KR101645546B1 - 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치 및 방법 - Google Patents

변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법은 (a) 변형률 측정 센서가 부착된 구조물의 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중이 가해지는 하중인가단계(S110); (b) 상기 변형률 측정 센서가 상기 일련의 단위 수직하중으로 인한 1차 변형률 데이터를 측정하는 변형률측정단계(S120); (c) 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수가 연산되는 상관계수연산단계(S130); 및 (d) 상기 n개의 지점에 미지의 하중이 걸렸을 때, 변형률 측정 센서에서 측정된 2차 변형률에 상기 상관계수를 적용하여 미지의 하중을 연산하는 미지하중연산단계(S140);를 포함한다.

Description

변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치 및 방법 {Load estimation using strain measurement}
본 발명은 변형률 측정을 이용한 임의 지점 하중 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구조물을 하나의 선형 시스템이라 가정하고, 임의로 지정된 위치에서 측정된 변형률 및 하중의 연관관계를 이용하여, 변형률만을 측정하여 임의로 지정된 위치의 하중을 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
구조물에서 특정 지점에 작용하는 하중은 구조물의 변형 및 파괴를 야기할 수 있으므로, 구조물의 구조 건전성을 객관적으로 평가하는 것은 매우 중요하다. 특히, 항공기와 같은 구조물은 수백명의 사람이 탑승하기 때문에 안전이 최우선으로 고려되어야 하므로 신뢰성 및 정확도가 더욱 우선시된다.
종래에는 하중이 작용하는 지점에서 직접적으로 하중을 측정하기 위해 로드셀(Load-cell)을 부착하는 방법이 이용되었다. 그러나 구조물의 형상, 환경조건에 따라 로드셀을 부착하기 어려운 경우가 빈번하며, 설치과정이 복잡하여 현실적인 제약이 많다는 문제점이 있었다.
본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치 및 방법에 의하여, 구조물의 형상이 미치는 환경조건에 영향을 받지 않고, 구조물의 임의 지점에 걸리는 하중을 정확하게 측정하고자 한다.
본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법은 (a) 변형률 측정 센서가 부착된 구조물의 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중이 가해지는 하중인가단계(S110); (b) 상기 변형률 측정 센서가 상기 일련의 단위 수직하중으로 인한 1차 변형률 데이터를 측정하는 변형률측정단계(S120); (c) 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수가 연산되는 상관계수연산단계(S130); 및 (d) 상기 n개의 지점에 미지의 하중이 걸렸을 때, 변형률 측정 센서에서 측정된 2차 변형률에 상기 상관계수를 적용하여 미지의 하중을 연산하는 미지하중연산단계(S140);를 포함한다.
또한, 구조물은 차량이며, 상기 n개의 지점은 상기 차량 밑면의 임의의 지점일 수 있다.
그리고, 하중인가단계(S110)에서 상기 일련의 단위 수직하중은 하중 인가부에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상관계수연산단계(S130)에서 상관계수 연산은 컴퓨터에 의해 수행된다.
또한, 미지하중연산단계(S140)에서 상기 미지 하중의 연산은 컴퓨터에 의해 수행된다.
그리고, 미지하중연산단계(S140)에서 상기 미지 하중은 하중 인가부에 의해 가해지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법은 (c) 과정 이후 과정으로서, 상기 n개의 지점 및 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수를 데이터 베이스화(data base 化)하는 저장단계(S135);를 더 포함한다.
본 발명은 또한, 상기 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램을 저장한 기록 매체를 제공할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 기록 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치를 제공할 수 있는 바,
본 발명의 일 측면에 따른 하중 추정 장치는, 상기 기록 매체; 구조물의 임의의 n개의 지점에 부착된 n개의 변형률 측정 센서; 상기 변형률 측정 센서가 부착된 구조물의 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중을 인가하는 하중 인가부; 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 일련의 단위 수직하중 인가시 변형률 측정 센서에서 측정된 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수를 연산하는 제 1 산술 처리부; 상기 n개의 지점 및 상기 산술 처리부에서 연산된 상관계수를 저장하는 저장부; 상기 저장부에 저장된 상관계수를 이용하여, 미지의 하중 인가시, 미지의 하중을 연산하는 제 2 산술 처리부; 상기 연산된 미지의 하중을 육안으로 확인할 수 있도록 화면에 표시해주는 디스플레이부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치 및 방법에 의하면, 구조물의 형상이나 환경조건에 영향 없이, 구조물의 임의 지점에 걸리는 하중을 정확하게 측정할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법에서 변형률 측정 센서가 부착되는 구조물의 n개의 지점을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치의 구성도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시하게 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법은 (a) 변형률 측정 센서(20)가 부착된 구조물의 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중이 가해지는 하중인가단계(S110) (b) 상기 변형률 측정 센서(20)가 상기 일련의 단위 수직하중으로 인한 1차 변형률 데이터를 측정하는 변형률측정단계(S120) (c) 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수가 연산되는 상관계수연산단계(S130) 및 (d) 상기 n개의 지점에 미지의 하중이 걸렸을 때, 변형률 측정 센서(20)에서 측정된 2차 변형률에 상기 상관계수를 적용하여 미지의 하중을 연산하는 미지하중연산단계(S140)를 포함한다.
하중인가단계(S110)에서는 하중 인가부(30)에 의해 변형률 측정 센서(20)가 부착된 구조물의 n개의 지점에 상기 일련의 단위 수직하중이 가해진다. 본 발명에서 의미하는 일련의 단위 수직하중이란, 각각의 n개의 지점에 가해지는 하중을 P1 P2 ... Pj,(j=n) 라고 할 때, [P1 P2 ... Pj] 에서 하나의 성분만 0이 아닌 하중이 가해지며, 0이 아닌 성분이 변화되며 가해지는 것을 의미한다. 구체적으로, 일련의 단위 수직하중은 n개의 [P1 P2 ... Pj]의 집합으로서, 예를 들면, {[P 0 ... 0 . . . 0] , [0 10M ... 0 . . . 0] ... [0 0 ... 0 . . . 10M]}을 의미한다. 여기서 하중의 단위는 뉴턴(N)이 사용될 수 있다.
변형률측정단계(S120)에서는 일련의 단위 수직하중이 가해질 때, n개의 지점에 부착된 각각의 변형률 측정 센서(20)에서 n개의 1차 변형률 데이터를 측정한다. 즉 1차 변형률 데이터는 [ε1,ε2, . . . εi],(i=n) 로 표현될 수 있다. 구체적으로, 일련의 단위 수직하중이 차례로 가해질 때, 각각의 단위 수직하중마다 1차 변형률 데이터가 측정이 된다.
한편, 변형률 측정 센서(20)로는 스트레인 게이지(Strain Gauge)가 사용될 수 있다.
상관계수연산단계(S130)에서는 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수가 연산된다. 구조물은 구조와 환경에 따라 하기 수학식 (1)과 같이 하나의 선형시스템으로 정의될 수 있다.
Figure 112014118793020-pat00001
...... (1)
위에서 기재한 바와 같이, [ε1,ε2, . . . εi]는 변형률 데이터, [P1 P2 ... Pj]는 하중을 의미하며, αij는 변형률 데이터 및 하중의 상관계수를 의미한다. 여기서, n개의 지점에서 하중이 가해지고 변형률이 측정되므로, i 및 j는 n의 값을 갖는다.
예를 들어 설명하면, 일련의 단위 수직하중 {[P1 0 ... 0 . . . 0] , [0 P2 ... 0 . . . 0] ... [0 0 ... 0 . . . Pj]} 및, 각각의 단위 수직하중에 대응하는 1차 변형률 데이터 [ε1,ε2, . . . εi]를 상기 선형시스템에 적용하면 n2개의 상관계수 αij를 모두 연산할 수 있다.
한편, 상관계수연산단계(S130)에서 상관계수 연산은 컴퓨터에 의해 수행될 수 있다.
저장단계(S135)에서는 n개의 지점 및 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수를 데이터 베이스화(data base 化)하여 저장한다. 구체적으로, n개의 지점을 데이터 베이스화할 때는 노드화시켜서 저장할 수 있다. 그리고, 구조물상에서 n개의 지점의 위치에 따라 연산된 n2개의 상관계수 αij 가 모두 데이터 베이스화된다. 하중을 추정할 때마다 상관계수를 연산할 필요없이, 데이터 베이스화된 상관계수를 이용하여 하중을 추정할 수 있다. 다만, 시간이 흐름에 따라 구조물의 노화가 진행될 가능성이 있으므로, 상기 상관계수는 적절한 시간간격으로 업데이트되는 것이 필요하다.
미지하중연산단계(S140)에서는 n개의 지점에 미지의 하중이 걸렸을 때, 변형률 측정 센서(20)에서 측정된 2차 변형률 데이터에 저장된 상관계수를 적용하여 미지의 하중을 연산한다.
n개의 지점에 미지의 하중이 걸렸을 때, 변형률 측정 센서(20)에서 2차 변형률 데이터 [ε1,ε2, . . . εi]가 측정된다. 이후, n개의 지점에 대응되며 기 데이터 베이스화되어있는 상관계수 αij 및 측정된 2차 변형률 데이터를 상기 수학식 (1)에 적용하여, n개의 미지 하중을 연산할 수 있다.
한편, 미지하중연산단계(S140)에서 미지 하중의 연산은 컴퓨터에 의해 수행될 수 있다.
알림단계(S150)에서는 미지하중연산단계(S140)를 통해 연산된 미지 하중의 크기가 구조물의 적정 한계 하중을 초과하게 되면, 이상이 있는 것으로 판단하고, 경고수단을 발생시켜 이상유무를 작업자에게 통보할 수 있다. 예를 들면, 구조물이 차량인 경우에는 운전자에게 통보할 수 있고, 교량이나 건물과 같은 경우에는 관리인에게 통보하는 것이 가능하다.
이 때, 경고수단으로는 램프를 이용한 발광 및 스피커를 통한 경고음, 디스플레이를 통한 인지방법 등이 이용될 수 있다.
지금부터, 발명의 이해를 돕고자 n이 4인 경우를 예를 들어 시뮬레이션에 의한 수치 및 결과를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법에서 변형률 측정 센서(20)가 부착되는 구조물의 4개의 지점을 도시한 것이다.
상기 4개의 지점을 L1', L2', R1', R2'라 하고, 임의의 4개의 지점에 일련의 단위 수직하중 [P1, P2, P3, P4]={[10MN 0 0 0], [0 10MN 0 0], [0 0 10MN 0] [0 0 0 10MN]}이 가해진다. 이 때, 4개의 변형률 측정 센서(20)의 측정값을 정리하면 하기 표 1과 같다.
Figure 112016022103098-pat00011
<표 1. 4개의 지점에서 일련의 단위 수직하중이 가해졌을 때 측정된 변형률>
표 1은 L1', L2', R1', R2' 지점의 변형률 데이터를 각각 [ε1,ε2, ε3, ε4]라 했을 때, 각각의 단위 수직하중 [P1, P2, P3, P4]={[10M 0 0 0], [0 10M 0 0], [0 0 10M 0] [0 0 0 10M]}이 가해질 때의 변형률 데이터를 정리한 것이다. 상기 16개의 변형률 데이터값과 일련의 단위 수직하중을 수학식 (1)에 적용하여, 아래 식 (2)와 같이, 상관계수 αij를 구할 수 있다.
Figure 112014118793020-pat00003
... (2)
따라서, 시뮬레이션이 행해진 구조체의 선형시스템은 하기 식 (3)으로 정해진다.
Figure 112014118793020-pat00004
... (3)
위에서 기재한 바와 같이, 4개의 지점 및 연산된 42개의 상관계수 αij 가 모두 데이터 베이스화된다. 따라서, 미지의 하중이 가해지면, 데이터 베이스화된 상관계수와 측정된 변형률을 이용하여 하중을 추정할 수 있다.
하기 표 2는 임의의 하중 [P1, P2, P3, P4]=[3M 2M 1.1M 4.3M]이 가해졌을 때, 측정된 2차 변형률 데이터를 정리한 것이다.
Figure 112014118793020-pat00005
<표 2. 4개의 지점에 임의의 하중이 가해졌을 때 측정된 변형률>
표 2에서 측정된 변형률을 상기 수학식 (3)에 적용시켜, 역행렬 계산 알고리즘 등을 이용하여 임의의 하중 [P1, P2, P3, P4]를 구하면, 임의로 가한 하중 값과 오차 0.01% 내로 정확히 연산되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법에 의하면, 구조물의 형상이 환경조건에 영향 없이, 구조물의 임의 지점에 걸리는 하중을 정확하게 측정할 수 있다.
도 5은 본 발명의 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치의 구성도이다.
본 실시예에 따른 하중 추정 장치는 기록 매체(10), 구조물의 임의의 n개의 지점에 부착된 n개의 변형률 측정 센서(20), 변형률 측정 센서(20)가 부착된 구조물의 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중을 인가하는 하중 인가부(30), 일련의 단위 수직하중과 상기 일련의 단위 수직하중 인가시 변형률 측정 센서(20)에서 측정된 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수를 연산하는 제 1 산술 처리부(40), 상기 n개의 지점 및 상기 산술 처리부에서 연산된 상관계수를 저장하는 저장부(50), 상기 저장부(50)에 저장된 상관계수를 이용하여, 미지의 하중 인가시, 미지의 하중을 연산하는 제 2 산술 처리부(60), 상기 연산된 미지의 하중을 육안으로 확인할 수 있도록 화면에 표시해주는 디스플레이부(70)를 포함한다.
또한, 연산된 미지 하중의 크기가 구조물의 적정 한계 하중을 초과하게 되면, 이상이 있는 것으로 판단하고, 경고수단을 발생시켜 이상유무를 작업자에게 통보하는 알림부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 본 실시예에 따른 하중 추정 방법 및 장치는 구조물의 구조 건전성을 객관적으로 평가할 수 있으므로 구조물의 신뢰성 및 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10 : 기록 매체 20 : 변형률 측정 센서
30 : 하중 인가부 40 : 제 1 산술 처리부
50 : 저장부 60 : 제 2 산술 처리부
70 : 디스플레이부

Claims (9)

  1. (a) 변형률 측정 센서가 부착된 구조물의 상기 변형률 측정 센서가 부착되지 않은 임의 위치 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중이 가해지는 하중인가단계(S110);
    (b) 상기 변형률 측정 센서가 상기 일련의 단위 수직하중으로 인한 1차 변형률 데이터를 측정하는 변형률측정단계(S120);
    (c) 상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수가 연산되는 상관계수연산단계(S130);및
    (d) 상기 n개의 지점에 미지의 하중이 걸렸을 때, 변형률 측정 센서에서 측정된 2차 변형률에 상기 상관계수를 적용하여 미지의 하중을 연산하는 미지하중연산단계(S140);를 포함하되,
    (c) 과정의 상관계수 연산은 하기 [수학식 1]에 의하고,
    [수학식 1]
    Figure 112016022103098-pat00012
    ...... (1)
    (여기서 [ε1,ε2,...εi]는 변형률 데이터, [P1 P2 ... Pj]는 j개의 지점에 각각 작용하는 임의의 하중을 의미하며, αij는 변형률 데이터 및 하중의 상관계수를 의미함)
    상기 (d)단계에서 미지하중 연산은 상기 [수학식 1]의 역행렬을 이용하여 도출하며,
    (c) 과정 이후 과정으로서,
    상기 일련의 단위 수직하중과 상기 1차 변형률 데이터의 선형관계에 대한 상관계수를 데이터 베이스화(data base 化)하는 저장단계(S135)와,
    상기 데이터 베이스화된 상관계수를 일정 시간간격으로 업데이트하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조물은 차량이며, 상기 미지의 하중이 인가되는 n개의 지점은 상기 차량 밑면의 임의의 지점인 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하중인가단계(S110)에서 상기 일련의 단위 수직하중은 하중 인가부에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상관계수연산단계(S130)에서 상관계수 연산은 컴퓨터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미지하중연산단계(S140)에서 상기 미지의 하중의 연산은 컴퓨터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미지하중연산단계(S140)에서 상기 미지의 하중은 하중 인가부에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 방법을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램으로 저장한 기록 매체.
  9. 제 8항에 따른 기록 매체;
    구조물의 임의의 n개의 지점에 부착된 n개의 변형률 측정 센서;
    상기 변형률 측정 센서가 부착된 구조물의 상기 변형률 측정 센서가 부착되지 않은 임의 위치 n개의 지점에 일련의 단위 수직하중을 인가하는 하중 인가부;
    상기 일련의 단위 수직하중과 상기 일련의 단위 수직하중 인가시 변형률 측정 센서에서 측정된 1차 변형률 데이터의 선형 관계에 대한 상관계수를 연산하는 제 1 산술 처리부;
    상기 산술 처리부에서 연산된 상관계수를 저장하는 저장부;
    상기 저장부에 저장된 상관계수를 이용하여, 미지의 하중 인가시, 미지의 하중을 연산하는 제 2 산술 처리부;
    상기 연산된 미지의 하중을 육안으로 확인할 수 있도록 화면에 표시해주는 디스플레이부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치.
KR1020140174253A 2014-12-05 2014-12-05 변형률 측정을 이용한 임의 지점의 하중 추정 장치 및 방법 KR101645546B1 (ko)

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