KR101393741B1 - 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불규칙한 랜덤진동이 발생하는 건설구조물의 동적응답을 획득하고 획득한 데이터를 효과적으로 압축하여 무선 전송하며 전송된 신호를 분석함으로써 건설구조물의 건전도를 실시간으로 모니터링 및 제어할 수 있는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불규칙한 랜덤진동이 발생하는 건설구조물의 동적응답을 획득하고 획득한 데이터를 효과적으로 압축하여 무선 전송하며 전송된 신호를 분석함으로써 건설구조물의 건전도를 실시간으로 모니터링 및 제어하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템에 관한 것이다.
건물, 교량, 파이프 라인 등 같은 사회 기반 시설은 오늘날 국민생활의 향상에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 건설구조물은 내구연한 동안 다양한 내부/외부적 하중조건으로 인해 끊임없이 진동이 유발되고, 이로부터 구조물은 상시적으로 거동한다. 특히 지진 및 돌풍과 같은 갑작스러운 유해진동은 구조적으로 심각한 손상 및 피해를 초래한다.
따라서 이러한 불규칙 랜덤진동에 의한 구조물의 건전도 및 상태평가가 필요하며 구조물의 동적응답을 효율적으로 계측하는 기술이 요구된다. 이러한 기술을 구조물 건전도 모니터링(SHM; Structural Health Monitoring) 기술이라고 하며 점차 그 중요성이 확대되고 있다.
SHM 기술을 이용하여 구조물의 상태를 실시간으로 모니터링하고 손상된 위치를 사전에 발견한다면 구조물의 안전성을 확보할 수 있고 발생할 수 있는 대형사고를 미연에 방지할 수 있다. 아울러 구조물의 보수 및 보강에 소요되는 시간과 비용도 또한 절감된다.
현재, SHM 시스템은 계측된 결과를 메인 컴퓨터로 전송하고, 메인 컴퓨터에서 이를 모니터링하고 분석함으로써 구조물의 건전도 및 상태평가를 하고 있지만, 단순히 구조물의 응답데이터를 전송하는데 그치고 있어 즉각적인 대응이나 효과적인 관리가 이루어지지 못하는 실정이다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 기술이 한국특허공개 제 2010-0002686호("양방향 통신 기능을 이용한 구조물 계측 및 제어 시스템", 2010.01.07)에 기재되어 있다. 상기 선행문헌은 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물의 상태를 양방향 통신 기능을 이용하여 모니터링뿐만 아니라 적극적으로 제어할 수 있는 구조물 계측 및 제어 시스템에 관한 것이며, 도 1에 나타내었다.
그러나 상기 선행문헌은 구조물에 설치되는 센서 시스템과 상기 센서 시스템에서 출력되는 데이터를 획득하여 분석하는 메인 컴퓨터가 유선으로 연결되어 있다. 따라서 통신에 필요한 케이블의 많은 양의 부피가 크고 비용이 많이 들어 시스템 구축 비용이 상당히 증대되는 문제가 있다.
또, 본 발명과 동일한 기술분야의 발명이 한국등록특허 제 0512123호(“스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템”, 등록일 : 2005.08.26)에도 기재되어 있다. 상기 선행문헌은 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 교량이나 건축물 등과 같은 각 구조물의 모니터링 기술에 사용되는 센서에 스마트 기술을 적용하여 계측기 자체의 계측 기능에 돌발상황의 문제를 보완할 수 있도록 자체 조정기능과 위급상황에서의 데이터 손실을 방지하기 위한 소형저장장치 및 CPU와 전원 보존 기능을 구비하고, 무선자가획득계측이 가능하며, 또한 계측된 데이터가 기간 시설물의 구조적 특성에 적절하게 데이터를 분석하고 평가하여 구조물의 손상 또는 외부의 환경의 영향으로부터 구조물 자신을 보호하고 어떤 위급상황에 능동적인 대처를 하여 피해를 최소화하고 인간의 생명을 안전하게 보전하는 구조물 모니터링 시스템으로서 기존의 기간시설물의 모니터링시스템, 즉 시설물의 상태평가모니터링보다는 발전된 모니터링 시스템에 관한 것이다.
미국특허공개 제 2010-0238027호("DEVICE FOR MONITORING THE HEALTH STATUS OF STRUCTURES", 공개일 : 2010.09.23) 또한 본 발명과 동일한 기술분야의 발명이며, 구조물의 선택된 위치에 설치되는 향상된 신뢰도와 성능을 갖는 구조물 건전도 모니터링 장치에 관한 것이다. 구조물 건전도 모니터링 장치는 데이터 수집, 처리 및 저장 매체, 광범위하게 상호 연결된 네트워크 무선 연결 시스템을 포함하여 구성되며, 적어도 2가지의 전원을 포함하는 전원 시스템에 의해 지속적으로 전원을 공급받는다. 특히 구조물 건전도 모니터링 장치는 상시 거동하는 응답데이터 혹은 비동기적인 트리거 데이터를 획득하는 센서를 더 포함하고, self-training neural data processing 알고리즘을 사용하여 데이터 압축 및 구조적 편차의 자동 검출을 위한 데이터 처리 매체를 더 포함한다.
효율적인 건전도 모니터링을 위해서는 가능한 한 많은 센서가 필요한데, 특히 응답획득을 위한 계측 지점이 많은 장대형화된 구조물에 SHM 시스템을 구축할 경우 소모되는 비용은 더욱 증가할 수 밖에 없다. 이와 더불어, 전술한 바와 같이 센서 시스템이 많아지면 다수의 센서들에서 출력되는 엄청난 양의 응답데이터가 메인 컴퓨터로 전송되므로 과부하가 걸려 데이터의 손실을 초래하거나 정상적인 처리가 이루어지지 못한다. 상기 선행문헌들은 이러한 문제를 해결하기 위한 효과적인 방안은 제시하고 있지 않다.
따라서 건설구조물에 SHM 시스템을 구축하는 데 있어서 보다 경제적이고 동적응답 데이터량을 효과적이고 저감시키면서도 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 건설구조물의 동적응답 데이터를 무선 전송함으로써 시스템 구축 비용을 절감시키며 유지보수가 용이한 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 획득한 동적응답 데이터를 효율적으로 처리하는 과정에 있어서 달팽이관의 소리를 인식하는 원리를 응용하여 송신 데이터량은 감소시키면서도 유효 데이터의 손실은 거의 없는 신뢰성 있는 데이터를 무선 전송할 수 있는 무선 계측 시스템을 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명은 동적응답 데이터 압축과정을 컴퓨터 프로그램으로 코딩하여 임베디드함으로써 설계 변경이 용이하고 새로운 기능의 구현이 가능한 무선 계측 시스템을 제공한다.
본 발명은 건설구조물의 건전도 및 상태 평가를 위해 동적응답을 계측하는 시스템에 있어서, 건설구조물의 진동을 감지하는 가속도 센서를 포함하며, 상기 가속도 센서에서 출력되는 주파수 성분을 갖는 계측 신호를 특정 주파수 성분별로 분해하고 재건한 뒤 첨두치만 샘플링하여 압축하는 센싱부; 및 상기 센싱부에서 압축된 계측 신호를 전송받아 상기 건설구조물의 건전도 및 상태를 모니터링하고 분석하는 메인 컴퓨터; 를 포함하여 이루어지며, 상기 센싱부와 메인 컴퓨터는 무선 송수신 수단을 이용하여 신호를 송수신할 수 있다.
또한, 상기 센싱부는 중심주파수 또는 대역폭이 다른 복수개의 대역통과필터로 이루어지는 대역통과필터부를 이용하여 상기 가속도 센서에서 출력되는 계측 신호에서 특정 주파수 범위의 신호들을 추출하는 분해과정, 상기 복수개의 대역통과필터의 중심주파수 및 대역폭을 바탕으로 필터링된 신호를 재건하는 재건과정, 상기 재건된 신호에 첨두치 색출 알고리즘(Peak-Picking Algorithm)을 적용하여 첨두치 데이터를 샘플링하는 압축과정을 수행하는 프로그램이 임베디드될 수 있다.
아울러, 상기 센싱부는 재건오차(J; reconstruction error)를 계산하고 이를 바탕으로 상기 대역통과필터의 중심주파수 및 대역폭이 결정되도록 할 수 있으며, 데이터 압축률(CR; compression ratio) 대비 재건오차(J) 를 계산하고 이를 바탕으로 상기 대역통과필터의 개수가 결정되도록 할 수도 있다.
또, 본 발명에 있어서 상기 메인 컴퓨터는, 상기 센싱부로부터 전송된 계측 신호에 프로그래밍된 제어 알고리즘을 적용하여 상기 센싱부를 제어하는 피드백 신호를 생성하고, 상기 피드백 신호를 무선 송수신 수단을 통해 상기 센싱부로 전송함으로써 상기 센싱부를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 무선 계측 시스템은 상기 센싱부와 연결되며 건설구조물에 부착되어 진동을 감쇄시키는 댐퍼;가 더 구비되며, 상기 메인 컴퓨터는, 상기 건설구조물의 진동을 감쇄시키기 위해 상기 댐퍼를 구동하는 신호를 상기 피드백 신호에 포함될 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 무선 계측 시스템은 상기 센싱부에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부가 구비되며, 상기 전원 공급부는, 자가발전을 이용하거나 태양열, 풍력, 진동 중 어느 하나 이상의 친환경 에너지원을 이용할 수도 있다.
본 발명은 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템으로써 기존의 유선으로 연결된 시스템과 달리 구축 비용 및 유지보수 비용이 절감되고, 달팽이관에서 소리를 인식하는 원리를 응용한 데이터 처리과정을 통해 다수의 센서들에서 출력되는 엄청난 양의 응답데이터의 데이터량을 감소시키면서도 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있으며, 시스템의 과부하 없이 실시간으로 건설구조물을 모니터링 및 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 동적응답 데이터 처리과정을 프로그램화하고 이를 센싱부에 임베디드하여 소프트웨어적으로 구성됨에 따라 하드웨어적으로 구성되는 것보다 시간적/경제적인 이득이 있고, 데이터 처리과정을 최적화하기위한 설계조건 변경이 용이하다. 또한 새로운 기능을 손쉽게 구현할 수 있으며 다양한 계측 조건에 따라 탄력적으로 소프트웨어 변경이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 구조물 계측 및 제어 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 첫번째 실시예를 나타낸 구성도
도 3(a)은 사람의 귀를 나타낸 그림
도 3(b)는 도 3(a)에서 달팽이관을 길게 펼친 그림
도 4는 계측 신호가 대역통과필터부를 거쳐 분해되는 과정을 나타낸 예
도 5는 원신호와 도 4의 대역통과필터부를 거쳐 분해되고 재건된 신호를 비교한 예
도 6은 대역통과필터의 필터간 간격 및 대역폭에 따라 재건오차를 계산한 예
도 7은 재건된 신호에 첨두치 색출 알고리즘을 적용하여 첨두치를 검출하는 과정을 나타낸 예
도 8은 재건오차 및 데이터 압축률을 통해 대역통과필터의 개수를 결정하는 예
도 9은 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 두번째 실시예를 나타낸 구성도
도 10은 본 발명에 따른 센싱부가 복수개 구비된 무선 계측 시스템
도 2는 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 첫번째 실시예를 나타낸 구성도
도 3(a)은 사람의 귀를 나타낸 그림
도 3(b)는 도 3(a)에서 달팽이관을 길게 펼친 그림
도 4는 계측 신호가 대역통과필터부를 거쳐 분해되는 과정을 나타낸 예
도 5는 원신호와 도 4의 대역통과필터부를 거쳐 분해되고 재건된 신호를 비교한 예
도 6은 대역통과필터의 필터간 간격 및 대역폭에 따라 재건오차를 계산한 예
도 7은 재건된 신호에 첨두치 색출 알고리즘을 적용하여 첨두치를 검출하는 과정을 나타낸 예
도 8은 재건오차 및 데이터 압축률을 통해 대역통과필터의 개수를 결정하는 예
도 9은 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 두번째 실시예를 나타낸 구성도
도 10은 본 발명에 따른 센싱부가 복수개 구비된 무선 계측 시스템
도 2는 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 첫번째 실시예를 나타낸 구성도이다. 도 2를 참고하여 설명하면, 건설구조물의 건전도 및 상태 평가를 위해 동적응답을 계측하는 시스템에 있어서 본 발명은 크게 센싱부(100), 메인 컴퓨터(200)로 구성되며 상기 센싱부(100)와 메인 컴퓨터(200)는 무선 송수신 수단(20)을 이용하여 신호 및 데이터를 송수신한다. 이 때, 무선 송수신 수단(20)으로 RF 모듈 등이 사용될 수 있다.
상기 센싱부(100)는 건설구조물의 진동을 감지하는 가속도 센서(10)를 포함하며, 상기 가속도 센서(10)에서 출력되는 주파수 성분을 갖는 계측 신호를 특정 주파수 성분별로 분해하고 재건한 뒤 첨두치만 샘플링하여 압축하는 역할을 담당하며, 상기 메인 컴퓨터(200)는 센싱부(100)에서 압축된 계측 신호를 전송받아 상기 건설구조물의 건전도 및 상태를 모니터링하고 분석하는 역할을 담당한다.
특히, 상기 센싱부(100)는 가속도 센서(10)에서 출력되는 신호를 효율적으로 메인 컴퓨터(200)로 전송하기 위해 "분해 - 재건 - 압축"하는 처리를 한다.
이하, 첨부된 도면을 사용하여 상기 센싱부(100)의 데이터 처리과정을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 효율적인 데이터 처리과정에 있어서, 인체의 달팽이관에서 소리를 인식하는 원리를 응용하였다. 따라서 본 발명에 따른 데이터 처리과정을 설명하기에 앞서, 달팽이관에서 소리를 인식하는 과정을 설명한다.
도 3(a)은 사람의 귀를 나타낸 그림이며, 도 3(b)는 도 3(a)에서 달팽이관을 길게 펼친 그림이다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이 기저막부터 대뇌피질까지 주파수에 대해 공간적으로 배열되어 있고 각각의 위치에 따라 특정 주파수에 대해 최대로 반응하는 구조(tonotopy)적 배열을 가지고 있다. 기적막 만의 고유 진동 원리는 소리 에너지의 주파수에 따라 기저막의 각기 다른 부분이 진동하는 것이다. 따라서 소리는 달팽이관에서 각각의 주파수 대역에 대응하는 신호들로 분해되고 분해된 신호들은 내측 유모 세포(Hair cell)에서 신호의 피크값을 엔코딩(Encoding)하여 뇌로 보내준다. 이 때, 뇌에서는 이 신호의 크기를 판독하여 소리를 인식하는 것이다.
상기와 같은 생물학적 신경 시스템은 본 발명의 무선 계측 시스템을 설계하는데 잠재적인 솔루션을 제공한다.
도 4는 계측 신호가 대역통과필터부(110)를 거쳐 분해되는 과정을 나타낸 예이다. 도 4에 도시된 바와 같이 분해과정은 센싱부(100)의 가속도 센서(10)에서 출력되는 계측 신호에서 중심주파수 또는 대역폭이 다른 복수개의 대역통과필터(Band pass filter)로 이루어진 대역통과필터부(110)를 통해 특정 주파수 범위의 신호들을 추출하는 과정이다. 대역통과필터들은 정해진 주파수 영역만을 통과시키도록 설계되었기 때문에 복잡한 계측 신호는 해당 통과 대역에 맞는 대역통과필터를 통과한다.
고유 진동수가 상대적으로 낮은 10 Hz 이하인 토목구조물의 경우, 대역통과필터부(110) 설계 시 대역통과필터의 중심주파수는 0.1 ~ 10 Hz의 주파수에 한정된다. 구체적으로 예를 들면, 도 4에 도시된 것처럼, 중심주파수는 0.5, 1.0, 1.5, ..., 10.0 Hz이면 대역통과필터간 간격은 0.5 Hz이고 대역통과필터는 20개이다.
이후 상기 복수개의 대역통과필터의 중심주파수 및 대역폭을 바탕으로 필터링된 신호를 재건하는 재건과정이 이어진다. 참고로, 도 5에 원 신호와 도 4의 대역통과필터부(110)를 거쳐 분해되고 재건된 신호를 비교한 예를 나타내었다.
이 때, 센싱부(100)는 하기 수학식 1을 이용하여 재건오차(J; reconstruction error)를 계산할 수 있으며, 재건오차(J)가 작을수록 신호의 재건률이 높다는 것을 뜻한다.
바람직하게는 계산된 재건오차(J)를 바탕으로 상기 분해과정에 있어서 적절한 대역통과필터들의 중심주파수 및 대역폭이 결정되어야 한다. 다시 말해, 각 대역통과필터의 중심주파수 또는 대역폭을 변경해가면서 재건오차를 계산하고 재건오차가 가장 작을 때의 대역통과필터들의 중심주파수 및 대역폭을 결정하는 것이다. 10개의 대역통과필터로 구성된 대역통과필터부의 대역통과필터간 간격(중심주파수간 간격) 및 대역폭에 따라 재건오차(J)를 계산한 예를 도 6에 나타내었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 재건오차가 가장 작은 값은 0.054(동그라미로 표시)로, 이 때의 대역통과필터의 필터간 간격은 0.9, 대역폭은 0.6, 또는 필터간 간격이 1.0, 대역폭은 0.7이다.
마지막 과정은, 재건된 신호에 첨두치 색출 알고리즘(Peak-Picking Algorithm)을 적용하여 첨두치 데이터를 샘플링하는 압축과정이며, 이를 도 7에 나타내었다. 첨두치 색출 알고리즘이란 재건된 신호의 첨두치만을 검출함으로써, 전송되는 데이터의 양을 최소화시키는 것으로, 좀 더 상세하게는, 아날로그 - 디지털 변환기(ADC; Analog - digital converter)(120)를 이용하여 기설정된 샘플링률(sampling rate)에 따라 첨두치를 검출(도 7에 동그라미 표시)하고 검출된 데이터를 디지털화하여 무선 송수신 수단(20)을 통해 실시간으로 메인 컴퓨터(200)로 전송한다.
이 때, 데이터 압축률(CR; compression ratio)은 하기 수학식 2를 이용하여 계산된다.
이 때, 원 신호의 피크수는 나이퀴스트 샘플링 이론을 적용하여 얻을 수 있다. 계산된 데이터 압축률(CR)과 재건오차(J)값을 이용해 상기 분해과정에 사용되는 대역통과필터의 개수가 결정되는데, 구체적으로는 전술한 바와 같이 재건오차(J) 값을 통해 중심주파수 및 대역폭이 결정된 대역통과필터들의 개수를 가감해가면서 데이터 압축률(CR) 대비 재건오차(J)값을 평가하여 최적화된 대역통과필터의 개수를 결정하는 것이 바람직하다. 도 8은 재건오차 및 데이터 압축률을 통해 대역통과필터의 개수를 결정하는 예를 나타낸 것이다. 대역통과필터간 간격(Fsb)은 0.6 Hz, 대역폭(bw)은 0.4 Hz이며, 대역통과필터의 개수가 증가함에 따라 재건오류(J)는 감소하지만 압축률(데이터량)은 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 대역통과필터의 개수를 늘리면 더욱 완벽한 신호를 재건할 수 있겠지만 이는 시스템 구축 비용 및 데이터량 증가로 직결된다.
이를 정리하면, 대역통과필터 개수 증가는 항상 재건오차를 줄이는 동시에 압축률을 증대시키는 관계가 있으므로, 유효 정보의 손실과 적절한 압축률 사이의 균형을 맞추어 대역통과필터의 개수를 결정해야함을 뜻한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 재건오차(J)와 데이터 압축률(CR) 그래프 사이에 크로스되는 부분의 대역통과필터 개수를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기와 같은 동적응답 데이터 처리과정을 컴퓨터 프로그램으로 코딩하여 이를 센싱부(100)에 임베디드하여 소프트웨어적으로 구성한다. 본 발명은 대역통과필터부(110)를 통해 신호를 분해하고 재건하며 A/D 변환기(120)를 이용해 압축하는 모든 데이터 처리 과정, 그리고 재건오차(J) 및 데이터 압축률(CR)을 계산하고 이를 바탕으로 상기 대역통과필터부(110)를 구성하는 복수개의 대역통과필터의 중심주파수, 대역폭 및 개수를 결정하는 알고리즘을 소프트웨어적으로 구성함에 따라 하드웨어적으로 구성하는 것보다 시간적/경제적으로 이득이 있으며, 데이터 처리과정을 최적화하기위한 설계조건 변경이 용이하다. 또한 새로운 기능(함수)을 손쉽게 구현할 수 있으며 다양한 계측 조건에 따라 탄력적으로 소프트웨어 변경이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 과정을 거쳐 센싱부(100)로부터 메인 컴퓨터(200)로 전송된 데이터는 메인 컴퓨터(200)의 프로그램화된 제어 알고리즘에 의해 분석되어 건설구조물의 건전도 및 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.(단방향 무선 계측 시스템)
아울러, 본 발명에 따른 무선 계측 시스템의 두번째 실시예를 나타낸 구성도인 도 9와 같이 메인 컴퓨터(200)는 센싱부로부터 전송된 계측 신호에 프로그래밍된 제어 알고리즘을 적용하여 센싱부(100)를 제어하는 피드백 신호를 생성하고, 피드백 신호를 무선 송수신 수단(20)을 통해 센싱부(100)로 전송함으로써 센싱부(100)를 제어할 수도 있다.(양방향 무선 계측 시스템) 예를 들면, 전력소모를 최소화하기 위해 센싱부(100)를 측정 대기 모드로 전환시키고 설정된 시간 동안만 측정하도록 하거나, 전원을 On/Off 하는 등의 제어가 실시된다.
한편, 본 발명에 있어서 도 9에 도시된 바와 같이 센싱부(100)와 연결되며 건설구조물에 부착되어 진동을 감쇄시키는 댐퍼(30)가 더 구비되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 메인 컴퓨터(200)는 상기 댐퍼(30)를 구동하는 신호를 피드백 신호에 포함시켜 센싱부(100)로 전송하고, 상기 댐퍼(30)는 건설구조물의 진동을 감쇄시키기 위해 구동된다.
예를 들면 진동수를 배수로 맞춰 댐플링(Dampling)을 일으켜 건설구조물의 진동을 상쇄시키는 방법이 있다. 이 경우, 센싱부(100)는 D/A 변환기(130)가 더 구비되어 메인 컴퓨터(200)에서 전송된 피드백 신호를 아날로그 신호로 변환하여 댐퍼(30)를 구동시켜야 할 것이다.
또한 본 발명에 있어서, 센싱부(100)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(미도시)가 구비되는데, 전원 공급부는 자가발전을 이용하거나 태양열, 풍력, 진동 중 어느 하나 이상의 친환경 에너지원이 이용될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 센싱부(100)가 복수개 구비된 무선 계측 시스템을 나타낸 것으로, 센싱부(100)는 다양한 계측 지점에 복수개 설치될 수 있으며 본 발명은 전술한 바와 같이 복수개의 센싱부(100)에서 메인 컴퓨터(200)로 전송되는 동적응답 데이터를 효과적으로 압축하여 무선으로 전송하기 때문에 계측 지점이 많아져서 유효 데이터의 손실은 거의 없다.
이와 같이 본 발명은 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템으로써 기존의 유선으로 연결된 시스템과 달리 구축 비용 및 유지보수 비용을 절감시키고, 달팽이관에서 소리를 인식하는 원리를 응용한 데이터처리과정을 통해 다수의 센서들에서 출력되는 엄청난 양의 응답데이터의 데이터량을 줄이면서도 신뢰성있는 데이터를 얻을 수 있으며, 시스템의 과부하 없이 실시간으로 건설구조물을 모니터링 및 제어할 수 있는 장점이 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 가속도 센서 20 : 무선 송수신 수단
30 : 댐퍼 100 : 센싱부
110 : 대역통과필터부 120 : A/D 변환기
130 : D/A 변환기 200 : 메인 컴퓨터
30 : 댐퍼 100 : 센싱부
110 : 대역통과필터부 120 : A/D 변환기
130 : D/A 변환기 200 : 메인 컴퓨터
Claims (7)
- 건설구조물의 건전도 및 상태 평가를 위해 동적응답을 계측하는 시스템에 있어서,
건설구조물의 진동을 감지하는 가속도 센서를 포함하며, 상기 가속도 센서에서 출력되는 주파수 성분을 갖는 계측 신호를 특정 주파수 성분별로 분해하고 재건한 뒤 첨두치만 샘플링하여 압축하는 센싱부; 및
상기 센싱부에서 압축된 계측 신호를 전송받아 상기 건설구조물의 건전도 및 상태를 모니터링하고 분석하는 메인 컴퓨터;
를 포함하여 이루어지며,
상기 센싱부와 메인 컴퓨터는 무선 송수신 수단을 이용하여 신호를 송수신하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 센싱부는,
중심주파수 또는 대역폭이 다른 복수개의 대역통과필터로 이루어지는 대역통과필터부를 이용하여 상기 가속도 센서에서 출력되는 계측 신호에서 특정 주파수 범위의 신호들을 추출하는 분해과정,
상기 복수개의 대역통과필터의 중심주파수 및 대역폭을 바탕으로 필터링된 신호를 재건하는 재건과정,
상기 재건된 신호에 첨두치 색출 알고리즘(Peak-Picking Algorithm)을 적용하여 첨두치 데이터를 샘플링하는 압축과정,
을 수행하는 프로그램이 임베디드된 것을 특징으로 하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
- 제 2항에 있어서, 상기 센싱부는,
재건오차(J; reconstruction error)를 계산하고 이를 바탕으로 상기 복수개의 대역통과필터의 중심주파수 및 대역폭이 결정되도록 하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
- 제 3항에 있어서, 상기 센싱부는,
데이터 압축률(CR; compression ratio) 대비 재건오차(J)를 계산하고 이를 바탕으로 상기 대역통과필터의 개수가 결정되도록 하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 메인 컴퓨터는,
상기 센싱부로부터 전송된 계측 신호에 프로그래밍된 제어 알고리즘을 적용하여 상기 센싱부를 제어하는 피드백 신호를 생성하고,
상기 피드백 신호를 무선 송수신 수단을 통해 상기 센싱부로 전송함으로써 상기 센싱부를 제어하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
- 제 5항에 있어서, 상기 무선 계측 시스템은,
상기 센싱부와 연결되며 건설구조물에 부착되어 진동을 감쇄시키는 댐퍼;
가 더 구비되며,
상기 메인 컴퓨터는,
상기 건설구조물의 진동을 감쇄시키기 위해 상기 댐퍼를 구동하는 신호를 상기 피드백 신호에 포함시키는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 무선 계측 시스템은,
상기 센싱부에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부가 구비되며,
상기 전원 공급부는,
자가발전을 이용하거나 태양열, 풍력, 진동 중 어느 하나 이상의 친환경 에너지원을 이용하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 동적응답 획득을 위한 달팽이관 원리 기반의 무선 계측 시스템.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101561015B1 (ko) * | 2015-02-04 | 2015-10-16 | 건양대학교산학협력단 | 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 최적 진동제어 시스템 |
| KR101559835B1 (ko) * | 2015-02-04 | 2015-10-26 | 건양대학교산학협력단 | 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 최적 압축데이터 계측 시스템 |
| KR101644311B1 (ko) * | 2015-02-04 | 2016-08-01 | 건양대학교산학협력단 | 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 최적 si 시스템 |
| KR101943182B1 (ko) * | 2017-01-24 | 2019-01-28 | 세종대학교산학협력단 | 프리스트레스 콘크리트 교량의 내하력 평가 방법 |
| CN112834020A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-25 | 重庆国际复合材料股份有限公司 | 用于托盘的低功耗数据采集系统及方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NZ631175A (en) * | 2014-02-27 | 2016-09-30 | Seismo Holdings Ltd | Apparatus for detecting and recording seismic activity |
| US10262870B2 (en) * | 2015-07-02 | 2019-04-16 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Fin field effect transistor (FinFET) device structure and method for forming the same |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060122585A (ko) * | 2005-05-27 | 2006-11-30 | 건양대학교산학협력단 | 구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6684700B1 (en) * | 2000-08-11 | 2004-02-03 | Swantech, L.L.C. | Stress wave sensor |
| KR100512123B1 (ko) | 2003-05-27 | 2005-09-05 | 허광희 | 스마트 무선계측시스템을 이용한 구조물 모니터링 시스템 |
| US7093492B2 (en) * | 2004-03-19 | 2006-08-22 | Mechworks Systems Inc. | Configurable vibration sensor |
| ITBO20070756A1 (it) | 2007-11-16 | 2009-05-17 | Filippo Bastianini | Dispositivo per il monitoraggio dello stato di salute di strutture |
| KR20100002686A (ko) | 2008-06-30 | 2010-01-07 | 건양대학교산학협력단 | 양방향 통신 기능을 이용한 구조물 계측 및 제어 시스템 |
| US10502711B2 (en) * | 2010-11-15 | 2019-12-10 | Parker-Hannifin Corporation | Embedded or clip-on device for health monitoring of an article |
| EP2895827B8 (en) * | 2012-09-11 | 2020-08-19 | S.P.M. Instrument AB | Apparatus for monitoring the condition of a machine |
-
2014
- 2014-02-26 KR KR1020140022307A patent/KR101393741B1/ko active IP Right Grant
-
2015
- 2015-02-25 US US14/631,184 patent/US9903841B2/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060122585A (ko) * | 2005-05-27 | 2006-11-30 | 건양대학교산학협력단 | 구조물의 모니터링을 위한 동적응답측정용 무선계측 시스템 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101561015B1 (ko) * | 2015-02-04 | 2015-10-16 | 건양대학교산학협력단 | 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 최적 진동제어 시스템 |
| KR101559835B1 (ko) * | 2015-02-04 | 2015-10-26 | 건양대학교산학협력단 | 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 최적 압축데이터 계측 시스템 |
| KR101644311B1 (ko) * | 2015-02-04 | 2016-08-01 | 건양대학교산학협력단 | 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 최적 si 시스템 |
| KR101943182B1 (ko) * | 2017-01-24 | 2019-01-28 | 세종대학교산학협력단 | 프리스트레스 콘크리트 교량의 내하력 평가 방법 |
| CN112834020A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-25 | 重庆国际复合材料股份有限公司 | 用于托盘的低功耗数据采集系统及方法 |
| CN112834020B (zh) * | 2020-12-31 | 2022-10-14 | 重庆国际复合材料股份有限公司 | 用于托盘的低功耗数据采集系统及方法 |
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