KR101502062B1

KR101502062B1 - 지진 검출 방법 및 이를 이용한 지진계

Info

Publication number: KR101502062B1
Application number: KR20130154676A
Authority: KR
Inventors: 이병렬
Original assignee: 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-03-11

Abstract

본 실시예에 의한 지진 검출 방법은, 3축 가속도 센서로부터 출력을 인가받는 단계와, 3축 가속도 센서가 출력한 신호들에 상응하는 중력 가속도값들로 변환하는 단계와, 변환된 중력 가속도값들에 대하여 벡터 합을 연산하는 단계, 및 상기 연산된 벡터 합의 크기가 미리 설정된 임계 범위를 벗어난 경우 지진으로 판단하는 단계를 포함한다.

Description

지진 검출 방법 및 이를 이용한 지진계{Earthquake Sensing Method and Seismometer using the same}

본 발명은 지진 검출 방법과 이를 이용한 지진계에 관한 것이다.

종래의 지진계는 3축 가속도 센서를 장착하고 각 축별 센서의 정상 출력에서 벗어나는 정도를 파악하여 지진여부를 판단한다. 즉, x축과 y축이 이루는 평면이 지표에 수평한 평면이고, z축이 중력방향의 축이라면 x 축과 y 축 및 z 축 각각의 가속도 센서의 출력값을 파악하여 정상 출력의 범위에서 벗어나는 값을 출력하는 경우에 지진으로 파악한다.

종래의 지진계는 건물 장착 과정에서 정렬 오차가 있는 경우에 정지 상태에서의 가속도 크기가 달라지기 때문에 기준값이 변화한다. 따라서 이와 같이 기준값 변화를 최소화하기 위하여 x 축과 y 축 및 z 축을 모두 정확히 정렬해서 설치해야 하며, 나아가 설치 후에도 정밀도를 유지하기 위하여 계속적인 유지 및 보수 작업이 필요하다.

본 발명은 종래의 지진계가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 높은 정밀도로 x 축, y 축 및 z 축을 정렬하여 설치하지 않아도 정렬 상태에 따라 기준치를 변경할 필요가 없고, 설치 후 정밀도를 유지하기 위한 유지 및 보수가 불필요한 지진계를 제공하는 것이 목적 중 하나이다.

본 실시예에 의한 지진계는, 3축 가속도 센서와 3축 가속도 센서가 출력한 신호들의 크기를 상응하는 중력 가속도 값들로 변환하는 신호 변환부와 변환된 중력 가속도 값들에 대하여 벡터합을 연산하는 벡터합 연산부를 포함하는 연산부 및 연산부가 연산한 벡터합이 미리 설정된 임계 범위를 벗어난 경우에 지진으로 판단하는 지진 판단부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면 3축 가속도 센서의 출력 신호에 대한 벡터합으로 지진 여부를 판단하므로 종래 기술에 따른 지진계와 같이 높은 정밀도로 x 축, y 축 및 z 축을 모두 정확히 정렬해서 설치할 필요가 없다. 또한 본 발명의 실시예에 의하면 지진계 설치 후에도 설치 상태의 정밀도를 유지하기 위하여 계속적인 유지 및 보수 작업이 불필요하다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 다른 지진 검출 방법의 개요를 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지진계의 구성을 개요적으로 도시한 블록도(block diagram)이다.
도 3은 지진계의 오정렬을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 3축 가속도 센서가 출력한 신호를 디스플레이를 통하여 도시한 도면이며, 도 4b는 3축 가속도 센서(100)가 출력한 신호를 신호 변환부가 인가받아 이를 상응하는 중력 가속도값들로 변환한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 벡터합 연산부가 연산한 벡터합을 도시한 도면이다.
도 6은 로그 관리부가 형성한 로그에 기록된 내용을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 지진계와 지진 검출 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 다른 지진 검출 방법의 개요를 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지진계의 구성을 개요적으로 도시한 블록도(block diagram)이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 3축 가속도 센서(100)로부터 출력을 인가받는다(S100). 가속도센서(100)는 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정하는 것으로, 3축 가속도 센서는 서로 직교하는 x축, y축 및 z축 별로 가속도를 측정할 수 있다. 3축 가속도 센서가 측정한 x축, y축 및 z축의 가속도를 ax, ay 및 az라고 하고, z방향이 중력방향이라고 하면 지진이 없는 경우에 3축 가속도 센서가 출력하는 신호는 ax=0, ay=0이고 az= 1G 이다.

그러나, 지진계를 건물 등에 장착하는 과정에서 정렬 오차가 있는 경우에는 x축을 감지하는 센서 및 y축을 감지하는 센서도 중력 가속도에 의한 가속도를 감지하기 때문에 ax=0, ay=0 및 az= 1G으로 검출되지 않는다. 즉, 도 3a에 도시된 바와 실선으로 도시된 x 축, y 축 및 z 축으로 정렬되어야 하는 가속도 센서의 세 개의 축이 오정렬되어 점선으로 표시된 x'축, y'축 및 z'축으로 오정렬된 경우를 가정하고, 도 3b, 3c 및 도 3d에 각각 도시된 바와 같이 x축과 x'축이 이루는 각을 φ, y축과 y'축이 이루는 각을 ρ,z축과 z'축이 이루는 각을 θ라고 한다.

이러한 경우, z 축과 z'축이 서로 오정렬되어 있어 x축 센서와 y축 센서가 일정한 가속도를 감지하며, 이때 x 축 센서 및 y축 센서가 감지하는 가속도 ax = sinφ, ay = sinρ 이고, z 축 센서가 감지하는 가속도는 az = cosθ이다.

이와 같이 오정렬된 경우에 정지 상태 또는 진동이 인가된 것으로 판단할 수 있는 임계값과 이상적으로 정렬된 경우 임계값은 서로 다르다. 따라서, 오정렬시 정확하게 지진 여부를 판단하는 것이 곤란할 수 있으며, 정렬 상태에 따라 진동이 인가되는 것으로 판단할 수 있는 임계값이 달라지므로 정렬 상태에 따라 임계값을 달리 설정하여야 한다. 나아가 시간이 경과함에 따라 정렬상태가 틀어지는 경우에는 지진계의 지진 감지 특성이 더욱 열화될 수 있다.

연산부(200)에 포함된 신호 변환부(210)는 3축 가속도 센서(100)가 출력한 신호들에 상응하는 중력 가속도값들로 변환하고(S200), 벡터합 연산부(220)는 변환된 중력 가속도값들에 대하여 벡터 합을 연산한다(S300). 일 실시예에서, 3축 가속도 센서(100)가 출력한 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter, 미도시)를 더 포함하여 3축 가속도 센서(100)가 출력한 신호를 디지털로 변환하고, 변환된 신호를 신호 변환부(210)에 인가한다. 다른 실시예로, 3축 가속도 센서가 출력한 신호를 디지털 신호로 변환하지 않고, 아날로그 신호처리를 수행하여 신호 변환부(210)에 인가한다. 따라서, 이하에서 설명되는 실시예는 디지털 신호처리와 아날로그 신호 처리 중 어느 하나로만 국한된 것이 아니라 디지털 및 아날로그 중 어느 하나 또는 혼합 신호처리(mixed signal processing) 중 어느 하나로 수행될 수 있다.

신호 변환부(210)는 3축 가속도 센서(100)가 출력한 신호를 인가받아 이를 상응하는 중력 가속도값들로 변환한다(S200). 일 실시예에서 3축 가속도 센서(100)가 전압 신호 또는 전류 신호의 형태로 출력한 신호를 그에 상응하는 중력 가속도값으로 변환한다. 일 예로 어느 한 축의 가속도 센서가 9.8m/sec^2 의 가속도를 감지하여 출력한 경우, 신호 변환부는 이에 상응하는 값인 1G로 변환하여 출력한다.

벡터합 연산부(220)는 변환된 중력 가속도 값들에 대하여 벡터합(vector sum)을 연산한다(S300). 일 실시예로, 3축 가속도 센서(100)는 서로 직교하는 세 3축방향으로 인가되는 가속도를 감지하여 출력하는 것이다. 따라서, 각 축에서 출력하는 가속도는 x 방향, y 방향 및 z 방향으로 소정의 크기를 가지는 벡터로 표현될 수 있으며, 이와 같이 얻어진 벡터에 대하여 벡터 합을 연산한다.

진동이 없는 지표면에는 중력과 수직한 방향인 x축 방향 및 y축 방향으로는 인가되는 가속도가 없으며, 중력방향으로 항상 1G의 중력 가속도가 작용하므로 세 벡터에 대한 벡터합의 크기를 구하면 1G에 상응하는 값을 얻을 수 있다. 또한, 오정렬된 경우에도 3축 가속도 센서가 출력하는 가속도의 벡터합도 마찬가지로 1G에 해당한다.

지진 판단부(300)는 연산된 벡터 합의 크기가 미리 설정된 임계 범위를 벗어난 경우 지진으로 판단(S400)한다. 지진이 발생하면 3축 가속도 센서의 각 축별로 지진의 가속도를 감지하여 출력하며, 3축 가속도의 벡터합 크기는 1G를 벗어난다. 따라서, 3축 가속도의 벡터합 크기가 1G + Δ1 이상인 경우, 또는 1G - Δ2 이하인 경우에는 지진으로 판단한다. 이 때 Δ1 및 Δ2 는 미리 설정된 임계치로 1G를 기준으로 임계치 이상이거나 임계치 이하의 가속도가 인가되면 지진에 의한 진동으로 검출한다. Δ1 및 Δ2 는 서로 같은 값으로 설정될 수 도 있으며, 서로 다른 값으로 설정될 수 있다.

따라서, 3축 가속도의 벡터합 크기와 미리 설정된 임계 범위의 경계값과 비교하여 지진 여부를 판단할 수 있으며, 이 때, 미리 설정된 경고수준은 1G 이상의 값이다.

따라서, 벡터합의 변화를 모니터링하면 장착 오차에 무관하게 지진 발생 여부를 파악할 수 있다. 일 실시예로, 지진계는 지진으로 판단한 이력을 형성하여 저장하는 로그 관리부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 로그 관리부는 지진의 진도, 일자, 시간 등의 데이터를 로그 기록(log data)으로 형성하여 저장할 수 있다.

구현예

본 발명의 실시예를 구현한 예를 첨부한 도면들을 참조하여 살펴본다. 도 4a는 3축 가속도 센서가 출력한 신호를 디스플레이를 통하여 도시한 도면이며, 도 4b는 3축 가속도 센서(100)가 출력한 신호를 신호 변환부가 인가받아 이를 상응하는 중력 가속도값들로 변환한 결과를 도시한 도면이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 적색과 백색으로 도시된 x축과 y축 신호는 대략적으로 0을 기준으로 상하로 스윙하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4b에서 중력방향인 z축 신호는 대략적으로 1g를 기준으로 스윙하는 것을 알 수 있다.

도 5는 벡터합 연산부가 연산한 벡터합을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 설정된 임계 범위의 상한은 1G+0.1G, 하한은 1G-0.1G로 설정하였다. 따라서, 가속도가 1.1G 이상이거나, 0.9G 이하로 측정되는 지진이 감지되면 지진이 있는 것으로 파악한다.

도 6은 로그 관리부가 형성한 로그에 기록된 내용을 도시한 도면으로, 도 6을 참조하면, 로그 기록은 각각의 시점에 대한 가속도 정보를 소정의 파일형태로 저장될 수 있으며, 이를 참조하면 시간 경과에 따라 인가된 진동의 가속도를 용이하게 알 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

S100 내지 S500: 본 실시예에 따른 지진 검출 방법의 각 단계
100: 3축 가속도 센서 200: 연산부
210: 신호 변환부 220: 벡터합 연산부
300: 지진 판단부

Claims

3축 가속도 센서의 출력 신호를 인가받는 단계와,
3축 가속도 센서가 출력한 신호들에 상응하는 중력 가속도값들로 변환하는 단계와,
변환된 중력 가속도값들에 대하여 벡터 합을 연산하는 단계, 및
상기 연산된 벡터 합의 크기가 미리 설정된 임계 범위를 넘는 경우 지진으로 판단하는 단계를 포함하며,
상기 미리 설정된 임계 범위는 상한 값(upper limit value)과 하한 값(lower limit value)을 가지며, 상기 상한값은 1G+Δ1 이고, 상기 하한값은 1G-Δ2이며, 상기 Δ1과 Δ2는 서로 다른 값으로,
상기 3축 가속도 센서는 건물에 부착되어 지진을 검출하는 지진 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 지진으로 판단하는 단계 이후에 로그를 저장하는 단계를 더 포함하는 지진 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 중력 가속도 값들로 변환하는 단계 이후에,
변환된 중력 가속도 값들을 디스플레이 하는 과정을 더 포함하는 지진 검출 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 중력 가속도 값으로 변환하는 단계 이전에,
3축 가속도 센서의 출력 신호들을 디지털로 변환하는 단계를 더 포함하는 지진 검출 방법.
3축 가속도 센서;
3축 가속도 센서가 출력한 신호들의 크기를 상응하는 중력 가속도 값들로 변환하는 신호 변환부와 변환된 중력 가속도 값들에 대하여 벡터합을 연산하는 벡터합 연산부를 포함하는 연산부; 및
연산부가 연산한 벡터합이 미리 설정된 경고수준을 넘는 경우에 지진으로 판단하는 지진 판단부를 포함하며,
상기 미리 설정된 임계 범위는 상한 값(upper limit value)과 하한 값(lower limit value)을 가지며, 상기 상한값은 1G+Δ1 이고, 상기 하한값은 1G-Δ2이며, 상기 Δ1과 Δ2는 서로 다른 값으로, 건물에 부착되어 지진을 검출하는 지진계.
제6항에 있어서,
상기 지진계는 지진으로 판단한 이력을 형성하여 저장하는 로그 관리부를 더 포함하는 지진계.
제6항에 있어서,
상기 지진계는 변환된 중력 가속도 값들을 디스플레이 하는 디스플레이 유닛을 더 포함하는 지진계.
삭제
제6항에 있어서,
상기 지진계는 3축 가속도 센서의 출력 신호들을 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 더 포함하는 지진계.