[논문]효율적 차량 검지를 위한 PVDF 압전센서의 사용성 연구

정유석; 오주삼

doi:10.5762/kais.2018.19.10.151

초록
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교통분야에 활용되는 여러 가지 센서 중에서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 압전센서는 차량의 축을 검지할 수 있기 때문에 차종을 분류하여 수집하는 용도로 쓰인다. 압전센서는 주로 도로 포장에 매립하여 설치되는 형태로 교통 하중과 온도 하중에 항상 노출되므로, 평균 수명이 6년 이내로 매우 짧다. 또한 설치와 유지보수에 교통통제가 필요하고, 고장 기간 동안 데이터 수집도 중단된다. 센서의 설치 깊이를 늘린다면 교통 하중 및 온도중의 영향이 줄어들 것이고, 센서설치가 포장에 미치는 영향도 축소되어 수명의 연장을 기대할 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 설치 깊이에 따른 센서 신호의 출력을 분석하여, 센서 제조사에서 제시한 설치 깊이인 1cm 보다 더 깊게 설치할 수 있는 가능성을 확인하였다. 추가로, 윤하중의 크기, 속도 등 다양한 변수에 따른 압전 센서의 출력 신호도 분석하였다. 윤하중은 APT를 이용하여 재하 하였다. 실험 결과, MSI BL센서는 3cm 에 설치해도 안정적으로 데이터를 수집 할 수 있는 100mV 이상의 신호가 출력되었다. 3cm 깊이에 설치한다면 센서의 기대수명 또한 증가할 것으로 예상된다. 하지만 MSI cable은 가장 얕은 1cm 깊이에서도 100mV 이하의 신호가 출력되어 현장 적용이 불가능 하다는 것이 밝혀졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

Among the various sensors for measuring traffic, PVDF (polyvinylidene fluoride) piezoelectric sensors are used to classify vehicles because they can detect the axle of the vehicle. Piezoelectric sensors are embedded in road pavements and are always exposed to traffic loads and environmental loads. T...

Among the various sensors for measuring traffic, PVDF (polyvinylidene fluoride) piezoelectric sensors are used to classify vehicles because they can detect the axle of the vehicle. Piezoelectric sensors are embedded in road pavements and are always exposed to traffic loads and environmental loads. Therefore, the life expectancy is very short, less than 6 years. Traffic control is essential for reinstallation and data collection is interrupted during the failure period. The lifespan will increase if the sensor installation depth is increased. In this study, the sensor signal output was analyzed with a variable depth of sensor installation to verify the possibility of deeper installation. Furthermore, various parameters, such as the weight and speed, were analyzed. The wheel load is applied using APT. As a result, the MSI BL sensor output signal is higher than 100mV when installed at 3cm, which is reliable. If the location of the sensor is deeper in the pavement, the expected lifetime of the sensor is also increased. On the other hand, the MSI cable was found to be less than 100mV at the shallowest depth of 1cm, making it impossible for field applications.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Sensor installation plan
표 Table 1. Condition for sensor installation
그림 Fig. 2. MSI BL Class Ⅰ pieso sensor
그림 Fig. 3. Piezo spiral wrapped coaxial cable
그림 Fig. 4. Plot of 3-row parallel piezo cable
그림 Fig. 5. Data aquisition system(NI) (a) Controller chassis (b) Voltage measuring module
표 Table 2. APT operation plan
그림 Fig. 6. Programming block-diagram for Labview
그림 Fig. 7. Traffic sensor installation 1^st stage (a) Pavement cutting (b) cleaning operation
그림 Fig. 8. Traffic sensor installation 2^nd stage (a) Attached the sensor (b) placing the resin
그림 Fig. 9. Experimentation of wheel load (a) View of the APT (b) Application of wheel load
그림 Fig. 10. Plot of raw piezo signal
그림 Fig. 11. Peak voltage (MSI BL, Direction: up)
그림 Fig. 12. Peak voltage (MSI BL, Direction: down)
그림 Fig. 13. Peak voltage (MSI cable, Direction: up)
그림 Fig. 14. Peak voltage (MSI cable, Direction: down)
그림 Fig. 15. Plot of Peak Voltage by Speed (MSI BL, Direction: up)
그림 Fig. 16. Plot of Peak Voltage by Speed (MSI BL, Direction: down)

AI 본문요약
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문제 정의

설치 깊이가 깊을수록 교통 하중 및 온도 하중의 영향이 줄어들어 수명이 증가할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 설치 깊이에 따른 신호 감쇄를 분석하여 센서 제조사에서 제시한 1cm 깊이의 설치보다 더 깊게 설치할 수 있는 가능성을 확인할 것이다. APT(Accelerated Pavement Testing, 포장가속시험) 장비를 활용하여 일정한 윤하중을 재하 하여 신호를 얻을 것이다.

제안 방법

경제성을 확보할 수 있는 동축케이블 형태로 제작된 MSI cable도 설치하였다. APT를 이용하여 2톤부터 10톤 까지 2톤 단위로 윤하중을 재하 하였다. 6톤의 윤하중을 2km/h에서 10km/h로 2km/h단위로 운행속도를 바꾸어 재하 하였다.
APT는 Table 2와 같이 하중과 속도를 달리하여 운행하였다. APT의 성능 한계를 준수하여, 2톤부터 2톤씩 늘려 최대 10톤의 윤하중을 재하 하였고 각각 10km/h의 속도로 운행하였다. 요인 설계에 따라 운행 속도는 하중이 6톤일 경우에만 변경하였다.
교통 계측용 센서시공 1단계인 포장 절삭과 세척작업을 진행하였다. 지정된 위치에 스프레이 페인트를 이용하여 센서 설치 위치를 표시하였다.
따라서 설치깊이, 윤하중의 크기, 속도와 같은 다양한 변수에 따른 압전 센서의 출력 신호 를 분석하였다. 한국건설기술연구원내 포장가속 테스트 베드에 각각 1cm, 2cm, 3cm 깊이에 축검지용으로 사용되고 있는 MSI BL 센서를 설치하였다.
레진 경화 후 APT 장비를 이용하여 일정한 윤하중을 재하하였다. Fig.
센서의 설치깊이, 센서 종류, 하중의 크기와 속도 등 다양한 변수에 따른 압전 센서의 출력 신호를 분석하기 위해서 한국건설기술연구원내 포장가속 테스트 베드에 압전 센서를 설치하였다. APT장비의 주행가능 구간은 10m이고, 시점과 종점의 비정속구간 각 30%를 제외하고 Fig.
우선 윤하중을 2톤씩 변화해가며 센서의 설치 깊이에 따른 신호 출력을 비교하였다. Fig.
9(b) 와 같이 실험을 진행하였다. 진행방향에 따라 속도 및 하중에서 차이가 발생하였으나 분석은 오는 방향과 가는 방향으로 나누어 진행하였다.
3처럼 컨덕터와 쉴드 사이에 PVDF 필름을 권취한 형태의 동축케이블이다. 축검지용으로 사용한다면 앞서 설명한 MSI BL 센서보다 1/5 이상 저렴하게 활용 할 수 있기 때문에 함께 테스트 하였다. 이를 Fig.

대상 데이터

NI 제품은 모듈형식으로 구성된 것이 특징이며 랩뷰(Labview)라는 프로그램을 이용하여 제어한다. 그 중 컨트롤러가 포함된 cDAQ-9137을 섀시로 사용하였다. Fig.
DAQ(Data Aquisition)는 센서에서 발생하는 신호를 측정하여 저장하는 장비로 데이터로거라고도 한다. 내셔널인스트루먼트(National Instrument, 이하 NI)사의 compact DAQ 제품을 사용하였다. NI 제품은 모듈형식으로 구성된 것이 특징이며 랩뷰(Labview)라는 프로그램을 이용하여 제어한다.
본 실험에서 사용 된 Class Ⅰ 등급의 센서는 ±7% 내의 출력 균일성을 갖고 있어서 교통량조사, 차종분류, 고속 통행료 부스, 속도 감지 등 정밀한 용도로 사용 할 수 있다.
수립된 센서 설치 계획을 자세히 나타내면 Table 1과 같다. 시험시공 구간에 MSI(Measurement Specialities Inc) 사의 BL Class Ⅰ 센서인 Piezo A를 깊이 별로 설치하였다. MSI cable을 1cm 간격으로 병렬 제작한 Piezo B를 설치하였다.
압전센서의 전압을 측정하기 위해서 Fig. 5(b)와 같은 NI 9239 모듈을 사용하였다. 모듈은 각 4개 채널에 대하여 24비트의 해상도를 가지고 있으며 50kS/s/ch의 속도와, ±10V 입력 범위의 성능을 발휘한다.
가장 큰 특징은 지정된 채널에서 Peak가 검지되었을 경우에만 전루프와 후루프를 포함하여 파일에 저장하도록 프로그래밍 한 것이다. 하나의 루프는 1초동안 채널별로 2,000개의 샘플을 획득하도록 설정하였으므로 매번 6,000개씩 수집된다.
따라서 설치깊이, 윤하중의 크기, 속도와 같은 다양한 변수에 따른 압전 센서의 출력 신호 를 분석하였다. 한국건설기술연구원내 포장가속 테스트 베드에 각각 1cm, 2cm, 3cm 깊이에 축검지용으로 사용되고 있는 MSI BL 센서를 설치하였다. 경제성을 확보할 수 있는 동축케이블 형태로 제작된 MSI cable도 설치하였다.

성능/효과

MSI BL 센서의 경우에는 기존에 설치하던 1cm 보다 더 깊은 3cm 에 설치해도 안정적으로 데이터를 수집 할 수 있는 100mV 이상의 신호가 출력되는 것을 확인하였다. 센서의 설치 위치가 포장에서 더 깊은 곳에 위치한다면, 센서의 기대수명 또한 증가할 것으로 예상된다.
한정적인 속도에 따른 신호 실험 결과, 속도가 빨라질 수록 신호의 크기가 커지기 때문에 축검지 정확도에는 아무런 영향이 없을 것이다. 그리고 10km/h는 일반국도의 운행속도로는 매우 낮기 때문에, 교통의 지체나 정체시에도 신호 수집 정확도에는 문제가 없는 것을 확인하였다. 본 연구에서 진행한 시험장비의 한계로 인하여 향후 일반국도에서 실제 주행속도인 60km/h ∼ 80km/h에 대한 추가적인 연구를 진행할 예정이다.
12에 가는 방향의 하중에 따른 신호크기를 나타내었다. 센서가 포장 표면에 가까울수록, 재하 되는 윤하중이 클수록 큰 신호가 출력되었다. 제한적인 실험변수와 현장여건에서 얻은 데이터에 따르면 그래프는 깊이에 따라, 하중에 따라 비선형적인 특징을 보인다.
16에는 속도에 따른 출력신호를 비교하였다. 속도가 증가함에 따라 타이어에서 발생하는 충격하중이 차이나는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 8km/h 보다 빠를 때는 신호 크기증가가 둔화되는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

APT(Accelerated Pavement Testing, 포장가속시험) 장비를 활용하여 일정한 윤하중을 재하 하여 신호를 얻을 것이다. 2cm 나 3cm의 깊이에 압전 센서를 설치하여 기존 제어기에 활용 할 수 있는 적절한 신호를 수집할 수 있다면 센서의 수명을 대폭 향상시킬 수 있을 것이다.
하지만 가장 얕은 1cm 깊이에 설치된 MSI cable도 100mV 이하의 신호가 출력되어 현장 적용이 불가능 하다는 것이 밝혀졌다. 또한 연구 장비의 한계에 따라 최대 10km/h 의 속도에서 실험하였으므로 향후 일반국도에서 실제 주행속도인 60km/h ∼ 80km/h에 대한 추가적인 연구를 진행해야 한다.
본 연구에서 진행한 시험장비의 한계로 인하여 향후 일반국도에서 실제 주행속도인 60km/h ∼ 80km/h에 대한 추가적인 연구를 진행할 예정이다.
센서 제조사에서 제시한 설치 깊이는 1cm 인데 이를 늘린다면 교통 하중 및 온도하중의 영향이 줄어들고, 센서설치가 포장에 미치는 영향도 축소되어 수명의 연장을 기대할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PVDF(Polyvinylidene fluoride) 압전센서의 사용용도는?	교통분야에 활용되는 여러 가지 센서 중에서 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 압전센서는 차량의 축을 검지할 수 있기 때문에 차종을 분류하여 수집하는 용도로 쓰인다. 압전센서는 주로 도로 포장에 매립하여 설치되는 형태로 교통 하중과 온도 하중에 항상 노출되므로, 평균 수명이 6년 이내로 매우 짧다.
	비매립형 센서에는 어떤 것들이 있는가?	계측 방법은 매립형과 비매립형으로 구분된다. 비매립형에 는 영상검지, 마그네틱센서, 튜브센서 등이 있고 매립형에는 루프센서와 압전센서가 대표적이다. 차종별 교통량, 속도, 점유율을 수집하는 용도로 가장 널리 쓰이는 장비중 하나인 AVC(Automated Vehicle Classification, 자동 차종 분류 장비)는 루프센서와 압전 센서의 조합으로 정보를 수집한다.
	압전센서의 수명을 증가시키는 방법은?	또한 설치와 유지보수에 교통통제가 필요하고, 고장 기간 동안 데이터 수집도 중단된다. 센서의 설치 깊이를 늘린다면 교통 하중 및 온도중의 영향이 줄어들 것이고, 센서설치가 포장에 미치는 영향도 축소되어 수명의 연장을 기대할 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 설치 깊이에 따른 센서 신호의 출력을 분석하여, 센서 제조사에서 제시한 설치 깊이인 1cm 보다 더 깊게 설치할 수 있는 가능성을 확인하였다.

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