KR20090131802A - 실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 계측수단을 대상구조물에 장착하여 실시간으로 진동신호를 측정하고, 측정된 진동신호를 적어도 1개 이상의 분산형 데이터로거와 같은 데이터수집수단을 통해 동기화된 신호로 수집하수집하며, 수집된 신호에 대해 실시간 모드형상 추출이 가능한 시간영역분해(Time Domain Decomposition; TDD) 기법을 이용하여 대상구조물의 동특성(고유진동수, 모드형상, 감쇠비)을 자동추출 및 분석할 수 있는 실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정장치는, 교량(100)에 분산 설치되어 진동신호를 검출하는 복수의 계측수단(10); 유선 또는 무선 통신방식으로 각 계측수단(10)과 연결되며, 각 계측수단(10)을 동시에 시각동기화하여 실시간으로 진동신호를 수집하는 데이터수집수단(20); 및 데이터수집수단(20)을 통해 수집된 진동신호를 분석하는 데이터분석수단(30);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
Figure P1020080057732
동특성, 구조계, 분산 시스템, 데이터로거, 실시간

Description

실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법{Real-time Dynamic Characteristics Measuring Apparatus of Structural Systems and the Method thereof}
본 발명은 실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교량에 계측수단을 분산 설치하고, 분산형 데이터로거와 같은 데이터수집수단을 이용하여 동기화된 검출신호를 실시간으로 수집하여 구조계의 동특성을 분석할 수 있는 실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 교량과 같은 구조계는 차량이나 바람과 같은 하중작용에 의해 상시 진동을 하게 된다. 이러한 진동신호를 수집, 분석하여 구조계의 동특성을 찾아내고, 이를 유지관리에 활용하고 있다. 이와 같이 구조계에 센서를 설치하여 다양한 신호를 수집하고, 수집된 신호를 분석하여 구조계의 상태 및 이상유무를 파악하는 기술이 구조건전성모니터링(Structural Health Monitoring; SHM) 기술이다.
구조건전성모니터링을 위한 시스템은 센서기술과 IT기술의 발달과 더불어 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 발전하고 있다. 이러한 SHM 시스템은 교량의 유지관리를 위한 한 분야로써 최근에 각광받고 있다.
그러나, 이러한 SHM 시스템을 이용하여 동특성을 추출하는 데에 있어서 요구되는 센서의 수가 많아지게 되면 연산과정에서 실시간으로 구조계의 동특성을 추출하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 사장교, 현수교와 같이 많은 계측수단이 설치되는 대형 구조계에서 실시간으로 진동신호를 수집하고 동시에 동특성을 추출할 수 있는 시스템 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 계측수단을 대상구조물에 장착하여 실시간으로 진동신호를 측정하고, 측정된 진동신호를 적어도 1개 이상의 분산형 데이터로거와 같은 데이터수집수단을 통해 동기화된 신호로 수집하수집하며, 수집된 신호에 대해 실시간 모드형상 추출이 가능한 시간영역분해(Time Domain Decomposition; TDD) 기법을 이용하여 대상구조물의 동특성(고유진동수, 모드형상, 감쇠비)을 자동추출 및 분석할 수 있는 실시간 구조계 동특성 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정장치는,
교량(100)에 분산 설치되어 진동신호를 검출하는 복수의 계측수단(10);
유선 또는 무선 통신방식으로 각 계측수단(10)과 연결되며, 각 계측수단(10)을 동시에 시각동기화하여 실시간으로 진동신호를 수집하는 데이터수집수단(20); 및
데이터수집수단(20)을 통해 수집된 진동신호를 분석하는 데이터분석수단(30);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르는 또 다른 실시간 구조계 동특성 측정장치는,
교량(100)에 분산 설치되어 진동신호를 검출하는 복수의 계측수단그 룹(10a~10n);
각각 각 계측수단그룹(10a~10n)과 유선 또는 무선 통신망으로 연결되고, 상호 통신을 통해 각 계측수단그룹(10a~10n)을 동시에 시각동기화하여 실시간으로 진동신호를 수집하는 복수의 데이터수집수단(20a~20m);
복수의 데이터수집수단(20a~20m)으로부터 수신한 각 진동신호를 분석하는 데이터분석수단(30);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 계측수단(10)은 주형, 상판, 교대, 교각 및 주탑중 적어도 1개소에 설치되는 가속도계 및 각속도계를 포함하는 관성센서인 것을 특징으로 한다.
또한, 각 계측수단그룹(10a~10n)은 주형, 상판, 교대, 교각 및 주탑중 적어도 1개소에 설치되는 복수의 가속도계 및 각속도계를 포함하는 관성센서로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 데이터수집수단(20)은 각 계측수단(10)과의 브로드캐스팅이 가능한 데이터로거, DAQ 또는 PAC인 것을 특징으로 한다. 뿐만 아니라 데이터수집수단(20)은 각 계측수단(10)으로부터 동기화된 신호를 수집하는 것을 특징으로 한다. 이러한 데이터수집수단(20)은 80~100㎳의 시간주기로 각 계측수단(10)을 시각동기화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 각 데이터수집수단(20a~20m)은 각 계측수단그룹(10a~10n)과의 브로드캐스팅이 가능한 데이터로거, DAQ 또는 PAC인 것을 특징으로 하며, 각 계측수단그룹(10a~10n)을 브로드캐스팅하여 동기화시키는 것을 특징으로 한다. 이들 각 데이터수집수단(20a~20m)은 80~100㎳의 시간주기로 각 계측수단그룹(10a~10n)을 시각동 기화하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정방법은,
데이터수집수단(20)을 이용하여 교량(100)에 설치된 복수의 계측수단(10)을 동시에 동기화하는 제1단계(S100);
유선 또는 무선통신망을 이용하여 각 계측수단(10)으로부터 실시간으로 진동신호를 검출하여 데이터수집수단(20)에 저장하는 제2단계(S200);
각 진동신호를 수집하여 데이터분석수단(30)에서 분석하는 제3단계(S300);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또 다른 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정방법은,
복수의 데이터수집수단(20a~20m)을 이용하여 교량(100)에 설치된 복수의 계측수단그룹(10a~10n)을 동시에 동기화하는 제1단계(S100');
유선 또는 무선통신망을 이용하여 각 계측수단(10)으로부터 실시간으로 진동신호를 검출하여 데이터수집수단(20a~20m)에 저장하는 제2단계(S200');
각 진동신호를 수집하여 데이터분석수단(30)에서 분석하는 제3단계(S300');를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
특히, 데이터분석수단(30)은 TDD기법으로 모드형상을 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 데이터분석수단(30)은 진동신호로서 별도의 가진신호없이 검출된 상시진동값을 이용하여 고유진동수, 모드형상 및 감쇠비 중 적어도 하나를 포함하는 동특성을 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 교량과 같은 대상구조물에 분산설치된 가속도계와 같은 계측수단을 통해 실시간으로 동특성 정보를 추출할 수 있다.
2) 적어도 1개의 데이터로거와 같은 분산형 데이터수집수단을 이용하여 상호 신호동기화를 통해 양질의 신호를 수집하고 케이블의 길이를 최소화하고, 노이즈를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
3) TDD기법을 통해 실시간으로 모드 형상을 추출할 수 있고, 특히 별도의 가진신호없이 상시진동만으로도 고유진동수, 모드 형상 및 감쇠비와 같은 동특성을 얻을 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 측정방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
( 제1실시예 )
도 1a는 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정장치의 제1실시예를 개략적으로 도시한 개략도이다. 여기서, 도면부호 "100"은 대상구조물로서 교량을 나타낸다.
본 발명은 교량(100)의 진동을 검출하기 위해 분산 설치된 복수의 계측수단(10)을 포함하여 이루어진다. 계측수단(10)은 교량(100)을 구성하는 각각의 구성 요소, 예를 들어 주형, 상판, 교대, 교각 또는 주탑 등에 설치된다. 도 1a에서, 계측수단(10)은 교량(100)의 상판에 설치된 예를 보여주고 있다. 이러한 계측수단(10)은 계측하고자 하는 동특성에 따라 다양한 계측센서를 이용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 계측수단(10)으로는 진동을 계측하여 이로부터 동특성을 얻을 수 있도록 가속도계 또는 각속도계와 같은 관성센서를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 이러한 각각의 계측수단(10)으로부터 계측값을 계측하고 이를 저장하기 위한 데이터수집수단(20)이 구비된다. 특히, 데이터수집수단(20)은 복수의 계측수단(10)과 동시에 통신 가능하도록 구성된다. 이러한 데이터수집수단(20)으로는 데이터로거, DAQ 또는 PAC를 이용할 수 있다. 데이터수집수단(20)과 복수의 계측수단(10)은 유선 또는 무선으로 통신이 가능하며, 특히 데이터수집수단(20)은 복수의 계측수단(10)으로부터 동기화된 신호를 수집하게 된다.
마지막으로, 본 발명의 제1실시예에서 동특성 측정장치는 데이터분석수단(30)을 포함하여 이루어진다. 데이터분석수단(30)은 데이터수집수단(20)에 수집 또는 저장된 데이터를 이용하여 구조계의 동특성을 실시간으로 분석한다. 이때의 분석은 계측수단(10)의 종류에 따라 계측되는 계측값에 의해 달라진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 관성센서로서 계측수단(10)으로 별도의 가진신호가 없는 상시진동값을 검출하고, 이 상시진동값으로부터 다양한 동특성, 예를 들어 고유진동수라든가 모드 형상 및 감쇠비 중에서 적어도 1개 이상의 동특성을 실시간으로 추출할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
( 제2실시예 )
도 1b는 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정장치의 제2실시예를 개략적으로 도시한 개략도이다. 여기서, 제2실시예는 도 1a를 참조하여 설명한 제1실시예와 구성이 동일하나, 계측기인 계측수단그룹(10a~10n) 및 수집수단인 데이터수집수단(20a~20m)의 배치와 설치갯수에서 차이가 있기 때문에, 여기서는 그 차이에 대해서만 설명을 한다.
본 발명에 따르는 제2실시예의 계측수단그룹(10a~10n)은 교량(100)의 상판, 주형, 교대, 교각이라든가 주탑에 설치된다. 이때, 복수의 계측수단그룹(10a~10n)은 복수의 그룹으로 나누어서 설치하고, 각 그룹에 데이터수집수단(20a~20m)이 구비된다. 즉, 하나의 그룹에 대하여 각각 데이터수집수단(20a~20m)이 연결되고, 각 데이터수집수단(20a~20m)은 각 그룹에 구성된 각 계측수단그룹(10a~10n)으로부터 실시간으로 진동신호를 수집하여 저장하게 되는 것이다. 특히, 각 데이터수집수단(20a~20m)은 상호 유선 또는 무선으로 통신이 가능하며, 각 데이터수집수단(20a~20m)간에는 동기화된 신호를 수집하게 된다. 그리고, 각 데이터수집수단(20a~20m)으로부터 계측된 신호는 데이터분석수단(30)으로 유선 또는 무선방식으로 송신된다.
(측정방법)
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 실시간 구조계 동특성 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 실시간 구조계 동특성 측정장치의 측정방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다. 여기서, 본 발명에 따르는 제1 및 제2 동특성 측정방법에서, 진동신호의 검출에서만 차이가 있기 때문에 이를 함께 설명한다.
첫번째 단계로서 검출수단(10) 또는 검출수단그룹(10a~10n)을 동기화하는 단계이다(S100,S100'). 동기화는 데이터수집수단(20,20a~20m)에 의해 이루어진다. 데이터수집수단(20,20a~20m)은 설정된 주기에 따라 각 검출수단(10) 또는 검출수단그룹(10a~10n)을 실시간으로 동시에 브로드캐스팅하여 동기화시켜 주게 된다.
두번째 단계로, 진동신호의 검출 및 저장단계(S200,S200')이다. 이때의 진동호는 각 검출수단(10) 또는 검출수단그룹(10a~10n)에서 검출하게 되고, 각 검출수단(10) 또는 검출수단그룹(10a~10n)으로부터 검출된 진동신호는 해당 데이터수집수단(20,20a~20m)에 저장된다. 여기서, 진동신호는 검출수단(10) 또는 검출수단그룹(10a~10n)의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 관성센서를 이용하여 별도의 가진신호가 없는 상시 진동신호를 검출하게 된다.
마지막 단계로, 진동신호를 분석하는 단계(S300,300')이다. 진동신호의 분석은 데이터분석수단(30)에 의해 이루어진다. 데이터분석수단(30)은 해당 데이터수집수단(20,20a~20m)으로부터 유선 또는 무선 방식으로 송신된 진동신호로부터 동특성을 분석하게 된다. 이때의 동특성으로는 고유진동수, 모드형상 및 감쇠비 중 적어도 하나를 포함하게 된다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.
도 1a는 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정장치의 제1실시예를 개략적으로 도시한 개략도.
도 1b는 본 발명에 따르는 실시간 구조계 동특성 측정장치의 제2실시예를 개략적으로 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 실시간 구조계 동특성 측정장치의 측정방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 실시간 구조계 동특성 측정장치의 측정방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 계측수단
10a~10n : 계측수단그룹
20, 20a~20m : 데이터수집수단
30 : 데이터분석수단

Claims (13)

  1. 교량(100)에 분산 설치되어 진동신호를 검출하는 복수의 계측수단(10);
    유선 또는 무선 통신방식으로 상기 각 계측수단(10)과 연결되며, 상기 각 계측수단(10)을 동시에 시각동기화하여 실시간으로 진동신호를 수집하는 데이터수집수단(20); 및
    상기 데이터수집수단(20)을 통해 수집된 진동신호를 분석하는 데이터분석수단(30);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  2. 교량(100)에 분산 설치되어 진동신호를 검출하는 복수의 계측수단그룹(10a~10n);
    각각 상기 각 계측수단그룹(10a~10n)과 유선 또는 무선 통신망으로 연결되고, 상호 통신을 통해 상기 각 계측수단그룹(10a~10n)을 동시에 시각동기화하여 실시간으로 진동신호를 수집하는 복수의 데이터수집수단(20a~20m);
    상기 복수의 데이터수집수단(20a~20m)으로부터 수신한 각 진동신호를 분석하는 데이터분석수단(30);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측수단(10)은 주형, 상판, 교대, 교각 및 주탑중 적어도 1개소에 설 치되는 가속도계 및 각속도계를 포함하는 관성센서인 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 계측수단그룹(10a~10n)은 주형, 상판, 교대, 교각 및 주탑중 적어도 1개소에 설치되는 복수의 가속도계 및 각속도계를 포함하는 관성센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터수집수단(20)은 상기 각 계측수단(10)과의 브로드캐스팅이 가능한 데이터로거, DAQ 또는 PAC인 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 데이터수집수단(20)은 상기 각 계측수단(10)을 동기화시키는 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 데이터수집수단(20)은 80~100㎳의 시간주기로 상기 각 계측수단(10)을 시각동기화하는 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 데이터수집수단(20a~20m)은 상기 각 계측수단그룹(10a~10n)과의 브로드캐스팅이 가능한 데이터로거, DAQ 또는 PAC인 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 데이터수집수단(20a~20m)은 상기 각 계측수단그룹(10a~10n)을 브로드캐스팅하여 동기화시키는 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 데이터수집수단(20a~20m)은 80~100㎳의 시간주기로 상기 각 계측수단그룹(10a~10n)을 시각동기화하는 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정장치.
  11. 데이터수집수단(20)을 이용하여 교량(100)에 설치된 복수의 계측수단(10)을 동시에 동기화하는 제1단계(S100);
    유선 또는 무선통신망을 이용하여 상기 각 계측수단(10)으로부터 실시간으로 진동신호를 검출하여 데이터수집수단(20)에 저장하는 제2단계(S200);
    상기 각 진동신호를 수집하여 데이터분석수단(30)에서 분석하는 제3단 계(S300);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정방법.
  12. 복수의 데이터수집수단(20a~20m)을 이용하여 교량(100)에 설치된 복수의 계측수단그룹(10a~10n)을 동시에 동기화하는 제1단계(S100');
    유선 또는 무선통신망을 이용하여 상기 각 계측수단(10)으로부터 실시간으로 진동신호를 검출하여 데이터수집수단(20a~20m)에 저장하는 제2단계(S200');
    상기 각 진동신호를 수집하여 데이터분석수단(30)에서 분석하는 제3단계(S300');를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 데이터분석수단(30)은 상기 진동신호로서 별도의 가진신호없이 검출된 상시진동값을 이용하여 고유진동수, 모드형상 및 감쇠비 중 적어도 하나를 포함하는 동특성을 분석하는 것을 특징으로 하는 실시간 구조계 동특성 측정방법.
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KR20230064272A (ko) 2021-11-03 2023-05-10 주식회사 디오티 방진 및 방수 성능이 향상된 무선센서 장치

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