KR102523833B1 - 건물 붕괴 조기 검출 시스템 - Google Patents
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Abstract
기존에는 건물 또는 구조물에 설치된 3축 가속도 센서에서 측정된 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통하여 주파수 영역으로 신호를 변환하고, 주파수 영역을 분석하여 노이즈와 위험신호를 구분하는 방법을 사용해왔다.
그러나, 상기 고속 푸리에 변환을 위해서는 연산속도가 빠른 MPU 또는 CPU 등을 구비한 컴퓨팅 시스템이 필수적이었으며, 그 측정 결과로부터 건물의 안전성을 판단할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 고속의 연산이 없이도 건물 또는 구조물에서 측정되는 신호로부터 노이즈 형태의 신호를 제거하고, 유의미한 위험신호를 구분하여 건물의 안전성을 진단할 수 있는 피에조 센서를 이용한 건물 진동측정 시스템을 제공한다.
상기의 구성에 의하여 상기 피에조 센서의 압전 특성을 이용하여 외부의 진동에 의하여 반응하는 건물 또는 구조물의 상태를 진단할 수 있는 수단을 제공하는 효과가 있다.
그러나, 상기 고속 푸리에 변환을 위해서는 연산속도가 빠른 MPU 또는 CPU 등을 구비한 컴퓨팅 시스템이 필수적이었으며, 그 측정 결과로부터 건물의 안전성을 판단할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 고속의 연산이 없이도 건물 또는 구조물에서 측정되는 신호로부터 노이즈 형태의 신호를 제거하고, 유의미한 위험신호를 구분하여 건물의 안전성을 진단할 수 있는 피에조 센서를 이용한 건물 진동측정 시스템을 제공한다.
상기의 구성에 의하여 상기 피에조 센서의 압전 특성을 이용하여 외부의 진동에 의하여 반응하는 건물 또는 구조물의 상태를 진단할 수 있는 수단을 제공하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 건물의 진동을 측정하는 측정기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 피에조 특성을 이용한 피에저 센서를 사용한 건물 붕괴 조기 검출 시스템에 관한 것이다.
본 발명 이전의 선행기술로는 건물 상시진동 모니터링 및 측정치 처리 방법에 관한 발명이 개시되어 있다. 이 기술은 건물의 진동을 상시 계측하여 기록함과 동시에, 이를 원격지의 통합서버로 전송하여 통합관리하고, 지진 등 이상 상황 발생 시 이를 무선망 푸시 서비스를 통하여 전파함으로써, 불특정 다수 건물의 진동 계측 장치에 대한 동시 제어가 가능하도록 한 기술이다.
또 다른 선행기술로는 특정한 주파수로 공진하는 길이가 다른 공진 빔에 피에조 저항을 설치하여, 이들 각 피에조 저항을 병렬접속하고, 피에조 저항에 의해 진동을 전기 신호로 변환하고, 각 공진 빔에서의 진동파형의 합을 출력함으로써, 각 주파수 대역의 출력 신호의 레벨이 원하는 레벨이 되도록, 각 진동 빔에서 피에조 저항을 설치한 위치를 조정하여, 특정한 주파수 대역의 이득을 제어하여 여러 주파수의 진동을 측정하는 기술이 개시되어 있다.
건물 등과 같은 구조물의 진동을 측정하는데, 일반적으로 3축 가속도 센서를 이용하여 진동을 측정하여 왔다. 그런데, 건물 및 구조물은 자체에 구비된 펌프, 엘리베이터, 에어컨디셔너 등에서 발생하는 내부 소음과 진동, 외부의 바람, 외부에서 발생하는 충격 등에 의하여 많이 불규칙적이고, 다양한 크기의 진동에 상기 가속도 센서가 영향을 받아 상기 가속도 센서에서 신호처리 없이 진동을 측정하는 것이 쉽지않고, 건물의 안전은 진단할 수 없다. 다만, 진동이 많이 있다는 것은 알수 있을 뿐이다.
건물 또는 구조물에 설치된 3축 가속도 센서로부터 측정되는 신호는 건물 및 구조물에 영향을 주지 않는 많은 노이즈 형태의 신호와 건물 및 구조물에 영향을 줄 수 있는 충격파와 같은 위험 신호가 동시에 측정된다고 볼 수 있다.
이러한 영향을 분석하기 위하여 기존에는 건물 또는 구조물에 설치된 가속도 센서에서 측정된 신호를 측정하고 이를 샘플링하여 입력되는 데이터로부터 고주파 노이즈를 제거하고, 이를 실시간 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통하여 주파수 영역으로 신호를 변환하고, 주파수 영역을 분석하여 실제 건물에 영향을 주는 진동신호와 내부 소음과 진동, 외부의 바람, 외부에서 발생하는 충격으로 발생하는 노이즈를 구분하는 방법을 사용해왔다. 즉, 측정된 신호가 모두 의미 없는 신호는 아니며, 다만 우리가 찾고자 하는 건물의 진동신호가 아닌 신호가 측정 신호에 포함되어 있다.
따라서, 1차 적으로 진짜 노이즈와 어떠한 원인에 의하여 발생한 신호를 구분하고, 2차 적으로 어떠한 원인에 의하여 발생한 신호 중에 건물의 진동을 발생시키고, 이로인하여 건물의 안전성에 영향을 주는 신호를 찾아내야 한다.
이를 위하여 상기 상기 고속 푸리에 변환을 통하여, 입력되는 신호를 주파수 분석하고, 주파수 분석된 신호로부터 건물의 고유진동수와 연결되는 주파수 건물의 상하 진동과 연결되는 신호를 찾아 분석할 필요가 있다. 이러한 실시간 분석을 위해서는 고속의 연산이 필요하고 이러한 고속 연산을 위해서는 고가의 컴퓨팅 시스템이 필수적이었다.
본 출원 발명은 고속의 연산 없이도 건물 또는 구조물에서 측정되는 신호로부터 노이즈 형태의 신호를 제거하고, 건물의 안전성에 영향을 주는 유의미한 위험신호를 구분할 수 있는 수단을 파에조 방식의 측정 센서를 이용하여 제공하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여,
피에조 센서를 이용한 측정부; 및
상기 피에조 센서에서 측정된 측정노이즈를 제거하기위한 옵셋 전압을 걸어주는 옵셋 전압 발생기; 및
상기 측정부에서 측정한 신호로부터 진동을 측정하기위한 제로크로스 측정부; 및
상기 제로크로스 측정부에 연결되어 주파수를 측정하는 주파수연산부; 및
상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.6 내지 1.4 Hz 이면 건물이 외부의 충격에 의하여 무너지고 있는 상태로 건물의 붕괴를 대비하여 모두 대피하여야 하는 상황을 판단하고,
상기 상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.05 내지 0.3 Hz 이면 건물이 노후되어 서서히 분괴되고 있는 상황을 판단하는 건물상태판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물이 콘크리드 건물인 경우 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 1 Hz ± 0.1 이면 건물이 무너지는 것으로 상기 건물상태판단부에서 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물이 콘크리드 건물인 경우 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 0.1Hz ± 0.05 이면 건물이 노후되어 안전점검이 필요한 상태로 상기 건물상태판단부에서 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 2 Hz 이상 이면 건물이 안전한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 피에조센서는 건물의 X축, Y축 및 Z방향으로 설치하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 주파수연산부는 X축, Y축 및 Z축 주파수 분석을 각각 하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 주파수연산부에서 계산한 Z축 주파수 분석 결과가 1Hz 이하인 경우 건물이 붕괴될 수 있음을 경고하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 옵셋 전압 발생기는 피에조 센서에 전압을 인가하는 구성으로, 정전압 발생기와 정전압 발생 전압 조절부르 구성되어, 발생하는 전압을 0.0 V 에서 2V를 0.01V 간격으로 조절하여 발생할 수 있으며, 상기 옵셋 전압 발생기에서 발생된 전압을 상기 피에조 센서에 인가하면 상기 피에조 센서가 액추에이터와 같이 팽창 또는 수축하게되고, 상기 인가 전압 이상을 상기 피에조 센서가 발생할 수 있는 외부 압력이 상기 피에조 센서에 가해지지 않으면, 상기 피에조 센서로부터 신호를 측정할 수 없는 성질을 이용하여, 상기 피에조 센서에 인가된 전압 이하의 신호는 노이즈 제거필터 없이 제거되는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 옵셋 전압 발생기에서 발생된 전류는 0.1 mA에서 10mA 인 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예로
피에조 센서를 이용하여 건물의 변형을 측정하는 압전측정부; 및
상기 피에조 센서에서 측정된 측정노이즈를 제거하기위한 옵셋 전압을 걸어주는 옵셋 전압 발생기; 및
상기 측정부에서 측정한 신호로부터 진동을 측정하기위한 제로크로스 측정부; 및
상기 제로크로스 측정부에 연결되어 주파수를 측정하는 주파수연산부; 및
3축 가속도 센서를 이용하여 건물에 작용한 외력을 측정하는 가속도측정부; 및
상기 가속도측정부에서 측정된 가속도를 주파수 분석하여 외부에서 건물에 가해진 힘을 힘의 크기대 주파수 그래프를 생성하는 가속도주파수분석부; 및
상기 주파수연산부에서 연산된 주파수를 상기 가속도주파수분석부에서 생성한 그래프에 대입하여 가속도측정에서 측정된 힘의 크기 대 주파수 그래프에서 건물에 외부에서 작용한 힘의 크기를 읽어와 비교하는 압전측정부와 가속도측정부 측정결과 비교부; 및
상기 비교부는 건물의 외부에서 건물에 가해진 힘을 측정하는 가속도센서의 측정값과 그러한 외력에 의하여 실제로 건물에 발생한 변형을 측정하는 피에조센서의 값을 비교하여 건물에 실질적으로 변형을 일으키는 외력의 주파수를 찾아 이공하고자 하는 것으로,
상기 가속도측정부 측정결과와 압전측정부 측정결과를 비교부에서 비교하여, 두 측정에서 주파수가 일치하는 위치에서 1초 이상 동일한 신호가 지속되면 이 주파수를 건물의 고유 진동수로 관리하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물 붕괴 조기 검출 시스템에는 건물의 진동을 줄이기 위한 진동 방지 장치를 더 구비하고 상기 측정된 건물의 고유 진동수를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물의 진동수 제어는 무게추를 이용하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 가속도주파수분석부는 X축, Y축 및 Z축 분석 그래프를 따로 생성하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 가속도주파수분석부에서 생성한 Z축 분석에서 건물이 윗쪽으로 힘을 받은 경우 그 주파수가 1Hz 이하인 경우 건물이 붕괴될 수 있음을 경고하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 피에조 센서의 상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.6 내지 1.4 Hz 이면 건물이 외부의 충격에 의하여 무너지고 있는 상태로 건물의 붕괴를 대비하여 모두 대피하여야 하는 상황을 판단하고,
또한, 상기 피에조 센서의 상기 상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.05 내지 0.3 Hz 이면 건물이 노후되어 서서히 분괴되고 있는 상황을 판단하는 건물상태판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
기존의 기술들은 3축 가속도 센서만을 이용하여, 건물 및 구조물의 진동을 측정하기 위하여, 고속 푸리에 트랜스폼(FFT) 등의 연산을 통한 주파수 분석을 통한 건물 또는 구조물에 가해지는 진동의 패턴을 분석하거나, 그러한 진동 패턴이 나타나는 이유를 분석하고자 하였다. 또한, 건물의 공진 주파수 등을 가속도 센서만으로 측정하는데 어려움이 있어왔다.
그러나, 본 발명에서는 피에조 센서를 상기 가속도센서를 대신하여 사용함으로써 단순한 구성으로 건물의 안전성을 모니터링할 수 있는 수단을 제공하였으며, 피에조 센서에 옵셋을 가해주는 구성을 더 구비함으로써 간단한 별도의 노이즈제거 회로 없이 정확한 건물의 진동을 측정할 수 있는 수단을 제공하고 있다.
또한, 가속도 센서로 외력을 측정하고, 피에조 센서로 건물의 변형을 측정함으로써 건물의 외부에서 가해지는 힘이 건물에 변형을 주는 연관성을 동시에 측정할 수 있도록 함으로써 건물의 공진주파수 등을 쉽게 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
이렇게 함으로써 건물의 공진주파수 변화에 의한 건물의 노화 또는 건물의 붕괴 위험을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 피에조 센서를 이용한 건물 진동 측정 결과
도2는 본 발명의 피에조 센서를 이용한 건물 붕괴 조기 검출 시스템 구성
도3은 본 발명의 피에조 센서와 가속도 센서를 이용한 건물 붕괴 조기 검출 시스템 구성
도4는 본 발명의 피에조 센서에 옵셋 전압을 인가한 측정 비교
도5는 본 발명의 피에조 센서 신호 전처리부를 구비한 뉴럴네트워크 예시
도6은 본 발명의 피에조 센서의 측정 원리
도7은 본 발명의 피에조 센서를 건물의 모퉁이에 3개를 설치한 모습
도8은 본 출원 발명의 피에조 센서에 추를 더 부가하여 진동의 더 크게 측정할 수 있는 도면입니다.
도2는 본 발명의 피에조 센서를 이용한 건물 붕괴 조기 검출 시스템 구성
도3은 본 발명의 피에조 센서와 가속도 센서를 이용한 건물 붕괴 조기 검출 시스템 구성
도4는 본 발명의 피에조 센서에 옵셋 전압을 인가한 측정 비교
도5는 본 발명의 피에조 센서 신호 전처리부를 구비한 뉴럴네트워크 예시
도6은 본 발명의 피에조 센서의 측정 원리
도7은 본 발명의 피에조 센서를 건물의 모퉁이에 3개를 설치한 모습
도8은 본 출원 발명의 피에조 센서에 추를 더 부가하여 진동의 더 크게 측정할 수 있는 도면입니다.
본 발명의 작용효과를 도면을 이용하여 설명하면 하기와 같습니다.
도1은 본 발명의 건물 붕괴 조기 검출 시스템으로 건물의 진동을 측정한 결과 이다. 도1의 (A)는 건물이 정상 상태일 때의 측정결과 이다. (B)는 지진 또는 폭발과 같은 충격에 의하여 건물에 금이 가고, 건물이 무너지고 있는 상태, (C)는 반복적인 약한 진동이 발생한 상태로 건물이 서서히 무너지고 있는 상태로 안전점검이 시급히 필요한 상태를 도시하고 있다.
도2는 상기 피에조 센서를 이용한 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 도시하고 있다. 본 출원 발명에서는 피에조 센서의 측정 성능을 더욱 높이고, 측정 노이즈를 제거하기 위하여 옵셋 전압발생부를 더 구비하였다. 상기 옵셋 전압발생부는 상기 피에조 센서에 전압을 인가는 장치로 피에조 센서의 동작 전압을 옮기는 역활을 한다.
즉, 옵셋 전압이 0V 이면 외부의 외력에 의하여 피에조 센서의 변형이 발생하는 상기 피에조 센서로부터 전압을 측정할 수 있다. 그러나, 옵셋 전압이 0V 가 아니면, 그에 상응하는 전압만큼의 피에조 센서의 변형이 발생한다. 이 변형을 이기고 변형을 발생할 수 있는 외력이 작용하여야 상기 피에조 센서로부터 전압을 측정할 수 있다. 따라서, 본 측정은 도6에 기재된 전압을 인가하면 변형이 발생하고, 변형이 발생하는 전압이 발생하는 피에조 센서의 동작원리를 동시에 이용하는 것이다.
도3은 본 발명의 또 다른 실시예로 피에조 센서와 가속도 센서를 동시에 사용하여 측정하는 것이다.
가속도 센서는 건물에 작용하는 외력을 측정할 수 있는 센서이다. 그러나, 건물에 외력이 작용하였다고 하여, 그것이 건물의 변형을 모두 일으키는 것은 아니다. 피에조 센서는 건물에 부착하여 건물의 변형을 측정하는 센서이다. 따라서, 외부에 작용한 힘과 건물의 변형을 동시에 측정하여 비교한다면, 건물의 변형을 일으키는 힘의 원인을 찾아낼 수 있고, 이를 이용하여 건물의 안전성을 측정할 수 있다. 상기 도3에는 본 발명을 이루는 구성을 도시하고 있다.
도4는 본 발명의 상기 옵셋 전압발생부가 있는 측정장치와 없는 측정장치의 측정 결과의 차이를 확인할 수 있다.
도5는 본 발명에 사용한 피에조 센서의 측정 결과를 인공지능 제어기에 적용하여 측정시스템을 구성한 개념도이다. 도1에 제시된 데이터 셋을 이용하여 학습함으로써 건물의 장상상태, 노후에 의한 반복 진동상태 0.1 Hz 이하의 진동 상태 및 과도한 진동상태 1Hz 이상의 진동상태를 판단할 수 있다.
도6은 본 발명의 피에조 센서의 동작원리를 설명하고 있다. 전기를 인가하면 진동이 발생하고, 진동을 피에조 센서에 인가하면 센서에서 전기를 발생한다.
도7은 본 발명의 피에조 센서를 건물의 일측 모퉁이에 설치한 도면이다. 본 발명에서 피에조 센서는 건물의 여러 위치에 설치할 수 있다. 또한, 건물의 안전성에 가장 큰 영향을 주는 Z축 방향의 인장과 압축을 측정하기위하여 건물의 측면에 세로방향으로 인장과 압축을 측정할 수 있는 피에조 센서를 구비할 수 있다. 일반적으로 피에조 센서는 얇고 납작한 모양으로 얇은 쪽의 변형을 측정하지만, 수직방향의 변화를 측정하기위하여 압전소자의 방향을 달리하여 Z 방향의 인장을 측정할 수 있다. 또한, 상기 압전소자의 신호를 더욱 크게 측정하기 위하여 압전 소자의 일측은 건물에 전면이 부착되고, 타측은 무게추를 더 구비하여 외력에 의하여 변화되는 신호의 크기를 증폭하는 것을 특징으로 하는 피에조 센서를 제공한다.
상기 무게추는 피에조 센서의 표면에 수직하게 돌출되는 형상으로 원기둥 또는 각기둥 형태일 수 있으며, 상기 원기둥 및 각기둥의 끝단은 구형태의 무게추를 더 구비할 수 있다. 상기 구형태의 추는 크기를 달리하여 여러 진동 주파수에 대응할 수 있으나, 1 Hz 이하의 진동에서 공진이 일어날 수 있는 길이와 무게를 선택하여 사용한다.
도8은 상기 피에조 센서에 추를 더 부가한 3가지 형태를 도시하고 있다. 좌측의 도면은 I 형태의 추를 더 부가한 것으로 진동의 방향을 포함하여 측정하고자 한 것이다. 길이방향으로의 진동은 측정량이 적고, 좌우 좁은 폭방향의 진동은 크게 측정 가능한 구성이다. 중앙의 피에조 센서는 원 기둥을 피에조 센서에 고정한 형태로 모든 방향의 진동을 측정한다. 맨 오른쪽의 피에조 센서는 원기둥의 끝단에 구형태의 추를 더 부가한 것으로 진동의 크기를 더 증폭한 형태이다. 이러한 추를 구비한 피에조 센서는 추가 없는 피에조 센서와 는 달리 외력을 측정하는데, 사용할 수 있는 것으로 기존의 가속도 센서를 대신하여 사용할 수 있다. 즉, 추가 없는 피에조센서는 건물에 부착하여 건물의 변형을 측정하는 반면, 추가 있는 피에조 센서는 건물의 움직임에 의한 피에조 센서의 변형을 측정함으로써 외력과 관련된 신호를 측정하게된다. 따라서 이러한 기능은 상기한 가속도센서와 그 기능이 유사하다.
본 출원 발명에서 측정된 건물의 안전성 측정 결과는 외부서버 또는 디스플레이 또는 관제탑과 같은 건물 안전관리부서에 전송하여 이용할 수 있다.
본 발명의 특징은 3축 가속도센서를 피에조 센서로 대체하는 것이 아니고, 피에조 센서 자체의 특성을 이용하는 것이다. 가속도센서는 외력을 측정하는 것이고, 피에조 센서는 건물에 부착 설치하여 건물의 외력에 의한 변형으로 상기 피에조 센서에 변형을 일으켜 이를 측정함으로써 건물의 변형을 측정하는 것으로 상기 가속도 센서와 피에조 센서는 그 기능에 차이가 있다.
본 발명에 사용하는 피에조 센서는 단결정, 다결정계 및 복합 소재를 사용하는 것으로 종류는 단결정계로 α-AlPO4(Berlnite), α-SiO2(Quartz), LiTaO3, LiNbO3, SrxBayNb2O8, Pb5-Ge3O11, Tb2(MoO4)3, Li2B4O7, CdS, ZnO, Bi12SiO20, Bi12GeO20와 다결정계로 PZT계, PT계, PZT-Complex Perovskite계, BaTiO3 및 복합 소재로 PZT-PVDF, PZT-Silicon Rubber, PZT-Epoxy, PZT-발포 Polymer, PZT-발포우레탄과 같은 소재가 있다.
이러한 소재로 만든 피에조 센서의 특징은 공진주파수를 조절하여 제작할 수 있으며, 초음파 진동자, 필터, 레조네이터 등에 사용할 수 있을 정도로 압전 특성이 우수한 장점이 있다.
부연 설명하자면, 가속도 센서는 아주 작은 진동, 잡음 등이 모두 포함된 모든 신호를 측정하는 것과 비교하며, 피에조 센서는 압전효과가 나타나는 변형이 있는 힘 또는 진동에 반응하는 것이어서, 신호 대 잡음비(SNR)가 큰 장점이 있다. 또한 우수한 압전 특성이 있어 건물과 구조물의 변화 즉, 진동에만 잘 반응한다는 것이다. 외부에서 건물 전체에 가해지는 바람에 의한 신호의 변화보다는 건물자체의 변형에 의하여 발생하는 진동에 더 잘 반응하기 때문에 건물의 진동을 더 잘 측정할 수 있는 장점이 있다.
본 출원발명은 이러한 피에조 센서의 특징을 실험을 통하여 알아내고, 이를 건물 또는 구조물에 설치하여 도1와 같은 신호를 측정함으로써 기존의 가속도 센서에서 건물의 진동을 측정하기 위하여 주파수분석이 반드시 필요했던 문제를 해결하였다.
도1의 건물의 안전성 측정 결과는 다른 어떠한 실험에서도 찾아볼 수 없는 결과로 1Hz의 진동에서 건물은 붕괴 중이며, 0.1Hz의 진동에서 건물은 노후되어 진동중인 것을 본 출원 발명의 측정 시스템으로 측정하였다.
기존에도 피에조 센서를 진동 또는 충격의 측정에 사용하지 않은 것은 아니었다. 그러나, 본 발명에서와 같이 건물 또는 구조물의 상태를 정확히 진단하는 도1의 측정결과를 제시하지 못하였고, 진동 또는 충격 센서로 단순히 사용할 수 있는 가능성을 개시한 정도에 불과하였다.
본 발명의 작용 효과를 상기 도면을 활용하여 설명하였으나, 이를 정리하여 부연설명하면,
건물에 부착된 가속도센서는 외부에서 건물에 가해지는 외력을 측정하는 센서로 건물의 상태를 진단할 수 없다. 그러나, 본 발명의 피에조 센서를 이용한 측정 시스템은 피에조 센서를 건물에 부착하여 측정하기 때문에 상기 외력에 의하여 건물이 움직이는 변형을 피에조 센서의 압전 효과를 이용하여 측정하는 것으로 건물에 가해지는 외력을 측정하는 것이 아니라, 건물의 진동을 측정하는 것으로 건물의 안전성을 측정할 수 있는 점에서 기존의 가속도센서를 이용한 발명과 차이가 있다.
또한, 기존의 충격 또는 진동을 측정하기 위하한 피에조센서는 본 발명에서와 같이 건물 또는 구조물의 안전성을 측정할 수 있는 용도로 사용된 것이 아니어서 본 발명은 기존의 기술과 차별화된 것이다.
또한, 뉴럴네트워크 또는 컨볼루셔널 네트워크와 같은 교시 또는 비교시 학습을 상기 피에조 센서의 시계열 데이터 또는 전처리 과정을 거친 피크 값과 주기 값을 이용한 측정데이터를 학습에 사용하여 건물의 안전성에 관한 비선형적인 움직임을 측정할 수 있는 수단역시제공하고 있다.
상기와 같은 작용효과를 나타내는 발명의 구성은 하기와 같다.
피에조 센서를 이용한 측정부; 및
상기 피에조 센서에서 측정된 측정노이즈를 제거하기위한 옵셋 전압을 걸어주는 옵셋 전압 발생기; 및
상기 측정부에서 측정한 신호로부터 진동을 측정하기위한 제로크로스 측정부; 및
상기 제로크로스 측정부에 연결되어 주파수를 측정하는 주파수연산부; 및
상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.6 내지 1.4 Hz 이면 건물이 외부의 충격에 의하여 무너지고 있는 상태로 건물의 붕괴를 대비하여 모두 대피하여야 하는 상황을 판단하고,
상기 상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.05 내지 0.3 Hz 이면 건물이 노후되어 서서히 분괴되고 있는 상황을 판단하는 건물상태판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물이 콘크리드 건물인 경우 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 1 Hz ± 0.1 이면 건물이 무너지는 것으로 상기 건물상태판단부에서 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물이 콘크리드 건물인 경우 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 0.1Hz ± 0.05 이면 건물이 노후되어 안전점검이 필요한 상태로 상기 건물상태판단부에서 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 2 Hz 이상 이면 건물이 안전한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 피에조센서는 건물의 X축, Y축 및 Z방향으로 설치하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 주파수연산부는 X축, Y축 및 Z축 주파수 분석을 각각 하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 주파수연산부에서 계산한 Z축 주파수 분석 결과가 1Hz 이하인 경우 건물이 붕괴될 수 있음을 경고하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 옵셋 전압 발생기는 피에조 센서에 전압을 인가하는 구성으로, 정전압 발생기와 정전압 발생 전압 조절부로 구성되어, 발생하는 전압을 0.0 V 에서 2V를 0.01V 간격으로 조절하여 발생할 수 있으며, 상기 옵셋 전압 발생기에서 발생된 전압을 상기 피에조 센서에 인가하면 상기 피에조 센서가 액추에이터와 같이 팽창 또는 수축하게되고, 상기 인가 전압 이상을 상기 피에조 센서가 발생할 수 있는 외부 압력이 상기 피에조 센서에 가해지지 않으면, 상기 피에조 센서로부터 신호를 측정할 수 없는 성질을 이용하여, 상기 피에조 센서에 인가된 전압 이하의 신호는 노이즈 제거필터 없이 제거되는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 옵셋 전압 발생기에서 발생된 전류는 0.1 mA에서 10mA 인 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예로
피에조 센서를 이용하여 건물의 변형을 측정하는 압전측정부; 및
상기 피에조 센서에서 측정된 측정노이즈를 제거하기위한 옵셋 전압을 걸어주는 옵셋 전압 발생기; 및
상기 측정부에서 측정한 신호로부터 진동을 측정하기위한 제로크로스 측정부; 및
상기 제로크로스 측정부에 연결되어 주파수를 측정하는 주파수연산부; 및
3축 가속도 센서를 이용하여 건물에 작용한 외력을 측정하는 가속도측정부; 및
상기 가속도측정부에서 측정된 가속도를 주파수 분석하여 외부에서 건물에 가해진 힘을 힘의 크기대 주파수 그래프를 생성하는 가속도주파수분석부; 및
상기 주파수연산부에서 연산된 주파수를 상기 가속도주파수분석부에서 생성한 그래프에 대입하여 가속도측정에서 측정된 힘의 크기 대 주파수 그래프에서 건물에 외부에서 작용한 힘의 크기를 읽어와 비교하는 압전측정부와 가속도측정부 측정결과 비교부; 및
상기 비교부는 건물의 외부에서 건물에 가해진 힘을 측정하는 가속도센서의 측정값과 그러한 외력에 의하여 실제로 건물에 발생한 변형을 측정하는 피에조센서의 값을 비교하여 건물에 실질적으로 변형을 일으키는 외력의 주파수를 찾아 이용하고자 하는 것으로,
상기 가속도측정부 측정결과와 압전측정부 측정결과를 비교부에서 비교하여, 두 측정에서 주파수가 일치하는 위치에서 1초 이상 동일한 신호가 지속되면 이 주파수를 건물의 고유 진동수로 관리하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물 붕괴 조기 검출 시스템에는 건물의 진동을 줄이기 위한 진동 방지 장치를 더 구비하고 상기 측정된 건물의 고유 진동수를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 건물의 진동수 제어는 무게추를 이용하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 가속도주파수분석부는 X축, Y축 및 Z축 분석 그래프를 따로 생성하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 가속도주파수분석부에서 생성한 Z축 분석에서 건물이 윗쪽으로 힘을 받은 경우 그 주파수가 1Hz 이하인 경우 건물이 붕괴될 수 있음을 경고하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
또한, 상기 피에조 센서의 상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.6 내지 1.4 Hz 이면 건물이 외부의 충격에 의하여 무너지고 있는 상태로 건물의 붕괴를 대비하여 모두 대피하여야 하는 상황을 판단하고,
또한, 상기 피에조 센서의 상기 상기 주파수 연산부에서 측정되는 주파수가 0.05 내지 0.3 Hz 이면 건물이 노후되어 서서히 분괴되고 있는 상황을 판단하는 건물상태판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템을 제공한다.
Claims (4)
- 피에조 센서를 이용하여 건물의 변형을 측정하는 압전측정부; 및
상기 피에조 센서에서 측정된 측정노이즈를 제거하기위한 옵셋 전압을 걸어주는 옵셋 전압 발생기; 및
상기 옵셋 전압 발생기는 정전압 발생기와 정전압 발생 전압 조절부로 구성되어, 발생하는 전압을 0.0 V 에서 2V를 0.01V 간격으로 조절하여 발생할 수 있으며, 상기 옵셋 전압 발생기에서 발생된 전압을 상기 피에조 센서에 인가하면 상기 피에조 센서가 액추에이터와 같이 팽창 또는 수축하게되고, 상기 인가 전압 이상을 상기 피에조 센서가 발생할 수 있는 외부 압력이 상기 피에조 센서에 가해지지 않으면, 상기 피에조 센서로부터 신호를 측정할 수 없는 성질을 이용하여, 상기 피에조 센서에 인가된 전압 이하의 신호는 노이즈 제거필터 없이 제거하며,
상기 압전측정부에서 측정한 신호로부터 진동을 측정하기위한 제로크로스 측정부; 및
상기 제로크로스 측정부에 연결되어 주파수를 측정하는 주파수연산부; 및
3축 가속도 센서를 이용하여 건물에 작용한 외력을 측정하는 가속도측정부; 및
상기 가속도측정부에서 측정된 가속도를 주파수 분석하여 외부에서 건물에 가해진 힘을 힘의 크기 대 주파수 그래프를 생성하는 가속도주파수분석부; 및
상기 주파수연산부에서 연산된 주파수를 상기 가속도주파수분석부에서 생성한 그래프에 대입하여 가속도측정에서 측정된 힘의 크기 대 주파수 그래프에서 건물에 외부에서 작용한 힘의 크기를 읽어와 비교하는 비교부; 및
상기 비교부는 건물의 외부에서 건물에 가해진 힘을 측정하는 가속도센서의 측정값과 그러한 외력에 의하여 실제로 건물에 발생한 변형을 측정하는 피에조센서의 값을 비교하여 건물에 실질적으로 변형을 일으키는 외력의 주파수를 찾아 이용하고자 하는 것으로,
상기 가속도측정부 측정결과와 압전측정부 측정결과를 비교부에서 비교하여, 두 측정에서 주파수가 일치하는 위치에서 1초 이상 동일한 신호가 지속되면 이 주파수를 건물의 고유 진동수로 관리하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 건물이 콘크리드 건물인 경우 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 1 Hz ± 0.1 이면 건물이 무너지는 것으로 건물상태판단부에서 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 건물이 콘크리드 건물인 경우 상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 0.1Hz ± 0.05 이면 건물이 노후되어 안전점검이 필요한 상태로 건물상태판단부에서 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 주파수 연산부에 측정된 주파수가 2 Hz 이상 이면 건물이 안전한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 건물 붕괴 조기 검출 시스템.
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Legal Events
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