KR100669070B1 - Wireless telemetry system for monitoring structure - Google Patents

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허광희
김창환
이우상
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건양대학교산학협력단
주식회사 한양씨앤에이
허광희
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Abstract

구조물의 모니터링을 위한 동적 응답 측정용 무선 계측 시스템에 관한 것으로서, 실 구조물의 상시 가진 상황에서 동적 데이터를 획득 후 무선 전송하여 구조물에 대한 동특성 모니터링을 가능하게 하고, 종래 유선 전송에 따른 계측 데이터의 왜곡현상, 높은 초기 설치비용 및 유지관리비용의 문제점을 해결한 무선 계측 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a wireless measurement system for measuring dynamic response for monitoring a structure. The method provides a wireless measurement system for acquiring dynamic data in a situation in which a real structure is constantly present, thereby enabling dynamic monitoring of the structure and distorting measurement data according to a conventional wired transmission. The present invention relates to a wireless measurement system that solves the problems of the present condition, high initial installation cost, and maintenance cost.

상기 무선 계측 시스템은, 구조물의 진동을 감지하는 가속도 센서를 포함한 구조물 각 위치의 센서 시스템 모듈과 상기 가속도 센서에서 진동신호로 출력되는 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하고, 메인 컴퓨터의 제어신호에 따라 계측 시스템 제어 및 계측상황 결정을 수행하는 제어 및 처리 모듈과 이 제어 및 처리 모듈에 직접 연결되어 그로부터 출력되는 동적 데이터를 메인 컴퓨터로 무선 전송하고 메인 컴퓨터에서 출력되는 각종 제어신호를 수신하기 위한 센서측 모뎀과, 상기 제어 및 처리 모듈과 메인 컴퓨터간 송수신을 위하여 상기 센서측 모뎀과 무선 송수신이 가능하도록 구비되는 메인 컴퓨터측 모뎀으로 구성된 무선 모뎀 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The wireless measurement system is configured to acquire, process and store dynamic data output as a vibration signal from the sensor system module at each position of the structure including the acceleration sensor for detecting the vibration of the structure and the acceleration sensor, and a control signal of the main computer. According to the present invention, a control and processing module for performing measurement system control and measurement situation determination and wirelessly transmitting dynamic data output from the control and processing module directly to the main computer and receiving various control signals output from the main computer And a wireless modem module comprising a sensor side modem and a main computer side modem provided to enable wireless transmission and reception with the sensor side modem for transmission and reception between the control and processing module and the main computer.

센서 시스템 모듈, 가속도 센서, 제어 및 처리 모듈 Sensor system module, acceleration sensor, control and processing module

Description

구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템{WIRELESS TELEMETRY SYSTEM FOR MONITORING STRUCTURE}WIRELESS TELEMETRY SYSTEM FOR MONITORING STRUCTURE}

도 1은 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a wireless measurement system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 일 예를 도시한 구성도이다.2 is a block diagram showing an example of a wireless measurement system according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 무선 계측 시스템을 구조물에 적용하여 상시 모니터링하는 시스템 나타낸 예시도이다.Figure 3 is an exemplary view showing a system for monitoring at all times by applying a wireless metrology system according to the invention to the structure.

도 4는 본 발명에 따른 시스템의 성능실험을 설명하기 캔틸레버 보를 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a view schematically showing the cantilever beam to explain the performance test of the system according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 자유진동 실험결과를 나타내는 도면이다.5 is a view showing the results of the free vibration experiment according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 동특성 분석결과를 나타내는 도면이다.6 is a view showing a dynamic characteristic analysis result according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 실험에 의하여 얻어진 캔틸레버 보의 모드형상을 해석에 의해 구한 결과를 나타낸 도면이다.7 is a view showing the results obtained by analyzing the mode shape of the cantilever beam obtained by the experiment according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 캔틸레버 보의 실험에 의해 획득한 모드와 해석에 의해 획득한 모드간의 상관관계를 나타낸 도면이다.8 is a view showing a correlation between the mode obtained by the experiment of the cantilever beam according to the present invention and the mode obtained by the analysis.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 무선계측시스템 10 : 센서시스템모듈1: wireless measurement system 10: sensor system module

11 : 가속도 센서 20 : 제어 및 처리모듈11: acceleration sensor 20: control and processing module

21 : 마이크로컨트롤러 22 : 외부 메모리21: microcontroller 22: external memory

30 : 무선모뎀모듈 31 : 센서측모뎀30: wireless modem module 31: sensor side modem

32 : 메인 컴퓨터측 모뎀 40 : 메인 컴퓨터32: main computer side modem 40: main computer

본 발명은 구조물의 모니터링을 위한 동적 응답 측정용 무선 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실 구조물의 상시 가진 상황에서 동적 데이터를 획득 후 무선 전송하여 원격지에서 구조물에 대한 동특성 모니터링을 가능하게 하는 구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless measurement system for measuring dynamic response for monitoring a structure. More particularly, the present invention relates to a structure that enables dynamic monitoring of a structure at a remote location by wirelessly transmitting dynamic data after acquiring dynamic data in a situation in which a real structure is always present. The present invention relates to a wireless measurement system for dynamic response measurement for monitoring.

일반적으로 건설 구조물은 시간이 경과함에 따라 노후화가 발생하고, 또한 바람, 지진, 차량 등에 의해 시간에 따라 불특정하게 발생하는 하중을 받게 되며, 구조물의 거동 역시 시간 및 작용하는 하중에 따라 변화하게 된다.In general, a construction structure ages as time passes, and also receives a load unspecifically generated by wind, earthquake, vehicle, etc., and the behavior of the structure also changes with time and load applied.

하지만, 구조물의 상태가 일정하게 유지되면 구조물의 동적 거동 특성으로 나타나는 대상 구조물의 고유 진동수와 감쇠계수, 모드 형상 등은 일정하게 유지되고, 이러한 구조물을 원형 구조물(Integrity Structure)이라고 한다.However, when the state of the structure is kept constant, the natural frequency, attenuation coefficient, mode shape, etc. of the target structure, which are represented by the dynamic behavior of the structure, are kept constant, and such a structure is called an integrity structure.

그러나, 노후화나 기타 손상은 구조물의 특성을 반영하는 질량, 강성 등의 요소에 변화를 나타나게 하고, 이러한 변화는 원형 구조물의 동적 특성치의 변화를 야기시킨다.However, aging and other damages result in changes in factors such as mass, stiffness, etc. that reflect the properties of the structure, and these changes cause changes in the dynamic properties of the circular structure.

따라서, 구조물의 동적 특성을 상시로 모니터링할 수 있는 시스템이 구축된 다면, 실시간으로 구조물의 상태를 평가하고, 안정성을 확보할 수 있게 된다.Therefore, if a system that can monitor the dynamic characteristics of the structure at all times is built, it is possible to evaluate the state of the structure in real time and ensure the stability.

최근 들어 고층 빌딩과 장대교량과 같은 대형 토목 구조물이 증가함에 따라서 구조물 상시 모니터링 시스템(Structural Health Monitoring System : SHM)의 역할이 중요하게 이용되고 있다. 이러한 점에서 모니터링 시스템을 구현하고자 하는 많은 연구가 시도되고 있다. 이와 같은 모니터링 기술은 건물, 교량 등과 같은 구조물의 동적 거동 상황을 측정, 분석 및 진단함으로써 구조물의 안전성을 극대화하고, 구조물의 안전성을 향상시킬 수 있는 기술이다.Recently, the role of the Structural Health Monitoring System (SHM) has become important as large civil structures such as skyscrapers and long bridges increase. In this regard, many studies have been attempted to implement a monitoring system. Such monitoring technology is a technology that can maximize the safety of structures and improve the safety of structures by measuring, analyzing, and diagnosing the dynamic behavior of structures such as buildings and bridges.

이러한 모니터링 기술은 주로 구조물에 부착된 센서에서 데이터를 획득하고, 이들 데이터를 변환하여 구조물의 손상도 평가를 위한 데이터를 분석하는 과정으로 대별된다. This monitoring technique is mainly classified into a process of acquiring data from sensors attached to the structure and converting the data to analyze data for evaluating damage of the structure.

그러나, 효과적인 구조물 상시 모니터링 시스템을 설계하는데 있어서는 매우 많은 기술들을 필요로 하며, 특히 구조물 손상 식별(Damage Identification) 기법과 데이터 획득 및 전송 기술들은 가장 중요하고 기본적인 요소들이다. 이러한 시스템은 구조물을 가진시키기 위한 인위적인 입력 가진을 구조물에 발생시켜야 하고, 이로 인한 많은 문제점 등으로 인해 조건부에 근거한 건전도(Health) 모니터링에 그치고 있는 실정이다.However, designing an effective structure monitoring system requires a great deal of techniques. In particular, the structure damage identification technique and data acquisition and transmission techniques are the most important and basic elements. Such a system needs to generate artificial input excitation to the structure to excite the structure, and due to many problems, the condition is only conditional health monitoring.

따라서, 이러한 문제점들을 해결하고 구조물의 건전도를 모니터링하기 위한 다양한 연구들이 보고되고 있는데, 예컨대 많은 연구자들에 의해 자연 가진 기법이 연구되었으며, 특히 Farrar 와 Caicedo 등은 실 구조물을 대상으로 실험한 결과 자연 가진 기법(NExT와 ERA)이 토목구조물의 건전도를 모니터하는데 효과적임이 입증 된다.Therefore, various studies have been reported to solve these problems and to monitor the health of structures. For example, many researchers have studied the natural techniques. In particular, Farrar and Caicedo have studied natural structures. Excitation techniques (NExT and ERA) have proven effective for monitoring the health of civil structures.

한편, 구조물 상시 모니터링 시스템의 설계에 있어서 또 하나의 중요한 요소는 데이터 획득 시스템에 관한 것이다. 통상의 구조물 모니터링 기술에서 널리 사용되고 있는 센서로는 반영구적이면서 신뢰성이 있고 구조물에 용이하게 부착 가능한 경사계, 가속도 센서 및 변위계가 있으며, 또한 스트레인 게이지는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력저항 효과를 이용하는 것으로 구조물의 실응력을 측정하는데 사용되고 있다.On the other hand, another important factor in the design of the structure monitoring system is the data acquisition system. Sensors widely used in conventional structure monitoring techniques include semi-permanent, reliable and easily attachable inclinometers, accelerometers and displacement meters, and strain gauges have a resistance value when strain is applied to a metal or semiconductor resistor. It is used to measure the actual stress of a structure by using the variable pressure resistance effect.

상기와 같은 센서들을 이용한 교량의 안전진단은 유사시 발생할 수 있는 교량 구조물의 붕괴에 대비하여 교량의 현장계측 자료를 실시간으로 직접 받아서 유선으로 접속된 자료분석장치에 기록하고, 교량관리통제소의 교량관리자가 이렇게 기록된 자료를 토대로 교량의 안전상태를 점검하여 실시되며, 이를 통하여 사전에 교량의 안전상태를 판단할 수 있다.The safety diagnosis of the bridge using the above sensors is to receive the real-time measurement data of the bridge directly in real time in preparation for the collapse of the bridge structure that may occur in case of emergency, and to record it in a data analysis device connected by wire, and the bridge manager of the bridge control station Based on the recorded data, the safety status of the bridge is checked and carried out. Through this, the safety status of the bridge can be determined in advance.

결국, 이러한 교량 안전진단 시스템을 이용하여 구조물에 대한 상시 모니터링을 실시하는 경우, 안전이 우려되는 교량에 대해서 교통량을 통제하는 등 각각의 상황에 맞는 대책을 세울 수 있으며, 인명사고의 발생 등과 같은 문제점을 미연에 방지할 수 있게 된다.As a result, when regular monitoring of the structure is carried out using the bridge safety diagnosis system, measures can be taken for each situation such as controlling the traffic volume for the bridges concerned with safety, and problems such as the occurrence of human accidents Can be prevented in advance.

그러나, 종래의 구조물 안전진단 시스템에서는 토목 구조물에 부착된 다수의 센서들로부터 계측된 신호를 근거리 통신망 또는 전용회선이나 통신회사의 일반 공용회선과 같은 유선을 통하여 자료분석장치에 전송시키고 있다.However, in the conventional structure safety diagnosis system, signals measured from a plurality of sensors attached to a civil engineering structure are transmitted to a data analysis device through a local area network or a wire such as a dedicated line or a general public line of a telecommunication company.

이와 같이 모니터링 시스템에서 유선에 의한 계측 시스템을 사용하는 경우, 높은 초기 설치비용이 필요할 뿐만 아니라, 계측 시스템의 변경과 추가에 있어서 많은 비용과 시간이 소요되고, 주변 환경에 의한 잡음(Noise)이 문제점으로 지적되고 있다. When using a measurement system by wire in such a monitoring system, not only a high initial installation cost is required, but also a lot of cost and time for changing and adding a measurement system, and noise caused by the surrounding environment is a problem. It is pointed out.

또한, 주로 대형 교량에 설치된 모니터링 시스템은 아직까지 반자동 상태의 모니터링 시스템으로, 다량의 데이터 처리 문제, 데이터 정확도 등과 같은 문제를 갖고 있을 뿐만 아니라, 구조물의 상태를 평가하기 위한 구조물의 원형이 부정확함으로 인하여 본질적인 의미의 건전도 모니터링이 되지 못하여 왔다.In addition, the monitoring system mainly installed on large bridges is still a semi-automatic monitoring system, which has problems such as a large amount of data processing problems and data accuracy, and also due to the inaccurate prototype of the structure for evaluating the condition of the structure. There has been no monitoring of health in its essential sense.

특히, 토목 구조물의 효과적인 노후화 진행상태 및 건전성 평가를 위해서는 동적 데이터 분석을 통한 동적 특성치 획득이 필수적으로 요구되고 있는 바, 실 구조물에 적용이 가능하면서 상용화가 가능하고, 종래와 같이 단순히 정적 데이터 획득을 위한 것이 아닌 토목 구조물의 동특성 식별이 가능한 동적 데이터 획득과 자체적으로 데이터 처리를 할 수 있는 새로운 무선 계측 시스템의 개발이 절실한 실정이다.In particular, in order to effectively evaluate the aging progress and soundness of civil structures, it is necessary to acquire dynamic characteristic values through dynamic data analysis. Therefore, it is possible to apply to real structures and commercialize them. There is an urgent need to develop dynamic data acquisition system that can identify dynamic characteristics of civil engineering structures and to develop new wireless measurement system that can process data on its own.

본 발명은 상기에서와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실 구조물의 상시 가진 상황에서 동적 데이터를 획득 후 무선 전송하여 구조물에 대한 동특성 모니터링을 가능하게 하고, 종래 유선 전송에 따른 계측 데이터의 왜곡현상, 높은 초기 설치비용 및 유지관리비용의 문제점이 해소될 수 있는 구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to enable dynamic monitoring of the structure by wireless transmission after acquiring dynamic data in the situation of the real structure of the real structure, and to the conventional wired transmission The present invention provides a wireless measurement system for dynamic response measurement for monitoring a structure in which distortion of measurement data, high initial installation cost, and maintenance cost can be eliminated.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 구조물 상시 모니터링 시스템에서 구조물의 거동 특성 계측 후 계측된 데이터를 특성 분석이 이루어지는 메인 컴퓨터로 전송하기 위한 계측 시스템에 있어서, In order to achieve the above object, the present invention, in the measurement system for transmitting the measured data after the measurement of the behavior characteristics of the structure in the structure monitoring system to the main computer,

구조물의 진동을 감지하는 가속도 센서를 포함하며 구조물의 거동특성을 계측하기 위하여 구조물 각 위치에 다수개의 센서가 설치되는 센서 시스템 모듈;A sensor system module including an acceleration sensor for detecting vibration of the structure, the plurality of sensors being installed at each position of the structure to measure the behavior of the structure;

상기 가속도 센서에서 진동신호로 출력되는 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하고, 메인 컴퓨터의 제어신호에 따라 계측 시스템 제어 및 계측상황 결정을 수행하는 제어 및 처리 모듈; 그리고A control and processing module for acquiring, processing, and storing dynamic data output from the acceleration sensor as a vibration signal, and performing measurement system control and measurement situation determination according to a control signal of a main computer; And

상기 제어 및 처리 모듈에 직접 연결되어 그로부터 출력되는 동적 데이터를 메인 컴퓨터로 무선 전송하고 메인 컴퓨터에서 출력되는 각종 제어신호를 수신하기 위한 센서측 모뎀과, 상기 제어 및 처리 모듈과 메인 컴퓨터간 송수신을 위하여 상기 센서측 모뎀과 무선 송수신이 가능하도록 구비되는 메인 컴퓨터측 모뎀으로 구성된 무선 모뎀 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.A sensor-side modem for wirelessly transmitting dynamic data output from the control and processing module to the main computer and receiving various control signals output from the main computer, and for transmitting and receiving between the control and processing module and the main computer. And a wireless modem module configured as a main computer side modem provided to enable wireless transmission and reception with the sensor side modem.

또한, 상기 가속도 센서는 멤스(Micro-Electro Mechanical System : MEMS) 타입의 가속도 센서인 것을 특징으로 한다.In addition, the acceleration sensor is characterized in that the acceleration sensor of the MEMS (Micro-Electro Mechanical System: MEMS) type.

또한, 상기 제어 및 처리 모듈은, 상기 제반 기능을 수행하는 프로그램이 덤프된 플래시 메모리와 프로그램 실행시 생성 또는 필요한 데이터가 저장되는 데이터 메모리가 내장된 마이크로컨트롤러와, 추가적인 데이터 저장 공간을 제공하는 외부 메모리를 포함하는 것을 특징으로 한다.The control and processing module may further include a microcontroller having a flash memory in which a program for performing the above functions is dumped, a data controller for storing data generated or required when a program is executed, and an external memory for providing additional data storage space. Characterized in that it comprises a.

본 발명에 의하면, 구조물의 모니터링을 위한 동적응답 측정용 무선 계측 시스템을 이용하여 구조물의 동적응답 측정을 위한 모니터링 구현에 있어서 종래 유 선 전송시 발생되던 계측 데이터의 왜곡(Distortion)현상이 해소될 수 있고, 또한 초기 설치비용 및 유지관리비용의 절감과 편리한 시스템 관리가 가능해진다.According to the present invention, in the implementation of monitoring for measuring dynamic response of a structure by using a wireless measurement system for dynamic response measurement for monitoring of a structure, distortion of measurement data generated during wired transmission can be eliminated. In addition, initial installation and maintenance costs can be reduced and convenient system management can be achieved.

본 발명자는 종래의 구조물 상시 모니터링 시스템(SHM) 및 제어 시스템에서 유선 계측에 의존해 왔기 때문에 높은 초기 설치비용 및 유지관리의 어려움과 주변 환경에 의하여 잡음 등이 문제점으로 지적되면서 무선 계측 시스템을 이용하는 연구를 진행하고 있으며, 이러한 연구를 통하여 토목 구조물의 동특성 식별이 가능한 동적 데이터의 획득과 자체적으로 데이터 처리를 위한 지능형 무선 계측 시스템을 개발 및 설계하며, 다양한 성능 실험을 통하여 센서의 성능을 검증함은 물론 실내 실험과 현장 실험을 통하여 실 구조물의 모니터링에 적합한지 여부를 검증하고 있다.The present inventors have relied on the wired measurement in the conventional structure monitoring system (SHM) and control system, so the research on the use of the wireless measurement system has been pointed out as a problem of high initial installation cost, maintenance difficulty, and noise due to the surrounding environment. Through this research, we develop and design an intelligent wireless measurement system for acquiring dynamic data that can identify dynamic characteristics of civil structures and self-processing data, and verify the performance of sensors through various performance experiments as well as indoors. Experiments and field tests verify the suitability for monitoring real structures.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 특징적인 구성과 작용효과를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the characteristic configuration and effect of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 일 예를 도시한 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 무선 계측 시스템을 구조물에 적용하여 상시 모니터링하는 시스템 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 시스템의 성능실험을 설명하기 캔틸레버 보를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 자유진동 실험결과를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 동특성 분석결과를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 실험에 의하여 얻어진 캔틸레버 보의 모드형상을 해석에 의해 구한 결과를 나타낸 도면이고, 그리고 도 8은 본 발명에 따른 캔틸레버 보의 실험에 의해 획득한 모드와 해석에 의해 획득한 모드간의 상관관계를 나타낸 도면이다.1 is a block diagram showing a configuration of a wireless measurement system according to the present invention, Figure 2 is a block diagram showing an example of a wireless measurement system according to the present invention, Figure 3 is a wireless measurement system according to the present invention Figure 4 is an exemplary view showing a system applied to the structure at all times monitoring, Figure 4 is a view showing a cantilever beam to explain the performance test of the system according to the present invention, Figure 5 is a view showing the results of the free vibration experiment according to the present invention 6 is a view showing the results of dynamic characteristics analysis according to the present invention, FIG. 7 is a view showing the results obtained by analysis of the mode shape of the cantilever beam obtained by the experiment according to the present invention, and FIG. Figure 4 shows the correlation between the mode obtained by the experiment of the cantilever beam and the mode obtained by the analysis.

도 1 내지 도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 지능형 무선 계측 시스템(1)은, 대상 구조물(50)의 각 위치에 설치되어 구조물의 동적 응답 데이터를 센싱하는 센서 시스템 모듈(10)과, 상기 센서 시스템 모듈(10)을 통해 센싱된 데이터를 획득 및 처리하는 제어 및 처리 모듈(20)과, 상기 제어 및 처리 모듈(20)에서 출력된 동적 데이터를 특성 분석이 이루어지는 모니터링 시스템의 메인 컴퓨터(40)에 실시간 또는 준 실시간으로 전송하는 무선 모뎀 모듈(30)을 포함하여 이루어진다.1 to 8, the intelligent wireless measurement system 1 according to the present invention includes a sensor system module 10 installed at each position of the target structure 50 and sensing dynamic response data of the structure. The main computer of the monitoring system in which the control and processing module 20 for acquiring and processing the data sensed through the sensor system module 10 and the dynamic data output from the control and processing module 20 are characterized. It comprises a wireless modem module 30 for transmitting to 40 in real time or near real time.

우선, 본 발명의 센서 시스템 모듈(10)에서는 구조물의 각 위치에서 진동을 감지하기 위한 가속도 센서(11)가 사용되며, 이때 구조물 모니터링 시스템에 적합한 민감도와 분해능을 가지는 가속도 센서(11)가 사용되어야 한다.First, in the sensor system module 10 of the present invention, an acceleration sensor 11 for detecting vibration at each position of a structure is used, and in this case, an acceleration sensor 11 having a sensitivity and resolution suitable for a structure monitoring system should be used. do.

상기와 같은 성능을 갖춘 가속도 센서(11)는 멤스(Micro-Electro Mechanical System : MEMS)에 기반을 둔 것이 사용되며, 상기 멤스(MEMS)는 미소전기기계시스템으로 저가 고성능, 초소형, 초경량 등의 반도체 직접회로의 장점을 지닌 센서 및 응용 시스템이다.The acceleration sensor 11 having the above-mentioned performance is used based on MEMS (Micro-Electro Mechanical System: MEMS), and the MEMS is a microelectromechanical system such as low-cost, high-performance, ultra-small, and ultra-lightweight semiconductor. Sensors and application systems with the advantages of integrated circuits.

상기 가속도센서(11)는 완벽한 2축(X,Y)의 가속도 신호를 디지털 형식의 반위신호(Duty Cycle) 데이터로 출력하도록 제작되어 상기 제어 및 처리 모듈(20)의 마이크로컨트롤러(21)에 별도의 A/D 변환기를 통하지 않고 직접 연결하여 사용할 수 있다.The acceleration sensor 11 is manufactured to output a complete two-axis (X, Y) acceleration signal as digital cycle data (Duty Cycle) data to separate the microcontroller 21 of the control and processing module 20 It can be connected directly without going through A / D converter.

표 1은 본 발명에 따른 가속도센서가 갖는 일반적인 성능을 나타낸 것이다.Table 1 shows the general performance of the acceleration sensor according to the present invention.

(표 1)Table 1

Figure 112005028270244-pat00001
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상기 가속도센서(11)에서는 대역폭(Bandwidth)을 XFILT 와 YFILT 단자에 접속되는 콘덴서(Capacitor)(도시 안됨)의 용량에 의하여 조절할 수 있고, 펄스의 길이(T2) 조절은 리셋단자(Reset Terminal)에 연결되는 저항소자(도시 안됨)의 용량에 의하여 조절할 수 있다.In the acceleration sensor 11, the bandwidth (Bandwidth) can be adjusted by the capacity of a capacitor (not shown) connected to the X FILT and Y FILT terminals, the pulse length (T2) adjustment is reset terminal (Reset Terminal) It can be adjusted by the capacity of the resistor (not shown) connected to.

한편, 상기 제어 및 처리 모듈(20)은 무선 계측 시스템(1)을 전체적으로 제어하고 계측상황을 결정하는 기능을 수행하는 것으로, 플래시 메모리(Flash Memory) 및 데이터 메모리(SRAM)를 내장한 마이크로컨트롤러(21)와 추가적인 저장 공간을 제공하는 외부 메모리(22)를 포함하여 구성된다.The control and processing module 20 controls the wireless measurement system 1 as a whole and determines a measurement situation. The control and processing module 20 includes a microcontroller having a built-in flash memory and a data memory (SRAM). 21 and an external memory 22 providing additional storage space.

상기 제어 및 처리 모듈(20)은 소형 CPU 칩 및 외부 메모리 등 상기의 부품을 장착한 회로보드 형태로 제작될 수 있는데, 기본적으로는 자가 데이터 획득 및 DSP(Digital Signal Processing) 기능, 임시 데이터 저장 기능, 메인 컴퓨터로부터 무선 모뎀 모듈(30)을 통해 입력되는 제어명령에 따라 시스템 제어 기능을 수행하도록 구비된다. 또한, 상기 센서 시스템 모듈(10)에서 계측된 동적 데이터의 수집과 샘플링 율, 획득시간, 획득방법을 조절하며, 또한 획득된 동적 데이터를 실시간으로 무선 모뎀 모듈(30)에 전송하게 된다. 이러한 기능은 마이크로컨트롤러(21)에 내장된 플래시 메모리에 저장된 프로그램에 의해 이루어진다.The control and processing module 20 may be manufactured in the form of a circuit board equipped with the above components, such as a small CPU chip and an external memory. Basically, a self data acquisition function, a digital signal processing (DSP) function, and a temporary data storage function are provided. According to a control command input through the wireless modem module 30 from the main computer, a system control function is provided. In addition, it adjusts the collection rate, sampling rate, acquisition time, and acquisition method of the dynamic data measured by the sensor system module 10, and transmits the obtained dynamic data to the wireless modem module 30 in real time. This function is achieved by a program stored in a flash memory embedded in the microcontroller 21.

상기한 기능을 갖춘 마이크로컨트롤러(21)로서 적당한 사양으로는 128kbytes의 플래시 메모리와 4,000개의 명령어를 제공하며, 프로그램 실행에서 생성되거나 필요한 데이터는 4kbytes 용량의 데이터 메모리에 저장되도록 되어 있다. As a microcontroller 21 having the above-mentioned function, a suitable specification provides 128kbytes of flash memory and 4,000 instructions, and data generated or needed in program execution is stored in a 4kbytes data memory.

그리고, 상기 마이크로컨트롤러(21)에서 효과적인 임베디드 시스템을 구현하기에는 자체적으로 제공된 데이터 메모리에 한계가 있으므로 데이터 메모리의 한계를 극복하기 위하여 외부 메모리(22)가 모듈 내에 장착된다.In addition, since the microcontroller 21 implements an effective embedded system, an external memory 22 is mounted in a module to overcome the limitation of the data memory because there is a limitation in the data memory provided in the microcontroller 21.

본 발명에서 무선 모뎀 모듈(30)은 제어 및 처리 모듈(20)에 직접 연결되어 그로부터 출력되는 동적 데이터를 메인 컴퓨터(40)로 무선 전송하고 메인 컴퓨터(40)에서 출력되는 각종 제어신호를 수신하기 위한 센서측 모뎀(31)과, 상기 제어 및 처리 모듈(20)과 메인 컴퓨터(40)간 송수신을 위하여 상기 센서측 모뎀(31)과 무선 송수신이 가능하도록 구비되는 메인 컴퓨터측 모뎀(32)으로 구성되며, 실 구조물에 효과적으로 적용되기 위해서는 긴 통신거리와 실시간으로 데이터 전송이 가능한 통신속도를 갖는 무선 모뎀이 필수적이다.In the present invention, the wireless modem module 30 is directly connected to the control and processing module 20 to wirelessly transmit dynamic data output therefrom to the main computer 40 and to receive various control signals output from the main computer 40. A sensor side modem 31 and a main computer side modem 32 provided to enable wireless transmission and reception with the sensor side modem 31 for transmission and reception between the control and processing module 20 and the main computer 40. To be effectively applied to a real structure, a wireless modem having a long communication distance and a communication speed capable of transmitting data in real time is essential.

따라서 상기 센서측 모뎀(31)과 메인 컴퓨터측 모뎀(32)은 표 2에 나타낸 바와 같은 전력 소모량에 비하여 출력이 높고 통신속도가 빠른 모뎀을 사용된다.Therefore, the sensor-side modem 31 and the main computer-side modem 32 use a modem with a high output and a high communication speed compared to the power consumption as shown in Table 2.

(표 2)Table 2

Figure 112005028270244-pat00002
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이와 같이 하여, 센서 시스템 모듈(10), 제어 및 처리 모듈(20) 및 무선 모뎀 모듈(30)로 이루어진 본 발명의 무선 계측 시스템(1)이 구성되며, 이러한 무선 계측 시스템(1)에서는 센서 시스템 모듈(10)의 가속도 센서(11)가 구조물(50)의 진동을 감지하여 그에 따른 진동신호를 출력하고, 제어 및 처리 모듈(20)은 상기 가속도 센서(11)로부터 진동신호를 입력받아 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하며, 무선 모뎀 모듈(30)은 제어 및 처리 모듈(20)에서 출력된 데이터 신호를 받아 메인 컴퓨터(40)로 전송하게 된다.In this way, the wireless metrology system 1 of the present invention consisting of the sensor system module 10, the control and processing module 20, and the radio modem module 30 is constituted, and in such a wireless metrology system 1, the sensor system. The acceleration sensor 11 of the module 10 detects the vibration of the structure 50 and outputs a vibration signal according thereto, and the control and processing module 20 receives the vibration signal from the acceleration sensor 11 and receives the dynamic data. The wireless modem module 30 receives the data signal output from the control and processing module 20 and transmits the data signal to the main computer 40.

여기서, 상기 제어 및 처리 모듈(20)은 마이크로컨트롤러(21)와 외부 메모리(22)에 의하여 데이터의 획득에 관한 사항을 설정하고, 획득한 데이터의 저장과 처 리를 하게 된다.In this case, the control and processing module 20 sets matters related to data acquisition by the microcontroller 21 and the external memory 22, and stores and processes the acquired data.

상기한 본 발명의 무선 계측 시스템(1)은 앞서 설명한 멤스(MEMS) 기반의 가속도 센서(11), 마이크로컨트롤러(21), 외부 메모리(22), 무선 모뎀(31,32)을 채용하여 교량 등 토목 구조물(50)의 모니터링 시스템에 적합하도록 구성한 새로운 스마트 무선 센서 시스템(Smart Wireless MEMS-based on Accelerometer System : SWMAS)으로서, 특히 실 구조물의 상시 가진 상황에서 멤스 기반 가속도 센서를 통해 동적 응답을 계측한 후 계측된 동적 데이터를 무선으로 전송함으로써, 메인 컴퓨터(40)에서의 동특성 분석이 수행될 수 있다. The wireless measurement system 1 of the present invention employs the MEMS-based acceleration sensor 11, the microcontroller 21, the external memory 22, and the wireless modems 31 and 32. The new Smart Wireless MEMS-based on Accelerometer System (SWMAS), which is adapted to the monitoring system of civil structures 50, measures dynamic response through MEMS-based accelerometers, especially in the presence of real structures. After transmitting the measured dynamic data wirelessly, the dynamic characteristics analysis in the main computer 40 can be performed.

이러한 본 발명의 무선 계측 시스템(1)은 메인 컴퓨터(40)와의 사이에 설치된 상기 무선 모뎀(31,32)을 통해 양방향 무선 통신에 의한 제어가 가능하며, 도 3에 도시한 바와 같이 구조물(50)의 각 위치에 설치 구성된 무선 계측 시스템(1)과 메인 컴퓨터(40)간에 일대 다중으로 구조물 상시 모니터링 시스템을 구성할 수 있다.The wireless measurement system 1 of the present invention can be controlled by two-way wireless communication through the wireless modems 31 and 32 installed between the main computer 40 and the structure 50 as shown in FIG. It is possible to configure the structure monitoring system in a one-to-multiple configuration between the wireless measurement system 1 and the main computer 40 installed at each position of).

한편, 본 발명의 무선 계측 시스템을 구성한 후 센서 성능을 검증하기 위하여 민감도와 분해능, 잡음의 영향 실험을 실시하였고, 또한 본 발명의 무선 계측 시스템을 적용한 모니터링 시스템을 구성한 후 상시 가진을 받는 캔틸레버 보의 동적 응답을 측정하여 동적 특성 분석을 실시하였는 바, 전송된 계측 데이터로부터 실시간 랜덤 주변 가진에 의한 구조믈의 동적 특성을 계산하기 위하여, 메인 컴퓨터에서는 NExT(Natural Excitation Techniques)와 ERA(Eigensystem Realization Algorithm)의 알고리즘이 이용된다.On the other hand, after configuring the wireless measurement system of the present invention, in order to verify sensor performance, experiments of sensitivity, resolution, and noise were conducted. Also, after constructing a monitoring system to which the wireless measurement system of the present invention was applied, the cantilever beam was subjected to constant excitation. In order to calculate the dynamic characteristics of the structure due to the real-time random ambient excitation from the transmitted measurement data, the main computer uses NExT (Natural Excitation Techniques) and ERA (Eigensystem Realization Algorithm). Algorithm is used.

이를 설명하면 다음과 같다.This is described as follows.

1. 무선계측시스템의 설계1. Design of wireless measurement system

앞서 설명한 멤스 기반의 가속도 센서(11), 마이크로컨트롤러(21), 외부 메모리(22), 무선 모뎀(31,32)을 채용하여 무선 계측 시스템을 설계한다.The MEMS-based acceleration sensor 11, the microcontroller 21, the external memory 22, and the wireless modems 31 and 32 are used to design a wireless measurement system.

센서를 포함한 무선 계측 시스템(1)이 구조물의 모니터링 시스템(무선 계측 시스템+메인 컴퓨터)에 사용되기 위해서는 분해능(Resolution), 대역폭(Bandwidth), 획득 시간(Frame Time)과 같은 기본적으로 요구되는 성능을 만족시켜야 한다.In order for the wireless measurement system including sensors to be used in the structure's monitoring system (wireless measurement system + main computer), the basic requirements such as resolution, bandwidth, and frame time are required. It must be satisfied.

이러한 요구 조건은 무선 계측 시스템(1)을 설계하는데 있어서 가속도 센서(11)의 대역폭이나 마이크로컨트롤러(21)의 클럭 속도, 펄스의 주기를 결정하는데 도움을 주며, 가속도 센서(11)의 대역폭 설정은 측정되어지는 분해능을 결정한다.These requirements help to determine the bandwidth of the acceleration sensor 11, the clock speed of the microcontroller 21, and the period of the pulse in designing the wireless metrology system 1, and the bandwidth setting of the acceleration sensor 11 Determine the resolution to be measured.

필터링은 잡음 층(Noise Floor)의 감소와 가속도 센서의 분해능 개선을 위하여 필요하며, 가속도 센서의 분해능은 XFILT, YFILT의 아날로그 필터 대역폭과 마이크로컨트롤러의 타이머/카운터의 속도, 펄스의 길이에 의하여 결정된다.Filtering is necessary to reduce the noise floor and to improve the resolution of the acceleration sensor. The resolution of the acceleration sensor depends on the analog filter bandwidth of X FILT , Y FILT , the speed of the timer / counter of the microcontroller, and the pulse length. Is determined.

듀티 사이클(Duty Cycle) 변환기는 가속도 센서의 분해능보다 더 높은 14비트(Bit)의 분해능을 가진다.The duty cycle transducer has a resolution of 14 bits that is higher than the resolution of the acceleration sensor.

그러나, 실질적인 가속도 신호의 대역폭은 듀티 사이클을 해독(Decode)하기 위해 사용되는 카운팅 장치에 의하여 결정된다.However, the bandwidth of the actual acceleration signal is determined by the counting device used to decode the duty cycle.

상기 가속도 센서(11)의 분해능이 XFILT, YFILT에 의하여 설정된 상태에서도 마 이크로컨트롤러(21)의 카운터 클럭을 빨리하면 할수록 분해능은 향상되며, 펄스의 주기를 작게 설정할 수 있다.Even if the resolution of the acceleration sensor 11 is set by X FILT and Y FILT , the faster the counter clock of the microcontroller 21 is, the better the resolution is, and the period of the pulse can be set smaller.

다음의 표 3은 마이크로컨트롤러의 카운터 속도와 펄스(T2)의 주기, 그리고 듀티 사이클 변조기의 분해능과의 관계를 보여준다.Table 3 below shows the relationship between the counter speed of the microcontroller, the period of the pulse (T2), and the resolution of the duty cycle modulator.

(표 3)Table 3

마이크로컨트롤러의 카운터속도와 펄스(T2)의 주기, 그리고 분해농과의 관계Relationship between counter speed of microcontroller, period of pulse (T2) and decomposition concentration

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본 설계에서는 가속도 센서의 성능을 XFILT 와 YFILT에 0.10F, 리셋(Reset)에는 1.25M으로 설정하여 샘플링 주기를 10msec, 즉 샘플링 율을 100Hz, 대역폭은 50Hz를 갖도록 설계하였으며, 분해능은 4.3mg rms(g:중력가속도)로 설계한다.In this design, the acceleration sensor's performance is set to 0.10F for X FILT and Y FILT and 1.25M for Reset, so that the sampling cycle is 10msec, that is, sampling rate is 100Hz, bandwidth is 50Hz, and resolution is 4.3mg. Design in rms (g: gravitational acceleration).

2. 센서 성능실험2. Sensor performance test

본 실험의 목적은 마이크로컨트롤러와 무선 모뎀으로 구성된 시스템이 가속도 센서의 본래 성분을 충분히 발휘시키는지를 검토하기 위한 것으로, 무선 계측 시스템을 구성하는 가속도 센서의 민감도와 분해능을, 실험 결과값과 데이터 시트 (Data Sheet) 값을 서로 비교하는 방법으로 성능 평가한다.The purpose of this experiment is to examine whether a system consisting of a microcontroller and a wireless modem fully exhibits the inherent components of the acceleration sensor.The purpose of this experiment is to evaluate the sensitivity and resolution of the acceleration sensor constituting the wireless measurement system. Data Sheet) Performance is evaluated by comparing the values with each other.

본 실험에 따른 테스트용 가속도 센서는 기울기 센서를 포함하고 있는데, 지면과 수평으로 가속도 센서를 위치시키면 0g(g:중력가속도)와 같고, 지면과 수직이 되면 +1g, 이 상태에서 180°회전을 시키면 -1g이 된다.The test acceleration sensor according to the present experiment includes a tilt sensor. When the acceleration sensor is positioned horizontally with the ground, it is equal to 0g (g: gravitational acceleration), and when it is perpendicular to the ground, + 1g is rotated 180 ° in this state. If it is, it becomes -1g

이와 같은 테스트용 가속도 센서의 특성을 이용하면 가속도 센서의 민감도와 분해능을 쉽게 구할 수 있다.By using the characteristics of the test acceleration sensor, the sensitivity and resolution of the acceleration sensor can be easily obtained.

또한, 정상상태(Steady State)의 시간이력 가속도 신호를 획득하여 잡음의 분포 경향을 분석하였으며, 0g일 때의 가속도 신호를 실시간으로 100Hz의 샘플링 율로 20초 동안 획득하여 실험한다.In addition, the trend of noise distribution was analyzed by acquiring the time history acceleration signal in the steady state, and the acceleration signal at 0 g was acquired for 20 seconds at a sampling rate of 100 Hz in real time.

상기 설계한 무선 계측 시스템(1)에 대한 실험 결과로서, 표 4에 나타낸 바와 같이 민감도는 4.49%/g, 분해능은 4.4mg rms로, 데이터 시트의 민감도 4.0±0.8%/g, 분해능 4.3mg rms와 비교해 볼 때 거의 일치함을 보였다.As an experimental result for the designed wireless metrology system (1), as shown in Table 4, the sensitivity is 4.49% / g, the resolution is 4.4mg rms, the sensitivity of the data sheet is 4.0 ± 0.8% / g, the resolution is 4.3mg rms. Compared with, it showed close agreement.

(표 4)Table 4

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3. 시스템의 성능평가실험3. Performance evaluation experiment

-실험장비Experimental equipment

도 4에 나타낸 바와 같이, 해석 및 측정, 그리고 분석이 용이하고 구조물의 주축방향의 휨 모드에 의해 구조물의 전체적인 거동 특성이 결정되도록 캔틸레버 보를 제작한다. As shown in Figure 4, cantilever beams are fabricated so that the analysis and measurement, and the analysis is easy, and the overall behavior characteristics of the structure is determined by the bending mode in the axial direction of the structure.

이와 같은 캔틸레버 보를 이용하여 본 발명의 무선 계측 시스템이 토목 구조물의 실시간 모니터링에 적용 가능한지를 평가하기 위하여 상시 가진에 의한 동특성 분석을 실시한다. 상기 캔틸레버 보는 구조용 강재를 이용하여 제작하였으며, 모형 구조물의 총 길이는 0.94m로 제작한다. Using such a cantilever beam, dynamic characteristics analysis by constant excitation is performed to evaluate whether the wireless metrology system of the present invention is applicable to real-time monitoring of civil engineering structures. The cantilever beam was manufactured using structural steel, and the total length of the model structure was manufactured to 0.94 m.

상기 캔틸레버 보의 폭과 두께는 6cm와 0.5cm로 하여 횡방향의 동적 응답이 주축방향으로 발생하는 동적 응답에 영향을 받지 않도록 하였다. The width and thickness of the cantilever beam were 6 cm and 0.5 cm so that the transverse dynamic response was not affected by the dynamic response occurring in the main axis direction.

-자유진동실험Free vibration test

무선 계측 시스템의 데이터 획득 방법에는 실시간 모드와 준 실시간 모드가 있으며, 실시간 모드에서는 데이터의 획득이 완료가 되고 메모리에 저장이 되면 데이터 로거에 축적된 데이터를 송신하고, 준 실시간 시스템에서는 메모리의 용량에 따라 한번에 획득할 수 있는 데이터 프레임의 크기가 제한된다. There are two methods of data acquisition in wireless measurement system: real time mode and quasi-real time mode. In real time mode, data is stored in data logger when data acquisition is completed and stored in memory. Therefore, the size of the data frame that can be acquired at one time is limited.

그러나, 샘플링 율에는 거의 제한이 없으며, 본 무선 계측 시스템(1)에서는 외부 메모리를 장착하여 준 실시간 모드에서의 프레임 크기의 제한을 개선하였다. However, there is almost no limit on the sampling rate, and in the present wireless measurement system 1, the limitation of the frame size in the quasi-real time mode with the external memory is improved.

상기 무선 계측 시스템(1)을 실시간 시스템으로 사용하기 위해서는 데이터를 전송하는데 걸리는 시간들을 모두 고려하여 최적의 샘플링 율과 한번에 전송하는 데이터량을 결정하여 프로그램을 하여야 하며, 본 무선 계측 시스템의 최대 실시간 샘플링 율은 일대일 통신인 경우 100Hz으로 나타났다. In order to use the wireless measurement system 1 as a real-time system, it is necessary to program by determining the optimal sampling rate and the amount of data to be transmitted at one time in consideration of all the time taken to transmit data. The rate is 100 Hz for one-to-one communication.

상기 무선 계측 시스템(1)의 성능을 조사하기 위하여 자유진동 상태에서 캔틸레버 보의 가속도 신호를 획득하는 실험을 실시하며, 도 4의 캔틸레버 보 끝단에 테스트용 가속도 센서와 기준 가속도 센서를 설치하여 실시한다. In order to investigate the performance of the wireless measurement system 1, an experiment for acquiring the acceleration signal of the cantilever beam in the free vibration state is performed, and a test acceleration sensor and a reference acceleration sensor are installed at the end of the cantilever beam of FIG. 4. .

도 5는 실험을 통하여 캔틸레버 보의 끝단에서 테스트용 가속도 센서와 기준 가속도 센서로부터 획득한 데이터를 보여주고 있는데, 테스트용 가속도 센서에 의한 데이터 획득은 실시간 모드에서 100Hz 샘플링 율으로 총 30초동안 이루어졌다.5 shows the data obtained from the test acceleration sensor and the reference acceleration sensor at the end of the cantilever beam through the experiment. The data acquisition by the test acceleration sensor was performed for a total of 30 seconds at 100 Hz sampling rate in real time mode. .

실험 결과는 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 테스트용 가속도 센서에 의해 획득된 응답은 기준 가속도 센서로 측정한 응답과 상당히 우수한 일치를 보였다.As shown in FIG. 5, the response obtained by the test acceleration sensor showed a very good agreement with the response measured by the reference acceleration sensor.

-동특성분석실험Dynamic Characteristic Analysis

본 실험에서는 본 발명의 무선 계측 시스템의 성능을 평가하기 위하여 NExt와 ERA을 이용하여 상시 진동으로부터 구조물의 동적 특성을 분석하였다. In this experiment, NExt and ERA were used to analyze the dynamic characteristics of the structure from constant vibration in order to evaluate the performance of the wireless metrology system of the present invention.

준 실시간 모드로 설정된 무선 계측 시스템을 이용하여 캔틸레버 보에서 발생하는 출력신호를 약 10sec동안 1024개의 데이터를 10회 평균하여 획득하였으며, 참조(Reference) 채널은 보의 자유끝단으로 설정하였다. Using a wireless measurement system set in the quasi-real time mode, the output signal generated from the cantilever beam was obtained by averaging 10 times of 1024 data for about 10 sec, and the reference channel was set as the free end of the beam.

데이터의 분석은 DAIMOND(Modal analyis software package developed at Los Alamos National Lab)를 이용하였다. The data was analyzed using Modal analyis software package developed at Los Alamos National Lab (DAIMOND).

도 6은 이와 같이 분석된 교차 파워 스펙트럼(Cross Power Spectrum)으로부터 상호 상관 함수(Cross Correlation Function)로 변환된 대표적인 신호처리 결과 를 나타낸 것이다. FIG. 6 shows representative signal processing results converted from a cross power spectrum analyzed in this way to a cross correlation function.

본 구조물의 응답의 처음 두 개의 모드들은 4.482Hz와 28.002Hz로 도 6에서 쉽게 식별할 수 있다. The first two modes of response of the present structure can be easily identified in FIG. 6 at 4.482 Hz and 28.002 Hz.

또한, 본 실험의 결과를 FE 모델에 의한 수치적인 계산값과 비교하기 위하여 다음의 표 5와 같이 정리하였으며, 여기서 실험에 의해 분석된 구조물의 고유 진동수는 수치적으로 계산된 값과 오차 범위 5% 이내에서 일치함을 보였다. In addition, in order to compare the results of this experiment with the numerical calculations by the FE model, the results are summarized as in Table 5, where the natural frequencies of the structures analyzed by the experiments are numerically calculated and the error range is 5%. A match was found within.

(표 5)Table 5

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도 7은 실험에 의하여 추출한 캔틸레버 보의 모드 형상을 해석에 의해 구한 결과와 같이 나타낸 것이다. 7 shows the mode shape of the cantilever beam extracted by the experiment as shown in the analysis.

이와 같이 두 가지 방법에 의해 획득한 모드 형상의 상관관계를 수치적으로 분석하기 위하여 MAC을 이용하였다. MAC is used to numerically analyze the correlation of the mode shapes obtained by the two methods.

Ewins등의 연구 결과에 의하면, MAC의 지표 값이 0.9이상이면 상관관계가 우수하다고 판단하게 된다. According to the research results of Ewins et al., It is judged that the correlation is excellent when the MAC index value is 0.9 or more.

그렇지만, 상관관계 지표가 절점(계측 점)의 수에 많은 영향을 받게 되기 때 문에 실험 등과 같이 계측 점의 수에 제약을 받게 되는 경우에는 0.8까지도 허용하고 있다[Ewins, D.J., Modal Testing : Practice and Application, R. S. P., 200]. However, because the correlation index is heavily influenced by the number of nodes (measurement points), up to 0.8 is allowed if the number of measurement points is limited, such as experiments. [Ewins, DJ, Modal Testing: Practice and Application, RSP, 200].

다음의 표 6과 도 8은 캔틸레버 보의 실험에 의해 획득한 모드와 해석에 의해 획득한 모드 간의 상관관계를 나타낸 것으로, 1차 모드의 상관관계는 지표가 0.9752로높게 나타났으나, 2차 모드의 상관관계 지표는 0.8747로 나타났다.Table 6 and FIG. 8 show correlations between modes obtained by experiments of cantilever beams and modes obtained by analysis, and the correlations of the first mode showed a high index of 0.9752, but the second mode. The correlation index of was 0.8747.

(표 6)Table 6

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이와 같이 MEMS 형식의 가속도 센서, 마이크로컨트롤러, 외부 메모리, 무선 모뎀을 사용하여 토목 구조물의 스마트 모니터링 시스템에 적용하기 위한 새로운 무선 계측 시스템을 개시하였으며, 그 성능 특성을 평가하기 위하여 다양한 검증 실험을 실시하였는 바, 첫째로 센서의 성능을 평가하기 위한 센서 성능 실험을 실시하였고, 둘째로 무선 계측 시스템의 전체적인 성능을 평가하기 위하여 실시간 자유진동 데이터 획득 실험과 준 실시간에서의 상시 진동시험을 실시하였다.In this way, a new wireless measurement system for the smart monitoring system of civil structures using MEMS type accelerometer, microcontroller, external memory, and wireless modem has been disclosed, and various verification experiments were conducted to evaluate its performance characteristics. First, a sensor performance experiment was conducted to evaluate the performance of the sensor. Second, real-time free vibration data acquisition and quasi-real time vibration tests were conducted to evaluate the overall performance of the wireless measurement system.

센서 성능 평가 실험 결과, 전술한 본 발명의 무선 계측 시스템의 센서 민감 도는 4.49%/g, 분해능은 4.4mg rms로 나타나 각각의 데이터 시트의 값인 4.00±8%/g와 4.3mg rms들과 거의 일치함을 보였다.As a result of the sensor performance evaluation experiment, the sensor sensitivity of the wireless measurement system of the present invention described above is 4.49% / g and the resolution is 4.4 mg rms, which is almost in agreement with the values of 4.00 ± 8% / g and 4.3 mg rms, respectively. Showed.

또한, 자유진동 실험 결과 획득한 데이터는 기존의 상용 가속도 센서로부터 획득한 데이터와의 비교에서도 우수한 결과를 얻었으며, 상시 가진 실험에 의한 캔틸레버 보의 고유 진동 분석에서도 FE 고유치 해석을 통해 해석된 값과 약 5% 이내에서 일치함을 보였다.In addition, the data obtained from the free vibration experiments are excellent in comparison with the data obtained from the conventional acceleration sensors.In the natural vibration analysis of the cantilever beam by constant excitation, A match was found within about 5%.

그리고, 구조물의 모드 형상 또한 우수한 상관관계를 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이상의 결과들로부터 본 발명에 따른 무선 계측 시스템을 이용하면 구조물의 동특성 분석이 가능함을 확인할 수 있다. In addition, it was confirmed that an excellent correlation can also be obtained between the mode shape of the structure, and from the above results, it can be seen that the dynamic characteristics of the structure can be analyzed using the wireless measurement system according to the present invention.

이상 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 시스템에 의하면, MEMS 형식의 가속도 센서, 마이크로컨트롤러, 외부 메모리, 무선 모뎀으로 구성됨으로써, 실 구조물의 상시 가진 상황에서 동적 데이터를 획득 후 실시간 또는 준 실시간으로 무선 전송할 수 있게 되고, 결국 동특성 분석을 통한 보다 효과적인 구조물 모니터링이 가능해지게 된다.As can be seen from the above description, according to the wireless measurement system for monitoring a structure, the present invention is composed of an acceleration sensor, a microcontroller, an external memory, and a wireless modem of a MEMS type, thereby providing dynamic data in a situation where a real structure is always present. After acquisition, wireless transmission in real time or near real time becomes possible, and thus, more effective structure monitoring through dynamic characteristics analysis becomes possible.

특히, 본 발명의 무선 계측 시스템은 실 구조물에 적용이 가능하면서 상용화가 가능하고, 종래와 같이 단순히 정적 데이터 획득을 위한 것이 아닌 토목 구조물의 동특성 식별이 가능한 동적 데이터의 획득, 처리 및 전송이 가능한 장점을 가진다.In particular, the wireless metrology system of the present invention can be applied to a real structure and commercialized, and it is possible to acquire, process, and transmit dynamic data capable of identifying dynamic characteristics of civil structures, rather than simply obtaining static data as in the prior art. Has

또한, 종래 유선 전송시에 발생하던 계측 데이터의 왜곡현상이 해소될 수 있 고, 또한 초기 설치비용 및 유지관리비용의 절감과 편리한 시스템 관리가 가능해진다.In addition, the distortion of measurement data generated in the conventional wired transmission can be eliminated, and the initial installation cost and maintenance cost can be reduced and convenient system management can be achieved.

이러한 본 발명의 무선 계측 시스템을 구조물 상시 모니터링 시스템에 적용하는 경우, 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물에 대한 유지보수를 보다 경제적으로 할 수 있으며, 사회 기간 시설물에 대한 안전성을 확보함으로써 건설분야의 신뢰 회복 및 사회적 불안을 해소할 수 있게 된다.When the wireless measurement system of the present invention is applied to the structure monitoring system, the maintenance of each structure such as a bridge or a building can be made more economically, and the reliability of the construction field can be restored by securing safety for social infrastructure facilities. And social anxiety.

Claims (3)

삭제delete 구조물 상시 모니터링 시스템에서 구조물의 거동 특성 계측 후 계측된 데이터를 특성 분석이 이루어지는 메인 컴퓨터로 전송하기 위한 계측 시스템에 있어서, In the measurement system for transmitting the measured data after the measurement of the behavior of the structure in the structure monitoring system to the main computer, 구조물의 진동을 감지하는 멤스(Micro-Electro Mechanical System : MEMS) 타입의 가속도 센서를 포함하며 구조물의 거동특성을 계측하기 위하여 구조물 각 위치에 다수개의 센서가 설치되는 센서 시스템 모듈;A sensor system module including a MEMS type acceleration sensor for detecting vibration of the structure, and a plurality of sensors installed at each position of the structure to measure the behavior of the structure; 상기 가속도 센서에서 진동신호로 출력되는 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하고, 메인 컴퓨터의 제어신호에 따라 계측 시스템 제어 및 계측상황 결정을 수행하는 제어 및 처리 모듈; 그리고A control and processing module for acquiring, processing, and storing dynamic data output from the acceleration sensor as a vibration signal, and performing measurement system control and measurement situation determination according to a control signal of a main computer; And 상기 제어 및 처리 모듈에 직접 연결되어 그로부터 출력되는 동적 데이터를 메인 컴퓨터로 무선 전송하고 메인 컴퓨터에서 출력되는 각종 제어신호를 수신하기 위한 센서측 모뎀과, 상기 제어 및 처리 모듈과 메인 컴퓨터간 송수신을 위하여 상기 센서측 모뎀과 무선 송수신이 가능하도록 구비되는 메인 컴퓨터측 모뎀으로 구성된 무선 모뎀 모듈로 이루어지는 구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템.A sensor-side modem for wirelessly transmitting dynamic data output from the control and processing module to the main computer and receiving various control signals output from the main computer, and for transmitting and receiving between the control and processing module and the main computer. A wireless measurement system for dynamic response measurement for monitoring the structure consisting of a wireless modem module consisting of a main computer side modem provided to enable wireless transmission and reception with the sensor side modem. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제어 및 처리 모듈은, 상기 제반 기능을 수행하는 프로그램이 저장된 플래시 메모리와 프로그램 실행시 생성 또는 필요한 데이터가 저장되는 데이터 메모리가 내장된 마이크로컨트롤러와, 추가적인 데이터 저장 공간을 제공하는 외부 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템.The control and processing module may include a flash controller in which a program for performing the above functions is stored, a microcontroller having a data memory in which data generated or necessary when the program is executed is stored, and an external memory for providing additional data storage space. Wireless measurement system for dynamic response measurement for monitoring the structure, characterized in that.
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