KR100965608B1 - 진동 측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 진동 측정장치는 지구 자기장 방향에 대한 오차를 검출하는 지자기 센서, 구조물의 진동을 측정하고, 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출하는 진동 센서 및 상기 검출된 지자기 방향 오차값 및 상기 검출된 중력 방향 오차값을 사용해, 상기 진동 센서에서 측정되는 상기 구조물의 진동값을 보정하는 진동값 보정부를 포함하고, 상기 진동 센서는 MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서의 직류성분 전압값을 사용하여 상기 중력 방향 오차값을 검출함으로써, 구조물의 진동 측정을 위한 장치를 자기장 방향 및 중력 방향과 정확히 일치시키지 않는다 하더라도 구조물의 진동 측정결과를 보정하여 정확한 데이터를 얻을 수 있도록 한다.

Description

진동 측정장치 및 방법{Apparartus and method for measuring vibration}
본 발명은 구조물에 대한 진동 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진동 측정장치의 측정 센서의 위치와 기준이 되는 좌표와의 각도를 하나의 지자기 센서와 하나의 MEMS형 가속도계를 이용하여 측정하고 측정결과를 보정하여 정확한 구조물의 진동 측정이 가능하도록 하는 진동 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 진동 측정 장치로는 2축 지자기 센서와 2축 가속도 센서를 사용하여 방위각을 측정하는 장치, 경사각 변화에 따른 물방울 또는 기포의 움직임을 시각적으로 검사하는 피치각/롤각을 측정하는 장치, 중력에 의한 추의 움직임을 각도계, 눈금자 또는 지시 바늘을 통해 시각적 또는 전기 회로적으로 검사하는 장치, 레이저와 반사경을 이용하여 경사각의 기울기를 측정하는 장치 등이 있다.
그런데, 기존의 진동측정은 측정 센서를 측정 대상 구조물의 표면에 수직인 방향으로 고정시키는 것이었고 표면의 형상과 거칠기 등에 의하여 정확한 수직을 이루는 것 또한 현실적으로 어려웠다. 또한 기존의 대부분의 진동 센서가 피에조 타입(Piezo Type)의 진동 센서로써 이것으로는 상대적인 가속도 밖에 측정이 되지 못하므로 중력에 의해 작용하는 가속도를 측정할 수 없었다. 이에 따라 센서가 기 준 좌표에 대해서 얼마나 기울어졌는지를 보정하지 못하므로, 진동 측정값에 오차가 발생할 수밖에 없었다. 특히 대형 구조물 등의 충격 검출(Damage Detection) 등을 위해서는 구조물의 모드 형상이 정확하게 측정되어야 하는데, 이때에는 각 측정 장치의 위치 오차는 큰 오류를 야기시킨다.
예를 들어 대형 구조물의 하나인 교각의 진동을 측정하고 해석하고자 할 때에는 교각에 대한 시뮬레이션을 통하여 모델 해석을 먼저 실시하고 이에 따라 교각의 측정 위치와 방향을 선정하여 측정하게 된다. 이때 시뮬레이션에서 설정한 좌표계와 측정 시의 좌표계가 가능한 한 일치 하도록 하여야만 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 비교 시에 타당한 결과를 도출할 수 있다. 실제 측정 시에 교각의 표면상태와 형태에 따라서 시뮬레이션과 같은 좌표계를 향하도록 센서를 단단히 고정하는 것은 현실적으로 매우 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 구조물에 대한 진동 측정에 있어서 측정 센서의 위치와 기준이 되는 좌표와의 각도를 측정하고 측정결과에 따라, 진동값을 보정하여 정확한 구조물의 진동 측정이 가능하도록 하는 발명을 제공한다.
상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 진동 측정장치는 지구 자기장 방향에 대한 오차를 검출하는 지자기 센서, 구조물의 진동을 측정하고, 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출하는 진동 센서 및 상기 검출된 지자기 방향 오차값 및 상기 검출된 중력 방향 오차값을 사용해, 상기 진동 센서에서 측정되는 상기 구조물의 진동값을 보정하는 진동값 보정부를 포함하고, 상기 진동 센서는 MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서의 직류성분 전압값을 사용하여 상기 중력 방향 오차값을 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 진동 측정 방법은 지구 자기장 방향에 대한 오차 및 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 지자기 방향 오차값 및 상기 검출된 중력 방향 오차값을 사용해, 구조물의 측정된 진동값을 보정하는 단계를 포함하고, 상기 지구 중력 방향에 대한 오차를 MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서의 직류성분 전압값을 사용하여 검출하는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 따르면, 구조물의 표면 형상 등에 관계없이 구조물에 대한 진동값을 보정할 수 있으므로, 구조물에 진동 측정 장치를 부착하는 것에 있어서 기준 좌표와 일치하도록 정확히 부착해야 하는 번거로움이 없다. 또한, 구조물의 기준 축에 따른 진동 모드 형상을 매우 정확히 나타낼 수 있으며, 특히 교량과 같은 대형 구조물의 Damage Detection과 안전성 판단에 있어서 정확한 정보를 제공한다.
또한, 본원 발명에 따르면, 1축의 지자기 센서와 MEMS형 가속도계만을 사용하므로, 진동 측정 장치의 부피를 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 진동 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 진동 측정장치를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도로서, 1개의 지자기 센서(100), 1개의 진동 센서(120) 및 진동값 보정부(140)을 포함한다.
지자기 센서(100)는 지구 자기장 방향에 대한 오차를 검출한다. 지자기 센서(100)는 지구 자기장 또는 자력선의 크기 및 방향을 측정하는 센서로서 전자기 유도 현상에 의하여 전선에 발생하는 전류인 자기 에너지를 검출, 측정하는 센서이다.
진동 센서(120)는 구조물의 진동을 측정하고, 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출한다. 본 발명에 따른 진동 센서(120)는 구조물 예를 들어, 다리, 건물 등의 진동을 측정하기 위해, MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서를 사용한다. MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서를 사용함으로써, MEMS형 가속도 센서의 직류 전압값을 구하여 중력 방향 오차값을 검출할 수 있다. MEMS 형 가속도 센서는 센서가 기울어짐에 따라 측정되는 값에 변화가 생기게 된 다. 이것을 통하여 중력에 수직한 방향과 센서의 기울어짐을 확인할 수 있다. MEMS 형 가속도 센서는 Piezo 센서와 달리 중력 가속도의 값을 DC Bias를 이용하여 측정할 수 있으므로 각 측정 위치에서 지자기 센서(100)가 가리키는 지구 자기장 방향과의 편차와 MEMS 형 가속도 센서에서 측정된 지구 중력 방향으로의 편차를 측정하여 기준 좌표계와의 각도를 보정하여 각 위치에서 측정된 진동 신호를 구조물의 전체 기준좌표로 변환하여 측정의 정확성을 높일 수 있다.
이때, 지자기 센서(100)의 측정 방향과 및 진동 센서(120)의 측정 방향이 90도 각도를 유지한다.
도 2는 다리의 진동 해석을 위해 기준좌표를 설정한 일 예이다. 다리에 대한 진동 해석을 위하여 기준좌표를 도 2와 같이 설정했다고 하면 도 2와 같은 좌표를 기준으로 Modeling을 하고 Simulation을 하게 된다. 측정의 결과와 Simulation을 비교하기 위해서는 기준 좌표계의 3축과 평행하게 진동 센서를 설치해야 한다. 그러나 이것은 현실적으로 여러 가지 요인에 의하여 어려우며 이것을 간과하고 측정된 신호는 오차를 필연적으로 가지고 있게 된다. 특히 교량에 대한 지속적인 모니터링을 통하여 Damage Detection을 하기 위해서는 측정 위치에 의한 오차가 매우 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 지자기 센서(100)가 지구 자기장 방향에 대한 오차를 측정하고, 진동 센서(120)에서 진동 측정과 함께, 중력 방향에 대한 오차를 검출할 수 있도록 함으로써, 간단한 구성요소에 의해 진동 측정 장치의 위치 오차를 보정하도록 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중력 방향은 Z축의 방향이 되고 지구 자기장 방향을 Y축과 같은 방향이라고 가 정하게 되면 각 측정 위치에서의 지자기 센서(100)를 통하여 각 측정 위치에서의 지구자기장 방향을 측정하고, MEMS형 진동 센서(120)의 직류성분 전압값으로부터 중력방향과의 기울기 오차를 검출한다. 이를 이용하여 진동 센서의 각 축 방향으로 측정된 값을 기준 좌표 계의 값으로 변환하여 측정 오차를 줄일 수 있다. 지구 자기장의 방향이 기준좌표의 Y축이 아니라고 하더라도 기준좌표 Y 축과 지구자기장 방향과의 편각을 측정하여 계산하면 된다.
도 3은 기준 좌표계와 진동 측정장치의 좌표계의 오차를 설명하기 위한 예시도이다. 부피가 큰 정육면체는 구조물의 기준 좌표로써 지구 자기장 방향을 Y축으로 하고 지구 중력 방향을 Z 축으로 지정한다. 한편, 내부의 작은 정육면체는 본 발명의 진동 측정장치의 3축을 나타내는 것으로 지자기 센서(100)의 측정 방향 y와 및 진동 센서(120)의 측정 방향 z가 90도 각도를 유지한다. 지자기 센서(100)의 측정 방향 y와 기준 좌표 Y가 이루는 각도 θ는 지자기 센서(100)를 사용하여 검출한다. 한편, 진동 센서(120)의 측정 방향 z와 기준 좌표 Z가 이루는 각도 φ는 진동 센서(120) 즉, MEMS형 진동 센서의 직류성분 전압값을 사용하여 검출한다. 한편, 진동 측정장치의 x축은 지자기 센서(100)의 측정 방향 y와 및 진동 센서(120)의 측정 방향 z와 직각 방향을 이루므로, x축과 기준 좌표 X와의 각도 α도 검출할 수 있다.
도 4는 중력 방향에서의 진동 센서의 직류성분 전압값을 검출하는 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 진동 센서(120)가 중력 방향에 수직일 때의 값은 최대 10.6[m/s2 ] 및 최소 9.0[m/s2 ]의 진폭을 갖는 전압값을 갖는다. 이러한 진동 센서(120)의 직류성분 전압값은 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 0[Hz]를 갖는 주파수 영역에서의 전압값에 해당하고, 이러한 0[Hz]의 주파수에서 9.8 [m/s2 ]의 중력 가속도값을 갖는 것으로 측정된다.
한편, 도 5는 중력 방향과 30 [도] 기울어진 상태에서의 진동 센서의 직류성분 전압값을 검출하는 일 예를 나타내는 도면이다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 진동 센서(120)가 중력 방향과 30[도] 기울어졌을 때의 값은 최대 9.3[m/s2 ] 및 최소 7.9[m/s2 ]의 진폭을 갖는 전압값을 갖는다. 이러한 진동 센서(120)의 직류성분 전압값은 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 0[Hz]를 갖는 주파수 영역에서의 전압값에 해당하고, 이러한 0[Hz]의 주파수에서 8.5 [m/s2 ]의 중력 가속도값을 갖는 것으로 측정된다. 따라서, 진동 센서(120)의 직류성분 전압값을 측정하면, 다음의 수학식 1을 사용해, 진동 센서(120)와 중력 방향과의 기울어진 각도를 검출할 수 있다.
cosφ=진동 센서의 직류성분 전압값/중력 방향에 대한 가속도값
전술한 바와 같이, 진동 센서의 직류성분 전압값 8.5[m/s2 ]를 중력 가속도값 9.8[m/s2 ]으로 나누면, 중력 방향과 진동 센서의 기울기 오차에 해당하는 30[도]≒cos-1( 0.866)의 각도를 구할 수 있다.
진동값 보정부(140)는 지자기 방향 오차값 및 중력 방향 오차값을 사용해, 진동값을 보정한다. 지자기 센서(100)에서 검출된 지구 자기장 방향에 대한 오차 각도와 진동 센서(120)에서 검출된 중력 방향에 대한 오차 각도를 사용해, 진동 센서(120)에서 측정되는 구조물에 대한 진동값을 오차 각도 만큼 보정한다.
이하, 본 발명에 의한 진동 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 진동 측정방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.
먼저, 지구 자기장 방향에 대한 오차 및 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출한다(제200 단계). 여기서, 지구 자기장 측정 방향과 및 지구 중력 측정 방향이 90도 각도를 유지한다. 지구 중력 방향에 대한 오차를 MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서를 사용해 검출한다. MEMS 형 가속도 센서의 직류 전압값을 사용하여 중력 방향 오차값을 검출한다. MEMS 형 가속도 센서는 센서가 기울어짐에 따라 측정되는 값에 변화가 생기게 된다. 이것을 통하여 중력에 수직한 방향과 센서의 기울어짐을 확인할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중력 방향은 Z축의 방향이 되고 지구 자기장 방향을 Y축과 같은 방향이라고 가정하게 되면 각 측정 위치에서의 지자기 센서를 사용하여 각 측정 위치에서의 지구자기장 방향을 측정하고, MEMS형 진동 센서(120)의 직류성분 전압값으로부터 중력방향과의 기울기 오차를 검출한다.
진동 센서(120)에서 측정된 직류성분 전압값을 전술한 수학식 1에 대입함으 로써, 진동 센서와 중력 방향과의 기울어진 각도 오차를 검출할 수 있다.
제200 단계 후에, 검출된 지자기 방향 오차값 및 검출된 중력 방향 오차값을 사용해, 구조물의 측정된 진동값을 보정한다(제202 단계). 지자기 센서에서 검출된 지구 자기장 방향에 대한 오차 각도와 진동 센서에서 검출된 중력 방향에 대한 오차 각도를 사용해, 진동 센서에서 측정되는 구조물에 대한 진동값을 오차 각도 만큼 보정한다.
이러한 본원 발명인 진동 측정 장치 및 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 진동 측정장치를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다.
도 2는 다리의 진동 해석을 위해 기준좌표를 설정한 일 예이다.
도 3은 기준 좌표계와 진동 측정장치의 좌표계의 오차를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 중력 방향에서의 진동 센서의 직류성분 전압값을 검출하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 중력 방향과 30[도] 기울어진 상태에서의 진동 센서의 직류성분 전압값을 검출하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 진동 측정방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.

Claims (8)

  1. 지구 자기장 방향에 대한 오차를 검출하는 지자기 센서;
    구조물의 진동을 측정하고, 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출하는 진동 센서; 및
    상기 검출된 지자기 방향 오차값 및 상기 검출된 중력 방향 오차값을 사용해, 상기 진동 센서에서 측정되는 상기 구조물의 진동값을 보정하는 진동값 보정부를 포함하고,
    상기 진동 센서는 MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서의 직류성분 전압값을 사용하여 상기 중력 방향 오차값을 검출하는 것을 특징으로 하는 진동 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지자기 센서의 측정 방향과 및 상기 진동 센서의 측정 방향이 90도 각도를 유지하는 것을 특징으로 하는 진동 측정장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 지구 자기장 방향에 대한 오차 및 지구 중력 방향에 대한 오차를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 지자기 방향 오차값 및 상기 검출된 중력 방향 오차값을 사용해, 구조물의 측정된 진동값을 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 지구 중력 방향에 대한 오차를 MEMS(Microelectromechanical Systems)형 가속도 센서의 직류성분 전압값을 사용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 진동 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지구 자기장 측정 방향과 및 상기 지구 중력 측정 방향이 90도 각도를 유지하는 것을 특징으로 하는 진동 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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