KR20010105982A - 가속도 센서를 이용한 휴대용 동적 변위 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가속도 센서를 내장하고 있어, 비전문가라고 하더라도 간단하게 휴대하여 구조물의 동적 변위를 측정할 수 있는 특징을 가진 휴대용 동적 변위 측정 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는, 측정 대상 구조물의 진동 가속도를 측정하는 가속도 센서와; 상기 가속도 센서를 통하여 측정된 진동 가속도의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와; 상기 A/D 변환기에 의해 변환된 디지털 가속도 신호를 받아들여 프로그래밍된 알고리즘에 의해 상기 가속도 신호로부터 변위를 계산하는 마이크로 프로세서와; 가속도 측정을 위한 기초 정보를 입력하고 장치의 기본기능을 선택하도록 하는 입력수단과; 장치 전체에 전력을 공급하는 전력 공급 수단을 포함하고 있으며, 상기 가속도 센서, A/D 변환기, 마이크로 프로세서 및 전력 공급 수단이 장치에 모두 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 동적 변위 측정 장치가 제공된다.

본 발명에 의한 장치는, 휴대가 가능하고 보다 손쉽게 변위 측정이 가능하며, 비전문가라 하더라도 간단히 구조물의 변위를 측정할 수 있다.

Description

가속도 센서를 이용한 휴대용 동적 변위 측정 장치{Portable Device for Measuring Dynamic Displacement Using Acceleration-meter}

본 발명은 가속도 센서를 이용한 휴대용 동적 변위 측정 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는, 가속도 센서를 내장하고 있어, 비전문가라고 하더라도 간단하게 휴대하여 구조물의 동적 변위를 측정할 수 있는 특징을 가진 휴대용 동적 변위 측정 장치에 관한 것이다.

교량과 같은 구조물의 성능 변화를 평가하기 위한 기준으로서 구조물의 변위가 매우 적절한 기준으로 인정되고 있으며, 현재 구조물의 안전진단을 위한 재하 시험에서도 구조물의 변위가 가장 신뢰성 있는 기준값으로 활용되고 있다. 이러한 변위의 측정은 대부분의 경우 직접적으로 변위를 측정하는 변위 측정기에 의존하고 있으며, 가속도를 측정하여 이로부터 변위를 도출해내는 방법이 제한적으로 사용되고 있다.

기존의 변위 측정 방법을 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째는 비접촉식 변위 측정 방법으로서 레이저 변위 측정기나 광학식 변위 측정기를 이용하는 방법이다. 레이저 변위 측정기의 경우에는 측정대상에 레이저 발사원을 설치하고, 이 발사원으로부터의 레이저를 별도의 고정점에 설치한 수신기가 수신하여 처리하므로써 변위를 구하는 방식을 취한다. 그러나, 이러한 레이저 변위 측정방식에 사용되는 레이저 측정기는 가격이 매우 높으며 그 무게도 20Kg 이상으로 무겁기 때문에 많은 구조물의 간단한 점검을 위해서 사용하기에는 무리가 있다. 광학식 변위 측정기의 경우에는 타겟을 측정대상에 붙이고, 망원렌즈로 타겟을 포착하여 카메라로 받아들인 후 변위를 구하는 방식을 취한다. 그러나, 광학식 변위 측정기 역시 무겁고 비싸다는 단점이 있다.

두 번째는 접촉식 변위 측정 방법으로서 현재 가장 많이 사용하는 방법이다. 진동하는 측정 대상과 분리되어 있는 고정점을 설치하고, 그 고정점과 측정점 사이에 LVDT와 같은 변위센서를 설치하여 구조물의 변위를 직접 측정한다. 이 경우 고정점은 측정 대상과 수십 센티미터 이내로 설치해야 하는데, 교량과 같이 측정하고자 하는 대상 구조물이 지상에서 높은 곳에 위치한 경우에는 해당 구조물까지 움직이지 않는 고정점을 설치해야 하므로 상당한 비용과 시간이 필요하다. 또한 구조물의 하부에 강이나 도로가 있는 경우에는 고정점을 설치하기가 매우 어렵게 된다. 그에 대한 대안으로 구조물의 하부에 센서를 설치하고, 측정하려는 지점과 센서를 강선으로 연결한 다음에 장력을 도입하여 강선을 팽팽하게 만들어서, 구조물의 진동이 강선을 타고 전달되도록 하여 하부 센서에서 변위를 측정하도록 하는 방법이 일부 사용된다. 그러나, 이러한 방법에서는 약간의 바람만 불어도 강선이 흔들리므로 측정값을 신뢰하기가 어렵다는 문제점이 있다.

상기한 문제점으로 인해 근래에는 변위를 직접 측정하는 대신에, 측정이 용이한 가속도를 측정하고, 측정된 가속도로부터 변위를 간접적으로 도출하여 변위를 측정하는 방법이 일부 사용되고 있다. 그러나 위와 같은 방법을 쓰더라도 가속도의 측정만으로 즉시 변위가 도출되는 것이 아니라, 측정된 가속도 신호를 2번 적분을 하여야 변위가 도출이 된다. 따라서, 실질적으로 이와 같은 가속도 센서를 이용하여 변위를 구하기 위해서는, 측정된 가속도 신호를 컴퓨터를 이용하여 디지털화 및 적분하는 과정을 거쳐야 되어야 하는데, 이러한 과정은 전체적인 프로세스를 잘 알고 있는 전문가가 아니라면 해낼 수 없는 일이다.

또한 가속도 신호의 적분과 같은 복잡한 작업은 작업 현장에서 즉시 이루어지기가 용이하지 않으므로, 작업 현장에서 곧바로 변위를 구할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된것으로서, 간편하게 휴대할 수 있으며 비전문가라고 하더라도 용이하게 작업 현장에서 즉시 구조물의 변위를 구할 수 있는 휴대 가능한 동적 변위 측정 장치를 제안하는 것을 발명의 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 배터리로 작동하고, 가속도 센서를 내장하고 있으며, 내장된 가속도 센서를 이용하여 측정한 가속도 값을 적분하여 변위를 구할 수 있는 소프트웨어와 하드웨어를 하나의 장치 안에 구비하고 있는 휴대용 동적 변위 측정 장치가 제안된다.

구체적으로, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 측정 대상 구조물의 진동 가속도를 측정하는 가속도 센서와; 상기 가속도 센서를 통하여 측정된 진동 가속도의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와; 상기 A/D 변환기에 의해 변환된 디지털 가속도 신호를 받아들여 프로그래밍된 알고리즘에 의해 상기 가속도 신호로부터 변위를 계산하는 마이크로 프로세서와; 가속도 측정을 위한 기초 정보를 입력하고 장치의 기본기능을 선택하도록 하는 입력수단과; 장치 전체에 전력을 공급하는 전력 공급 수단을 포함하고 있으며, 상기 가속도 센서, A/D 변환기, 마이크로 프로세서 및 전력 공급 수단이 장치에 모두 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 동적 변위 측정 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 휴대용 동적 변위 측정 장치는, 상기 가속도 센서를 통하여 측정된 진동 가속도의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, 산출된 변위를 출력하는 출력수단이 더 구비될 수 있으며, 이러한 A/D 변환기와 출력수단 역시 측정장치에 모두 내장되어 있어 일체화된 장치를 구성하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 마이크로 프로세서는, 측정된 진동 가속도로부터 변위를 계산하는 수치해석 모듈과, 수치해석을 위하여 적분하는 과정에서 발생하게 되는 적분상수의 영향을 제거하기 위한 트렌드 제거 모듈과, 가속도 신호에서 불필요한 잡음 성분을 제거하는 필터링 모듈과, 측정장치를 초기화시키는 조정 모듈을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 휴대용 동적 변위 측정장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 가속도 센서 12 A/D 변환기

13 마이크로 프로세서 14 입력수단

15 출력수단 16 전원

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 휴대용 동적 변위 측정 장치의 일시예에 대하여 살펴보므로써, 본 발명에 따른 휴대용 동적 변위 측정 장치의 구성을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

구조물의 진동 가속도는 가속도 센서(11)에 의하여 측정된다. 본 발명에서는 상기 가속도 센서(11)가 장치의 내부에 내장되므로, 장치의 휴대가 가능하게 된다. 본 발명에 사용되는 가속도 센서는, 소형화를 위해 마이크로머시닝 기술로 제작된 가속도 센서를 사용하는 것이 바람직하며, 중력방향과 수직방향의 가속도를 모두 측정할 수 있는 것이 바람직하다.

마이크로 프로세서에서의 신호처리를 위해서는, 가속도 센서(11)가 감지한 구조물의 가속도 신호가 디지털 값으로 변환되어야 하므로, 가속도 센서(11)에 의하여 측정된 가속도 신호를 디지털 값으로 변환시키기 위한 A/D 변환기(12)가 구비된다. 상기 A/D 변환기(12)는 가속도 센서(11)가 감지된 가속도 신호를 아날로그 신호로 출력하는 경우에 필요한 것이며, 만일 가속도 센서(11)가 감지된 가속도 신호를 자체적으로 디지털 신호로 바꾸어 출력한다면, 별도의 A/D 변환기(12)는 필요하지 않다.

상기 A/D 변환기(12)에 의해 또는 가속도 센서(11) 자체에 의하여 디지털 신호로 바뀐 가속도 신호로부터 변위를 구하는 작업은 마이크로 프로세서(13)에서 이루어진다. 상기 마이크로 프로세서(13)는, 주변기기의 초기화 및 조정하는 작업을 하는 조정 모듈, 가속도 신호에 포함되어 있는 잡음과 같은 불필요한 성분을 제거하기 위한 필터링 모듈, 가속도 신호로부터 변위를 계산해내는 수치해석 모듈, 수치적분을 행할 때 발생하게되는 적분상수의 영향을 제거하기 위한 트렌드(trend) 제거 모듈을 포함한다.

신호처리 과정을 순차적으로 설명하므로써, 본 발명에 구비된 각각의 구성요소에 대하여 살펴본다. A/D 컨버터(12)에 의해 디지털화된 가속도 신호를 a(t)라고 할 때 a(t)는 장치 내분의 문제나 측정 당시의 상황에 따라 잡음 신호를 함께 가지고 있을 수 있기 때문에, 측정된 신호에서 순수한 가속도 신호만을 추출할 필요가 있다. 특히 본 발명에서는 가속도 신호를 2번 적분해야 최종 변위가 얻어지므로, 프로세싱될 가속도 신호에 잡음이 끼어있게 되면 적분을 할수록 오차가 누적되므로 잡음 성분의 제거는 대단히 중요한 작업이다. 순수한 가속도 신호를 추출하는 작업은 마이크로 프로세서(13)내의 필터링 모듈에서 수행된다. 일반적으로 가속도 신호는 예측된 주파수 범위 내에 존재하고 잡음 신호는 이보다 고주파인 경우가 많고 저주파 대역에도 존재한다. 따라서, 필터링 모듈에서는, 특정 부분 주파수 대역만의 신호를 통과시키고 저주파 신호와 고주파 신호를 제거하는 밴드 패스 필터를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 필터링 모듈을 통과한 가속도 신호를 a₂(t)라 할 때, 가속도 신호 a₂(t)에 상수 성분이 끼여있게 되면 적분한 속도 성분에는 1차 직선 형태의 이동(linear shift)이 나타나고, 변위에서는 2차 곡선 형태의 이동(parabolic shift)이 나타나게 된다. 따라서 이러한 트렌드를 제거하기 위해서는 가속도 신호의 평균값을 0으로 하는 트렌드 제거 작업을 할 필요가 있다. 이 작업은 상기 트렌드 제거 모듈에서 이루어진다.

필터링을 통해 잡음을 제거한 후에는 변위를 도출하기 위해 적분 작업이 이루어진다. 적분을 하기 위한 알고리즘으로는 사다리꼴 공식 등과 같은 일반적인 수치해석 알고리즘을 사용할 수 있다. 트렌드 제거 모듈에 의하여 트렌드 제거 작업을 거친 가속도 신호를 a₃(t)라 하면, 가속도 신호 a₃(t)의 1차 적분을 통하여 속도에 관한 신호 v(t)가 산출된다. 이를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같다.

여기서, a는 가속도 신호, v는 속도 신호, t는 시간이다.

상기 수학식 1과 같은 과정을 통해 얻어진 속도신호 v(t)는 적분전의 가속도 신호와 마찬가지로 상수를 가지고 있게 된다. 이와 같은 적분 상수는 향후 v(t) 성분을 다시 한번 적분해서 변위를 구할 때 오차를 일으키게 만든다. 따라서 상기가속도 신호에서와 마찬가지로, 트렌드 제거 모듈을 이용하여, 속도신호의 평균을 0으로 만들어주는 트렌드 제거 작업을 다시 한번 수행하는 것이 바람직하다.

트렌드 제거 작업을 거친 후의 속도 신호는 v₁(t)라고 하면, 상기 속도 신호 v₁(t)을 수치적분 모듈에 의하여 다시 한번 적분함으로써 최종적으로 변위를 구하게 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, s는 변위, v는 속도 신호, t는 시간이다.

산출된 변위는 시간의 함수 즉, s(t)로 표현되는데, 구조물의 성능 평가에 있어서는, 변위의 함수뿐만 아니라, 최대 변위값도 중요하므로, 마이크로 프로세서(13)는 필요에 따라서, 위의 수학식 2에 의하여 구해진 변위 함수로부터 최대 변위값을 구하게 된다.

절대 변위를 산정하기 위해서는, A/D 변환기(12), 후술하는 입출력수단(14, 15) 등의 주변기기를 초기화하여야 하는데, 측정 대상 구조물의 변위, 속도, 가속도가 0인 순간에 주변기기를 초기화시킨다. 이러한 주변기기의 초기화 조정 작업은, 마이크로 프로세서(13)에 포함되어 있는 조정모듈에 의하여 행해진다. 절대 변위를 산정하는 경우, 마이크로 프로세서(13)는 주변기기들을 모두 초기화시킨 후, 그 뒤에 입력된 신호를 처리하여 변위를 구하게 된다.

상대 변위를 산정하기 위해서는, 현재 가속도 신호를 초기값으로 사용하여,시작할 때의 초기 변위와의 상대적인 변위를 구하게 된다.

본 발명의 장치에는, 변위 측정 작업에 필요한 기초적인 정보를 입력하고, 사용자가 원하는 기능을 선택할 수 있도록 하는 입력수단(14)이 구비된다. 입력수단(14)으로는 통상적인 키보드를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에는, 측정된 변위를 사용자에게 출력하는 출력수단(15)이 구비되는데, 측정된 변위의 파형이나 최대값, 또는 기초적인 정보를 입력하기 위한 각종 메뉴들이 출력수단(15)을 통하여 디스플레이된다. 휴대할 수 있도록 한다는 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 출력수단(15)으로서 부피가 작고 가벼운 디스플레이 수단인 LCD 디스플레이를 사용하는 것이 바람직하다.

전체 장치의 구동에 필요한 전원(16)이 구비되는데, 휴대할 수 있도록 하기 위하여, 상기 전원(16)으로서, 장치에 내장되거나 또는 장치와 함께 휴대할 수 있는 배터리를 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 구성을 가진 본 발명의 휴대용 동적 변위 측정장치는, 장치에 내장된 가속도 센서에 의하여 측정된 가속도 신호로부터 구조물의 변위를 측정할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에 의한 휴대용 동적 변위 측정장치는, 가속도 센서가 장치 내부에 내장될 수 있으며, 측정된 가속도 신호로부터 변위를 구하는 일련의 프로세스가 장치 내부에 구비된 마이크로 프로세서의 각 모듈에 의하여 이루어지므로, 전체적인 구성요소가 하나의 장치 내에 구비되어 단일의 장치로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 의한 휴대용 동적 변위 측정장치는, 기존의 변위 측정장치와는 달리 휴대가 가능하며, 고정점을 잡아야 하는 것과 같은 수고스러움 없이 간단하게 변위를 측정할 수 있으므로, 구조물의 간단한 점검을 할 때 특히 유용하다.

또한, 가속도의 측정부터 변위의 계산까지 모두 일체화된 장치에 의해 이루어지므로 가속도로부터 변위를 구하는 전문적인 프로세스를 모르는 비전문가라 하더라도 변위를 용이하게 측정할 수 있다.

그 뿐만 아니라, 입출력 수단도 장치에 모두 구비하게 되므로, 측정된 변위를 현장에서 즉시 확인할 수 있어 매우 편리하다. 본 발명에 의한 장치는, 변위 측정장치 뿐만 아니라, 간단한 신호 수집기로도 활용될 수 있다.

이상에서는, 본 발명의 구성을 일 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 자유로운 변형과 개선이 가능하다는 점을 분명하게 밝혀둔다.

Claims (3)

1. 측정 대상 구조물의 진동 가속도를 측정하는 가속도 센서(11)와;

   상기 가속도 센서(11)에 의하여 측정된 가속도 신호를 받아 들여 변위를 산출하는 마이크로 프로세서(13)와;

   가속도 측정을 위한 기초 정보를 입력하고 장치의 기본 기능을 선택하도록 하는 입력수단(14)과;

   산출된 변위를 출력하는 출력수단(15)과;

   전력을 공급하는 전원(16)을 포함하고 있으며,

   상기 가속도 센서(11), 마이크로 프로세서(13), 입력수단(14), 출력수단(15) 및 전원(16)이 하나의 장치에 모두 내장되어 있어, 일체화된 장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 휴대용 동적 변위 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가속도 센서(11)를 통하여 측정된 진동 가속도의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(12)와, 산출된 변위를 출력하는 출력수단(15)을 더 구비하고 있으며;

   상기 A/D 변환기(12)와 출력수단(15)도 장치에 모두 내장되어 있어 일체화된 장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 휴대용 동적 변위 측정장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로 프로세서(13)는, 측정된 진동 가속도로부터 변위를 계산하는 수치해석 모듈과;

   수치해석을 위하여 적분하는 과정에서 발생하게 되는 적분상수의 영향을 제거하기 위한 트렌드 제거 모듈과;

   가속도 신호에서 불필요한 잡음 성분을 제거하는 필터링 모듈과;

   측정장치를 초기화시키는 조정 모듈을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 동적 변위 측정장치.