KR20000037016A

KR20000037016A - 지진파 감지 장치

Info

Publication number: KR20000037016A
Application number: KR1020000017707A
Authority: KR
Inventors: 박대진; 구성자; 박승수; 이경록; 조성호; 유휘룡; 노용우
Original assignee: 한갑수; 한국가스공사연구개발원
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2000-07-05
Also published as: KR100395749B1

Abstract

본 발명은 정압기지 내의 적합한 위치에 설치되어 실제 지진발생시 지반의 움직임을 가속도의 단위로 계측하되, 이때 계측의 방향은 3축(X,Y,Z/E-W,N-S,U-D)방향으로 각 축별의 지반 움직임을 측정하고, 지진에 대한 반응 및 크기를 연산하여 지진파 수신 장치로 보내주는 역할을 수행하는 지진파 감지 장치에 관한 것이다. 본 발명은 지반에 견고히 고정되어 지진발생시 지반에 전달되는 가속도를 감지하는 감지부와; 상기 감지부로부터 입력된 신호를 증폭하는 증폭기와; 로우 패스 필터로 지진감지신호와 충격신호를 선별하기 위한 필터링을 수행하는 필터와; 필터링을 거쳐서 입력된 전기적 신호는 아날로그 값으로 1000mV/1G의 값을 갖게 되며, 이때 입력된 아날로그 값인 진기적신호를 g값으로 환산하기 위하여 디지털 값으로 변환하는 A/D변환기와; 모든 기능을 총괄하는 중앙처리장치(CPU)로 각기능의 제어 및 변수의 대입, 저장, 기록제어, 관리기능, 연산 등의 알고리즘을 수행하는 제어부와; 상기 A/D변환기에서 디지털 값으로 변환된 신호를 입출력단자를 거쳐 외부기기로 출력하기 위한 입출력 통신모듈을 포함한다.

Description

지진파 감지 장치{Sensing device of earthquake wave}

본 발명은 지진파 감지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정압기지 내의 적합한 위치에 설치되어 실제 지진발생시 지반의 움직임을 가속도의 단위로 계측하되, 이때 계측의 방향은 3축(X,Y,Z/E-W,N-S,U-D)방향으로 각 축별의 지반 움직임을 측정하고, 지진에 대한 반응 및 크기를 연산하여 지진파 수신 장치로 보내주는 역할을 수행하는 지진파 감지 장치에 관한 것이다.

일반적으로 지진이란 지구내부 어딘가에서 급격한 지각변동이 생겨 그 충격으로 생긴 파동, 즉 지진파가 지표면까지 전해져 지반을 흔드는 것을 말하며, 학술적으로는 "탄성 에너지원으로부터 지진파가 전파됨으로써 발생하는 지구의 진동"이라고 정의할 수 있다. 지진은 넓은 지역에서 거의 동시에 감지된다. 이때 각 지역의 흔들림의 정도, 즉 진도를 조사해보면 어느 좁은 범위 내에서 가장 세고 그 곳으로부터 멀어지면 흔들림이 약하게 된 먼 곳에서는 흔들림을 느끼지 못하게 된다. 이것은 지진이 마치 종을 쳤을 때 사방으로 울려 퍼지는 음파와 같은 성질을 갖고 있다는 것을 알 수 있게 해준다.

이와 같은 지진의 원인은 현재까지 알려진 가장 유력한 학설은 1960년대 후반에 등장한 판구조운동론(Plate tectonics)이다. 이 학설에 의하면, 지구의 표층은 수십 km 혹은 그 이상의 두께를 가진 암석권(lithosphere)으로 구성되어 있고, 이들은 태평양판, 북미판, 유라시아판 등 10여개의 판으로 나뉘어져 있어 각각 매년 수 cm 정도의 속도로 제각기 움직이고 있다. 지진은 이러한 상대운동으로 인해 판 경계 부근에서 주로 발생하며 경계부근의 판내부(intraplate earthquake)에서도 발생하고 있다. 일본에서 발생하는 대부분은 태평양쪽에서 발생하는데, 이것은 판경계 지진으로 태평양판이 유라시아판 밑으로 충돌 침강하고 있기 때문인 것으로 설명할 수 있다.

이와 같은 지진의 측정 방법은, 무거운 추를 실에 매단 후 실의 끝을 잡고 좌우로 빠르게 움직여 보면, 추는 정지된 채 그대로 있게 된다. 최초의 지진계는 이러한 원리를 이용한 것으로, 지진이 발생하면 땅이 흔들리고 땅에 박혀있는 지진계도 흔들리게 되지만 지진계의 추만은 관성에 의해 정지되어 있으므로 회전원통 기록지에 땅의 흔들림을 기록할 수 있다. 지진계에는 수평동 지진계와 수직동 지진계가 있으며 지진관측소에서는 한 대의 지진계(Z axis)와 서로 직교하는 방향으로(X, Y axis)en 대의 수평 지진계를 한 조로 설치하여 지진을 입체적으로 기록하고 분석한다. 최신의 지진계는 복잡한 전자 장비를 이용하여 땅의 흔들림을 기록하지만 그 기본적인 개념은 초기 지진계와 같다.

지진의 크기를 살펴보면, 지진의 크기 즉, 진도는 지진의 규모와 진앙 거리, 그리고 진원의 깊이에 따라 크게 좌우되며 아울러 그 지역의 지질구조와 구조물의 형태 및 인구 현황에 따라 달리 평가될 수 있다. 진도는 여러 등급으로 나뉘며 세계적으로 통일되어 있지 않고 나라마다 실정에 맞는 척도를 채택하고 있다. 우리나라 기상청은 일본 기상청에서 분류한 등급(JMA Scale)을 사용한다. JMA 스케일은 8등급인 반면 미국에서 시작되어 여러 나라가 사용하는 MM 스케일과 진도 등급의 국제적 통일을 시도한 MSK 스케일은 12등급을 갖는다(아래의 표1 참조).

스케일	설 명
MM Scale	Righter Scale
Ⅰ	0 -4.3	기계에 의해 진동이 기록되는 정도
Ⅱ		위층에서 휴식을 취하고 있는 사람이 느낄만한 정도
Ⅲ		실내에서 흔들림을 느낄 수 있으며, 걸려 있는 물건들이 움직이 는 정도
Ⅳ	4.3 - 4.8	접시가 흔들리는 정도
Ⅴ	4.3 - 4.8	문이 움직이고, 잔에서 물이 넘칠 정도, 잠자던 사람이 깨어난다.
Ⅵ	4.8 - 6.2	걸음걸이가 안정되지 못하고 창문이 흔들리며 벽에 걸려있는 그림들이 떨어진다.
Ⅶ	4.8 - 6.2	서 있기가 힘들고 벽돌이나 타일 등이 떨어지는 정도
Ⅷ	6.2 - 7.3	자동차 운행이 힘들다. 굴뚝이 무너지고 나뭇가지가 꺽이며, 젖은 땅에 균열이 생긴다.
Ⅸ		공포감이 생긴다 건축물들이 손상을 입는다. 모래바람이 일어난다.
Ⅹ		대부분의 건물들이 파괴된다. 산사태와 해일이 일어난다.
ⅩⅠ	7.3 - 8.9	철로가 구부러지고 도로가 무너진다. 땅에 큰 균열이 생기며 바위들이 무너진다.
ⅩⅡ	7.3 - 8.9	모든 것이 파괴된다, 지표면이 요동치고 강줄기의 방향이 바뀐다.

종래의 지진계는 속도나 가속도 센서를 이용하여 지반의 가속도를 계측하여 관제소로 전송하면, 관제소에서는 전송된 데이터를 이용하여 지진응답특성 분석 및 지진의 세기를 구하는 방식을 취하고 있다. 이러한 종래의 지진 감지 시스템은 데이터가 관제소에 전송되어야만 분석프로그램에 의해 지진응답의 특성이 분석 가능하므로 사고 발생시 대처까지의 시간이 오래 걸리고, 현장에서는 분석 결과 및 지진에 대한 경고를 확인할 수 없는 문제점이 있다. 또한 지진에 의하여 건물 등이 손상 혹은 붕괴에 의하여 발생되는 위험요소를 갖고 있는 시설물의 안전상황을 모니터링하는 시스템을 설치·운영함에 있어 우선으로 고려해야 할 점은 빠른 계측과 결과 분석에 의한 현장 조치이나, 상기한 바와 같은 종래의 기술은 현장에서 지진의 영향을 파악할 수 없고, 지진의 영향을 분석하고 현장 조치를 위한 정보 제공에 많은 시간이 걸리는 문제점이 있다.

또한, 지진이 발생하면 모든 시설물의 지진파에 대하여 가장 취약한 주파수 대역이 있는데 이것중의 하나가 시설물의 고유 주파수이다. 따라서, 위험 시설물의 안전을 위하여 지진을 계측·분석하는데 있어서는 지진파에서 시설의 고유주파수 부근 대역에서 지진파의 강도와 SI값을 계산해야 그 결과가 시설물에 받을 피해정도와 밀접해지므로 그에 따른 대책 등을 판단할 수 있으나 종래에는 이와 같은 위험 시설물에서 SI값을 계산하지 못하여 아무런 대책도 취할 수 없는 문제점도 있었다.

또한, 상기한 바와 같은 지진발생시의 위험요소로는 1차적으로 시설물 등의 붕괴를 들 수 있으나, 최근의 경우에는 그 피해 규모가 더욱 큰 가스, 화재 등의 2차위험의 요소가 더욱 문제시되고 있으며, 최근 한반도가 지진위험지역으로 분류됨에 따라 지진 발생을 상시 모니터링하고 지진의 세기가 가스시설의 안전에 영향을 미칠 정도인가를 파악하여 지역별로 가스를 차단할 수 있도록 정보를 제공해 주는 장치의 필요성이 더욱 대두되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 그 목적은, 정압기지 내의 적합한 위치에 설치되어 실제 지진발생시 지반의 움직임을 가속도의 단위로 계측하되, 이때 계측의 방향은 3축(X,Y,Z/E-W,N-S,U-D)방향으로 각 축별의 지반 움직임을 측정하고, 지진에 대한 반응 및 크기를 연산하여 지진파 수신 장치로 보내주는 역할을 수행하는 지진파 감지 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지진파 감지 장치의 제어 블록도.

도 2는 본 발명의 일실시예를 나타낸 회로 구성도.

도 3은 본 발명의 원리에 의하여 측정된 시간-가속도의 계측 결과를 나타낸 그래프.

도 4 및 도 5는 본 발명의 외형 구조를 나타낸 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 센서 본체 2 : 스틸 플레이트

3 : 보호용 박스 4 : 스크류 볼트

5 : 스틸 플레이트 고정볼트 6 : 보호용 박스 고정볼트

10 : 감지부 11 : 증폭기

12 : 필터 13 : A/D변환기

14 : 제어부 15 : 입출력 통신모듈

16 : 입출력 단자

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 지반에 견고히 고정되어 지진발생시 지반에 전달되는 가속도를 감지하는 감지부와; 상기 감지부로부터 입력된 신호를 증폭하는 증폭기와; 로우 패스 필터로 지진감지신호와 충격신호를 선별하기 위한 필터링을 수행하는 필터와; 필터링을 거쳐서 입력된 전기적 신호는 아날로그 값으로 1000mV/1G의 값을 갖게 되며, 이때 입력된 아날로그 값인 진기적신호를 g값으로 환산하기 위하여 디지털 값으로 변환하는 A/D변환기와; 모든 기능을 총괄하는 중앙처리장치(CPU)로 각기능의 제어 및 변수의 대입, 저장, 기록제어, 관리기능, 연산 등의 알고리즘을 수행하는 제어부와; 상기 A/D변환기에서 디지털 값으로 변환된 신호를 입출력단자를 거쳐 외부기기로 출력하기 위한 입출력 통신모듈을 포함한다.

상기 감지부는 감지방향은 3축으로 가속도단위인 gal값을 검출한다.

상기 필터는 필터링을 통하여 100Hz이상의 주파수를 갖는 진동은 충격으로 판별하게 한다.

상기 A/D변환기는 변환의 범위는 각축당 200sample/sec를 갖도록 한다.

상기 제어부는 마이크로프로세서(microprocessor)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 감지부는 원통형의 센서 본체와; 상기 센서 본체가 안착되는 스틸 플레이트와; 센서 본체와 상기 스틸 플레이트를 덮는 보호용 박스와; 상기 센서 본체를 상기 스틸 플레이트에 고정시키는 스크류 볼트와; 상기 스틸 플레이트를 바닥면에 고정시키는 스틸 플레이트 고정볼트와; 상기 보호용 박스를 바닥면에 고정시키는 보호용 박스 고정볼트로 구성된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 지진파 감지 장치의 제어 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예를 나타낸 회로 구성도이다.

지반에 견고히 고정되어 지진발생시 지반에 전달되는 가속도를 감지하는 감지부(10)와; 상기 감지부(10)로부터 입력된 신호를 증폭하는 증폭기(11)와; 로우 패스 필터로 지진감지신호와 충격신호를 선별하기 위한 필터링을 수행하는 필터(12)와; 필터링을 거쳐서 입력된 전기적 신호는 아날로그 값으로 1000mV/1G의 값을 갖게 되며, 이때 입력된 아날로그 값인 진기적신호를 g값으로 환산하기 위하여 디지털 값으로 변환하는 A/D변환기(13)와; 모든 기능을 총괄하는 중앙처리장치(CPU)로 각기능의 제어 및 변수의 대입, 저장, 기록제어, 관리기능, 연산 등의 알고리즘을 수행하는 제어부(14)와; 상기 A/D변환기(13)에서 디지털 값으로 변환된 신호를 입출력단자(16)를 거쳐 외부기기로 출력하기 위한 입출력 통신모듈(15)을 포함한다.

상기 감지부(10)는 감지방향은 3축으로 가속도단위인 gal값을 검출하고, 상기 필터(12)는 필터링을 통하여 100Hz이상의 주파수를 갖는 진동은 충격으로 판별하게 하며, 상기 A/D변환기(13)는 변환의 범위는 각축당 200sample/sec를 갖도록 하고, 상기 제어부(14)는 마이크로프로세서(microprocessor)임이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 원리에 의하여 측정된 시간-가속도의 계측 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 외형 구조를 나타낸 도면이다.

감지부(10)는 원통형의 센서 본체(1)와; 상기 센서 본체(1)가 안착되는 스틸 플레이트(2)와; 센서 본체(1)와 상기 스틸 플레이트(2)를 덮는 보호용 박스(3)와; 상기 센서 본체(1)를 상기 스틸 플레이트(2)에 고정시키는 스크류 볼트(4)와; 상기 스틸 플레이트(2)를 바닥면(GROUTING)에 고정시키는 스틸 플레이트 고정볼트(5)와; 상기 보호용 박스(3)를 바닥면(GROUTING)에 고정시키는 보호용 박스 고정볼트(6)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 감지부(10)는 지반에 견고히 고정되어 지진발생시 지반에 전달되는 가속도를 감지하는 기능을 갖는다. 감지방향은 3축으로 가속도단위인 gal값을 검출한다.

증폭기(11)는 감지부(10)로부터 입력된 신호를 증폭하는 기능을 갖는다. 필터(12)는 로우 패스 필터로 지진감지신호와 충격신호를 선별하기 위한 필터링을 수행하며, 100Hz이상의 주파수를 갖는 진동은 충격으로 판별한다.

A/D변환기(13)는 필터링을 거쳐서 입력된 전기적 신호는 아날로그 값으로 1000mV/1G의 값을 갖게 되며, 이때 입력된 아날로그 값인 진기적신호를 g값으로 환산하기 위하여 디지털 값으로 변환하는 기능을 수행한다. 변환의 범위는 각축당 200sample/sec를 갖는다.

제어부(14)는 모든 기능을 총괄하는 중앙처리장치(CPU)로 각기능의 제어 및 변수의 대입, 저장, 기록제어, 관리기능, 연산 등의 알고리즘을 수행하는 마이크로프로세서(microprocessor)이다.

입출력 통신모듈(15)은 상기 A/D변환기에서 디지털 값으로 변환된 신호를 입출력단자(16)를 거쳐 외부기기(예, 지진파 수신 장치)로 출력하기 위한 기능을 수행한다.

따라서, 본 발명은 정압기지 내의 적합한 위치에 설치되어 실제 지진발생시 지반의 움직임을 가속도의 단위로 계측하되, 이때 계측의 방향은 3축(X,Y,Z/E-W,N-S,U-D)방향으로 각 축별의 지반 움직임을 측정하고, 지진에 대한 반응 및 크기를 연산하여 지진파 수신 장치로 보내주는 역할을 수행한다.

상기 감지부(10)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 센서 본체(1), 스틸 플레이트(2), 보호용 박스(3), 스크류 볼트(4), 스틸 플레이트 고정볼트(5), 보호용 박스 고정볼트(6)로 구성된다. 따라서, 원통형의 센서 본체(1)는 스틸 플레이트(2)에 안착되어 스크류 볼트(4)에 의하여 고정되고, 다시 상기 스틸 플레이트(2)는 스틸 플레이트 고정볼트(5)에 의하여 바닥면(GROUTING)에 고정된다. 그 위에 보호용 박스(3)가 덮여지고, 보호용 박스 고정볼트(6)에 의하여 상기 보호용 박스(3)를 바닥면에 고정시킨다.

이 감지부(10)의 측정원리를 보다 상세히 살펴보면, 센서 본체(1)에는 마이크로머신으로 표면을 정밀 가공한 폴리실리콘을 구조물 위에 올려놓은 가속도센서가 배치되어 있다. 폴리실리콘 스프링은 웨이퍼의 표면에서 폴리실리콘 구조물을 지지하는 역할을 하며, 가속력에 대항하는 저항력을 제공한다. 구조물의 편차는 별도의 고정판과 무빙매스에 부착되어 있는 중심판으로 구성된 디퍼런셜 캐패시터(differential capacitor)를 사용해서 측정된다.

움직임이 전달되면 고정판은 방형파 상(相)으로부터 180°변위되며, 가속도는 빔(beam)을 편향시키고 티퍼런셜 캐패시터의 균형을 깨뜨려 결과적으로 방형파가 출력되는데 이 방형파의 진폭은 가속도에 비례하는 값을 갖는다. 상에 반응하는 복조 기법은 신호를 정류하여 가속도의 방향을 판단하는 데에 이용된다. 이와 같은 원리에 의하여 측정된 시간-가속도의 계측 결과를 도 3에 도시하였다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 의하면, 정압기지 내의 적합한 위치에 설치되어 실제 지진발생시 지반의 움직임을 가속도의 단위로 계측하되, 이때 계측의 방향은 3축(X,Y,Z/E-W,N-S,U-D)방향으로 각 축별의 지반 움직임을 측정하고, 지진에 대한 반응 및 크기를 연산하여 지진파 수신 장치로 보내주는 역할을 수행하므로, 원거리에서도 신속하게 지진을 감지하여 바람직한 대책을 세울 수 있으며, 본 발명의 지진파 감지 장치와 지진파 수신 장치의 통신방식을 아날로그와 디지털 방식 모두 가능하므로 노이즈 레벨이 높은 곳에도 비싼 경비가 소요되는 노이즈 대책 없이도 바로 적용가능하고, 전기적 신호에 의해 센서를 정량적으로 가진(加震)할 수 있고, 그 가진된 진동이 출력되는 반도체형 센서를 채용함으로써, 감지부의 고장을 쉽게 판단하게 하여 유지보수가 용이하게 되는 매우 다양한 효과가 있다.

Claims

지반에 견고히 고정되어 지진발생시 지반에 전달되는 가속도를 감지하는 감지부(10)와;

상기 감지부(10)로부터 입력된 신호를 증폭하는 증폭기(11)와;

로우 패스 필터로 지진감지신호와 충격신호를 선별하기 위한 필터링을 수행하는 필터(12)와;

필터링을 거쳐서 입력된 전기적 신호는 아날로그 값으로 1000mV/1G의 값을 갖게 되며, 이때 입력된 아날로그 값인 진기적신호를 g값으로 환산하기 위하여 디지털 값으로 변환하는 A/D변환기(13)와;

모든 기능을 총괄하는 중앙처리장치(CPU)로 각기능의 제어 및 변수의 대입, 저장, 기록제어, 관리기능, 연산 등의 알고리즘을 수행하는 제어부(14)와;

상기 A/D변환기(13)에서 디지털 값으로 변환된 신호를 입출력단자(16)를 거쳐 외부기기로 출력하기 위한 입출력 통신모듈(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지진파 감지 장치.
제 1항에 있어서, 상기 감지부(10)의 감지방향은 3축으로 가속도단위인 gal값을 검출하는 것을 특징으로 하는 지진파 감지 장치.
제 1항에 있어서, 상기 필터(12)는 필터링을 통하여 100Hz이상의 주파수를 갖는 진동은 충격으로 판별하게 하는 것을 특징으로 하는 지진파 감지 장치.
제 1항에 있어서, 상기 A/D변환기(13)의 변환 범위는 각축당 200sample/sec를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 지진파 감지 장치.
제 1항에 있어서, 상기 제어부(14)는 마이크로프로세서(microprocessor)인 것을 특징으로 하는 지진파 감지 장치.
제 1항에 있어서, 상기 감지부(10)는 원통형의 센서 본체(1)와; 상기 센서 본체(1)가 안착되는 스틸 플레이트(2)와; 센서 본체(1)와 상기 스틸 플레이트(2)를 덮는 보호용 박스(3)와; 상기 센서 본체(1)를 상기 스틸 플레이트(2)에 고정시키는 스크류 볼트(4)와; 상기 스틸 플레이트(2)를 바닥면(GROUTING)에 고정시키는 스틸 플레이트 고정볼트(5)와; 상기 보호용 박스(3)를 바닥면(GROUTING)에 고정시키는 보호용 박스 고정볼트(6)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지진파 감지 장치.