KR100950992B1 - 무선 구조물 안전진단 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 구조물 안전진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계측부에 별도의 전원을 두지 않고 필요한 전원을 무선으로 공급함으로써 반 영구적으로 사용할 수 있으며, 레이저에 의한 전원 및 데이터 전송으로 전자기적 잡음에 영향을 받지 않는 무선 통신 시스템을 갖춘 무선 구조물 안전진단 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 레이저를 생성하고 원하는 파형으로 변조하여 조사하는 레이저 드라이버; 가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물측에 설치되며, 상기 레이저 드라이버에서 조사된 레이저를 수신하여 수신된 레이저의 광신호를 전기신호로 변환하는 포토 다이오드; 가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물에 부착되며, 상기 포토 다이오드에서 변환된 전기신호로 탄성파를 발생하여 상기 구조물을 가진하고 그 가진에 따른 구조물의 응답을 측정하여 그 측정된 응답을 다시 전기신호로 바꾸는 압전소자; 상기 압전소자에서 구조물의 응답에 의해 발생된 전기신호를 광신호로 변환하는 발광 다이오드; 및, 구조물의 상태를 진단하기 위하여 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 수신하여 처리하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 구조물 안전진단 시스템를 제공한다.

Description

무선 구조물 안전진단 시스템{Wireless Structure Health Monitoring System}
본 발명은 무선 구조물 안전진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계측부에 별도의 전원을 두지 않고 필요한 전원을 무선으로 공급함으로써 반 영구적으로 사용할 수 있으며, 레이저에 의한 전원 및 데이터 전송으로 전자기적 잡음에 영향을 받지 않는 무선 통신 시스템을 갖춘 무선 구조물 안전진단 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 교량, 대형시설물, 지하 매설물 등의 기간산업 시설물들은 사회가 발전하면서 사회 구성원들의 다양한 요구에 부응하기 위하여 점점 대형화 및 첨단화되고 있다. 이에 따라 여러가지 신기술, 신공법, 신소재 등이 도입되고 있으며 이러한 새로운 기술을 도입하기 위한 선결 조건인 안전성 등의 검증에 대한 필요성이 요구되고 있다. 한편, 준공 후 수십년이 지난 노후된 구조물의 수는 점차 늘어나고 있으며, 구조물의 현재 상태를 평가하기 위한 정밀안전진단 기술이나 유지관리를 위한 계측 시스템의 도입이 가속화되고 있다. 지금까지는 구조물의 안전진단을 위하여 직접 인력의 투입이 요구되는 육안검사가 보편적으로 이용되어 왔지만, 인건비가 점점 늘어나고 있고, 검사에 요구되는 시간 역시 적지 않아 안전진단을 위한 비용이 늘어남에 따라 새로운 구조물 안전진단 시스템에 대한 요구가 발생하였다. 이러한 요구에 따라 구조물에 각종 센서를 부착하고 그 센서를 이용한 계측 결과에 기초한 구조물 안전진단 시스템의 사용이 점차 보편화되고 있다.
계측 장치를 이용한 방법의 경우 변형률계나 LVDT, 로드셀, 가속도계, 속도계 등의 센서부와 상기 센서부에 의한 계측결과를 측정하는 계측부 등으로 구성되는데, 종래에는 센서부와 계측부 사이를 케이블을 이용하여 연결하여 사용하였다. 케이블을 이용한 계측의 경우 센서부를 계속해서 옮겨야 하는 경우 케이블을 함께 이동해야 하므로 계측을 위한 인력소모가 많고 계측결과가 케이블에 의해 전송되는 과정에서 감쇠되고 왜곡되는 문제가 발생하였으며, 이를 개선하기 위하여 무선 계측시스템이 개발되었다.
이러한 무선 계측시스템의 일예가 한국등록특허 제687,209호에 개시되어 있다. 상기 등록특허에는 센서와 센서 인터페이스로 구성된 센서 모듈과, 센서 모듈측 및 측정부에 마련된 무선송신수단, 콘트롤러 등을 구비한 무선 계측 시스템이 개시되어 있다. 상기 무선 계측 시스템의 경우 무선 센서장치와 무선 검측장치는 기본적으로 휴대용 전원에 의하여 동작하도록 배터리가 포함되도록 구성되어 있다. 즉 별도의 전원공급을 위한 시스템이 필요한 것이다. 별도의 전원공급이 필요하여 배터리를 사용하는 시스템의 경우 정기적으로 배터리를 교체해야하는데, 배터리의 교체를 위해서는 인력이 투입되어야 하는 문제점이 있다. 배터리와 관련하여 발생할 수 있는 또 한가지의 문제점은, 센서부를 설치할 때 배터리의 교체를 염두에 두 어야 한다는 점이다.한편, 전원공급과 관련된 문제 이외에 무선 통신 과정에서 전자기적 노이즈에 의한 신호 약화 및 왜곡 현상이 필연적으로 발생할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
따라서, 무선 계측 시스템에 의존하는 무선 구조물 안전진단 시스템의 경우에도 그 한계가 있을 수 밖에 없었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 전원을 계측부에 포함시킬 필요가 없어서 반영구적으로 사용할 수 있고, 전자기적 잡음에 영향을 받지 않는 무선 구조물 안전진단 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제 해결 수단으로서 본 발명은,
레이저를 생성하고 원하는 파형으로 변조하여 조사하는 레이저 드라이버;
가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물측에 설치되며, 상기 레이저 드라이버에서 조사된 레이저를 수신하여 수신된 레이저의 광신호를 전기신호로 변환하는 포토 다이오드;
가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물에 부착되며, 상기 포토 다이오드에서 변환된 전기신호로 탄성파를 발생하여 상기 구조물을 가진하고 그 가진에 따른 구조물의 응답을 측정하여 그 측정된 응답을 다시 전기신호로 바꾸는 압전소자;
상기 압전소자에서 구조물의 응답에 의해 발생된 전기신호를 광신호로 변환하는 발광 다이오드; 및,
구조물의 상태를 진단하기 위하여 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 수신하여 처리하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 구조물 안전진단 시스템를 제공한다.
상기 레이저 드라이버는,
레이저 발생장치와 레이저 모듈레이터로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 발광 다이오드는 상기 포토 다이오드에서 변환된 전기신호 중 직류 성분을 이용하여 상기 압전소자에서 발생된 전기신호를 증폭하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 포토 다이오드에서 변환된 전기신호 중 직류 성분을 이용하여 상기 압전소자에서 발생한 전기신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하며,
상기 발광 다이오드는 상기 증폭기에서 증폭된 전기신호를 광신호로 변환하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 의하면, 별도의 전원을 계측부에 포함시킬 필요가 없이 반영구적으로 사용할 수 있고, 전자기적 잡음에 영향을 받지 않는 무선 구조물 안전진단 시스템을 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 대하여 설명함으로써 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 기술하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예를 도시한 블럭 다이아그램이다.
본 실시예에 따른 무선 구조물 안전진단 시스템는 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 드라이버(10), 포토 다이오드(20), 압전소자(30), 발광 다이오드(40), 신호 처리부(50) 및 증폭기(60)로 구성된다.
상기 레이저 드라이버는 레이저를 생성하는 레이저 발생장치(11)와 레이저 발생장치(11)에서 생성된 레이저의 파형을 변환하는 레이저 모듈레이터(12)로 구성된다.
상기 포토 다이오드(20)는 가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물(S)측에 설치되며, 상기 레이저 발생장치(11)에서 생성되어 레이저 모듈레이터(12)에서 파형이 변조된 레이저 신호를 수신하여 수신된 레이저의 광신호를 전기신호로 변환한다.
상기 압전소자(30)는 가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물(S)에 부착되며, 상기 포토 다이오드(20)에서 변환된 전기신호로 탄성파를 발생하여 구조물(S)에 조사하여 가진하고, 가진 된 구조물(S)의 응답을 다시 전기신호로 변환한다.
상기 압전소자(30)에서 변환된 전기 에너지는 증폭기(60)를 통해 증폭되며 포토 다이오드(20)를 통해 변환된 전기 에너지의 직류 성분이 상기 증폭기(60)에서의 신호 증폭을 위한 전원이 된다.
상기 발광 다이오드(40)는 상기 압전소자(30)에서 구조물(S)의 응답에 의해 발생된 전기신호를 광신호로 변환한다. 상기 증폭기(60)를 통한 신호의 증폭을 통해 발광 다이오드(40)에서 발생한 빛 에너지를 증폭함으로써 보다 장거리의 무선 전송을 가능하게 한다.
상기 신호 처리부(50)는 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 수신하여 처리함으로써 구조물의 상태를 진단하게 된다.
이하에서는 설명된 무선 구조물 안전진단 시스템을 이용하여 구조물의 안전 진단을 실시하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
우선 가진 및 응답을 측정하고자 하는 구조물(S)에 포토 다이오드(20)을 설치하고, 압전소자(30)를 부착한다. 현재까지의 연구들은 압전소자(30)를 이용한 구조물의 안전진단은 주로 재료가 균일한 강구조물을 대상으로 이루어졌으나, 철근 콘크리트 구조물의 경우에도 압전소자(30)를 이용한 안전진단에 대한 연구가 이루어지면 철근 콘크리트 구조물에도 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 최근 많은 연구가 진행중인 복합체의 건전 상태 및 박리 등의 내부적 이상 상태 평가 등에도 활용될 것으로 기대된다. 이러한 경우 본 발명을 활용하여 복합체의 내부에 압전소자(30)를 부착시키고 외부에 포토다이오드(20) 및 발광 다이오드(40)만을 노출시켜 복합체 내부의 구조물의 변화를 보다 확실하게 평가할 수도 있다.
포토 다이오드(20)와 압전소자(30)가 구조물(S)에 설치되면, 레이저 발생장치(11)에서 생성되고 레이저 모듈레이터(12)에서 변조된 레이저를 포토 다이오드(20)로 조사한다. 레이저 모듈레이터(12)에서의 레이저 변조는 원하는 가진의 형태에 따라 사인파, 구형파, 임펄스 톤버스트 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
포토 다이오드(20)에 변조된 레이저가 수광되면 포토 다이오드(20)에 의해 레이저의 광신호가 전기에너지로 변환되고, 그 전기에너지에 의해 압전조사(30)가 역학적인 변형을 일으키며, 그 역학적인 변형에 의한 탄성파를 이용하여 구조물(S)을 가진하고, 구조물(S)의 응답을 측정하게 된다.
구조물(S)의 응답에 의해 압전소자(30)에 역학적인 에너지가 가해지면 전기 신호가 발생한다. 압전소자(30)에 의해 발생한 전기신호는 증폭기(60)를 통해 증폭되며 발광 다이오드(40)에서 광신호로 변환된다. 이 때 증폭기(60)를 통한 신호의 증폭을 통해 발광 다이오드(40)에서 변환하는 광신호를 더욱 강하게 하여 보다 장거리의 무선 전송을 가능하게 한다.
이때 발광 다이오드(40)는 포토 다이오드(20)를 통해 변환된 전기신호의 직류 성분을 이용하여 구조물에서 발생된 전기신호를 증폭시켜 광신호를 발생하게 되며, 이러한 동작에 의해 증폭된 광신호가 발생하므로, 더욱 장거리의 무선 전송을 가능하게 한다.
발광 다이오드(40)에서 발생된 광신호는 신호처리부(50)에 도달하게 되고, 광신호의 크기신호를 적절히 처리하여 구조물의 손상정도를 분석하게 된다. 구조물(S)의 응답에 따라 압전소자(30)에서 발생하는 전하량이 달라지게 되므로 구조물(S)의 응답과 발광 다이오드(40)에서 변환되는 광신호의 크기는 상관관계를 가지게 되는데 그 상관관계를 이용하여 구조물의 응답을 계측하는 것이다.
압전소자에 의한 가진과 응답측정에 의한 안전진단의 기본원리는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 각각 다음과 같다.
우선, 임피던스 기반의 방법으로서 압전소자가 구조물 표면에 부착되고, 그 압전소자에 전기가 가해지면 압전소자 자체에서 고주파 진동이 일어나고, 이 진동이 구조물의 국부 영역을 직접 가진하게 된다. 이와 동시에 압전소자는 구조물의 동적응답을 얻게 된다. 이때 구조물의 동적 응답이 부착된 압전소자로부터 상응하는 전기응답 신호로 계측되는데 이것이 electro-mechanical 임피던스이다. 이렇게 계측되는 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008021796344-pat00001
상기 식에서 ω는 가진 각주파수, C는 압전소자의 capacitance, κ2 31는 압전소자의 electro-mechanical coupling 상수, Zs는 구조물의 임피던스 그리고 Za는 압전센서의 임피던스이다.
위 식의 electro-mechanical 임피던스(Z)는 구조물의 임피던스를 결정하는 질량, 감쇠 및 강성의 변화에만 직접적으로 영향을 받게 되고 따라서 구조물에 발생하는 손상에 의한 질량, 감쇠 및 강성의 변화로부터 구조물 손상을 파악할 수 있게 되는 것이다.
구조물이 손상되는 경우 질량, 감쇠 및 강성 중의 적어도 일부가 변하게 되고, 압전소자를 이용하여 구조물을 가진하고 그 동적응답을 측정함으로써 잘량, 감쇠 및 강성 중의 적어도 일부에 발생한 변화를 알 수 있으며, 알게 된 구조물의 변화로부터 손상을 추정하는 것이다.
두 번째 방법은 압전소자의 고주파 진동으로부터 구조물 자체에 유도파를 생성하고 그 유도파를 압전소자가 감지하여 구조물의 손상으로부터 생기는 유도파의 변화를 분석하여 손상을 추정하는 방법이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 어 긋나지 아니하는 범위 내에서 다양한 형태의 무선 구조물 안전진단 시스템으로 구체화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예를 도시한 블럭 다이아그램
** 도면의 중요한 부분에 대한 기호의 설명 **
10: 레이저 드라이버 20: 포토 다이오드
30: 압전소자 40: 발광 다이오드
50: 신호 처리부 60 : 증폭기

Claims (3)

  1. 레이저를 생성하고 원하는 파형으로 변조하여 조사하는 레이저 드라이버;
    가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물측에 설치되며, 상기 레이저 드라이버에서 조사된 레이저를 수신하여 수신된 레이저의 광신호를 전기신호로 변환하는 포토 다이오드;
    가진 및 응답측정을 하고자 하는 구조물에 부착되며, 상기 포토 다이오드에서 변환된 전기신호로 탄성파를 발생하여 상기 구조물을 가진하고 그 가진에 따른 구조물의 응답을 측정하여 그 측정된 응답을 다시 전기신호로 바꾸는 압전소자;
    상기 압전소자에서 구조물의 응답에 의해 발생된 전기신호를 광신호로 변환하는 발광 다이오드; 및,
    구조물의 상태를 진단하기 위하여 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 수신하여 처리하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 안전진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 드라이버는,
    레이저 발생장치와 레이저 모듈레이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 안전진단 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 포토 다이오드에서 변환된 전기신호 중 직류 성분을 이용하여 상기 압전소자에서 발생한 전기신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하며,
    상기 발광 다이오드는 상기 증폭기에서 증폭된 전기신호를 광신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 구조물 안전진단 시스템.
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