교량 모니터링 계측센서 일반사항과 활용가능한 계측센서

일반사항

구조물의 결함이나 손상 또는 현재의 상태를 탐지하고자 하는 계측 및 모니터링 시스템의 개발을 위하여 고려되어야 할 사항으로는 크게 센서 및 부가 계측장비, 신호처리장비 및 기술, 정보처리기술 등을 들 수 있다.
우선 센서 및 계측장비는 구조물의 현재 상태를 직접 측정·전달하는 역할로 말미암아 그 선택 및 설치에 의한 오류나 정확도가 계측관리 전반에 걸쳐 영향을 미치게 된다. 그러므로사용될 센서의 성능, 수효 및 위치의 최적화와 측정치의 종류 및 부수장비의 선택을 위한 면밀한 사전계획(usage scenario)의 수립이 필요하. 또한 장기간 계측을 보장하기 위하여 사용된 장비들의 내구성 검토 또한 매우 중요하다. 즉, 일시적 계측과는 달리 장기계측의 경우 센서의 내구성과 유지관리가 강조되고, 이는 센서 및 부수장비의 선택·설치방법·위치 그리고 수효에도 많은 영향을 미친다. 센서는 열악한 환경(온도 변화·습기·화학물질 침입 등)에서도 장기간동안 그 기능이 보장되어야 하며 가능한 한 교체 설치될 수 있어야 하고 노이즈(noise)의 영향이 최소화되도록 설치되어야 한다. 또한 대규모 구조물의 측정에 필요한 많은 수효의 센서를 감당할 수 없으므로 수효와 위치선택에 관한 최적화계획이 필요하다. 이를 위해 광섬유센서 등의 연속측정(distibuted sensing)이 가능한 센서 또는 측정방법의 응응도 고려할 수 있다. 다음은 계측센서의 설치 및 관리시 주의사항이다.
1. 계측센서의 설치 오류로 인한 측정 응답의 왜곡이 빈번히 발생하므로 설치시에 주의를 기울여 목적에 맞는 최적의 응답을 얻을 수 있도록 하여야 한다. 설치 후 초기값 거동의 검증과정을 거쳐 설치 계측데이터의 오류가 발생하지 않도록 주의하여야 한다.
2. 계측센서의 측정값의 오차는 온도변화로 생기는 스트레인의 오차 다음으로는 습도에 의해 발생되는 영점 이동이다. 습기 또는 수분에 의해서 저항소자가 전기분해 또는 부식을 일으켰을 때는 저항값의 변화가 생기고 때에 따라서 단선도 된다. 일반적으로 실내에서 짧은 시간의 계측에 있어서 게이지에 방습처리는 필요 없다고 할 수 있으나, 장기계측에서는 방습처리가 필수적이다.

3. 외부에 노출된 리드와이어는 장기간의 직사광선 영향을 받을 경우 해당센서가 온도보정과정을 거치더라도 리드와이어 자체의 온도상승 영향이 계측값에 큰 영향을 미치므로장기계측시 리드와이어의 설치 및 관리에 세심한 주의가 필요하다. 센서에 의해 측정된 정보는 전기신호형태(raw signal)로 전달되어지므로 이의 처리를 위한일련의 처리과정이 필요하게 된다. 이 과정은 일반적으로 수집(acquisition)·변환(generation)으로 분류되어지며 그 궁극적인 목적은 구조물의 현재상태 판단의 근거가 되는 신호의 특성치(signal features)를 얻어내는 데 있다. 신호처리의 결과를 토대로 구조물의 현재상태를 판단하는 과정을 정보처리(information processing)라고 하며 이를 위해서는 구조물 자체에 관한 정보·거동에 관한 정보 및 진단에 필요한 정보 등의 전문가적 지식이 필요하게 된다.
4. 센서 이외에 신호수집장치(DAQs Data Acquisition System), 이를 연결하는 케이블, 전력공급·안정장치·온도보존장치·신호전송장치(remote signal transmission) 등에 대해서도 세심한 고려가 필요하다. 특히 센서와 DAQs를 연결하는 케이블의 경우 가격 및 설치도 문제이며 노이즈의 안테나 역할을 하므로 가능한 한 그 길이를 최소화함이 바람직하다. 이를 위해 여러 개의 전용 DAQs를 제작 배치하고 이들을 LAN으로 연결한 후 시그널을 원격 전송하는 방법이 가능하다. DAQs의 경우 이미 제작판매되는 실험실용 DAQs는 그 성능과 가격이 검증되어 신뢰도를 확보할 수 있으나 실제 시공현장에서는 장기간 현장배치에 따르는 신뢰성 저하와 가격이 문제가 된다. 수집되는 시그널을 원격지의 중앙처리장치로 전송하기 위한 최적의 방법으로는 현재 광통신 전용망을 활용한 데이터파일 송수신이다.

활용가능한 계측센서

실무에서 주로 활용중인 토목구조물 계측센서들에 대해 소개한다. 특히, 공용기간중 활하중 및 외부환경에 대하여 안전도 및 사용성에 큰 영향을 받는 교량구조물에 대한 계측센서 적용을 소개하고자 한다. 각 계측센서의 적용은 모든 토목구조물에 대하여 적용가능하며 해당 구조물의 전체 또는 국부 거동 상세에 따라 적합하게 적용가능함을 우선적으로 밝히는 바이다.