구조물의 진동 측정과 해석

구조물의 진동 측정과 해석

 

2012 11

영신컨설턴트 (02) 529 8803

 

구조물 계측의 설계

구조물은 구조물의 크기 진동수에 따라 센서선택, 측정 저장장치선택, 센서민감도, 측정시간, 측정빈도, 측정위치, 측정갯수, 설치방법이 중요하다. 하중은 상시미동과 공용하중이 있어 측정 진폭에 맞은 측정센서가 필요하다. 부적절한 센서 측정시간 측정 빈도는 쓸모없는 자료를 만들고 해석이 불가능하다. 센서와 측정된 자료를 해석할 구조물의 이해가 중요하다.

 

 

 

가속도계와 지오폰

가속도계와 지오폰은 스프링구조에 매달린 무게(M, mass)가 외부 진동(F)에 반응하여 스프링(k)에 전기저항센서를 부착하거나 코일 마그네트로 움직임의 전압을 측정한다. mass와 k에 따라 센서의 민감도가 달라진다. 측정할 대상에 맞는 영역의 가속도계나 지오폰을 사용해야 한다. 말뚝 동재하시험 시 약 1000g정도 PIT(말뚝건전도시험)시험 시 20g정도의 가속도계를 사용한다.

 

 

 

 

 

 

1. Resistive Operating Principle ( PDA Piezoresistive PR ) 전기 저항식

Voltage output of resistor bridge changes proportionally with applied acceleration

 

 

 

2. Capacitive Operating Principle

Utilizes frequency modulation technique through varying capacitor bridge

 

 

Resistive / Capacitive Typical Characteristics

Measure down to 0 Hz (DC response)

Limited dynamic range (<80 dB = 10,000:1)

Limited high frequency range (<10 kHz)

Often a damped frequency response (0.7% of critical)

Sensitivity may vary with input 센서 입력 형태 (mV/g/V)

Traditionally fragile (limited shock protection) 쉽게 손상

Operates multi-conductor cable (at least 3 wires)

Micro-machined versions are small and lightweight

Low frequency and/or long duration events 저주파수

Tilt sensors

 

3. Servo or Force Balance Operating Principle

Feedback force required to maintain uniform capacitance is proportional to acceleration

 

Force Balance / Vibrating Quartz Typical Characteristics

Measure down to 0 Hz (DC response)

Wide dynamic range (>120 dB = 1,000,000:1)

Extremely stable over time and temperature (ppm)

Limited high frequency range (<1 kHz)

Poor overload survivability (<100 g's)

Force balance may exhibit large magnetic sensitivity

 

 

4. Piezoelectric (PDA piezoelectric PE)

Force on self-generating crystal provides charge output proportional to acceleration

 

 

 

Piezoelectric Effect 압전효과

그리스어 "piezen"는 "to squeeze" 압전을 의미.

 

 

 

전단형 Shear Mode - 대부분 사용

 

 

Piezoelectric -Typical Characteristics

Dynamic events only (>0.2 Hz)

Wide dynamic range (>100dB = 100,000:1)

Wide frequency bandwidth 넓은 주파수 (<1 Hz to >10 kHz)

Solid-state (No moving parts) mass의 이동이 없는 형태

Self-generating piezoelectric elements require no power 공급전원이 필요 없음

Operates over two conductors 2선으로 측정

Rugged (5,000 g's) 높은 가속도 측정

 

 

 

지오폰

 

Mechanical Sensitivity

가속도는 코일과 magnet의 상대적 이동을 유발한다.

공진 주파수 아래에서 일정한 Sensitivity

 

 

Electrical Sensitivity

자기장에서 코일 이동시 주파수에 대한 전압 측정 코일의 이동속도에 비례한 전압 측정

 

 

 

저주파수에서 코일의 속도에 따라 민감도가 달라진다.

측정범위를 벗어난 저주파수와 고주파수는 민감도와 해상도가 떨어지므로, 적정한 영역의 주파수를 사용한다.