KR20070121442A

KR20070121442A - 무선 발파진동 계측시스템

Info

Publication number: KR20070121442A
Application number: KR1020060056523A
Authority: KR
Inventors: 권순욱; 조문영; 김정렬; 유현석
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-12-27

Abstract

본 발명은 무선 발파진동 계측시스템에 관한 것으로, 직비(Zigbee)기반의 무선 네트워크 칩이 장착된 다수개의 무선 진동 센서와; 상기 무선 진동 센서로부터 전송된 데이터를 수신하는 처리장치;를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 의하면, 터널 발파 현장에 적용할 경우 장비비 및 인건비 측면에서 막대한 비용이 절감될 수 있다.

무선, 발판, 진동, 계층, 직비

Description

무선 발파진동 계측시스템{WIRELESS BLASTING VIBRATION MEASUREMENT SYSTEM }

도 1은 종래 발파진동 측정장치의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래 발파진동 측정장치에서 진동 센서의 작동 원리를 나타낸 도면이다.

도 3은 종래 발파진동 측정장치의 설치예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템에 대한 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템에서 무선 진동 센서의 구조를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템의 설치예를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템에서 무선 진동 센서에 대한 개념도이다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 무선 진동 센서의 선형도를 나타낸 그래프이다.

도 10은 무선 송수신 장치와 연결하여 측정된 진동의 무선 수신 진동 데이터 관련된 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 진동센서 150 : 안테나

200 : 소음 측정기 160 : 무선통신부

170 : 연산코어부 180 : 센싱인터페이스

190 : 센서모듈 300 : 연결케이블

본 발명은 무선 발파진동 계측시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS 기반의 가속도 센서에 데이터로거를 초소형화하여 장착하고, 직비(Zigbee)기반의 무선 센서 네트워크 칩을 장착한 무선 발파진동 계측시스템에 관한 것이다.

암반을 파쇄하는 가장 효과적인 방법으로는 옛부터 널리 사용되고 있는 화약류에 의한 발파공법이다.

그러나 화약류에 의한 발파를 실시하는 경우 지반의 진동, 암석편의 비산, 폭음의 전파 등으로 인해 여러 환경적인 문제점이 발생한다. 특히, 발파소음진동허용기준(건설교통부, 2002)에 따르면 낮은 진동으로도 사람의 인체나 소, 돼지, 노루 등의 가축 등은 심각한 피해를 받을 수 있는 것으로 분석되어 있다.

환경부의 진동규제 기준치는 V=0.09cm/sec(70dB)로서 도심지에서 수행하는 발파 작업의 경우, 이를 도저히 만족할 수 없기 때문에 발파 작업으로 인한 민원 및 소송이 끊임없이 발생하는 실정이다.

따라서, 발파 진동의 측정을 수행하여 건설공사에 따른 굴착 작업 등의 발파에 의해 작업장 주변 지역에서 발생하는 지반 및 구조물의 진동을 파악하고 발파에 의해 발생될 수 있는 영향을 명확하게 파악할 필요가 대두되었고, 이를 충족하기 위해 발파진동의 측정장치가 제안된 바 있다.

이러한 발파진동의 측정장치에 의해 획득된 발파 진동 측정 데이터는 적정 장약량의 산출이나 최적 발파 패턴의 계산 등에 이용될 수 있으며, 특히 장대 터널 시공 시, 발파 진동이 콘크리트 라이닝에 미치는 영향을 평가하고 타설 지점까지의 안전거리를 산출하는 등 폭넓은 활용 방안이 시도되고 있다.

첨부된 도 1은 종래 발파진동 측정장치의 일 예를 나타낸 것으로, RST Instruments 사의 Blastmate Ⅲ (캐나다)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 종래 발파진동 측정장치(A')는, 가속도계 센서(100')와 소음 측정기(200') 및 연결케이블(300'), 그리고 데이터분석을 위한 데이터로거(400')가 하나의 팩키지 형태로 구성된다.

기종에 따라 1개에서 4개의 입력 채널(500')을 보유하고 있으며, 여러 가지 형태의 가속도 센서가 연결될 수 있다.

종래 발파진동 측정장치는, 수진부(transducer), 증폭부(amplifier), 자료저장부(recoder), 출력부(Printer)로 구성된다.

상기 수진부(진동 센서)는 물리적 운동이나 압력을 전기적인 신호로 변환하는 역할을 담당하며 전기적인 신호를 케이블을 통해 증폭부로 전송한다.

상기 증폭부는 이 신호를 정류 및 증폭시켜 자료 저장부로 전송하고, 자기테 이프나 디지털 컴퓨터 형태의 자료 저장부에서는 이 신호들을 저장한 다음, 출력부에서 저장된 자료들을 출력한다.

상기 수진부로부터 출력부에 이르는 전체적인 계통에 있어서 감도 특성 및 주파수 특성은 필요한 목적에 따라 다양하게 구성되어 있다.

상기 수진부의 진동 센서 형식은 변위형, 속도 및 가속도형이 있으며, 적분 회로나 미분 회로를 사용함으로써 진동 변위, 진동 속도, 진동 가속도의 어느 것이나 기록할 수 있고 진동과는 별도로 발파풍압을 측정할 수 있는 마이크로폰이 부착되어 있다.

첨부된 도 2는 종래 발파진동 측정장치에서 진동 센서의 작동 원리를 나타낸 도면이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 진동 센서(100')에 물리적인 운동이나 압력이 발생하면 센서에 부착된 영구 자석(110')이 선형 운동을 하고, 자석의 운동에 따라 자석에 감긴 코일(120')에 전압 변화가 발생한다. 이 미세한 전압의 변화를 증폭하여 진동을 측정한다.

상기 증폭부는 수진부의 센서의 종류에 따라 다르지만 수진부의 신호를 정류하고 증폭시켜 파형을 출력하는 역할을 담당한다. 센서가 속도형인 경우에는 적분 회로의 증폭기를 사용하면 변위 파형을 얻을 수 있고, 미분 회로의 증폭기를 사용하면 가속도 파형을 출력할 수 있다. 반면, 가속도 센서인 경우 적분 회로의 증폭기를 사용하면 속도 및 변위 파형을 얻을 수 있다.

상기 자료저장부는 물리적인 신호를 일정 시간동안 일정 간격으로 신호의 크 기를 기록한다. 일반적으로 초당 1,000개의 샘플이 기록되며 정밀한 경우 더 많은 샘플이 기록된다. 기존 계측기 제작사에서는 시간 이력에 따른 주파수 정보 및 진동속도의 크기 등을 분석할 수 있도록 소프트웨어를 제공한다. 기존 진동 계측기는 수직방향(vertical)과 상호간 직교하는 수평의 2방향, 즉 진행방향(longitudinal)과 접선방향(transverse)에 대한 3성분을 동시에 측정할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 종래 발파진동 측정장치 1대를 운용하기 위해서는 전문가 1인이 소요되며, 1대의 계측기에는 1~2개의 진동 측정용 센서를 연결할 수 있다.

따라서, 터널 계측의 경우 시험발파와 같은 특별한 경우를 제외하고는 매 발파당 진동 계측기 1대에 진동 및 소음센서 각 1개씩 설치하여 보안건물을 중심으로 운용하는 것으로 조사되었다.

첨부된 도 3은 종래 발파진동 측정장치의 설치예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 종래 발파진동 측정장치(A')는, 데이터로거(400') 1대에 연결된 진동 센서(100')를 터널(600') 내에 1～2개 정도밖에 설치할 수 없어 다수의 계측점에서 진동 계측을 요할 경우 다수의 계측기와 다수의 운용인원이 필요하게 된다.

따라서, 매우 복잡한 진동 측정이 필요할 경우에는 요구 센서의 숫자만큼 계측기를 구비해야하기 때문에 진동 계측에 있어 엄청난 비용이 소요되는 문제점을 지니고 있다.

또한, 종래 발파진동 측정장치(A')의 케이블(300')은 진동센서(100')와 데이터로거(400')간 직접 유선 연결을 하므로 진동 센서(100')를 원거리에 놓고자 할 경우 추가적인 비용문제가 발생한다.

따라서, 케이블의 길이가 길어지면 많은 비용이 발생하고 신호 증폭 모듈이 별도로 요구되며, 또한 장기간 사용시 케이블 손상이 발생하여 오류가 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 미세기계전자시스템(MEMS) 기반 가속도 센서에 초소형제어부(MCU : Micro Controller Unit)를 연결하되 직비(Zigbee)기반의 무선 센서 네트워크를 구성함으로써 별도의 데이터 로거나 기타 전력 설비 등이 필요없어 장비의 제작비용 및 설치비용이 절감되고, 인건비용도 절감할 수 있는 무선 발파진동 계측시스템를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 무선 발파진동 계측시스템은,

직비(Zigbee)기반의 무선 네트워크 칩이 장착된 다수개의 무선 진동 센서와; 상기 무선 진동 센서로부터 전송된 데이터를 수신하는 처리장치;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무선 발파진동 계측시스템에 있어서, 상기 무선 진동 센서는, MEMS기반의 센서와 신호처리회로로 구성되며, 상용화된 RF 기반의 무선송수신 모듈과 결합되고, 센서의 구동전원은 무선 송수신 모듈의 전원을 이용하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무선 발파진동 계측시스템에 있어서, 상기 무선 진동 센서는, 무선통신부와 연산코어부, 센싱인터페이스 및 전원으로 구성되며, 상기 무선통신부(wireless communication)는 직비칩(zigbee chip), 데이터엔코더(data encoder), 데이터버퍼메모리(data buffer memory)로 구성되고, 상기 연산코어부(compute core)는 마이크로 프로세서(micro processor), 보드 메모리(board memory), 데이터 샘플링(data sampling)로 구성되며, 상기 센싱인터페이스(sensing interface)는 직/교류 전환기(A/D converter), MEMS 액셀러미터(MEMS accelermeter)로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무선 발파진동 계측시스템에 있어서, 상기 처리장치는, 노트북 또는 개인용 컴퓨터 중 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무선 발파진동 계측시스템에 있어서, 상기 무선 진동 센서는, 총 2회의 노광공정과 총 3회의 식각공정을 통해 제작되었으며, SOI (Silicon On Insulator) 웨이퍼 위에 금(gold) 박막을 형성하고 노광공정과 식각공정을 통해 외부 신호처리 회로와 연결될 금박판(gold pad)를 형성한 후 노광공정과 식각공정을 통하여 센서의 형태를 만들고, 마지막 식각공정으로 센서의 작동부재(moving part)를 고정하고 있는 실리콘 산화막을 제거하여 완성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부된 도 4는 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템에 대한 구성도이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명은, 다수의 무선 진동 센서(100)와, 하나의 처리장치(700)로 구성되어 있고, 상기 무선 진동 센서(100)는 모두 255개까지 자유롭게 추가할 수 있다.

첨부된 도 5는 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템(A)에서 무선 진동 센서(100)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 각 무선 진동 센서(100)에는 직비(Zigbee)기반의 무선 센서 네트워크 칩이 장착되고, 안테나(150)가 설치됨으로써 무선 진동 센서(100)끼리 센싱데이터를 무선으로 상호 송수신할 수 있다.

상기 무선 진동 센서(100)는 미세기계전자시스템(이하 'MEMS'라 함)을 기반으로 한다.

상기 무선 진동 센서(100)는, 무선통신부(160)와 연산코어부(170), 센싱인터페이스(180) 및 전원(195)으로 구성된다.

또한, MEMS기반의 센서모듈(190)와 신호처리회로(미도시)가 더 구비되며, 상용화된 RF 기반의 무선송수신 모듈과 결합되고, 센서의 구동전원은 무선 송수신 모듈의 전원(배터리)를 이용한다.

상기 무선통신부(wireless communication)(160)는 직비칩(zigbee chip)(161), 데이터엔코더(data encoder)(162), 데이터버퍼메모리(data buffer memory)(163)로 구성된다.

상기 연산코어부(compute core)(170)는 마이크로 프로세서(micro processor)(171), 보드 메모리(board memory)(172), 데이터 샘플링(data sampling)(173)로 구성된다.

상기 센싱인터페이스(180)(sensing interface)는 직/교류 전환기(A/D converter)(181), MEMS 액셀러미터(MEMS accelermeter)(182)로 구성된다.

전술한 MEMS 기반의 무선 진동 센서(100)는 최대 256개까지 무선으로 연결될 수 있으며, 데이터 저장을 위한 특별한 장치 없이 처리장치(700)에 연결된다.

상기 처리장치(700)로는 노트북이나 PC가 사용될 수 있으며, 이를 통해 별도의 특정한 장비가 배제되므로 장치를 구성함에 있어 소요되는 비용을 훨씬 절감시킬 수 있다.

앞서 언급한 직비(Zigbee)는 저전력, 저규모 무선 네트워크를 구축할 수 있는 새로운 프로토콜이다. 직비라는 이름은 꿀벌들이 의사 소통하기 위해 지그재그로 춤을 춘다는 것에서 유래되었는데, 직비의 통신 방식이 마치 꿀벌들의 소통 방식처럼 저렴하고 효율이 높다는 것을 의미한다.

IEEE 규격으로는 802.15.4 표준으로 제정되어 있다. 이미 무선 방식의 표준으로 와이파이(Wifi)나 블루투스가 등장했지만 구조가 복잡하고 하드웨어 비용이 비싸며 배터리를 많이 소모하는 문제점이 있었다.

이에 비해 직비는 이들과 같은 무선 주파수 대를 사용하면서 전송 속도를 양보하는 대신 전력 소모를 획기적으로 줄였다는 장점이 있다.

실제로 직비의 데이터 전송 속도는 블루투스보다 훨씬 뒤지며 WLAN에 비하면 비교할 수 없을 정도로 느리다.

따라서, 이미지나 멀티미디어 데이터를 전송하는 규약으로는 적합하지 않으며 간단한 텍스트 기반의 명령어를 전달하는 용도로 적합하다.

그러나, 속도를 양보한 반면 배터리 소모량은 블루투스의 절반, WLAN보다는 1/100 정도만 소모한다. 또한, 전력 소모량만큼 하드웨어 가격도 저렴하다.

한편, 본 발명은 원거리의 데이터 송수신을 위해서 증폭기(미도시)를 추가로 장착할 수 있다.

첨부된 도 6은 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템의 설치예를 나타낸 도면이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 터널(600) 내에 상기 무선 진동 센서(100)를 설치하고, 각 무선 진동 센서(100)는 데이터송수신이 가능하도록 하며, 최종의 무선 진동 센서(100)는 처리장치(700)와 케이블(300)로 연결시킨다.

상기 무선 진동 센서(100) 간의 거리가 30미터(m) 이상 멀어질 경우 증폭기를 장착하여 300미터(m)까지 신호를 자유롭게 송수신할 수 있으며, IEEE 802.15.4 직비 표준규약에 따라 자유로운 네트워크 형태를 모두 지원한다.

첨부된 도 7은 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템에서 무선 진동 센서(100)에 대한 개념도이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 무선 진동 센서(100)는 외부 입력 가속도에 따라, 감지 용량의 변화를 읽는 정전용량형(capacity type)으로써, 이는 하나의 관성질량체(102)와 4개의 지지빔(103) 및 상기 관성질량체(102)의 외측에 설치된 감 지 전극(104)으로 구성된다.

상기 감지 전극(104)은 관성질량체(102)의 좌우에 배치되며, 관성질량체(102)의 운동 방향에 대하여 감지 용량의 변화의 방향이 반대로 설계되었다.

이를 차동 용량 감지 방식이라 하는데, 이러한 방식은 단일 용량 감지 방식에 비해, 선형성이 증대되는 장점을 갖고 있다.

가속도계 감지 원리에 따라, 입력 가속도와 용량 변화에 관한 관계식을 [수식 1]에 나타내었다.

[수식 1]

(주석)

위 식에서 보듯이, 감도는 감지 전극(104)의 면적, 관성질량체(102)의 질량에 비례하고, 감지 전극(104)의 간극, 그리고, 지지빔(103)의 stiffness에 반비례함을 알 수 있다.

본 발명에서는 입력 가속도의 범위를 -50g 에서 50g 영역에서 동작하는 가속도계를 설계하였다.

설계된 가속도계의 최소 감지 용량이 가속도계의 분해능을 결정짓는 요소가 된다.

설계된 가속도계의 최소 감지 용량은 114 aF 에서 1470 aF 까지 총 4가지 조건으로 설계, 제작하였으며, 입력 가속도 범위 -10g에서 10g 영역에서 측정 분해능을 보증할 수 있다.

이러한, 설계 조건은 공정 시 발생할 수 있는 공정 한계를 고려하여, 지지빔의 폭과 감지 전극의 수를 조절함으로써 수행하였다.

한편, 상기한 무선 진동 센서(100)는, 반도체 제조 공정을 이용한 MEMS 제작 기술을 사용하여 제작된다.

즉, 상기 무선 진동 센서(100)는 총 2회의 노광공정과 총 3회의 식각공정을 통해 제작되었으며, SOI (Silicon On Insulator) 웨이퍼 위에 금(gold) 박막을 형성하고 노광공정과 식각공정을 통해 외부 신호처리 회로와 연결될 금박판(gold pad)를 형성한 후 노광공정과 식각공정을 통하여 센서의 형태를 만들고, 마지막 식각공정으로 센서의 작동부재(moving part)를 고정하고 있는 실리콘 산화막을 제거하여 완성된다.

이렇게 제작된 MEMS 기반의 무선 진동 센서(100)는, 실리콘 DIP에 팩키징하여 사용한다.

전술한 무선 진동 센서(100)에서 감지하는 진동의 측정값은 매우 적은 정전용량의 변화값이므로, 작은 측정값의 변화를 연산, 증폭하여 인식 가능한 값으로 사용하여야 한다.

가속도계 신호 처리 개념은 가속도계로부터 외부 가속도에 의한 움직임의 정 보를 읽어 내기 위해 수십 kHz 대역의 AC 신호인 Vac를 양쪽 감지 전극에 인가한다.

이때, 외부 가속도가 인가되면, isense 전류가 발생하게 되고, 발생한 미세한 전류를 charge amplifier를 통하여 전압으로 읽어내게 된다.

이렇게 읽어낸 전압신호는 증폭기와 필터를 통해 최종 출력으로 얻어지게 된다.

상기 무선 진동 센서(100)는 PCB로 제작된 신호 처리 회로에 MEMS 가속도 센서를 장착하여 구성된다.

측정된 진동의 값은 0.2 V ~ 1 V의 출력 전압으로 나타나며, 이를 진동 단위[g]와[Hz]를 연산 사용하게 된다.

무선 송수신 장치와 연결하여 측정된 진동의 무선 수신 진동 데이터는 도 10의 그래프와 같다.

이를 참조하면, 무선 송수신 장치로부터 수신된 진동 측정값은 실제 센서 모듈에서 측정된 값과 같지 않음을 보여 주는데 이는 무선 송수신 장치의 scan rate 때문이다.

무선 송수신 장치의 프로그램에서 sampling timer의 값을 기존 125에서 25로 변화함에도 scan rate의 뚜렷한 변화는 없었으나 측정 대상의 진동 모드가 저주파(10Hz 이하)라면 소프트웨어적으로 보정이 가능할 것으로 판단된다.

이하에서는 본 발명에 따른 무선 발파진동 계측시스템의 시험 검증과정에 대해 기술한다.

본 발명의 시험 목적은 개발한 MEMS 무선 진동 센서(100) 모듈의 진동측정능력을 분석하는데 있다.

본 발명에 따른 MEMS 무선 진동 센서(100) 모듈의 시험장치는, MEMS 무선 진동 센서(100) 모듈을 표준 진동을 가할 수 있는 가진기에 부착하여 상하로 진동을 가하여 수행하였으며, 측정값을 비교하기위하여 참조가속도계를 부착하였다.

본 발명에 따른 MEMS 무선진동센서 모듈의 시험방법은 다음과 같다.

① DC power supply를 이용하여 MEMS 무선 진동 센서(100)에 3.3V DC의 인가전압을 인가한다.

② 0~100Hz이하의 주파수대역을 1/3 옥타브밴드(1.0, 1.25, 1.6, 2.0, 2.5, 3.15, 4.0, 5.0, 6.3, 8.0, 10.0, 12.5, 16.0, 20.0, 25.0, 31.5, 40.0, 50.0, 63.0, 80.0, 100.0 Hz)별로 정현파 가진을 한다.

③ 가속도의 크기는 각 가진 주파수별로 [10mG, 50mG, 100mG, 500mG, 1G, 3G, 5G, 10G(0-pk)]의 크기로 가진한다.

④ 가진기에 의해 가진되는 가속도의 주파수 및 크기는 참조가속계를 사용하여 확인한다.

⑤ 무선 진동 센서(100)의 출력신호의 주파수 및 크기는 신호분석기를 사용하여 30초동안의 평균화 과정을 거친 평균치이다.

⑥ 위의 과정을 무선 진동 센서(100)의 회로 #82(82배 증폭회로)에 장착하여 전체 5개의 시료 중 #2(Spring 5㎛, Comb 5㎛, 소프트 타입의 대표), #4(Spring 5㎛, Comb 10㎛, 하드 타입의 대표)의 두 가지에 대하여 측정하였다.

상기 시험에 사용된 장비는 다음의 [표 1]과 같으며, 시험 환경은 23.0℃, 상대습도 60%의 실내에서 수행되었다.

[표 1]

장비명	제조회사	모델
DC power supply	Agilent	E3649A
Function Generator	B&K	type 1054
Exciter	LDS	PA1000L-V455
Accelerometer	B&K	type 4371
Vibration Calibrator	B&K	type 4294
Charge Amplifier	B&K	NEXUS
Signal Analyzer	B&K	type 3560

다음의 [표 2] 및 [표 3]은 전술한 회로 #82에 무선 진동 센서(100) #2, #4를 각각 장착하여 측정한 결과이다.

무선 진동 센서(100)의 출력신호를 분석한 결과 출력신호의 주파수는 가진 주파수와 일치하였다. 출력신호의 크기는 다음 [표 2]와 같다.

[표 2]

* 무선 진동 센서(100) #2의 측정결과(회로 : #82, 단위 mVrms)

[표 3]

* 무선 진동 센서(100) #4의 측정결과(회로 : #82, 단위 mVrms)

한편, 종래의 상용센서와 본 발명의 무선 진동 센서(100)의 제원은 아래의 [표 4]에 나타낸 바와 같이, 민감도(Sensitivity)는 1/10~1/25 정도이며, 측정 가능 범위는 약 2~3.3배 넓고, 측정 가능 주파수 대역은 동일한 것으로 나타났다.

[표 4]

* 기존 센서와 본 발명의 무선 진동 센서(100)의 제원

첨부된 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 무선 진동 센서(100)의 선형도를 나타낸 그래프이다.

각 주파수 대 별로 출력전압(mV)을 기준으로 분석하였을때, #2 무선 진동 센 서(100)의 경우, 도 8에 나타낸 바와 같이, 0~5 G까지는 신호가 선형으로 출력되나, 약 5G 이상에서는 선형성이 급격히 하락하는 것으로 나타났다.

한편, #4 무선 진동 센서(100)는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 10 G 에서도 신뢰할 만한 선형성을 보여주고 있다.

따라서, 현재 설계 및 제작 당시 2000mV(2V)를 출력 범위로 하여 50G까지 출력이 가능하도록 하였으나, 이러한 방식보다는 측정 주파수, 가속도 범위를 세분화하여, 특성에 맞도록 제작한다면 각 타입별로 적정한 민감도와 아울러 선형성도 확보 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 무선 발파진동 계측시스템에 따르면, 터널 발파 현장에 적용할 경우 장비비 및 인건비 측면에서 막대한 비용이 절감될 수 있는 효과가 얻어진다. 장비 비용의 경우 다수의 데이터 로거를 사용하지 않고 저렴한 MEMS 기반 가속도 센서를 사용함으로서 얻을 수 있는 경제적인 이익은 매우 클 것으로 판단되며, 진동 계측 인력 역시 큰 폭으로 절감할 수 있는 효과가 얻어진다.

또한, 케이블 설치와 해체 등의 문제도 완전히 해소할 수 있으며 이에 따른 센서의 설치 및 해체의 편의성 또한 크게 증가하여 작업시간 단축에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims

직비(Zigbee)기반의 무선 네트워크 칩이 장착된 다수개의 무선 진동 센서와; 상기 무선 진동 센서로부터 전송된 데이터를 수신하는 처리장치;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제1항에 있어서,

상기 무선 진동 센서는, RF 기반의 무선송수신 모듈을 포함하는 무선통신부, MEMS기반의 센서와 신호처리회로를 포함하는 센싱인터페이스, 연산코어부 및 전원으로 구성되되,

상기 센싱인터페이스부는 MEMS기반의 가속도센서와 신호처리회로로 구성되어 발파 진동에 의한 출력전압값을 상기 연산코아부에 전송하고, 상기 출력전압값은 상기 연산코어부에서 샘플링되어, RF 기반의 무선송수신모듈을 포함하는 무선통신부에 의하여, 최종 출력전압값이 상기 처리장치에 무선 전송되는 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 2항에 있어서, 상기 RF 기반의 무선송수신 모듈을 포함하는 무선통신부, MEMS기반의 센서와 신호처리회로를 포함하는 센싱인터페이스, 연산코어부는 모두 상기 무선 진동 센서의 자체 전원에 구동되는 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 3항에 있어서, 상기 MEMS기반의 가속도센서는 정전용량형 가속도센서로써, 상기 정전용량형 가속도센서는 좌,우측에 감지전극이 형성된 1개의 관성질량체를 지지하는 4개의 지지빔으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 4항에 있어서, 상기 연산코어부(compute core)는 MEMS기반의 가속도센서에 의한 출력값을 전압신호값으로 연산, 증폭시키는 마이크로 프로세서(micro processor), 보드 메모리(board memory) 및 데이터 샘플링(data sampling)부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 5항에 있어서, 상기 무선통신부(wireless communication)인 RF 기반의 무선송수신모듈로써, 직비칩(zigbee chip), 데이터엔코더(data encoder), 데이터버퍼메모리(data buffer memory)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 1항에 있어서, 상기 처리장치는, 노트북 또는 개인용 컴퓨터 중 선택된 어느 하나이며, RF 기반의 무선송수신모듈이 장착된 소음측정기가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 4항에 있어서, 발파진동에 의한 입력 가속도와 상기 정전용량형 가속도센서의 용량 변화에 관한 관계식은,

*주석)

인 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.
제 4항에 있어서, 상기 무선 진동 센서를 구성하는 MEMS기반의 가속도센서는 총 2회의 노광공정과 총 3회의 식각공정을 통해 제작되었으며, SOI (Silicon On Insulator) 웨이퍼 위에 금(gold) 박막을 형성하고 노광공정과 식각공정을 통해 외부 신호처리 회로와 연결될 금박판(gold pad)를 형성한 후 노광공정과 식각공정을 통하여 센서의 형태를 만들고, 마지막 식각공정으로 센서의 작동부재(moving part)를 고정하고 있는 실리콘 산화막을 제거하여 완성된 것을 특징으로 하는 무선 발파진동 계측시스템.