[논문]레이저진동계를 사용한 동조액체댐퍼의 액체 진동 측정

신윤수; 민경원; 김준희

doi:10.7734/coseik.2016.29.6.513

레이저진동계를 사용한 동조액체댐퍼의 액체 진동 측정
Measurement of Liquid Oscillation in Tuned Liquid Dampers using a Laser Doppler Vibrometer 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.29 no.6, 2016년, pp.513 - 519

신윤수 (단국대학교 건축공학과) , 민경원 (단국대학교 건축공학과) , 김준희 (단국대학교 건축공학과)

초록
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본 논문에서는 기존 파고 측정 센서의 한계를 극복하기 위하여 레이저 장비 중 LDV를 이용하여 동조액체기둥감쇠기 안의 액체의 파고를 측정하는 방법을 제안하고 검증하였다. 비접촉 센서의 장점과 LDV가 속도와 변위를 측정하는 원리를 기술하였고 대상 물체가 액체인 경우에 요구되는 사항들에 대하여 실험적으로 파악하였다. 투명한 액체는 레이저 광선을 대부분 투과시켜 LDV에 되돌아오는 광량이 부족해 측정이 불가능함을 확인하였고 이를 증가시키기 위해 염료를 혼합하였다. 이때, 염료의 색에 따라 광량에 차이가 발생함을 확인하여 LDV에 사용된 레이저 광선의 파장과 연관된 결과를 도출하였다. 염료를 혼합한 후 광량이 충분한 경우에도 발생하는 데이터의 오차를 제거하기 위해 염료의 농도를 변화시키며 그에 따른 데이터의 정확도를 파악하였다. 결과적으로 모든 가시광선의 빛을 반사시키는 흰색의 염료를 충분한 농도로 혼합하였을 때 LDV를 이용한 TLCD의 파고 측정의 실험적인 결과가 용량식 파고계와 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, dynamic vertical displacement of liquid in the tuned liquid column damper(TLCD) is measured by a laser Doppler vibrometer(LDV) to overcome limitations of existing sensors and to leverage noncontact sensing. Addressing advantages of noncontact measurements, operational principles of the LDV to measure velocity and displacement of a target object in motion is explained. The feasibility of application of the LDV to measurement of liquid motion in the TLCD is experimentally explored. A series of shake table tests with the TLCD are performed to determine requirements of application of the LDV. Based on the experimental results, it is proved that the LDV works under the condition of adding dye to the liquid by increasing the intensity of reflected laser and thus validity is verified by comparison with a conventional wave height meter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 접촉식 파고측정 센서의 내구성 및 오염문제, 장시간 사용시 측정값의 변동 등 단점를 극복하기 위하여, 고체 진동계측분야에서 광범위하게 사용되고 있는 레이저진동계(LDV)를 활용하여 동조액체기둥감쇠기(TLCD) 내의 액체거동 측정방법론을 제안하였다. TLCD 내의 투명한 액체에 LDV 레이저 광선을 주사하였을 때 속도와 변위의 측정이 불가능함을 확인하였으며, 그 원인을 LDV의 원리와 액체의 특성을 통해 분석하였다.
본 연구에서는 액체의 동적거동을 측정하는 기존 센서들의 한계점을 극복하며 LDV를 활용한 액체진동 측정의 방법론을 제시하는 것을 목적으로 한다. 본 논문의 구성으로써 2장에서는 LDV를 사용해야 하는 이유와 LDV로 진동을 측정하는 원리를 명시하였다.

제안 방법

TLCD 내의 투명한 액체에 LDV 레이저 광선을 주사하였을 때 속도와 변위의 측정이 불가능함을 확인하였으며, 그 원인을 LDV의 원리와 액체의 특성을 통해 분석하였다. LDV를 액체에 사용하기 위한 방법을 실험을 통해 파악하였고, LDV로 측정된 데이터의 정확성을 검증하기 위해 기존 용량식 파고계와의 비교검증을 수행하였다.
본 연구에서는 기존 접촉식 파고측정 센서의 내구성 및 오염문제, 장시간 사용시 측정값의 변동 등 단점를 극복하기 위하여, 고체 진동계측분야에서 광범위하게 사용되고 있는 레이저진동계(LDV)를 활용하여 동조액체기둥감쇠기(TLCD) 내의 액체거동 측정방법론을 제안하였다. TLCD 내의 투명한 액체에 LDV 레이저 광선을 주사하였을 때 속도와 변위의 측정이 불가능함을 확인하였으며, 그 원인을 LDV의 원리와 액체의 특성을 통해 분석하였다. LDV를 액체에 사용하기 위한 방법을 실험을 통해 파악하였고, LDV로 측정된 데이터의 정확성을 검증하기 위해 기존 용량식 파고계와의 비교검증을 수행하였다.
파고를 생성시키기 위해 TLCD에 진동을 주는 진동대를 사용하였다. TLCD의 1차 모드의 진동수인 0.85Hz로 진동대를 가진하여 파고의 모양을 사인파로 뚜렷이 나타나도록 하였다. 면 외 방향인 위아래로 움직이는 파고를 측정하기 위해서는 레이저 광선을 위에서 내보내야 하는데 거울을 이용하여 레이저가 90도 각도로 꺽이게 하여 가능하도록 하였다.
7은 물에 혼합하지 않은 순수한 액체 염료에 약 1m 거리에서 LDV의 레이저 광선을 쏘았을 때 다시 LDV로 반사되는 광량을 비율로 나타낸 것이다. 광량은 LDV화면에 표시되는 최대 광량인 12칸에 대한 비율로 측정했다. Fig.
85Hz로 진동대를 가진하여 파고의 모양을 사인파로 뚜렷이 나타나도록 하였다. 면 외 방향인 위아래로 움직이는 파고를 측정하기 위해서는 레이저 광선을 위에서 내보내야 하는데 거울을 이용하여 레이저가 90도 각도로 꺽이게 하여 가능하도록 하였다. 거울은 레이저의 광량 손실을 줄이기 위해 레이저의 파장 633nm의 빛을 반사시키기 적합한 재료인 알루미늄으로 코팅된 거울을 사용했다.
, 2015). 본 연구에서도 계측의 안정성이 높은 속도계측을 통해 액체진동을 계측하였다.
투명한 액체의 반사량을 증가시키기 위해 염료를 혼합하였으며, 염료의 색에 따라 광량에 차이가 발생함을 확인하여 LDV에 사용된 레이저 광선의 파장과 연관된 결과를 도출하였다. 염료를 혼합한 후 광량이 충분한 경우에도 발생하는 계측 오차를 낮추기 위해 염료의 농도를 변화시키며 그에 따른 데이터의 정확도를 파악하였다. 결과적으로 모든 가시광선의 빛을 반사시키는 흰색의 염료를 충분한 농도로 혼합하였을 때 LDV를 이용한 TLCD의 파고 측정의 실험적인 결과가 용량식 파고계의 결과와 일치함을 확인하였다.
, 2015)를 이용하였다. 파고를 생성시키기 위해 TLCD에 진동을 주는 진동대를 사용하였다. TLCD의 1차 모드의 진동수인 0.

대상 데이터

면 외 방향인 위아래로 움직이는 파고를 측정하기 위해서는 레이저 광선을 위에서 내보내야 하는데 거울을 이용하여 레이저가 90도 각도로 꺽이게 하여 가능하도록 하였다. 거울은 레이저의 광량 손실을 줄이기 위해 레이저의 파장 633nm의 빛을 반사시키기 적합한 재료인 알루미늄으로 코팅된 거울을 사용했다.
3장에서는 LDV를 이용해 파고를 측정하는 방법과 오차를 줄이기 위한 방법을 실험을 통해 분석하였고 그 결과를 기존에 사용하던 용량식 파고계를 통해 검증하였다. 검증하기 위한 액체의 움직임으로는 고층건물의 풍진동을 제어하기 위한 액체댐퍼 내의 액체를 대상으로 하였다.
모든 레이저 장비의 광선은 각각 사용하는 파장에 따른 빛의 특성을 갖고 있다. 본 실험에서 사용한 LDV는 가시광선 영역의 633nm의 파장의 레이저 광선을 이용하여 가시광선의 특성을 갖고 있다. 그렇기 때문에 LDV로 측정하는 대상 물체의 색에 따라 LDV의 레이저 광선이 반사되어 돌아오는 양에 차이가 생긴다.
본 연구에서는 POLYTEC 사의 PDV-100 레이저진동계를 사용하였다. FIg.

이론/모형

Fig. 5와 같이 LDV를 이용하여 면외 방향의 파고를 측정하기 위하여, 고층 건물의 풍진동을 제어하기 위해 사용되는 동조액체기둥감쇠기(tuned liquid column damper, TLCD; Kim et al., 2015)를 이용하였다. 파고를 생성시키기 위해 TLCD에 진동을 주는 진동대를 사용하였다.

성능/효과

염료를 혼합한 후 광량이 충분한 경우에도 발생하는 계측 오차를 낮추기 위해 염료의 농도를 변화시키며 그에 따른 데이터의 정확도를 파악하였다. 결과적으로 모든 가시광선의 빛을 반사시키는 흰색의 염료를 충분한 농도로 혼합하였을 때 LDV를 이용한 TLCD의 파고 측정의 실험적인 결과가 용량식 파고계의 결과와 일치함을 확인하였다.
하지만 염료를 혼합한 액체는 광량이 충족되더라도 혼합한 염료의 양이 적으면 표면뿐만이 아니라 레이저광선이 투과하면서 각 부분에서 반사가 연속 발생되어 데이터에 오차가 발생하였다. 따라서 충분한 농도의 염료를 혼합하여 레이저 광선이 투과하는 양을 줄였고 데이터의 오차가 줄어듦을 확인하였다.
30mL의 염료를 혼합한 실험은 60mL의 염료를 혼합하였을 때와 반사량이 같음을 확인한 것임에도 불구하고 60mL의 염료를 혼합한 실험과 비교하여 파고의 크기가 정확하지 않다. 반면에 60mL의 염료를 혼합한 실험에서는 염료의 분자들이 레이저 광선이 액체를 투과하는 것을 방지하여 대부분의 레이저 광선이 표면에서 반사되었고 그에 따라 데이터의 정확도가 30mL의 염료를 혼합한 실험에 비해 25%이상 향상된 것을 확인하였다.
6은 가시광선 영역의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 본 실험에서 사용한 LDV는 가시광선 영역 중에서 파장이 긴 633nm의 파장의 빛을 사용했기 때문에 실험 결과 역시 파장이 긴 색의 염료에서 반사가 더 잘 되는 것을 Fig. 7에서 확인할 수 있다.
9는 TLCD안에 17L의 물을 채운 뒤 염료를 혼합하지 않았을 경우, 30mL의 흰색 염료를 혼합하였을 경우, 60mL의 흰색 염료를 혼합하였을 경우에 파고의 변화를 LDV와 용량식 파고계로 비교 실험한 것이다. 투명한 물에 LDV의 레이저 광선을 쏠 경우 레이저 광선이 대부분 물을 투과하므로 물높이 측정이 어려운 것으로 확인되었다. 30mL의 염료를 혼합한 실험은 60mL의 염료를 혼합하였을 때와 반사량이 같음을 확인한 것임에도 불구하고 60mL의 염료를 혼합한 실험과 비교하여 파고의 크기가 정확하지 않다.
투명한 액체의 반사량을 증가시키기 위해 염료를 혼합하였으며, 염료의 색에 따라 광량에 차이가 발생함을 확인하여 LDV에 사용된 레이저 광선의 파장과 연관된 결과를 도출하였다. 염료를 혼합한 후 광량이 충분한 경우에도 발생하는 계측 오차를 낮추기 위해 염료의 농도를 변화시키며 그에 따른 데이터의 정확도를 파악하였다.
흰색, 빨간색, 주황색, 노란색의 염료를 혼합하여 실험한 경우에는 LDV와 용량식 파고계의 파고 변화가 오차율 4% 미만으로 비교적 일치함을 알 수 있다. 하지만 초록색 이후의 낮은 파장의 색깔에서는 LDV에 되돌아오는 반사량이 부족하여 파고의 높낮이 변화는 판별이 가능하지만 높낮이의 크기는 65%이상의 오차율을 보여 측정되지 않음을 확인할 수 있다.
5와같이 TLCD안에 17L의 물을 채운 뒤 60mL의 빨강, 노랑, 파랑, 초록 등 9종류의 염료를 색깔별로 혼합하여 진동대로 가진하였을 때 파고의 변화를 LDV와 용량식 파고계로 비교 실험한 것이다. 흰색, 빨간색, 주황색, 노란색의 염료를 혼합하여 실험한 경우에는 LDV와 용량식 파고계의 파고 변화가 오차율 4% 미만으로 비교적 일치함을 알 수 있다. 하지만 초록색 이후의 낮은 파장의 색깔에서는 LDV에 되돌아오는 반사량이 부족하여 파고의 높낮이 변화는 판별이 가능하지만 높낮이의 크기는 65%이상의 오차율을 보여 측정되지 않음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도플러 레이저 센서란?	레이저 계측장비 중 도플러 효과를 이용하여 대상 물체의 속도와 변위를 측정할 수 있게 만든 도플러 레이저 센서(Laser Doppler Vibrometer, LDV; Hani et al., 2005)는 측정할 수 있는 속도와 변위의 범위가 넓어 여러 분야에 사용되고 있다(Kim et al.
	도플러 레이저 센서를 액체에 이용하는 선례를 찾기 힘든 이유는?	이들의 공통점은 고체를 측정 대상으로 하고 있으며 LDV를 액체에 이용한 선례는 문헌상 찾아보기 힘들다. 액체에 LDV 레이저 광선을 주사하면 액체 표면에서 전반사가 발생하지 않고 일정량의 빛이 투과하게 된다. 투과하는 빛은 LDV에 들어오는 광량을 줄어들게 할뿐만 아니라 투과된 빛들이 액체 안의 각 부분에서 또다시 반사되기 때문에 오차를 발생시킨다.
	파고 측정 방법에는 어떤 것들이 있는가?	파고 측정 방법으로는 액체에 넣어 사용하는 접촉식 센서로서보식 파고계, 용량식 파고계, 초음파식 파고계를 이용하고 있으며(Kenichi et al., 2001; Mattias et al., 1999) 비디오카메라를 이용한 파고 측정 방법도 연구되고 있다(Kim et al., 2016; Abellan et al.

참고문헌 (20)

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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