지진가속도 계측 센서의 출력전압 선형비 검정기준 개선
Improving the Linear Ratio Inspection Standard for Seismic Acceleration Sensor Output Voltages
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Abstract
본 연구에서는 지진가속도 계측 센서의 출력전압 선형비 검정 항목인 센서의 출력전압 오차율 측정 기준의 문제점을 분석하고 개선 기준을 제안하였다. 기존 오차율 측정기준은 센서가 30°, 45°, 60°, 90°의 각도인 경우를 대상으로 하나, 지진가속도 센서는 작은 각도의 변화에도 민감하게 반응해야 하므로 5° 단위로 오차율을 측정하는 개선 기준을 제안하였다. 선형비는 출력전압의 이론값과 측정값의 오차율로 측정되므로 각도 변화에 따른 X, Y, Z 방향으로 센서의 오차율 변화를 분석한 결과, 측정 각도가 작을 때 오차율이 크며, 측정 각도가 증가할수록 오차율은 점진적으로 감소되었다. 기존 측정 기준은 5° 단위로 상세하게 측정된 평균 오차율의 40~50% 수준이며, 평균 오차율을 지나치게 과소평가하므로 지진가속도 센서의 출력전압 선형비 검정 기준은 각도에 따른 오차율의 변화 특성을 반영하여 개선되어야 한다.
Trans Abstract
In this study, the seismic acceleration sensor inspection standard, which estimates the error rate of the sensor’s output voltage to test its linear ratio, was analyzed and an improved standard was proposed. Seismic acceleration sensors should be sensitive to small angular changes under seismic excitation; however, the existing inspection standard only calculates the error rates at 30°, 45°, 60°, and 90° angles. Thus, we proposed an improved inspection standard that measures error ratios in 5° increments from 0° to 90°. Since the linear ratio is determined by estimating the error rate between theoretical and measured output voltages, the error rates in the X, Y, and Z directions were analyzed at changing angles. The results indicate that the error rate increased at small installation angles, and that the error rate decreased gradually at smaller angular increments. The current inspection standard underestimated the actual error rate, as it represented only 40~50% of the average error rate measured by the 5° interval measurements. Therefore, the current inspection standard for estimating the linear ratios of seismic acceleration sensors should be improved to reflect the influence of variations in the error rate according to the angular increment.
1. 서 론
과거 지진재난에 대응하는 패러다임은 지진 발생을 예측하는 것에 중점을 두었으나, 최근에는 지진 발생 시 피해를 경감하는 것에 초점을 두고 있다(Folger, 2018; Lee et al., 2018). 고도로 발달된 현재의 기술 수준으로도 지진 발생을 예측하는 것은 어렵기 때문에 지진 발생에 대한 신속한 정보 전달 및 대처는 지진으로 발생되는 피해를 줄일 수 있다(Choi and Bae, 2012). 지진 발생에 대한 조기 경보는 지진파가 도달하기 전 지진 발생 경보를 국민들에게 전파하여 피해를 줄이는 핵심 기술로 알려져 있다(Shin et al., 2021). 미국, 일본 등 강진이 발생하는 국가에서는 지진가속도 계측시스템을 설치하고 IT 융합 기술을 활용하여 통합망을 구축하는 등의 지진 발생을 신속하게 분석하고 전파하는 시스템 구축에 많은 투자를 하고 있다(Jeong et al., 2021).
우리나라의 경우, 경주 지진, 포항 지진 등 규모 5.0이상의 지진 발생으로 지진 발생 시 실시간 정보에 관심이 증가하고 있다(Choi and Choi, 2018). 행정안전부는 2010년부터 지진가속도 계측기 설치를 법제화하고 계측기 설치 대상 시설을 의무화하였다. 시설물에 설치된 지진가속도 계측 장비를 활용하여 실시간 지진 정보를 취득할 수 있으며, 취득한 지진 정보는 지진 조기경보에 핵심적인 역할을 할 수 있다. 또한, 취득한 지진 정보를 활용하여 신속한 시설물의 지진 안전성 평가가 가능하고(Park et al., 2013), 주변에서 계측한 지진가속도계의 계측기록으로 해당 위치의 가속도 추정이 가능하며 피해 여부에 대한 예측이 가능하다(Park et al., 2018). 지진의 실시간 정보의 정확도는 지진가속도 측정 센서의 신뢰성과 매우 밀접한 관계가 있으며(Lee et al., 2019), 구조물이 위치한 지반 조건에 따라 최대 지반가속도의 영향이 다르게 되므로(Oh et al., 2022) 지진가속도 측정 센서는 동일 지역에서도 다수의 시설물에 설치된다. 지진은 본진에 이은 여진도 발생하므로 정확한 피해 확인을 위하여 여진에 대한 정확한 계측도 중요하다(Kim et al., 2018). 또한, 지전 시 전력 설비 및 통신 설비의 중요성과 지진 취약성으로 전력 설비 및 통신 설비의 지진 가속도 측정에 대한 측정과 피해에 대한 관심도 높다(Chang et al., 2012; Choi et al., 2012; Park et al., 2017; Jeong et al., 2022).
행정안전부에 따르면 지진가속도 계측소는 2021년 기준으로 813개이며, 지진가속도 계측소에는 지진가속도 계측 센서가 최소 4대 이상 설치되므로 총 3,252대 이상 지진가속도 계측 센서가 전국에 설치되어 있다. 감사원에서 발표한 “기상청 기상예보 및 지진 통보시스템 운영실태(The Board of Audit and Inspection of Korea, 2017)” 감사 결과 보고서에 따르면 지진 계측 장비의 지진 탐지율이 56%로 조사되었다. 한국인정기구(KOLAS)의 일반 진동 측정기는 12개월 주기로 교정을 하여야 하나, 지진가속도 계측 센서는 진동 측정기로 분류되지 않아 교정의 의무가 없으므로 지진 계측 장비의 지진 탐지율이 56%로 낮게 조사된 이유로 판단된다.
Jeong and Jang (2017)은 지진가속도 계측 자료의 수집 및 처리를 위한 개발에 있어 계측자료 및 분석에 대한 신뢰도가 미흡한 문제점을 제기하였으며, Lee et al. (2020)은 지진가속도 계측기의 설치 및 운영비용, 장비의 성능에 비해 지진가속도 계측기의 활용도가 낮는 문제점을 지적하였다. 지진 계측기 내에 설치되는 가속도 센서는 저가형 MEMS (Micro Electro Mechanical System) Type 센서보다는 0.01 Hz의 저주파 영역까지 측정 가능한 고가의 Force Balance Type 센서가 사용되고 있다. 측정 기준은 측정된 변위의 가속도 값에서 크기가 같고 방향이 180도 반대인 가속도를 발생시켜 서로 힘의 평행이 되도록 유지시켜서 가속도를 측정하는 것이며, 센서의 Dynamic Range와 Sensitivity에 따라 신뢰성 있는 지진 데이터 취득이 가능하다.
Yoon et al. (2022)은 지진으로부터 안전한 시설관리를 위한 정밀도가 높은 지진 데이터를 얻기 위해서는 지진 데이터에 대한 품질 관리가 필요하다고 주장하였다. 전국에 지진가속도 계측기가 설치되어 있으나, 계측기의 검정과 같은 품질 관리가 이루어지지 않을 경우, 지진 발생에 대한 잘못된 정보가 생성되어 지진 피해를 증가시킬 수 있다. 그러므로 지진가속도 계측 센서에 대한 관리 기준과 주기적인 검정이 필요하다.
지진가속도 계측 센서의 검정주기는 규정되어 있지 않으나, 검정기준은 지진⋅화산재해대책법에서 규정하고 있다. 검정 종류로 계측 성분, 주파수 영역, 동적범위, 출력전압 선형비, 성분 간 감도 오차, 출력전압, 출력방식이 있다. 검정 종류 중 출력전압 선형비의 검정은 측정 대상 센서의 각도에 따른 출력전압을 sin값으로 변환하여 측정값을 산출하는 것으로 각도에 따른 이론값과 비교하여 오차가 1% 이내일 경우, 해당 센서는 출력전압 선형비 기준을 만족하는 것으로 인증하고 있다.
출력전압 선형비는 지진의 발생 시 시설물의 기울임에 대한 물리적 현상을 측정 가능한 정보로 변환한 값으로 정확한 계측을 위해서 미세한 각도까지 측정이 가능해야 한다. 다만, 지진가속도 계측 센서의 출력전압 선형비 검정 시 기울기에 대한 규정이 없으므로 센서의 설치 기울기 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, -30°, -45°, -60°, -90°에 대한 평균 출력전압 선형비와 이론값의 오차를 계산하여 센서의 성능시험 합격 여부를 판단하는 실정이다. 그러나 출력전압 선형비의 측정 범위는 0~180°이나, 9개의 표본으로 출력전압을 측정하므로 통계적 타당도가 떨어져 시험 검증의 신뢰성에 대한 문제가 지속적으로 제기되고 있다. 표본의 크기는 통계적 검정력 뿐만 아니라 결과의 일반화에도 영향을 미친다. 보편적으로 독립변수와 표본의 비율을 1:10으로 판단하지만, 최소 1:5로 봐야한다는 주장도 있다(Park et al., 2010). 기존 측정 기준은 독립변수와 표본의 비율이 1:20.1이므로 통계적 타당도를 확보했다고 볼 수 없다. 또한, 각도에 따른 출력전압과 이론값의 오차 분포에 대한 분석 없이 특정 각도를 중심으로 성능시험 합격 여부를 판단하는 것은 문제가 될 수 있다.
따라서 본 연구에서는 지진가속도 계측 센서의 검정 대상 항목 중 9개 각도를 대상으로 출력전압 선형비를 시험하는 기준의 타당성을 분석하고 신뢰성 있는 시험 검증 기준을 제시하고자 한다. 출력전압 선형비를 측정할 수 있는 장비를 개발한 후 기존 시험기준에 의한 이론값과 출력전압의 오차에 대한 분포를 평가하였으며, 개선 기준을 제안하였다.
2. 이론적 배경
2.1 지진가속도 측정
지진가속도 계측 센서는 0.01 Hz 이하의 저주파를 측정하여야 하며, 일반 진동 센서와 다르게 정확한 감도 및 출력의 선형성이 필요한 고정밀 계측 센서이다. 가속도는 3축으로 측정되며, 정지된 상태에서 중력가속도를 감지하기 때문에 z축 방향으로 -G를 고려하여 측정값을 출력한다. 가속도 값의 측정원리는 Fig. 1과 Eq. (1)과 같다. 가속도는 스프링 상수(k)에 비례하며, 가속도는 추-스프링-댐퍼로 연결된 장비를 통하여 가속도 정보를 전기적 신호로 바꿔서 얻을 수 있다.
Seismic Acceleration Measurement Method
지진가속도 계측 센서는 Force Balance Type Accelerometer를 사용하며, 전송방식은 전기적 잡음 및 왜곡의 영향을 감소시킬 수 있는 공통모드 신호제거를 사용한 차동모드 신호 전송방식을 사용한다.
2.2 선형성
지진가속도 계측 센서는 물리적 현상을 수치화하여 측정 가능한 전자신호로 변환한다. 전자신호로 변환할 때 외부 인터페이스로부터 발생하는 노이즈 감소를 위하여 센서의 출력전압 값의 선형성은 반드시 유지하여야 한다. 선형성은 입력신호에 대하여 출력신호와 비례하며, 변화함을 나타낼 때 사용된다. 선형성을 만족하려면 Eqs. (2)와 (3)과 같이 Homogeneity와 Additivity의 두 가지 조건을 모두 만족하여야 한다.
- Homogeneity (동질성, 균일성, 동차)
- Additivity (가산성, 첨가성)
선형성 만족 조건을 정리하면 Eqs. (3)과 (4)와 같다.
여기서, a,b 는 상수이며, x1, x2 는 전압값이며, t는 시간을 의미한다.
전압값(x1, x2)을 입력할 때 다수의 값을 동시에 입력하거나 한 번에 입력하여도 결과는 서로 영향을 받지 않게 출력되며 일정한 배율(a,b)로 출력할 수 있다. 그러므로 시스템이 선형성이 높도록 제작되면 다수의 값을 넣어도 상호 간섭이 최소화되고 출력값에 대한 예측을 할 수 있다.
3. 측정 장비 및 기준
기존에 사용되는 지진가속도 센서의 출력전압 선형비 측정 장비는 Fig. 2와 같다. 기존 장비는 수동으로 제어 가능하나, 측정 각도마다 손잡이를 직접 돌려서 제어하므로 각도 수정 간 장비 전체에 발생하는 진동이 센서 검정값 결과에 오류가 반영되는 문제점이 존재한다. 그리고 육안으로 측정 각도를 설정하고, 수정하는 시스템이므로 측정자의 위치 및 시야각에 따라 측정값이 바뀔 수 있으며, 측정시간이나 안정화 시간을 일정하게 부여할 수 없는 한계가 있다.
Existed Sensor Error Test Device
따라서 본 연구에서는 기존 측정장비의 문제점을 해결화고 다양한 측정 각도를 자동으로 제어할 수 있는 장비인 Fig. 3을 개발하여 활용하였다(Cho and Ju, 2019). 개발된 장비는 한국기계연구원에서 출력전압의 선형비 성능을 인증 받은 제품이며, 측정 각도를 입력하면 측정하는 스핀들만 모터를 활용하여 회전하므로 센서에 전달되는 진동이 최소화된다. 또한, 디지털 각도계를 활용하여 정확한 측정 각도 조절이 가능한 장점을 갖고 있으며, 측정 각도는 분해능 1 mrad (= 0.057°), 측정각도 변경 및 선택, 출력전압 안정화를 고려한 측정 Delay Time 설정이 가능하다. 각도에 따른 출력전압 선형비를 측정하기 위해 사용한 지진가속도 계측 센서 제원은 Table 1과 같다.
Developed Sensor Error Test Device
Acceleration Measurement Sensor
사용된 센서의 출력전압 선형비를 측정하기 위해 먼저, 기존의 기준을 적용하여 실험을 실시하였다. 기존의 기준은 0° 30°, 45°, 60°, 90°, -30°, -45°, -60°, -90°로 총 9개의 측정 각도에서의 출력전압 선형비를 측정하는 것이다. 또한, 기존 기준의 타당성을 분석하기 위해 5° 단위로 동일한 측정 실험을 실시하여 이론값과 측정 출력전압의 오차를 계산하였다. 가능한 세분한 각도로 측정하는 것이 필요하나, 측정의 수가 많아지므로(1° 단위 측정의 경우 181번을 측정), 측정 각도의 표본은 일반적으로 알려진 최소 1:5를 적용하였다(Park et al., 2010). 독립변수의 수 181개의 1/5 수준은 36개이므로 5° 단위 측정은 37개의 표본을 얻을 수 있으므로 표본의 오차율을 합리적으로 측정할 수 있다고 판단된다.
측정은 Fig. 4와 같이 실시하였다. Fig. 4는 Fig. 3에 나타낸 측정장비에 지진가속도 계측 센서가 설치된 상태를 상면에서 본 사진을 나타낸다. Y축에 대한 실험은 Y축을 (+) 방향으로 0~90°, (-) 방향으로 0~90°로 측정하였으며(Fig. 4(a)), X축에 대한 실험은 Y축 실험 세팅에서 고정된 플레이트를 90° 회전 후 ± 방향으로 0~90°로 측정하였다(Fig. 4(b)). Z축 실험은 X축 실험 종료 후 180°로 뒤집어 측정하였다(Fig. 4(c)). 0°에서 센서가 나타내는 전압을 의미하는 입력전압은 X 방향으로 4.9895 V, Y 방향으로 4.9993 V이다. 측정 대상 센서는 행정안전부 지정 지진가속도 계측기 성능 인증 시험기관의 성능 인증을 통하여 적합성 판정을 받은 센서로 우리나라에 설치되는 대표적인 지진가속도 센서 중 하나이다.
Photo of Output Voltage Test for Acceleration Measurement Sensor
지진가속도 센서에서 실제 측정되는 출력전압과 이론 출력전압과의 오차율을 평가하기 위해 이론 출력전압(이론값)을 계산하였다. 이론 출력전압은 측정 각도에서 예상되는 센서의 출력전압으로 Eq. (5)와 같이 계산된다. 오차율은 Eq. (6)으로 평가하였다.
여기서, θ 는 측정 각도를 의미한다.
4. 결과 분석
4.1 기존 측정 기준
기존 측정기준으로 Y(+) 방향과 Y(-) 대해 각도에 따른 평균 오차율을 분석한 결과는 Table 2와같다. Y(+) 방향의 평균 오차율은 0.2794%, Y(-) 방향은 평균 오차율은 0.2698%로 계산되었으며, 두 값의 평균 오차율은 0.2746%로 성능 기준인 1% 이내의 오차율로 분석되었다. 또한, 오차율 1%를 초과하는 각도는 없는 것으로 분석되었다.
Results of Output Voltage in Y Direction Measurement (Existing Standard)
X(+) 방향과 X(-) 방향에서 각도에 따른 이론값과 측정 대비 오차율은 Table 3과 같다. X(+) 방향과 X(-) 방향의 이론값과 측정값의 최대 오차율은 각도 -30°에서 최대인 1.3789%로 나타났다. 값의 차이가 없는 0°를 제외한 X(+) 방향의 평균 오차율은 0.5289%, X(-) 방향의 평균 오차율은 0.6597%로 두 값의 평균은 0.5943%로 성능 기준인 1% 이내의 오차율을 나타냈다.
Results of Output Voltage in X Direction Measurement (Existing Standard)
Z축 방향의 실험은 측정 각도 0°와 180° 2개의 각도만 측정하였으며 결과를 Table 4에 나타내었다. 0°는 오차가 발생하지 않았으며, 180° 각도에서 발생된 오차율 0.0818%로 계산되어 성능 기준 1% 이내의 값을 만족하는 것으로 분석되었다.
Results of Output Voltage in Z Direction Measurement (Existing Standard)
기존의 측정 기준으로 측정한 결과 실험 대상 지진가속도 계측 센서는 X, Y, Z 방향 모두 성능기준인 평균 오차율 1% 이내를 만족하는 것으로 분석되었다.
4.2 측정 각도 세분화에 따른 오차율 분석
지진가속도 계측 센서를 5° 단위로 출력전압을 측정하여 오차율 변화를 분석하였다. 지진가속도 계측 센서의 Y(±) 방향 측정값을 5° 단위로 설정하고 출력전압에 대한 이론값과 측정값을 비교한 결과는 Table 5에 나타내었다.
Error Measurements in Y Direction according to 5° Interval Measurement
최대 오차율은 Y(+) 방향에서 2.8001%, Y(-) 방향에서 3.5804%를 나타내었다. 5° 단위 측정에 대한 평균 오차율의 경우, Y(+) 방향은 0.5413%, Y(-) 방향은 0.5945%로 나타내므로 Y 방향에 대한 최대출력 선형비는 오차율 기준 1% 이내를 만족하는 것으로 분석되었다.
대상 계측 센서의 Y 방향 출력전압 오차율의 변화를 분석하면(Fig. 5), 각도가 작은 구간에서 오차율이 크며, 각도가 증가할수록 오차율이 점진적으로 감소하다가 35°~45° 구간부터는 다시 증가하는 것을 알 수 있다. Y(+) 방향에서는 5°에서만 오차율이 기준값을 넘어서며, Y(-) 방향에서는 5°~15° 구간에서 오차율이 기준값을 상회하는 것을 알 수 있다.
Variation of Output Voltage Error according to Degree in Y Direction
9회를 측정하는 기존의 기준과 5° 단위 측정 결과를 비교하면, Y(+) 방향에서 기존 기준의 평균 오차율은 0.2794%였으나 상세한 측정 단위인 5° 단위 측정에서 0.5413%로 약 1.93배 증가된 것을 알 수 있다. Y(-) 방향에서도 평균 오차율은 기존 기준 0.2698%에서 5° 단위 측정 기준 0.5945%로 약 2.2배 증가된 것으로 분석된다. 또한, 표에서 10° 단위의 값을 가지고 평균 오차율을 산정하면, Y(+) 방향은 0.4378%, Y(-) 방향은 0.4615%로 산출되며, 기존 기준에 비해 각각 1.6, 1.7배 증가된 것을 알 수 있다. 따라서 Fig. 6에 나타난 바와 같이 30° 단위로 측정하는 기존 기준은 실제 오차율의 변화를 적절하게 반영하지 못하므로 실제 출력전압 오차율을 과소평가하는 문제점을 가진다. 특히, 낮은 각도에서 오차율이 증가되는 문제점을 반영하지 못하는 것으로 판단된다.
Variation of Output Voltage Error according to Degree in X Direction
지진가속도 계측 센서의 X 방향 출력전압과 이론값과의 오차율을 5° 단위로 측정한 결과는 Table 6과 같다. X(+) 시험에서 설치각도에 따라 발생된 오차율 중 최대값은 5°에서 8.0248%가 나타났으며, X(-) 시험에서 최대 오차율은 9.1515%로 측정되었다. 5~35°까지의 평균 오차율은 성능 기준값 1%를 모두 초과하였고, 40~90°의 오차율은 1%를 초과하지 않았다. 측정 각도에 따른 평균 오차율을 분석하면 X(+) 방향은 1.3633%, X(-) 방향은 1.5267%로 모두 기준값 1%를 초과하여 부적합한 것으로 분석되었다.
Error Measurements in X Direction according to 5° Interval Measurement
상세한 측정 단위인 5° 단위 측정의 평균 오차율은 X(+) 방향에서 1.3012%, X(-) 방향에서 1.5261%로 산정되므로 기준값을 상회하는 것을 알 수 있다. 표에서 10° 단위의 값으로 평균 오차율을 계산하면 X(+) 방향에서 0.9875%, X(-) 방향에서 1.1705%를 나타내므로 X(-) 방향에서 기준을 넘어서는 것을 알 수 있다. 반면, 기존 기준에 따른 측정결과에서는 X(+) 방향 평균 오차율 0.5289%, X(-) 방향 평균 오차율은 0.6597%로 기준을 만족하였었다.
측정 각도에 따른 대상 계측 센서의 X 방향 출력전압 오차율의 변화를 분석하면(Fig. 6), 측정 각도가 작을 때(0° 제외) 오차율이 큰 것을 확인할 수 있으며, 측정 각도가 증가할수록 오차율은 점진적으로 감소되는 것을 알 수 있다. 측정 각도 40°부터 성능 기준값 1% 미만을 나타내므로 기존 측정 기준인 출력전압 선형비 9회 측정 기준은 오차율이 큰 각도 구간을 제외하고 오차율을 측정하므로 실제 오차율을 과소평가하는 문제점이 발생한다. 따라서 X 방향 출력 결과로부터, 기존의 9회 측정 기준은 오차율이 크게 발생되는 각도 구간을 제외한 평균 오차율을 평가하여 기준값을 만족하게 된 것을 알 수 있다. 반면, 5° 단위로 측정한 개선 기준은 오차율이 큰 구간을 반영하므로 대상 센서는 X 방향으로 출력전압 선형비 기준을 만족하지 못하는 것으로 판단된다.
Z축은 두 검정 기준 모두 측정 대상이 0°, 180° 2개의 각도만 있으므로 측정 횟수의 변화가 필요 없으므로 추가로 측정하지 않았다.
4.3 기존 기준과 개선 기준 비교
기존의 기준은 0° 30°, 45°, 60°, 90°, -30°, -45°, -60°, -90°에 대한 출력전압의 이론값과 측정값의 오차율을 비교하는 것으로 각도에 따른 오차율의 변화를 상세하게 고려하지 못하고 있다. 5° 단위 측정 결과를 보면 각도가 작은 영역에서 오차율이 크게 발생되는 것으로 분석되었다. 기존 기준과 5° 단위 측정결과, 10° 단위 측정결과의 평균 오차율을 비교하면(Table 7), 기존 기준의 오차율은 상세한 측정 결과인 5° 단위 측정 오차율의 40~50% 수준을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 10° 단위 측정은 5° 단위 측정 오차율의 76%~81% 수준으로 분석되었다. 기존 기준은 오차율이 크게 발생하는 30° 이내의 각도를 포함하지 않으므로 오차율을 상대적으로 작게 측정하며 각도에 따른 오차율의 변화를 적절하게 반영하지 못하므로 개선이 필요하다. 따라서 최소한 5° 단위로 오차율을 측정하는 것이 필요하며, 본 연구에서는 개선 기준으로 5° 단위 측정에 의한 평균 오차율을 산정하는 것을 제안한다.
Comparison of Average Error between Existed and Proposed Standard
지진가속도 센서의 출력전압 선형비 성능 기준은 출력전압의 이론값과 측정값의 평균 오차율이 1% 이내가 적용되고 있다, 그러나 지진가속도 센서의 선형비 검증에 필요한 시험 각도에 대한 규정이 부재하여 일반적으로 9개의 특정 각도(0° 30°, 45°, 60°, 90°, -30°, -45°, -60°, -90°)의 오차율에 대한 평균값이 사용되고 있는 현실이다. 지진 발생으로 시설물의 기울기는 변화되므로 지진가속도 센서는 작은 각도의 변화에도 민감하게 반응해야 한다. 본 연구의 실험을 결과를 활용하면, 출력전압 선형비는 기울임 각도가 작은 영역에서 오차율이 크게 발생하므로 기존의 시험측정 기준은 실제 지진가속도 센서의 정확한 작동 여부를 검증하지 못하는 한계가 존재한다. 따라서 지진가속도 센서의 출력전압 선형비를 검증하기 위해서는 5° 단위 측정 방법인 개선 기준과 같이 시험 각도를 세밀하게 설정하도록 규정하여야 한다.
5. 결 론
본 연구에서는 지진가속도계측기 설치 및 운영기준의 지진가속도 센서 성능검사 기준 중 출력전압 선형비 측정 기준의 문제점을 분석하고 측정 각도에 따른 출력전압 선형비의 오차 발생 분포를 분석한 후 정확하게 측정할 수 있는 기준을 제안하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
1) 측정 각도에 따른 대상 계측 센서의 출력전압 오차율의 변화를 분석하면, 측정 각도가 작을 때 오차율이 크며, 측정 각도가 증가할수록 오차율은 점진적으로 감소되는 것으로 분석되었다. 실험 대상 센서의 경우, 기존 기준은 X 방향, Y 방향 모두 성능기준을 만족하였으나, 측정 각도의 표본에 대해 최소 측정 단위로 가정한 5° 단위 측정과 10° 단위 측정에서 얻은 평균 오차율은 성능 기준을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 기존 측정 기준은 오차율이 상대적으로 작게 발생하는 30°, 45°, 60°, 90°, -30°, -45°, -60°, -90°만 측정하므로 오차율이 큰 각도 구간을 제외하고 오차율을 측정하므로 실제 오차율을 과소평가하는 문제점이 발생하므로 각도에 따른 오차율의 발생 크기를 반영하여 시험기준을 개선해야 한다.
2) 기존 기준은 오차율이 크게 발생하는 30° 이내의 각도를 포함하지 않으므로 실제 오차율의 변화를 적절하게 반영하지 못하므로 개선이 필요하다. 기존 기준, 5° 단위 측정결과, 10° 단위 측정에 의한 평균 오차율을 비교하면, 기존 기준에서 도출한 출력전압의 이론값과 실측값 오차율의 평균값은 5° 단위 측정 오차율의 40~50% 수준으로 실제 측정 오차율을 지나치게 과소평가하는 것을 알 수 있다. 또한, 10° 단위 측정은 5° 단위 측정 오차율의 76%~81% 수준을 나타내고 있다. 따라서 지진가속도 센서의 출력전압 선형비를 검증하기 위해서는 측정 각도를 5° 단위로 세밀하게 설정하도록 규정하도록 개선이 필요하다.
본 연구에서는 출력전압 선형비 측정 시 센서가 지정한 시험 각도에 도달하기 위한 이송 소요 시간, 이송 완료 후 측정 시작 전 센서 안정화에 걸리는 소요 시간 등의 변화를 고려하지 않았다. 향후에는 이송 소요 시간과 센서 안정화 시간을 변수로 고려하여 출력전압 선형비를 측정하는 추가연구가 필요하다. 또한, 가능한 세분된 각도로 측정하는 것이 필요하나, 측정의 수가 많아지는 한계를 극복하기 위해 표본 수를 측정 수의 1/5 수준인 5° 단위로 오차율을 측정하고, 5° 단위 측정 평균, 10° 단위 측정의 오차율과 기존 기준의 오차율을 비교하였다. 향후 세밀한 측정각도에 따른 분포를 분석하고, 측정 각도의 표본 수에 따른 평균 오차율의 범위를 상세하게 분석하고, 센서 제조사별 상세한 분석도 필요하다.
감사의 글
This study was supported by Ministry of the Interior and Safety as Human Resource Development Project in Disaster Management.