2.1.1 휘트스톤 브리지

휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge circuit)는 변형률, 온도, 압력과 같은 변환기와 관련된 자동화 회로에서 많이 사용되고 있다. 변환기(Transducer)란 물리량의 변화를 감지해 저항의 변화와 같은 전기량으로 이를 바꾸어주는 장치를 의미한다^{(Choi and Ryu, 2017)}.

휘트스톤 브리지는 변형률 센서를 몇 개 부착하는가에 따라 다양한 형태로 분류되며, 본 연구에 사용된 형태는 Fig. 1과 같이 변형률 센서가 한 개 부착되는 쿼터 브리지(quarter bridge) 형태를 이용하였다.

쿼터 브리지 형태의 휘트스톤 브리지의 경우 온도 영향을 고려하지 않으며, 본 연구의 경우 구조물 내부에 사용되기 때문에 온도를 고려하지 않아도 되어 쿼터 브리지 형태의 휘트스톤 브리지가 적합하다고 판단하였다.

Fig. 1에서 $R_{2}$, $R_{3}$, $R_{4}$는 고정 저항을 의미하며, $R_{g}$는 변형률 센서를 의미한다. 보통 쿼터 브리지 형태의 휘트스톤 브리지의 경우, 이 변형률 센서를 구조물에 설치하여 변형률을 측정하게 된다.

휘트스톤 브리지의 경우, 실험에 이용하기 전에 브리지를 평형 상태로 만들어 초기화해야 한다.

휘트스톤 브리지가 평형 상태가 되기 위해서는 저항 4개의 값이 다음과 같은 관계가 성립되어야 한다.

식 (1)과 같이 평형 상태가 된 브리지에서 저항이 변경되면 출력전압은 다음과 같은 식으로 구할 수 있게 된다.

식 (2)에서 m 값은 저항비를 나타내며 $m = R_{2}/R_{g}$이다. 쿼터 브리지 회로에서, $R_{2}$, $R_{3}$, $R_{4}$는 고정 저항이기 때문에 변화량이 없으므로 식 (2)의 $\triangle R_{2}$, $\triangle R_{3}$, $\triangle R_{4}$는 0으로 놓을 수 있다.

따라서, 쿼터 브리지 회로의 출력전압 $\triangle E$는 다음과 같은 식 (3)으로 변환할 수 있게 된다.

변형률 센서는 성능지표로써 게이지 계수 값을 가지고 있으며 이를 $G_{f}$로 나타내었을 때 그 값은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

식 (4)를 출력접압 $\triangle E$에 관한 식 (3)에 대입하게 되면 변형률 $\varepsilon$ 값을 계산하는 다음과 같은 식을 얻을 수 있다^{(Choi and Ryu, 2017)}.

위 식을 통해, 변형률 센서의 저항이 바뀌면 출력전압 값이 바뀌게 되고, 이를 통해 변형의 정도를 계측할 수 있음을 알 수 있다.

2.2.1 커스터마이징 비콘 제작 및 시스템 구성

비콘에 탑재 가능한 변형률 센서 모듈 제작을 위한 회로도를 Fig. 2에 나타내었다. 본 연구에 사용한 변형률 센서의 경우 저항이 120 Ω이므로, 휘트스톤 브리지 평형을 위해 회로도의 고정 저항값을 120 Ω으로 설정하였다.

커스터마이징 비콘의 경우 Photo 1과 같이 블루투스 비콘 모듈에 변형률 센서 모듈을 탑재하도록 구성하였으며, 센서의 구동은 AAA 배터리 3개를 따로 설치하여 배터리 교체가 용이하도록 구성하였다.

블루투스 비콘 모듈에는 변형률 센서 이외에도 온ㆍ습도 센서, 가속도 센서의 연결이 가능하도록 하였으며, 따라서 다양한 센서 데이터의 통합 계측이 용이하도록 하였다. 가속도 센서의 경우 sampling frequency 설정을 200 Hz로 해주었으며 이를 통해 센서 설치의 유ㆍ무 및 기울기의 정도 계측이 가능하게 하였다.

데이터 취득의 경우 Fig. 3와 같이 블루투스 비콘에서 게이트웨이에 가속도 센서 및 변형률 센서 계측 데이터를 MQTT 기반으로 보내게 되며, 게이트웨이에서 받은 계측 데이터값을 웹/앱 형태로 사용자가 확인하는 형식으로 시스템을 구성하였다.

2.3.1 커스터마이징 비콘 하중 실험

실제 구조물에 하중을 주어 변형률 센서 데이터를 확인하는 데 한계가 있기 때문에, 본 연구는 구조물에 하중이 발생할 때 커스터마이징 비콘의 변형률 센서 데이터의 변화를 알아보고자하였다.

Photo 2와 같이 실험실 규모로 UTM(Universal Testing Machine) 장비를 이용하여 하중 실험을 진행하였으며, NI 장비를 이용하여 데이터 변화를 확인하였다.

실험은 0~40 ton까지의 힘을 1 ton씩 일정하게 증가시키며 하중을 받을 때 1회, 5ton씩 일정하게 증가시키며 하중을 받을 때 3회로, 총 4회의 실험을 진행하였다. 실험 도중에 계측되는 데이터를 확인해가며 Amp의 증폭 값을 재설정하며 반복하였다.

실험 결과에 대한 그래프를 Fig. 4에 나타내었으며, 하중 실험 결과 데이터값이 선형을 나타내는 것을 확인할 수 있었고, 변화의 폭이 일정하게 증가하는 결과를 확인할 수 있었다. 이를 토대로 만약 구조물에 하중이 발생하여 무게가 증가할수록, 변형률 센서 데이터값 또한 일정한 폭으로 증가함을 알 수 있다.

2.3.2 커스터마이징 비콘 변형률 검증 실험

구조물 모니터링 시 구조물의 변형 감지를 위한 실험을 진행하기 위해 커스터마이징 비콘을 이용하여 실험실 규모의 변형률 검증 실험을 진행하였다.

Photo 3와 같이 50 cm 자에 40 mm 길이의 콘크리트 부착용 변형률 센서를 부착하였으며, 변위 계측이 용이한 위치를 선정하여 23~27 cm 위치에 부착하였다. 이때, 변형률 센서는 커스터마이징 비콘의 변형률 센서 모듈에 부착하여 원격으로 데이터를 확인해가며 실험을 진행하였다.

실험 설정으로 Photo 4와 같이 자의 10 cm 위치만큼을 책상에 고정하였으며, 자의 평형이 이루어지는 초기 위치를 측정하였을 때의 높이가 69 cm로 측정되었다.

초기 위치에서 자를 1 cm씩 내리며 변형률 값을 측정하여 실험을 진행하였으며, 50 cm 높이까지 위치를 변화하여 총 20개의 변형률 값을 계측한 결과를 Table 1에 나타내었다.

계측된 변형률 값을 살펴보면 높이가 0~4 cm 구간에서는 변형률 값이 증가하지 않았으며, 5 cm 변하였을 때 변형률 값이 상승하기 시작한 것을 확인할 수 있었다.

눈에 띄게 변형률 값이 증가하기 시작한 것은 6 cm 이후로써, 변위가 증가할수록 변형률 값도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

데이터의 경향을 살펴보고자 Table 1의 결과값을 Fig. 5와 같이 그래프로 나타내었다. 실험 결과, 데이터값이 선형을 나타내는 것을 확인하였으며 이를 통해 구조물에 변형이 크게 일어날 때 변형률 센서 데이터값 또한 큰 폭으로 증가함을 알 수 있다.

2.4.1 커스터마이징 비콘 실내실험 설정

커스터마이징 비콘의 데이터 취득 실험을 위해 차세대융합기술연구원 15층 내 비콘 및 게이트웨이 설치장소를 선정하여 Fig. 6과 같이 총 10개의 커스터마이징 비콘을 시설물 내 기둥에 설치하였으며 각 센서 간의 거리에 대해 표시하였다. 또한, 커스터마이징 비콘 데이터 취득을 위한 게이트웨이를 각 비콘의 거리를 토대로 데이터 취득이 용이하도록 복도에 2개 설치하였다.

변형률 센서 모듈에 연결한 변형률 센서는 콘크리트 부착용 변형률 센서를 사용하였으며, 데이터의 경우 비콘의 정보를 설치된 게이트웨이로 전송하도록 설정하였으며, 설치한 게이트웨이 사양에 대해 Table 2에 나타내었다.

2.4.2 계측 데이터 원격 모니터링

계측 데이터의 원격 모니터링의 화면 구성은 Fig. 7과 같이 크게 두 부분으로 구성하여 상단의 변형률 센서 계측 데이터값의 그래프를 화면상에 나타나게 하였으며, 하단에는 가속도 센서의 데이터값을 X축, Y축, Z축으로 나타나게 하였다.

화면 우측 상단에는 데이터 수집 시 주기 설정을 할 수 있도록 하여 데이터의 취득 속도를 조절할 수 있도록 하였으며, 데이터의 범위 설정을 통해 짧게는 초, 길게는 달 단위의 데이터를 그래프상에 표시할 수 있도록 하였다.

2.4.3 데이터 취득 및 결과 분석

변형률 센서의 초기 계측 데이터의 경우 Fig. 8과 같이 변형이 일어나지 않음에도 데이터의 값이 튀는 현상을 보였으며, 따라서 캘리브레이션을 진행하였다.

캘리브레이션은 변형률 센서 모듈에 가변저항을 달아 저항값을 조정해 가며 휘트스톤 브리지의 평형을 최대한 맞췄으며, 이를 통해 Fig. 9와 같이 일정한 경향을 보이는 데이터를 취득할 수 있었다. 비콘 데이터의 특성상 데이터의 누락 또는 손실이 발생할 수 있으므로 본 연구에서는 펌웨어를 통해 센서 세팅 시간을 고려하여 센싱 주기를 설정해 주었으며, 센서의 노이즈 값을 필터링하여 데이터 누락 및 손실을 최소화하고자 하였다.

데이터의 수집은 약 1주일 동안 진행되었으며, Fig. 9에서 나타낸 그래프는 1월 16일부터 19일까지의 변형률 센서 데이터를 나타낸다. 또한, 수집된 커스터마이징 비콘에 대한 위치별 데이터의 경향을 살펴보고자 요일별로 평균값을 내어 이를 좌표평면상에 그래프로 나타낸 값을 Fig. 10-13에 나타내었다.

Fig. 10-13의 그래프를 살펴보면 16일에서 19일까지 약 7~8(με) 사이의 일정한 변형률 값이 계측되었으며, 이는 평시에 7~8(με) 사이의 데이터 값을 가지고 있다는 것이므로 만약 데이터값이 7~8(με)을 넘어 비이상적으로 높아졌을 때는 구조물에 이상 하중 또는 구조물 변형이 발생하고 있다는 것을 하중 실험 및 변위실험을 통해 알 수 있다.

또한, 커스터마이징 비콘의 가속도 센서를 이용한 위치 확인을 통해 이상 하중이 발생하는 곳 또한 알아낼 수 있다. 이를 통해, 변형률 센서를 이용한 원격 구조물 변위 계측이 가능함을 검증하였다.