JP2005195330A - Magnetic force support type vibration measuring method and instrument - Google Patents

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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration measuring method and instrument capable of measuring directly three-dimensional vibration itself of a deformation, an inclination or the like, without measuring separately vertical-directional and horizontal-directional vibrations by component resolution, by applying a principle of a magnetic force support balance device to a magnetic force support type vibration measuring instrument. <P>SOLUTION: An object 10 mounted with a magnet, and levitation-supported by magnetic interaction with magnetic force generated by electrification to magnetic coils 21-30 provided in a magnetic force support mechanism 20 is moved related to a vibration characteristic and a support characteristic of the magnetic force support mechanism 20, for example, such as acting as a steady point, when the magnetic force support mechanism 20 is exposed, for example, to an earthquake to be vibrated. The three-dimensional vibration itself acting on the magnetic force support mechanism 20 is directly measured without conducting the component resolution, by measuring a relative displacement to the magnetic force support mechanism 20 of the object 10 and by considering the support characteristic of the magnetic force support mechanism. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、物体を磁力支持する磁力支持天秤装置の原理を応用して、物体を磁力支持する磁力支持機構自体の位置や姿勢についての変位・速度・加速度を測定することを可能にする磁力支持式振動計測方法及び装置に関する。   The present invention applies the principle of a magnetic force support balance device that magnetically supports an object, and makes it possible to measure the displacement, velocity, and acceleration of the position, posture, and position of the magnetic force support mechanism itself that magnetically supports the object. The present invention relates to a vibration measurement method and apparatus.

従来、機械や構造物のような対象物の振動を計測する振動計の一形態として、ばね支持された重りで不動点を形成し、その不動点と周囲の動きとの相対変位を計測することで対象物の変位等を計測する変位計が挙げられる。変位計は、対象物が重りとばねで定められる装置の固有振動数よりも大きな振動数で振動する場合の計測に適しており、重りの質量を大きくしばねを柔らかいばねで構成することで、装置の固有振動数を小さく設定することが可能である。地殻の揺れを計測する地震計は、この形式の振動計(サイズモ式)であり、慣性の大きい物体をばねを介して支持体に振り子状に支持しておき、地震波が支持体に伝播してきたときに、支持体は地震の振動で変位するが物体の変位を極力少なくして慣性不動点を形成することで、地震による振動を支持体と慣性不動点との間の相対的な変位として計測している。地震の振動数を考慮して物体を支持するばねのばね定数を小さくする(柔らかいばねとする)ことで、地震振動が支持体を介して物体に伝達されるのを遮断している。一方、振動計の別の形態として、重りの質量を小さくしばねを硬いばねで構成することで、装置の固有振動数を対象物の振動数よりも大きく設定するものがある。この場合、重りの周囲との相対変位は対象物の振動の加速度に比例する量となり、加速度計としての振動計が得られる。加速度を積分することで速度を、更に積分することで変位を算出することができる。   Conventionally, as a form of vibrometer that measures the vibration of an object such as a machine or a structure, a fixed point is formed by a weight supported by a spring, and the relative displacement between the fixed point and the surrounding movement is measured. And a displacement meter for measuring the displacement of the object. The displacement meter is suitable for measurement when the object vibrates at a frequency larger than the natural frequency of the device determined by the weight and the spring, and by configuring the spring with a soft spring by increasing the mass of the weight, It is possible to set the natural frequency of the device small. The seismometer that measures the shaking of the crust is this type of vibrometer (Seismo type). An object with large inertia is supported in a pendulum form on a support via a spring, and the seismic wave has propagated to the support. Sometimes the support body is displaced by the vibration of the earthquake, but by measuring the vibration due to the earthquake as the relative displacement between the support body and the inertial fixed point by forming the inertial fixed point by minimizing the displacement of the object. doing. Considering the vibration frequency of the earthquake, the spring constant of the spring that supports the object is reduced (a soft spring), thereby blocking the transmission of the earthquake vibration to the object through the support. On the other hand, as another form of the vibrometer, there is a type in which the natural frequency of the device is set larger than the frequency of the object by reducing the weight mass and configuring the spring with a hard spring. In this case, the relative displacement with the surroundings of the weight becomes an amount proportional to the acceleration of the vibration of the object, and a vibrometer as an accelerometer is obtained. The velocity can be calculated by integrating the acceleration, and the displacement can be calculated by further integrating the acceleration.

長周期の垂直又は水平動を検出可能な地震計として、平行な磁場中に配置された永久磁石を有する振り子を用いた無定位回転型振動検出器が提案されている(特許文献1参照)。この無定位回転型振動検出器によれば、平行磁場内に、永久磁石を回転可能に配置し、永久磁石に働く重力による回転モーメントを、平行磁場によって永久磁石に働く磁力による回転モーメントで打ち消している。このように構成することにより、ばねを用いることなく、重力による振り子の回転モーメントを打ち消し、回転モーメントが振り子に働かない無定位にできる範囲を広くし、自然周期を長くすることが図られている。
特開2002−357665号公報(段落[0015]、[0026]〜[0028]、図1〜図3)
As a seismometer capable of detecting a long-period vertical or horizontal movement, an apocalyptic rotation type vibration detector using a pendulum having a permanent magnet arranged in a parallel magnetic field has been proposed (see Patent Document 1). According to this non-rotating rotational vibration detector, a permanent magnet is rotatably arranged in a parallel magnetic field, and the rotational moment due to gravity acting on the permanent magnet is canceled by the rotational moment due to the magnetic force acting on the permanent magnet by the parallel magnetic field. Yes. By configuring in this way, it is intended to cancel the rotational moment of the pendulum due to gravity without using a spring, to widen the range in which the rotational moment can be made indeterminate without acting on the pendulum, and to increase the natural period. .
JP 2002-357665 A (paragraphs [0015], [0026] to [0028], FIGS. 1 to 3)

しかしながら、従来の地震計は上下方向と水平方向の振動を別々に測定しており、測定データの解析において、地震波は、それら個別に測定した振動波を単純な合成として捉えている。個別の測定機器の干渉(重複計測、測定欠損、位相差等)は無視されているので、ベクトルとしての地震波の計測が十分・完全であるとは言い難い。現在のところ、地震による地表面の3次元的振動そのものを成分分解することなく直接的に測定できる地震計は存在していない。また、地震計は慣性物体をばねで支持している構成を有しており、ばねの特性が経時変化や周囲環境で変動する可能性があるので、ばねの設定を頻繁に調整する必要がある。   However, conventional seismometers measure vibrations in the vertical and horizontal directions separately, and in the analysis of measurement data, seismic waves capture these individually measured vibration waves as a simple composition. Interference (duplicate measurement, measurement defect, phase difference, etc.) of individual measuring devices is ignored, so it is difficult to say that the measurement of seismic waves as vectors is sufficient and complete. At present, there are no seismometers that can directly measure the three-dimensional vibrations of the ground surface caused by earthquakes without decomposing them. In addition, the seismometer has a configuration in which an inertial object is supported by a spring, and the characteristics of the spring may change over time or in the surrounding environment, so it is necessary to adjust the spring setting frequently. .

物体を運動可能に支持する装置として、風洞試験に用いる模型の磁力支持天秤装置がある。機体の空力的な特性を模型で得るための測定部において模型を支持体で支持することが一般的に行われてきたが、支持体自体が模型表面における空気流れに影響を及ぼすので、試験結果をそのまま模型の空力特性として採用することができない。そこで、風洞試験においては、模型を磁力で支持する磁力支持天秤装置が考案されている。模型を磁力支持することによって支持体が不要となるので、支持体が存在することに起因した模型への空力的な影響が取り除かれ、理想的な風洞試験を行うことができる。   As a device that supports an object in a movable manner, there is a model magnetic support balance device used for a wind tunnel test. Supporting the model with the support in the measurement section to obtain the aerodynamic characteristics of the aircraft with the model has been generally performed, but the support itself affects the air flow on the model surface, so the test results Cannot be used as the aerodynamic characteristics of the model. Therefore, in the wind tunnel test, a magnetic support balance device that supports the model with magnetic force has been devised. Since the support is not required by magnetically supporting the model, an aerodynamic influence on the model due to the presence of the support is removed, and an ideal wind tunnel test can be performed.

磁力支持天秤装置によれば、航空機やスペースシャトルのような宇宙往復機の開発・設計に際して不可欠な、気流が機体に及ぼす影響が時間を追う毎に変化する動的特性を正確に知ることができる。動的特性が求められる場合としては、例えば、突風や気流の乱れ等のように気流の流れが変化する場合、気流の密度や温度等の特性自体が変化する場合、或いは操舵によって気流に対して航空機の姿勢が変更される場合等がある。このような状況の変化に応じて模型に作用する揚力、抗力、モーメント等の動的に変化する力を知ることで、実機の位置・姿勢角に応じた動的特性を知ることができ、そうした実機の動的特性は、航空機の翼や胴体等の外形形状、構造強度、エンジン特性、或いは操舵装置等の開発・設計に資することができる。   With the magnetic support balance device, it is possible to accurately know the dynamic characteristics that change with time as the effects of airflow on the fuselage are indispensable for the development and design of space reciprocators such as aircraft and space shuttles. . When dynamic characteristics are required, for example, when the flow of airflow changes, such as gusts or turbulence of the airflow, when the characteristics of the airflow, such as density or temperature change, or by steering, There are cases where the attitude of the aircraft is changed. By knowing dynamically changing forces such as lift, drag, and moment acting on the model in response to such changes in the situation, it is possible to know the dynamic characteristics according to the position and attitude angle of the actual machine. The dynamic characteristics of the actual aircraft can contribute to the development and design of the outer shape, structural strength, engine characteristics, steering device, etc. of the wings and fuselage of the aircraft.

風洞模型のための磁力支持天秤装置は、模型の内部に設けられる磁石と相互作用する磁気力を生じさせるためにコイルを備えており、風洞試験において模型の周りを流れる気流が模型に作用する揚力、抗力、ピッチング(縦揺れ)モーメント等の静的又は動的な空力特性を、コイルに流す電流の大きさに置き換えて測定している。こうした空気力とコイル電流の大きさとの関係を調べて予めマップ、関数、表等の対応関係を用意しておくことにより、コイル電流を測定することで模型に作用する空力特性を知ることができる。   The magnetic support balance device for the wind tunnel model is equipped with a coil to generate a magnetic force that interacts with the magnet provided inside the model, and the lift force that the airflow around the model acts on the model in the wind tunnel test The static or dynamic aerodynamic characteristics such as drag, pitching (pitch) moment, etc. are replaced with the magnitude of the current flowing through the coil. By investigating the relationship between the aerodynamic force and the magnitude of the coil current and preparing correspondences such as maps, functions, and tables in advance, the aerodynamic characteristics acting on the model can be known by measuring the coil current. .

ところで、地震等の外部の事象に起因して磁力支持天秤装置が振動するときに、模型は、その振動の影響によって、模型の特性に応じた挙動を示すことが考えられる。そこで、風洞試験において物体を磁力支持天秤装置によって周囲から切り離して支持していることに着目して、地震等によるどのような方向の振動も直接的に測定することを可能とする点で解決すべき課題がある。   By the way, when the magnetic force support balance apparatus vibrates due to an external event such as an earthquake, the model may behave according to the characteristics of the model due to the influence of the vibration. Therefore, focusing on the fact that the object is supported separately from the surroundings by the magnetic support balance device in the wind tunnel test, it is possible to directly measure vibrations in any direction due to earthquakes etc. There are issues to be solved.

この発明の目的は、この性質を利用して、磁力支持天秤装置の原理を磁力支持式振動測定装置に適用して、変位や傾斜等の3次元的振動そのものを、成分分解によって上下方向と水平方向の振動として別々に測定することなく、直接的に測定することができる振動計測方法及び装置を提供することである。   The object of the present invention is to apply the principle of the magnetic force support balance device to the magnetic force support type vibration measuring device by utilizing this property, and the three-dimensional vibration itself such as displacement and inclination is horizontally and vertically separated by component decomposition. It is to provide a vibration measuring method and apparatus that can be directly measured without separately measuring the vibration in the direction.

上記の課題を解決するため、この発明による磁力支持式振動計測方法は、磁石を搭載した物体を磁力支持機構に設けられた磁気コイルに通電することで生じる磁気力によって浮揚支持し、前記磁力支持機構に対する前記物体の相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成っている。   In order to solve the above problems, a magnetic force support type vibration measuring method according to the present invention levitates and supports an object mounted with a magnet by a magnetic force generated by energizing a magnetic coil provided in a magnetic force support mechanism. It consists of measuring the vibration generated in the magnetic support mechanism by measuring the relative displacement of the object with respect to the mechanism or the change in the control amount related to the magnetic coil.

また、この発明による磁力支持式振動計測装置は、磁石を搭載した物体、前記物体を浮揚支持するため通電することにより磁気力を生じさせる磁気コイルを有する磁力支持機構、及び前記物体の前記磁力支持機構に対する相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を検出する検出手段を備え、前記検出手段によって前記物体の前記相対変位又は前記制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成っている。   Further, the magnetic force support type vibration measuring apparatus according to the present invention includes an object mounted with a magnet, a magnetic force support mechanism having a magnetic coil that generates a magnetic force by energizing the object to float and support the object, and the magnetic force support of the object. Detection means for detecting a relative displacement with respect to the mechanism or a change in the control amount related to the magnetic coil is provided, and the vibration generated in the magnetic force support mechanism is measured by measuring the relative displacement or the change in the control amount of the object by the detection means. It consists of that.

この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置によれば、磁石を搭載した物体は、磁力支持機構に備わる磁気コイルに通電することにより生じる磁気力との磁気的相互作用によって浮揚支持される。その状態で、磁力支持機構が例えば地震の振動に曝されて振動するとき、浮揚支持されている物体は不動点として作用する、或いは振動の加速度に比例する量で振動する等、振動特性と磁力支持機構の支持特性とに関連する運動をするので、磁力支持機構から見た物体の相対変位又は磁気コイルに関する制御量変化を(装置においては検出手段で)計測するとともに、磁力支持機構の支持特性を考慮することで、磁力支持機構に作用する振動を計測することができる。この場合、磁力支持機構に対する物体の相対変位又は磁気コイルに関する制御量変化を計測することによって磁力支持機構に生じる振動を計測するので、3次元的振動そのものを、成分分解によって上下方向と水平方向の振動として別々に測定することなく、直接的に測定することができる。   According to the magnetic force support type vibration measuring method and the magnetic force support type vibration measuring device, the object on which the magnet is mounted is levitated and supported by the magnetic interaction with the magnetic force generated by energizing the magnetic coil provided in the magnetic force support mechanism. The In this state, when the magnetic support mechanism vibrates due to, for example, earthquake vibration, the object that is levitated and supported acts as a fixed point, or vibrates by an amount proportional to the acceleration of vibration. Since the movement is related to the support characteristics of the support mechanism, it measures the relative displacement of the object as seen from the magnetic support mechanism or the change in the control amount related to the magnetic coil (by the detection means in the apparatus), and the support characteristics of the magnetic support mechanism. By taking into account, vibrations acting on the magnetic force support mechanism can be measured. In this case, since the vibration generated in the magnetic support mechanism is measured by measuring the relative displacement of the object with respect to the magnetic support mechanism or the change in the control amount related to the magnetic coil, the three-dimensional vibration itself is divided into vertical and horizontal directions by component decomposition. It can be measured directly without separately measuring as vibration.

この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記物体の質量を大きくして前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を小さくすることによって前記物体を不動点として作用させることができる。物体の質量が十分大きく且つ振動の変位が十分小さい場合には、磁力支持機構の振動に関わらず物体は不動点として作用し、磁力支持機構の振動に伴う物体の周囲の磁場の変化が少なくなる。その結果、磁力支持機構から計測される物体の相対振動は、磁力支持機構の振動の符号を反対にした振動となる。   In the magnetic force support type vibration measuring method and the magnetic force support type vibration measuring device, the mass of the object is increased to reduce the magnetic force restraint of the object by the magnetic force support mechanism other than levitation support of the object. An object can act as a fixed point. When the mass of the object is sufficiently large and the displacement of vibration is sufficiently small, the object acts as a fixed point regardless of the vibration of the magnetic support mechanism, and the change in the magnetic field around the object due to the vibration of the magnetic support mechanism is reduced. . As a result, the relative vibration of the object measured from the magnetic support mechanism is a vibration in which the sign of the vibration of the magnetic support mechanism is reversed.

この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記物体の質量を小さくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を大きくすることによって、前記物体に作用する前記磁気力の変動量に基づいて前記磁力支持機構に生じる前記振動の加速度を計測することができる。物体の質量を小さくし且つ磁力支持機構に対する磁気力支持によるばね拘束性を高くするときは、物体の磁力支持機構に対する相対加速度を、物体の質量と磁気力変動量から求まる加速度相当量に対して無視できるので、加速度相当量を磁力支持機構の慣性系に対する加速度として直接に計測することができる。この磁気力変動量を計測する磁力支持式振動計測は、外部振動の加速度に比例した量を計測する加速度計として用いていることに相当する。   In this magnetic force support type vibration measurement method and magnetic force support type vibration measurement device, by reducing the mass of the object and increasing the magnetic force restraint of the object by the magnetic force support mechanism other than levitation support of the object, The acceleration of the vibration generated in the magnetic force support mechanism can be measured based on the fluctuation amount of the magnetic force acting on the object. When reducing the mass of the object and increasing the spring restraint by the magnetic force support to the magnetic support mechanism, the relative acceleration of the object to the magnetic support mechanism is set to the acceleration equivalent obtained from the mass of the object and the fluctuation amount of the magnetic force. Since it can be ignored, the acceleration equivalent amount can be directly measured as the acceleration with respect to the inertial system of the magnetic support mechanism. The magnetic force supported vibration measurement for measuring the magnetic force fluctuation amount corresponds to the use as an accelerometer for measuring an amount proportional to the acceleration of the external vibration.

この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記磁力支持機構に対する前記模型の前記相対変位に起因する前記模型の周囲における磁場の変化を無くするように、前記磁気コイルに流される電流を制御する(装置においては、そうした制御装置を備える)ことができる。磁力支持機構は、本来、不安定なシステムであるので、模型の動きを検出手段で検出して模型が不安定な挙動を示さないようにフィードバック制御を行っており、更にフィードバック制御に加えて軸間干渉の軽減も図られている。しかしながら、磁力支持機構をそれに働く振動の計測に用いる場合、模型が磁力支持機構に対して変位したときに、詳細に見れば新たな場所での模型周りの磁場が変化しているので、変化した磁場に起因して模型に新たな磁気力が作用し、模型に付加的な運動が発生するおそれがある。模型に付加的な運動が発生すると、振動による相対変位が正確に計測できなくなり、誤った測定結果を生じる。そこで、磁力支持機構に作用する振動によって模型が磁力支持機構に対して相対変位を生じても、磁力支持機構に振動が作用しなかった場合と同様に模型の周りにおける磁場が変化しないように、磁気コイルに流される電流を制御する。このような電流制御によって、真の外部変動を高精度にリアルタイムで計測することができる。   In this magnetic force support type vibration measurement method and magnetic force support type vibration measurement device, the magnetic coil is passed through the magnetic coil so as to eliminate the change of the magnetic field around the model due to the relative displacement of the model with respect to the magnetic force support mechanism. The current can be controlled (the device is equipped with such a control device). Since the magnetic support mechanism is inherently an unstable system, the motion of the model is detected by the detection means, and feedback control is performed so that the model does not exhibit unstable behavior. Interference is also reduced. However, when the magnetic support mechanism is used to measure the vibrations acting on it, when the model is displaced with respect to the magnetic support mechanism, the magnetic field around the model at a new location has changed. There is a possibility that a new magnetic force acts on the model due to the magnetic field, and additional motion occurs in the model. If additional movement occurs in the model, the relative displacement due to vibration cannot be measured accurately, resulting in erroneous measurement results. Therefore, even if the model causes a relative displacement with respect to the magnetic support mechanism due to the vibration acting on the magnetic support mechanism, the magnetic field around the model does not change as in the case where the vibration does not act on the magnetic support mechanism. Controls the current flowing through the magnetic coil. With such current control, true external fluctuations can be measured with high accuracy in real time.

この磁力支持式振動計測方法及び磁力支持式振動計測装置において、前記磁力支持機構に生じる前記振動は、慣性空間について直交座標系を構成する3軸の並進変位と2軸回り回転変位とを含む3次元変位である。磁力支持機構が例えば地震の振動に曝されて慣性空間内で変位すると、完全に浮揚支持される模型と磁力支持機構との相対位置・角度が変化する。その相対変位は、慣性座標のx,y,zから成る3軸の並進変位と、3軸(ピッチ軸、ヨー軸及びロール軸)回りの回転変位である。いずれの変位も模型と磁力支持機構との相対変位又は制御量変化として電気的信号の形で計測することができる。   In the magnetic force support type vibration measuring method and the magnetic force support type vibration measuring device, the vibration generated in the magnetic force support mechanism includes a three-axis translational displacement and a two-axis rotational displacement constituting an orthogonal coordinate system with respect to the inertial space. Dimensional displacement. When the magnetic support mechanism is exposed to, for example, earthquake vibration and displaced in the inertial space, the relative position and angle between the model that is completely levitated and the magnetic support mechanism change. The relative displacement is a three-axis translational displacement consisting of x, y, and z of inertial coordinates and a rotational displacement about three axes (pitch axis, yaw axis, and roll axis). Any displacement can be measured in the form of an electrical signal as a relative displacement between the model and the magnetic force support mechanism or a change in control amount.

上記磁力支持式振動計測装置は、前記磁力支持機構を回転振動する対象物に取り付けることにより、前記磁力支持機構に生じる静的又は動的な傾斜を計測する傾斜計として適用することができる。磁力支持式振動計測装置は回転変位をも計測可能であるので、磁力支持式振動計測装置を回転振動する対象物に取り付けることにより、傾斜計として磁力支持機構に生じる静的又は動的な傾斜を計測することができる。   The magnetic force support type vibration measuring apparatus can be applied as an inclinometer that measures a static or dynamic inclination generated in the magnetic force support mechanism by attaching the magnetic force support mechanism to an object that vibrates and vibrates. Since the magnetic support type vibration measuring device can also measure rotational displacement, by attaching the magnetic force support type vibration measuring device to the object to be rotated and vibrated, static or dynamic inclination generated in the magnetic support mechanism as an inclinometer can be obtained. It can be measured.

この発明による磁力支持式振動計測方法又はその装置は上記のように構成されており、慣性物体は支持体に依存することなく磁気的に浮揚支持されているので、一つの磁力支持機構だけで振動や傾斜等の3次元的変位そのものを成分分解することなく直接的に測定することができる。また、例えば、地震計として適用するときには、地震波を3次元波面として捉えることが可能になり、断層測定、地殻の研究等、多方面にわたる調査・研究の進展に資する計測器として用いることができる。   The magnetic support vibration measurement method or apparatus according to the present invention is configured as described above, and the inertial object is magnetically levitated and supported without depending on the support. It is possible to directly measure the three-dimensional displacement itself such as tilt and inclination without decomposing components. For example, when applied as a seismometer, seismic waves can be captured as a three-dimensional wavefront, and can be used as a measuring instrument that contributes to the progress of research and research in various fields such as fault measurement and crust research.

以下、添付した図面に基づいて、この発明による磁力支持式振動測定方法及び装置の実施例を説明する。図1は、この発明による磁力支持式振動測定装置の概要を示す斜視図であり、図2は磁力支持式振動測定装置に用いることができる制御ブロックの一例を示すブロック図である。図1に示す磁力支持式振動測定装置1は、風洞試験に用いる模型の磁力支持天秤装置の原理を応用して構成されており、物体10を磁力支持する磁力支持機構20自体の位置や姿勢についての振動(変位や傾斜、速度又は加速度)を測定することを可能にするものである。   Embodiments of a magnetic force support type vibration measuring method and apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a magnetic force support type vibration measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing an example of a control block that can be used in the magnetic force support type vibration measuring apparatus. A magnetic force support type vibration measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 is configured by applying the principle of a model magnetic force support balance device used for a wind tunnel test, and the position and orientation of the magnetic force support mechanism 20 itself supporting the object 10 as a magnetic force. It is possible to measure the vibration (displacement, inclination, velocity or acceleration) of the lens.

図1を参照して、磁力支持式振動測定装置の概要を説明する。図1は磁力支持機構を備えた磁力支持式振動測定装置、及び磁力支持機構に付設される計測系と制御系の概要を示す斜視図である。図1に示す磁力支持式振動測定装置1は、アルミ等の非磁性材料で所望の形状に成形されている物体10を磁気の力で浮揚支持するために磁力支持機構20を備えている。物体10の内部には、磁化された物質、超伝導コイルのような電流を流し続けるコイル、或いは永久磁石等から成る強力な円柱状の磁石体が搭載される。物体10の磁石体にはその周りに配置したコイルに通電することにより生じた外部磁場との磁気作用によって磁気力が生じる。磁力支持式振動測定装置1に振動が作用していない場合、この磁気力によって、物体10を重力に抗して磁気的に浮上支持させることができる。   With reference to FIG. 1, the outline | summary of a magnetic force support type | formula vibration measuring apparatus is demonstrated. FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a magnetic support type vibration measuring apparatus provided with a magnetic support mechanism, and a measurement system and a control system attached to the magnetic support mechanism. A magnetic force support type vibration measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a magnetic force support mechanism 20 for levitating and supporting an object 10 formed of a nonmagnetic material such as aluminum in a desired shape by a magnetic force. Inside the object 10 is mounted a magnetized material, a coil that continues to pass a current such as a superconducting coil, or a strong cylindrical magnet body made of a permanent magnet or the like. A magnetic force is generated in the magnet body of the object 10 by a magnetic action with an external magnetic field generated by energizing a coil disposed around the object. When no vibration is applied to the magnetic force support type vibration measuring apparatus 1, the object 10 can be magnetically levitated and supported against gravity by this magnetic force.

磁力支持機構20は、風洞試験に用いられる磁気支持天秤装置の磁気コイルや磁気回路をそのまま転用した構成を有している。物体10に力を作用させるための磁場は、磁気支持コイルとしてのコイル22〜25とコイル26〜29とから成る二つの磁気回路、及びその外側に配置された同じく磁気支持コイルとしてのコイル21,30によって発生される。磁気回路の各コイル22〜29に流れる電流を調節することにより、磁気回路内のy−z面内での磁場の強さと方向及びそれらのx軸方向の変化率を連続的に変化させることができる。また、コイル21,30に流れる電流を調節することによりx軸方向磁場の強さのx軸方向で見た変化率を制御することができ、都合6軸の制御が可能である。即ち、磁気回路のコイル22〜29は、物体10に働く揚力、横力と縦揺れモーメント、偏揺れモーメント、横揺れモーメントとに対抗する磁気力を与える揚力用コイル、横力用コイルとして機能し、コイル21,30は、物体10にx軸方向に流体流れがあるとしたときに物体10に働く抗力に対抗する磁気力を与える抗力用コイルとして機能している。なお、コイル21,30は、風洞試験用のものを転用したために気流を流れを許容する空芯コイルの形態を採っているが、振動変位の計測には空芯でない通常の電磁石であってよい。   The magnetic support mechanism 20 has a configuration in which a magnetic coil and a magnetic circuit of a magnetic support balance device used for a wind tunnel test are directly converted. The magnetic field for applying a force to the object 10 includes two magnetic circuits composed of coils 22 to 25 and coils 26 to 29 as magnetic support coils, and a coil 21 as a magnetic support coil disposed on the outside thereof. 30. By adjusting the currents flowing through the coils 22 to 29 of the magnetic circuit, it is possible to continuously change the strength and direction of the magnetic field in the yz plane and the rate of change in the x-axis direction in the magnetic circuit. it can. Further, the rate of change of the strength of the magnetic field in the x-axis direction as viewed in the x-axis direction can be controlled by adjusting the current flowing through the coils 21 and 30, so that six-axis control is possible. That is, the coils 22 to 29 of the magnetic circuit function as a lift coil and a lateral force coil that apply a magnetic force against the lifting force, lateral force and pitching moment, yawing moment, and rolling moment acting on the object 10. The coils 21 and 30 function as a drag coil that applies a magnetic force against the drag acting on the object 10 when the object 10 has a fluid flow in the x-axis direction. The coils 21 and 30 are in the form of air-core coils that allow the flow of airflow because they are diverted from those for wind tunnel testing, but they may be ordinary electromagnets that are not air-core for measuring vibration displacement. .

磁力支持式振動測定装置1には、物体10とコイル21〜30の他に、各コイルを駆動する電源系、磁力支持機構20に対する物体10の位置と姿勢とを計測する計測系、及び物体10の位置と姿勢とを制御する制御系が組み込まれている。図1に示すように、計測系であるセンサ(カメラ)33が検出した物体10の磁力支持機構20に対する相対的な位置姿勢変位に関する計測データは、パーソナルコンピュータ等の計算機34に送信され、計算機34での演算結果がアンプ35によって増幅した後、各コイル21〜30に、上記相対的な変位を解消させるに必要な制御された指令電流として供給される。この指令電流を測定することによって、物体10に作用している磁気力も推定することができる。   In addition to the object 10 and the coils 21 to 30, the magnetic force support type vibration measuring apparatus 1 includes a power supply system that drives each coil, a measurement system that measures the position and orientation of the object 10 with respect to the magnetic force support mechanism 20, and the object 10. A control system for controlling the position and posture of the robot is incorporated. As shown in FIG. 1, measurement data regarding the relative position and orientation displacement of the object 10 relative to the magnetic force support mechanism 20 detected by a sensor (camera) 33 that is a measurement system is transmitted to a computer 34 such as a personal computer. Is amplified by the amplifier 35, and then supplied to each of the coils 21 to 30 as a controlled command current necessary for eliminating the relative displacement. By measuring this command current, the magnetic force acting on the object 10 can also be estimated.

磁力支持機構20は、本質的に不安定なシステムであるので、常に、フィードバック制御が行われている。即ち、指令電流によって物体10に磁力が作用し、その結果、出力として物体10の状態変数である位置・姿勢角に変化が表れる。物体10の位置・姿勢角は、計測系であるセンサ33によって検出され、検出値に応じて制御装置である計算機34が指令電流を出力することで、フィードバック制御が行なわれている。   Since the magnetic support mechanism 20 is an essentially unstable system, feedback control is always performed. That is, a magnetic force acts on the object 10 by the command current, and as a result, a change appears in the position / posture angle that is a state variable of the object 10 as an output. The position / orientation angle of the object 10 is detected by a sensor 33 that is a measurement system, and a computer 34 that is a control device outputs a command current in accordance with the detected value, whereby feedback control is performed.

従来の制御において用いられる座標系は、図1に示すように、風洞測定部中心を原点とし、流れの上流方向をx軸(逆抗力方向)、鉛直上方(揚力方向)をz軸、これらの軸と右手系を作る軸をy軸と定め、x軸回りのロール角、y軸回りのピッチ角、z軸回りのヨー角をそれぞれ、φ,θ,ψとしている。これらの軸方向の磁気力及び軸回りのモーメントを作用させるために、表1に示すようにコイルを組み合わせている。表1に記載したコイル番号は、図7に示すコイルに付した番号に対応している。

Figure 2005195330
As shown in FIG. 1, the coordinate system used in the conventional control is based on the center of the wind tunnel measuring unit, the upstream direction of the flow is the x-axis (reverse drag direction), and the vertically upward direction (lift direction) is the z-axis. The axis that forms the axis and the right-handed system is defined as the y-axis, and the roll angle around the x-axis, the pitch angle around the y-axis, and the yaw angle around the z-axis are φ, θ, and ψ, respectively. In order to apply these axial magnetic forces and axial moments, coils are combined as shown in Table 1. The coil numbers shown in Table 1 correspond to the numbers given to the coils shown in FIG.
Figure 2005195330

慣性系における磁力支持機構20の位置をra(ベクトル量)、慣性系における浮揚物体10の位置をrb(ベクトル量)、磁力支持機構20に備わるセンサ33で計測した浮揚物体10の位置(センサ33で計測した測定値)をrc、物体10の質量をm、物体10に作用している磁気力をFm、物体10に作用している重力をFgとすると、
物体10と磁力支持機構20との位置関係は、次の式(1)で表される。

Figure 2005195330
物体10運動方程式は、次の式(2)で表される。
Figure 2005195330
式(2)の十分に長い期間で平均を取れば、重力の変化はないとすることができるので、次の式(3)が得られる。ここで、上部の横棒は平均操作を施した結果を示す。
Figure 2005195330
式(1)〜(3)から、次の式(4)が得られる。
Figure 2005195330
ここで、rcとFm等は、計測又は評価可能な量であるから、地震を計測する場合、結局、式(4)の左辺である慣性系に対する磁力支持機構20の位置raの変化として、地震の振動を測定することができる。 The position of the magnetic support mechanism 20 in the inertial system is ra (vector quantity), the position of the floating object 10 in the inertial system is rb (vector quantity), and the position of the floating object 10 measured by the sensor 33 provided in the magnetic support mechanism 20 (sensor 33 ), The mass of the object 10 is m, the magnetic force acting on the object 10 is Fm, and the gravity acting on the object 10 is Fg.
The positional relationship between the object 10 and the magnetic force support mechanism 20 is expressed by the following formula (1).
Figure 2005195330
The equation of motion of the object 10 is expressed by the following equation (2).
Figure 2005195330
If the average is taken over a sufficiently long period of equation (2), it can be assumed that there is no change in gravity, and therefore the following equation (3) is obtained. Here, the upper horizontal bar shows the result of the average operation.
Figure 2005195330
From the equations (1) to (3), the following equation (4) is obtained.
Figure 2005195330
Here, since rc, Fm, and the like are quantities that can be measured or evaluated, when measuring an earthquake, as a change in the position ra of the magnetic force support mechanism 20 with respect to the inertial system that is the left side of Equation (4), the earthquake Can be measured.

上記式(4)において、磁気力変動量に対して物体10の質量mが非常に大きい場合には、右辺第2項を第1項に対して無視することができる。左辺で示される慣性系における磁力支持機構20の位置の変動は、即ち、地震による振動であるが、このとき、その振動変位は右辺第1項として残る量、即ち、センサ33で計測した物体10の位置変化の反対符号として得ることができる。この状態は、物体10の慣性が非常に大きくて実質的に不動点を形成していることに相当する。物体10が不動点を形成するとすれば、振動する磁力支持機構20から見た物体10の動きは、磁力支持機構20の振動を直接観測(ただし、振動方向について符号反転)することになることと符丁が一致する。風洞試験における磁気支持天秤装置では、模型の重さが重いと共に模型を空間に磁気的に固定する仮想上のばねのばね定数が小さい場合が多く、振動を測定するに転用するに際しては、この仮想上のばね定数が小さいことが有利である。   In the above formula (4), when the mass m of the object 10 is very large with respect to the magnetic force fluctuation amount, the second term on the right side can be ignored with respect to the first term. The change in the position of the magnetic force support mechanism 20 in the inertial system shown on the left side is vibration due to an earthquake. At this time, the vibration displacement is the amount remaining as the first term on the right side, that is, the object 10 measured by the sensor 33. It can be obtained as the opposite sign of the position change. This state corresponds to the fact that the inertia of the object 10 is very large and substantially forms a fixed point. If the object 10 forms a fixed point, the movement of the object 10 viewed from the vibrating magnetic support mechanism 20 directly observes the vibration of the magnetic support mechanism 20 (however, the sign is inverted with respect to the vibration direction). The signatures match. In a magnetic support balance device in a wind tunnel test, the weight of the model is heavy and the spring constant of a virtual spring that magnetically fixes the model in space is often small. Advantageously, the upper spring constant is small.

一方、上記式(4)において、磁気力変動量に対して物体10の質量mが非常に小さい場合には、右辺第1項が第2項に対して無視することができる場合があり得る。このとき、右辺第2項で表される量は、左辺で示される慣性系における磁力支持機構20の位置の2回微分であるから、地震の加速度を表している。計測可能な磁気力の平均値からの変化量として、地震の加速度を測定することができる。   On the other hand, in the above formula (4), when the mass m of the object 10 is very small with respect to the magnetic force fluctuation amount, the first term on the right side may be negligible with respect to the second term. At this time, the amount represented by the second term on the right side is the second derivative of the position of the magnetic force support mechanism 20 in the inertial system indicated by the left side, and thus represents the acceleration of the earthquake. The acceleration of the earthquake can be measured as the amount of change from the average value of the magnetic force that can be measured.

磁力支持式振動測定装置1において通常の地震計の機能を得るには、上記のように物体10の質量mや物体10を支持し続けるための磁気力変動量について、この両極端な場合となるように条件を設定することになる。更に、磁力支持式振動測定装置1においては、センサ33の出力と磁気力との両方を計測できるので、上記両極端な条件の中間的な条件の場合でも、正確に地震波を計測できる。   In order to obtain the function of a normal seismometer in the magnetic force supported vibration measuring apparatus 1, the extremes of the mass m of the object 10 and the magnetic force fluctuation amount for continuing to support the object 10 are as described above. Will set the condition. Furthermore, since both the output of the sensor 33 and the magnetic force can be measured in the magnetic force support type vibration measuring apparatus 1, the seismic wave can be accurately measured even in the intermediate condition between the two extreme conditions.

地震等の外部振動を高精度で測定するには、その外部振動に起因する物体10と磁力支持機構20との相対変位によって物体10の周りの磁場の変化を考慮する必要がある。磁場の変化は物体10に新たな磁気力を作用させて、物体10に付加的な運動を惹起させる。そうした磁場の変化を取り除くためには、本発明者らによって発明され且つ先に特許出願として出願された発明である風洞装置等において模型を磁気力で浮揚支持する「磁力支持模型の軸間干渉軽減制御方法及び装置(特願2003−149969)」の技術が適用可能である。即ち、相互干渉する二つの軸(回転軸も含む)について、一方の軸方向の変位に起因して生じる他方の軸方向の変位に関する干渉量を予め評価しておき、他方の軸についての指令電流を一方の軸方向の変位と前記干渉量の評価に基づいて定められる修正電流で修正する技術が応用される。   In order to measure external vibration such as an earthquake with high accuracy, it is necessary to consider a change in the magnetic field around the object 10 due to the relative displacement between the object 10 and the magnetic support mechanism 20 due to the external vibration. The change in the magnetic field causes a new magnetic force to act on the object 10 and induces an additional motion in the object 10. In order to remove such a change in the magnetic field, the model is lifted and supported by a magnetic force in a wind tunnel device or the like invented by the present inventors and previously filed as a patent application. The technology of “Control Method and Device (Japanese Patent Application No. 2003-149969)” is applicable. That is, for two axes (including the rotation axis) that interfere with each other, the interference amount relating to the displacement in the other axial direction caused by the displacement in the other axial direction is evaluated in advance, and the command current for the other axis is determined. Is applied with a correction current determined based on the evaluation of the displacement in one axial direction and the amount of interference.

図2には、図1に示す磁力支持式振動測定装置に用いることができる制御ブロック図の一例が示されている。磁力支持機構20の制御システムは、本来、不安定であるため、物体10の位置・姿勢角についてフィードバック制御が図2に示される制御システムで行われている。即ち、現在値(状態変数)としての位置・姿勢角Y(x,y,z,φ,θ,ψ)に基づく信号と、目標値設定器2における位置・姿勢角の各目標値Rとの偏差Eが伝達関数Kを持つPI制御器(比例積分コントローラ)3に入力されて制御量が計算される。計算された制御量は、更にバイアス付与器4によるバイアス電流Bが付加された後、D/A変換やアンプ増幅を適宜受けた後、指令信号Uとして、磁力支持機構20のコイル21〜30(図1参照)から成り且つ伝達関数Gcを持つコイル系(磁力支持機構20)に供給される。バイアス電流Bは、物体10が重力と釣り合うために必要な電流値である。磁力支持機構20が生成する磁場は、磁石体との相互作用によるコイル磁気力として物体10に作用する。地震等の外部振動がシステムに作用した場合、物体10には、磁力支持機構20から見て相対的に地震波(加振力)dが作用するが、制御システムにおいては、地震波はノイズ源5として捉えて処理される。   FIG. 2 shows an example of a control block diagram that can be used in the magnetic force support type vibration measuring apparatus shown in FIG. Since the control system of the magnetic support mechanism 20 is inherently unstable, feedback control is performed on the position / posture angle of the object 10 by the control system shown in FIG. That is, a signal based on the position / posture angle Y (x, y, z, φ, θ, ψ) as the current value (state variable) and each target value R of the position / posture angle in the target value setter 2 The deviation E is input to a PI controller (proportional integration controller) 3 having a transfer function K, and a control amount is calculated. The calculated control amount is further subjected to D / A conversion and amplifier amplification after the bias current B from the bias applier 4 is added, and then, as a command signal U, the coils 21 to 30 ( 1) and is supplied to a coil system (magnetic force support mechanism 20) having a transfer function Gc. The bias current B is a current value necessary for the object 10 to balance with gravity. The magnetic field generated by the magnetic support mechanism 20 acts on the object 10 as a coil magnetic force due to the interaction with the magnet body. When an external vibration such as an earthquake acts on the system, a seismic wave (excitation force) d acts on the object 10 relative to the magnetic force support mechanism 20, but the seismic wave is a noise source 5 in the control system. Captured and processed.

光学的なセンサ33(図1参照)が、物体10の現在値としての位置・姿勢角Yを検出する。検出された位置・姿勢角Yにはノイズ混入があるため、ノイズ除去用に60Hz程度の適当なカットオフ周波数を持ち、伝達関数Hnで表されるノイズカットフィルタ11にかけられる。センサ33は、CCDセンサのような電荷の蓄積に要する時間として検出から出力までに6ミリ秒程度の遅延時間(むだ時間)Lがある(その伝達関数Hs)ため、検出された物体10の位置・姿勢角の情報は実際にその瞬間の位置・姿勢角とは異なる。また計算機34はコイル電流やコイル電圧といったコイル21〜30に供すべき指令電流Uの計算に時間を要するため、力を作用させようとする瞬間には物体10の位置・姿勢角は更に変動している。そのため伝達関数Hp(s)で表される二重位相進み器12が、これらの時間遅れを補償するのに用いられている。二重位相進み要素12を経るときの位相の二重進みが、システムの安定性に重要な役割を果たしている。偏差Eは、この補償された位置・姿勢角信号と目標値Rとの差で計算される。このように、磁力支持機構20は、検出された物体10の位置・姿勢角Yに基づいて、物体10の位置・姿勢角についてのフィードバック制御を行っている。振動の更なる高精度測定を行う場合には、磁場のフィードバック制御を行うために、図示の位置に、磁場補正用の回路要素として伝達関数Kを持つ補助制御系13が配設される。   The optical sensor 33 (see FIG. 1) detects the position / posture angle Y as the current value of the object 10. Since the detected position / posture angle Y contains noise, it has an appropriate cutoff frequency of about 60 Hz for noise removal and is applied to the noise cut filter 11 represented by the transfer function Hn. Since the sensor 33 has a delay time (dead time) L of about 6 milliseconds from detection to output as the time required for charge accumulation as in the CCD sensor (transfer function Hs), the position of the detected object 10 is detected.・ The posture angle information is actually different from the instantaneous position and posture angle. Further, since the computer 34 requires time to calculate the command current U to be supplied to the coils 21 to 30 such as the coil current and the coil voltage, the position / posture angle of the object 10 further fluctuates at the moment of applying the force. Yes. Therefore, a double phase advancer 12 represented by the transfer function Hp (s) is used to compensate for these time delays. The phase double advance through the double phase advance element 12 plays an important role in the stability of the system. The deviation E is calculated by the difference between the compensated position / posture angle signal and the target value R. Thus, the magnetic force support mechanism 20 performs feedback control on the position / posture angle of the object 10 based on the detected position / posture angle Y of the object 10. In order to perform further high-accuracy measurement of vibration, an auxiliary control system 13 having a transfer function K as a circuit element for magnetic field correction is disposed at the illustrated position in order to perform feedback control of the magnetic field.

コイル系である磁力支持機構20においては、物体10の振動に基づく相対位置はセンサ33で検出されるが、磁気力の制御量変化としても計測可能である。磁気力の制御量は、具体的には、式(4)における磁気力Fmのことであり、磁気力Fmを定めるコイル電流は、図1と上記表1に基づいて計測可能である。図2の制御ブロック図では、磁気力の制御量は磁力支持機構20の直前の指令信号Uに基づいて定められる。地震波の評価は、式(4)に基づいて行うことができる。既存の地震計が水平方向と垂直方向とに成分分解して測定していたのに対して、磁力支持式振動測定装置1によれば振動を空間的な一つの振動として捉えることができる。また、水平・垂直の2方向に機械的に分離していたことによる不確定な誤差の侵入を回避することができる。地表面の傾斜変化や水平内方向変化等の角度変化も、例えば、火山活動による地殻変動で観測されるものであるが、本磁力支持式振動測定装置1によれば、こうした傾斜や角度変化も物体10の姿勢角変化として測定することができる。この場合、物体10については質量mの代わりに慣性モーメントを、また運動方程式は、慣性モーメントに角加速度を乗じたものが磁気力のモーメントに釣り合う式となるが、式の処理等は、加速度−磁気力の場合と同様である。   In the magnetic force support mechanism 20 that is a coil system, the relative position based on the vibration of the object 10 is detected by the sensor 33, but it can also be measured as a change in the control amount of the magnetic force. The control amount of the magnetic force is specifically the magnetic force Fm in the equation (4), and the coil current that determines the magnetic force Fm can be measured based on FIG. 1 and Table 1 above. In the control block diagram of FIG. 2, the control amount of the magnetic force is determined based on the command signal U immediately before the magnetic force support mechanism 20. The evaluation of the seismic wave can be performed based on Expression (4). Whereas existing seismometers have been measured by component decomposition in the horizontal and vertical directions, the magnetic force supported vibration measuring apparatus 1 can capture vibration as one spatial vibration. In addition, it is possible to avoid intrusion of uncertain errors due to mechanical separation in two directions, horizontal and vertical. Angular changes such as changes in the inclination of the ground surface and changes in the horizontal inward direction are also observed, for example, by crustal movements caused by volcanic activity. According to the magnetic support type vibration measuring apparatus 1, such changes in inclination and angle are also observed. It can be measured as a change in posture angle of the object 10. In this case, for the object 10, the moment of inertia is used instead of the mass m, and the equation of motion is an equation in which the moment of inertia multiplied by the angular acceleration is balanced with the moment of the magnetic force. The same as in the case of magnetic force.

振動計を、不動点を形成する振動計か或いは加速度計として用いるかは、重り(質点)を支持するばねの硬さに依存する。このばねの硬さは、磁力支持式振動測定装置1においては、PI制御器3の伝達関数に現れる比例定数部分Kpに相当する。比例定数部分Kpは、物体10の設定位置からのずれ量に比例した磁気力(結局はコイル電流)を発生して、物体10の変位位置を元に戻す制御をする係数である。比例定数部分Kpを調整することで、磁力支持式振動測定装置1の作動態様を変更することができる。また、加速度計の場合には、式(4)のFmを大きくすることに相当するので、比例定数を大きくすることに対応している。このように、空気力評価の天秤技術を適用すれば、磁気力(磁気力によるモーメント)を作用させなかった場合の物体10の仮想的な運動、即ち、真の外部変位を高精度にリアルタイムに推定することができる。   Whether the vibrometer is used as a vibrometer that forms a fixed point or an accelerometer depends on the hardness of the spring that supports the weight (mass point). The hardness of the spring corresponds to the proportional constant portion Kp that appears in the transfer function of the PI controller 3 in the magnetic force supported vibration measuring apparatus 1. The proportionality constant portion Kp is a coefficient for controlling to return the displacement position of the object 10 by generating a magnetic force (finally a coil current) proportional to the amount of deviation from the set position of the object 10. By adjusting the proportional constant portion Kp, the operation mode of the magnetic force supported vibration measuring apparatus 1 can be changed. In the case of an accelerometer, this corresponds to increasing Fm in Equation (4), and therefore corresponds to increasing the proportionality constant. In this way, if the balance technique for aerodynamic evaluation is applied, the virtual motion of the object 10 when no magnetic force (moment due to magnetic force) is applied, that is, the true external displacement can be accurately detected in real time. Can be estimated.

図3〜図5に基づいて、磁力支持機構に振動を付加したときの測定結果を示す。風洞試験に用いる磁力支持天秤装置がそのまま磁力支持式変位測定装置の磁力支持機構に利用されている。風洞試験中に測定が行われたので、測定結果には物体10への空気流れの影響が含まれている。図3〜図5は、実際に空気流れを作った低温風洞内に磁力支持機構20を配設し、磁力支持機構20の内部に物体10を置き、磁力支持機構20に3次元振動を印加したときの検出データを示している。   Based on FIGS. 3 to 5, measurement results when vibration is applied to the magnetic support mechanism are shown. A magnetic support balance device used for a wind tunnel test is used as it is for a magnetic support mechanism of a magnetic support type displacement measuring device. Since the measurement was performed during the wind tunnel test, the measurement result includes the influence of the air flow on the object 10. 3 to 5, the magnetic support mechanism 20 is disposed in a low temperature wind tunnel that actually creates an air flow, the object 10 is placed inside the magnetic support mechanism 20, and three-dimensional vibration is applied to the magnetic support mechanism 20. The detected data is shown.

図3は、横軸に周波数を、縦軸に大きさをそれぞれ対数表示したグラフであり、この例では、周波数40Hzに鋭いピークを持つX軸方向の振動を検出したときの例を示している。図4は、同様に、Y軸方向の振動を検出したときの例を示している。Y軸方向の振動検出感度は、約10000倍近い値である。通常の地震計はY軸方向の感度は10万倍〜100万倍であるところ、それに比較すると低倍率であるが、実用上は差し支えない。図5は、同様に、Z軸方向の振動を検出したときの例を示している。   FIG. 3 is a graph in which the horizontal axis indicates the frequency and the vertical axis indicates the logarithm, and in this example, an example is shown when vibration in the X-axis direction having a sharp peak at a frequency of 40 Hz is detected. . FIG. 4 similarly shows an example when vibration in the Y-axis direction is detected. The vibration detection sensitivity in the Y-axis direction is a value close to about 10,000 times. A normal seismometer has a sensitivity in the Y-axis direction of 100,000 to 1,000,000 times, which is lower than that, but in practice it does not matter. FIG. 5 similarly shows an example when vibration in the Z-axis direction is detected.

Y軸方向の振動1とすると、X軸方向の振動の大きさは1/10、Z軸方向の振動の大きさは1/100程度と推定することができる。低温風洞は上下が拘束されているので、振動が抑えられている。また、共通して見られる低周波数領域での振動は、気流の効果、及び制御と空気力との干渉によるものと推定される。   If the vibration in the Y-axis direction is 1, it can be estimated that the vibration in the X-axis direction is 1/10 and the vibration in the Z-axis direction is about 1/100. The low temperature wind tunnel is restrained from top to bottom, so vibration is suppressed. Moreover, it is estimated that the vibration in the low frequency region commonly seen is due to the effect of the airflow and the interference between the control and the aerodynamic force.

図6及び図7には、磁力支持式振動測定装置が実際に測定した地震振動の一例が示されている。図6(a)(b)及び(c)は、それぞれこの発明による磁力支持式振動測定装置がx,y,zの3軸について実際に地震振動を測定した測定結果の一例を示すグラフである。x軸は東西方向を示し、y軸は南北方向を示し、z軸は鉛直方向を示す。また、図中、(イ)は地震時のデータを、(ロ)は地震でない時のデータを示す。この測定結果から、この地震振動はx軸方向の振動が他の軸方向の振動と比較して強い地震であったことが判る。図7は、この地震振動においてy軸(南北)方向の地震振動成分のスペクトル解析結果を示すグラフである。図7においても、(イ)は地震時のデータを、(ロ)は地震でない時のデータを示す。図7からは、1〜10Hzの振動周波数が主要な周波数であったことが判る。図8は、磁力支持式振動測定装置が測定した図6に示す振動の地震を、専用の地震計が測定した測定結果の一例である。この地震は、2003年10月15日16時30分に、北緯35.6度、東経140.1度、深さ80kmを震源とするマグニチュード5.0の地震である。上部の地震波形は南北方向の振動を、中央の地震波形は東西方向の振動を、そして下部の地震波形は上下方向の振動をそれぞれ表している。いずれも横軸は時間(秒)を、縦軸は対応する方向の加速度(単位、ガル)を表している。   6 and 7 show an example of the seismic vibration actually measured by the magnetic force support type vibration measuring apparatus. 6 (a), 6 (b) and 6 (c) are graphs showing examples of measurement results obtained by actually measuring the seismic vibration with respect to the three axes x, y and z by the magnetic force support type vibration measuring apparatus according to the present invention. . The x-axis indicates the east-west direction, the y-axis indicates the north-south direction, and the z-axis indicates the vertical direction. In the figure, (a) shows data at the time of an earthquake, and (b) shows data at the time of no earthquake. From this measurement result, it can be seen that this seismic vibration was an earthquake whose vibration in the x-axis direction was stronger than that in the other axial directions. FIG. 7 is a graph showing the spectrum analysis result of the seismic vibration component in the y-axis (north-south) direction in this seismic vibration. Also in FIG. 7, (a) shows data at the time of an earthquake, and (b) shows data at the time of not an earthquake. From FIG. 7, it can be seen that the vibration frequency of 1 to 10 Hz was the main frequency. FIG. 8 is an example of a measurement result obtained by measuring a seismometer of the vibration shown in FIG. 6 measured by the magnetic force support type vibration measuring apparatus with a dedicated seismometer. This earthquake occurred at 16:30 on October 15, 2003 at a magnitude of 5.0 with an epicenter of 35.6 degrees north latitude, 140.1 degrees east longitude, and a depth of 80 km. The upper seismic waveform represents the north-south vibration, the middle seismic waveform represents the east-west vibration, and the lower seismic waveform represents the vertical vibration. In both cases, the horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents acceleration (unit, gal) in the corresponding direction.

本発明については、上記のように地震計を例に採って説明したが、本発明による変位計はこれに限ることなく、加速度計、振動計、傾斜計等の位置や角度の変位を計測する如何なる用途にも適用可能であることは明らかである。   Although the present invention has been described by taking the seismometer as an example as described above, the displacement meter according to the present invention is not limited to this, and measures the displacement of the position and angle of an accelerometer, a vibrometer, an inclinometer, and the like. Obviously, it can be applied to any application.

この発明による磁力支持式変位測定装置の概要を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline | summary of the magnetic support type displacement measuring apparatus by this invention. 図1に示す磁力支持式振動測定装置に用いることができる制御ブロック図の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the control block diagram which can be used for the magnetic force support type | formula vibration measuring apparatus shown in FIG. この発明による磁力支持式測定装置の磁力支持機構に振動を付加したときのX軸方向の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of a X-axis direction when adding a vibration to the magnetic support mechanism of the magnetic support type measuring apparatus by this invention. 図3に対応したY軸方向の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the Y-axis direction corresponding to FIG. 図3に対応したZ軸方向の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the Z-axis direction corresponding to FIG. この発明による磁力支持式振動測定装置が直交3軸について実際に地震振動を測定した測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result which the magnetic support type | formula vibration measuring apparatus by this invention actually measured the seismic vibration about three orthogonal axes. この地震振動において南北方向の地震振動成分のスペクトル解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the spectrum analysis result of the seismic vibration component of the north-south direction in this seismic vibration. 磁力支持式振動測定装置が測定した図6に示す地震の振動を専用の地震計が測定した測定結果の一例である。It is an example of the measurement result which the dedicated seismometer measured the vibration of the earthquake shown in FIG. 6 measured by the magnetic support type vibration measuring device.

符号の説明Explanation of symbols

1 磁力支持式振動測定装置 2 目標設定器
3 PI制御器 4 バイアス付与器
10 物体
11 ノイズカットフィルタ 12 二重位相進み器
13 補助制御系
20 磁力支持機構
22〜25,26〜29コイル 21,30 空芯コイル
33 センサ 34 計算機 35 アンプ
x,y,z 直交位置座標
φロール角 θピッチ角 ψヨー角
ra(ベクトル量) 慣性系における磁力支持機構20の位置
rb(ベクトル量) 慣性系における浮揚物体10の位置
rc センサ33で計測した浮揚物体10の位置
m 物体10の質量
Fm 物体10に作用している磁気力 Fg 物体10に作用している重力
Y 位置・姿勢角 R 目標値 E 偏差
B バイアス電流 U 指令信号 d 地震波(加振力) Gc 磁力支持機構20(コイル系)の伝達関数
Hn ノイズカットフィルタの伝達関数 Hs センサ33の伝達関数
Hp 二重位相進み器12の伝達関数 K 補助制御系13の伝達関数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic support type vibration measuring device 2 Target setting device 3 PI controller 4 Bias applying device 10 Object 11 Noise cut filter 12 Double phase advancer 13 Auxiliary control system 20 Magnetic support mechanism 22-25, 26-29 coil 21,30 Air core coil 33 Sensor 34 Computer 35 Amplifier x, y, z Orthogonal position coordinate φ Roll angle θ Pitch angle ψ Yaw angle ra (vector quantity) Position of magnetic support mechanism 20 in inertial system rb (vector quantity) Levitated object in inertial system 10 position rc Position of the floating object 10 measured by the sensor 33 m Mass of the object 10 Fm Magnetic force acting on the object Fg Gravity acting on the object 10 Y Position / attitude angle R Target value E Deviation B Bias Current U Command signal d Seismic wave (Excitation force) Gc Transfer function of magnetic support mechanism 20 (coil system) Hn Noise cut The transfer function of the transfer function Hs sensor 33 of motor
Hp Transfer Function of Double Phase Leader 12 K Transfer Function of Auxiliary Control System 13

Claims (11)

磁石を搭載した物体を磁力支持機構に設けられた磁気コイルに通電することで生じる磁気力によって浮揚支持し、前記磁力支持機構に対する前記物体の相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成る磁力支持式振動計測方法。   Levitating and supporting an object carrying a magnet by a magnetic force generated by energizing a magnetic coil provided in the magnetic force support mechanism, and measuring a relative displacement of the object with respect to the magnetic force support mechanism or a change in a control amount related to the magnetic coil. A magnetic force support type vibration measuring method comprising measuring vibration generated in the magnetic force support mechanism by the method. 前記物体の質量を大きくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を小さくすることによって、前記物体を不動点として作用させることから成る請求項1に記載の磁力支持式振動計測方法。   2. The method according to claim 1, further comprising causing the object to act as a fixed point by increasing a mass of the object and reducing a magnetic force restraint of the object by the magnetic force support mechanism other than levitating and supporting the object. Magnetic support type vibration measurement method. 前記物体の質量を小さくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を大きくすることによって、前記物体に作用する前記磁気力の変動量に基づいて前記磁力支持機構に生じる前記振動の加速度を計測することから成る請求項1に記載の磁力支持式振動計測方法。   The magnetic force based on the amount of variation of the magnetic force acting on the object is reduced by reducing the mass of the object and increasing the magnetic force restraint of the object by the magnetic force support mechanism other than the levitating support of the object. The magnetic support vibration measurement method according to claim 1, further comprising measuring acceleration of the vibration generated in the support mechanism. 前記磁力支持機構に対する前記物体の前記相対変位に起因する前記物体の周囲における磁場の変化を無くするように、前記磁気コイルに流される電流を制御することから成る請求項1に記載の磁力支持式振動計測方法。   2. A magnetic support system according to claim 1, comprising controlling a current passed through the magnetic coil so as to eliminate a change in the magnetic field around the object due to the relative displacement of the object with respect to the magnetic support mechanism. Vibration measurement method. 前記磁力支持機構に生じる前記振動は、慣性空間について直交座標系を構成する3軸の並進変位と2軸回り回転変位とを含む3次元変位であることから成る請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁力支持式振動計測方法。   The vibration generated in the magnetic force support mechanism is a three-dimensional displacement including a three-axis translational displacement and a two-axis rotational displacement constituting an orthogonal coordinate system with respect to the inertial space. The magnetic force support type vibration measuring method according to item. 磁石を搭載した物体、前記物体を浮揚支持するため通電することにより磁気力を生じさせる磁気コイルを有する磁力支持機構、及び前記物体の前記磁力支持機構に対する相対変位又は前記磁気コイルに関する制御量変化を検出する検出手段を備え、前記検出手段によって前記物体の前記相対変位又は前記制御量変化を計測することによって前記磁力支持機構に生じる振動を計測することから成る磁力支持式振動計測装置。   An object on which a magnet is mounted, a magnetic force support mechanism having a magnetic coil that generates a magnetic force by energizing to support the object, and a relative displacement of the object with respect to the magnetic force support mechanism or a control amount change with respect to the magnetic coil. A magnetic force support type vibration measuring apparatus comprising a detecting means for detecting, and measuring vibration generated in the magnetic force supporting mechanism by measuring the relative displacement or the change in the control amount of the object by the detecting means. 前記物体の質量を大きくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を小さくすることによって、前記物体を不動点として作用させることから成る請求項6に記載の磁力支持式振動計測装置。   The mass of the object is increased and the object is caused to act as a fixed point by reducing a magnetic force restraint of the object by the magnetic support mechanism other than levitation support of the object. Magnetic support type vibration measurement device. 前記物体の質量を小さくすると共に前記物体を浮揚支持する以外の前記磁力支持機構による前記物体の磁気力的拘束を大きくすることによって、前記物体に作用する前記磁気力の変動量に基づいて前記磁力支持機構に生じる前記振動の加速度を計測することから成る請求項6に記載の磁力支持式振動計測装置。   The magnetic force based on the amount of variation of the magnetic force acting on the object is reduced by reducing the mass of the object and increasing the magnetic force restraint of the object by the magnetic force support mechanism other than the levitating support of the object. The magnetic force support type vibration measuring device according to claim 6, comprising measuring acceleration of the vibration generated in the support mechanism. 前記磁力支持機構に対する前記物体の前記相対変位に起因する前記物体の周囲における磁場の変化を無くするように、前記磁気コイルに流される電流を制御する制御装置を備えていることから成る請求項6に記載の磁力支持式振動計測装置。   7. A control device for controlling a current passed through the magnetic coil so as to eliminate a change in a magnetic field around the object due to the relative displacement of the object with respect to the magnetic support mechanism. The magnetic force support type vibration measuring device described in 1. 前記磁力支持機構に生じる前記振動は、慣性空間について直交座標系を構成する3軸の並進変位と2軸回り回転変位とを含む3次元変位であることから成る請求項6〜9のいずれか1項に記載の磁力支持式振動計測装置。   The vibration generated in the magnetic force support mechanism is a three-dimensional displacement including a three-axis translational displacement and a two-axis rotational displacement constituting an orthogonal coordinate system with respect to the inertial space. The magnetic force support type vibration measuring device according to item. 前記磁力支持機構を回転振動する対象物に取り付けることにより、前記磁力支持機構に生じる静的又は動的な傾斜計として適用されていることから成る請求項6〜9のいずれか1項に記載の磁力支持式振動計測装置。   10. The magnetic support mechanism according to claim 6, wherein the magnetic support mechanism is applied as a static or dynamic inclinometer generated in the magnetic support mechanism by attaching the magnetic support mechanism to an object that vibrates and vibrates. Magnetic support type vibration measuring device.
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