본 연구에서는 좁은 공간에 정밀한 자동기상관측시스템을 설치하여 관측하기 위한 목적으로 하나의 시스템에 풍향 및 풍속, 온도, 습도, 대기압, 강수량을 관측할 수 있는 소형의 기상정보시스템을 제작하였다.
소형의 기상정보시스템을 제작하기 위해, 압전진동자를 사용하여 초음파 원리를 이용한 초음파형 풍향풍속계, 그리고 rain cap을 통해 다이어프램에 전달되는 하중을 실리콘 스트레인게이지의 전압으로 출력하여 강수량을 측정하는 강수량계, 온도변화에 따른 저항변화가 매우 우수한 백금을 이용한 백금박막온도센서, 그리고 두개의 전극사이에 폴리이미드 감습제를 이용하여 습도변화에 따른 정전용량값의 변화를 측정하는 정전용량형 습도센서와 실리콘 웨이퍼에 full bridge로 구성된 4 개의 압저항을 통해 대기압을 전압으로 출력하는 대기압센서를 적용하였다.
기존에 사용되고 있는 풍차형(기계식) 풍향풍속계는 회전체의 기계적인 마모에 의해 발생하는 짧은 주기의 부품교체로 인해, 제품의 신뢰성이 낮고, 부품교체에 따른 특성차가 발생하며, 유지보수 비용이 높다는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 베어링을 사용하기 때문에 해양환경 및 극저온 환경 등 사용상의 제약이 많았다.
또한, 기존의 강수량계는 물의 무게를 이용하여 일정한 양의 물이 차면 중력에 의해 접점을 형성하여 강수를 측정하는 방식으로, 배수 구멍을 통해 들어온 바람에 의해 비가 오지 않아도 접점을 형성하는 문제가 있으며, 크기가 매우 커서 많은 공간을 차지하기 때문에 설치에 어려움이 있었다.
본 연구에서는 장기신뢰성이 우수하고, 사용환경에 제약을 받지 않는 초음파형 풍향풍속계를 제작하기 위하여 90˚ 등각도로 위치한 4 개의 압전진동자를 사용하여 센서 구조물을 제작하였으며, 압전진동자 발진 및 송수신 회로를 제작하고, 송수신 속도차를 이용하여 2축 벡터계산을 통해 풍향풍속을 측정할 수 있도록 프로세서에 펌웨어를 프로그래밍하여 그 특성을 실험하였다.
또한, 실리콘 스트레인게이지를 이용한 로드셀 방식 강수량계를 제작하기 위해, 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하여 그 위에 이온주입법으로 브리지형 압저항체를 형성한 후 CMP 공정으로 두께 100 ㎛의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하고 표면에 다량의 크롬과 니켈을 함유하고 있어 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 비교적 높은 스테인레스 재질의 SUS630 다이아프램 구조물에 접착하여 그 특성을 실험하였다.

This study aims at installing a fine AWS(automatic weather system) in a small space; therefore, a small weather information system has been constructed to observe wind direction and speed, temperature, humidity, barometric pressure, and rainfall in a single system.
The compact weather information system has been suggested by applying the following components: the ultrasonic anemometer using a piezoelectric vibrator, the precipitation sensor generating the output voltage of the silicon strain gauge including diaphragm connected a rain cap in order to measure rainfall, the platinum thin-film temperature sensor with excellent resistance variations according to temperature variations, the capacitive humidity sensor using polyimide humidity sensitive element between two electrodes to measure changes in capacitance according to changes in humidity, and the barometric pressure sensor generating the output voltage through four full-bridge piezoresistors on the silicon wafer.
The existing mechanical anemometers have the following drawbacks. Due to the short-term replacement of worn parts caused by mechanical wear of the rotor: the low reliability of these products, characteristic differences caused by the replacement of parts, and high maintenance costs. In addition, there are many restrictions on the existing anemometers in the marine environment and the cryogenic environment due to the use of bearings.
Furthermore, in order to measure rainfall, the existing precipitation sensors fill up a certain amount of water by using the weight of the water and then the contact point is formed due to the force of gravity. Therefore, there are drawbacks to the existing precipitation sensors. The contact point can be formed even by the wind coming through a drainage hole when there is no rain. It is difficult to install them because they are too big and take up a lot of space.
In this study, compact meteorological sensors has been fabricated to create an ultrasonic anemometer by using four piezoelectric vibrators located equally at a 90 degree angle. As a result, it can guarantee its excellent long-term reliability and won''t be limited to the above mentioned environment. The piezoelectric oscillation and transceiver circuit has been fabricated, and the firmware has been programmed on the given processor to measure the wind direction and speed through the two-axis vector calculation by using the difference between sending and receiving speed. After that, the corresponding characteristics have been tested.
In addition, a load cell precipitation sensor has been created by using a silicon strain gauge as follows. The bridge-type piezoresistors have been formed on a single crystal silicon wafer as a substrate by using ion implantation, and then the silicon strain gauge of 100 ㎛ has been made with CMP(chemical mechanical polishing) process. The precipitation sensor has been bonded to the SUS630 stainless steel diaphragm with relatively high corrosion resistance, tensile strength and elastic modulus because the SUS630 diaphragm contains large amounts of chromium and nickel on the surface. After that, the corresponding characteristics have been tested.

#meteorological sensor #multi sensor

1. 序論 1
2. 理論 4
2-1. 자동기상관측시스템 4
2-1-1. 자동기상관측자료 수집체계 4
2-1-2. 자동기상관측장비 5
2-1-3. 국지수집장치와 초고속국가통신망 8
2-1-4. 국지기상연속감시시스템과 종합기상정보시스템 10
2-1-5. 자동기상관측망의 자료처리시간 10
2-2. 자동기상관측장비 센서 12
2-2-1. 온도센서 12
2-2-2. 습도센서 13
2-2-3. 풍향센서 15
2-2-4. 풍속센서 16
2-2-5. 기압센서 17
2-3. 초음파형 풍향풍속계 18
2-3-1. 압전진동자 18
2-3-2. 초음파 21
2-3-3. 초음파를 이용한 풍속 측정 원리 22
2-3-4. 초음파형 풍향풍속계 23
2-4. 스트레인게이지 25
2-4-1. 응력과 변형 25
2-4-2. 탄성과 소성 27
2-4-3. 스트레인게이지 28
2-5. 압저항 효과 29
2-6. 휘트스톤 브리지 회로 34
2-7. 실리콘의 온도특성 36
2-8. 다이아프램 40
2-9. 로드셀의 오차 44
2-10. 빗방울의 특성 45
3. 實驗 48
3-1. 초음파를 이용한 풍속측정 장치 제작 48
3-2. 초음파센서 제작 52
3-2-1. 압전진동자 제작 52
3-2-2. 초음파센서 제작 54
3-3. 초음파 풍향풍속 측정 회로 제작 57
3-3-1. 풍향풍속 측정 회로 설계 57
3-3-2. 초음파 발진 및 송신 회로 제작 58
3-3-3. 초음파 수신 회로 제작 59
3-3-4. 초음파 수신신호 레벨 검출 회로 제작 60
3-3-4. 히터제어 회로 제작 61
3-4. 초음파 풍향풍속계 제작 62
3-4-1. 센서 해드부 제작 62
3-4-2. 초음파 풍향풍속계 제작 63
3-5. 풍향 및 풍속 실험 65
3-5-1. 초음파 송수신 신호 측정 65
3-5-2. 풍동계를 이용한 풍속 실험 67
3-5-3. 턴테이블을 이용한 풍향 실험 68
3-5-4. 기준센서를 이용한 실외 실험 69
3-6. 다이아프램 설계 및 가공 70
3-7. 압저항의 설계 및 위치선정 71
3-8. 실리콘 스트레인 게이지 설계 및 마스크 제작 74
3-9. 실리콘 스트레인 게이지의 제작 75
3-10. 로드셀 79
3-11. 고정하중 측정 81
3-12. 충격하중 측정 83
4. 結果 및 考察 87
4-1. 초음파 풍향풍속계의 출력특성 87
4-1-1. 풍동계 풍속 특성 87
4-1-2. 풍동계 풍향 특성 88
4-1-3. 실외 비교관측 특성 89
4-2. 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀의 특성 91
4-2-1. 다이아프램 위치에 따른 저항변화 91
4-2-2. 온도특성 92
4-2-3. 비직선성 94
4-3. 고정하중 측정 95
4-4. 충격하중 측정 97
4-4-1. 1m 높이에서의 충격하중 실험 97
4-4-2. 높이에 따른 충격하중 실험 98
4-4-3. 14m 높이에서의 충격하중 실험 99
4-4-4. 강수량 측정 101
5. 結論 103
參考文獻 105
英文抄錄 109

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