본 논문에서는 풍산 FNS에서 개발한 force-feedback형 고정밀 국산 3축 가속도계의 성능을 실험적으로 평가하고, 건설구조물 전산구조해석 및 유지관리용 건전성 모니터링에의 적용성을 논한다. 레이트 테이블 및 가진기를 통해 다양한 형태로 가진실험을 수행함으로써 국산 가속도계의 비선형성, 대역폭, 저주파 신호계측 성능, 바이어스 특성을 검증하고, 국내 가속도계 시장의 대부분을 차지하고 있는 해외 업체들의 대표적 가속도계와 성능을 비교 평가하여 국산 가속도계의 적용성과 시장진입 가능성을 평가하였다. 실험분석 결과 국산 가속도계는 실험으로 평가한 모든 항목에서 실험에 사용된 수입 가속도계보다 좋은 성능을 보였다. 특히 건설 구조물 계측에 필수적인 저주파 대역 계측성능은 수입 가속도계의 성능을 능가하였으며, 바이어스도 상수 특성을 가장 잘 유지하는 것으로 나타나 향후 실험기반 구조해석 및 구조물 장기 건전도 모니터링에 좋은 대안이 될 것으로 평가된다.
본 논문에서는 풍산 FNS에서 개발한 force-feedback형 고정밀 국산 3축 가속도계의 성능을 실험적으로 평가하고, 건설구조물 전산구조해석 및 유지관리용 건전성 모니터링에의 적용성을 논한다. 레이트 테이블 및 가진기를 통해 다양한 형태로 가진실험을 수행함으로써 국산 가속도계의 비선형성, 대역폭, 저주파 신호계측 성능, 바이어스 특성을 검증하고, 국내 가속도계 시장의 대부분을 차지하고 있는 해외 업체들의 대표적 가속도계와 성능을 비교 평가하여 국산 가속도계의 적용성과 시장진입 가능성을 평가하였다. 실험분석 결과 국산 가속도계는 실험으로 평가한 모든 항목에서 실험에 사용된 수입 가속도계보다 좋은 성능을 보였다. 특히 건설 구조물 계측에 필수적인 저주파 대역 계측성능은 수입 가속도계의 성능을 능가하였으며, 바이어스도 상수 특성을 가장 잘 유지하는 것으로 나타나 향후 실험기반 구조해석 및 구조물 장기 건전도 모니터링에 좋은 대안이 될 것으로 평가된다.
A high-precision force-feedback 3-axes accelerometer developed in Korea has been investigated and studied for the verification of feasibility in the computational analysis and health monitoring of civil infrastructures. Through a series of experiment, the nonlinearity, bandwidth, low-frequency signa...
A high-precision force-feedback 3-axes accelerometer developed in Korea has been investigated and studied for the verification of feasibility in the computational analysis and health monitoring of civil infrastructures. Through a series of experiment, the nonlinearity, bandwidth, low-frequency signal measurement accuracy and bias characteristics of the accelerometer has been thoroughly compared to those of two accelerometers produced by two market leaders in domestic and global accelerometer market. The experiment results shows that the overall measurement performance of the accelerometer has superiority over the performance of the two accelerometers from global market leader companies. Especially, the accelerometer shows a better low-frequency signal measurement accuracy and constant bias characteristic, which are mostly required in the computational analysis and the long-term health monitoring of large-scale civil infrastructures.
A high-precision force-feedback 3-axes accelerometer developed in Korea has been investigated and studied for the verification of feasibility in the computational analysis and health monitoring of civil infrastructures. Through a series of experiment, the nonlinearity, bandwidth, low-frequency signal measurement accuracy and bias characteristics of the accelerometer has been thoroughly compared to those of two accelerometers produced by two market leaders in domestic and global accelerometer market. The experiment results shows that the overall measurement performance of the accelerometer has superiority over the performance of the two accelerometers from global market leader companies. Especially, the accelerometer shows a better low-frequency signal measurement accuracy and constant bias characteristic, which are mostly required in the computational analysis and the long-term health monitoring of large-scale civil infrastructures.
본 논문에서는 국산 유도무기 항법체제에 적용되고 있는 고정밀 국산 force-feedback 방식 가속도계의 건설 구조물 적용성에 대해 논한다. 현재 국내 교량 및 지진 모니터링 시스템에 가장 많이 적용되고 있는 미국 Kinemetrics사의 가속도계 및 저가형 MEMS 가속도계와의 성능 분석을 통해 국산 가속도계의 적용 가능성을 비교, 평가한다. 이를 위해 실험실 수준의 가속도계 정밀 시험 평가를 수행하였으며, 또한 건설 구조물의 진동특성에 맞는 가진 환경을 인위적으로 생성하여 실제 구조물 응답에 대해 정밀도 및 바이어스 특성을 비교한다.
제안 방법
본 연구에서는 국산 가속도계의 저주파 대역 정밀도 및 바이어스 특성을 Kinemetric ES-U2, PCB 3713E112G MEMS 가속도계와 실험을 통해 비교 분석하였다. 실험의 구성은 Fig.
본 연구에서는 새로 개발된 건설 구조물용 국산 force-feedback형 3축 가속도계의 성능을 Kinemetrics ES-U2, PCB 3713E112G 가속도계와 비교 분석해 국산 가속도계의 계측 성능과 가능성을 실험을 통해 비교 평가하였다. 실험 결과 국산 가속도계는 모든 부분에서 국내 특수교량 계측 시장의 대부분을 점유하고 있는 Kinemetrics 사의 ES-U2가속도계보다 우위를 보였다.
현재 국내 교량 및 지진 모니터링 시스템에 가장 많이 적용되고 있는 미국 Kinemetrics사의 가속도계 및 저가형 MEMS 가속도계와의 성능 분석을 통해 국산 가속도계의 적용 가능성을 비교, 평가한다. 이를 위해 실험실 수준의 가속도계 정밀 시험 평가를 수행하였으며, 또한 건설 구조물의 진동특성에 맞는 가진 환경을 인위적으로 생성하여 실제 구조물 응답에 대해 정밀도 및 바이어스 특성을 비교한다.
대상 데이터
본 연구에서 선정된 국산 가속도계는 풍산 FNS의 force-feedback 방식 3축 가속도계로(Fig. 1), 실리콘 기반의 진자를 이용하여 가속도를 측정하는 기계식 관성센서로서, 방위산업 분야에서 유도무기, 장갑차, 전차 등의 항법체계에 적용되어 온 고정밀 가속도계를 건설 구조물의 계측 특성에 맞춰 계측범위를 ±4g, 계측 주파수 대역을 DC-100Hz로 개량한 제품이다. 국산 가속도계는 MEMS 기법으로 제작된 펜듈럼, 영구자석, 복원코일을 통해 전자기 구동부를 구성하고, 건설 구조물의 연중 온도변화에 대처하고자 온도전달 특성 개선에 초점을 맞춰 전자회로를 설계한 것이 특징이다.
성능/효과
실험 결과 국산 가속도계는 모든 부분에서 국내 특수교량 계측 시장의 대부분을 점유하고 있는 Kinemetrics 사의 ES-U2가속도계보다 우위를 보였다. 1축 레이트 테이블을 이용한 비선형도 비교 실험 결과 국산 가속도계는 ES-U2 대비 2.7% 수준의 우수한 비선형도를 나타냈으며, 대역폭 시험에서도 ES-U2보다 우수한 대역폭과 계측 안정도를 보였다. DC-10Hz의 저주파 대역 정밀도 평가 실험에서도 국산 가속도계의 RMS 오차는 ES-U2의 42.
7% 수준의 우수한 비선형도를 나타냈으며, 대역폭 시험에서도 ES-U2보다 우수한 대역폭과 계측 안정도를 보였다. DC-10Hz의 저주파 대역 정밀도 평가 실험에서도 국산 가속도계의 RMS 오차는 ES-U2의 42.6% 수준이었고, 바이어스의 상수성을 평가하기 위해 바이어스 구간 평균의 표준편차를 비교한 결과 ES-U2의 17.3%에 불과할 정도로 좋은 특성을 보였다.
입력가속도와 출력가속도의 계측치는 최소자승오차(least mean squre error) 기반으로 2차 함수 회귀분석을 수행하는데, 이 때 2차 항의 계수가 작을수록 가속도계의 비선형도가 낮다. 회귀분석 결과 ES-U2는 2차 항의 계수가 -9.35×10-4을 보이는 반면 국산 가속도계는 -2.51×10-5의 값을 나타내, 불과 ES-U2 대비 2.7% 수준의 비선형성을 보이는 것으로 분석됐다.
후속연구
향후 경제성 분석 및 원가 절감이 이루어질 경우 수입 가속도계보다 월등히 저렴한 가격에 고성능 가속도계의 공급이 가능할 것으로 보인다. 본 논문에서는 가속도 계측 성능에만 초점을 맞추었지만, 우수한 바이어스 특성을 바탕으로 변위센서와 융합할 시 속도, 변위를 산정할 수도 있으며 force-feedback 가속도계의 원리 상 각변위의 계측도 가능 하므로, 향후 건설 구조물 유지관리용 건전성 모니터링에 적용시 경사계, 가속도계, 속도계, 변위계를 하나의 센서로 대체할 수 있으리라 판단된다.
국내 규정의 미비로 별다른 공인인증이나 검정을 거치지 않은 수입 가속도계에 비해, 본 연구에서 비교 검증한 국산 가속도계는 엄격한 군용 센서 기준을 만족시켜 지속적으로 군용 납품되고 있는 고정밀 가속도계의 개량형인 점에 주목할 필요가 있다. 향후 경제성 분석 및 원가 절감이 이루어질 경우 수입 가속도계보다 월등히 저렴한 가격에 고성능 가속도계의 공급이 가능할 것으로 보인다. 본 논문에서는 가속도 계측 성능에만 초점을 맞추었지만, 우수한 바이어스 특성을 바탕으로 변위센서와 융합할 시 속도, 변위를 산정할 수도 있으며 force-feedback 가속도계의 원리 상 각변위의 계측도 가능 하므로, 향후 건설 구조물 유지관리용 건전성 모니터링에 적용시 경사계, 가속도계, 속도계, 변위계를 하나의 센서로 대체할 수 있으리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍산 FNS의 forcefeedback 방식 3축 가속도계란?
본 연구에서 선정된 국산 가속도계는 풍산 FNS의 forcefeedback 방식 3축 가속도계로(Fig. 1), 실리콘 기반의 진자를 이용하여 가속도를 측정하는 기계식 관성센서로서, 방위산업 분야에서 유도무기, 장갑차, 전차 등의 항법체계에 적용되어 온 고정밀 가속도계를 건설 구조물의 계측 특성에 맞춰 계측범위를 ±4g, 계측 주파수 대역을 DC-100Hz로 개량한 제품이다. 국산 가속도계는 MEMS 기법으로 제작된 펜듈럼, 영구자석, 복원코일을 통해 전자기 구동부를 구성하고, 건설 구조물의 연중 온도변화에 대처하고자 온도전달 특성 개선에 초점을 맞춰 전자회로를 설계한 것이 특징이다.
가속도계의 장점은?
건설인프라 구조물의 동적거동 전산해석과 건전성 모니터링에 있어, 가속도계는 구조물의 거동 데이터 취득을 위해 가장 많이 활용되고 있는 센서 가운데 하나다. 가속도계는 (1) 구조물의 계측 위치에 단순 부착하면 되므로, 변위가 발생하지 않는 고정된 위치를 확보하여 설치해야 하는 변위, 속도 센서보다 설치의 제약이 없고, (2) 가격이 경제적이고 망실의 위험도가 낮아 상시계측이 가능하며, (2) 잡음특성과 정확도가 우수해 계측치의 신뢰도가 높다는 장점이 있다. 일례로 레이저 도플러 진동계(laser doppler vibrometer)는 μm급의 고정 밀도로 물체의 면외변위를 계측 가능하나(Siringoringo and Fujino, 2009; Johansmann et al.
풍산 FNS의 forcefeedback 방식 3축 가속도계의 특징은?
1), 실리콘 기반의 진자를 이용하여 가속도를 측정하는 기계식 관성센서로서, 방위산업 분야에서 유도무기, 장갑차, 전차 등의 항법체계에 적용되어 온 고정밀 가속도계를 건설 구조물의 계측 특성에 맞춰 계측범위를 ±4g, 계측 주파수 대역을 DC-100Hz로 개량한 제품이다. 국산 가속도계는 MEMS 기법으로 제작된 펜듈럼, 영구자석, 복원코일을 통해 전자기 구동부를 구성하고, 건설 구조물의 연중 온도변화에 대처하고자 온도전달 특성 개선에 초점을 맞춰 전자회로를 설계한 것이 특징이다.
참고문헌 (13)
A study on Intelligent Bridge Diagnosis System and Evaluation Method (2012) Annual Research Report, Korea Expressway Corporation.
Bae, I.H., Ha, G.H. (2002) Structural Behavior on Self-Anchored Suspension Bridge with Three Dimensional Main Cable Using The Bridge Health Monitoring System, Proc. Annual Conference of Korean Society of Civil Engineers, pp.672-675.
Castellini, P., Martarelli, P., Tomasini, E.P. (2006) Laser Doppler Vibrometry: Development of Advanced Solutions Answering to Technology's Needs, Mech. Sys. & Signal Proc., 20, pp.1265-1285.
Johansmann, M., Siegmund, G., Pineda, M. (2005) Targeting the Limits of Laser Doppler Vibrometry, Proc. Int. Disk Equipment and Materials Association, Tokyo, Japan, pp.1-12.
Moore, D.M. (1999) Effect of Baseline Corrections on Response Spectra for Two Recordings of the 1999 Chi-Chi, Taiwan, earthquake, U.S. Geological Survey Open-File Report 99-545, 1999.
Moore, D.M. (2001) Effect of Baseline Corrections of Displacement and Response Spectra for Several Recordings of the 1999 Chi-Chi, Taiwan, Earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America, 91 pp.1199-1211.
Park, J.C., Park, C.M., Kim, B.H., Lee, I.K., Jo, B.W. (2006) Dynamic Characteristics of Seohae Cable-stayed Bridge Based on Long-term Measurements, J. Earthq. Eng. Soc. Korea, 10, pp.115-123.
Ren, W.X., Peng, X.L., Lin, Y.Q. (2005) Experimental and Analytical Studies on Dynamic Characteristics of a Large Span Cable-stayed Bridge, Eng. Struct., 27, 535-548.
Stiros, S. (2008) Errors in Velocities and Displacements deduced from Accelerographs: An Approach Based on the Theory of Error Propagation, Soil Dyn. & Earthq. Eng., 28, pp.415-420.
Kim, J., Kim, K., Sohn, H. (2014) Autonomous Dynamic Displacement Estimation from Data Fusion of Acceleration and Intermittent Displacement Measurements, Mech. Syst. & Signal Proc., 42, pp.194-205.
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