CN108375500B

CN108375500B - 材料试验机

Info

Publication number: CN108375500B
Application number: CN201810083049.6A
Authority: CN
Inventors: 辻博志
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: US10746568B2; JP6780522B2; US20180216962A1; JP2018125634A; CN108375500A; EP3355030A1; EP3355030B1

Abstract

提供一种具备数字滤波器的材料试验机，在将把平均化的差分信号输入到累积器中而得到的累积值显示到显示器上的情况下、也能够以简单的构成进行高精度的滤波器处理，不会产生由于尾数处理得到的误差。在每次的计算中，将从n个延迟元件(D₁～D_n)的各自输出的数据和在前次的计算中从除法器(DIV)输出的余数的值输入到加法器(ADD)中，执行取它们的总和的加法运算处理，并进行将从加法器(ADD)输出的总和用n除的除法运算处理，从除法器(DIV)输出商和余数。将余数由余数用延迟元件(D_re)延迟1个时钟并对加法器(ADD)输出，加到下次的计算中。

Description

材料试验机

技术领域

本发明涉及具备将从传感器输入的数据的噪声除去的数字滤波器的材料试验机。

背景技术

用于评价材料的特性的材料试验机具有用于测量物理量的传感器。提出了在将从这样的传感器得到的测量信号处理时以布莱克曼－哈里斯(Blackman－Harris)窗等的窗函数作为滤波器的系数的数字滤波器。另外，在利用窗函数的数字滤波器中，进行通过一边将存储在延迟元件中的延迟数据与滤波器系数相乘一边取它们的总和来计算滤波器的输出的卷积积分(参照专利文献1)。

另一方面，为了在材料试验机中采用利用窗函数的数字滤波器，需要在滤波器电路内设置存储有滤波器系数的存储器、和将存储在延迟元件中的延迟数据与滤波器系数相乘的乘法器。如果在滤波器电路内设置乘法器及滤波器系数存储器，则电路规模变大。因此，提出了一种通过不是窗函数而做成将移动平均计算以4级反复进行的构成、使电路构成简略化的数字滤波器(参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10－145185号公报

专利文献2：日本特许第5724161号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

图8是表示到将来自传感器的输入显示在显示器上为止的数字信号处理路径的块图。在用于测量物理量的传感器即位移传感器中，有的位移传感器具备拥有增量输出的旋转编码器或线性编码器。在图8中，表示了到来自线性编码器的输出显示在显示器上为止的数字信号处理路径。

如图8所示，在将从拥有增量输出的线性编码器输入的脉冲信号处理的数字电路中，在线性编码器与数字滤波器之间配置按照恒定时间间隔将线性编码器的脉冲输出累积的计数器，经由该计数器将差分信号输入到数字滤波器中。另外，计数器将每恒定时间的计数值向后级输送，被复位为零。由数字滤波器平均化后的差分信号被输入到累积器中，将得到的累积值作为试验片的伸长显示在显示器上。在将来自传感器的差分数据最终累积的数字电路中，如果在计算过程中发生丢位或取整误差，则求不出正确的答案。在将来自线性编码器的差分数据输入到数字滤波器中、将来自数字滤波器的输出用累积器累积的情况下，在计算过程中发生的丢位及取整误差也被累积器累积，有误差变大的问题。为了避免该问题，也有将累积后的数据输入到数字滤波器中、将数字滤波器的输出向显示器发送的材料试验机。但是，也有累积器作为与显示器的显示功能关联的电路块装入到配置显示器的电路的基板上的材料试验机，所以此时如图8所示，不得不采取将噪声除去用的数字滤波器插入到线性编码器与累积器之间的应对。

图9是说明以往的由进行移动平均计算的数字滤波器带来的计算误差的表，图10是说明以往的为了实现不由进行移动平均计算的数字滤波器使误差累积的计算而需要的比特长的表。

作为以往的进行移动平均计算的数字滤波器，设想了在专利文献2的图1中表示的数字滤波器。图9的表是将在专利文献2的图1中表示的滤波器电路用整数运算电路构成、改变输入值而对冲击响应的输出结果的累积值进行比较的表。在表的右端的列中，试算了例1～5的不同的冲击输入值(1)、用于将输入数据依次移位的延迟元件为8个(n＝8)时的1级的滤波器电路中的8次运算结果的累积值(2)、和(2)与输入值的累积值的误差(2)－(1)。另外，在专利文献2的图1中表示的数字滤波器不包含乘法器，滤波器的抽头数相当于延迟元件的数n。此外，假设冲击输入值被作为最初的数据输入到第1个延迟元件中，在其他的7个延迟元件中存储有零。

如表中的平均值的列所示，如果按照1次的计算看，则将输入值用n除的计算值与将该计算值取整为整数后的值的差都为1数位以下。当如例1或例5那样输入值为n的整数倍(8的倍数)时，由于将输入值用n除的计算值与取整后的值相等，不发生取整误差，所以在穿过滤波器电路后的累积值与输入的累积值中不发生误差。另一方面，如例2～例4那样输入值不是n的整数倍，即，在用8不能整除的值的情况下，滤波器电路穿过后的8次的累积值与穿过前的输入值的累积值的差为1数位以上。即，通过将数值取整的尾数处理产生的误差被累积，向数字滤波器的输入的累积值与输出的累积值不一致。如果这样，则将向数字滤波器的输入值单纯地累积的值与将滤波器处理后的值累积的累积器的输出值不一致，在显示在显示器上的阶段的数据中发生误差。

此外，为了使得尾数处理不产生误差，可以考虑通过增加计算的解析力(比特数)来进行更高精度的计算。在图10中，在将专利文献2的图1中表示的移动平均计算以4级反复进行的数字滤波器中，将在以往的计算中使用的比特长与为了使得不发生误差而需要的比特长按照每1级的滤波器电路的延迟元件的数量(n的数量)比较而做成表。例如，为了构成处置32比特长的输入数据的n＝1024的数字滤波器，如图10的表的最下层所示，以往用处置42比特长(输入比特数32+10＝42)的数据的电路构成就足够，但为了使得在尾数处理中不发生误差，需要能处置72比特长(输入比特数32+10×4＝72)的数据的电路构成，并不现实。

专利文献2所记载的数字滤波器构成简单且能得到与借助布莱克曼－哈里斯窗的计算结果接近的结果的良好的方案，但如上述那样，通过尾数处理产生的误差被累积，在显示到显示器上的阶段中的显示的正确度上发生问题。此外，即使让滤波器的比特数增加而使计算精度提高以免发生因尾数处理带来的误差，会导致电路成为大规模电路。

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，目的是提供一种具备数字滤波器的材料试验机，将按照恒定时间间隔得到的差分信号输入到数字滤波器中、在将把该输出输入到累积器中而得到的累积值显示到显示器上的情况下、也能够以简单的构成进行高精度的滤波器处理，不会累积通过尾数处理产生的误差。

技术方案1中记载的发明，是一种将从传感器输出的物理量的变化量数据输入到噪声除去用的滤波器、将由前述滤波器进行了滤波器处理后的数据用累积器累积而显示在显示器上的材料试验机，其特征在于，前述滤波器的滤波器电路具备：n个数据用延迟元件，为了依次储存来自前述传感器的输入数据而级联连接；加法器，取从前述n个延迟元件分别输出的数据的总和；除法器，将把来自前述加法器的输出用延迟元件的数量n除时的商作为平均化数据并输出，并且将余数输出到余数用延迟元件；电路，将前述余数用延迟元件的输出在前述加法器中加法运算。

技术方案2中记载的发明在技术方案1所记载的材料试验机中，前述除法器输出的余数是其绝对值为除数n的2分之1以下的值。

技术方案3中记载的发明在技术方案1或技术方案2所记载的材料试验机中，前述滤波器具有将相同构成的滤波器电路以4级级联连接的构成。

技术方案4中记载的发明在技术方案1至技术方案3中任一项所记载的材料试验机中，前述传感器是具有旋转编码器或线性编码器的位移传感器。

根据技术方案1中记载的发明，由于滤波器电路的除法器输出的余数被经由余数用延迟元件送回到加法器中，所以不会如以往那样，在每次的计算中发生的取整误差被舍去。因此，就时间整体看，不发生将向数字滤波器的输入值原样累积的值与将滤波器处理后的被平均化的值累积后的累积器的累积值的误差，与以往相比，能够使显示器的显示的正确度提高。此外，由于不需要为了防止误差的累积的发生而增加滤波器的比特数，所以也不会为了安装数字滤波器而使电路大规模化。

根据技术方案2中记载的发明，通过将除法器输出的余数的值设为其绝对值为n的1/2以下的值，也容许负值。在仅将正的余数送回到加法器中的情况下，产生由于发生偏移而输出被整体上抬高的现象。在本发明中，作为对输出总和的加法器赋予的值来说，容许负的余数，由此能够抑制这样的现象。因而，能够使显示在显示器上的数值的正确度提高。

根据技术方案3中记载的发明，通过做成将相同构成的滤波器电路4级级联连接而反复进行4级的移动平均计算的构成，能够得到与借助布莱克曼－哈里斯窗的计算结果接近的结果。

根据技术方案4中记载的发明，通过将位移传感器的输出用数字滤波器处理，能够使位移量的测量精度提高。

附图说明

图1是有关本发明的材料试验机的概要图。

图2是位移传感器40的主视图。

图3是位移传感器40的侧面纵剖视图。

图4是图3的位移传感器40的A－A截面向视图。

图5是表示到将位移传感器40的输出显示在显示器24上为止的数字信号处理路径的块图。

图6是表示数字滤波器60的构成的块图。

图7是表示n＝8时的除法器D IV的输入输出的表。

图8是表示到将来自传感器的输入显示在显示器上为止的数字信号处理路径的块图。

图9是说明以往的由进行移动平均计算的数字滤波器带来的计算误差的表。

图10是说明以往的为了实现不由进行移动平均计算的数字滤波器产生误差的计算所需要的比特长的表。

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是有关本发明的材料试验机的概要图。

该材料试验机具备工作台16、以朝向竖直方向的状态可旋转地立设在工作台16上的一对螺杆11、能够沿着这些螺杆11移动的十字头13、和用于使该十字头13移动而对试验片10施加试验力的负荷机构30。一对螺杆11被一对罩19覆盖，但在图1中，图示了将一对罩19中的纸面左侧的罩19拆除的状态。

十字头13经由省略了图示的螺母相对于由滚珠丝杠构成的一对螺杆11连结。各螺杆11的下端部被连结在负荷机构30上，构成为来自作为负荷机构30的动力源即马达的动力被传递给一对螺杆11。一对螺杆11同步旋转，由此使得十字头13沿着这一对螺杆11升降。

在十字头13上，附设有用于把持试验片10的上端部的上抓持工具21。另一方面，在工作台16上，附设有用于把持试验片10的下端部的下抓持工具22。在进行拉伸试验的情况下，在用这些上抓持工具21及下抓持工具22把持试验片10的两端部的状态下使十字头13上升，由此使试验片10承受试验力(拉伸载荷)。此时，作用在试验片10上的试验力被测力计14检测出并输入到控制部23。此外，由配设在工作台16上的位移传感器40测量试验片10的伸长。

控制部23由具备CPU等的计算机或定序器构成。如图1所示，在该控制部23上，连接测力计14、负荷机构30和位移传感器40。并且，控制部23将来自测力计14的试验力数据及来自位移传感器40的位移数据取入，执行数据处理。通过这样的控制部23中的运算等的处理，求出相对于试验片10的试验力与位移量的关系。此外，在控制部23上连接着显示器24，显示试验力及位移量。也有将位移量换算为试验片的伸长量而显示的情况。

图2是位移传感器40的主视图。图3是位移传感器40的侧面纵剖视图。图4是图3的位移传感器40的A－A截面向视图。另外，在图2中，省略了上臂56及下臂57的详细的图示。

位移传感器40是拥有增量输出的线性编码器式位移传感器。测量位移量的传感器即位移传感器40具备随着试验片10的伸长而移动的上臂56和下臂57。上臂56和下臂57被立设在台座43上的导轨42可升降地保持。上臂56和下臂57通过在导轨42的表面上滚动的辊45的作用而被直线导引。此外，在台座43上立设有支柱44。并且，在台座43和支柱44上，连接着支承多个电路基板48的支承板47。

上臂56和下臂57的位置被使用线性标尺41检测。在线性标尺41内，以恒定间距配置有构成标尺的标尺线圈。并且，在上臂56及下臂57上分别配设有传感器部46。根据由传感器部46检测出的上臂56和下臂57的移动前后的距基准位置的距离，求出上臂56与下臂57之间的距离的变化。上臂56及下臂57移动的量是位移量，该两臂间的距离的变化是试验片10的伸长量。位移传感器40根据上臂56和下臂57的位移量，将与该变化量对应的信号向控制部23输出。

在线性标尺41及支柱44的上端上连接着支承台51，在支承台51上配设有滑轮53a、53b、和连接在这些滑轮53a、53b上的2个脉冲马达52。分别在滑轮53a上卷绕着线材58a，在滑轮53b上卷绕着线材58b。在线材58a的一端上连接着上臂56，在另一端上吊挂着平衡重物59a。同样，在线材58b的一端上连接着下臂57，在另一端上吊挂着平衡重物59b。这些平衡重物59a、59b在支柱44内升降。通过该平衡重物59a、59b，在外部负荷是零的情况下，上臂56和下臂57也能够静止在任意的位置。

在各滑轮53a、53b上，分别经由离合器连结着脉冲马达52。在进行试验的准备时，为了使上臂56和下臂57与被上抓持工具21和下抓持工具22把持着其两端的试验片10接触，使其相互离开规定的距离而配置。当使上臂56和下臂57移动到试验开始位置时，将离合器接通，通过脉冲马达52的驱动使滑轮53a、53b旋转。如果这样，则线材58a、58b移动，上臂56和下臂57分别沿着导轨42升降。另外，上臂56和下臂57由各臂前端在图4的纸面左右方向上相互接近及离开的成对的部件构成。上臂56和下臂57分别具有脉冲马达62，通过驱动脉冲马达62而将各臂前端开闭，能够相对于试验片10拆装。

位移传感器40检测的位移量经过计数器27、数字滤波器60、累积器28被显示在显示器24上。另外，计数器27、数字滤波器60、累积器28的各块被配置在控制部23内。并且，对于各块，为了使块间的数据的输入输出的时机同步而同时推进处理，赋予以恒定间隔送来的同步信号。

随着上臂56或下臂57运动而从位移传感器40输出的脉冲信号被输入到计数器27中而计数。由计数器27累积的值在同步信号的时机被向数字滤波器60发送，同时每次被复位为零。同步信号是按照1毫秒等的恒定时间间隔被赋予的信号。在下一级被发送的计数器27的值相当于在同步信号的时间间隔位移的量(位移量的变化量，即差分数据)。该变化量在由数字滤波器60进行后述的规定的滤波器计算后，计算结果被发送给累积器28。累积器28将从数字滤波器60送来的计算结果加到当前的累积值中，作为新的累积值。然后，将新的累积值向显示器24发送，将显示在显示器24上的位移量的值更新为新的累积值。该累积值相当于表示位移传感器40的臂的当前位置的值(位移量)。

图6是表示数字滤波器60的构成的块图。

作为噪声除去用的滤波器的数字滤波器60具有将4个滤波器电路级联连接(串联连接)的构成。滤波器电路具备：n个数据用延迟元件D₁～D_n，为了依次储存输入数据而被级联连接；加法器ADD，将从各延迟元件D₁～D_n输出的数据进行加法运算；除法器DIV，将从加法器ADD输出的加法运算结果进行除法计算；余数用延迟元件D_re，用于接收从除法器DIV输出的除法运算结果中的余数的值并使其向加法器ADD返回的时机延迟。1个滤波器电路其自身具有作为数字滤波器的功能，但在该实施方式中，通过使同一个滤波器电路为多级(4级)而构成1个数字滤波器60。

应进行滤波器处理的数字数据被计数器27变换为按照恒定时间间隔的数据，在同步信号的时机被依次输入到输入端IN。将输入的数据通过1次的计算，在n个延迟元件D₁～D_n中1个1个地向右输送。在每次计算中，执行取从n个延迟元件D₁～D_n分别输出的数据的总和的加法运算处理，并且进行将从加法器ADD输出的总和用n除的除法运算处理，从除法器DIV输出计算结果。

除法器DIV的输出中的、将总和用n除后的余数，经过延迟元件D_re被输入到加法器ADD中并进行加法运算。延迟元件D_re由于使余数向加法器ADD的输入延迟了1个时钟，所以除法处理后的余数总是被放入到下次计算中。即，在从初次以后的计算中，在加法器ADD输出的总和中，包含在前次的计算中从除法器DIV输出的余数。除法器DIV的输出中的商被作为第1级的滤波器电路的平均化数据被输入到第2级的滤波器电路中。

第2级的滤波器电路具有与第1级的滤波器电路相同的构成，从第2级的滤波器电路输出的平均化数据被输入到第3级的滤波器电路中。第3级的滤波器电路具有与第1级的滤波器电路相同的构成，从第3级的滤波器电路输出的平均化数据被输入到第4级的滤波器电路中。进而，第4级的滤波器电路具有与第1级的滤波器电路相同的构成，从第4级的滤波器电路输出的平均化数据成为该数字滤波器60的最终的输出(OUT)。这样，在抽头数n×4级的数字滤波器60中，将各滤波器电路的移动平均数据作为下级的滤波器电路的输入数据执行滤波器运算。

接着，对从除法器DIV输出的余数进一步说明。图7是表示n＝8时的除法器DIV的输入输出的表。

该数字滤波器60中的各级的滤波器电路的除法器DIV将从加法器ADD输入的总和进行除法计算，将作为其计算结果的商和余数输出。这里，除法器DIV输出的余数是绝对值为除数n的2分之1以下的值。即，作为除法器DIV输出的余数的值也容许负值。在图7的表中，表示在1级的滤波器电路中设为n＝8(抽头数8)时、假设被输入的被除数是10～－10时的除法器DIV的输出(商和余数)。如该表所示，将各被除数用8除的余数为4～－4之间的值。这样，余数的绝对值为8/2＝4以下。在该滤波器电路中，由于在除法器DIV输出的余数的值中也容许负值，所以能够抑制输出整体上被抬高的现象。

由于该滤波器电路的除法器DIV输出的余数经由延迟元件D_re被送回到加法器ADD中，所以不会如以往那样在每次的计算中发生的取整误差被舍弃，而是被包含在下次计算的加法器ADD输出的总和中。因此，就时间整体看，将向数字滤波器60输入的输入值原样累积的值、与将滤波器处理后的被平均化的值累积后的累积器28的累积值成为一致。即，与以往相比，显示器24的显示的正确度提高。

在该滤波器电路中，通过将余数放入到下次计算的总和中，能够在与以往比特数相同的情况下提高数字滤波器的性能，进行更高精度的计算。因此，能够抑制滤波器电路的大规模化。

另外，在该实施方式中，以由数字滤波器60处理的信号是来自线性编码器式的位移传感器40的信号的情况为例进行了说明，但向该数字滤波器60输入信号的信号源并不限定于线性编码器的检测信号。即，也可以是具有旋转编码器的传感器等信号源，只要是在材料试验中输出移动量或位移量等的物理量的变化量(差量)的信号源就可以。

此外，在该实施方式中，数字滤波器60构成为反复进行4级的移动平均计算，能够得到与经由布莱克曼－哈里斯窗的计算结果接近的结果。该数字滤波器60构成简单且能够构成与使用窗函数的数字滤波器同样的滤波器。

另外，在上述实施方式中将反复进行4级的移动平均计算，但本发明并不限于该级数。本发明能够应用于从简单的移动平均计算即1级的情况开始到多个级数的所有情况。

附图标记说明

10 试验片

11 螺杆

13 十字头

14 测力计

16 工作台

19 支柱

21 上抓持工具

22 下抓持工具

23 控制部

24 显示器

30 负荷机构

40 位移传感器

41 线性标尺

43 台座

44 支柱

45 辊

46 传感器部

51 支承台

52 脉冲马达

53a、53b 滑轮

56 上臂

57 下臂

58a、58b 线材

60 数字滤波器

62 脉冲马达

ADD 加法器

D 延迟元件

DIV 除法器

Claims

1.一种材料试验机，将从传感器输出的物理量的变化量数据输入到噪声除去用的滤波器，将由前述滤波器进行了滤波器处理后的数据用累积器累积而显示在显示器上，其特征在于，

前述滤波器的滤波器电路具备：

n个数据用延迟元件，为了依次储存来自前述传感器的输入数据而级联连接；

加法器，取从前述n个延迟元件分别输出的数据的总和；

除法器，将把来自前述加法器的输出用延迟元件的数量n除时的商作为平均化数据并输出，并且将余数输出到余数用延迟元件；

电路，将前述余数用延迟元件的输出在前述加法器中加法运算，

所述商为正值或负值，所述余数为正值或负值。

2.如权利要求1所述的材料试验机，其特征在于，

前述除法器输出的余数是其绝对值为除数n的2分之1以下的值。

3.如权利要求1或2所述的材料试验机，其特征在于，

前述滤波器具有将相同构成的滤波器电路以4级级联连接的构成。

4.如权利要求1或2所述的材料试验机，其特征在于，

前述传感器是具有旋转编码器或线性编码器的位移传感器。