선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 선행연구[10]를 통해 개발된 하이브리드 계측시스템을 대상으로, 향후 다양한 계측환경 적용을 고려한 실시간 다점 측정 성능을 평가함으로써 개발된 IoT 기반 하이브리드 계측시스템의 유용성을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 적용 대상이 되는 다양한 계측환경을 고려한 하이브리드 계측시스템의 실시간 다점 측정 성능을 평가하였다. 이를 위해, 각각 특징이 있는 4가지의 실험 환경을 모사하여 실시간 계측 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 개발된 하이브리드 계측기는 전기식 센서와 광센서를 동시에 측정 가능하도록 개발되었으며, 이에 대한 성능평가를 위해 다양한 센서를 이용하여 다점 측정 실험을 수행하였다.
- 일반적으로 철도분야의 경우, 한국철도표준규격(IEC 60068-2-14)에서 온도사이클 시험의 경우 -40℃∼70℃의 온도 범위를 기준으로 제시하고 있어 향후 하이브리드 계측기의 장기계측적용을 고려할 때 이러한 온도 변화 측정 실험이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 항온항습기(TH-KE, JEIOTECH Co.)를 이용하여 -40℃∼70℃의 온도 변화조건에서 전기식 온도 센서인 열전대(T-type)와 FBG 온도 센서(FBG-TE-310, FBGKOREA Co.)로 온도 변화를 측정하는 방법으로 진행하였다.
- 왜냐하면, 개발된 하이브리드 계측시스템은 계측된 데이터를 LTE 무선통신을 이용해 전송하는 방식이므로 데이터 전송량이 일정 수준을 초과할 경우 실시간 데이터 전송에 한계가 존재하기 때문이다. 따라서, 본 하이브리드 계측시스템의 최대 샘플링으로 50개의 센서를 동시에 적용할 때 데이터 전송률을 확인해보았다.
- 따라서, 상온이 아닌 특정 온도 환경에서의 변형률 측정 실험이 요구된다. 본 연구에서는 보편적으로 사용되는 전기식 센서인 변형률 게이지와 FBG 변형률 센서를 이용하여 50℃와 100℃의 두 가지 온도 조건에서 변형률 측정 실험을 수행하였다. 실험은 열챔버가 부착된 만능시험기(Instron 4467, Instron Co.
- 본 연구에서는 보편적으로 사용되는 전기식 센서인 변형률 게이지와 FBG 변형률 센서를 이용하여 50℃와 100℃의 두 가지 온도 조건에서 변형률 측정 실험을 수행하였다. 실험은 열챔버가 부착된 만능시험기(Instron 4467, Instron Co.)를 이용해 알루미늄 시편(Al6061, 295×25×4.4mm)의 인장시험 시 발생하는 변형률을 측정하는 방법으로 진행하였다. 시편 표면의 길이 방향 중간 지점에 두 종류의 센서를 부착한 후 만능시험기의 변위제어를 통해 하중을 인가하였으며, 두 센서로 측정된 값을 상호 비교하였다.
- 실험은 하이브리드 계측기가 적용될 수 있는 다양한 환경을 고려하여 외팔보 진동 실험, 정밀 변위 측정 실험, 열 환경에서의 변형률 측정 실험, 온도 변화 측정 실험 등 총 4가지의 상황을 설정하였다. 서로 다른 종류의 물리량 측정이 가능한 전기식 센서 2종(변형률, 온도) 및 광센서 4종(가속도, 변위, 변형률, 온도) 등 총 6종의 센서를 이용하여 Fig.
- 서로 다른 4가지 실험장치가 동시에 하나의 계측기로 연결된 형태이며, 동시에 진행된 4가지 실험에 대한 데이터 분석은 각각의 실험장치에 대해 개별적으로 진행하였다. 이와 같이, 다수의 센서에 의해 동시에 측정된 데이터는 LTE 무선통신을 이용해 원격지의 서버(internet data center, IDC)로 전송되며 각 실험 별로 측정된 데이터의 분석을 통해 개발된 하이브리드 계측기의 다점 측정 성능을 평가하였다. 실험은 하이브리드 계측시스템의 사양을 고려하여 전기식 센서의 경우 128Hz, 광섬유 센서의 경우 1.
데이터처리
- 가속도 센서는 Fig. 3과 같이 빔의 상부 지그쪽에 위치시켰으며, 측정된 데이터의 주파수 분석 및 감쇠비 도출 등 신호분석을 수행하였다
- 또한, 주파수 분석을 위해 고속 푸리에 변화(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하였으며, 결과는 Fig. 5와 같이 지배적인 주파수는 약 36Hz이며, 지배주파수의약 6배인 227Hz가 조화진동에 의한 것으로 나타났다.
- 변위측정의 경우 마이크로미터로 0.1mm씩 가진 할 때, FBG 변위 센서를 이용하여 측정된 값을 비교하는 방법으로 실험을 진행하였으며, 결과는 Fig. 7과 같다
- 특히, 철도분야의 경우 교량이나 터널, 노반 등의 각종 처짐값을 측정하기 위해 폭넓게 활용되고 있다. 본연구에서 변위 측정의 경우 FBG 변위 센서(FBG-DI-310, FBGKOREA Co.)를 이용하여 정밀하게 변위 조절이 가능한 마이크로미터(micrometer)로 0.1mm씩 변위값을 변화시키며 FBG 센서로부터 측정된 변위값과 비교하는 방법으로 진행하였다. 이를 위해, FBG 센서를 브라켓으로 고정한 후 다시 마이크로미터에 브라켓을 연결함으로써 마이크로미터로 FBG 센서에 인가되는 변위 값 조절이 가능하도록 하였다.
- 4mm)의 인장시험 시 발생하는 변형률을 측정하는 방법으로 진행하였다. 시편 표면의 길이 방향 중간 지점에 두 종류의 센서를 부착한 후 만능시험기의 변위제어를 통해 하중을 인가하였으며, 두 센서로 측정된 값을 상호 비교하였다.
이론/모형
- 특히, 철도분야의 경우 차량이 통과할 때 레일에 가해지는 수직, 수평방향 가속도 측정을 통해 인프라의 안정성을 확인하는 등 다양한 목적으로 사용되고 있다. 본 연구에서 가속도 측정의 경우 FBG 가속도 센서(BPS-700, Tokyo Sokushin Co.)를 이용하여 외팔보 형태의 알루미늄 시편(Al6061, 295×25×4.4mm)의 진동을 측정하는 방법으로 진행하였다.
성능/효과
- Fig. 7에서 알 수 있듯이, 마이크로미터의 가진 값과FBG 변위 센서로 측정된 값이 매우 잘 일치하였으며 두데이터 간 유사도를 나타내는 Adj. R2 값이 0.99로 측정값이 가진 값을 잘 추종함을 확인하였다.
- 9와 같다. 결과에서와 같이 전기식 센서와 FBG센서 모두 항온항습기를 통해 가해지는 온도 사이클을 잘 추종하는 것을 확인할 수 있으며, 작은 오차는 두 센서 부착 위치에 따른 영향으로 판단된다.
- 또한, 계측 시스템의 전송 성능(1.8Mbyte/s)을 고려할 경우 50개의 센서를 동시에 2.5kHz의 샘플링으로 계측할 수 있어 실제 계측현장 적용에 문제가 없는 수준임을 확인하였다.
- 먼저, 3종류(가속도, 변형률, 온도)의 FBG 센서를 적용하여 최대 샘플링 속도인 2.5kHz로 30초 동안 데이터를 취득하여 LTE 무선통신으로 송신되는 데이터 전송률을 확인해본 결과, 약 100.1Kbyte/s로 이를 토대로 50개의 센서를 동시에 적용할 경우를 가정할 때 데이터 전송률은 약 1.668Mbyte/s로 추정이 가능하다. 이는 Table 1과 같이 선행연구[10]를 통해 확인된 본 계측시스템의 LTE 데이터 전송 성능결과로부터 1.
- 본 연구에서 개발된 하이브리드 계측시스템의 경우 진동, 변위, 변형률 및 온도 등 계측 환경에서 가장 빈번하게 활용되는 물리량에 대해 전기식 및 광학식 센서 모두 높은 추종성을 보이며 원격지에서 실시간으로 계측이 가능하였다.
- 이상과 같이 총 4가지 종류의 다양한 계측환경 적용을 고려한 실시간 다점 측정 성능 평가를 통해 개발된 IoT 기반 하이브리드 계측시스템의 유용성을 성공적으로 평가하였다. 한편, 본 연구에서는 총 6개(전기식 센서 2개, FBG 센서 4개)의 센서를 적용한 경우로 수십 개 수준의 센서를 사용하는 실제 계측환경을 고려할 때 이에 대한 검토가 추가적으로 요구된다.
후속연구
- 이상과 같이 총 4가지 종류의 다양한 계측환경 적용을 고려한 실시간 다점 측정 성능 평가를 통해 개발된 IoT 기반 하이브리드 계측시스템의 유용성을 성공적으로 평가하였다. 한편, 본 연구에서는 총 6개(전기식 센서 2개, FBG 센서 4개)의 센서를 적용한 경우로 수십 개 수준의 센서를 사용하는 실제 계측환경을 고려할 때 이에 대한 검토가 추가적으로 요구된다. 왜냐하면, 개발된 하이브리드 계측시스템은 계측된 데이터를 LTE 무선통신을 이용해 전송하는 방식이므로 데이터 전송량이 일정 수준을 초과할 경우 실시간 데이터 전송에 한계가 존재하기 때문이다.
- 향후, IoT 기반 하이브리드 계측시스템의 다양한 현장 적용을 통해 실시간 건전성 모니터링 기술 기반의 구조안전성 향상에 기여할 것으로 기대한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.