KR102102997B1 - 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템이 개시된다. 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는 지진가속도계측센서 정밀 검정용 교정시험에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측기의 가속도 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 정밀 측정하며, 행정안전부 성능검사 기준을 만족하는 지진가속도 센서의 출력전압 선형비 측정 장치를 제공하며, 지진가속도 선형성 확보, 지진가속도 센서의 출력전압 선형비 1% 이내, 지진가속도센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정하게 되었다.
Description
본 발명은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지진가속도 계측센서 정밀 검정(calibration)에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측센서의 가속도 선형성, 횡감도(sensitivity) 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 정밀 측정하며, 행정안전부 성능검사 기준을 만족하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(amplitude linearity)를 측정하는 장치를 제공하며, 지진가속도 선형성, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비 정확도 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차 1% 이내 정밀 측정하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템에 관한 것이다.
본 과제는 중소벤처기업부 2018년도 창업성장-기술개발사업 과제고유번호 S2578824, 중소기업기술정보진흥원으로부터 "지진가속도계측센서 교정용 정밀 오차측정 시스템 개발"의 연구비를 지원받았습니다.
지구는 내핵, 외핵, 맨틀, 지각으로 구성되며, 지진(earthquake)이 발생한 지구 내부의 지점을 '진원', 진원 바로 위의 지표상의 지점을 '진앙'이라고 한다. 대규모 지진이 발생하면, 진앙의 위치에 가까운 지역 뿐만아니라 먼 거리까지 지각 붕괴로 피해가 심각해질 수 있다.
지진계(seismometers)는 지진이 발생했을 때, 지표면을 기록하는 장치이며, 지진 발생 시 지표면이 진동하면 추를 제외한 지진계의 모든 부분이 지면과 함께 움직이며, 기록계의 추에 붙어 있는 기록펜이 회전 원통의 기록지에 상하, 좌우의 움직임을 그대로 기록한다. 지진계는 관성의 법칙을 이용하는 수평동 지진계와 수직동 기록계가 사용된다.
도 1은 지진파의 종류와 특성을 보인 도면이다.
진원에서 발생하는 지진파가 지진 관측소에서 기록된 것을 지진 기상(seismogram)이라 한다.
지진이 발생하면, 지진 에너지는 지진파(seismic wave)의 형태로 전파해 나간다. 지진파는 P파(종파, 파의 진행방향과 매질의 진동 방향이 나란함 - 고체, 액체, 기체 모두 통과), S파(횡파, 파의 진행방향과 매질의 진동 방향이 수직 - 고체만 통과), L파[표면파: 러브파(Love wave), 레일리파(Rayleigh wave) - 지표면 통과]가 있다. 러브파(Love wave)는 S파와 비슷하게 파의 진행 방향에 대하여 직각으로 진동하지만 지표면을 따라서만 전파된다. 레일리파(Rayleigh wave)는 지표면에 수직인 평면 내에서 타원을 그리며 전파된다.
표1은 지진파의 종류의 특성을 나타낸다.
| 지진파의 종류 | 속도(지각에서) | 진폭 | 파의 진행과 매질의 진동 | 통과 물질 | |
| 실체파 | P파 | 평균 8km/s | 작다 | 종파(지진파의 진행방향과 매질의 진동 방향이 나란함) | 고체, 액체, 기체 모두 통과 |
| S파 | 평균 4km/s | 중간 | 횡파(지진파의 진행방향과 매질의 진동 방향이 수직) | 고체만 통과 | |
| 표면파(L파) | 평균 3km/s | 크다 | 러브파(love wave), 레일리파 |
지표면 통과 | |
지진파의 속도는 통과하는 지질에 따라 차이가 있으나 P파의 속도는 8km/sec, S파의 속도는 4km/sec, L파의 속도는 3km/sec이다. 지진파의 속도는 P파 > S파 > L파, 지진파의 진폭은 P파 < S파 < L파 이다. 지진계에 최초로 P파가 도착한 후 S파가 도착할 때까지의 시간을 초기 미동 시간(PS시)이라 한다.
지진파의 속도는 P파의 속도 = 
, S파의 속도 = 
여기서, k는 체적 탄성률, μ는 강성률, ρ는 밀도이다,
강성률(μ)은 기체=0, 액체의 형태 변화에 대한 저항 이다.
PS 시 = (S파 도달 시간) - (P파 도달 시간) = 
PS 시는 진원 거리에 비례하므로 관측 지점에서 진원까지의 거리를 구하는데 사용된다.
진원거리(d) = 
(Vp는 P파의 속력, Vs는 S파의 속력)
지진 관측소에서 진앙까지의 거리와 지진파가 도착하는데 걸리는 시간과의 관계를 나타낸 그래프를 주사 곡선(travel time curve)을 분석하여 지진파가 지구 내부를 통과할 때의 속도 분포를 추정함으로써 지구 내부의 물리적 특성 및 내부 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.
미국 지질 조사국(USGS, United States Geological Survey)의 지진 관측 장비의 성능 기준을 지진 계측 장비의 2개의 ANSS 가이드라인에 의해 지진관측용 가속도센서와 기록계, 전원 공급기에 대한 요구 성능을 제시하고 있다.
SM(Strong motion) 가속도 센서는 일반적으로 측정 가속도 범위가 수십 
이내, 주파수 범위는 0 Hz(DC) ~ 40~80Hz 이다.
WM BB(Weak motion broadband) 속도 센서는 안정적인 온도와 낮은 지진 주변 지진 잡음 시험실 환경이 필요하다.
지진가속도 계측기(Seismic Acceleration Measuring devices for facilities)는 구체적인 시험 항목은 1) 요구 전원, 시동 및 정상 상태, 2) 정적 감도, 3) 주파수응답, 대역폭, 4) 클립 레벨, 5) 자기 잡음, 작동범위, 6) 왜곡, 7) 방향 직교성, 8) 휨감도(출력 전압/입력 가속도, 일반적으로 10mV/g), 9) 온도가 감도와 옵셋에 미치는 영향, 10) 전원의 전압과 전압의 노이즈가 감도와 옵셋에 미치는 영향 등의 시험 기준이 제시된다.
행정안전부 지진가속도 계측 자료에 따르면, 지진가속도 계측기는 배경 잡음이 매우 낮은 암반 터널 관측소에서 지진가속도 계측센서(지진가속도계)가 사용된다. 지진가속도계는 '지진가속도 센서', '지진가속도 계측센서' 또는 '지진가속도 계측기' 라고 불린다.
1) 주파수 범위(frequence range) : 주파수 영역은 DC ~ 50 Hz 이하이어야 하며, 0.1 Hz ~ 50 Hz 이하(최저주파수 ~ 최고 주파수) 까지 3 dB 이내 오차로 주파수 응답
지진 가속도 계측센서(지진가속도계)의 주파수 범위는 평활한 부분과 -3dB 오차를 가지는 corner frequency 또는 cut-off frequency로 정의된다. 최대 주파수는 지진 가속도계의 1/2 ~ 1/3 정도이다.
2) 동적 범위(dynamic range) : 120 dB 이상(대역폭 0.1 ~ 50 Hz), 최대 계측 지진가속도 2.0g
동적 범위는 지진 계측 가능한 신호의 최대값과 최소값 비율 
[dB], 데시벨(dB) 단위로 표현된다.
Xmax는 지진가속도 센서 신호의 최대값, Xmin는 배경잡음의 표준 편차이다.
예를들면, 지진 가속도 계측센서(지진가속도계)의 계측 가능한 최대 가속도 2g, 최소 가속도 0.02g 일 경우, 동적 범위는 
이 된다.
동적 범위(dynamic range)는 측정 환경 요인에 의해 건물 진동이나 소음 등이 배경 잡음에 영향을 받는다.
기록계의 경우, 측정 가능한 최대 및 최소 신호 간의 레벨 차이로서 A/D 보드의 bit 수(24bit 이상)에 따라 달라진다.
3) 출력전압 선형비(amplitude linearity): 지진가속도계의 출력 전압 선형비는 1 % 이내
지진가속도계(지진가속도 센서)의 출력전압 선형비(amplitude linearity)는 동적 범위(dynamic range) 내에서, 즉 가장 낮은 가속도 레벨로부터 최대 가속도까지 입력 가속도와 출력 전압 사이의 비례 관계의 정확도를 나타내는 수치이다. i) 기울임 테이블을 이용하여 지진가속도 센서를 0°~180°까지 기울여 ±2g의 범위 내에서 센서의 다양한 크기의 가속도를 가한다. ii) 기울기에 따른, 즉 가속도에 따른 DC 전압의 측정값과 이론값의 오차를 계산한다.
4) 클립 수준(clip level): 입력 가속도에 대해 출력 전압이 선형성을 유지하는 최대 입력 가속도의 크기, 즉 계측 가능한 최대 가속도의 크기(최대 계측 지진가속도 2.0g)이다.
5) 민감도(sensitivity) - 횡감도: 300 Vs/m 이상
타축 감도는 가진기를 통해 일정 방향으로 가속도를 인가한 상태에서 이와 직교한 방향 지진가속도 센서 출력과의 상대적인 비율로 측정할 수 있다. 이 경우 지진가속도 센서 모듈의 장착 오차에 의해 타축 감도가 관측될 수 있기 때문에 가진기에 장착한 상태에서 수평계를 사용하여 확인해야 한다.
6) 성분간 감도 오차: 2 % 이내, 정확한 벡터(VECTOR) 성분을 유추 가능하여야 함
7) 감쇠율(Damping): 전자기형태(Electromagnetic type), 60 ~ 70 %
8) 출력 전압: 기록계의 최대 입력 전압 이내
9) 최대 시각 오차: 지진가속도 계측기의 기록계에 저장된 측정 데이터의 측정 시각과 표준시와의 최대 오차(5 ms 이내)
계측된 지진 자료를 사용하여 H/V 스펙트럼비(H/V ratio) 방법을 사용하여 상시 미동의 표면파를 푸리에 변환 후, 지진파의 수평 성분과 수직 성분의 비율 인 H/V 스펙트럼 비를 계산하여, 지반의 고유 진동수를 측정한다.
계산된 H/V 스펙트럼 비를 3점 가중 평균 필터로 평활화하면 주파수-H/V 스펙트럼 비곡선의 뚜렷한 피크점이 나타나며, 그 피크점이 지반의 고유 진동수이다.
진앙과 멀리 있을 경우, 지진파의 수직 성분은 거의 없으며 수평 성분은 속도가 낮은 매질을 통과하여 전파될 때 지반 매질 임피던스 차이를 나타내는 H/V 스펙트럼비(H/V ratio)를 사용한다.
여기서, Hx, Hy는 각각 남북 및 동서 방향 지진파의 수평 성분의 푸리에 스펙트럼이며, V는 지진파의 수직 성분의 푸리에 스펙트럼이다.
지진가속도 계측기의 분석 프로그램은 신호처리, 자유장 계측 신호 분석, 건전도 분석, H/V 스펙트럼비, 보정(calibration)과 필터링이 일괄 처리된 자유장 계측 신호의 가속도, 속도, 변위 시간 이력 결과를 표시하는 응답 스펙트럼(가속도 응답 스펙트럼, 속도 응답 스펙트럼, 변위 응답 스펙트럼), 안전관리 기준 설정 등이 표시된다.
이와 관련된 선행기술1로써, 특허등록번호 10-1490308에서는 당사로 기술이전 된 한국표준과학연구원의 "가속도 센서 오차 측정 장치"가 등록되어 있으며, 가속도 센서의 선형도, 횡감도 및 성분간 감도오차를 측정하는 장치가 개시되어 있다.
도 2는 한국표준과학연구원의 가속도 센서 오차 측정 장치의 사시도이다.
가속도 센서 오차 측정 장치는, 지지대(120); 일측면에 가속도 센서가 장착 고정되며, 일측면과 타측면을 통과하는 제 1 회전 중심선 상에 설치되는 제 1 회전 중심축에 끼워져 회전 가능하도록 상기 지지대에 설치되는 회전 원판(100); 상기 회전 원판이 상기 제 1 회전 중심선을 중심으로 회전 가능하도록 하는 회전 원판 회전 수단; 상기 제 1 회전 중심축과 직교하는 제 2 회전 중심선 상에 설치되며 상기 지지대에 연결되는 제 2 회전 중심축; 상기 회전 원판이 상기 제 2 회전 중심선을 중심으로 회전 가능하도록 상기 제 2 회전 중심축을 회전시키는 지지대 회전 수단; 및 상기 지지대 회전 수단을 고정하는 고정 수단을 포함한다.
가속도 센서 오차 측정 장치는 가속도 센서를 고정하며 회전하는 회전 원판(100), 이 회전 원판(100)을 지지하는 지지대(120), 이 지지대(120)를 회전시키는 지지대 회전 구성(미도시), 이 지지대 회전 구성을 감싸는 외형 하우징(150), 이 외형 하우징(150)을 고정하는 외벽(140) 및 수평판(141)을 포함한다.
회전 원판(100)은 일측면에 가속도 센서가 장착 고정되며, 일측면과 타측면을 통과하는 제 1 회전 중심선 상에 설치되는 제 1 회전 중심축(101)에 끼워져 회전 가능하게 된다. 즉, 제 1 회전 중심축(1010을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 바향으로의 회전이 가능하다.
이 회전 원판(100)의 형상을 보여주는 도면을 참조하면, 원 모양으로 가속도 센서를 조립 장착하기 위한 고정홀(102)이 형성되어 있다. 이 고정홀(102)에 의해 가속도 센서(550)가 조립 고정된다. 가속도 센서(550)의 일측에는 출력단(551)이 구비된다.
또한, 이 고정홀(102)의 안쪽으로 회전 원판(100)을 일정 각도로 회전시키게 하는 회전 조정홈(300)이 형성된다. 이 회전 조정홈(300)은 스토퍼(405)와 정합되어 사용자가 회전 원판(100)을 필요한 각도만큼 회전시키게 할 수 있다.
이 회전 원판(100)을 지지하기 위한 지지대(120)가 설치되며 이 지지대(120)의 우측 끝단에는 이 회전 원판(100)의 경사를 센싱하는 경사계 센서(110)가 구비된다. 경사계 센서(110)로는 디지털 방식 또는 아날로그 방식의 경사계 센서가 사용될 수 있다. 따라서, 이 경사계 센서(110)를 이용하면 회전 원판(100)의 경사를 측정할 수 있어 회전 원판(100)의 위치를 교정하여 원하는 값으로 맞출 수 있다.
지지대(120)는 제 2 회전 중심축(121)과 연결되며, 이 제 2 회전 중심축(121)은 제 1 회전 중심축(101)과 직교하는 제 2 회전 중심선 상에 설치된다.
상기 회전 원판(100)이 제 2 회전 중심선을 중심으로 회전 가능하도록 상기 제 2 회전 중심축(121)을 회전시키는 지지대 회전 수단이 구비된다.
핸들(131)의 회전력을 지지대(120)까지 전달하는 제 2 회전 중심축(121)에 웜휠(204)을 장착하고 웜휠(204)과 이물림되는 웜(201)이 형성된 웜 샤프트(203)를 구비한다. 웜 샤프트(203)의 중간부에 웜(201)이 형성되고 웜 샤프트(203)의 양단에는 베어링(미도시)이 각각 설치되어 웜 샤프트(203)를 지지하며 웜 샤프트(203)의 일단측은 핸들(131)과 연결된다.
따라서, 사용자가 핸들(131)을 동작시키면 이 핸들(131)의 구동에 의해 웜 샤프트(203)가 회전하는 구조이다.
웜(201)과 웜휠(204)을 포함하여 웜 기어를 형성하는 부위는 외형 하우징(150) 내부에 설치되어 고정된다.
또한, 웜휠(204)이 장착된 제 2 회전 중심축(121)은 하우징(150) 내부에서 웜휠(114)이 장착된 부위의 하단부에 구비된 베어링(미도시)에 의해 지지된다.
도 2를 참조하면, 외형 하우징(150)의 한쪽 끝단에는 인덱스부(130)가 형성되어 있어 사용자가 핸들(131)을 동작시키는 경우 회전 각도를 조정할 수 있다. 물론 인덱스부(130)는 외형 하우징(150)과 일체로 성형되거나 별도로 구성될 수 있다.
외형 하우징(150)은 고정을 위한 수직 고정부(133)와 수평 고정부(135)가 구비된다. 수직 고정부(133)는 외벽(140)에 고정되고, 수평 고정부(135)는 수평판(141)에 고정된다. 물론, 이러한 고정은 볼트와 너트를 이용하는 방식이 사용될 수 있으나 이에 한정되지는 않고, 나사못을 이용하는 것도 가능하다.
외형 하우징(150)의 후면을 고정하는 외벽(140)과 이 외벽(140)의 일측에 놓이며 외형 하우징(150)의 측면을 고정하는 수평판(141)은 직각이 된다.
수평판(141)은 수직판(142)에 의해 지지되며, 2개의 수직판(142-1 및 142-2)으로 이루어진다. 즉, 수평판(141)의 양단에 수직판(142-1)과 수직판(142-2)이 고정되어 "┏┓" 모양의 형상을 띠게 된다.
따라서, 외형 하우징(150)의 수직 고정부(133)는 외벽(140)에 고정되고, 수평 고정부(135)는 수평판(141)에 고정된다.
또한, 외벽(140)의 하단과 결합되며, 수직판(142)이 탑재되는 받침판(143)이 구성된다. 받침판(143)은 회전 원판(100)의 수평 균형 및 수직 균형을 잡기 위해 받침판(143)의 각 모서리마다 높이 조절부(149)가 구비된다.
높이 조절부(149)는 나사식으로 되어 있어 회전시킴으로써 높이를 내리거나 올리는 것이 가능하다.
또한, 수직 균형을 위해서 받침판(143)의 일측에는 수준기(145)가 설치되어 제 1 회전 중심축(101)가 수직 선상에 놓이는 지를 확인하게 된다.
선행기술1의 발명에 의하면, 수평 회전과 수직 회전 구조를 동시에 구비시킴으로써 가속도 선형성, 횡감도 및 성분간 감도오차를 동시에 측정하는 것이 가능하다.
이와 관련된 선행기술2로써, 특허등록번호 10-1490308에서는 "지진가속도 계측을 통한 건축물 건전성 평가 장치"가 공개되어 있다.
지진가속도 계측을 통한 건축물 건전성 평가 장치는
건축물의 최상층 및 최하층에 각각 설치되어 상기 건축물의 최상층 및 최하층의 지진 가속도를 각각 계측하는 제1 지진 가속도 계측기 및 제2 지진 가속도 계측기;
상기 제1 및 제2 지진 가속도 계측기에서 각각 계측된 지진 가속도를 고속 푸리에 변환하여 상기 건축물의 최상층 및 최하층에서 계측된 지진 가속도를 시간 영역에서 진동수 영역의 응답함수로 변환하는 고속 푸리에 변환부;
상기 제1 및 제2 지진 가속도 계측기에서 각각 계측된 지진 가속도를 이중 적분하여 상기 건축물의 최상층 및 최하층의 변위 데이터를 각각 생성하는 적분부;
상기 건축물의 최상층 및 최하층의 변위 데이터 및 상기 건축물의 높이를 이용하여 상기 건축물의 최대 층간 변위비를 산출하는 최대 층간 변위비 산출부;
상기 건축물의 최하층 진동수 영역의 응답함수에 대한 최상층의 진동수 영역의 응답함수의 비로 계산되는 전달 함수의 값이 최대인 진동수를 상기 건축물의 고유진동수로 결정하고, 상기 고유진동수와 사전 설정된 지진 발생 전 상기 건축물의 상시 고유진동수를 비교하여 고유진동수 변화율을 산출하는 고유진동수 변화율 산출부; 및
상기 최대 층간 변위비 및 상기 고유진동수 변화율을 사전 설정된 평가 기준과 비교하여 상기 건축물의 건전성 평가 결과를 출력하는 건축물 건전성 평가부를 포함한다.
최근, 일본, 중국뿐 아니라 우리 나라에서 2016년 9월 경주에서 리히터 규모 5.8 지진이 발생하였으며, 지진ㆍ화산재해대책법(법률 제14532호)에 의해 행정안전부 및 기상청의 주관 하에 국가 지진 안전망을 구축하여 실시간으로 지진발생을 측정/관리하고 있다.
도 3a 내지 3c는 국산 및 외산 3축 지진가속도 센서(3축 지진가속도계)의 사진 분해능, 측정 범위, 동적 범위를 보인 도면이다.
2017년 8월 실시된 감사원의 “지진통보운영시스템”감사에서 “최근 2년동안 전국 182개 지진관측소에서 주변 배경잡음 및 가속도 센서 이상에 의한 지진 미탐지율이 44%”로 지적되었으나, 현재 국산화된 검/교정 기준 시스템이 없어 고가의 외산 장비를 수입해 쓰고 있으므로, 다음과 같은 성능을 갖는 “지진가속도계측센서 교정용 정밀 오차측정 시스템”의 국산화 개발이 필요하다.
·지진가속도 센서의 출력전압 선형비율 정확도 1% 이내
·지진가속도 센서 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정
·지진가속도 센서 검정용 기울기-테이블의 경사각도 조절 분해능 1 mrad (밀리 라디안) = 0.057°이내 정밀 조정
1) 지진가속도계측센서 오차 정밀교정의 중요성
(출처: 행정안전부고시 2017.07.26, “지진가속도계측센서 설치 및 운영기준
- 지진발생시, 계측된 가속도 값을 이용 시설물의 안전성 확인 및 대응수준을 결정
- 지진피해 추정을 위한 입력 값으로 활용
- 지진 응답에 관한 DB구축을 통해 내진 설계 제정/개정의 근거자료로 사용
3) 기존 국내 및 해외 제품 기술 수준
현재 사용되고 있는 국내 및 외산 지진가속도계측센서 검/교정 장비는 그림에 도시된 바와 같이 기술 수준은 다음과 같다. 지진가속도계측센서의 외국 제품은 대부분 주파수 감도(sensitivity)에 의한 오차 측정 방식을 사용한다.
·X, Y, Z축 중 하나를 고정하고 중력가속도를 이용해 가속도의 선형성, 횡 감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차를 동시에 측정할 수 없다.
·기울기 각도 설정 시 눈금을 보고 수동 조작하므로 오차 발생 가능성 상존
·기울기-테이블의 180°회전 불가 및 지면과의 수평도 조정이 정확하지 않다. 모든 작업이 수동으로 이루어져 지진가속도계측센서의 오차 발생 우려가 있고, 시간 지연이 발생한다.
지진가속도 계측센서(지진가속도계)는 1축 지진가속도 센서, 2축 지진가속도 센서, 3축 지진가속도 센서의 3가지 종류가 사용되며, 지진 발생시 계측 신호의 X,Y,Z 성분의 가속도를 측정하며, 주파수 응답(가속도 스펙트럼, 속도 스펙트럼, 변위 스펙트럼), 클립 수준(clip level), 출력전압 선형비를 측정한다.
지진가속도 계측센서는 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하며, 지진가속도 계측센서의 성능의 가장 중요한 부분은 가속도의 출력전압 선형성 이다.
현재 사용중인 지진가속도계의 수동조작 기울임 테이블은 바라보는 시각에 따라 각도 눈금이 다르게 보이는 현상, 기울임 테이블의 각도 불분명, 지진가속도 계측센서의 방향전환 및 분리 어려움 등 다수 문제점이 발견되었으며 측정 장치로써의 한계를 보여, 획기적으로 개선된 신뢰성을 확보할 수 있는 방법에 관한 연구가 필요하다.
그러나, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 문제가 생기면, 계측된 값이 모두 비정상이 되는 문제점이 있었다. 또한, 지진가속도 센서의 제조사별로 지진가속도 계측센서의 정격 전압이 각각 다르므로, 정밀하게 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 정상/불량 인지를 측정하며, 출력전압 선형성을 측정하는 장치가 필요하다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지진가속도 계측센서의 정밀 검정 시험에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측센서의 가속도 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 정밀 측정하며, 행정안전부 성능검사 기준을 만족하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(amplitude linearity)를 측정하는 장치를 제공하며, 가속도 선형성, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비 정확도 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템은, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치; 및 상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러와 연결되고, 지진 발생시, 상기 지진가속도계측센서로부터 취득한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 적어도 하나 이상의 A/D 보드(NI cDAQ 보드)들이 장착되며, 상기 적어도 하나 이상의 A/D 보드에서 처리한 데이터를 계측하여 모니터 화면에 출력하며, 통신 콘트롤러 제어, 계측 데이터 각도별 표시, 기울기 각도 스텝(단계) 제어, 측정 데이터 테이블 및 그래프 표시, 카메라 영상 저장 및 영상 처리, 측정 결과 리포트 생성 및 저장, X,Y,Z 방향 성분별 각도별 출력전압 계측 데이터를 출력하며, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비를 측정하는 컴퓨터의 SW 탑재 처리장치를 포함하며,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
상기 콘트롤러(704)와 연결되는 컴퓨터(PC)(703), 및 조작기(705)와 연결되며, 상기 PC(703)의 키보드 입력장치로부터 입력된 각도변화량, 대기시간, 최대변화각도 값은 서버(NI 프로그램)를 통해 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)로 전달되며, 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)는 전달된 입력값으로 상기 주 스핀들(로터리 테이블)(708)을 제어하는 콘트롤러(로터리 테이블 콘트롤러)(704); 컴퓨터(PC)(703)의 키보드 입력장치에서 값(각도 변화량, 대기시간, 최대 변화각도)을 입력하면 서버(NI 프로그램)는 로터리 테이블 콘트롤러(704)에 명령하며, 상기 콘트롤러(704)에 의해 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)과 함께 양쪽에 고정밀 평판 플레이트(730)를 고정 후, 상기 고정밀 평판 플레이트(730)의 각도 회전을 제어하는 동적 기계 장치(흔들림 : 0.001, 진직도 : 0.005, 평행도 : 0.006, 직각도 : 0.003, 센터높이 : -0.004)로 사용되는 주 스핀들(NC Rotery Table)(708); 상기 주 스핀들(708) 내부에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)로 입력받은 값으로 정확한 각도로 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)에 맞물린 고정밀 평판 플레이트(730)를 회전시키는 서보 모터(706); 선반 하우징 케이스에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔의 공압으로 회전의 원동력을 사용하는 내부 소형 콤퓨레셔(707); 상기 주 스핀들(708)과 함께 고정밀 평판 플레이트가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 보조 스핀들(711); 상기 주 스핀들(708)과 상기 보조 스핀들(711)에 고정되어 있는 상태에서, 정밀 수준기(709)와 지진가속도 계측센서(710)가 고정 부착되며, 각도 회전이 가능한 기울임 테이블(tilt table)로 사용되며, 지진가속도 계측센서(710)가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 고정밀 평판 플레이트(730); 및 상기 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 구비되며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서(710)를 포함하한다.
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
상기 콘트롤러(704)와 연결되는 컴퓨터(PC)(703), 및 조작기(705)와 연결되며, 상기 PC(703)의 키보드 입력장치로부터 입력된 각도변화량, 대기시간, 최대변화각도 값은 서버(NI 프로그램)를 통해 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)로 전달되며, 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)는 전달된 입력값으로 상기 주 스핀들(로터리 테이블)(708)을 제어하는 콘트롤러(로터리 테이블 콘트롤러)(704); 컴퓨터(PC)(703)의 키보드 입력장치에서 값(각도 변화량, 대기시간, 최대 변화각도)을 입력하면 서버(NI 프로그램)는 로터리 테이블 콘트롤러(704)에 명령하며, 상기 콘트롤러(704)에 의해 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)과 함께 양쪽에 고정밀 평판 플레이트(730)를 고정 후, 상기 고정밀 평판 플레이트(730)의 각도 회전을 제어하는 동적 기계 장치(흔들림 : 0.001, 진직도 : 0.005, 평행도 : 0.006, 직각도 : 0.003, 센터높이 : -0.004)로 사용되는 주 스핀들(NC Rotery Table)(708); 상기 주 스핀들(708) 내부에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)로 입력받은 값으로 정확한 각도로 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)에 맞물린 고정밀 평판 플레이트(730)를 회전시키는 서보 모터(706); 선반 하우징 케이스에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔의 공압으로 회전의 원동력을 사용하는 내부 소형 콤퓨레셔(707); 상기 주 스핀들(708)과 함께 고정밀 평판 플레이트가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 보조 스핀들(711); 상기 주 스핀들(708)과 상기 보조 스핀들(711)에 고정되어 있는 상태에서, 정밀 수준기(709)와 지진가속도 계측센서(710)가 고정 부착되며, 각도 회전이 가능한 기울임 테이블(tilt table)로 사용되며, 지진가속도 계측센서(710)가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 고정밀 평판 플레이트(730); 및 상기 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 구비되며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서(710)를 포함하한다.
본 발명의 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템은 지진가속도계측센서 정밀 검정 시험에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측센서의 가속도의 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 정밀 측정하며, 행정안전부 성능검사 기준을 만족하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(amplitude linearity)를 측정하는 장치를 제공하며, 지진가속도 계측센서의 선형성, 지진가속도 계측센서(지진가속도계)의 출력전압 선형비 정확도 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정하게 되었다.
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비, 가속도 선형성 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 동시측정방법 연구에 따라 제품의 신뢰성을 확보하며, 지진가속도 계측센서의 가속도 선형성 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차 정밀측정으로 고품질 지진가속도 계측센서 식별 방법을 구현하였다.
지진발생 시, 지진가속도 계측센서로부터 초정밀 계측데이터 취득이 가능하여, 계측된 가속도 값으로 시설물의 안전성평가 및 대응수준을 결정용 데이터로 사용 및 지진피해 추정을 위한 입력값으로 사용된다.
도 1은 지진파의 종류와 특성을 보인 도면이다.
도 2는 한국표준과학연구원의 가속도 센서 오차 측정 장치의 사시도이다.
도 3a 내지 3c는 국산 및 외산 3축 지진가속도 센서(3축 지진가속도계)의 사진 분해능, 측정 범위, 동적 범위(dynamic range)를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차 측정 장치 연구과제의 일환으로, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 블럭도이다.
도 5는 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)의 지진가속도 계측센서와 단자함을 통해 연결되는 A/D 보드부(4개의 NI cDAQ보드, 24bit/8채널)의 구성과 동작을 보인 도면이다.
도 6은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러와 단자함 상의 주 스핀들과 보조 스핀들 사이에 기울임 테이블(tilt table, 고정밀 평판 클레이트) 상에 고정된 지진가속도 계측센서의 각도 회전을 보인 사진이다.
도 7은 지진가속도 계측센서의 정밀 오차 측정 장치의 사진이다.
도 8은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 일 예를 보인 도표이다.
도 9a 내지 도 9d는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 시험 사진이다.
도 10은 지진가속도 계측센서의 정밀 오차 측정 장치의 한국기계연구원의 시험성적서이다.
도 2는 한국표준과학연구원의 가속도 센서 오차 측정 장치의 사시도이다.
도 3a 내지 3c는 국산 및 외산 3축 지진가속도 센서(3축 지진가속도계)의 사진 분해능, 측정 범위, 동적 범위(dynamic range)를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차 측정 장치 연구과제의 일환으로, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 블럭도이다.
도 5는 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)의 지진가속도 계측센서와 단자함을 통해 연결되는 A/D 보드부(4개의 NI cDAQ보드, 24bit/8채널)의 구성과 동작을 보인 도면이다.
도 6은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러와 단자함 상의 주 스핀들과 보조 스핀들 사이에 기울임 테이블(tilt table, 고정밀 평판 클레이트) 상에 고정된 지진가속도 계측센서의 각도 회전을 보인 사진이다.
도 7은 지진가속도 계측센서의 정밀 오차 측정 장치의 사진이다.
도 8은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 일 예를 보인 도표이다.
도 9a 내지 도 9d는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 시험 사진이다.
도 10은 지진가속도 계측센서의 정밀 오차 측정 장치의 한국기계연구원의 시험성적서이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 과제는 지진ㆍ화산재해대책법 관련 행정안전부 고시 지진관측설비 성능검사 기준을 만족하는 규격의 "지진가속도 계측센서의 오차 정밀 검정 시스템"을 중소벤처기업부의 연구개발과제의 일부로 제출된 것입니다.
지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차측정장치는 지진ㆍ화산재해대책법관련 행정안전부 고시 “지진가속도계측기 설치 및 운영기준”의 지진가속도센서 적합성능시험항목을 성능검사할 수 있는 테스터기 개발하였다.
"지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차 측정 장치"의 연구 과제의 일부로써, "지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치"는 다음과 같은 특징을 갖는다.
·검정시험에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측기의 가속도 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 측정
·행정안전부 성능검사 기준을 만족하는, 지진가속도 계측센서의 오차 정밀 측정
·행정안전부 성능검사 기준을 만족하는, 지진가속도 계측센서의 오차 정밀 측정
삭제
·검정용 기울임 테이블의 180°회전 및 경사각 분해능 1 mrad(=0.05°정밀조정
본 발명의 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는 지진가속도계측센서 정밀 검정 시험에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측센서의 가속도 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 정밀 측정하며, 행정안전부 성능검사 기준을 만족하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(amplitude linearity)를 측정하는 장치를 제공하며, 지진가속도 선형성(상대 중력, 절대 중력의 선형성), 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비 정확도 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정한다.
지진가속도 계측센서 출력전압 선형성 측정 장치는 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 및 기울임 테이블(고정밀 평판 플레이트)의 수평 조정을 피드백제어 모터를 통해 조절하며, 각 축 방향 센서 및 정밀 수준기를 부착하여 콘트롤러에서 정확한 각도 및 수평도가 정밀 조정된다.
지진가속도 계측센서 출력전압 선형성 측정 장치는 지역별 중력가속도(G)를 기준으로, 지진가속도 계측센서의 가속도 선형성, 횡 감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도의 오차를 동시에 측정한다.
지진가속도 계측센서 출력전압 선형성 측정 장치는 검정(calibration)에 필요한 모든 시험 작업을 자동 조절장치를 통해 제어 및 측정하여 오차를 최소화하고 측정 시간을 단축한다.
CCTV 카메라를 연동 실시간 작동 상황 녹화 및 무인 원격감시로, 시험 감독자가 시험의 진행 경과 및 종료 상태를 알 수 있다.
| 기존 기술(국 내/외) 과 개발 대상 기술의 주요 성능 비교 | |
| 기존 기술 (국내/외) | 개발 대상 기술 |
| - X,Y,Z축 중 한축을 고정한 상태에서 가속도의 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차를 동시 측정 불가 - 기울기테이블 180°회전 불가 - 기울기 각도 수동 조정으로 정확성 부족 - 장치와 지면과의 정확한 수평 조정이 어려움 - 수동 작업에 의한 오차 발생 및 시간 지연 - 원격 감시 및 확인 기능 없음 |
- X,Y,Z축 중 한축을 고정한 상태에서 가속도의 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차를 동시 측정 가능 - 기울기테이블 180°회전 가능 - 기울기 각도 자동조정 및 분해능 1mrad 이내 - 정밀 전자수준기(분해능: 1μrad)로 수평조정 - 자동/정밀 제어로 오차최소화 및 시간단축 - 원격 감시/상태 확인 기능으로 사용자 편리성 |
지진가속도 계측센서(지진 가속도계)는 지진 발생 시, 계측 신호의 X,Y,Z 성분의 가속도를 측정하며, 주파수 응답(가속도 스펙트럼, 속도 스펙트럼, 변위 스펙트럼), 클립 수준(clip level), 출력전압 선형비를 측정한다.
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(amplitude linearity)는 동적 범위(dynamic range) 내에서, 즉 가장 낮은 가속도 레벨로부터 최대 가속도까지 입력 가속도와 출력 전압 사이의 비례 관계의 정확도를 나타내는 수치이다. 일반적인 지진가속도계의 출력 전압 선형비는 1 % 정도이다.
1) 계측성분 : X, Y, Z축 3가지 방향 성분
2) 동적범위(dynamic range) : 120dB를 넘는 조용한 곳에서 지진가속도 센서를 지진가속도기록계와 연결하여 잡음 수준을 측정하고 그 값을 기록한다. 예) 111dB 이하시 (지진가속도기록계 연결측정)
3) 출력전압 선형비(amplitude linearity) : 1g 가속도 범위 내에서 지진가속도 센서의 기울기에 따른 DC 전압의 이론값과 실제 측정값의 오차범위 측정. 예) DC tilting test 오차 : 1% 정도(1.0g 범위에서 측정), 기울기 각도 : 0, 15, 30, 60, 90도
지진가속도 계측센서(지진가속도계)의 출력전압 선형비는 1% 이내를 정상으로, 1% 초과시 불량으로 판단하며, 120dB 이상의 동적 범위(dynamic range) 내에서, 즉 가장 낮은 가속도 레벨로부터 최대 가속도까지 입력 가속도와 출력 전압 사이의 비례 관계의 정확도를 나타내는 수치이다. i) 기울임 테이블을 이용하여 지진가속도 계측센서를 0°~180°까지 기울여 ±1g의 범위 내에서 지진가속도 계측센서의 다양한 크기의 가속도를 가한다. ii) 기울기에 따른, 즉 가속도에 따른 DC 전압의 측정값과 이론값의 오차(DC tilting test 오차)를 계산한다.
4) X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 : 자유장과 시설물 용도에 따라 항목기준을 다르게 하여 적합 여부 판단
5) 출력전압 : 지진가속도 계측센서에 가진하여 최대 출력전압 측정
6) 출력방식 : 지진가속도 계측센서의 감도와 출력전압 측정
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비는 입력되는 지진동의 크기에 대하여 지진가속도 계측센서의 출력전압이 선형적으로 비례하여 응답해야 한다. 표준 규격은 이론적 응답값에서 출력전압 선형비는 1% 이내 이어야 한다.
기울임 테이블(고정밀 평판 플레이트) 상에 지진가속도 계측센서(지진가속도계)를 고정하고, 수평 확인 후, 측정대상 성분의 방향과 테이블의 방향이 직교하도록 지진가속도 계측센서를 설치하며, 지진가속도 계측센서를 장착한 후 수평 상태를 기준으로 정밀하게 180°회전이 가능하여 정적으로 ±1g 범위 내에서 가속도를 측정한다. + 방향은 기울임 테이블(고정밀 평판 플레이트) 상에 지진가속도 계측센서의 위 방향, - 방향은 그 반대 방향을 의미한다.
- 중력가속도 1 g(9.8㎨)는 지진가속도 계측센서의 연직 방향으로 일정하게 작용하고 있으므로, 기울임 테이블을 서서히 기울이면서 0°~180°일정한 각도(예, 10°에 따른 출력전압 선형비가 이론값 대비 1% 이내
- 지진가속도 센서의 정확한 벡터(Vector)성분을 유추 가능한 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차 측정 정확도 시설물1% 이내, 자유장 1%이내
* 개발 제품
- X, Y, Z축 방향 측정을 위한 기울기 조정을 서보 모터를 통해 구동시키며, 부착된 정밀 수준기로 적용 각도 확인, 콘트롤러(제어부)에서 입력 각도 및 수평 조정장치를 적용한 초정밀 자동제어 측정장치 개발
- 출력전압을 이용, 지진 가속도센서의 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시 측정하는 장치 및 제어기술연구
- 자동제어장치 구현을 위한 SW개발
- 센서 교정용 기울기-테이블의 경사각도 조절 분해능 1 mrad(=0.05°) 이내
- 기울임 테이블은 180°회전하면서 1°간격, 회전속도조절, holding time 적용, 출력전압값 취득하여 고품질 지진가속도 센서 식별
- CCTV 녹화용 카메라를 연동 실시간 작동 상황 녹화 및 무인 원격감시를 통해 시험 감독자에게 시험의 진행 경과 및 종료 상태 알림
본 발명에 따른 지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차 측정 장치 연구과제에 일환으로, 도 3a 내지 3c는 국산 및 외산 3축 지진가속도 센서(3축 지진가속도계)의 사진 분해능, 측정 범위, 동적 범위(dynamic range)를 보인 도면이다.
지진가속도 계측센서(지진가속도계)는 1축 지진가속도 센서, 2축 지진가속도 센서, 3축 지진가속도 센서(3축 지진가속도계)를 사용하였다. 지진가속도 계측센서는 지진 발생시 계측 신호의 X,Y,Z 성분의 가속도를 측정하며, 주파수 응답(가속도 스펙트럼, 속도 스펙트럼, 변위 스펙트럼), 클립 수준(clip level), 출력전압 선형비를 측정한다.
지진가속도 계측센서는 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하며, 지진가속도 계측센서는 120 dB 이상 동적 범위(dynamic range), DC ~255 Hz 대역폭, ±2G 측정범위, 출력전압 선형비 1% 이내(Full scale)를 사용하며, 지진가속도 계측센서의 가속도의 출력전압 선형비를 측정한다.
도 4는 본 발명에 따른 지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차 측정 장치 연구과제의 일환으로, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 블럭도이다.
본 발명의 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
주 스핀들(708), 보조 스핀들(711), 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table), 지진가속도 계측센서(710), 전자 정밀 수준기(709), 로터리 테이블 콘트롤러(704)와 조작기(705), 컴퓨터(PC)(703)를 구비하고,
주 스핀들(708) 내에 서버 모터(706)가 구비되며, 상기 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711) 사이에 기울임 테이블로 사용되는 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 전자 정밀 수준기(709)와 지진가속도 계측센서(710)가 구비되며, X, Y, Z축 방향 측정을 위한 기울기 조정을 위해 PC(703)와 연결된 콘트롤러(704)의 회전 각도 제어에 따라 상기 주 스핀들(708)의 상기 서버 모터(706)를 구동하여 상기 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711) 사이에 고정밀 평판 플레이트(730)를 소정 각도씩 회전시키며, 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 지진가속도 계측센서(710) 옆에 위치된 전자 정밀 수준기(709)로 적용각도 확인, 제어부에서 입력각도 및 수평 조정장치를 적용한 초정밀 자동제어하며, 지진가속도 계측센서의 출력전압을 사용하여 지진가속도 계측센서의 가속도의 출력전압 선형성(상대 중력, 절대 중력의 선형성), 횡감도(sensivity) 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시 측정하며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치(700); 및
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러(704)와 연결되고, 지진 발생시, 상기 지진가속도계측센서로부터 취득한 아날로그 진동 신호를 디지털 신호로 변환하는 적어도 하나 이상의 A/D 보드(4개의 NI cDAQ 보드, 24bit)들이 장착되며, 상기 적어도 하나 이상의 A/D 보드(4개의 ADC 보드)에서 처리한 데이터를 계측하여 모니터 화면에 출력하고 음성을 스피커로 송출하며, NeoCon 통신 콘트롤러 제어, Schedule Control 제어, 계측 데이터 각도별 표시, 오차 그래프 표시, 사용자 설정에 따른 기울기 각도 스텝(단계) 제어, 측정 데이터 테이블 및 그래프 표시, USB CAM 영상 저장 및 영상 처리, 측정 결과 리포트 생성 및 저장하며, 모니터와 키보드가 구비되고 X,Y,Z 방향 성분별 각도별 출력전압 계측 데이터를 출력하며, 지진가속도 계측센서(710)의 출력전압 선형비를 측정하는 SW 탑재 처리장치를 포함한다.
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는, 센서 교정용 기울임 테이블의 경사각도 조절 분해능 1 mrad(=0.05°) 이내이며, 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)는 180°회전하면서 예를들면 1°간격 회전속도가 조절되며, holding time 적용하여 상기 지진가속도 계측센서(710)의 출력전압값을 취득하며, 지진가속도 선형성 확보, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비 정확도 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정한다.
지진가속도 계측센서(지진가속도계)(710)는 1축 지진가속도 센서, 2축 지진가속도 센서, 3축 지진가속도 센서의 3가지 종류가 사용되며, 지진가속도 계측센서는 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득한다.
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러(704)와 컴퓨터(703)의 SW 탑재 처리장치가 연결된다.
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
로터리 테이블 콘트롤러의 제어 기능의 하나로써, 콘트롤러(704)에 연결되며, 자동 모드 또는 수동 모드를 설정하고, 수동 모드의 경우 핸들을 사용하여 소정 각도(1/1000°)씩 각도 회전을 제어하는 조작기(705);
상기 콘트롤러(704)와 연결되는 컴퓨터(PC, 노트북)(703), 및 상기 조작기(705)와 연결되며, 상기 PC(703)의 키보드 입력장치로부터 입력된 값(각도변화량, 대기시간, 최대변화각도)은 서버(NI 프로그램)를 통해 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)로 전달되며, 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)는 전달된 입력값으로 상기 주 스핀들(로터리 테이블)(708)을 제어하는 콘트롤러(로터리 테이블 콘트롤러)(704);
PC(703)의 키보드 입력장치에서 값(각도 변화량, 대기시간, 최대 변화각도)을 입력하면 서버(NI 프로그램)는 로터리 테이블 콘트롤러(704)에 명령하며, 상기 콘트롤러(704)에 의해 주 스핀들(로터리 테이블)(708)과 보조 스핀들(711)과 함께 양쪽에 고정밀 평판 플레이트(730)를 고정 후, 상기 고정밀 평판 플레이트(730)의 각도 회전을 제어하는 동적 기계 장치(흔들림 : 0.001, 진직도 : 0.005, 평행도 : 0.006, 직각도 : 0.003, 센터높이 : -0.004)로 사용되는 주 스핀들(NC Rotery Table)(708);
상기 주 스핀들(708) 내부에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)로 입력받은 값으로 정확한 각도로 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)에 맞물린 고정밀 평판 플레이트(730)를 회전시키는 서보 모터(706);
선반 하우징 케이스에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔의 공압으로 회전의 원동력을 사용하는 내부 소형 콤퓨레셔(707);
상기 주 스핀들(708)과 함께 고정밀 평판 플레이트(730)가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 보조 스핀들(Tail Spindle)(711);
상기 주 스핀들(708)과 상기 보조 스핀들(711)에 고정되어 있는 상태에서, 정밀 수준기(709)와 지진가속도 계측센서(710)가 고정 부착되며, 각도 회전이 가능한 기울임 테이블(tilt table)로 사용되며, 지진가속도 계측센서(시험 대상물)(710)가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 고정밀 평판 플레이트(730);
상기 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 구비되며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서(710);
상기 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 구비되고, 상기 지진가속도 계측센서(710) 옆에 고정 부착되며, 정밀도 : 0.020 mm/m (5 arcsec), 측정범위 : ±45°(표준) / ±60°(스페셜)이며, 고정밀 평판 플레이트(730)의 기울기 오차를 확인 장치로 사용되는 전자 정밀 수준기(709)를 포함한다.
전자 정밀 수준기(709)는 고정밀 평판 플레이트(730)의 기울기 오차를 확인 장치이며, 정밀하게 가공된 4면의 표면은 0.020 mm/m (5 arcsec)의 높은 정밀도, ±45°(표준) / ±60°(스페셜) 측정 범위, 안정화 시간(1 sec)을 가진 제품 크기(100 x 75 x 30mm)를 가지며, 버튼을 눌러 디스플레이 상에서 측정 단위를 쉽게 선택/변경 가능하며, 베이스 길이를 임의로 입력하여 측정 가능, 간단한 버튼 클릭만으로 Absolute와 Relative Zero 세팅 가능하다.
소형 콤프레셔(707)는 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔(모터 마력 1/6HP, 접속 구경 1/8인치, 에어생산량 32L/min, 최대 사용압력 6 bar, 소음도 52dB, 탱크 용량 3.5L, 압축 방식 Oil-less 피스톤 방식, 전원 220V/60Hz)의 공압으로 주 스핀들의 서버 모터의 회전의 원동력을 사용한다.
주 스핀들(708)의 소형 콤프레셔(707)의 공압으로 서버 모터(706)를 구동하며, 서보 모터(706)에 의해 보조 스핀들(711) 사이에 고정밀 평판 플레이트(730)가 소정 각도씩 회전되며,
상기 보조 스핀들(711)은 베어링이 내재되어 있으며, 직각도 : 0.008, 흔들림 : 0.003, 센터높이 : +0.005, 주 스핀들과 같은 동적 기능은 제공하지 않는다.
컴퓨터(PC)(703)의 키보드 입력장치로부터 입력 값(각도 변화량, 대기 시간, 최대 변화 각도)을 서버(NI 프로그램)를 통해 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)로 전달되며, 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)는 전달된 입력 값으로 주 스핀들(708)을 제어하며,
자동/수동 모드 변환을 위해 조작기(705)를 사용하여, 수동 모드로 설정된 경우, 수동으로 핸들처럼 콘트롤러(704)와 주 스핀들(708)를 통해 고정밀 평판 플레이트(730)를 수평 위치를 기준으로 + 방향 또는 - 방향으로 소정 각도(예, 1/1000°, 1°)씩 회전시키도록 각도 제어를 한다.
하우징 케이스에 구비되며, 로터리 테이블 콘트롤러(704)에 연결되며, 로터리 테이블 콘트롤러(704)의 제어 기능의 하나로써, 자동 모드/수동 모드를 설정하고, 수동 모드의 경우 핸들을 사용하여 소정 각도(최소 1/1000°, 1°)씩 각도 회전을 제어하는 조작기(705)를 더 포함한다.
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
AC 전원 공급부(713); 및
선반 하우징 케이스 내에 구비되며, 상기 AC 전원 공급부(713)에 연결되며, 적어도 하나 이상의 A/D 보드(NI cDAQ 보드)와 지진가속도 계측센서에 정전압 전원(DC)을 안정적으로 공급하는 고성능 멀티메타(714)를 더 포함한다.
고성능 멀티메타(714)는 출력 수 : 독립 출력 3개, 총 전력 : 80 또는 160W, 리플 및 노이즈 : <350μ, 정확성 : 0.03% +5 mV, 최신 커넥티비티 : USB, LAN, 선택적 GPIB를 사용가능하며, 지진가속도 센서(시험 대상물)에 정전압 전원(DC)을 안정적으로 공급해준다.
적어도 하나 이상의 A/D 보드(NI DAQ 보드)는 지진가속도 계측센서의 출력전압 측정과 신호 샘플링 측정에 사용되며, DC 10V 이하의 전압을 측정하는 24bit/8채널 분해능의 기기를 사용한다.
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
하우징 케이스의 우측 측면에 일칙이 고정되는 이동식 받침대가 있는 회전식 라운드 테이블 상에 구비되며, 상기 받침대 상에 모니터와 키보드, 스피커가 구비된 컴퓨터(703);
선반 하우징 케이스의 하단부의 구비되며, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 전체의 수평을 조절하는 수평 조절좌(747);
하우징 케이스의 하단부에 4대의 수평 조절좌(747)가 구비된 선반 하우징 케이스를 더 포함한다.
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
수직 지지대와 수평 방향 지지대에 구비된 녹화용 카메라(701)를 더 포함하며, 상기 카메라(701)는 비전인식 보드(frame grabber, GigE 보드, IEEE 1394)를 통해 컴퓨터(PC)(703)에 연결되며,
수직 지지대와 수평 방향 지지대에 구비된 녹화용 카메라(701)와 비전인식 보드(frame grabber, GigE 보드, IEEE 1394)를 통해 연동된 컴퓨터(PC)와 연결되어 계측 영상 및 데이터를 백업 저장하는 내부 영상처리용 모듈(740)을 더 포함하며,
상기 영상처리용 모듈(740)은 적어도 하나 이상의 A/D 보드(NI cDAQ 보드)에서 서버(NI 프로그램)로 전달된 데이터는 가공되어 영상처리용 모듈을 통해 설정된 해상도에 따라 출력장치로 전달하는 그래픽 카드를 사용한다.
상기 녹화용 카메라(701)는 상기 컴퓨터(PC)의 서버(NI 프로그램)로부터 시험시작 명령이 입력되면, 고해상도로 영상을 촬영하기 시작하고, 시험종료 명령이 입력될까지의 녹화된 영상 데이터를 다시 서버(NI 프로그램)로 전달한다.
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는 지진가속도 계측센서(시험센서) 보호 및 시험의 안정성 확보하도록 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 손잡이(732)를 사용하여 개폐가 가능한 투명한 시험품 보호커버를 더 포함한다.
단자함(712)은 지진가속도 계측센서(710)의 X,Y,Z축 성분별 X+, X-, Y+, Y-, Z, DC+, DC- 단자를 구비하여 연결된다.
컴퓨터의 SW 탑재처리장치(화면 표시, 음성송출)는 지진가속도 계측센서(710)와 단자함(712)을 통해 연결된 각각의 A/D 보드(4대의 NI cDAQ 보드, 24bit/8채널)(715)에서 처리한 데이터를 계측 및 가공하여 화면에 출력하고 음성을 스피커로 송출하는 출력장치(모니터, 스피커)로 전달하며, NeoCon 통신 콘트롤러 제어, Schedule Control 제어, 계측 데이터 각도별 표시, 오차 그래프 표시, 사용자 설정에 의한 각도 스텝(단계) 제어, 측정 데이터 테이블 및 그래프 디스플레이(Measuring Data table & Graph display), USB CAM 영상 처리(capture, 동영상 저장), 계측 결과 리포트 생성 기능을 제공한다.
도 5는 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)의 지진가속도 계측센서와 단자함을 통해 연결되는 A/D 보드부(4개의 NI cDAQ보드, 24bit/8개 채널)의 구성과 동작을 보인 도면이다.
제조사마다 지진가속도 계측센서의 출력 전압(DC 5V, DC 10V)이 각각 다르므로, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 X,Y,Z축 방향 성분별 0~90° 구간의 소정 각도별 sin 값에 따른 출력 전압값이 제조사가 제시한 calibration sheet의 제시된 이론값과 실제 계측값의 비율인 지진가속도 계측센서의 출력전압 전압 선형비가 1% 이내의 "정상"인지, 또는 1% 초과 "불량"인지를 측정하기 위해 ADC보드를 사용한다.
실시예에서는, 지진가속도 계측센서는 3축 지진가속도 센서를 사용하였으며, A/D 보드부는 4개의 24bit ADC보드(NI cDAQ보드, 8채널)를 사용하였다. ADC 보드는 지진 신호의 측정, 저장 및 PC의 서버로 전송한다. 하나의 A/D 보드는 하나의 지진가속도 센서가 연결된다.
지진가속도 계측센서(seismic acceleration sensor)는 120 dB 이상 동적 범위, DC ~255 Hz 대역폭, ±2G 측정범위, 출력전압 선형비 1% 이내(Full scale), 성분간 감도 오차 1% 이내(Full scale), 작동 온도 -40~60℃, 입력 전원 9~36V DC, 소비 전력 1.1 Watt를 사용하였다.
각각의 ADC 보드는 120 dB 이상 동적범위, 8채널(채널수), A/D 컨버터 분해능 A/D Resolution 24bit 또는 32 bit, 통신 매체(RS232, RS422, RS485, UDP, TCP/IP), 샘플링(10KHz, 1KHz, 200Hz, 100Hz, 50Hz, 20Hz, 10Hz, 5Hz), 사용 온도(-40 ~ 85℃)을 사용한다. 각각의 ADC 보드는 TCP/IP 통신 및 시리얼 통신(RS-232C 등)을 지원한다.
A/D 보드부(4개의 A/D 보드(NI cDAQ 보드): 24bit/8채널)는 지진 발생시 계측되는 지진가속도 계측센서(710)로부터 취득한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 장치이다.
각각의 A/D 보드는 24bit 이상을 사용하며, 각 제조사의 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비를 측정한다.
참고로, 3축 지진가속도 센서가 건물의 x/y/z 축에 정확히 장착된 경우 외부 진동이 없으면 기준 출력은 
이며, 외부 진동에 의해 가속도 성분의 미소 변화량 ΔG가 발생하면 
=0±△
, 
=0±△
, 
=0±△
가 되므로 각각의 변화량 △
, △
, △
의 크기가 임계치를 초과하는 지를 판단하면 지진 발생 여부를 알 수 있다.
컴퓨터(PC, 노트북)(703)의 키보드 입력장치에서 입력된 값(각도변화량, 대기시간, 최대변화각도)은 서버(NI 프로그램)를 통해 콘트롤러(로터리 테이블 콘트롤러)(704)로 전달되며, 콘트롤러(704)는 전달된 입력값으로 주 스핀들(로터리 테이블)을 제어한다.
자동/수동 모드 변환이 가능한 조작기(705)는 수동으로 핸들처럼 소정 각도(최소 1/1000°, 1°)씩 각도 회전이 가능하다.
컴퓨터(PC, 노트북)(703)의 키보드 입력장치에서 입력된 값(각도변화량, 대기시간, 최대변화각도)을 입력하면, 컴퓨터(PC)(703)에 연결된 서버(NI 프로그램)는 로터리 테이블 콘트롤러(704)에 명령하여 로터리 테이블 콘트롤러(704)를 통해 주 스핀들(708)을 제어하며,
주 스핀들(NC Rotery Table)(708)은 흔들림 : 0.001, 진직도 : 0.005, 평행도 : 0.006, 직각도 : 0.003, 센터높이 : -0.004의 스펙을 가지며, 상기 입력된 값으로 정확한 각도로 평판 플레이트를 회전시키는 동적 기계장치이며, 보조 스핀들과 함께 고정밀 평판 플레이트를 양쪽에 고정 후 회전시킨다.
보조 스핀들(Tail Spindle)(711)은 직각도 : 0.008, 흔들림 : 0.003, 센터높이 : +0.005의 스펙을 가지며, 주 스핀들(708)에 연결된 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블)(730)가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 기능을 하며, 베어링이 내재되어 있으며, 주 스핀들(708)과 같은 동적기능(반응형)은 없다.
소형 콤프레셔(707)는 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔(모터 마력 1/6HP, 접속 구경 1/8인치, 에어생산량 32L/min, 최대 사용압력 6 bar, 소음도 52dB, 탱크 용량 3.5L, 압축 방식 Oil-less 피스톤 방식, 전원 220V/60Hz)의 공압으로 회전의 원동력을 사용한다.
고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블)(730)는 주 스핀들과 보조 스핀들에 고정되어 있는 상태에서 지진가속도 계측센서(시험 대상물)이 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 장치이다.
카메라(701)는 녹화용 CCTV 카메라로서, 컴퓨터(PC, 노트북)에 연결된 서버(NI 프로그램)로부터 시험시작 명령이 입력되면, 고해상도로 촬영을 시작하고, 시험종료 명령이 입력될까지의 녹화된 영상을 다시 서버(NI 프로그램)로 전달한다.
수직 지지대와 수평 방향 지지대(720)에 구비된 녹화용 카메라(701)는 비전인식 보드(frame grabber, GigE 보드, IEEE 1394)를 통해 컴퓨터(PC, 노트북)(703)에 연결되며,
수직 지지대와 수평 방향 지지대(720)에 구비된 녹화용 카메라(701)와 비전인식 보드(frame grabber, GigE 보드, IEEE 1394)를 통해 연동된 컴퓨터(PC)와 연결되어 계측 영상 및 데이터를 백업 저장하는 내부 영상처리용 모듈(740)을 사용하며,
영상처리용 모듈(740)은 A/D 보드(NI cDAQ 보드, 24bit/8채널)에서 서버(NI 프로그램)로 전달된 데이터는 가공되어 영상처리용 모듈(740)을 통해 설정된 해상도에 따라 출력장치(모니터)로 전달하여 출력한다.
컴퓨터의 모니터는 지진가속도 계측센서의 각도별 계측 데이터와 출력전압 선형비의 그래프, 카메라의 영상 데이터를 화면에 출력한다.
하우징 케이스는 하단부에 장비 전체의 수평을 조절하는 수평 조절좌를 구비한다.
도 6은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러와 단자함 상의 주 스핀들과 보조 스핀들 사이에 기울임 테이블(tilt table, 고정밀 평판 클레이트) 상에 고정된 지진가속도 계측센서의 각도 회전을 보인 사진이다.
도 7은 지진가속도 계측센서의 정밀 오차 측정 장치의 사진이다.
도 8은 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 일 예를 보인 도표이다.
지진가속도 계측센서는 지진을 감지한 아날로그 신호를 계측하고, 감지한 아날로그 신호를 기록계가 디지털로 변환시킨다.
지진가속도 계측센서는 1축 지진가속도 센서, 2축 지진가속도 센서, 3축 지진가속도 센서의 3가지 종류가 사용되며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득한다.
지진가속도 계측센서가 문제가 생기면 계측된 값이 모두 비정상이 된다.
지진가속도 계측센서 성능의 가장 중요한 부분이 출력전압 선형비와 선형성 이다.
행정안전부고시 2018-72호(지진가속도계측기 설치 및 운영기준)에 따라 적합성능인증기준이 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비 1% 이내로 고시되어 있다.
고품질 지진가속도 계측센서를 선별하여, 지진 발생시 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1% 이내 정상/불량을 확인하기 위해 개발된 테스터기 이다.
제조사마다 지진가속도 계측센서의 출력 전압(DC 5V, DC 10V)이 각각 다르므로, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 X,Y,Z축 방향 성분별 0~90° 구간의 소정 각도별 sin 값에 따른 출력 전압값이 제조사가 제시한 calibration sheet의 제시된 이론값과 실제 계측값에 의해 지진가속도 계측센서의 출력전압 전압 선형비가 1% 이내의 "정상"인지, 또는 1% 초과 "불량"인지를 측정하기 위해 24bit ADC보드를 사용하였다.
도 9a 내지 도 9d는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 시험 사진이다. 도 9c 및 9d는 지진가속도 계측센서 자체 기본 전압(예, DC 4.997V) 일때, X, Y 축 방향 성분별 0 ~ 90°, 0 ~ -90° 각도별 출력전압(이론값, 계측 값), 출력전압 선형비를 보인 그래프이다. X축, Y축 테스트 종료 후, Z축은 180°만 측정한다. 이론값은 2G가 적용되므로, 지진가속도 계측센서 자체 기본 전압(ex DC 5V)의 2배인 DC 10V가 되면 정상이다.
지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 시험 방법은 지진가속도 계측센서 자체 기본 전압(예, DC 4.997V)을 0~90° 틸팅시 해당 각도별 sin값을 이론값으로 정한다.
- 1성분(Y축) : Y축을, +방향으로 0~90°, -방향으로 0~90° 테스트한다.
- 2성분(X,Y축) : X축을, +방향으로 0~90°, -방향으로 0~90° 테스트한다. 고정된 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)를 시계방향으로 90° 회전후, Y축을 동일한 방법으로 테스트한다.
- 3성분(X,Y,Z축) : X축을, +방향으로 0~90°, -방향으로 0~90° 테스트한다. 고정된 평판 플레이트(기울임 테이블)를 시계방향으로 90° 회전 후 Y축을 동일한 방법으로 테스트한다.
Z축은 Y축 테스트 종료 후 180°만 측정한다. 이론값은 2G가 적용되므로, 지진가속도 계측센서 자체 기본 전압(ex DC 5V)의 2배인 DC 10V가 되면 정상이다.
* 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(선형성) 1%
평판 플레이트의 초기 평평한 면을 기준으로 0 ~ + 90° 위방향(+ 방향)으로 주 스핀들과 보조 스핀들의 축을 중심으로 소정 각도씩 회전시, 또는 그 반대 (-)방향으로 소정 각도씩 회전시에,
+ 방향에서 각도별 이론값 대비 취득된 계측값을 백분율로 환산 후 총합의 평균이 대비 1% 이내인지? 확인하여, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비는 1%이내 정상, 1% 초과시 불량으로 판정한다.
- 방향에서 각도별 이론값 대비 취득된 계측값을 백분율로 환산 후 각도별 총합의 평균이 대비 1% 이내인지? 확인하여, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비는 1%이내 정상, 1% 초과시 불량으로 판정한다.
즉, 1성분 지진가속도 계측센서는 Y축을 +방향, -방향으로 각각 테스트 후 +방향, -방향 어느 한 방향이라도 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1% 초과시 불량판정한다.
2성분 지진가속도 계측센서는 X축을 +방향, -방향으로 각각 테스트 후 +방향, -방향 어느 한 방향이라도 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1% 초과시 불량판정한다. Y축을 동일한 방법으로 평가한다.
3성분 지진가속도 계측센서는 X축을 +방향, -방향으로 각각 테스트 후 +방향, -방향 어느 한 방향이라도 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1%초과시 불량판정한다. Y축과 Z축을 동일한 방법으로 평가한다.
결론적으로 지진가속도 계측센서의 X,Y,Z축 성분별, +, -방향별 모두 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1% 이내 인 경우만 정상으로 판단한다.
본 발명의 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는 지진가속도센서 정밀 검정 시험에 필요한 수평/수직/회전 구조를 겸비하여 지진가속도 계측센서의 가속도의 선형성, 횡감도 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차를 동시에 정밀 측정하며, 행정안전부 성능검사 기준을 만족하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(amplitude linearity)를 측정하는 장치를 제공하며, 지진가속도 센서의 선형성, 출력전압 선형비 정확도 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정하게 되었다.
본 과제는 지진가속도 센서의 출력전압 선형비, 가속도 선형성 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 동시측정방법 연구에 따라 신뢰성을 확보하며, 지진가속도 계측센서의 가속도 선형성 및 X, Y, Z축 방향 성분간 감도 오차 정밀측정으로 고품질 지진가속도 계측센서 식별 방법을 구현하였다.
지진발생 시, 지진가속도 센서로부터 초정밀 계측데이터 취득이 가능하여, 계측된 가속도 값으로 시설물의 안전성평가 및 대응수준을 결정용 데이터로 사용 및 지진피해 추정을 위한 입력값으로 사용된다.
이는 지진 응답스펙트럼에 관한 DB구축을 통해 내진설계 제정/개정의 근거자료로 사용된다.
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.
700: 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치
701: 카메라 702: 프레임그래버, GigE, IEEE1394
703: 컴퓨터(PC, 노트북) 704: 콘트롤러
705: 조작기 706: 서버 모터
707: 콤프레셔 708: 주 스핀들
709: 정밀 수준기 710: 지진가속도 계측센서
711: 보조 스핀들 712: 단자함
713: AC 전원공급부 714: 고성능 멀티 메타
715: A/D 보드부(4개의 NI cDAQ 보드)
720: 수직 지지대와 수평 방향 지지대
730: 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)
732: 손잡이
740: 영상 처리용 모듈
747: 수평 조절좌
701: 카메라 702: 프레임그래버, GigE, IEEE1394
703: 컴퓨터(PC, 노트북) 704: 콘트롤러
705: 조작기 706: 서버 모터
707: 콤프레셔 708: 주 스핀들
709: 정밀 수준기 710: 지진가속도 계측센서
711: 보조 스핀들 712: 단자함
713: AC 전원공급부 714: 고성능 멀티 메타
715: A/D 보드부(4개의 NI cDAQ 보드)
720: 수직 지지대와 수평 방향 지지대
730: 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블, tilt table)
732: 손잡이
740: 영상 처리용 모듈
747: 수평 조절좌
Claims (16)
- 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치; 및
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 콘트롤러와 연결되고, 지진 발생시, 상기 지진가속도 계측센서로부터 취득한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 적어도 하나 이상의 A/D 보드들이 장착되며, 상기 적어도 하나 이상의 A/D 보드에서 처리한 데이터를 계측하여 모니터 화면에 출력하며, 통신 콘트롤러 제어, 계측 데이터 각도별 표시, 기울기 각도 스텝 제어, 측정 데이터 테이블 및 그래프 표시, 카메라 영상 저장 및 영상 처리, 측정 결과 리포트 생성 및 저장, X,Y,Z 방향 성분별 각도별 출력전압 계측 데이터를 출력하며 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비를 측정하는 컴퓨터의 SW 탑재 처리장치를 포함하며,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
상기 콘트롤러(704)와 연결되는 컴퓨터(PC)(703), 및 조작기(705)와 연결되며, 상기 PC(703)의 키보드 입력장치로부터 입력된 각도변화량, 대기시간, 최대변화각도 값은 서버(NI 프로그램)를 통해 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)로 전달되며, 상기 로터리 테이블 콘트롤러(704)는 전달된 입력값으로 주 스핀들(로터리 테이블)(708)을 제어하는 콘트롤러(로터리 테이블 콘트롤러)(704); 컴퓨터(PC)(703)의 키보드 입력장치에서 값(각도 변화량, 대기시간, 최대 변화각도)을 입력하면 서버(NI 프로그램)는 로터리 테이블 콘트롤러(704)에 명령하며, 상기 콘트롤러(704)에 의해 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)과 함께 양쪽에 고정밀 평판 플레이트(730)를 고정 후, 상기 고정밀 평판 플레이트(730)의 각도 회전을 제어하는 동적 기계 장치(흔들림 : 0.001, 진직도 : 0.005, 평행도 : 0.006, 직각도 : 0.003, 센터높이 : -0.004)로 사용되는 주 스핀들(NC Rotery Table)(708); 상기 주 스핀들(708) 내부에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)로 입력받은 값으로 정확한 각도로 주 스핀들(708)과 보조 스핀들(711)에 맞물린 고정밀 평판 플레이트(730)를 회전시키는 서보 모터(706); 선반 하우징 케이스에 구비되며, 상기 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔의 공압으로 회전의 원동력을 사용하는 내부 소형 콤프레셔(707); 상기 주 스핀들(708)과 함께 고정밀 평판 플레이트가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 보조 스핀들(711); 상기 주 스핀들(708)과 상기 보조 스핀들(711)에 고정되어 있는 상태에서, 정밀 수준기(709)와 지진가속도 계측센서(710)가 고정 부착되며, 각도 회전이 가능한 기울임 테이블(tilt table)로 사용되며, 지진가속도 계측센서(710)가 상하좌우로 움직이지 않도록 고정하는 고정밀 평판 플레이트(730); 및 상기 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 구비되며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는 지진가속도 계측센서(710)를 포함하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서는 1축 지진가속도 센서, 2축 지진가속도 센서, 3축 지진가속도 센서를 사용하며, 상기 지진가속도 계측센서는 120 dB 이상 동적 범위, DC ~255 Hz 대역폭, ±2G 측정범위, 출력전압 선형비 1% 이내(Full scale)를 사용하며, 지진 발생시 X,Y,Z축 성분의 아날로그 진동 신호를 취득하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
주 스핀들 내에 서버 모터가 구비되며, 상기 주 스핀들과 보조 스핀들 사이에 기울임 테이블로 사용되는 고정밀 평판 플레이트 상에 전자 정밀 수준기와 지진가속도 계측센서가 구비되며, X, Y, Z축 방향 측정을 위한 기울기 조정을 위해 PC와 연결된 콘트롤러의 회전 각도 제어에 따라 상기 주 스핀들 내의 상기 서버 모터를 구동하여 상기 주 스핀들과 상기 보조 스핀들 사이에 상기 고정밀 평판 플레이트를 소정 각도씩 회전시키며, 상기 지진가속도 계측센서 옆에 위치된 상기 전자 정밀 수준기로 적용각도 확인, 상기 콘트롤러에서 입력각도 및 수평 조정장치를 적용한 초정밀 자동제어하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 주 스핀들(708)의 소형 콤프레셔(707)의 공압으로 서버 모터(706)를 구동하며, 서보 모터(706)에 의해 보조 스핀들(711) 사이에 고정밀 평판 플레이트(730)가 소정 각도씩 회전되며,
상기 보조 스핀들(711)은 베어링이 내재되어 있으며, 직각도 : 0.008, 흔들림 : 0.003, 센터높이 : +0.005, 상기 주 스핀들과 같은 동적 기능은 제공하지 않는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고정밀 평판 플레이트(730) 상에 구비되고, 상기 지진가속도 계측센서(710) 옆에 고정 부착되며, 정밀도 : 0.020 mm/m (5 arcsec), 측정범위 : ±45°(표준) / ±60°(스페셜)이며, 고정밀 평판 플레이트의 기울기 오차를 확인 장치로 사용되는 전자 정밀 수준기(709)를 더 포함하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 전자 정밀 수준기(709)는 고정밀 평판 플레이트(730)의 기울기 오차를 확인 장치이며, 정밀하게 가공된 4면의 표면은 0.020 mm/m (5 arcsec)의 정밀도, ±45°(표준) / ±60°(스페셜) 측정 범위, 안정화 시간(1 sec)을 가진 제품 크기(100 x 75 x 30mm)를 가지며, 버튼을 눌러 디스플레이 상에서 측정 단위를 쉽게 선택/변경 가능하며, 베이스 길이를 임의로 입력하여 측정 가능, 간단한 버튼 클릭만으로 Absolute와 Relative Zero 세팅 가능한 것을 특징으로 하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 콤프레셔(707)는 상기 주 스핀들(708)의 무진동 동작을 위해, 전력이 아닌 콤프레셔(모터 마력 1/6HP, 접속 구경 1/8인치, 에어생산량 32L/min, 최대 사용압력 6 bar, 소음도 52dB, 탱크 용량 3.5L, 압축 방식 Oil-less 피스톤 방식, 전원 220V/60Hz)의 공압으로 주 스핀들의 서버 모터의 회전의 원동력을 제공하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
상기 로터리 테이블 콘트롤러에 연결되며, 자동 모드, 또는 수동 모드를 설정하고, 수동 모드의 경우 핸들을 사용하여 소정 각도씩 각도 회전을 제어하는 조작기를 더 포함하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
AC 전원 공급부; 및
하우징 케이스 내에 구비되며, 상기 AC 전원 공급부에 연결되며, 적어도 하나 이상의 A/D 보드와 상기 지진가속도 계측센서에 정전압 전원(DC)을 안정적으로 공급하는 고성능 멀티메타를 더 포함하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
하우징 케이스의 측면에 받침대가 있는 회전식 라운드 테이블 상에 구비되며, 상기 받침대 상에 모니터와 키보드가 구비된 컴퓨터;
상기 하우징 케이스의 하단부에 구비되며, 지진가속도계측센서 정밀 검정용 오차 측정 장치 전체의 수평을 조절하는 수평 조절좌; 및
상기 하우징 케이스의 하단부에 4대의 수평 조절좌가 구비된 하우징 케이스를 더 포함하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
수직 지지대와 수평 방향 지지대에 구비된 녹화용 카메라를 더 포함하며, 상기 카메라는 비전인식 보드를 통해 컴퓨터(PC)에 연결되며,
상기 녹화용 카메라와 상기 비전인식 보드를 통해 연동된 상기 컴퓨터(PC)와 연결되어 계측 영상 및 데이터를 백업 저장하는 내부 영상처리용 모듈을 더 포함하며,
상기 녹화용 카메라는 상기 컴퓨터의 서버(NI 프로그램)로부터 시험시작 명령이 입력되면, 고해상도로 영상을 촬영하기 시작하고, 시험종료 명령이 입력될까지의 녹화된 영상 데이터를 다시 서버(NI 프로그램)로 전달하며,
상기 영상처리용 모듈은 적어도 하나 이상의 A/D 보드(NI cDAQ 보드)에서 서버(NI 프로그램)로 전달된 데이터는 가공되어 영상처리용 모듈을 통해 설정된 해상도에 따라 모니터로 출력하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치는
상기 지진가속도 계측센서의 보호 및 시험의 안정성을 확보하기 위해 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 장치의 손잡이를 사용하여 개폐가 가능한 투명한 시험품 보호커버를 더 포함하는 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 검정용 고정밀 평판 플레이트(기울임 테이블)의 경사각도 조절 분해능 1 mrad(=0.05°) 이내이며, 기울임 테이블은 180°회전하면서 소정각도 간격으로 회전속도가 조절되며, holding time 적용하여 상기 지진가속도 계측센서의 출력전압값을 취득하며, 지진가속도 선형성, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비 1% 이내, 지진가속도 계측센서의 X, Y, Z축 방향 성분간 감도오차 1% 이내 정밀 측정하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비의 시험 방법은 지진가속도 계측센서 자체 기본 전압(예, DC 5V)을 0~90° 틸팅시 해당 각도별 sin값을 이론값으로 정하며,
1성분(Y축): Y축을, +방향으로 0~90°, -방향으로 0~90° 테스트
2성분(X,Y축): X축을, +방향으로 0~90°, -방향으로 0~90° 테스트하며, 고정된 평판 플레이트(기울임 테이블)를 시계방향으로 90° 회전 후, Y축을 동일한 방법으로 테스트
3성분(X,Y,Z축) : X축을, +방향으로 0~90°, -방향으로 0~90° 테스트하며, 고정된 평판 플레이트(기울임 테이블)를 시계방향으로 90° 회전 후 Y축을 동일한 방법으로 테스트,
Z축은 Y축 테스트 종료 후 180°만 측정하고, 이론값은 2G가 적용되는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비(선형성)는
+ 방향에서 각도별 이론값 대비 취득 계측값을 백분율로 환산 후 각도별 총합의 평균이 대비 1% 이내인지? 확인하여, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비는 1%이내 정상, 1% 초과시 불량으로 판정하며,
- 방향에서 각도별 이론값 대비 취득 계측값을 백분율로 환산 후 총합의 평균이 대비 1% 이내인지? 확인하여, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비는 1%이내 정상, 1% 초과시 불량 판정되고,
즉, 1성분 지진가속도 계측센서는 Y축을 +방향, -방향으로 각각 테스트 후 +방향, -방향 어느 한 방향이라도 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1% 초과시 불량판정되며,
2성분 지진가속도 계측센서는 X축을 +방향, -방향으로 각각 테스트 후 +방향, -방향 어느 한 방향이라도 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1% 초과시 불량판정하고, Y축을 동일한 방법으로 평가하며,
3성분 지진가속도 계측센서는 X축을 +방향, -방향으로 각각 테스트 후 +방향, -방향 어느 한 방향이라도 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형비가 1%초과시 불량판정되고, Y축과 Z축을 동일한 방법으로 평가하며,
상기 지진가속도 계측센서의 X,Y,Z축 성분별, +, -방향별 모두 지진가속도 계측센서의 출력전압선형비가 1% 이내 인 경우만 정상으로 판단하는, 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템.
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| KR1020190093011A KR102102997B1 (ko) | 2019-07-31 | 2019-07-31 | 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템 |
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| KR1020190093011A KR102102997B1 (ko) | 2019-07-31 | 2019-07-31 | 지진가속도 계측센서의 출력전압 선형성 측정 시스템 |
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| KR (1) | KR102102997B1 (ko) |
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-
2019
- 2019-07-31 KR KR1020190093011A patent/KR102102997B1/ko active IP Right Grant
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