JP2006113036A

JP2006113036A - 測定装置とセンサの校正方法

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Publication number: JP2006113036A
Application number: JP2004327063A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Yokota; 隆一横田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】センサの自動校正機能を有する測定装置とそれに用いるセンサの自動校正方法を提供すること。
【解決手段】加速度センサ１と校正回路とＭＣＵ３とからなる測定装置であって、校正回路は、センサアンプ２とデジタルポテンション４と固定抵抗５とＭＣＵからなる。校正方法は、デジタルポテンションを用いてセンサ出力信号を自動的に校正する方法である。センサに校正する加速度を印加しながら自動校正プログラムを実行させて、校正する物理量に対するセンサアンプの出力電圧が所定の校正電圧に合うように、デジタルポテンションの抵抗値を自動的に選択して、センサアンプの利得を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサの自動校正機能を有する測定装置とセンサの自動校正方法に関する。

センサの校正は、ポテンショメータやトリミング装置を用いる方法が、従来から慣用されている。しかし、これらは、外部からの操作によりセンサを校正する方法であって、例えば、加速度センサを校正する場合、加速度を印加している状態で外部から操作することが難しいという問題がある。

この欠点を改良する方法として、校正する加速度センサと記録装置を同一筐体に装着し、真の加速度と照合して、校正する加速度センサのオフセット値を算出する加速度センサ校正方法が特開平４−１９０１６２号公報に開示されている。また、センサとデジタル変換機と測定回路と自動校正回路を一体化した自己校正型センサが、特開平１１−３０４８２４に開示されている。
特開平４−１９０１６２号公報特開平１１−３０４６２４号公報

しかし、これらの校正方法は、デジタルポテンションを用いた校正方法や低い分解能のＡ／Ｄコンバータを用いた自動校正方法等データロガーに適した自動校正方法を開示していないし、示唆もしていない。

本発明の第１の目的は、センサアンプとデジタルポテンションからなるセンサの校正回路を用いる測定装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、センサと校正回路とＭＣＵからなる測定装置のセンサの自動校正方法を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明の測定装置は、センサと校正回路とＭＣＵからなる測定装置であって、校正回路がセンサアンプとデジタルポテンションと固定抵抗からなることを特徴とする。

また、前記目的を達成するために本発明になるセンサの校正方法は、センサと校正回路とＭＣＵからなる測定装置におけるセンサの校正方法であって、自動校正プログラムをＭＣＵに入力する操作と、校正する物理量をセンサに加えて、センサの出力電圧を増幅するセンサアンプの出力電圧をＭＣＵに出力する操作と、センサアンプの出力電圧と校正電圧を比較する操作と、出力電圧が校正電圧に一致しない場合、デジタルポテンションの抵抗値を変更する操作と、出力電圧が校正電圧に一致した場合、デジタルポテンションの抵抗値を保持する操作とからなることを特徴とする。

本発明は前記のような構成をとることにより以下の如き効果を有する。
物理量を印加しながらセンサを校正することができる測定装置とセンサの校正方法を提供できる。また、低い分解能のＡ／Ｄコンバータとデジタルポテンションを用いる測定装置とセンサの校正方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照し説明する。
図１は、自動校正機能を備えたデータロガー（センサからの出力信号をサンプリングし、サンプリングしたデータを時系列的に記憶する装置）のブロック図で、加速度センサ１と、その信号を増幅するセンサアンプ２と、データロガーのコントローラユニットであるＭＣＵ（ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ）３と、デジタルポテンション４と、固定抵抗５と、通信部７とからなる。

ＭＣＵ３は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）とフラッシュメモリとＳＲＡＭとＩ／Ｏとからなる。ＣＰＵは、ＰＩＣファミリーやＨ８ファミリーのワンチップマイコンである。フラッシュメモリは、自動校正プログラムと計測データ等を記憶するＥＥＰＲＯＭである。自動校正プログラムは、センサの出力を自動校正する手続きと自動校正に必要な定数が書き込まれている。通信部７は、パソコン等との入出力を行うＵＳＢ端子である。

自動校正に必要な定数について、加速度５０Ｇで校正する場合を例にとり説明する。加速度センサ１に加速度が５０Ｇ印加された時、センサアンプ２の利得を調整してセンサアンプ２が出力すべき電圧を例えば５Ｖと設定する。このセンサアンプ２が出力すべき電圧を校正電圧という。一方、センサアンプ２からの出力電圧は、センサアンプ２の利得を調整しても校正電圧と完全には一致し難いので、ある範囲（例えば、±０．０１Ｖ）以内にあれば、センサアンプ２の出力電圧は、校正電圧に一致したとみなす。この範囲を許容値という。許容値は、デジタルポテンション４の分解能と校正電圧から算出する。また、加速度１０Ｇで校正する等校正条件が異なる場合、校正電圧や許容値はそれぞれに対応して定められる。

加速度センサ１は、圧電型加速度センサである。加速度センサ１の出力電圧Ｉｖがセンサアンプ２の入力電圧である。センサアンプ２は、プラス（＋）入力端子に入力電圧Ｉｖを入力し、センサアンプ２で増幅して出力電圧Ｏｖを出力する。加速度センサ１は、１次元、２次元又は３次元の加速度センサの何れでもでも良い。３次元加速度センサは、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸の３個の加速度センサからなるセンサである。３個の加速度をそれぞれ０．０１〜０．１秒周期でサンプリングするので、データセレクタが加速度センサ１とセンサアンプ２の間に設けられ、３個の加速度センサをシーケンシャルにサンプリングするようになっている。ＭＣＵ３は、３軸の加速度を合成し、加速度の大きさと方向を演算する。加速度の大きさと方向は、所定回数測定されたデータの代表値が時系列的にフラッシュメモリに記憶される。データの代表値は、平均値、最大値、設定された限界値を超えた異常値及びその回数、発生時刻等である。

加速度センサ１は、１Ｇ（Ｇは、重力）の加速度に対して４．６１ｍＶを出力する仕様のセンサを用いている。加速度センサの出力誤差は、１０％程度はあるので、これを校正する必要がある。一方、分解能の低いＡ／Ｄコンバータ（８ビット）を使用しているので、１Ｇの加速度を数デジット（例えば、５デジット）で表示する場合にも適するように、校正時に加速度センサの信号出力を増幅することが好ましい。

校正回路は、センサアンプ２とデジタルポテンション４と固定抵抗５からなる。センサアンプ２のマイナス（−）入力端子にデジタルポテンション４を接続する。センサアンプ２は、デジタルポテンション（Ｒｖ）４と固定抵抗（Ｒｃ）５と接続して負帰還非反転増幅回路を構成する。デジタルポテンション４は、可変抵抗で抵抗アレイと半導体スイッチとデコーダからなる。ＭＣＵ３からのＯＵＴ信号６をデコードし、選択された半導体スイッチをＯＮにし抵抗アレイの抵抗を選択する。デジタルポテンションの抵抗値は、選択された抵抗の組み合わせにより段階的に調整できる。

デジタルポテンションＲｖは、約５０ＫΩの抵抗アレイで、２００Ωの抵抗を２５６個直列に接続したもので、ＭＣＵ３からのＯＵＴ信号６により、抵抗値を段階的に選択できる。固定抵抗Ｒｃは、６０ＫΩである。なお、抵抗アレイの抵抗数、Ｒｖ＝約５０ＫΩ、Ｒｃ＝６０ＫΩは、他の値をとることもできる。更に、固定抵抗とデジタルポテンションを入れ替えても良い。しかし、固定抵抗（Ｒｃ＝６０ＫΩ）とデジタルポテンション（Ｒｖ＝約５０ＫΩ）を単に入れ替えた構成では、センサアンプの利得が２以上とならないので、この構成でセンサアンプの利得を大きくしたい場合、センサアンプの利得に合わせて固定抵抗を小さくするかデジタルポテンションの抵抗を大きくする。

センサアンプ２の入力電圧Ｉｖと出力電圧Ｏｖとの関係は、

数１

に示すと通りである。この可変利得型アンプの増幅率は、１以上で、ＲｖがＲｃ等しい場合２、ＲｖがＲｃの９倍の抵抗値の場合１０となる。

校正方法は、データロガーに校正する加速度を印加しながら自動校正プログラムを実行させて、センサアンプ２の出力電圧値Ｏｖが校正電圧に合うように、デジタルポテンションの抵抗Ｒｖを２００Ω間隔で自動的に選択して、センサアンプの利得を調整する。例えば、校正する加速度が５０Ｇで、校正電圧が５Ｖで校正すると、デジタルポテンションの抵抗Ｒｖは、大略３ＫΩとなる。なお、校正電圧は、５Ｖに限定されず、０〜１０Ｖの間の任意の電圧に設定されても良い。

データロガーは、図１において表示体が省略されているが、物理量のデジタル表示やデジタルデータの外部機器への出力ができるようになっている。８ビットのＡ／Ｄコンバータの分解能は、２５６である。加速度の測定レンジ（フルスケール）が±５０Ｇの場合、加速度１Ｇを５デジットで表示し、加速度の最小表示単位は、０．２Ｇとなる。また、加速度の測定レンジ（フルスケール）が±１０Ｇの場合、加速度１Ｇを２５デジットで表示し、加速度の最小表示単位は、０．０４Ｇとなる。この場合、加速度１Ｇを１０デジットで表示し、最小表示単位を０．１Ｇとしても良い。

又、加速度センサ１は、圧電抵抗素子をブリッジ状に接続して４つの抵抗値の変化の組み合わせから３次元の加速度を検出する方式や、加速度が小さい場合には静電容量型の加速度計でも良く、加速度計のタイプは特に限定されない。

図２は、加速度を自動校正する方法をフローチャートに示したものである。
以下に説明する自動校正プログラムは、校正する加速度が５０Ｇで、加速度センサの校正を１軸毎に行う場合を、Ｘ軸加速度センサを例に説明する。

加速度の校正は、自動校正プログラムに設定された校正電圧に、５０Ｇの加速度が印加された時のセンサアンプの出力電圧Ｏｖを所定の許容値内に一致させる操作である。校正電圧は、５Ｖ、許容値は、±０．０１Ｖである。

先ず、自動校正の手続きと校正電圧等が入力されている自動校正プログラムをパソコンからデータロガーに入力してＭＣＵ３のフラッシュメモリに記憶させる。次に、Ｘ軸加速度センサの方向が加振装置の加速度方向に一致するように、データロガーを加振装置の加振台にセットし、データロガーの電源をＯＮにする。

加振装置で加速度５０Ｇをデータロガーに印加する。最大加速度として５０Ｇを印加するので、加速度センサ１からの最大出力電圧Ｉｖを計測し保持する。なお、加速度の印加サイクル毎の最大出力電圧Ｉｖを複数回計測してその平均値を保持しても良い。

加速度センサ１の出力電圧Ｉｖをセンサアンプ２に入力し、センサアンプ２の出力電圧Ｏｖを計測し、ＭＣＵ３に入力する。

ＭＣＵ３で校正電圧とセンサアンプ２の出力電圧Ｏｖを比較する。

校正電圧とセンサアンプ２の出力電圧Ｏｖが一致しない場合、出力電圧Ｏｖが校正電圧５Ｖに一致するように、ＭＣＵ３からのＯＵＴ信号６によりデジタルポテンション４のＲｖ値を選択する。引き続き、加速度センサ１の出力電圧Ｉｖをセンサアンプ２に入力し、センサアンプ２の出力電圧Ｏｖを計測し、ＭＣＵ３で校正電圧とセンサアンプ２の出力電圧Ｏｖを比較する。出力電圧Ｏｖが、校正電圧５Ｖに一致するまでこのルーチンを繰り返す。

センサアンプ２の出力電圧Ｏｖが、校正電圧５Ｖに一致した場合、デジタルポテンション４の抵抗値を保持する。その後、加振装置の電源をＯＦＦにし、最後に、データロガーを加振台から取外して、データロガーの電源をＯＦＦにして計画された校正は終了する。

次に、Ｙ軸加速度センサ、Ｚ軸加速度センサの校正を行う。なお、加速度をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に４５度の角度で印加できるようにデータロガーを加振台にセットして、３軸を１回で校正することもできる。

データロガーに、例えば、１０Ｇ、２０Ｇ、５０Ｇ等の複数の測定レンジが設けられている場合、それぞれを個別に校正する他に、自動校正プログラムにそれぞれに対応する校正電圧とそれらを自動選択するプログラムを組み込み、全自動で校正を行うようにしても良い。更に、５０Ｇの増幅率を利用して１０Ｇや２０Ｇの場合のデジタルポテンション４の抵抗値Ｒｖを計算により求めても良い

センサは、加速度センサを例示したが、温度、湿度、圧力、磁場、電場、照度、放射線等のセンサでも良く、物理量以外に酸素濃度等の化学量のセンサでも良い。校正方法は、例えば、温度センサの場合、温度センサを組み込んだデータロガーを恒温槽に入れ、所定時間経過後に自動校正するようにする。他のセンサの場合も同様に自動校正する。また、本発明において、Ａ／Ｄコンバータやデジタルポテンションの高い分解能とは、１６ビット、３２ビット等を指し、１２ビット未満を低い分解能という。

本発明の測定装置とセンサの校正方法は、データロガーに限定されないで、センサと校正回路とＭＣＵを同一筐体に内蔵する測定装置一般に有効である。

本発明の測定装置とセンサの校正方法は、手動で校正することが困難なデータロガーを含む測定装置に広く用いることができる。本発明の測定装置とセンサの校正方法が有効な例を示すと、加振装置に載せると調整作業が不能な一体型の加速度の測定装置の他、人が近寄れない高温の校正をする一体型の温度の測定装置、放射線の被爆のため人が近寄れない一体型の放射線の測定装置、小型の湿度室内では人的校正ができない一体型の湿度の測定装置等である。

本発明になる測定装置のブロック図の１例である。本発明の自動校正方法に関するフローチャートの１例である。

符号の説明

１・・・加速度センサ、２・・・センサアンプ、３・・・ＭＣＵ、４・・・デジタルポテンション、５・・・固定抵抗、６・・・ＯＵＴ信号、７・・・通信部

Claims

センサと校正回路とＭＣＵからなる測定装置において、
上記校正回路がセンサアンプとデジタルポテンションと固定抵抗からなることを特徴とする測定装置。
センサと、校正回路と、ＭＣＵからなる測定装置における上記センサの校正方法において、
自動校正プログラムを上記ＭＣＵに入力する操作と、校正する物理量を上記センサに加えて、センサアンプの出力電圧を上記ＭＣＵに出力する操作と、上記出力電圧と校正電圧を比較する操作と、上記出力電圧が上記校正電圧に一致しない場合、デジタルポテンションの抵抗値を変更する操作と、上記出力電圧が上記校正電圧に一致した場合、上記デジタルポテンションの上記抵抗値を保持する操作からなることを特徴とするセンサの校正方法。