CN108351285B - 测量装置及材料试验机 - Google Patents

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Abstract

在FPGA(60)的内部，由检波电路(61)、偏移减法器(68)和增益乘法器(69)构建成逻辑电路，所述检波电路(61)存储有从FPGA(60)向DAC(51)传送的波形数据，且从ADC(58)输入的信号中取出试验力值或拉伸值的信号成分。检波电路(61)提取与试验力或位移成比例的电阻成分。在检波电路(61)中，通过利用包含载体频率的奇数倍的谐波的成分的公式作为提取电阻成分的相关函数，能够以比载体频率高的采样频率取得计算结果。

Description

测量装置及材料试验机
技术领域
该发明涉及具有将物理量转换为电信号的检测器的测量装置及材料试验机。
背景技术
在执行材料试验的材料试验机中，配设有多个将力或位移等物理量转换为电信号的检测器，如对试验片施加试验负荷的负荷机构、测量由负荷机构施加到试验片的试验力的试验力检测器或检测试验片产生的位移的位移计等。经由放大器将这些检测器连接于控制整个材料试验机的试验机控制器，由此构成材料试验中的物理量的测量系统(参照专利文献1)。
此种检测器多为由交流电压激励，在接收检测器输出的电信号的接收电路中，从对应于力或位移等物理量而被调制的载波(载体)信号中仅提取测量信号，由此获得与物理量的变化相对应的信号。接收检测器的输出信号并提取物理量成分的检波电路被设置于材料试验机的控制装置等，检测器和放大器通过多芯屏蔽线连接。从以往就公知芯线之间及芯线-屏蔽线之间的杂散电容是物理量的测量误差的主要原因，在专利文献2中，为了补偿电缆间的杂散电容的影响而提出了载波型应变测量方法。
在以往利用傅里叶变换作为由交流电压激励检测器并从接收的信号中提取力或者位移的成分的方法。若将与力或位移的大小成比例的电阻成分设为A，将由寄生于电路的电容产生的、与力或位移的大小不成比例的电容成分设为B，则接收信号f(t)用公式(1)表示。
[数2]
f(t)＝Asinωt+Bcosωt…(1)
另外，ω是载体信号的角频率，为了简化公式，将与基准信号的相位差设为零。通常情况下f(t)的傅里叶变换F(ω)为以下的公式(2)。
[数3]
Figure BDA0001653648140000021
虽然公式(2)的定义域是负无穷(-∞)到正无穷(+∞)，但在接收检测器的输出信号的放大器一侧的电路中，为了缩短测量间隔，在每个载体周期进行与相关函数的卷积并提取电阻成分A。即，仅求出一个周期的与公式(1)的sinωt相位一致的成分。此时，傅里叶变换Fs(ω)为以下的公式(3)。
[数4]
Figure BDA0001653648140000022
公式(1)中电阻成分A与sinωt相乘，所以想要求的值为公式(3)的虚部。
[数5]
Figure BDA0001653648140000023
通过该公式(4)能够消去电容成分B且仅提取电阻成分。即，通过以下的公式(5)提取电阻成分A。
[数6]
Figure BDA0001653648140000031
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-218809号公报
专利文献2：日本特开2005-195509号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
以往，假设电阻成分A的频率成分相对于载体频率极小，使用公式(5)求出电阻成分A。因此，在材料试验中所要求的采样频率变高而想要检测更高的频率成分时，需要提高检测器的驱动波的频率即载体频率。另一方面，例如差动变压器式检测器那样的检测器中，根据测量方式的不同，考虑到测量精确度，有时驱动波的频率范围是确定的，存在无法将载体频率提高到超过该频率范围的问题。此外，若提高载体频率，则也会有电缆间杂散电容的影响变大而测量值的可靠性降低的问题。
本发明鉴于上述技术问题而完成，其目的是提供一种测量装置及材料试验机，所述测量装置能够提取超过作为检测器的驱动信号的载体频率的频率成分，能够更加详细地捕捉到检测器检测的物理量的变动。
用于解决上述技术问题的方案
方案1记载的发明是测量被测量物产生的物理量的变化的测量装置，其特征在于，具有：检测器，将所述被测量物产生的物理量的变化转换为电信号并输出；传感器放大器，向所述检测器施加驱动所述检测器的规定周期的正弦波，且接收从所述检测器输出的信号，所述传感器放大器具有在被从所述检测器输入到所述传感器放大器的接收信号中、提取由所述检测器测量的物理量成分的接收电路，所述接收电路使用包含与所述规定周期的正弦波同步的成分和其奇数次谐波的成分的函数，作为从所述接收信号中提取由所述物理量转换的电阻成分的相关函数。
方案2记载的发明是在方案1所记载的测量装置中，将所述接收电路的接收信号设为g(t)，对Gs(ω)进行g(t)的载波周期中的1个周期的傅里叶变换时，使用包含与所述规定周期的正弦波同步的成分和其奇数次谐波的成分的函数，通过下述公式提取电阻成分AS。
[数7]
Figure BDA0001653648140000041
方案3记载的发明是有向试验片施加试验力的负荷机构并执行材料试验的材料试验机，其特征在于具有方案1或方案2记载的测量装置。
方案4记载的发明是在方案3所记载的材料试验机中，所述测量装置包括测力传感器来作为检测向所述试验片施加的试验力的检测器，或者包括位移计来作为检测所述试验片产生的位移的检测器。
发明效果
根据方案1以及方案2记载的发明，在接收来自检测器的信号的接收电路中，使用包含与所述规定周期的正弦波同步的成分和其奇数次谐波的成分的函数，作为从接收信号中提取由所述物理量转换的电阻成分的相关函数，可以提取超过作为检测器的驱动信号的载体频率的频率成分，从而能够更详细地捕捉到检测器检测出的物理量的变动。此外，即便在物理量的测量中所要求的采样频率提高，也无需提高载体频率，所以电缆间杂散电容对测量值的影响不会变大，不会损害测量值的可靠性。
根据方案2记载的发明，可以以超过载体频率的频率取得数据，所以即便材料试验所要求的采样频率变高也无需提高检测器的载体频率。
根据方案3以及方案4记载的发明，基于由测量装置测量的物理量的数据执行反馈控制等的自动控制，能够比以往更顺利地进行负荷机构的动作。
根据方案4记载的发明，由于可以通过材料试验所要求的采样频率得到试验数据，所以能够提高在材料试验中利用测力传感器得到的试验力的测量值或利用位移计得到的拉伸的测定值的精确度，且通过试验力控制或位移控制能够顺利地执行材料试验机的动作的自动控制。
附图说明
图1是材料试验机的概略图。
图2是说明各检测器的结构的概略图。
图3是示出测量电路的构成的构成概略图。
图4是说明FPGA60的功能构成的方块图。
图5是示出接收信号的图表。
图6是示出由利用了以往的公式(5)的信号处理得到的计算结果的图表。
图7是示出公式(8)的计算结果的图表。
图8是示出接收信号的图表。
图9是是示出由利用了以往的公式(5)的信号处理得到的计算结果的图表。
图10是示出公式(8)的计算结果的图表。
图11是示出电容成分的图表。
图12是示出公式(8)的计算结果的图表。
图13是示出在公式(8)中使用的相关函数的图表。
具体实施方式
以下基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1是材料试验机的概略图。
该材料试验机由试验机主体1和控制装置2构成。试验机主体1具有：工作台16；一对螺纹杆11、12，在该工作台16上以朝向垂直方向的状态可旋转地竖立设置；十字头13，可沿着这些螺纹杆11、12移动；负荷机构30，用于使该十字头13移动并向试验片10赋予负荷；测力传感器14及位移计15，是将被测量物即试验片10中的物理量的变化转换为电信号的检测器。
十字头13经由省略了图示的螺母(滚珠螺母)连接于一对螺纹杆11、12。在各螺纹杆11、12的下端部，连接有负荷机构30中的蜗轮减速机32、33。该蜗轮减速机32、33构成为与负荷机构30的驱动源即伺服电机31连接，伺服电机31的旋转经由蜗轮减速机32、33传递到一对螺纹杆11、12。通过伺服电机31的旋转，一对螺纹杆11、12同步地旋转，由此十字头13沿着这些螺纹杆11、12升降。
十字头13附设有用于把持试验片10上端部的上夹具21。另一方面，工作台16附设有用于把持试验片10下端部的下夹具22。在进行拉伸试验时，在通过这些上夹具21及下夹具22把持试验片10的两端部的状态下，通过使十字头13上升，将试验力(拉伸试验力)加载至试验片10。
控制装置2由计算机或定序器以及它们的周边设备构成，具备控制面板40，所述控制面板40具有：执行逻辑运算的CPU；对装置控制所需的程序进行存储的ROM；在控制时暂时保存数据等的RAM等，从而控制整个装置。进而，控制装置2具备：测力传感器14用的传感器放大器即负载放大器41a；位移计15用的传感器放大器即应变放大器41b；用于显示测力传感器14以及位移计15所检测的位移量或试验力的显示器48。
在使负荷机构30工作时，作用于由上夹具21以及下夹具22把持两端的试验片10的试验力被测力传感器14检测，经由负载放大器41a被输入到控制面板40。此外，试验片10产生的位移量由位移计15测量，经由应变放大器41b被输入到控制面板40。
在控制面板40中，获取来自测力传感器14以及位移计15的试验力数据及位移量数据并通过CPU执行数据处理。进而，在控制面板40中，通过存储在数字电路或ROM的控制程序的动作，利用作为数字数据而被输入的试验力以及位移量的变动，反馈控制伺服电机31的旋转驱动。
图2是说明各检测器的结构的概略图。图3是测量电路的构成概略图。图4是说明FPGA(现场可编程门阵列)60的功能构成的方块图。另外，图3所示的测量电路，在检测器为图2所示的所有的检测器的情况下均相同，所以说明作为测量装置的测量电路的构成，并且负载放大器41a以及应变放大器41b在以下都称为传感器放大器41。
图1示出的材料试验机具有测力传感器14与位移计15。测力传感器14是利用应变仪的电阻的变化来测量试验力的应变仪式检测器，如图2(a)所示，具有连接了电阻值相同的应变仪R1～R4的桥式电路。
位移计15根据测量方式的不同，有应变仪式位移计、差动变压器式位移计、电位计式位移计，能够根据试验的内容来选择。应变仪式位移计和测力传感器14同样，具有如图2(a)所示的桥式电路。差动变压器式位移计如图2(b)所示，具有初级线圈T1和次级线圈T2A、T2B、与试验片10的拉伸联动而移动的铁芯MC，是如下检测器：在励磁初级线圈T1时产生的次级线圈T2A和次级线圈T2B的感应电压之间、利用对应于铁芯MC的位置产生的差，得到与位移相对应的电压输出。此外，电位计式位移计如图2(c)所示，具有电阻体TR和电位计游标WP，是将电阻体TR和电位计游标WP的相对位移量转换为电压输出的检测器。电位计式位移计的Sig-与信号接地连接。如图2所示的各检测器的输入端EX+、EX-和输出端Sig+、Sig-分别与电缆单元24的对应连接端相连接。
传感器放大器41具有由仪表放大器56、LPF(低通滤波器)57、ADC(模数转换器)58、DAC(数字模拟转换器)51、运算放大器52、54、功率放大器53、55组成的模拟电路与FPGA60的数字电路。在FPGA60的内部，由检波电路61、偏移减法器68和增益乘法器69构建成逻辑电路，所述由检波电路61存储有从FPGA60向DAC51传送的波形数据，且从ADC58输入的信号中取出试验力值或拉伸值的信号成分。检波电路61利用后述公式(8)提取与试验力或位移成比例的电阻成分。偏移减法器68是从经过检波电路61的数字数据中减去表示试验力值或拉伸值的试验开始时的稳定状态部分的偏移值的装置。增益乘法器69是用于与检测器相对应地调整增益差的装置。另外，在该实施方式中，虽然使用了FPGA作为实现处理数字信号的逻辑电路的元件，也可以使用其他能够改写内部电路的PLD(可编程逻辑器件)或者是通过软件处理数字信号的微型计算机。此外，在此实施方式中，由仪表放大器56、LPF57以及ADC58的模拟电路与FPGA60的检波电路61、偏移减法器68及增益乘法器69的数字电路构成接收电路。
检测器和传感器放大器41由电缆单元24连接。而且，电缆单元24具有存储各检测器的类别信息和与其相关联的信息(型号、全标度等)的非挥发性存储器25。
被输入到各检测器的输入端EX+、EX-的驱动电压的波形信号从FPGA60向DAC51发送。从DAC51产生的波形被输入到运算放大器52、54，成为以零伏为中心的增减对象的驱动波形之后，通过功率放大器53、55增幅，作为激励信号供给到检测器。从检测器的输出端Sig+、Sig-输出的信号被输入到仪表放大器56并取得差分。然后，去除LPF57中ADC58的超过奈奎斯特频率的成分之后，在ADC58中转换成数字信号被输入到FPGA60。接着，在FPGA60内的信号处理后，试验力值或者试验片10的拉伸值(位移量)经由控制面板40被显示于显示器48。
在具有以上那样构成的测量装置中，对FPGA60的检波电路61中的信号处理进行进一步的说明。为了以规定周期的正弦波驱动检测器，且从接收的信号中提取力或者位移的成分，而利用傅里叶变换。在本发明中，与以往不同，接收信号g(t)用以下的公式(6)表示，其傅里叶变换Gs(ω)用公式(7)定义。而且，利用由与相关函数的卷积推导出的公式(8)提取与施加到试验片10的试验力或者试验片10产生的位移的大小成比例的电阻成分AS。
另外，虽然驱动检测器的信号是单频的正弦波，但从检测器输出的信号是驱动信号根据检测器的状态变化(此处先假设成位移)而振幅调制后的信号。因此，从检测器输出的信号中包含驱动信号的频率以外的位移的频率。
[数8]
g(t)＝A(t)sinωt+Bcosωt…(6)
[数9]
Figure BDA0001653648140000081
[数10]
Figure BDA0001653648140000082
此外，上述公式中，将电阻成分A设为A(t)，按照时间函数的方式来写的理由如下。虽然电阻成分A是相对于驱动检测器的驱动信号来说相位差为0的成分，但是其值会根据时间变化且不能无视其大小。但是，本发明的计算方法中AS无法完全再现g(t)，因此没有将AS作为g(t)或者是t的函数。
另外，在公式(6)中，A(t)是电阻成分，B是电容成分。此外，公式(7)以及公式(8)中的2k+1为谐波的次数。
以2kHz的载体频率驱动作为检测器的差动变压器式位移计的情况下，将模拟了以往的信号处理方法和上述公式(8)的该发明的信号处理方法的结果进行比较说明。图5～图7示出了用三角波振幅调制时的波形。图5是示出接收信号的图表，图6是示出利用以往的公式(5)进行信号处理得到的计算结果的图表。此外，图7是示出公式(8)的计算结果的图表。这些图中，图表的纵轴表示位移(mm：毫米)，横轴表示时间(ms：毫秒)，用白色的圆圈表示测量点。
图5的接收信号设想为差动变压器式位移计的铁芯MC在一定的时间(10毫秒)内从0向1mm(毫米)移动，再返回到0的位置时的波形。若将该图6的设想波形设为以往的公式(1)中的接收信号f(t)，则由于利用了以往的公式(3)，所以载体频率的每个周期只进行一次根据以往的公式(5)得到的电阻成分A的计算。为此，载体频率为2kHz时，即便采样频率是100kHz，也只能每500微秒进行计算。因此，如图(6)所示，在以往的信号处理方法中，位移的测量点变得稀疏。
另一方面，将图5的设想波形设为公式(6)中的接收信号g(t)，载体频率为2kHz，采样频率为100kHz时，若根据公式(7)以及公式(8)进行计算，则能够按照采样周期(10微秒)得到计算结果。即，可以得到以往的50倍的测量点。因此，如图7所示，示出一定时间内位移的变化的图表是测量点连续且平滑的图表。另外，在图7的图表中，设公式(8)中n＝5，计算到载体频率的9倍的谐波。
图8～图10示出了用矩形波进行振幅调制时的波形。图8是示出接收信号的图表，图9是是示出利用了以往的公式(5)的信号处理得到的计算结果的图表。此外，图10是示出公式(8)的计算结果的图表。在这些图中，图表的纵轴表示位移(mm)，横轴表示时间(ms)，用白色的圆圈表示测量点。
与用三角波振幅调制时同样，若使用以往的方法进行图8的设想波形的计算，则由于载体频率的每个周期只进行一次电阻成分A的计算，所以如图9所示，位移的测量点变得稀疏。
另一方面，对于图8的设想波形，若进行公式(7)以及公式(8)的计算，则以每个采样周期计算电阻成分AS。因此，如图10所示那样，能够得到多个位移的测量点，并得到平滑的测量结果。
另外，如图7以及图10的图表所示的测量结果，使式(8)中n的数值越大(提高次数)，测量结果变得越平滑。根据采样频率和载体频率的关系以及用于数值积分的相关函数能够重现谐波成分的范围，适当选择该n的数值(或者次数)。例如，采样频率为100kHz，载体频率为2kHz的情况下，两者是在频率上有50倍的差的关系。在这种情况下用于数值积分的相关函数能够重现的谐波为9倍的奇数次谐波，n＝5为公式(8)中优选的n的数值。
接着讨论关于电容成分。图11是示出电容成分的图表。图12是公式(8)的计算结果。这些图中，图表的纵轴表示位移(mm)，横轴表示时间(ms)，用白色的圆圈表示测量点。
由于电容成分是寄生于电路而与位移不成比例的成分，所以其接收信号为图11所示的波形。公式(6)中设接收信号A(t)＝0、电容成分B＝1时，对于电容成分B，公式(8)的计算结果为AS＝0。因此，如图12所示的那样，从计算中消除不随着时间变化的电容成分B。
图13是示出在公式(8)使用的相关函数的图表。在该图中，图表的纵轴表示位移(mm)，横轴表示时间(ms)。另，在图13中为了便于说明，用不同的线型来表示公式(8)中n＝1，3，5时的相关函数。在该图中，虚线表示n＝1时的相关函数，双点划线表示n＝3时的相关函数，点划线表示n＝5时的相关函数。此外，由于n＝1时与以往的公式(5)使用的相关函数相同，所以作为例示以往的相关函数的情况而表示在图表中。
激励检测器的基本波的频率(载体频率)存在根据检测器的类型而推荐的频率大致确定了的情况。因此，在材料试验机中，优选是从检测器的类型和材料试验所要求的采样频率的范围中，从公式(8)的n为2～5(3～9次为止的奇数次谐波)中选择。
以往的信号处理的方法所用的相关函数仅仅是单一的正弦波(参照图13的n＝1)，但本发明的信号处理中，相关函数包含奇数次谐波(参照图13的n＝3以及n＝5)。像这样地，公式(8)的相关函数不仅使用了包含与规定周期的正弦波(载体频率)同步的成分的函数，还使用了包含该奇数次谐波的成分的函数，因此可以以比以往短的时间间隔得到电阻成分AS的计算结果。
此外，根据来自本发明的测量装置中的检测器的接收信号的处理，由于能够按照采样周期取得材料试验所要求的采样频率的测量结果，所以无需像过去那样，为了捕捉试验片10的快速变化而升高载体频率。由于载体频率可以根据检测器的类型而决定为适当的频率，所以即便是具备从图2(a)到图2(c)所示那样的测量方式不同的任意的位移计15的材料试验机，也能够以材料试验所要求的采样频率取得试验数据。
附图标记说明
1 试验机主体
2 控制装置
10 试验片
11 螺纹杆
12 螺纹杆
13 十字头
14 测力传感器
15 位移计
16 工作台
21 上夹具
22 下夹具
24 电缆单元
25 非挥发性存储器
30 负荷机构
31 伺服电机
32 蜗轮减速机
33 蜗轮减速机
40 控制面板
41 传感器放大器
48 显示器
51 DAC
52 运算放大器
53 功率放大器
54 运算放大器
55 功率放大器
56 仪表放大器
57 LPF
58 ADC
60 FPGA
61 检波电路
68 偏移减法器
69 增益乘法器

Claims (3)

1.一种测量装置，测量被测量物产生的物理量的变化，其特征在于,具备：
检测器，将所述被测量物产生的物理量的变化转换为电信号并输出；
传感器放大器，向所述检测器施加驱动所述检测器的规定周期的正弦波，且接收从所述检测器输出的信号，
所述传感器放大器具有在被从所述检测器输入到所述传感器放大器的接收信号中，提取由所述检测器测量的物理量成分的接收电路，
所述接收电路，使用包含与所述规定周期的正弦波同步的成分和其奇数次谐波的成分的函数，作为从所述接收信号中提取由所述物理量转换的电阻成分的相关函数，
所述接收电路中，将载波信号的角频率设为ω，将接收信号设为g(t)，将g(t)的载波周期中的1个周期的傅里叶变换结果设为Gs(ω)，将谐波的次数设为2k+1时，使用包含与所述规定周期的正弦波同步的成分和其奇数次谐波的成分的函数，通过下述公式提取电阻成分AS：
Figure FDA0003158942980000011
2.一种材料试验机，具有向试验片施加试验力的负荷机构并执行材料试验，其特征在于，具有如权利要求1所述的测量装置。
3.如权利要求2所述的材料试验机，其特征在于，所述测量装置包括测力传感器来作为检测向所述试验片施加的试验力的检测器，或者包括位移计来作为检测所述试验片产生的位移的检测器。
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