KR20090032653A - 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법 - Google Patents

진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 진동 모달 측정 장치는 피사체의 모서리를 자동으로 탐지하여, 모서리의 진동 변위값을 영상으로 획득하는 고속 카메라 및 획득된 영상을 주파수로 변환하여, 주파수들 간의 상호 비교를 통해 상기 주파수별 모드 형상을 출력하는 영상 처리기를 포함할 수 있다. 이 장치에 의하여 진동 모달을 측정하는 방법은 피사체의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역에서 피사체의 모서리를 고속 카메라에 의하여 탐지하기 위한 방향을 설정하는 단계와, 상기 고속 카메라에 의하여 상기 대상물의 위치별 진동 신호를 획득하는 단계 및 상기 획득된 진동 신호를 영상 처리기에 의하여 주파수별로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법에 의하면, 피사체에 복수개의 진동 센서를 부착할 필요없이 고속 카메라에 의하여 신속하게 피사체에 발생되는 진동 모드를 파악할 수 있으므로 경제적이며, 진동 모드에 따라 진동에 저항할 수 있도록 피사체의 구조 변경이 용이한 효과를 제공할 수 있다.
진동 측정, 고속 카메라

Description

진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법{APPARATUS FOR MEASURING VIBRATION MODAL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 대상물의 진동에 따른 주파수별 모드 형상을 이용하여 진동 모달을 측정하는 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 교량, 도로 및 댐 등과 같은 구조물은 변형 또는 붕괴되었을 때 주변에 미치는 영향이 지대하므로, 노후에 따른 상시적인 안전관리가 매우 중요하다.
이러한 안전관리의 일환으로 구조물에 대한 변형 모니터링 기술이 발전되어 구축된 진단시스템으로 노후된 구조물에 대한 장기간의 연속적인 점검이 실시되어 왔다.
구조물은 외부로부터 규칙적 또는 불규칙적인 충격을 상시적으로 받게 된다. 예를 들어, 교량 또는 도로일 경우 통행하는 자동차로부터 갖가지 크고 작은 충격을 항상 받게 된다.
이러한 외부로부터 받는 충격은 구조물에 진동을 끊임없이 유발시키게 되고, 구조물이 노후해지면서 전반적인 내구성 저하로 이어져 붕괴의 위험성을 낳게 된다.
종래 구조물에 대한 진동감지는 변위의 측정을 위한 센서를 통해 이루어지는 데, 센서를 통한 진동감지를 위해서는 구조물의 여러 곳에 다수개의 센서를 부착한 뒤, 상기 각 센서로부터 수신되는 감지신호를 모니터링 장치에서 분석하는 절차를 거치게 된다.
따라서 개개의 센서를 일일이 구조물의 여러 곳에 부착해야 하며, 또한 개개의 센서는 모두 유선으로 모니터링 장치에 연결해야 하기 때문에, 설치가 번거롭고 복잡하여 상시적인 진단 시스템으로는 부적합한 문제점이 있다.
특히 교량과 같이 복잡한 구조를 갖는 시설물에서는 센서의 부착 위치나 측정 부위의 제약이 심하기 때문에, 정확한 진동측정을 보다 빠른 시간 내에 해내기가 용이하지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진동 모달의 측정을 간편하고 경제적으로 할 수 있도록 개선된 진동 모달 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동 모달 측정 장치는 고속 카메라 및 영상 처리기를 포함할 수 있다.
상기 고속 카메라는 피사체의 모서리를 자동으로 탐지하여, 상기 모서리의 진동 변위값을 영상으로 획득할 수 있다.
상기 영상 처리기는 상기 고속 카메라에 의하여 획득된 영상을 주파수로 변환하여, 상기 주파수들 간의 상호 비교를 통해 상기 주파수별 모드 형상을 출력할 수 있다.
진동 모달 측정 방법은 피사체의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역에서 피사체의 모서리를 고속 카메라에 의하여 탐지하기 위한 방향을 설정하는 단계와, 상기 고속 카메라에 의하여 상기 대상물의 위치별 진동 신호를 획득하는 단계 및 상기 획득된 진동 신호를 영상 처리기에 의하여 주파수별로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면, 피사체에 복수개의 진동 센서를 부착할 필요 없이 고속 카메라에 의하여 신속하게 피사체에 발생되는 진동 모드를 파악할 수 있으므로 경제적이며, 진동 모드에 따라 진동에 저항할 수 있도록 피사체의 구조 변경이 용이한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 모달 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 진동 모달 측정 장치(100)는 고속 카메라(20) 및 영상 처리기(30)를 포함할 수 있다.
상기 고속 카메라(20)는 표준 속도 이상의 스피드(speed)로 촬영할 수 있는 카메라로서, 고속으로 촬영하여 정상적인 속도로 돌리면 피사체(10)의 동작이 우주에서 유영하듯 매우 느리게 보일 수 있다.
상기 고속 카메라(20)는 고속 비디오 카메라로서, 구동 방법에 따라 기계식, 전자식 고속 카메라일 수 있고, 결상 원리에 따라 영상 분리형, 줄무늬형 고속 카메라일 수 있다.
상기 고속 카메라(20)는 임의의 프레임(frame;미도시)에 설치되어 상하좌우로 이동이 가능하며, 피사체(10)의 모서리(11)를 자동으로 탐지할 수 있으며, 고속으로 피사체(10)에 발생하는 진동 변위값을 영상으로 획득할 수 있다.
상기 영상 처리기(30)는 상기 고속 카메라(20)와 전기적으로 연결되어, 상기 고속 카메라(20)에서 획득한 영상을 주파수로 변환하여, 상기 주파수들 사이에 상호 비교를 통하여 주파수별로 모드(mode)의 형상을 출력할 수 있다.
상기 주파수들의 상호 비교에 의하면, 촬영된 피사체(10)의 어떤 부분에서 어떤 형태의 진동이 발생되는지를 파악할 수 있다.
상기 획득한 영상의 주파수 변환은 고속 퓨리에 변환(fourier transform)을 통해 이루어질 수 있으며, 먼저 주파수 응답함수를 구하고, 상기 주파수 응답함수에서 허수값을 취함에 의해 주파수별로 진동 모드의 형상을 구할 수 있다.
상기 주파수 응답함수에서 허수값은 진동에 의하여 피사체(10)의 위상 변화값을 나타낼 수 있다.
즉, 상기 허수값에 의하여 주파수의 선도(線圖)로 나타내게 되면, 주파수별 진동 모드는 피사체(10)의 각 부분에서 발생되는 진동에 의한 구조 변형을 나타낼 수 있다.
상기와 같은 진동 모달 측정 장치(100)에 의하면, 피사체(10)의 어떤 부분에서 어떠한 형태의 진동이 발생되는지 용이하게 파악할 수 있어, 상기 진동에 대해 피사체(10)의 각 영역에서 진동에 대한 저항을 위해 적절히 대응할 수 있다.
또한, 종래 다수의 진동 센서를 피사체의 각 영역에 부착하여 진동을 측정하는 방법 대신, 고속 카메라(20)에 의하여 피사체(10)의 전 영역에 대하여 진동을 측정할 수 있으므로 경제적일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 모달 측정 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 진동 모달 측정 방법은 먼저 진동을 측정하기 위한 피사체의 영역을 설정한다(S1).
상기 설정된 영역의 피사체에서 모서리 부분을 탐지하기 위해 고속 카메라를 이동시켜 방향을 설정한다(S2).
상기 방향이 설정되면, 상기 모서리 부분이 전부 고속 카메라의 렌즈에 상이 맺히도록 상기 고속 카메라의 초점 및 심도를 맞추고, 모서리 부분의 해상도와 진동 변위값의 구분이 명확하도록 분해능 및 셔터 스피드 등을 조절하여 촬영한다(S3).
상기 촬영에 의해 상기 피사체 모서리 부분의 진동 변위값을 구하면, 상기 고속 카메라와 전기적으로 연결된 영상 처리기에서 처리한다.
상기 영상 처리기는 상기 진동 변위값을 고속 퓨리에 변환에 의하여 주파수로 변환한다(S4).
상기 고속 퓨리에 변환은 주파수 응답함수에 상기 각각의 진동 변위값을 대입하여 나오는 값 중 허수값을 취하여 피사체 각 영역에서의 주파수별로 진동 모드를 구한다(S5).
상기 주파수별 진동 모드는 주파수 선도로 나타낼 수 있는데, 상기 주파수 선도에서의 각 주파수들을 상호 비교하게 되면, 상기 피사체의 각 영역에서의 어떤 형태의 진동이 나타나는지 구분할 수 있다(S6).
상기와 같은 방법에 의하여 피사체의 진동 모달을 측정하게 되면, 고속 카메라의 해상도가 허용하는 한, 한 대의 고속 카메라로 여러 개의 진동 센서를 설치하는 효과를 볼 수 있다.
따라서, 진동 모달의 한계인 진동 센서의 설치 개수를 획기적으로 크게 늘리 는 효과를 얻을 수 있으며, 진동 센서에 소요되는 고가의 앰프나 분석기 등을 사용하지 않아도 되므로 경제적일 수 있다.
또한, 피사체의 어떤 부분에서 어떠한 진동이 발생되는지 파악하기 용이하여 상기 진동에 대해 저항할 수 있도록 피사체의 구조 등을 변경하기 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 모달 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 진동 모달 측정 장치에 의하여 진동 모달을 측정하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10... 피사체 11... 모서리
20... 고속 카메라 30... 영상 처리기
100... 진동 모달 측정 장치

Claims (6)

  1. 피사체의 모서리를 자동으로 탐지하여, 상기 모서리의 진동 변위값을 영상으로 획득하는 고속 카메라; 및
    상기 획득된 영상을 주파수로 변환하여, 상기 주파수들 간의 상호 비교를 통해 상기 주파수별 모드 형상을 출력하는 영상 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수별 모드 형상은 상기 진동 변위값을 고속 퓨리에 변환에 의하여 주파수 응답함수를 구하고, 상기 주파수 응답함수의 허수값을 취함에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고속 카메라는 상하좌우로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 장치.
  4. 피사체의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역에서 피사체의 모서리를 고속 카메라에 의하여 탐지하기 위해 방향을 설정하는 단계;
    상기 고속 카메라에 의하여 상기 피사체의 위치별 진동 신호를 획득하는 단 계; 및
    상기 획득된 진동 신호를 영상 처리기에 의하여 주파수별로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진동 신호의 상기 주파수별로의 변환은 고속 퓨리에 변환에 의하는 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 주파수별로 변환하는 단계는 주파수 응답함수에 의해 허수값을 취득하여 상기 주파수별의 모드 형상을 구하는 것인 것을 특징으로 하는 진동 모달 측정 방법.
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