구조 테스트 및 건전성 모니터링을 위한 새로운 기술

구조 건전성 모니터링은 다양한 물리적 감지 및 측정 기술을 지속적인 원격 처리와 결합하여 리얼타임 데이터를 캡처하고 기록하고 지속적으로 분석합니다. 모니터링되는 구조의 크기와 복잡성으로 인해 감지 기술에서 다중 시스템 동기화, 구조 역학, 데이터 관리 및 분석 등에 이르기까지 다양한 분야에 정통해야 합니다. 이 문서는 구조 테스트 및 구조 건전성 모니터링을 위한 4가지 핵심 기술과 NI가 이를 솔루션에 통합하는 방법을 다룹니다.

• 다중 모드 센서 시스템
• 견고하고 정밀한 신호 컨디셔닝
• 분산 측정 시스템
• 소프트웨어 기술

센서 기술은 구조 테스트 및 모니터링 연구 및 기술 발전에서 가장 활발한 영역 중 하나입니다. SHM 시스템은 다양한 센서를 통합하고 센서 기술 옵션은 계속 확장됩니다. 오늘날 대부분의 SHM 시스템은 스트레인 게이지, 진동 또는 가속도계 센서, 변위 센서와 같은 센서를 사용하여 구조의 응력이나 움직임을 추적합니다. 또한 시스템에는 일반적으로 환경 또는 날씨 모니터링을 위한 센서가 포함됩니다. 많은 새로운 센서 기술은 음향 방출과 같은 비파괴 테스트(NDT) 접근 방식을 사용하여 구조의 결함을 직접 감지합니다. 광섬유 기술을 기반으로 하는 센서도 해당 기술이 계속 발전하고 성숙해짐에 따라 사용량이 증가하고 있습니다. 일부 구조 엔지니어는 일반적으로 교통 상황에 대한 동영상 이미지를 구조 모니터링 시스템에 통합하는 것이 유용하다는 것을 발견하고 있습니다.

구조 엔지니어의 관점에서 SHM 시스템은 이러한 여러 측정 유형 및 센서 기술에 적응하고 이들을 수용할 수 있는 것이 좋습니다. 시스템을 모듈화하는 것도 요구 사항이 늘어나면 측정을 추가할 수 있기 때문에 중요합니다. 마지막으로, 이러한 시스템의 확장성이 높을수록 실험실에서 솔루션을 설계하고 휴대용 단기 측정에 사용하고 궁극적으로 현장에 설치하기가 더 쉽습니다.

       그림 1. 구조 모니터링 센서 기술

NI 데이터 수집 플랫폼은 동급 최고의 측정 품질을 제공할 뿐만 아니라 다양한 센서와 신호를 포괄하는 광범위한 측정을 제공합니다. 측정을 더하거나 빼는 기능은 특히 요구 사항이 변경될 때 큰 이점입니다. 모든 플랫폼은 NI LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍되므로 소프트웨어를 실험실에서 현장으로 확장할 수 있습니다.

구조 모니터링 및 테스트에서 가장 일반적인 측정은 변형률과 진동입니다. 변형률 측정은 일반적으로 전체, 하프 또는 쿼터 브리지 구성으로 배열된 저항성 호일 스트레인 게이지로 이루어집니다. 일반적으로 IEPE 가속도계라고 하는, 내장형 전하 증폭기가 있는 압전 가속도계는 흔히 동적 진동 수집에 사용됩니다. 서보 또는 힘 균형 가속도계는 지진 기록 분야에서 자주 사용됩니다. 구조 모니터링 시스템에 정기적으로 탑재되는 다른 센서로는 변위, 기울기 및 균열 센서용 스트링 전위차계(LVDT) 및 온도 측정용 열전쌍 및 저항 온도 감지기(RTD), 습도, 풍속, 풍향용 기타 환경 센서가 포함됩니다.

동급 최고의 측정 품질을 달성하려면 센서 측정에 필요한 여러 유형의 컨디셔닝과 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하여 계측에 사용되는 여러 유형의 아날로그 구성 요소를 고려해야 합니다.

그림 2.   센서 측정을 위한 신호 컨디셔닝

ADC는 아날로그 신호를 받아 이진수로 바꿉니다. 따라서 ADC의 각 이진수는 특정 전압 레벨을 나타냅니다. ADC는 아날로그 신호의 실제 전압 레벨을 넘지 않고 가능한 가장 높은 레벨을 반환합니다. 분해능은 ADC가 신호를 나타내는 데 사용할 수 있는 이진 레벨의 수를 나타냅니다. 분해능에 따라 사용 가능한 바이너리 레벨의 수를 결정하려면 간단히 2^분해능을 계산하십시오. 따라서 분해능이 높을수록 신호를 더 많은 레벨로 나타낼 수 있습니다. 그림 3은 12비트, 16비트 및 24비트 ADC에 의한 신호의 디지털 표현을 보여줍니다. 이제 정적 및 동적 어플리케이션에서 매우 정확한 측정을 허용하는 24비트 기술을 사용할 수 있습니다.

그림 3. 16비트 대 24비트 분해능

NI C 시리즈 소형 측정 및 I/O 모듈은 구조 센서에 직접 연결할 수 있도록 연결, 신호 컨디셔닝 및 A/D 변환을 결합합니다. 이러한 모듈은 NI CompactDAQ, CompactRIO, Wi-Fi 데이터 수집(DAQ) 및 USB를 포함한 여러 측정 플랫폼에서 사용할 수 있습니다. C 시리즈 모듈은 정확한 저잡음 24비트 A/D 기술을 사용하여 입력 채널당 최대 50kS/s의 스트레인 및 가속도계 수집 속도로 동적 측정 요구 사항을 충족합니다. 변형률 및 진동 외에도 변위 센서, 열전쌍 및 RTD를 포함하여 구조 테스트 및 모니터링에 필요한 거의 모든 센서에 이 모듈을 사용할 수 있습니다. C 시리즈 I/O 모듈의 전체 목록은 C 시리즈 호환성 차트를 참조하십시오.

그림 4. C 시리즈 모듈은 구조 모니터링 및 테스트 센서에 대한 직접 연결을 제공합니다.

리얼타임 구조 성능 데이터의 지속적인 모니터링은 교량, 건물, 경기장 및 기타 대형 구조물의 장기 유지 관리에서 중요한 전략으로 부상하고 있습니다. 이러한 어플리케이션에는 신뢰할 수 있고 정확한 센서 데이터를 제공하기 위해 측정 성능이나 다양성을 희생하지 않고 작업자 없는 먼 위치에서 안정적으로 작동할 수 있는 견고하고 지능적인 데이터 수집 시스템이 필요합니다.

NI CompactRIO는 고성능과 안정성이 모두 필요한 어플리케이션을 위해 설계된 고급 임베디드 데이터 수집 및 제어 시스템입니다. 시스템의 개방형 임베디드 아키텍처, 견고성, 작은 크기 및 유연성을 통해 까다로운 구조 모니터링 어플리케이션을 위한 안정적인 시스템을 쉽게 사용자 정의하고 배포할 수 있습니다. LabVIEW로 구동되는 CompactRIO는 광범위한 C 시리즈 센서 인터페이스 기능을 통합합니다.

그림 5. CompactRIO 시스템은 장기적인 구조 모니터링을 위한 견고한 임베디드 데이터 수집 및 제어 솔루션을 제공합니다.

임베디드 인텔리전스 및 데이터 스토리지

지속적이고 장기적인 모니터링 어플리케이션에는 장기간 독립 실행형으로 안정적으로 작동할 수 있는 시스템이 필요합니다. 이를 위해서는 센서 데이터를 수집하고 데이터를 근처에 기록하고 주기적으로 호스트 시스템에 데이터를 전송할 수 있는 리얼타임 임베디드 시스템이 필요합니다. 독립 실행형 무인 운영 시스템 기능은 네트워크 중단 또는 PC 시스템 오류로부터 귀중한 센서 데이터를 보호합니다. CompactRIO에는 내장형 비휘발성 플래시 스토리지(최대 2GB), 착탈식 SD 메모리 카드(NI 9802 C 시리즈 모듈을 통해), USB 플래시 드라이브를 비롯한 여러 로컬 데이터 저장소 옵션과 안정적인 독립형 동작을 위한 임베디드 리얼타임 프로세서가 포함되어 있습니다. LabVIEW 그래픽 프로그래밍 도구를 사용하여 프로그래밍된 CompactRIO 시스템은 SHM 어플리케이션에 맞는 데이터 수집, 인라인 데이터 분석 및 처리, 데이터 저장 또는 통신을 수행하도록 쉽게 사용자 정의될 수 있습니다.

원격 통신 및 연결

교량과 같은 구조물에는 일반적으로 통신이나 네트워크 인프라가 없기 때문에 모니터링 시스템에는 일반적으로 원격 통신 기능이 필요합니다. 오늘날 가장 널리 사용되는 원격 통신 방식에는 Wi-Fi(호스트 PC가 근처에 있는 경우) 또는 셀룰러 데이터(예: CDMA, GSM/GPRS, EDGE 등)가 있습니다. 다른 옵션은 독점 장거리 라디오 및 위성 통신입니다. 일련의 통신 프로토콜 및 기능을 통해 CompactRIO는 타사 통신 장치 및 모뎀과의 통합을 단순화합니다. 프로그래밍 방식의 통신을 위해 CompactRIO에는 TCP/IP, UDP, Modbus/TCP 및 시리얼 프로토콜용 라이브러리가 포함되어 있습니다. 또한 CompactRIO에는 HTTP 및 FTP용 내장 서버가 포함되어 있어 웹 브라우저와 인터넷에 쉽게 액세스할 수 있습니다.

동기화된 분산 측정

구조물의 건전성을 모니터링하려면 넓은 영역에 분산된 많은 수의 센서가 필요할 수 있습니다. 각각 센서 클러스터에 연결된 여러 네트워크 데이터 수집 장치를 사용하는 분산 측정 시스템은 센서 배선의 양을 크게 줄이고 설치를 크게 단순화할 수 있습니다. 그러나 대부분의 건전성 모니터링 시스템은 신뢰할 수 있는 전 시스템 참조 시간을 필요로 하기 때문에 분산 시스템은 전체 구조에서 센서 측정을 정확하고 안정적으로 시간 동기화할 수 있어야 합니다. 대부분의 통신 네트워크는 이러한 동기화 기능을 제공하지 않지만 고급 시스템에서는 시스템 전체 동기화를 위해 GPS 또는 새로운 결정서 있는 네트워킹 기술을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, CompactRIO는 GPS 수신기를 사용하여 전체 교량, 경기장 또는 기타 대형 구조물에서 측정을 동기화할 수 있습니다.

소프트웨어는 SHM 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 구조물에 대한 휴대용 테스트를 수행하든 장기 모니터링 시스템을 설치하든, 인라인 및 오프라인 데이터 분석, 사용 용이성, 데이터 후처리 및 관리에 대한 소프트웨어 요구 사항을 고려하십시오.

쉽고 강력한 그래픽 프로그래밍

어플리케이션 개발에 대한 새로운 접근 방식인 그래픽 프로그래밍은 그래픽 표현이 텍스트 기반 코드보다 직관적인 디자인 표기법이기 때문에 학습 곡선을 크게 줄여줍니다. 대화형 팔레트, 대화 상자, 메뉴 및 VI(가상 계측기)로 알려진 수백 가지 기능 블록을 통해 도구와 기능에 접근할 수 있습니다. 그런 다음 이 VI를 다이어그램으로 끌어 놓아 어플리케이션의 동작을 정의할 수 있습니다. 이 포인트 앤 클릭 방식은 초기 설정에서 최종 솔루션까지 걸리는 시간을 단축합니다.

LabVIEW는 테스트, 제어 및 측정 어플리케이션을 개발하는 엔지니어와 과학자를 위해 설계된 입증된 그래픽 프로그래밍 환경입니다. 멀티스레딩 및 병렬 프로그래밍, 대화식 실행 및 디버깅, 고수준 어플리케이션별 도구에 대한 고유한 지원을 통해 LabVIEW는 SHM 어플리케이션으로 더 많은 것을 수행할 수 있도록 도와줍니다. 그림 6는 동기화된 이미지와 함께 여러 웨이브폼을 수집하고 표시하는 LabVIEW 어플리케이션을 보여줍니다.

그림 6. LabVIEW 그래픽 개발 환경은 전문 사용자 인터페이스를 빠르게 개발할 수 있는 강력한 그래픽 및 시각화 도구를 제공합니다.

LabVIEW 그래픽 프로그래밍 개발 환경은 CompactRIO와 같은 임베디드 컨트롤러를 포함한 여러 컴퓨팅 플랫폼과 호환됩니다. 따라서 LabVIEW Real-Time Module 및 CompactRIO를 사용하여 고성능 맞춤형 임베디드 모니터링 시스템을 개발하기 위해 풍부한 LabVIEW 기능 세트를 활용할 수 있습니다.

LabVIEW에는 또한 측정을 수행하고, 고급 분석을 수행하고, 데이터를 디스크에 저장하는 프로세스를 단순화하는 설정 기반 단계 또는 마법사인 Express VI가 포함되어 있습니다.  

데이터 분석

세 가지 중요한 SHM 어플리케이션 단계는 수집된 데이터를 사전 처리하고, 데이터 분석을 위해 수치 계산과 알고리즘을 적용하고, 개방 및 폐쇄 루프 시뮬레이션을 수행하여 실제 데이터로 모델을 검증하는 것입니다.

필터링, 샘플링 및 윈도잉에 LabVIEW 내장 VI를 사용하면 데이터를 쉽게 사전 처리할 수 있습니다. 진동 분석 및 고급 신호 처리를 위한 툴킷을 통해 LabVIEW는 SHM에 최신 수치 계산 및 알고리즘을 사용할 수 있도록 도와줍니다.

또한 LabVIEW는 시뮬레이션 및 출력 전용 온라인 파라미터 추정 수요 증가를 해결합니다. 이는 준정적 및 동적 신호가 하나의 통합 단계에서 수집 및 분석되는 다른 어플리케이션 영역의 추세이기도 합니다. 폐쇄 및 개방 루프 시뮬레이션과 HIL(hardware-in-the-loop) 시뮬레이션에 대한 LabVIEW 지원을 통해 여러분은 데이터 수집 및 분석에 대한 하나의 공통 접근 방식을 갖게 됩니다.

그림 7. 고급 분석 알고리즘은 다양한 NI 소프트웨어 패키지와 함께 사용할 수 있습니다.

또한 NI 소프트웨어는 다양한 구조 엔지니어링 요구 사항을 충족하기 위해 수백 가지의 신호 처리 및 분석 알고리즘을 내장하고 있습니다. 구조 및 지진 모니터링을 위한 몇 가지 분석 알고리즘은 다음과 같습니다.

• FFT(고속 푸리에 변환), 전력 스펙트럼, 줌 전력 스펙트럼 및 주파수 응답
  
• 평균화, 필터링 및 윈도잉
  
• 전체 및 부분 옥타브 분석
  
• 빗물 흐름 분석
  
• 피크 및 RMS(평균 제곱근) 감지

또한 NI 소프트웨어에는 고급 처리 기술을 빠르게 표시하고 분석하는 고급 시각화 기술이 포함되어 있습니다.

데이터 관리

30년 이상 동안 엔지니어와 과학자는 사후 데이터에 어떤 일이 발생하는지는 별로 고려하지 않고 NI 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하여 기술 데이터를 생성해 왔습니다. 데이터는, 특히 구조 및 지진 분야의 데이터는, 고비용일 수 있습니다. 구조 및 지진 모니터링에서 기록되어야 하는 일시적인 이벤트는 지진 이벤트의 경우처럼 쉽게 복제할 수 없습니다. 이 문제를 해결하기 위해 NI는 유연하고 조직적인 파일 저장소, 포괄적인 검색 기능, 대화식 후처리 환경을 제공하는 3단계 데이터 관리 솔루션을 제공합니다.

그림 8. NI 기술 데이터 관리 솔루션에는 데이터 파일, NI DataFinder 및 NI DIAdem이 포함됩니다.

세 가지 요구 사항을 위해 NI 기술 데이터 관리(TDM) 솔루션은 (1) 테스트 파일에 설명 정보를 저장하기 위한 TDM 데이터 모델, (2) 파일 포맷에 상관없이 테스트 데이터를 검색 및 마이닝하기 위한 NI DataFinder, (3) 분석 및 보고를 위한 NI DIAdem 소프트웨어의 세 가지 요소로 구성됩니다.  

그림 9. DIAdem은 자동 보고서 생성, 고급 분석 및 데이터 시각화 기능을 포함하여 대규모 데이터 세트 후처리를 위한 대화형 환경을 제공합니다.

이 문서는 구조 테스트 및 건전성 모니터링을 위한 4가지 핵심 기술인 다중 모드 센서 시스템, 정밀 신호 컨디셔닝, 분산 측정 시스템, 소프트웨어를 설명했고 NI가 솔루션에 이를 통합하는 방법에 대해 다뤘습니다.