JP2006208122A

JP2006208122A - 振動計測装置

Info

Publication number: JP2006208122A
Application number: JP2005019072A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sakai; 孝坂井; Tomomi Okubo; 智美大久保; Atsushi Saijo; 敦志西條; Toru Sekine; 透関根
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】少ない部品の使用にても、微弱振動から大振動までの計測を可能にし、衝撃振動に対しても故障の少ない簡素な構造の振動計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電型振動センサ１とパソコン１０との間に、センサの検出信号を一定値増幅して出力する高利得回路８と、同検出信号を一定値減衰して出力する低利得回路９とを並列して設け、両回路８、９からの出力信号のうち、パソコン１０のダイナミックレンジの範囲内の信号を選択して取り出すように構成したので、高感度の圧電型振動センサ１を１個使用しただけの単純な構成にもかかわらず、センサ１からの信号を特有の信号処理回路を通すことで、微振動から大振動、衝撃振動までを１つのシステムで計測でき、センサ設置の簡略化、配線取回しの煩雑化が防止できる。また、圧電型振動センサを使用することで機械的な可動部がなく、大きな振動が入力されても故障することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電型振動センサの検出信号を増幅してパソコンに出力する振動計測装置に関する。構造物の微振動から大振動さらには衝撃振動までを計測できる振動計測装置を提供するもので、建築構造物、土木構造物および各種機械にて採用が可能である。

従来から、地盤振動や各種構造物体のヘルスモニタリングに使用する振動計測のレベルは１０^-3〜１０^-5Ｇレベルの微振動で、これらに使用する振動センサとしては、サーボ型の振動センサを利用することが多い。サーボ型の振動センサの欠点としては、微振動計測専用のため約３Ｇ以上の大振動や衝撃振動の計測はその構造上できない。微振動から大振動、衝撃振動を計測する場合、例えば、発破振動計測（多点計測であり、発破地点近傍では衝撃振動であり、発破地点から遠ざかった地点では微弱振動となる）や、橋梁のヘルスモニタリング計測（橋脚の振動を計測するが、川の流れのみによる微弱振動と車両走行中の大振動の両方を計測する）等においては、微弱振動計測用としてサーボ型の振動センサと信号増幅装置が必要であり、大振動、衝撃振動用として圧電型の振動センサと電荷増幅器が必要であった。

これらの発破振動計測や橋梁のヘルスモニタリング計測等における大振動、衝撃振動を計測するための圧電型の振動センサを備える振動計測装置として下記特許文献１および２に開示されたものが提案されている。
特開平１−１６３６２９号公報（特許請求の範囲参照）特開平５−７２２２６号公報（請求項１参照）

前記特許文献１に開示されたものは、図５に示すように、振動加速度検出部１０２で得られた検出信号のレベルに応じて振動加速度を赤から紫までの連続した色に変換するための加速度信号−色信号変換回路１０６と、前記色信号に基づいて物体の振動加速度を色で表示するための表示素子１０４と、前記表示素子１０４を駆動するための表示素子ドライバ１０７と、前記加速度信号−色信号変換回路１０６、表示素子ドライバ１０７および表示素子１０４を駆動するための電源１０５とから構成され、物体１０１の振動加速度の大きさを色で表示するようにしたものである。このような構成により、振動現象の定性的な評価が目視にて容易になされるという効果がある他、検出部１０２、加速度信号−色信号変換回路１０６と表示素子ドライバ１０７とから構成される電子回路１０３、電源１０５および表示素子１０４を１つのセンサとして一体化したので、配線ケーブル等を必要とせず信頼性が向上する。

また、前記特許文献２に開示されたものは、図６に示すように、振動計測装置２１０は、加速度に応じて電荷を検出信号として送出する圧電型加速度ピックアップ２１１と、前記圧電型加速度ピックアップ２１１の前記検出出力信号を速度成分信号に変換する積分回路２１３と、前記積分回路２１３の速度成分信号を増幅する電荷増幅器２１４とを備えるものである。圧電型加速度ピックアップ２１１は、円環状の圧電素子２２１を厚さ方向（矢印Ａ）に分極し、内側面２２２および外側面２２３にそれぞれ電極２２２ａ、２２３ａを設け、その内側に円柱状の質量体２２４を結合するとともに、外側面２２３を底面を閉塞してなるケース２２５の内周面に結合し、これにより、質量体２２４が仮想線で示すような上下動をしたとき、圧電素子２２１の面辿り運動によって、電極２２２ａ、２２３ａ間に出力が取り出される。このような構成によって、圧電型加速度ピックアップ２１１により得られる加速度成分信号を速度成分信号に変換した後、電荷増幅器２１４で増幅するようにしたことにより、特に、衝撃性の振動を測定感度を下げることなく広い測定レンジ幅で測定できることとなった。

しかしながら、このような従来の振動計測装置にあって、前記特許文献１に開示された第１従来例のものおよび特許文献２に開示された第２従来例のものも、いずれも、圧電型の振動センサを備えて、大振動を検出することができるものの、微弱振動をも検出しようとすると、前記微弱振動を検出できるサーボ型の振動センサを追加しなければならず、依然として、２系統の振動計測システムが必要となった。

そこで本発明は、前記従来の振動計測装置における課題を解決して、少ない部品の使用にても、微弱振動から大振動までの計測を可能にし、衝撃振動に対しても故障の少ない簡素な構造の振動計測装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、圧電型振動センサの検出信号を増幅してパソコンに出力する振動計測装置において、前記圧電型振動センサとパソコンとの間に、センサの検出信号を一定値増幅して出力する高利得回路と、同検出信号を一定値減衰して出力する低利得回路とを並列して設け、両回路からの出力信号のうち、パソコンのダイナミックレンジの範囲内の信号を選択して取り出すように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記両回路からの出力信号がともにパソコン内の表示ソフトのダイナミックレンジ内に入るように、高利得回路からの高出力信号および低利得回路からの低出力信号のいずれかを自動的に選択するオートレンジ回路を追加設置したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とする。

本発明によれば、圧電型振動センサの検出信号を増幅してパソコンに出力する振動計測装置において、前記圧電型振動センサとパソコンとの間に、センサの検出信号を一定値増幅して出力する高利得回路と、同検出信号を一定値減衰して出力する低利得回路とを並列して設け、両回路からの出力信号のうち、パソコンのダイナミックレンジの範囲内の信号を選択して取り出すように構成したことにより、高感度の圧電型振動センサを１個使用しただけの単純な構成にもかかわらず、センサからの信号を高利得回路と低利得回路からなる特有の信号処理回路を通すことで、微振動から大振動、衝撃振動までを１つのシステムで計測でき、センサ設置の簡略化、配線取回しの煩雑化が防止できる。また、圧電型振動センサを使用することで機械的な可動部がなく、大きな振動が入力されても故障することがない。

また、前記両回路からの出力信号がともにパソコン内の表示ソフトのダイナミックレンジ内に入るように、高利得回路からの高出力信号および低利得回路からの低出力信号のいずれかを自動的に選択するオートレンジ回路を追加設置した場合は、ダイナミックレンジを外れた信号は自動的に排除され、両方共ダイナミックレンジ内の場合は、予め設定した、例えば出力の大きいほうを自動的に選択するように構成して、適正な出力値をパソコンに送出することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１から図３は本発明の振動計測装置の第１実施例を示すもので、図１（Ａ）は本発明の振動計測装置の基本的なシステム図、図１（Ｂ）は圧電型振動センサの構造図、図２は本発明の振動計測装置の作動例で衝撃振動が入力された場合の例、図３は本発明の振動計測装置の作動例で微弱振動が入力された場合の例、図４は本発明の振動計測装置の第２実施例を示すシステム図である。

本発明の基本的な構成は、図１（Ａ）に示すように、圧電型振動センサ１の検出信号を増幅してパソコン１０に出力する振動計測装置において、前記圧電型振動センサ１とパソコン１０との間に、センサ１の検出信号を一定値増幅して出力する高利得回路８と、同検出信号を一定値減衰して出力する低利得回路９とを並列して設け、両回路８、９からの出力信号のうち、パソコン１０内の表示ソフトにてダイナミックレンジの範囲内の信号を選択して取り出すように構成したことを特徴とする。

図１（Ａ）に示すように、本発明の振動計測装置の基本的なシステムは、高感度の圧電型振動センサ１の出力が並列された高利得回路８と低利得回路９に入力されるように構成される。高利得回路８および低利得回路９のそれぞれに、電荷増幅器１１、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１２、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換器１３および電荷増幅器１４、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１５、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換器１６を備える。高利得回路８では、電荷増幅器１１で２０ｄＢ増幅され、ＨＰＦ１２で１Ｈｚ以上の周波数信号を通過（熱揺らぎ等による低周期の振動をカットする）させて、Ａ／Ｄ変換器１３でデジタル信号に変換してパソコン１０に高利得信号を送出する。

低利得回路９では、電荷増幅器１４で−２０ｄＢ減衰され、ＨＰＦ１５で１Ｈｚ以上の周波数信号を通過（熱揺らぎ等による低周期の振動をカットする）させて、Ａ／Ｄ変換器１６でデジタル信号に変換してパソコン１０に低利得信号を送出する。パソコン１０内では、両利得回路８、９からの出力信号のうち、ダイナミックレンジの範囲内の信号を選択して取り出す。

図１（Ｂ）は圧電型振動センサの構造図である。ベース６の上に設置されたケース１内において、ほぼ中央に支柱３が植立され、該支柱３の周囲に高感度の圧電素子４が配設される。圧電素子４の先端側には錘５が取り付けられている。振動により錘５が上下動ないし左右動し、圧電素子４にて発生した起電力を出力コネクタ７を通じて取りだす。本シスムに使用する圧電型振動センサは、微弱振動から衝撃振動まで計測できるように、高感度にするために、圧電素子自体の感度を電気機械的結合係数の高いものにし、錘５の重量を大きく設定する。

＜衝撃振動の計測＞
図２は本発明の振動計測装置の作動例で衝撃振動が入力された場合の例である。例えば、高感度の圧電型振動センサ１が衝撃振動を受け５０ｄＢの出力がなされた場合、高利得回路８側では、電荷増幅器１１で２０ｄＢ増幅されて、７０ｄＢの出力がＨＰＦ１２で低周波部分がカットされて、Ａ／Ｄ変換器１３に送出される。この場合、信号を受けるＡ／Ｄ変換器１３およびパソコン１０のダイナミックレンジが−５０ｄＢ〜３０ｄＢの場合は、入力オーバーになり計測が不能になる。しかし同時に、低利得回路９側では、圧電型振動センサ１からの５０ｄＢの出力が電荷増幅器１４で−２０ｄＢ減衰されるため、３０ｄＢの出力がパソコン１０に送出される。この値はＡ／Ｄ変換器１３およびパソコン１０のダイナミックレンジの範囲内であるため、こちらの出力で計測が可能となる。したがって、衝撃振動の計測は低利得回路９側で可能となる。

＜微弱振動の計測＞
図３は微弱振動が入力された場合を示すもので、例えば、高感度の圧電型振動センサ１に微弱振動−７０ｄＢの入力がなされた場合、高利得回路８側では、電荷増幅器１１で２０ｄＢ増幅されて、−５０ｄＢの出力がＨＰＦ１２で低周波部分がカットされて、Ａ／Ｄ変換器１３に送出される。この場合、信号を受けるＡ／Ｄ変換器１３およびパソコン１０のダイナミックレンジが−５０ｄＢ〜３０ｄＢの場合は、前記−５０ｄＢの出力値は、Ａ／Ｄ変換器１３およびパソコン１０内のダイナミックレンジの範囲内であるため、高利得回路８側の出力で計測が可能となる。低利得回路９側では、圧電型振動センサ１での微弱振動−７０ｄＢの出力は、電荷増幅器１４で−２０ｄＢ減衰されて−９０ｄＢとなる。この値はＡ／Ｄ変換器１６およびパソコン１０内でのダイナミックレンジの範囲を外れており、計測が不可能となる。したがって、微弱振動の計測は高利得回路８側で可能となる。

＜中程度の振動の計測＞
また、高感度の圧電型振動センサ１が中程度の振動を受けた場合、例えば、１０ｄＢの入力がなされると、高利得回路８側では電荷増幅器１１で２０ｄＢ増幅され、３０ｄＢの出力がＨＰＦ１２で低周波部分がカットされて、Ａ／Ｄ変換器１３に送出される。この場合、信号を受けるＡ／Ｄ変換器１３およびパソコン１０のダイナミックレンジが−５０ｄＢ〜３０ｄＢの場合は、ダイナミックレンジの範囲内であるため、高利得回路８側での計測が可能となる。一方、低利得回路９側にも圧電型振動センサ１からの中程度の振動１０ｄＢが入力されており、電荷増幅器１４で−２０ｄＢ減衰されて−１０ｄＢの出力値がＨＰＦ１５で低周波部分がカットされて、Ａ／Ｄ変換器１６に送出される。この場合、信号を受けるＡ／Ｄ変換器１６およびパソコン１０のダイナミックレンジが−５０ｄＢ〜３０ｄＢの場合は、前記−１０ｄＢの出力値は、Ａ／Ｄ変換器１６およびパソコン１０内のダイナミックレンジの範囲内であるため、低利得回路９側でも計測が可能となる。一般的には、出力の高い高利得回路側を使用するが、いずれの回路にて計測するかは計測者の判断に委ねられる。

図４は本発明の振動計測装置の第２実施例を示すシステム図である。基本的な回路構造は前記第１実施例のものと同様であるが、本実施例では、高利得回路８および低利得回路９とパソコン１０との間にオートレンジ回路１７を設置してシステムを構成した。本実施例ではオートレンジ回路１７を設置することによって、高利得回路８および低利得回路９からの出力信号のいずれを使用するかを選択するものである。オートレンジ回路１７の機能は、Ａ／Ｄ変換器１３、１６およびパソコン１０のダイナミックレンジを外れた信号を自動的に排除する他、両利得回路８、９からの信号がいずれもダイナミックレンジの範囲内にある場合でも、予め設定した、例えば出力の大きい方を自動的に選択するようにされる。このように構成したので、計測者がいずれの回路からの計測値を採用するかを判断する必要がなく、自動的に適正な出力値が得られる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、圧電型振動センサの形状、形式（支柱に対する圧電素子および錘の配列形態、鉛直支柱の他、水平支柱等。また、圧電素子の種類、錘の種類等も適宜選定できる）、高利得回路における電荷増幅器の増幅形態および増幅値、ＨＰＦの低周波カット特性、Ａ／Ｄ変換器の変換形態、低利得回路における電荷増幅器の減衰形態および減衰値、ＨＰＦの低周波カット特性、Ａ／Ｄ変換器の変換形態、パソコンの形状、形式、Ａ／Ｄ変換器およびパソコンにおけるダイナミックレンジ幅、オートレンジ回路の形状、形式および選択形態等については適宜選定できる。実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。

本発明の振動計測装置の第１実施例を示すもので、図１（Ａ）は本発明の振動計測装置の基本的なシステム図、図１（Ｂ）は圧電型振動センサの構造図である。同、本発明の振動計測装置の作動例で衝撃振動が入力された場合の例である。同、本発明の振動計測装置の作動例で微弱振動が入力された場合の例である。本発明の振動計測装置の第２実施例を示すシステム図である。第１従来例のカラー振動センサの説明図である。第２従来例の振動計測装置の説明図である。

符号の説明

１圧電型振動センサ
８高利得回路
９低利得回路
１０パソコン
１１電荷増幅器
１２ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）
１３Ａ／Ｄ変換器
１４電荷増幅器
１５ＨＰＦ
１６Ａ／Ｄ変換器
１７オートレンジ回路

Claims

圧電型振動センサの検出信号を増幅してパソコンに出力する振動計測装置において、前記圧電型振動センサとパソコンとの間に、センサの検出信号を一定値増幅して出力する高利得回路と、同検出信号を一定値減衰して出力する低利得回路とを並列して設け、両回路からの出力信号のうち、パソコンのダイナミックレンジの範囲内の信号を選択して取り出すように構成したことを特徴とする振動計測装置。
前記両回路からの出力信号がともにパソコン内の表示ソフトのダイナミックレンジ内に入るように、高利得回路からの高出力信号および低利得回路からの低出力信号のいずれかを自動的に選択するオートレンジ回路を追加設置したことを特徴とする請求項１に記載された振動計測装置。