KR20190013423A - 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 mems 기반 지진계측 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 지진에 의한 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치는 MEMS 센서 기반의 가속도계 이용하여 지진동을 측정하는 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 제공하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서 기반 지진파를 검출하는 지진가속도 계측 모듈부, 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA 모듈부, 및 에너지 하베스팅 장치부를 포함하며, FPGA 모듈부의 프로그래밍 된 소프트웨어는 지진 센서의 지진파 검출, 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 구비한다. 지진 발생시에 관성력에 의한 질량의 움직임이 캐패시터값을 변화시키는 MEMS 기반의 속도와 가속도 측정용 지진계측기 내에 출력 신호회로, 시험회로, 기록회로를 일체화시켜 누구가 쉽게 지진을 계측하는 장비를 제공하여 누구나 쉽게 지진을 계측하게 되었다.
Description
본 발명은 지진에 의한 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기반 지진계측 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지진 계측기로써, MEMS 센서 기반의 가속도계를 이용하여 지진동을 측정하는 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 제공하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서 기반 지진파를 검출하는 지진가속도 계측 모듈부와 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA(Field Programmable Gate Array) 모듈부 및 에너지 하베스팅 장치부를 구비하며, FPGA 모듈부의 프로그래밍 된 소프트웨어는 지진 센서의 지진파 검출, 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함하며, 지진 발생시에 관성력에 의한 질량의 움직임이 캐패시터값을 변화시키는 MEMS 기반의 속도와 가속도 측정용 지진계 내에 출력 신호회로, 시험회로, 기록회로를 일체화시켜 지진을 계측하는, 지진에 의한 진도추정 기능과 설비/구조물 피해예측기능을 갖춘 MEMS 기반 장치에 관한 것이다.
지구 내부에서 암석의 급격한 파괴로 발생하는 지진(earthquake)에 의해 탄성체인 지구 내부 또는 표면을 따라 전파되는 탄성파를 지진파(seismic wave)라고 한다. 지진파는 전파 특성에 따라 실체파(P파, S파)와 표면파(레일리파, 러브파)로 분류된다.
실체파는 지구 내부 깊숙이 전파되어 지표에 도달하며, P 파(종파, 파의 진행방향과 매질의 진동 방향이 나란함)와 S 파(횡파, 파의 진행방향과 진동 방향이 수직함)가 있다.
P 파는 가장 먼저 도착한다는 의미에서 Primary wave라고 하며, 지각에서의 전파속도는 5~7km/sec이다. P파는 어떤 매질을 전파해 갈 때, 전파 방향으로 입자들 사이의 간격을 탄성적으로 압축과 팽창을 반복하여 부피의 변화를 일으킨다.
S 파는 두 번째로 도착한다는 의미에서 Secondary wave라고 하며, P 파의 전파속도보다 약 1.7배 느리다. S 파는 지진파의 전파 방향에 직각으로 매질을 진동시킴으로써 매질의 모양의 변화를 일으키며, 지진기록에서 P파의 진폭보다 크게 나타난다.
표면파는 지표면(지구의 표면)을 따라 전파되며, 레일리파와 러브파가 있다. 레일리파가 전파할 때, 지표면의 입자는 파의 전파 방향을 포함하는 지표면에 수직인 평면 내에서 타원을 그리며 역행 운동을 한다. 러브파가 전파할 때의 지표면의 입자는 파의 전파 방향에 직각으로 수평면 내에서 좌우로 진동한다. 러브파는 S파의 수평운동 성분인 SH파로서 레일리파보다 빠르게 전파되며, 매질의 운동이 수평성분만 가지므로 수직성분에는 거의 기록되지 않는다.
지진의 규모와 강도는 우리나라의 지진을 구분하는 단위로서 공식적으로 미국과 같은 Modified Mercalli Intensity scale(MMIS)를 사용하고 있습니다. 반면에, 대만은 일본의 JMA 진도를 사용한다.
일반적으로, 지진측정은 진원으로부터 거리가 멀 수록 지진파의 고주파 성분이 줄어들게 된다. 지진파는 파장이 긴 성분은 지반을 매개체로 먼 거리를 진행하지만, 파장이 짧은 성분은 멀리가지 못하고 중간에 소멸되버린다. 진원으로부터 멀리 설치된 지진계는 지진의 크기나 강도를 정확히 측정하지 못하며, 거리에 비례하는 오차가 발생한다. 그러므로, 진원의 깊이가 깊은 경우에는 규모에 비해 최대 지반 가속도(PGA, Peak Ground Acceleration) 값이 낮아진다. MMIS 기준은 거리에 비례하여 가속도 값이 줄어드는 점을 반영하는 것이며, 고주파수 성분들이 지반에 의해 감쇠된다는 의미이다.
또한, 대형 지진에 의한 피해(earthquake-induced catastrophic hazards)가 방지하기 위해 건축물의 내진 설계와, 지진의 조기경보(early warning)와 신속대응 조치를 위해 주요 부지(site)와 시설물(facilities)에 대한 지진계측(earthquake monitoring)이 필요하다, 지진계측은 지진에 따른 대상 위치에서의 속도(velocity)나 가속도(acceleration)를 주요 계측 대상으로 한다.
속도계(seismometer)를 이용한 지진계측의 경우 지진의 정량적 현상 규명을 주목적으로 하는 경우가 대부분이고 지진관측(seismic observation)으로 구분되어 표현되기도 한다. 속도계는 대부분 굉장히 잡음이 적은 위치를 운영 대상으로 고려해야 하므로 깊은 심도의 암반이나 인적이 드문 산속 및 터널에 설치하여 운영한다. 속도계와는 달리 가속도계(accelerometer)는 상대적으로 저가이고 실제 생활 환경에서 지진계측을 위해 최근 주요 시설물들이나 그 주변 부지들에 광범위하게 설치되고 있다.
지진계측 장치(earthquake monitoring instrument)는 크게 지진과 같은 진동 신호(shaking and shocking signals)를 감지하는 센서(sensor)와 이 신호를 기록 저장하는 기록계(recorder 또는 digitizer)를 구비한다. 외부의 진동 신호를 처음으로 감지하게 되는 센서 안에는 직교 좌표축(rectangular coordinate)과 같은 3 개 성분의 진동 측정 장치가 탑재되어 있는데, 이를 각각 종(축)성분(longitudinal component), 횡(축)성분(transverse component) 그리고 연직(축)성분(vertical component)이라고 하며, 대개 센서 설치 시에 이 성분들을 각각 남북 방향, 동서 방향 그리고 중력에 대한 연직 방향으로 맞추게 된다. 센서는 그 외형이 평면도 상에서 원형인 것이 전통적으로 일반적이며, 사각형에 가까운 모양이나 여러 변형된 형태로 제작되기도 한다.
지진계측은 지진경보대응(earthquake alert and response)을 위한 자료 제공과 자료 축적 및 데이터베이스 확보를 통해 내진설계(earthquake-resistant design)를 위한 토대원(fundamental resources)으로 유용하게 사용된다. 뿐만아니라 속도계는 물론이고 가속도계 역시 시설 분야의 다른 계측 장치들과는 달리 매우 고가고 한 번의 설치로 장기간 운용되어야 한다.
국내외에서 사용되는 지진계측기는 힘-균형 가속도 센서와 서보 증폭기 형식의 센서를 주로 이용하고 있다. 국내 기상청, 원자력발전소를 포함한 전력산업, 교량 등의 사회간접설비에 사용하는 계측기도 거의 대부분 상기 형식의 센서를 사용한다. 이러한 지진계측기는 높은 신호대 잡음 특성과, 넓은 동적 범위를 제공하므로 지진파에 대한 정밀측정이 가능한 장점이 있다.
그러나, 기존의 지진 계측기는 가격이 비싸고, 작동 및 출력 신호회로부가 복잡할 뿐만 아니라 교정과 기능시험에 고도의 전문성이 요구되는 단점도 있다. 또한, 전량 수입에 의존하는 지진계측기 및 관련 장비의 가격도 매우 비싸다.
상기의 계측기는 지진파형의 기록을 위한 별도의 전용 장비와 트리거를 위한 부속설비가 필요하므로 원자력발전소의 원자로와 같은 중요한 설비의 감시에 주로 이용된다. 또한, 측정 대역이 대부분 50Hz 가지로 제한되어 있어 2016년 9월에 발생한 경주지진과 같은 고주파 지진동의 측정 및 분석에는 제한적 적용만이 가능하다.
경주지진의 사례에서도 밝혀졌듯이, 한반도는 더 이상 지진재해에 안전한 지역이 아니며, 지진파형의 주파수도 점차 고주파 대역이 강조되고 있다. 따라서, 감시 대상의 폭을 넓이고, 진단을 간소화하여 지진규모 발표보다는 피해정도를 나타내는 진도를 발표해야 하나 아직까지 이에 대한 기술의 개발 및 상용화는 매우 제한적이다.
지진 계측기는 시스템, 구조 및 설비를 보호하기 위해 많은 산업 분야에서 널리 사용된다. 또한, 지진파의 내습을 조기에 알리고 빠른 시간 내에 시스템, 구조 및 설비에 대한 피해정도를 산정하는 것은 안전한 삶을 사람이 영위하는데 필수적인 것이다. 경주지역 지진은 진앙지가 도심에 가까웠고, 규모도 5.8로 매우 높은 것이었지만 지진파의 주파수가 16Hz 이상대역에 있었기 때문에 건물의 붕괴와 같은 심각한 손상은 피할 수 있었다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기반의 캐패시터나 압전 센서는 지진파의 속도나 가속도를 측정하는데 쉽게 응용할 수 있으며, 국내외 제작사에 의해 상용화가 진행 중이다. 극소형 반도체 소자인 MEMS 센서를 지진계측기에 이용할 경우, 기존 상용품보다 소형화, 경량화가 가능하며 낮은 가격으로 대량이 가능하므로 정밀도를 크게 요구하지 않는 일반 산업시설과 대형 건축물에도 적용이 가능하다.
본 발명은 MEMS 기반의 속도와 가속도 측정용 지진계 내에 출력 신호회로, 시험회로, 기록회로 등을 일체화시켜 누구나 쉽게 지진을 계측할 수 있도록 하는 장점이 있다. 뿐만 아니라 지진의 피해규모를 자동 산정하고 지진파 도래 후 건축물과 설비의 건전성을 즉시 통보하는 기능을 추가하여 설비의 안전성과 함께, 지진후 피해 산정에 필요한 시간을 단축하여 설비의 가동율도 높일 수 있다.
1. 지진 센서의 모델링 및 특성 분석 기술
지진에 의한 피해는 지진의 규모, 최대 지반가속도(PGA)와 진도에 의해 결정된다. 이를 위해 상용 지진계측기는 지진파가 구조물에 도래하면 변위, 속도, 가속도의 형태로 규모를 측정하고 이를 정밀 분석하여 주파수를 구하고, 진도를 추정하게 된다. 대부분의 지진계측기는 동서, 남북, 상하의 3축을 대상으로 속도와 가속도를 측정한다.
도 1은 미국원자력규제기관인 USNRC의 규제지침(R.G. : regulation guide) 1.60상에서 요구하는 지진동의 스펙트럼으로써, RG. 1.60 상의 주파수 대 변위/속도/가속도 스펙트럼이다.
지진 계측기는 질량-스프링-댐퍼로 구성된 2차 도함수로 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이는 뉴턴의 힘과 가속도의 평형관계식을 기반으로 한 것이다.
도 2는 질량-스프링-댐퍼 구성된 지진계측기 모델을 나타낸 도면이다.
상기 시스템을 2차 도함수와 전달함수로 표현하면 식 (1)∼(3)과 같다.
2차 도함수)
(1)
전달함수) 
(2)
G(s) =
(3)
도 2의 질량-스프링-댐퍼 구성된 지진계측기의 수학적 모델은 뉴턴의 제2 법칙에 의해 식 (1)과 같이 생성되며, 식 (1)의 전달 함수는 라플라스 변환을 취함으로써 식 (2) 및 식 (3)과 같이 구할 수 있다.
상기 공식은 식 (4)에 표기한 힘의 평형에 기인한 것이다.
Fs + Fr + Fg = 0
(4)
여기서, Fs = -kx (k는 스프링 정수)
Fr = -bx (b는 마찰 계수)
Fg = -mu (m은 스프링 질량)
지진 계측기가 천천히 움직이면 가속도와 속도는 무시할 수 있게 되고, 단지 지표면의 가속도만이 기록된다. 그러나, 지진계의 운동이 충분히 빠르면 질량에 의한 가속력이 지배적이 되어 지표면에서의 변위가 기록된다.
도 3은 지진이 발생한 후, 지반 운동이 가해진 지진계측기의 모습을 나타낸 개념도이다.
그림에서, Ug는 지반에서의 변위이고, Xr은 지진계 질량의 변위, X0는 질량이 평형을 이루는 위치이다.
3축 가속도계는 산업 응용 분야에서 널리 사용되고 있다. 가속도계는 지진파로 인한 움직임을 감지할 수 있는 센서이다. 가속도계가 지진에 의한 움직임을 감지하면, 코일이 이동하고 코일의 자기력의 변화에 비례하여 전압이 유도된다. 이 전압은 가속으로 변환된다. 3축 가속도계는 도 4와 같이 3개의 동일한 센서를 사용하여 수직(V), 동서(EW) 및 남북(NS) 방향에서 발생한 지진파를 감지한다. 센서 출력에 RC 필터를 추가하면, 고주파 성분이 제거된다.
도 4는 (가) 지오폰 센서의 구조, (나) MEMS 센서의 구조를 나타낸 도면이다[참고자료 출전: Nicolas Tellier1 and JeoLaineUnderstanding MEMS-based digital seismic sensors, Land Seismic Vol. 35, 2017].
그림에서, (가)는 지오폰 형식의 지진센서 구조이고 (나)는 MEMS 센서의 구조를 나타낸다. 지오폰은 지진동에 의해 코일 내부에 설치된 영구자석이 움직이면서 기전력을 발생시키는 구조이고, MEMS 센서는 관성력에 의한 질량의 움직임이 캐패시터값을 변화시키는 구조이다.
지오폰의 코일은 패러데이의 자기 유도법칙에 의해 질량의 속도에 비례한 기전력으로 발생하므로 속도 변환기로 모델링 할 수 있다.
지오폰의 고유 주파수(ω0)는 지면이동에 의한 주파수(ω)에 매우 근접한 10Hz에서 일어나므로 이러한 특성을 고려할 때 속도 영역에서의 감도가 가장 좋다. 지오폰의 전달함수는 식 (5)로 표현할 수 있다.
식 (5)에서, X는 질량에 의한 변위값이고, U는 지면 운동에 의한 변위값이다. 센서에서 정확한 아날로그 출력을 얻으려면 지오폰의 감도(SG)를 고려해야 한다. 지오폰의 감도 단위는 볼트/미터/초, 즉 V/m/s이다.
SG = 
(6)
여기서, SG는 지오폰의 감도, ω0는 지오폰의 고유 주파수, ω는 지면이동에 의한 주파수, λ는 파장이다.
MEMS 가속도계는 지진동에 의한 커패시터 플레이트 질량의 변위를 감지하고, 지진동에 의해 발생하는 움직임을 상쇄하도록 하여 항상 플레이트가 중간 지점 위치되도록 한다. 출력 신호는 플레이트의 질량이 지진동에 의해서도 항상 중간 지점에 위치하도록 하는데 필요한 전압값이고, 이는 지진동에 의한 변위에 비례한다. 따라서, MEMS 센서는 변위 변환기로 모델링할 수 있다.
MEMS의 고유 주파수(ω0)는 지면이동에 의한 주파수(ω)보다 훨씬 높은 1kHz이므로, 이러한 특성을 고려할 때, 가속도 측정에 사용하는 것이 가장 바람직하다.
여기서, X는 질량의 변위이고, U는 지면 운동의 변위를 나타낸다.
MEMS의 감도(SA)는 식 (8)와 같이 나타낼 수 있다. MEMS의 감도 단위는 볼트/미터, 즉 V/m이다.
SA= (S2/w0 2) / (-s2/w0 2+2sλ/w0+1) (8)
여기서, SA는 MEMS의 감도, S는 감도, ω0는 MEMS의 고유 주파수, ω는 지면이동에 의한 주파수, λ는 파장이다.
2. 진도추정 및 설비/구조물 피해예측 기술
가. 진도 추정
진도는 어떤 장소에 나타난 지진동의 세기를 사람의 느낌이나 주변의 물체 또는 구조물의 흔들림 정도의 수치로 표현한 것으로 주관적인 평가에 의해 결정된다. 진도는 지진의 규모, 진앙거리, 진원 깊이에 따라 크게 좌우되며, 또한 지진 발생지역의 지질구조와 구조물의 형태 및 인원현황에 따라 달리 평가된다. 따라서 규모와 진도는 1:1 대응되지 않으며, 하나의 지진에 대해 여러지역에서 규모는 동일 수치이나 진도계급은 달라지기도 한다.
본 발명에서는 진도의 기준을 MMI(Modified Mercalli Intensity, 수정된 메르켈리 진도)를 이용하여 산출한다. 국내에서 사용하는 규모의 결정식은 일본에서 개발된 진앙거리(R, km)와 지반운동의 최대수평성분(A, 남북/동서 방향최대속도성분의 벡터합)을 이용하여 식 (9)와 같이 결정한다.
상기 공식에서 R은 진앙거리 R eps 를 이용하여 식 (10)과 같이 구한다.
식 (9)로 산정한 규모 M은 진도 산정에 활용할 수 있다. 즉, 규모와 MMIS의 관계는 최대 속도, 최대 가속도의 값으로 표기할 수 있으며, 이를 상관관계로 표시하면 식 (11)과 같다 [김우완 등].
여기서, MMI는 Modified Mercalli Intensity, PGA는 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration)이다.
나. 푸리에 가속 스펙트럼 및 누적절대속도 산정
원자력발전소의 인근에 지진이 발생했을 경우, 동일 부지 내에 다수의 원전이 가동되고 있는 관계로 현재의 OBE(운전기반 지진값)에 의할 경우, 불필요한 원전의 안전정지가 우려된다. 지반의 부지증폭 특성에 따라 지진파의 푸리에 가속 스펙트럼(FAS, Fourier Acceleration Spectrum)가 매우 큰 편차를 보이기 때문에 관측된 자료를 이용하여 동일 부지 특성을 갖는 자료로 변환하고 이를 진도별 FAS 로그값의 통계특성을 계산하는 것이 요구된다.
즉, "어떤 부지특성조건에 대한 FAS 관측값을 변환할 것인가?", "현재 설치된 지진관측소의 부지특성 조건은 어떠한가?" 등을 고려해야 한다. 선행연구결과에서 나타난 평균부지기반의 전단파 속도는 식 (12)와 같이 적용할 수 있다. 즉, 전단파 속도는 지진의 규모와 발생 거리에 무관한 상수로 간주할 수 있다.
또한, 지진파형 절대값의 최대값(As)과 누적절대속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity) 값을 이용하여 지진규모(M) 추정이 가능한 이유는 식 (13)과 같이 CAV와 As, M과의 경험적인 관계식(이하 CAV-As-M경험식) 도출이 가능하기 때문이다[EPRI].
ln(CAV) = d1 + d2(ln(As)+2.35) + d3/(ln(As)+d4) + d5(M-M0) + d6(M-M0)2 + d7(ln(Vs30(m/sec))-6.0)
(13)
식(13)이 물리적으로 의미하는 바는 As와 관련 있는 지진파의 최대크기와 CAV와 관련 있는 파형의 폭을 알면 지진규모 추정이 가능하다는 점이다. 식(3)에서의 Vs30은 지진계가 설치된 지표로부터 지하 30m까지의 평균 전단파 속도를 의미하며, 다양한 지구물리방법으로 추정되어 사전에 결정될 수 있는 값이다. 식(3)의 계수인 d1~d7와 파라미터인 M0는 지진관측자료를 이용하여 경험적으로 도출되는 값이 단일 지진관측소의 지반가속도 구간 누적값 및 최대값 파라미터를 이용한다[연관희].
3. 지진피해 추정 및 경보 [한국지진공학회]
지진피해 추정 및 경보 발생에 대한 기준은 잔류내진 성능지표 R index(%) 산정결과를 이용한다. 이는 한국지진공학회에 발표된 논문에 근거한 것이다.
R index(%) = 
(14)
식 (14)에서, R index(%) 는 잔류내진 성능지표, IS는 지진피해 전의 내진 성능, DIS는 지진 피해후의 내진성능으로, 피해 등급에 따른 내진성능저감계수 η를 이용하여 식 (15)와 (16)로 각각 표기한다.
여기서, IS는 지진피해 전의 내진 성능, DIS는 지진 피해후의 내진성능, η은 피해 등급에 따른 내진성능저감계수, C는 내력, P는 변형능력이다.
상기 판정기준으로는 표 1의 5등급 척도를 이용한다.
표 1은 잔류 내진성능지표 Rindex(%)를 이용한 지진 피해도 구분 등급이다.
| 등급 | 잔류내진 성능지표 (%) | 판정 |
| 1등급 | if R > 95 | 미약손상 |
| 2등급 | 2) if 80 | 경미손상 |
| 3등급 | if 60 < R < 80 | 중간손상 |
| 4등급 | if R < 60 | 심한손상 |
| 5등급 | if R = 0 | 붕괴위험 |
4. SSC의 누적피로 추정 및 경보
피로로 인해 가장 영향을 받을 것으로 예상되는 SSC(Structure, System, and Component)의 하나는 원자력발전소와 같이 고온과 고압환경 하에서 운용되는 배관이다. 이 배관에 지진파가 내습하면 연속적인 피로현상에 의해 균열이 형성된다. 만일 이러한 현상을 연속적으로 파악 가능한 수치해석 모델을 사용한다면, 배관의 피로한계 이상에서 경보를 발생시킬 수 있다.
비록 지진파가 즉각적인 파괴피로를 일으키지 않는 정도의 낮은 규모라고 해도 이의 누적에 의한 반복하중은 배관 중 특히 곡관부의 피로 균열의 확률을 높일 수 있다. 이러한 피로 균열은 수치해석을 통해 예측할 수 있다. 이러한 수치해석을 통해 배관에 변위가 가해질 경우의 균열 형성 시점을 예측해, 여러 크기의 변위에 대해 해석을 수행하여, 곡관의 형태, 특성에 따른 변위의 크기와 균열 형성시점의 관계를 파악할 수 있으므로 이를 데이터베이스화 하여 활용한다[장형운 외].
교량과 같은 구조물의 경우에도 지진에 의한 응력분포를 구하고, 강성의 추정 결과를 토대로 작성한 S-N 커브를 이용해 각 피로하중에 의한 피로손상도를 구하며, 누적손상법을 통해 잔존수명을 평가한다. S-N 커브는 지진파의 내습 횟수와 스트레스의 범위이다. 스트레스의 단위는 MPa이다. 교량 등 콘크리트 구조물의 누적손상은 각기 다른 주기의 하중 성분들에 의한 피로 누적 기여를 조합하였을 때 손상임계값이 되면 피로파괴가 발생한다고 추정한다. 응력 σ에 의한 피로손상도 di는 식 (17)과 같이 표현된다.
여기서, ni는 지진동에 의해 응력 σ이 발생하는 횟수이며, Ni는 이 응력에 따라 피로파괴가 일어나는 횟수이다. 단위시간 동안 서로 다른 K개의 하중에 의해 구조물에 발생한 피로손상도를 대수적으로 합하면 총 피로손상도 D가 된다. 식 (18)은 총 피로손상도가 내진성능저감계수 η 이상일 때 피로파괴가 일어난다는 가정을 나타내며, 이때의 T가 피로수명이 된다[천세용 외].
여기서, D는 총 피로손상도이다.
기상청 국가지진정보 시스템은 전국 각 관측소에서 지진 예방 대책을 위해 지진예측 조기 경보 시스템, 지진 대응 시스템이 구비되어 있지만, 지진 조기 경보 체제를 갖추고 건축물과 교량의 내진 설계를 통해 지진 재해를 사전에 예방하고 있다.
우리나라에서 추진하고 있는 지진조기경보 시스템은 관측망 내부에서 지진이 발생한 경우 진앙 위치 오차 5Km 이내, 규모 오차 ±0.5 이내를 목표로 하고 있다. 이를 위해 관측소 간의 간격을 18Km 이내로 하여 각 관측소가 정삼각형의 꼭지점에 위치하도록 하는 그물망을 구성할 예정이다. 한국지질자원연구원 지진연구센터장은 “이렇게 관측소를 구성할 경우 지하 10Km에서 지진이 발생하면 5초 이내에 6개 관측소에서 P파를 관측할 수 있다”며, “P파로부터 추정된 지진 규모 오차는 6개소에서 관측할 때 신뢰성이 높다”고 설명했다.
우리나라의 지진 관측소는 기상청이 현재 보유한 117개의 관측소를 포함해 모두 167개를 운영하고 있다. 관측망의 조밀도는 한국은 24km이며, 일본의 18km, 미국 샌프란시스코의 10km이며, 기상청은 2020년까지 단계적으로 고심도 시추공 지진계를 147개 신설해 관측망 조밀도를 일본 수준인 18km로 끌어올릴 계획이다.
또한, 지진에 의한 진도추정 기능과 설비/구조물 피해예측기능을 갖춘 MEMS 기반 장치가 필요하다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지진 계측기로써, MEMS 센서 기반의 가속도계를 이용하여 지진동을 측정하는 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 제공하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서 기반 지진파를 검출하는 지진가속도 계측 모듈부와 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA 모듈부 및 에너지 하베스팅 장치부를 구비하며, FPGA 모듈부의 프로그래밍 된 소프트웨어는 소프트웨어는 지진 센서의 지진파 검출, 지진 센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함하며, 지진 발생시에 관성력에 의한 질량의 움직임이 캐패시터값을 변화시키는 MEMS 기반의 속도와 가속도 측정용 지진계 내에 출력 신호회로, 시험회로, 기록회로를 일체화시켜 누구나 쉽게 지진을 계측하는, 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치를 제공한다.
본 발명의 제 1 목적은 MEMS 기반의 힘-균형 가속도계 이용하여 지진동을 측정하는 새로운 하드웨어와 소프트웨어로 구성된 시스템을 발명하였다. 이는 MEMS 센서와 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 결합한 형태와, 다음 설명하는 진단, 손상 및 피해평가, 기록 및 외부 인터페이스를 담당하는 각종 소프트웨어 알고리즘으로 구성된다.
제 2 목적은 MEMS 기반 가속도계 설치위치에 대한 층응답스펙트럼을(FRS) 가속도계에 저장시켜 지진동에 의한 가속도와의 비교를 통해 건축물과 구조물, 설비 기기등의 건전성을 평가하는 방법을 고안하는 것이다.
제 3 목적은 지진동이 건축물과 구조물, 설비 기기에 인가될 시 누적되는 피로 및 변형값을 평가하여 SSC의 피로한계를 초과하였는지를 평가하는 방법을 고안하는 것이다.
제 4 목적은 MEMS 기반 가속도계의 신호와 직결시킨 지진가속도 기록 및 평가 경보 시스템을 고안하는 것이다.
제 5 목적은 지진가속도 기록 및 평가 경보시스템 내에 누적평균속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity), 최대지반속도(PGV)/최대지반가속도(PGA), MMI 진도계산 알고리즘을 포함시키는 것이다.
제 6의 목적은 SSC의 지진동에 의한 피로값과 취약성을 평가하여 설정치를 초과할 경우 경보를 발생시키는 방법을 고안하는 것이다.
제 7의 목적은 지진계측기 설치위치에서 수집된 상기의 데이터 및 진단결과를 누적상태로 저장하고 이를 블루투스 등의 근거리 통신방법을 이용하여 외부와 연계시킬 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, SD RAM 등의 외장 메모리를 설치하여 많은 데이터가 필요시 직접 분석이 가능하도록 한다.
제 8의 목적은 에너지 하베스팅 장치부의 기능을 본 지진계측기와 결합시켜, 외부 전원없이 상시 가동이 가능하도록 하는 것이다. 이는 전체 회로에서 소모되는 전류량을 획기적으로 저감하도록 구성하는 동시에, 지진계측기 주위에 전자파 형태로 분포된 자기장에서 전력을 직접 포집하는 기술을 적용함으로써 가능해진다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치는, 지진 발생시에, 지진동에 의한 커패시터 플레이트 질량의 변위를 감지하고, 지진동에 의해 발생하는 움직임을 상쇄하도록 항상 커패시터 플레이트가 중간 지점에 위치하도록 하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서를 사용한 지진 센서에 의해 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 검출하고 이를 A/D 변환하여 디지털 필터링하는 지진가속도 계측 모듈부; 상기 지진가속도 계측 모듈부로부터 상기 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 수신받고, 누적절대속도(CAV) 산정, 최대 지반 가속도(PGA)/최대 지반 속도(PGV)를 계산하고 초과 여부 산정, 지지위치에서의 층응답스펙트럼(FRS) 초과여부 산정, 누적 피로도 산정, 및 MMIS 진도를 산정하는 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부; 및 에너지 하베스트 기술을 사용하여 전력을 직접 포집하여 축전지에 저장하며, 외부 전원이 없이도 상기 지진가속도 계측 모듈부와 상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부에 전원을 공급하는 에너지 하베스팅 장치부를 포함하며,
상기 MEMS 센서와 상기 FPGA 모듈부를 결합한 형태로써, 상기 지진가속도 계측 모듈부에 의해 지진동 신호를 계측하고, 상기 FPGA 모듈부는 진단, 손상 및 피해평가, 기록 및 외부 인터페이스를 담당하는 소프트웨어를 구비하며,
상기 에너지 하베스팅 장치부는 에너지 하베스트 전원 충전 기능을 본 MEMS 기반 지진계측장치와 결합시켜, 외부 전원 없이도 상시 가동이 가능하도록 하는 하드웨어 장치를 더 구비하며, 상기 하드웨어 장치는 공간에 분포된 전자파를 코일형 안테나를 이용하여 포집하고 이를 다시 전력으로 변환하는 전자기파 에너지 하베스팅 기술이 적용된 장치를 포함한다.
본 발명의 지진에 의한 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치는 지진 계측기로써, MEMS 센서 기반의 가속도계를 이용하여 지진동을 측정하는 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 제공하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서 기반 지진파를 검출하는 지진가속도 계측 모듈부와 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA(Field Programmable Gate Array) 모듈부 및 에너지 하베스팅 장치부를 구비하며, FPGA 모듈부의 프로그래밍 된 소프트웨어는 지진 센서의 지진파 검출, 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함하며, 지진 발생시에 관성력에 의한 질량의 움직임이 캐패시터값을 변화시키는 MEMS 기반의 속도와 가속도 측정용 지진계측기 내에 출력 신호회로, 시험회로, 기록회로를 일체화시켜 누구가 쉽게 지진을 계측하는 장비를 제공하여 누구나 쉽게 지진을 계측하게 되었다.
본 발명을 통해 원자력발전소를 포함한 대형 구조물, 건물, 대형기기, 설비 기기에 대한 건전성과 안전성을 실시간으로 진단, 평가할 수 있다. 본 지진계측기는 대형 SSC의 이용률 향상과, 지진계측기의 개발 효과, 그리고 운용 및 정비 효율성을 제공한다.
가. SSC의 이용율 향상
안전이 최고로 요구되는 원자력발전소를 예를 들어 설명하면, 원전은 운영기반지진파가 내습하면 발전소를 일단 정지 후 기술자들의 현장 점검을 통해 구조물, 시스템, 기기에 대한 피해정도를 파악하고, 이를 기반으로 발전소에 대한 안전성과 건전성 위해 여부를 평가한다. 2016년 경주 지진의 경우, 내습한 지진파가 비상정지 설정치에 미치지 못했음에도 약 2개월 동안 재가동되지 못하였다. 이는 SSC에 대한 평가를 위해 변형 등의 육안점검이 요구되고, 필요시 직접 기기 가동등의 단계를 거쳐야 하기 때문이다. 따라서, 지진파 내습 후 요구되는 확인 및 점검을 자동화 함으로써, 지진에 의한 SSC 건전성을 실시간으로 평가, 원전의 재가동 의사 결정들을 빠른시간 내에 가능하도록 하고, 설비 기기 등의 이용율을 높일 수 있다.
나. 운용 및 정비성 향상
지진파 도래시 SSC의 취약성을 자동 진단 평가하여 경보를 제공하므로 복잡한 분석과정이 생략되어 SSC의 운용성이 높아진다. 지진파가 SSC의 피로에 미치는 영향을 누적계수화 하여 이를 관리함으로써 작은 지진동에 의한 누적영향을 파악할 수 있으므로 SSC의 운용과 정비에 큰 효과가 있을 것으로 판단된다.
또한, 외부 전원을 사용하지 않음으로 이동과 설치의 영향을 받지 않으며, 근거리 무선통신에 의해 지진동 신호와 진단결과들을 송신할 수 있으므로 운용의 편리성이 증진된다.
정비원은 스마트폰/휴대폰 등의 모바일 기기를 이용하여 와이파이, 블루투스, NFC 통신을 통해 본 지진계측기와 통신할 수 있으므로 본 지진계측기 자체의 건전성도 파악할 수 있고, 필요시 간단하게 교체할 수 있어 정비의 효율성도 매우 높다.
도 1은 미국원자력규제기관인 USNRC의 규제지침(R.G. : regulation guide) 1.60상에서 요구하는 지진동의 스펙트럼으로써, RG. 1.60 상의 주파수 대 변위/속도/가속도 스펙트럼이다.
도 2는 질량-스프링-댐퍼 구성된 지진계측기 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 지반 운동이 가해진 지진계측기의 개념도이다.
도 4는 (가) 지오폰 센서의 구조, (나) MEMS 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 지진에 의한 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치(지진계측기)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA 모듈부의 VHDL 프로그래밍 소프트웨어 루틴을 나타낸 도면이다.
도 2는 질량-스프링-댐퍼 구성된 지진계측기 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 지반 운동이 가해진 지진계측기의 개념도이다.
도 4는 (가) 지오폰 센서의 구조, (나) MEMS 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 지진에 의한 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치(지진계측기)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA 모듈부의 VHDL 프로그래밍 소프트웨어 루틴을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함하며, 지진 발생시에 관성력에 의한 질량의 움직임이 캐패시터값을 변화시키는 MEMS 기반의 속도와 가속도 측정용 지진계 내에 출력 신호회로, 시험회로, 기록회로를 일체화시켜 누구가 쉽게 지진을 계측하는 장비를 제공한다.
도 5는 본 발명의 지진에 의한 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치(지진계측기)의 하드웨어 구조를 나타낸다.
본 발명의 지진계측기는 지진가속도 계측 모듈부(100), 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200), 및 에너지 하베스팅 장치부(300)를 포함하며,
상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)는 저장부(메모리)를 구비한다.
본 발명의 지진에 의한 진도추정 기능과 설비/구조물 피해예측기능을 갖춘 MEMS 기반 장치는, 지진파 발생시에, 지진동에 의한 커패시터 플레이트 질량의 변위를 감지하고, 지진동에 의해 발생하는 움직임을 상쇄하도록 항상 커패시터 플레이트가 중간 지점에 위치되도록 하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서를 사용한 지진 센서에 의해 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 검출하고, 이를 A/D 변환하여 디지털 필터링하는 지진가속도 계측 모듈부(100);
상기 지진가속도 계측 모듈부(100)와 연결되며, 상기 지진가속도 계측 모듈어는 지진 센서의 지진파 검출, 지진 센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함한다.
MEMS 기반의 지진가속도 계측 모듈부(100)는 외팔보(Cantilever) 형상을 갖는 캐패시터 센서와 극소형 실리콘 웨이퍼에 의한 질량체를 갖는다, 뉴턴의 제 2법칙에 근거한 이 센서부분에서 검출된 신호는 아날로그-디지털 변환기와 디지털 필터를 거쳐 FPGA 모듈로 출력되며, 이 신호는 다시 지진파 검출기 센서부로 피드백된다.
MEMS 기반의 지진가속도 계측 모듈부(100)에서 검출된 디지털 신호는 FPGA 기반의 VHDL 프로그래밍이 가능한 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)와 연결된다. 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)는 검출된 지진동 신호의 누적절대속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity) 산정 알고리즘, 최대 지반 가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)/최대 지반 속도(PGV, Peak Ground Velocity) 산정 알고리즘, 지지위치에서의 층응답스펙트럼(FRS) 초과여부 산정 알고리즘, 누적 피로도 산정 알고리즘 및 MMIS 진도 산정 알고리즘이 설치되어 있다.
1. MEMS 기반의 지진가속도 계측 모듈부
배경 기술의 1. 지진 센서의 모델링 및 특성 분석 기술에서 전술한 바와 같이 본 발명에 사용되는 MEMS 센서는 지진동의 인가시 캐패시터 플레이트를 중간위치에 고정하기 위해 필요한 힘의 균형을 이용하는 점에서는 기존의 기계식 지진동 계측시스템과 동일하다. 그러나, 신호 대 잡음비(S/N ratio)를 개선하기 위해, 캐패시터에 전압이 인가될 때 나오는 전하에 의한 전류신호를 바로 디지털 신호로 바꾸는 점에서 차이가 있다. 지진동이 발생하는 힘과 극소형 실리콘 질량체가 힘 평형을 이루게 하기 위해서는 피드백 앰프(피드백 시스템)에 의해 캐패시터에 네거티브 전류를 인가해야 하므로, 이를 위해 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 변환해야 한다. 이때, 질량의 운동은 극소형 스프링 구조체에 의해 감쇠 특성을 갖게 되는데, 이의 수학적 모델링은 전술한 바와 같이, 뉴턴의 힘의 공식에 의한 평형방정식을 이용한다.
지진가속도 계측 모듈부(100)는 지진 발생시에, 지진동에 의한 커패시터 플레이트 질량의 변위를 감지하고, 지진동에 의해 발생하는 움직임을 상쇄하도록 항상 커패시터 플레이트가 중간 지점에 위치하도록 하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서(MEMS 기반 힘-균형 가속도계)를 사용하여 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 검출하는 지진 센서(101); 상기 지진 센서(101)로부터 검출된 아날로그 지진동 신호를 A/D 변환하여 디지털 지진동 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(104); 상기 아날로그/디지털 변환기(104)로부터 디지털 지진동 신호를 상기 FPGA 모듈부(200)로 제공하는 디지털 필터(105); 상기 디지털 지진동 신호를 피드백하는 피드백 시스템(103); 상기 MEMS 센서의 지진동이 발생하는 힘과 극소형 실리콘 질량체가 힘 평형을 이루기 위해 상기 피드백 시스템(103)의 피드백 앰프에 의해 캐패시터에 네가티브 전류를 인가해야 하므로, 상기 디지털 지진동 신호를 D/A 변환하여 아날로그 지진동 신호로 변환하여 상기 지진 센서(101)로 피드백하는 디지털/아날로그 변환기(102)를 포함한다.
2. 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈
지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)는 FPGA를 기반으로 VHDL 프로그래밍을 통해 소프트웨어 알고리즘을 포함하는 루틴들을 구성할 수 있다.
지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)는
상기 지진가속도 계측 모듈부(100)의 디지털 필터(105)로부터 지진 가속도를 포함하는 디지털 지진동 신호를 수신받아 지진동 신호를 분석하는 지진동 신호 분석 모듈(201); 상기 지진동 신호 분석 모듈(201)과 연결되며, 상기 지진동 신호의 누적평균속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity)를 계산하는 누적 절대 속도 산정부(202); 상기 지진동 신호 분석 모듈(201)과 연결되며, 상기 지진동 신호의 최대 지반 속도(PGV, Peak Ground Velocity)/최대지반가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)를 계산하고 초과 여부를 산정하는 PGA/PGV 초과 산정부(203); 상기 지진동 신호 분석 모듈(201)과 연결되며, MEMS 기반 가속도계 설치위치에 대한 층응답스펙트럼(FRS)을 가속도계에 저장시켜 지진동에 의한 가속도와의 비교를 통해 건축물과 구조물, 설비 기기의 건전성을 평가하기 위해, 상기 지진동 신호의 층응답스펙트럼(FRS) 초과 여부를 산정하는 FRS 초과 여부 산정부(204); 상기 지진동 신호 분석 모듈(201)과 연결되며, 지진동이 건축물과 구조물, 설비 기기에 인가될 시 누적되는 피로 및 변형값을 평가하여 SSC의 피로한계를 초과하였는지를 평가하기 위해 누적피로를 산정하는 누적피로 산정부(205); 상기 지진동 신호 분석 모듈(201)과 연결되며, 상기 지진동 신호의 MMI(Modified Mercalli Intensity, 수정 메르켈리 진도) 진도를 계산하는 MMI 진도 산정부(206); MEMS 기반 가속도계 설치위치에 대한 층응답스펙트럼(FRS)을 가속도계에 저장시켜 지진동에 의한 가속도와의 비교를 통해 건축물과 구조물, 설비 기기의 건전성을 평가하며, 지진 취약성을 경보하며, 지진 피해를 추정하는 지진 취약성 경보 및 피해추정부(207); 지진동이 건축물과 구조물, 설비 기기에 인가될 시 누적되는 피로 및 변형값을 평가하여 SSC의 피로한계를 초과하였는지를 평가 후, 상기 SSC의 지진동에 의한 피로값과 취약성을 평가하여 기 설정치를 초과할 경우 경보를 발생시키는, 지진에 의한 누적 피로 경보부(208); 지진 센서로 사용된 MEMS 기반 가속도계의 검출된 지진동 신호와 직결시킨 지진가속도를 기록하고 및 외부 단말기로 평가 경보를 제공하는, 상태 기록 및 외부 인터페이스부(209); 및 소프트웨어가 저장되고, 지진동 신호와 그 누적평균속도(CAV), 최대지반속도(PGV)/최대지반가속도(PGA), MMI 진도 등의 지진계측정보와 진단결과, 각종 분석 정보를 저장하는 저장부(영구 메모리, non-volatile memories)를 포함한다.
지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)는 지진동 신호 분석 모듈(201)와 연결되며, 이를 와이파이, 블루투스, NFC의 근거리 통신을 통해 지진동 신호와 그 누적평균속도(CAV), 최대지반속도(PGV)/최대지반가속도(PGA), MMI 진도 등의 지진계측정보와 진단결과, 각종 분석 정보를 PC, 스마트폰/스마트 패드 중 어느 하나의 외부 단말기와 연계되어 출력하는 무선 통신부를 더 포함한다.
정비원은 스마트폰/휴대폰/태블릿 PC/스마트 패드 등의 모바일 기기를 이용하여 와이파이, 블루투스, NFC 통신을 통해 본 지진계측기와 통신할 수 있으므로 지진계측기 자체의 건전성도 파악할 수 있고,
본 MEMS 기반 장치는 지진 센서(MEMS 기반 가속도계)의 검출 신호와 직결시킨 지진가속도 기록 및 평가 경보 시스템을 제공하고, 지진가속도 기록 및 평가 경보시스템 내에 누적평균속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity), 최대지반속도(PGV)/최대지반가속도(PGA), MMI 진도 계산 알고리즘을 포함시키며,
MEMS 기반 가속도계 설치위치에 대한 층응답스펙트럼을(FRS) 가속도계에 저장시켜 지진동에 의한 가속도와의 비교를 통해 건축물과 구조물, 기기등의 건전성을 평가하며,
지진동이 건축물과 구조물, 기기 등에 인가될 시 누적되는 피로 및 변형값을 평가하여 SSC의 피로한계를 초과하였는지를 평가하고,
SSC의 지진동에 의한 피로값과 취약성을 평가하여 설정치를 초과할 경우 경보를 발생시킨다.
지진계측기 설치위치에서 수집된 상기의 데이터 및 진단결과를 누적상태로 저장하고, 이를 블루투스 등의 근거리 통신방법을 이용하여 외부와 연계시킬 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, SD RAM 등의 외장 메모리를 설치하여 많은 데이터가 필요시 직접 분석이 가능하도록 한다.
에너지 하베스팅 장치부(300)는 본 MEMS 기반 가속도계(지진계측기)와 결합시켜, 외부 전원없이 상시 가동이 가능하도록 한다. 이는 전체 회로에서 소모되는 전류량을 획기적으로 저감하도록 구성하는 동시에, 지진계측기 주위에 전자파 형태로 분포된 자기장에서 전력을 직접 포집하는 기술을 적용한다.
에너지 하베스팅 장치부(300)는 지진파 검출, 정보처리, 진단, 통신을 위한 하드웨어는 전력이 소요되나 원격지의 전원 공급 설비의 설치가 용이하지 않으므로, 에너지 하베스트 전원 충전 기능을 본 발명의 지진계측기와 결합시켜, 외부 전원 없이도 상시 가동이 가능하도록 하는 하드웨어 장치를 더 포함하며,
1) 대형 회전기기(예, 두 바퀴의 회전으로 자가 발전에 의해 축전지에 전력이 충전되는 전기자전거, 손잡이가 달린 원형 회전부의 회전에 따라 자가 발전에 의해 전기에너지를 생성하여 축전지에 충전하는 자가 발전 기기)나 구조물의 진동에너지를 압전소자를 이용하여 전기에너지로 변환하는 진동에너지 하베스팅 기술이 적용된 장치; 또는
2) 코일형 안테나와 전력 변환부를 구비하며, 공간에 분포된 전자파를 코일형 안테나를 이용하여 포집하고, 이를 다시 전력으로 변환하는 전자기파 에너지 하베스팅 기술이 적용된 장치를 포함한다.
도 6은 지진 피해추정, 경보 발생 및 기록용 FPGA 모듈부의 VHDL 프로그래밍 소프트웨어 루틴을 나타낸 도면이다.
지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)에서 사용하는 소프트웨어 구조는 MEMS 센서를 사용한 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도], 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함하는 4개의 루틴으로 이루어진다.
가. 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴
본 지진계측기의 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴은 지진동 신호 검출 후에 지진 센서에서 취득된 신호를 실시간으로 상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부(200)의 VHDL 프로그래밍이 가능한 디바이스를 사용하여 다음과 같이 상기 지진가속도 계측 모듈부(100)의 지진 센서의 지진파 검출 후에 각종 진단을 위한 응답 스펙트럼(주파수에 대한 가속도 값), 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도 정보로 변환한다.
ㆍ응답 스펙트럼(주파수에 대한 가속도 값),
ㆍ시간이력 속도
ㆍ최대 지반 가속도(PGA)
ㆍ최대 지반 속도(PGV)
ㆍMMI 진도
나. 변환된 정보를 이용한 진단루틴
지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴에 의해 변환된 정보[응답 스펙트럼, 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도]는 진단을 실시하는 진단루틴의 입력된다.
진단루틴은 다음과 같이 여섯가지 문턱값을 초과하는지 진단한다.
ㆍFPGA 프로그램에 저장된 층응답스펙트럼(FRS)을 지진동에 의한 가속도와 비교
ㆍFPGA 프로그램에 저장된 피로한계값을 내습한 지진동에 의한 피로 누적값과 비교
ㆍFPGA 프로그램에 저장된 누적평균속도 문턱값과 시간이력속도 정보의 누적평균속도값을 비교
ㆍFPGA 프로그램에 저장된 최대지반가속도(PGA)값에 실제 계측기가 설치된 건물 층에 대한 증폭계수를 곱하고 이에 지진계측기의 불확실도를 고려해 산정한 SSC의 최대지반가속도 문턱값과 SSC에 도래한 최대지반가속도(PGA) 값을 비교
ㆍFPGA 프로그램에 저장된 최대지반속도값에 실제 계측기가 설치된 건물 층에 대한 증폭계수를 곱하고 이에 지진계측기의 불확실도를 고려해 산정한 SSC의 최대지반속도 문턱값과 SSC에 도래한 최대지반속도(PGV)값을 비교
ㆍMMI 진도 문턱값과 산정된 진도의 비교
다. 경보 발생 루틴
상기 진단 루틴에서 결정된 여섯가지 문턱값(층응답스펙트럼(FRS), 상기 피로한계값을 내습한 지진동에 의한 피로 누적값, 상기 누적평균속도 문턱값, 상기 최대지반가속도 문턱값, 상기 최대지반속도 문턱값, 상기 MMI 진도 문턱값을 포함) 중 하나 이상이 초과하면, 경보 발생 루틴은 경보가 발생하고, 운영자에게 다음과 같은 최종 경보를 제공한다.
A.건축물과 구조물, 설비 기기의 건전성 위해 추정
B.건축물과 구조물, 설비 기기의 피로현상에 의한 손실 추정
C.건축물과 구조물, 설비 기기의 정밀진단 요구됨
D.건축물과 구조물, 설비 기기에서 인명의 즉각 대피가 요구됨
E.건축물과 구조물, 설비 기기에서 즉각 대피가 요구됨
예를 들면, 구조물은 다리의 교량과 교각, 설비 기기는 원자력 안전 설비 기기 일 수 있다.
라. 기록 및 외부 인터페이스 루틴
상기 지진계측정보와 진단결과를 저장부(영구 메모리)에 저장하고, 이를 무선 통신부의 블루투스, 와이파이의 근거리 통신을 통해 PC, 스마트폰/스마트 패드 등의 외부 단말기와 연계시킬 수 있다.
3. 에너지 하베스팅 장치부
지진파 검출, 정보처리, 진단, 통신을 위한 하드웨어는 전력이 소요되나 원격지 등 전원 공급 설비의 설치가 용이하지 않으므로, 에너지 하베스트(Energy Harvest) 기능을 본 MEMS 기반 지진계측 장치와 결합시켜, 외부 전원 없이 상시 가동이 가능하도록 하는 하드웨어 장치가 고안되며
에너지 하베스팅 장치부(300)의 기술적 요소는 다음과 같다.
ㆍ전체 회로에서 소모되는 전류량을 획기적으로 저감하도록 구성하는 동시에, 지진계측기 주위에 전자파 형태로 분포된 자기장에서 전력을 직접 포집하는 기술을 적용
ㆍ진동에너지 하베스팅 : 충격에너지라 불리는 진동에너지 하베스트는 대형회전기기나 구조물의 진동에너지를 압전소자를 이용하여 전기에너지로 변환한다.
ㆍ전자기파 에너지 하베스팅 : 공간에 분포된 전자파를 코일형 안테나를 이용하여 포집하고 이를 다시 전력으로 변환하는 장치
본 발명에서는 진도의 기준을 MMI(Modified Mercalli Intensity, 수정 메르켈리 진도)를 이용하여 산출한다. 국내에서 사용하는 규모의 결정식은 일본에서 개발된 진앙거리(R, km)와 지반운동의 최대수평성분(A, 남북/동서 방향최대속도성분의 벡터합)을 이용하여 식 (9)와 같이 결정한다.
상기 공식에서 R은 진앙거리 R eps 를 이용하여 식 (10)과 같이 구한다.
식 (9)로 산정한 규모 M은 진도산정에 활용할 수 있다. 즉, 지진 규모와 MMIS의 관계는 최대 속도, 최대 가속도의 값으로 표기할 수 있으며, 이를 상관관계로 표시하면 식 (11)과 같다 [김우완 등].
나. 푸리에 가속 스펙트럼 및 누적절대속도(CAV) 산정
원자력발전소의 인근에 지진이 발생했을 경우, 동일 부지 내에 다수의 원전이 가동되고 있는 관계로 현재의 OBE(운전기반 지진값)에 의할 경우, 불필요한 원전의 안전정지가 우려된다. 지반의 부지증폭 특성에 따라 지진파의 푸리에 가속 스펙트럼(FAS, Fourier Acceleration Spectrum)가 매우 큰 편차를 보이기 때문에 관측된 자료를 이용하여 동일 부지 특성을 갖는 자료로 변환하고 이를 진도별 FAS 로그값의 통계특성을 계산하는 것이 요구된다.
선행연구결과에서 나타난 평균부지기반의 전단파 속도는 식 (12)와 같이 적용할 수 있다. 즉, 전단파 속도는 지진의 규모와 발생 거리에 무관한 상수로 간주할 수 있다.
또한, 지진파형 절대값의 최대값(As)과 누적절대속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity) 값을 이용하여 지진규모(M) 추정이 가능한 이유는 식 (13)과 같이 CAV와 As, M과의 경험적인 관계식(이하 CAV-As-M경험식) 도출이 가능하기 때문이다[EPRI].
ln(CAV) = d1 + d2(ln(As)+2.35) + d3/(ln(As)+d4) + d5(M-M0) + d6(M-M0)2 + d7(ln(Vs30(m/sec))-6.0)
(13)
식(3)이 물리적으로 의미하는 바는 As와 관련 있는 지진파의 최대크기와 누적절대속도(CAV)와 관련 있는 파형의 폭을 알면 지진규모 추정이 가능하다는 점이다. 식(3)에서 Vs30은 지진계가 설치된 지표로부터 지하 30m까지의 평균 전단파 속도를 의미하며, 다양한 지구물리방법으로 추정되어 사전에 결정될 수 있는 값이다. 식(3)의 계수인 d1~d7와 파라미터인 M0는 지진관측자료를 이용하여 경험적으로 도출되는 값이 단일 지진관측소의 지반가속도 구간 누적값 및 최대값 파라미터를 이용한다.
지진피해 추정 및 경보 발생에 대한 기준은 잔류내진 성능지표 R index(%) 산정결과를 이용한다.
R index(%) = 
(14)
식 (14)에서, R index(%) 는 잔류내진 성능지표, IS는 지진피해 전의 내진 성능, DIS는 지진 피해후의 내진성능으로, 피해 등급에 따른 내진성능저감계수 η를 이용하여 식 (15)와 (16)로 각각 표기한다.
여기서, IS는 지진피해 전의 내진 성능, DIS는 지진 피해후의 내진성능, η은 피해 등급에 따른 내진성능저감계수, C는 내력, P는 변형능력이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 지진가속도 계측 모듈부
101: 지진 센서
102: 디지털/아날로그 변환기
103: 피드백 시스템
104: 아날로그/디지털 변환기
105: 디지털 필터
200: 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부
201: 지진동 신호 분석 모듈
202: 누적 절대 속도 산정부
203: PGA/PGV 초과 산정부
204: FRS 초과 여부 산정부
205: 누적피로 산정부
206: MMI 진도 산정부
207: 지진 취약성 경보 및 피해추정부
208: 지진에 의한 누적 피로 경보부
209: 상태 기록 및 외부 인터페이스부
300: 에너지 하베스팅 장치부
101: 지진 센서
102: 디지털/아날로그 변환기
103: 피드백 시스템
104: 아날로그/디지털 변환기
105: 디지털 필터
200: 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부
201: 지진동 신호 분석 모듈
202: 누적 절대 속도 산정부
203: PGA/PGV 초과 산정부
204: FRS 초과 여부 산정부
205: 누적피로 산정부
206: MMI 진도 산정부
207: 지진 취약성 경보 및 피해추정부
208: 지진에 의한 누적 피로 경보부
209: 상태 기록 및 외부 인터페이스부
300: 에너지 하베스팅 장치부
Claims (9)
- 지진 발생시에, 지진동에 의한 커패시터 플레이트 질량의 변위를 감지하고, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서를 사용한 지진 센서에 의해 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 검출하고 이를 A/D 변환하여 디지털 필터링하는 지진가속도 계측 모듈부;
상기 지진가속도 계측 모듈부로부터 상기 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 수신받고, 누적절대속도(CAV) 산정, 최대 지반 가속도(PGA)/최대 지반 속도(PGV) 계산하고 초과 여부 산정, 지지위치에서의 층응답스펙트럼(FRS) 초과여부 산정, 누적 피로도 산정, 및 MMIS 진도를 산정하는 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부; 및
에너지 하베스트 기술이 적용하여 전력을 직접 포집하여 축전지에 저장하며, 외부 전원이 없이도 상기 지진가속도 계측 모듈부와 상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부에 전원을 공급하는 에너지 하베스팅 장치부를 포함하며,
상기 MEMS 센서와 상기 FPGA 모듈부를 결합한 형태로써, 상기 지진가속도 계측 모듈부에 의해 지진동 신호를 계측하고, 상기 FPGA 모듈부는 진단, 손상 및 피해평가, 기록 및 외부 인터페이스를 담당하는 소프트웨어를 구비하며,
상기 에너지 하베스팅 장치부는 에너지 하베스트 전원 충전 기능을 본 MEMS 기반 지진계측 장치와 결합시켜, 외부 전원 없이도 상시 가동이 가능하도록 하는 하드웨어 장치를 더 구비하며,
상기 하드웨어 장치는 공간에 분포된 전자파를 코일형 안테나를 이용하여 포집하고 이를 다시 전력으로 변환하는 전자기파 에너지 하베스팅 기술이 적용된 장치를 포함하는 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측 모듈부는
지진 발생시에, 지진동에 의한 커패시터 플레이트 질량의 변위를 감지하고, 지진동에 의해 발생하는 움직임을 상쇄하도록 항상 커패시터 플레이트가 중간 지점에 위치하도록 하며, 관성에 의한 질량의 움직임이 캐패시터 값을 변화시키는 MEMS 센서를 사용하여 지진 가속도를 포함하는 지진동 신호를 검출하는 지진 센서;
상기 지진 센서로부터 검출된 아날로그 지진파 신호를 A/D 변환하여 디지털 지진동 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;
상기 아날로그/디지털 변환기로부터 상기 디지털 지진동 신호를 상기 FPGA 모듈부로 제공하는 디지털 필터;
상기 디지털 지진동 신호를 피드백하는 피드백 시스템; 및
상기 MEMS 센서의 지진동이 발생하는 힘과 극소형 실리콘 질량체가 힘 평형을 이루기 위해 상기 피드백 시스템의 피드백 앰프에 의해 캐패시터에 네가티브 전류를 인가해야 하므로, 상기 검출된 디지털 지진동 신호를 D/A 변환하여 아날로그 지진동 신호로 변환하여 상기 지진 센서로 피드백하는 디지털/아날로그 변환기;
를 포함하는 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부는
상기 지진가속도 계측 모듈부의 디지털 필터로부터 지진 가속도를 포함하는 디지털 지진동 신호를 수신받아 지진동 신호를 분석하는 지진동 신호 분석 모듈;
상기 지진동 신호 분석 모듈과 연결되며, 상기 지진동 신호의 누적평균속도(CAV, Cumulative Absolute Velocity)를 계산하는 누적 절대 속도 산정부;
상기 지진동 신호 분석 모듈과 연결되며, 상기 지진동 신호의 최대 지반 속도(PGV, Peak Ground Velocity)/최대지반가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)를 계산하고 초과하는지를 산정하는 PGA/PGV 초과 산정부;
상기 지진동 신호 분석 모듈과 연결되며, MEMS 기반 가속도계 설치위치에 대한 층응답스펙트럼(FRS)을 가속도계에 저장시켜 지진동에 의한 가속도와의 비교를 통해 건축물과 구조물, 설비 기기의 건전성을 평가하기 위해, 상기 지진동 신호의 층응답스펙트럼(FRS) 초과 여부를 산정하는 FRS 초과 여부 산정부;
상기 지진동 신호 분석 모듈과 연결되며, 지진동이 건축물과 구조물, 설비 기기에 인가될 시 누적되는 피로 및 변형값을 평가하여 SSC의 피로한계를 초과하였는지를 평가하기 위해 누적피로를 산정하는 누적피로 산정부;
상기 지진동 신호 분석 모듈과 연결되며, 상기 지진동 신호의 MMI(Modified Mercalli Intensity, 수정 메르켈리 진도) 진도를 계산하는 MMI 진도 산정부;
MEMS 기반 가속도계 설치위치에 대한 층응답스펙트럼(FRS)을 가속도계에 저장시켜 지진동에 의한 가속도와의 비교를 통해 건축물과 구조물, 설비 기기의 건전성을 평가하며, 지진 취약성을 경보하며, 지진 피해를 추정하는 지진 취약성 경보 및 피해추정부;
지진동이 건축물과 구조물, 설비 기기 등에 인가될 시 누적되는 피로 및 변형값을 평가하여 SSC의 피로한계를 초과하였는지를 평가 후, 상기 SSC의 지진동에 의한 피로값과 취약성을 평가하여 기 설정치를 초과할 경우 경보를 발생시키는, 지진에 의한 누적 피로 경보부;
지진 센서로 사용된 MEMS 기반 가속도계의 검출된 지진동 신호와 직결시킨 지진가속도를 기록하고 및 외부 단말기로 평가 경보를 제공하는, 상태 기록 및 외부 인터페이스부; 및
소프트웨어가 저장되고, 지진동 신호와 그 누적평균속도(CAV), 최대지반속도(PGV)/최대지반가속도(PGA), MMI 진도의 지진계측정보와 진단결과, 각종 분석 정보를 저장하는 저장부를 포함하는 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제3항에 있어서,
상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부는 상기 지진동 신호 분석 모듈와 연결되며, 지진동 신호와 그 누적평균속도(CAV), 최대지반속도(PGV)/최대지반가속도(PGA), MMI 진도의 지진계측정보와 진단결과, 각종 분석 정보를 블루투스, 와이파이의 근거리 통신을 통해 PC, 스마트폰/스마트 패드 중 어느 하나의 연계된 외부 단말기로 전송하는 무선 통신부를 더 포함하는 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부의 소프트웨어는 지진 센서의 지진동 신호 검출 후에 지진 센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴, 진단 루틴, 경보 발생 루틴, 기록 및 외부 인터페이스 루틴을 포함하는 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제5항에 있어서,
상기 지진센서 취득신호의 실시간 신호변환 루틴은
상기 지진 센서 취득신호를 실시간으로 상기 지진 피해추정, 경보발생 및 기록용 FPGA 모듈부에서는 지진 센서의 지진파 검출 후에, 각종 진단을 위한 응답 스펙트럼(주파수에 대한 가속도 값), 시간이력 속도, 최대 지반 가속도(PGA), 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도 정보로 변환하는, 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제6항에 있어서,
상기 진단루틴은
상기 지진 센서 취득 신호의 실시간 신호변환 루틴에 의해 변환된 상기 응답 스펙트럼, 상기 시간이력 속도, 상기 최대 지반 가속도(PGA), 상기 최대 지반 속도(PGV), MMI 진도가 상기 진단 루틴으로 입력되며,
1) FPGA 프로그램에 저장된 층응답스펙트럼(FRS)을 지진동에 의한 가속도와 비교, 2) FPGA 프로그램에 저장된 피로한계값을 내습한 지진동에 의한 피로 누적값과 비교, 3) FPGA 프로그램에 저장된 누적평균속도 문턱값과 시간이력속도 정보의 누적평균속도값을 비교, 4) FPGA 프로그램에 저장된 최대지반가속도(PGA)값에 실제 계측기가 설치된 건물 층에 대한 증폭계수를 곱하고, 이에 지진계측기의 불확실도를 고려해 산정한 SSC의 최대지반가속도 문턱값과 SSC에 도래한 최대지반가속도(PGA) 값을 비교, 5) FPGA 프로그램에 저장된 최대지반속도값에 실제 계측기가 설치된 건물 층에 대한 증폭계수를 곱하고 이에 지진계측기의 불확실도를 고려해 산정한 SSC의 최대지반속도 문턱값과 SSC에 도래한 최대지반속도(PGV)값을 비교, 6) MMI 진도 문턱값과 산정된 진도를 비교하며,
상기 층응답스펙트럼(FRS), 상기 피로한계값을 내습한 지진동에 의한 피로 누적값, 상기 누적평균속도 문턱값, 상기 최대지반가속도 문턱값, 상기 최대지반속도 문턱값, 상기 MMI 진도 문턱값을 포함하는 여섯가지 문턱값을 초과하는지 진단하는, 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제7항에 있어서,
상기 경보 발생 루틴은,
상기 진단 루틴에서 결정된 여섯가지 문턱값 중 하나 이상이 초과하면 경보가 발생하고, 운영자에게 최종 경보를 제공하며, 상기 최종 경보는 A. 건축물과 구조물, 설비 기기의 건전성 위해 추정, B.건축물과 구조물, 설비 기기의 피로현상으로 인한 손실 추정, C.건축물과 구조물, 설비 기기의 정밀진단 요구됨, D.건축물과 구조물, 설비 기기에서 인명의 즉각 대피가 요구됨, E.건축물과 구조물, 설비 기기에서의 즉각 대피가 요구됨을 포함하는 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치. - 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기록 및 외부 인터페이스 루틴은
상기 지진계측정보와 진단결과를 저장부에 저장하고, 이를 블루투스, 와이파이의 근거리 통신을 통해 외부 단말기와 연계시킬 수 있는, 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치.
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