KR102442346B1 - 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서 - Google Patents

지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지진 가속도를 측정하기 위한 FBA 타입의 지진 가속도 센서에 그 정상 동작 여부를 검증하기 위한 MEMS 타입의 가속도 센서를 함께 구비시킴으로써 센서를 탈부착함이 없이도 센서가 설치된 현장에서 FBA 타입의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부를 손쉬우면서도 저 비용으로 검증하고 지진동과 일반진동을 모두 측정할 수 있도록 한 지진 가속도 센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 지진 가속도 센서는 케이스; 케이스 내부에 설치되어 XYZ축의 적어도 1축에 대한 지진 가속도를 측정하는 FBA 센서 모듈; 케이스 내부에 설치되어 FBA 센서 모듈과 동일 케이스 내부에 함께 설치되고 XYZ 3축에 대한 가속도를 측정하는 MEMS 센서 모듈; 케이스 내부에 설치되어 FBA 센서 모듈과 MEMS 센서 모듈에 전원을 공급하는 전원 및 센서 인터페이스 보드 및 케이스의 측면에 설치되어 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈을 외부의 지진 가속도 기록계에 연결하는 커넥터를 포함하여 이루어진다.

Description

지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서{method for field-verifying normal operation of seismic acceleration sensor and the seismic acceleration sensor using thereby}
본 발명은 지진 가속도를 측정하기 위한 FBA 타입의 지진 가속도 센서에 그 정상 동작 여부를 검증하기 위한 MEMS 타입의 가속도 센서를 함께 구비시켜 현장 검증함으로써 센서를 탈부착함이 없이도 센서가 설치된 현장에서 FBA 타입의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부를 손쉬우면서도 저 비용으로 검증하고 지진동과 일반진동을 모두 측정할 수 있도록 한 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서에 관한 것이다.
우리나라는 비교적 안정된 지각판 내부에 존재하지만, 동일본 대지진의 여파로 최근 경주 및 포항 지진과 같이 리히터 지진계로 5.0 이상의 중규모 지진이 빈번하게 발생하고 있어서 더이상 지진 안전 지역이라고 단언할 수 없는 실정이다.
지진에 의한 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해서는 지진의 발생을 조기에 판별하여 이를 경보하고, 최대한 이른 시간에 필요한 조치를 취하는 것이 매우 중요하다.
잘 알려진 바와 같이, 지진은 P파(Primary Wave)와 S파(Secondary Wave)로 구분되는데, P파는 수직 방향의 진동을 수반하는 지진파로 수평 방향의 진동을 수반하는 S파보다 약 2배 정도 속도가 빠른 특성을 갖는다(S파: 3~4㎞/s, P파: 7~8㎞/s). 또한 수직 방향의 P파보다 S파의 진동의 크기가 훨씬 크기 때문에 대부분의 피해는 S파에 의해서 발생된다.
따라서, P파를 빨리 감지하고 지체 시간을 최소화하면서 방송이나 경보 등을 발령하여 사람들에게 S파가 도달하기 전에 지진 발생 사실을 인지시켜서 대비할 수 있도록 한다면 지진에 의한 피해를 상당 부분 줄일 수 있다. 일반적으로 S파가 도달하기 10초 전에 지진을 인지할 수 있다면 사망 피해의 90%를 줄일 수 있다는 연구 결과도 있다.
P파를 빨리 감지하여 사람들에게 곧 S파가 도달한다는 사실을 알리기 위해서는 우선 고성능의 지진 가속도 센서가 필요한데, 종래에는 측정 범위가 약 ±2G이고 동적 범위가 약 120dB 이상으로 매우 작은 신호까지도 측정할 수 있는 FBA(Force Balanced Acceleration) 타입의 센서가 주로 사용되고 있다.
이 센서의 특징은 설치 후 센서의 감도가 변동하였는지 또는 측정되고 있는 센서의 값이 실제 값인지 등의 검증을 위해서 가진기에 의해 센서에 진동을 가하거나 센서에 자체적으로 구비된 캘리브레이션 코일(Calibration Coil)에 신호를 인가한 후의 응답을 통해서 정상 동작 여부 등을 판별하게 된다.
한편, 가진기를 이용하여 센서의 정상 동작 여부 등을 판별하기 위해서는 가진기가 필요한데, 고가이면서 무거운 가진기를 지진 가속도 센서가 설치된 장소로 옮기는 것이 매우 어렵기 때문에 통상적으로 센서를 탈착하여 가진기가 설치된 장소로 이동하여 검증한다.
그러나 이 과정에서 많은 시간과 비용이 수반되며 센서를 다시 장착할 때 발생되는 방향의 틀어짐이나 기울기의 변동 등에 의하여 기존의 측정 상태와 달라지는 것을 피할 수 없는 단점이 있다.
한편, 센서 내부의 캘리브레이션 코일에 신호를 인가하여 그 응답을 통해 센서의 정상 동작 여부를 판별하는 경우에도 센서가 설치된 현장에 신호 발생기를 가지고 가야하는 번거로움이 있고, 센서와 기록계의 제조사가 다르거나 할 경우에는 아예 측정이 불가능할 뿐 아니라 캘리브레이션 코일 자체가 일정한 값을 가지는 것이 아니기 때문에 정확도를 담보할 수 없는 단점도 존재한다.
다른 한편, 지진 가속도 센서가 설치된 장소 부근에서 발생하는 발파 작업 등의 공사로 인한 생활 진동이나 각종 기계 진동(이하 이를 지진동과 대비하여 '일반 진동'이라 한다)의 경우 그 주파수가 지진동의 주파수보다 높을 뿐 아니라 FBA 타입의 지진 가속도 센서가 측정할 수 있는 가속도 범위를 초과하기 때문에 FBA 타입의 지진 가속도 센서만으로는 이를 효과적으로 측정하지 못하는 문제점이 있었다.
(특허문헌 1) 선행기술 1: 10-2003382호 등록특허공보(발명의 명칭: 실시간 지진 판별 및 조기 경보 기능을 구비한 지진동 기록 장치 및 이에 사용되는 지진동 판별 방법)
(특허문헌 2) 선행기술 2: 10-16607681호 등록특허공보(발명의 명칭: 지진 가속도 센서의 상태 정보 제어 장치 및 방법)
(특허문헌 3) 선행기술 3: 10-2020-0060627호 공개특허공보(발명의 명칭: 센서와 지진 기록계 일체형 지진 감지 장치)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지진 가속도를 측정하기 위한 FBA 타입의 지진 가속도 센서에 그 정상 동작 여부를 검증하기 위한 MEMS 타입의 가속도 센서를 함께 구비시켜 현장 검증함으로써 센서를 탈부착함이 없이도 센서가 설치된 현장에서 FBA 타입의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부를 손쉬우면서도 저 비용으로 검증하고 지진동과 일반진동을 모두 측정할 수 있도록 한 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법은 케이스; 케이스 내부에 설치되어 XYZ축의 적어도 1축에 대한 지진 가속도를 측정하는 FBA 센서 모듈; FBA 센서 모듈과 동일 케이스 내부에 함께 설치되고 XYZ 3축에 대한 가속도를 측정하는 MEMS 센서 모듈; 케이스 내부에 설치되어 FBA 센서 모듈과 MEMS 센서 모듈에 전원을 공급하는 전원 및 센서 인터페이스 보드 및 케이스의 측면에 설치되어 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈을 외부의 지진 가속도 기록계에 연결하는 커넥터를 포함하여 이루어진 지진 가속도 센서가 콘크리트 기초 위에 설치된 상태에서 지진 가속도 기록계와 연결되어 수행되되, 가진 망치로 콘크리트를 타격하여 진동을 발생시키고, 이 과정에서 생성된 XYZ의 3축의 가속도 신호를 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈이 동시에 측정하는 (a) 단계; 지진 가속도 기록계가 (a) 단계에서 측정된 가속도 신호를 대응하는 디지털 데이터로 변환한 후 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하여 주파수 신호로 변환하는 (b) 단계 및 지진 가속도 기록계가 (b) 단계에서 처리된 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈의 XYZ 각 축에 대한 복수의 주파수 신호별 상관도를 분석하여 FBA 센서 모듈의 정상 동작 여부를 판별하는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
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본 발명의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서에 따르면, FBA 타입의 지진 가속도 센서에 그 정상 동작 여부를 검증하기 위한 MEMS 타입의 지진 가속도 센서를 함께 구비시킴으로써 센서를 탈부착함이 없이도 센서가 설치된 현장에서 FBA 타입의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부를 손쉬우면서도 저 비용으로 검증할 수가 있다.
또한, 일정 규모 이상의 진동이 발생되었을 때 자동으로 FBA 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부를 판별하는 것이 가능해지기 때문에 상시적인 점검이 가능하다.
이외에도, MEMS 가속도 센서를 통해 FBA 가속도 센서가 측정할 수 없는 범위의 일반 진동까지 함께 측정할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 지진 가속도 센서 및 이를 채택한 지진 가속도 기록계를 보인 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 지진 가속도 센서와 지진 가속도 기록계의 연결 커넥터의 핀 배열도.
도 3은 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하여 성능을 검증하는 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 4는 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하여 성능을 검증하는 과정을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하여 진동을 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 FBA 센서 및 MEMS 센서의 측정 범위를 보인 그래프.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 지진 가속도 센서 및 이를 채택한 지진 가속도 기록계를 보인 블록 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 지진 가속도 센서(100)는 크게 동일한 케이스 내부에 함께 설치된 FBA 타입의 가속도 센서(이하 'FBA 센서'라 한다) 모듈(110)과 MEMS 타입의 가속도 센서(이하 'MEMS 센서'라 한다) 모듈(120), 케이스(150)의 측면에 설치되어 FBA 센서 모듈(110) 및 MEMS 센서 모듈(120)을 지진 가속도 기록계(200)에 전기적으로 연결하는 센서 커넥터(140) 및 FBA 센서 모듈(110)과 MEMS 센서 모듈(120)에 전원을 공급하는 센서 인터페이스 보드(130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, FBA(Force Balanced Accelerometer) 센서 모듈(110)에는 1개 이상의 1축 FBA 센서가 구비되는데, 각각의 FBA 센서는 그 측정 범위가 대략 ±2G이고 그 동적 범위가 대략 120dB 이상이기 때문에 매우 작은 수준, 예를 들어 수백 μgal 수준의 정밀한 측정이 가능하지만 외부 충격에 취약하고 비용이 상대적으로 고가이다. 10층 미만의 건축물을 예로 들면, 최하층에는 XYZ의 각축당 1개씩 총 3개의 FBA 센서가 설치되고, 최상층에는 건물의 중앙 부위에 XY의 각축당 1개씩 총 2개 및 그 측면 중앙 부위 Y축에 1개 해서 총 3개의 FBA 센서가 설치된다.
MEMS(Micro Electro Mechanical System) 센서는 그 측정 범위가 대략 ±4G이고 그 동적 범위가 대략 80dB이기 때문에 일반적인 측정이 가능하다. MEMS 센서는 또한 매우 큰 충격에도 잘 견디는 특성이 있어서 고장율이 매우 낮고 주파수 선형성도 우수하며 상대적으로 저가인 반면에 최소 측정 가능한 범위가 수백 mgal 정도로 높다는 단점이 있다. 이러한 MEMS 센서는 통상적으로 하나의 센서 칩으로 XYZ 3축에 대한 가속도를 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 지진 가속도 센서와 지진 가속도 기록계의 연결 커넥터의 핀 배열도인바, XYZ 각축당 1개씩 총 3개의 FBA 센서를 구비한 FBA 센서 모듈 및 1개의 3축 MEMS 센서를 구비한 MEMS 센서 모듈을 예로 들어 설명을 진행한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 지진 가속도 센서와 지진 가속도 기록계의 연결 커넥터는, 예를 들어 총 19핀 커넥터로 이루어질 수 있는데, 각 축의 FBA 센서에 대해 2개씩(FBA Z+, FBA Z-; FBA Y+, FBA Y-; FBA X+, FBA X-) 총 6개의 핀이 할당되고, MEMS 센서에 대해서도 총 6개(MEMS Z+, MEMS Z-; MEMS Y+, MEMS Y-; MEMS X+, MEMS X-)의 핀이 할당되며, 전원용으로 2개의 핀(+12V, GND)이 할당된다.
도 3은 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하여 성능을 검증하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하여 성능을 검증하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하여 성능을 검증함에 있어서는, 먼저 FBA 센서 모듈(110) 및 MEMS 센서 모듈(120)이 내장된 본 발명의 지진 가속도 센서(100)를 현장의 콘크리트 기초(300) 위에 설치(단계 S100)한 상태에서 커넥터에 의해 지진 가속도 센서(100)와 지진 기록계(200)를 도 2에 예시한 핀 배열과 같이 연결(단계 S110)한다.
다음으로 도 4에 도시한 바와 같이, 가진 망치(Impact Hammer)(400)로 콘크리트(300)를 타격하여 진동을 발생(단계 S120)시키고, 이 과정에서 생성된 XYZ의 3축의 가속도 신호를 FBA 센서 모듈(110) 및 MEMS 센서 모듈(120)로 동시에 측정(단계 S130)한다. 다음으로, 이렇게 측정된 가속도 신호는 지진 가속도 기록계(200)에서 대응하는 디지털 데이터로 변환되어 저장(단계 S140)되고, 이후 FFT(Fast Fourier Transform) 처리되어 주파수 신호로 변환, 예를 들어 0.1㎐ ~ 50㎐ 까지의 주파수 신호로 변환된다.
마지막으로 이렇게 변환된 FBA 센서 모듈(110) 및 MEMS 센서 모듈(120)의 XYZ 각 축에 대한 복수의 주파수 신호별 상관도(Coherence)를 분석함으로써 FBA 센서 모듈(110)의 정상 동작 여부를 판별(단계 S150)한다.
이와 같이, 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용하면, 지진 가속도 센서의 설치 현장에서 간단한 충격을 발생한 후 측정된 FBA 센서값과 MEMS값을 비교하여 FBA 센서 모듈(110)의 정상 동작 여부를 간단하게 확인할 수 있다.
나아가, MEMS 센서가 측정할 수 있는 최소값 이상의 이벤트가 발생하였을 때 FBA 센서의 측정값 및 MEMS 센서의 측정값의 상관도(Coherence)를 계산하여 실시간 주파수별 유사성을 확인할 수도 있다.
이외에도 FBA 센서의 최대 측정 범위보다 높은 가속도 값, 예를 들어 공사 현장 등의 생활 진동이나 공장의 기계 진동 등의 일반 진동에 따른 가속도 값을 MEMS 센서로 측정하는 방식으로 지진 가속도 센서의 실제 측정 가능한 가속도 측정 범위를 높일 수가 있다.
도 5는 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용한 진동 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 가속도 기록계에 의해 수행될 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 지진 가속도 센서를 이용한 진동 측정 방법에 따르면, 먼저 단계 S200에서는 FBA 센서 모듈(110) 및 MEMS 센서 모듈(120)로부터 주기적으로 진동 데이터를 수집한다.
도 6은 FBA 센서 및 MEMS 센서의 측정 범위를 보인 그래프이다. 도 6에 도시한 바와 같이, FBA 센서는 MEMS 센서가 측정하지 못하는 아주 작은 크기의 가속도값, 예를 들어 2G 센서를 기준으로 할 때 그 동적 범위가 대략 120㏈ 이상으로 2μG 크기 정도의 미세 진동까지 측정할 수 있다. 이러한 FBA 센서는 50㎐ 이하의 미세한 진동을 측정하는 것을 주요 목적으로 하여 지진동 측정이나 대형 구조물, 예를 들어 댐, 항만 및 초고층 빌딩 등의 진동을 측정하는데 주로 사용된다.
반면에 MEMS 센서는 FBA 센서보다 큰 가속도 값, 예를 들어 수G에서 수천G까지 측정할 수 있는 반면에 작은 크기의 가속도 값을 측정할 수 없다. 고성능 MEMS 센서의 경우 동적 범위가 80㏈ 정도인데, 이에 따르면 약 10G까지 측정할 수 있는 MEMS 센서의 경우 대략 1mG 이상의 가속도 값을 측정할 수 있다. MEMS 센서의 경우 상대적으로 높은 주파수, 예를 들어 50㎐ 이상의 높은 가속도 값을 측정하는 것을 주요 목적으로 하여 주로 기계 진동 등의 일반 진동을 측정하는데 사용된다.
다시 도 5로 돌아가서, 단계 S210에서는 수집된 진동 가속도(G)의 크기가 소정의 제1 기준치(RG1; MEMS 센서의 최소 측정 가능 가속도로 정해질 수 있음), 예를 들어 1mG 미만인지를 판단하는데, 제1 기준치(RG1) 미만인 경우에는 단계 S220으로 진행하여 해당 진동을 지진동으로 처리한다. 반면에 진동 가속도(G)의 크기가 제1 기준치(RG1) 이상인 경우에는 다시 단계 S230으로 진행하여 진동 가속도의 크기가 소정의 제2 기준치(RG2; FBA 센서의 최대 측정 가능 가속도로 정해질 수 있음, 단 RG1 < RG2), 예를 들어 2G 이상인지를 판단한다.
단계 S230에서의 판단 결과, 진동 가속도(G)의 크기가 제2 기준치(RG2) 이상인 경우에는 단계 S240으로 진행하여 해당 진동을 일반 진동으로 처리한다. 단계 S230에서의 판단 결과, 진동 가속도(G)의 크기가 제1 기준치(RG1) 이상이고 제2 기준치(RG2) 미만인 경우에는 다시 단계 S250으로 진행하여 그 진동 주파수가 지진동 주파수 기준치(RF1), 예를 들어 50㎐ 이하인지를 판단한다.
단계 S250에서의 판단 결과, 진동 주파수가 지진동 기준치(RF1) 이하인 경우에는 단계 S260으로 진행하여 해당 진동을 지진동으로 처리하는 반면에 이상인 경우에는 단계 S270으로 진행하여 일반 진동으로 처리한다.
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법 및 이에 사용되는 지진 가속도 센서의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다. 전술한 실시예에서 사용되는 FBA 센서 및 MEMS 센서의 성능에 따라 제1 기준치(RG1), 제2 기준치(RG2) 및 지진동 기준치(RF1)는 적절하게 변경될 수 있을 것이다.
100: 지진 가속도 센서, 110: FBA 센서 모듈,
120: MEMS 센서 모듈, 130: 전원 및 센서 I/F 보드,
140: 센서 커넥터, 150: 케이스,
200: 지진 가속도 기록계, 300: 콘크리트,
400: 가진 망치

Claims (2)

  1. 케이스; 케이스 내부에 설치되어 XYZ축의 적어도 1축에 대한 지진 가속도를 측정하는 FBA 센서 모듈; FBA 센서 모듈과 동일 케이스 내부에 함께 설치되고 XYZ 3축에 대한 가속도를 측정하는 MEMS 센서 모듈; 케이스 내부에 설치되어 FBA 센서 모듈과 MEMS 센서 모듈에 전원을 공급하는 전원 및 센서 인터페이스 보드 및 케이스의 측면에 설치되어 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈을 외부의 지진 가속도 기록계에 연결하는 커넥터를 포함하여 이루어진 지진 가속도 센서가 콘크리트 기초 위에 설치된 상태에서 지진 가속도 기록계와 연결되어 수행되되,
    가진 망치로 콘크리트를 타격하여 진동을 발생시키고, 이 과정에서 생성된 XYZ의 3축의 가속도 신호를 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈이 동시에 측정하는 (a) 단계;
    지진 가속도 기록계가 (a) 단계에서 측정된 가속도 신호를 대응하는 디지털 데이터로 변환한 후 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하여 주파수 신호로 변환하는 (b) 단계 및
    지진 가속도 기록계가 (b) 단계에서 처리된 FBA 센서 모듈 및 MEMS 센서 모듈의 XYZ 각 축에 대한 복수의 주파수 신호별 상관도를 분석하여 FBA 센서 모듈의 정상 동작 여부를 판별하는 (c) 단계를 포함하여 이루어진 지진 가속도 센서의 정상 동작 여부 현장 검증 방법.
  2. 삭제
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