KR100437259B1 - 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이져 조사기술과 이미지처리기술을 이용하여 대형 구조물의 진동 주파수 및 진동폭을 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 대형 구조물과 더불어 진동하는 플레이트에 레이져를 광변조하여 조사하고, 플레이트 표면에 나타나는 레이져 스팟을 촬영하여 이를 이미지처리기술로 비교 분석한 뒤, 고속푸리에변환으로 주파수 스펙트럼으로 나타내어 대형 구조물의 진동주파수 및 진동폭을 산출해낼 수 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 레이져와 이미지 처리기술을 이용하여 대형 구조물의 진동을 측정함으로써, 구조물의 안전도를 평가할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광변조된 레이져를 대형 구조물과 더불어 진동하는 플레이트에 조사하고, 플레이트에 표시되는 레이져 스팟을 영상으로 촬영하여 촬영된 영상을 이미지처리기술을 이용하여 분석한 뒤, 기준주파수에 비교하여 대형 구조물의 진동주파수 및 진동폭을 주파수 스펙트럼으로부터 측정할 수 있는 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 교량, 도로 및 댐 등과 같은 대형 구조물은 변형 또는 붕괴되었을 때 주변에 미치는 영향이 지대하므로, 노후에 따른 상시적인 안전관리가 매우 중요하다.
이러한 안전관리의 일환으로 대형 구조물에 대한 변형 모니터링 기술이 발전되어 구축된 진단시스템으로 노후된 구조물에 대한 장기간의 연속적인 점검이 실시되어 왔다.
대형 구조물은 외부로부터 규칙적 또는 불규칙적인 충격을 상시적으로 받게 된다. 예를 들어 교량 또는 도로일 경우 통행하는 자동차로부터 갖가지 크고 작은 충격을 항상 받게 된다.
이러한 외부로부터 받는 충격은 구조물에 진동을 끊임없이 유발시키게 되고, 구조물이 노후해지면서 전반적인 내구성 저하로 이어져 붕괴의 위험성을 낳게 된다.
종래 구조물에 대한 진동감지는 변위의 측정을 위한 센서를 통해 이루어지는데, 센서를 통한 진동감지를 위해서는 구조물의 여러곳에 다수개의 센서를 부착한 뒤 상기 각 센서로부터 수신되는 감지신호를 모니터링 장치에서 분석하는 절차를 거치게 된다.
따라서 개개의 센서를 일일이 구조물의 여러 곳에 부착해야 하며, 또한 개개의 센서는 모두 유선으로 모니터링 장치에 연결해야 하기 때문에, 설치가 번거롭고 복잡하여 상시적인 진단 시스템으로는 부적합한 문제점이 있다.
특히 교량과 같이 복잡한 구조를 갖는 시설물에서는 센서의 부착위치나 측정부위의 제약이 심하기 때문에, 정확한 진동측정을 보다 빠른 시간 내에 해내기가 용이하지 못한 문제점이 있다.
이는 진동감지기술의 개발이 주로 자동차, 항공기, 선박 등의 진동측정과 같이 비교적 적은 변위의 측정 연구에서 비롯되었기 때문이다.
따라서 대형 구조물의 낙후에 따른 변형 및 붕괴 위험성을 극복하기 위해 진동측정의 정밀성과 신속성을 보장받을 수 있는 진단시스템의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은 레이져와 이미지 처리기술을 활용하여 대형 구조물의 진동주파수 및 진동폭을 측정할 수 있는 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은 대형 구조물에 설치된 플레이트에 레이져를 조사하고, 표시되는 레이져 스팟을 영상으로 촬영하여 기준 주파수에 대한 비교 처리함으로써, 대형 구조물의 진동주파수 및 진동폭을 측정할 수 있는 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적들은, 대형 구조물(200)에 설치되어 상기 대형 구조물(200)과 더불어 진동하는 플레이트(10);
기준 주파수원에 기초하여 광변조된 레이져를 상기 플레이트(10)에 조사하는 레이져 조사기(20);
상기 플레이트(10)에 조사되어 표시되는 레이져 스팟을 영상으로 촬영하는 영상획득수단; 및
상기 대형 구조물(200)의 진동을 측정하기 위해 상기 영상획득수단에 전기적으로 연결되어 기준 주파수에 대해 상기 영상획득수단의 프레임 주파수 및 촬영된 영상에서 획득된 주파수를 비교 처리하는 컴퓨터(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 진동 측정장치에 의하여 달성된다.
여기서 상기 영상획득수단은 팬-틸트 동작이 가능한 CCD 카메라(30)인 것이 바람직하다.
아울러 상기와 같은 본 발명의 목적들은, 레이져 조사기(20)의 레이져를 기준 주파수원에 기초하여 광변조하는 단계(S100);
광변조된 레이져를 대형 구조물(200)에 설치된 플레이트(10)에 조사하는 단계(S200);
상기 플레이트(10)에 조사되어 표시되는 레이져 스팟을 영상획득수단으로 촬영하는 단계(S300); 및
촬영된 영상에서 획득된 레이져 스팟의 주파수 및 상기 영상획득수단의 프레임 주파수를 기준주파수에 비교하여 고속푸리에변환을 통해 상기 대형 구조물(200)의 진동주파수 및 진동폭을 산출하는 단계(S400);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 진동 측정방법에 의하여 달성된다.
여기서 상기 영상획득수단은 팬-틸트 동작이 가능한 CCD 카메라(30)인 것이 바람직하다.
본 발명은 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동측정방법을 단계적으로 도시한 순서도,
도 3은 본 발명에 따라 측정한 결과를 도시한 그래프도,
도 4는 본 발명에 따라 영상으로 저장된 레이져 스팟을 시간과 거리에 따라 도시한 그래프도,
도 5는 도 4의 레이져 스팟을 이미지 처리기술과 고속푸리에변환에 의해 주파수대역으로 표시한 그래프도이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
10: 플레이트 20: 레이져 조사기
30: CCD 카메라 40: 컴퓨터
100: 진동측정장치 200: 대형 구조물
다음으로는 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동 측정장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 측정장치(100)는 교량과 같은 대형 구조물(200)에 플레이트(10)를 매달아 상기 플레이트(10)의 진동정도를 측정하여 상기 대형 구조물의 진동주파수 및 잔동폭을 산출하기 위한 장치이다.
이러한 상기 측정장치(100)는 대형 구조물(200)에 설치되는 플레이트(10)와, 상기 플레이트(10)에 레이져를 조사하는 레이져 조사기(20)와, 상기 플레이트(10)의 표면에 표시되는 레이져 스팟(Laser Spot)을 영상으로 촬영하는 영상획득수단및 상기 영상획득수단에 전기적으로 연결되어 획득된 영상을 이미지처리하여 대형 구조물(200)의 진동을 산출하는 컴퓨터(40)로 이루어진다.
상기 플레이트(10)는 상기 대형 구조물(200)의 하부에 매달아 고정된다. 그러면 상기 플레이트(10)는 상기 대형 구조물(200)에 가해지는 충격에 따라 더불어 진동하게 된다.
상기 플레이트(10)가 진동함에 따라 상기 플레이트(10) 표면의 특정위치에 연속적으로 레이져를 조사하기 위해 레이져 조사기(20)가 구비된다.
이 때 상기 레이져 조사기(20)의 레이져는 기준 주파수원의 기준 주파수에 기초하여 광변조된다. 따라서 상기 플레이트(10)에 조사되는 레이져는 광변조된 펄스파 형태의 레이져이다.
아울러 상기 플레이트(10)에 조사된 레이져는 육안으로 식별하기에 레이져 스팟으로 표시되는데, 상기 플레이트(10)가 진동함에 따라 스팟의 위치가 계속적으로 변경된다.
그리고 상기 플레이트(10)의 표면에 조사된 레이져 스팟은 CCD 카메라(30)와 같은 영상획득수단에 의해 촬영되고, 촬영된 영상 이미지는 컴퓨터(40)에 전송된다.
상기 컴퓨터(40)는 수신된 영상 이미지 데이터를 자체 내장된 프로그램에 따른 이미지 처리기술을 사용하여 처리하게 되는데, 기준이 되는 주파수 대역(조사된 레이져 펄스의 주파수 대역)에 대해 상기 CCD 카메라(30)의 프레임 주파수 및 촬영된 레이져 스팟을 비교 처리한다.
이를 통해 상기 대형 구조물(200)의 진동주파수 및 진동폭이 보다 정확하게 측정될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동측정방법을 단계적으로 도시한 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 진동측정방법은 레이져 조사기술 및 이미지 처리기술을 활용하여 대형 구조물(200)의 진동정도를 측정하는 각 단계들로 이루어진다.
우선, 플레이트(10)를 교량과 같은 대형 구조물(200)의 하부에 매달아 고정시킨다. 그러면 상기 플레이트(10)는 상기 대형 구조물(200)에 가해지는 외부로부터의 충격에 따라 더불어 진동할 수 있다.
그리고 레이져 조사기(20)의 레이져를 기준 주파수 대역에 기초하여 광변조하여 펄스 형태의 레이져로 변환시킨다.
이후 변환된 레이져 펄스를 상기 플레이트(10) 표면의 특정위치에 연속적으로 조사한다. 그러면 상기 플레이트(10)의 표면에는 조사된 레이져가 스팟 형태로 표시되며, 상기 플레이트(10)가 진동함에 따라 스팟의 위치가 계속 변화된다.
그리고 CCD 카메라(30)로 위치가 변화되는 상기 레이져 스팟을 연속적으로 촬영한다. 이 때 상기 CCD 카메라(30)는 초당 30프레임의 레이져 스팟 영상을 획득하게 된다.
이러한 초당 획득 프레임수는 상기 CCD 카메라(30)의 기기성능에 따라 변경될 수 있다.
다음으로 상기 CCD 카메라(30)에서 촬영된 영상 이미지는 컴퓨터(40)에 전송되어 이미지처리기술을 활용하여 처리되는데, 상기 CCD 카메라(30)의 프레임 주파수와 영상 이미지의 주파수를 플레이트(10)에 조사되는 레이져 펄스의 주파수 대역과 비교 산출한다.
그리고 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform)에 의해 주파수 스펙트럼으로 표시하여 상기 대형 구조물(200)의 진동주파수 및 진동폭을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 측정한 결과를 도시한 그래프도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 그래프도에서 X축은 진동 주파수 대역이고, Y축은 진동 진폭 대역이다.
레이져를 기준주파수 10 Hz에 의한 펄스파로 만들어 플레이트(10)에 조사하고, 이미지처리기법을 적용하여 주파수로 환산한 결과 상기 측정장치(100)는 약 10.006 Hz 즉, 약 0.06 %의 정확도를 갖고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 하여 측정장치(100)의 정확성을 확인한 후에 사용함으로써, 측정에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
이 때 주파수 측정 범위는 CCD 카메라(30)의 프레임에 제한을 받는데, 일반 카메라(초당 30프레임) 이용시에는 약 0 ∼ 15 Hz 정도까지의 진동 주파수 측정이 가능하지만 고속 카메라를 이용하면 최대 약 100 Hz 정도까지의 측정도 가능하다.
도 4는 본 발명에 따라 영상으로 저장된 레이져 스팟을 시간과 거리에 따라 도시한 그래프도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, X축은 레이져 스팟의 프레임별 표시 시간(초)이고, Y축은 거리(mm)이다.
플레이트(10)의 특정위치에만 레이져를 조사했지만, 플레이트(10)가 대형 구조물(200)과 더불어 진동함에 따라 레이져 스팟의 위치는 시간에 따라 게속적으로 변화되는 것을 시각적으로 알 수 있다.
도 5는 도 4의 레이져 스팟을 이미지 처리기술과 고속푸리에변환에 의해 주파수대역으로 표시한 그래프도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역이고, Y축은 진폭 대역을 나타낸다.
앞에서 설명된 도 4에서의 레이져 스팟들을 영상으로 표시한 이미지가 이미지처리기술과 고속푸리에변환에 의해 주파수 영역으로 변환되었다.
이 때 측정된 대형 구조물(200)의 진동 주파수와 진동폭은 각각 약 40Hz와 약 ±5mm정도인 것을 알 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법에서, 상기 영상획득수단은 CCD 카메라(30) 이외에, 디지털 카메라, 캠코터 등에서 임의로 택일하여 사용할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 대형 구조물의 진동 측정장치 및 측정방법에 의하면, 측정위치에 관계없이 진동을 측정할 수 있기 때문에, 구조가 복잡하여 기존 감지센서의 설치가 어려운 대형 구조물의 진동을 용이하게 측정할 수 있는 특징이 있다.
아울러 레이져를 원거리에서 조사하여 진동정도를 측정할 수 있기 때문에, 필요에 따른 측정을 곧바로 시행할 수 있을 뿐만 아니라 상시적으로 진동측정이 가능한 효과가 있다.
또한 진동의 주파수 대역 뿐만 아니라 진동폭도 더불어 측정할 수 있으며, 스펙트럼을 통해 시각적으로 모니터링을 할 수 있어 보다 간편하고 편리하게 구조물을 진단할 수 있는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
Claims (4)
- 대형 구조물(200)에 설치되어 상기 대형 구조물(200)과 더불어 진동하는 플레이트(10);기준 주파수원에 기초하여 광변조된 레이져를 상기 플레이트(10)에 조사하는 레이져 조사기(20);상기 플레이트(10)에 조사되어 표시되는 레이져 스팟을 영상으로 촬영하는 영상획득수단; 및상기 대형 구조물(200)의 진동을 측정하기 위해 상기 영상획득수단에 전기적으로 연결되어 조사된 레이져 펄스의 주파수 대역에 대해 상기 영상획득수단의 프레임 주파수 및 촬영된 영상에서 획득된 주파수를 비교 처리하는 컴퓨터(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 진동측정장치.
- 제 1항에 있어서,상기 영상획득수단은 팬-틸트 동작이 가능한 CCD 카메라(30)인 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 진동측정장치.
- 레이져 조사기(20)의 레이져를 기준 주파수원에 기초하여 광변조하는 단계(S100);광변조된 레이져를 대형 구조물(200)에 설치된 플레이트(10)에 조사하는 단계(S200);상기 플레이트(10)에 조사되어 표시되는 레이져 스팟을 영상획득수단으로 촬영하는 단계(S300); 및촬영된 영상에서 획득된 레이져 스팟의 주파수 및 상기 영상획득수단의 프레임 주파수를 조사된 레이져 펄스의 주파수 대역에 비교하여 고속푸리에 변환을 통해 상기 대형 구조물(200)의 진동주파수 및 진동폭을 산출하는 단계(S400);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 진동측정방법.
- 제 1항에 있어서,상기 영상획득수단은 팬-틸트 동작이 가능한 CCD 카메라(30)인 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 진동측정방법.
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