JP2007241583A - Mechanical quantity measuring apparatus and method - Google Patents

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裕之 太田
Hiromi Shimazu
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce power consumption simultaneously while realizing low-noise and highly accurate measurement, to reduce a battery exchange service life and to perform drive by the power source of a fine capacity in a wireless distortion sensor capable of measuring vibrations and dynamic distortions. <P>SOLUTION: In the mechanical quantity measuring apparatus, when measuring the dynamic distortion in a wireless distortion sensor module 13, output from a distortion sensor 2 is filtered by a filter 4 and is rectified and smoothed in a rectifying and smoothing circuit, then data processing is performed in a CPU and wireless communication is performed. Thus, since the sampling cycle of a data processing CPU is prolonged and a data amount to be wirelessly communicated is reduced, the power consumption of the CPU and the wireless communication is reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、センサで得た情報を伝送して、力学量の計測を行うシステムに関する。   The present invention relates to a system for measuring mechanical quantities by transmitting information obtained by a sensor.

従来、構造物の寿命評価や異常診断のために動ひずみの計測が行われてきた。橋桁等の構造物では、測定者の容易に近付けない場所での計測も必要となることから、ひずみセンサと送信機から構成されるセンサモジュールを被測定物に取り付け、測定者の近くに受信機と解析装置を置いて、ワイヤレスで測定されることも多い。また、モータやエンジンで駆動して移動する装置などに取り付けて、離れたところから異常監視を行うことも行われている。   Conventionally, dynamic strain has been measured for life evaluation and abnormality diagnosis of structures. For structures such as bridge girders, it is also necessary to perform measurement in a place where the measurer cannot easily approach, so a sensor module consisting of a strain sensor and transmitter is attached to the object to be measured, and the receiver is located near the measurer. It is often measured wirelessly with an analysis device. Moreover, it is also attached to a device that moves by being driven by a motor or an engine, and abnormality monitoring is performed from a remote location.

特開2005−114443号公報JP 2005-114443 A

これらの場合には被測定物近傍に適当な電源線が無く、ひずみセンサと送信機はバッテリで駆動することが多い。動ひずみを測定する場合にはセンサモジュール内のCPU等の制御部や通信部を絶えず動作させる必要があり、バッテリの消耗が激しいという問題があった。例えば、ゆっくりしたひずみの変化を計測するためには、計測の制御装置や通信部等を間欠動作させることによって、バッテリの消耗を防止することができる。しかしながら、比較的速い周期的なひずみの変化や不定期に起こる現象を計測する場合には、ひずみのピーク値を取り逃がさないように、計測の制御装置や通信部等を常に動作させる必要があるためにバッテリの消耗が激しくなる。よってバッテリの取り替えを頻繁に行わなければならない等の問題がある。また同様に、従来はセンサモジュールの消費電力が大きいため、太陽電池等の微小容量電源での駆動が不可能であった。   In these cases, there is no appropriate power line near the object to be measured, and the strain sensor and the transmitter are often driven by a battery. When measuring the dynamic strain, it is necessary to continuously operate a control unit such as a CPU in the sensor module and a communication unit, and there is a problem that the battery is consumed heavily. For example, in order to measure a slow strain change, battery consumption can be prevented by intermittently operating a measurement control device, a communication unit, or the like. However, when measuring relatively fast periodic strain changes or irregular phenomena, it is necessary to always operate the measurement control device, communication unit, etc. so as not to miss the peak value of the strain. As a result, the battery is exhausted. Therefore, there is a problem that the battery needs to be replaced frequently. Similarly, since the power consumption of the sensor module is large in the past, it was impossible to drive with a minute capacity power source such as a solar cell.

よって動ひずみをワイヤレスで測定する場合でも、低消費電力で動作し、バッテリの取り替えの頻度が低いシステムが望まれている。   Therefore, even when dynamic strain is measured wirelessly, a system that operates with low power consumption and has a low frequency of battery replacement is desired.

よって本発明は、前記課題の何れかを抑制することができる動ひずみ計測システムを提供する。特に振動等、周期的で比較的速いひずみ振幅を取得するのに、低消費電力でバッテリの取り替え頻度が低く、太陽電池等の微小容量電源での駆動も可能である動ひずみ計測システムを提供する。   Therefore, the present invention provides a dynamic strain measurement system capable of suppressing any of the above problems. Provided is a dynamic strain measurement system that can be driven by a small-capacity power source such as a solar cell, with low power consumption and low battery replacement frequency to acquire periodic and relatively fast strain amplitude such as vibration. .

上記の課題を解決するために、センサモジュール内にひずみセンサからの出力をフィルタリングするバンドパスもしくはハイパスフィルタを設け、さらに該フィルタからの出力を整流し、平滑化する回路を設け、この平滑化された値を送信機で送信する。これによって、ひずみセンサで得た周期的な動ひずみのうち、特定の周波数帯域、もしくは特定の周波数以上の帯域のみを取り出し、これを整流,平滑化することで、その周波数帯域の振幅の大きさのみを取り出すことができる。ある周波数帯域における周期的な動ひずみを計測する場合には、該動ひずみの振幅に比例した一定の直流電圧が得られるため、センサモジュールが間欠的にセンシングや通信を行った場合でも、精度の高い計測が可能となる。よって間欠通信が可能となるために、バッテリの取り替え頻度を極端に短くすることや、太陽電池等の微小容量電源での駆動が可能となった。なお、以下では力学量センサの代表例であるひずみセンサについて主に説明する。   In order to solve the above problems, a bandpass or high-pass filter for filtering the output from the strain sensor is provided in the sensor module, and a circuit for rectifying and smoothing the output from the filter is provided. Send the value to the transmitter. As a result, out of the periodic dynamic strain obtained by the strain sensor, only a specific frequency band or a band above a specific frequency is extracted, and this is rectified and smoothed to obtain the magnitude of the amplitude of that frequency band. Can only be taken out. When measuring periodic dynamic strain in a certain frequency band, a constant DC voltage proportional to the amplitude of the dynamic strain can be obtained, so even if the sensor module performs intermittent sensing or communication, the accuracy is high. High measurement is possible. Therefore, since intermittent communication is possible, the replacement frequency of the battery can be extremely shortened, and driving with a minute capacity power source such as a solar cell can be performed. In the following, a strain sensor, which is a typical example of a mechanical quantity sensor, will be mainly described.

本発明により、送受信部が送信する計測データを少なくすることができ、電力消費量が特に大きい送受信部の消費量を低減することができる。また、測定に用いるCPU等の消費電力を低減させることができる。これによって、バッテリ消費量を低減し、バッテリ充電や交換回数の低減をする、または、バッテリを小型化してセンサチップを有する力学量測定装置を小型化することができる。   According to the present invention, the measurement data transmitted by the transmission / reception unit can be reduced, and the consumption of the transmission / reception unit having a particularly large power consumption can be reduced. In addition, power consumption of a CPU or the like used for measurement can be reduced. As a result, the battery consumption can be reduced, the number of times of battery charging and replacement can be reduced, or the battery can be miniaturized and the mechanical quantity measuring device having the sensor chip can be miniaturized.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に本発明における動ひずみ計測システムを示す。本実施例では、ほぼ周期的なひずみ変動を持つ構造物や機器に、該計測システムを取り付ける。該システムは、図1に示すように、センサモジュール13に備えられたバッテリ1,ひずみセンサ2,アンプ3,フィルタ4,整流・平滑化部5,A/D変換部6,データ処理部7,送受信部8,受信機
14に備えられた送受信部9,異常診断部10から構成されている。本システムは、その計測仕様等によって、若干はその構成が変更されることがあるが、その場合でも、ひずみセンサ2,フィルタ4,整流・平滑化部5,データ処理部7,送受信部8は必要である。ひずみセンサ2は、従来からひずみゲージとして知られる、フィルム上に薄膜の細線が形成されたものや、圧電素子を用いたものでもよいが、シリコンチップ上にひずみセンサが形成されたものであれば、耐ノイズ性,感度,消費電力低減の観点から最も良い。また、フィルタ4はバンドパスフィルタが望ましいが、用途によっては低周波成分のみをカットするハイパスフィルタでも良い。また、フィルタ4を構成する素子のうち、その幾つかはシリコンチップ外に外付け部品として取り付けられても良い。
FIG. 1 shows a dynamic strain measurement system according to the present invention. In this embodiment, the measurement system is attached to a structure or device having a substantially periodic strain fluctuation. As shown in FIG. 1, the system includes a battery 1, a strain sensor 2, an amplifier 3, a filter 4, a rectification / smoothing unit 5, an A / D conversion unit 6, a data processing unit 7, The transmission / reception unit 8, the transmission / reception unit 9 provided in the receiver 14, and the abnormality diagnosis unit 10 are configured. The configuration of this system may be slightly changed depending on its measurement specifications, etc. Even in this case, the strain sensor 2, filter 4, rectification / smoothing unit 5, data processing unit 7, and transmission / reception unit 8 is necessary. The strain sensor 2 may be a strain gauge conventionally known as a strain gauge, in which a thin thin wire is formed on a film, or a piezoelectric element. However, as long as the strain sensor is formed on a silicon chip. Best in terms of noise resistance, sensitivity, and power consumption reduction. The filter 4 is preferably a band pass filter, but may be a high pass filter that cuts only low frequency components depending on the application. Some of the elements constituting the filter 4 may be attached as external components outside the silicon chip.

被測定物のひずみは、比測定物の表面や内部に設けられた該ひずみセンサ2によって電気的信号としてセンシングされる。該センシングデータはアンプ3で増幅された後、フィルタ4によって特定周波数領域の信号だけ取り出される。さらに整流・平滑化部5によって、該動ひずみの振幅に比例した一定の直流電圧を得る。この値をA/D変換部6によってデジタル化し、このデジタル値をデータ処理部7と送受信部8で間欠的に送信する。なお、A/D変換部6とデータ処理部7は、市販の1チップCPUを用いても良く、その場合には消費電力をより小さく出来るという利点が生じる。   The strain of the object to be measured is sensed as an electrical signal by the strain sensor 2 provided on the surface or inside of the specific measurement object. The sensing data is amplified by the amplifier 3 and then only a signal in a specific frequency region is extracted by the filter 4. Further, the rectifying / smoothing unit 5 obtains a constant DC voltage proportional to the amplitude of the dynamic strain. This value is digitized by the A / D conversion unit 6, and this digital value is intermittently transmitted by the data processing unit 7 and the transmission / reception unit 8. The A / D conversion unit 6 and the data processing unit 7 may use a commercially available one-chip CPU. In this case, there is an advantage that power consumption can be further reduced.

ここで、本発明との比較を行うために、図2を用いて従来のシステムの詳細を説明する。従来は、ひずみセンサ2からの出力はアンプ3を通してA/D変換部6に入力され、
CPU等のデータ処理部7と受送信部8の連携によりほぼ連続的に動作していた。すなわち、比較的高周波の動ひずみを計測する場合には、ほぼ常時、CPU等のデータ処理部7を動作させて、細かい波形全体の計測を行わないと高精度な測定は不可能となる。例えば、図3に示すように周期的な高周波ひずみ振幅を計測しようとする場合において、間欠的なセンシングを行うと、ピーク位置がセンシング出来ない場合があるため、正確にひずみ振幅を求めることが出来ない。そこでひずみの変化を正確にトレースするようにセンシングする必要があり、そのためにはひずみセンサ2とCPU等のA/D変換部6やデータ処理部7をほぼ常時動かして、ひずみ波形を詳細に取得することが必須となる。このようにCPU等のA/D変換部6やデータ処理部7やひずみセンサ2を常時動かすためにバッテリの消耗が早く、バッテリの早期交換を余儀なくされてきた。さらに常時センシングしたデータはセンサモジュール13内で蓄積、もしくは処理しようとしても限界があるために、外部に頻繁に送信し、受信機14内でFFT(Fast Fourier Transform)解析部11によって周波数分析を行う必要がある。このように、通信を頻繁に行うことによってさらにバッテリの消耗が早くなり、バッテリの早期交換を余儀なくされてきた。
Here, for comparison with the present invention, details of the conventional system will be described with reference to FIG. Conventionally, the output from the strain sensor 2 is input to the A / D converter 6 through the amplifier 3,
The data processing unit 7 such as a CPU and the transmission / reception unit 8 operate almost continuously. That is, when relatively high frequency dynamic strain is measured, highly accurate measurement is impossible unless the data processing unit 7 such as a CPU is operated almost always to measure the entire fine waveform. For example, as shown in FIG. 3, when the periodic high-frequency distortion amplitude is to be measured, if intermittent sensing is performed, the peak position may not be detected, so the distortion amplitude can be accurately obtained. Absent. Therefore, it is necessary to perform sensing so as to accurately trace the change in strain. For this purpose, the strain sensor 2 and the A / D conversion unit 6 such as the CPU and the data processing unit 7 are almost always moved to acquire the strain waveform in detail. It is essential to do. As described above, since the A / D conversion unit 6 such as the CPU, the data processing unit 7 and the strain sensor 2 are constantly operated, the battery is consumed quickly, and the battery must be replaced early. Further, since the constantly sensed data has a limit even if it is stored or processed in the sensor module 13, it is frequently transmitted to the outside, and the FFT (Fast Fourier Transform) analysis unit 11 performs frequency analysis in the receiver 14. There is a need. In this way, frequent communication has led to further battery consumption and forced replacement of the battery at an early stage.

よって従来のシステムでは、高精度な計測と低消費電力なセンシングを両立させることが難しかった。   Therefore, it has been difficult for conventional systems to achieve both high-precision measurement and sensing with low power consumption.

これに対して本実施例では、フィルタ4と整流・平滑化部5によって、ひずみ振幅に比例した直流信号に変換できるので、ある短時間だけCPU等のA/D変換部6やデータ処理部7を動かすだけで、ひずみ振幅の値を直流値として得ることが出来る。よって、ひずみ振幅の測定精度はCPU等のA/D変換部6のサンプリング周期の影響を受け難く、間欠的にセンシングを行った場合においても高精度にひずみ振幅の情報を得ることが可能となる。すなわち従来のようにひずみ値の時々刻々の変化をすべてセンシングして、その膨大なデータを送信するのではなく、本実施例ではひずみ振幅の値のみをCPU等のA/D変換部6やデータ処理部7で間欠的に扱ってRAM等の記憶手段(図示せず)に記録し、記憶手段に蓄えたデータを送受信部8で間欠的に通信できるので、データ処理や通信に必要なエネルギも少なくて済むという利点がある。すなわち、従来と比較して、CPUや通信部で取り扱う情報量が非常に小さくなるので、結果的にセンサモジュールの消費電力を非常に小さく出来、バッテリの長寿命化を可能とすることができる。さらに、ひずみセンサ2の直後でフィルタリング処理や整流・平滑化処理をしているために、ノイズに強いという利点も生じる。さらに本実施例では、FFT解析を受信側で行う必要が無いので、受信機14もコンパクトに出来るという利点が生じる。   On the other hand, in the present embodiment, the filter 4 and the rectifying / smoothing unit 5 can convert the signal into a DC signal proportional to the distortion amplitude, so that the A / D conversion unit 6 such as the CPU or the data processing unit 7 is only for a short time. The value of the strain amplitude can be obtained as a DC value simply by moving. Therefore, the measurement accuracy of the distortion amplitude is hardly affected by the sampling period of the A / D conversion unit 6 such as a CPU, and it is possible to obtain the distortion amplitude information with high accuracy even when intermittent sensing is performed. . That is, instead of sensing every momentary change of the strain value and transmitting the enormous amount of data as in the prior art, in this embodiment, only the value of the strain amplitude is stored in the A / D converter 6 such as the CPU or the data. Since the processing unit 7 can handle the data intermittently and record it in a storage means (not shown) such as a RAM, and the data stored in the storage means can be intermittently communicated by the transmission / reception unit 8, the energy required for data processing and communication is also reduced. There is an advantage that less. That is, since the amount of information handled by the CPU and the communication unit is very small compared to the conventional case, the power consumption of the sensor module can be extremely reduced as a result, and the battery life can be extended. Furthermore, since filtering processing and rectification / smoothing processing are performed immediately after the strain sensor 2, an advantage of being resistant to noise also occurs. Furthermore, in this embodiment, since it is not necessary to perform FFT analysis on the receiving side, there is an advantage that the receiver 14 can be made compact.

なお本実施例では、送受信はワイヤレスで行っているが、有線で送受信をおこなっても、ノイズに強いという利点がある。また、バッテリのような電力供給手段としては、電池,充電電池,キャパシタ,コンデンサ等内部に電力を蓄えるものがあり、太陽光や振動で発電する発電手段を設けてもよい。いずれでも、消費電力低減による電力供給手段の長寿命化やコンパクト化の効果がある。   In this embodiment, transmission / reception is performed wirelessly, but even if transmission / reception is performed by wire, there is an advantage that it is resistant to noise. Moreover, as a power supply means such as a battery, there is a battery, a rechargeable battery, a capacitor, a capacitor, or the like that stores electric power inside, and a power generation means that generates power by sunlight or vibration may be provided. In any case, there is an effect of extending the life of the power supply means and reducing the size by reducing power consumption.

図4には、本システムの実装形態を示す。被測定物20表面近傍にひずみセンサ2が接着,接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、その近傍にアンプ3,フィルタ4,整流・平滑化部5,A/D変換部6,データ処理部7,送受信部8,バッテリ1を有し、これらを容器21が覆っている。被測定物20に発生するひずみが大きい場合にはこのような実装方法が望ましい。本実施例によれば、センサモジュール13の消費電流が小さくできるため、バッテリ1も小型で済み、全体的に場所を取らないで設置できるという利点が生じる。ひずみの変化の最も大きい場所は角部等の応力集中箇所であることが多く、システムが小型に出来るため、角部等の狭い場所にも設置することができるという利点が生じる。   FIG. 4 shows an implementation of this system. A strain sensor 2 is provided in the vicinity of the surface of the object 20 to be measured by any method of adhesion, bonding, or embedding, and in the vicinity thereof, an amplifier 3, a filter 4, a rectifying / smoothing unit 5, and an A / D conversion unit 6 are provided. , Data processing unit 7, transmission / reception unit 8, and battery 1, which are covered by a container 21. Such a mounting method is desirable when the strain generated in the DUT 20 is large. According to the present embodiment, since the current consumption of the sensor module 13 can be reduced, the battery 1 can be also small, and there is an advantage that it can be installed without taking up space as a whole. The place where the strain change is greatest is often a stress concentration place such as a corner, and the system can be made compact, so that it can be installed in a narrow place such as a corner.

さらに図5には微小振動を計測するのに適したシステムの実装形態を示す。本実施例では、被測定物20の振動を計測するために、被測定物20に接触して、取り付け部24が接着,接合,埋め込み、の何れかの手法で設けられており、バネ様物質23にその振動が伝達される。バネ様物質は、例えばつる巻き状のバネ,板バネや弾性物質等であり、被測定物20や半導体チップ15よりもバネ剛性の低い物体である。バネ様物質23では、バネ様物質23より密度の大きい重量物質22に接続されていることから、重量物質22の慣性力が働くために、振動が大きなひずみに変換される。バネ様物質23表面近傍にはひずみセンサ2が接着,接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、バネ様物質23のひずみの変化を捉えることで振動を検知する。本実施例によれば、微小振動を大きな振動に変換してからひずみセンサ2で検出し、センサモジュール13の消費電流が小さくできるため、バッテリ1も小型で済み、全体的に場所を取らないで設置できるという利点が生じる。   Further, FIG. 5 shows a system implementation suitable for measuring minute vibrations. In the present embodiment, in order to measure the vibration of the object to be measured 20, the attachment portion 24 is provided by any one of adhesion, bonding, and embedding in contact with the object to be measured 20, and the spring-like substance. The vibration is transmitted to 23. The spring-like substance is, for example, a helical spring, a leaf spring, an elastic substance, or the like, and is an object having lower spring rigidity than the object to be measured 20 or the semiconductor chip 15. Since the spring-like material 23 is connected to the heavy material 22 having a density higher than that of the spring-like material 23, the inertial force of the heavy material 22 acts, so that the vibration is converted into a large strain. A strain sensor 2 is provided in the vicinity of the surface of the spring-like material 23 by any one of adhesion, bonding, or embedding methods, and vibrations are detected by detecting changes in the strain of the spring-like material 23. According to the present embodiment, since the minute vibration is converted into a large vibration and detected by the strain sensor 2 and the current consumption of the sensor module 13 can be reduced, the battery 1 is also small, and the whole space is saved. The advantage is that it can be installed.

被測定物20として、モータやエンジンを具備した装置を考えると、そのモータやエンジンに固有の振動周波数をセンシングできるようにフィルタ4の遮断周波数や中心周波数を決定しておくことにより、モータやエンジンの異常検知が可能になるという利点がある。すなわち、モータやエンジンの異常時には、発生する振動周波数が変化することから、本システムにおいて計測するひずみ振幅の値が変化するため、本システムのセンシングデータを受信することで、異常を検知することが可能となる。従来では加速度計やひずみセンサからの信号をワイヤレス電送した後に、FFT解析等により分析するという複雑な処理が必要であったが、本システムを用いれば簡単な処理で済むため低消費電力で小型なシステムを実現できるという利点が生じる。   Considering a device equipped with a motor or engine as the object to be measured 20, the cutoff frequency or center frequency of the filter 4 is determined so that the vibration frequency inherent to the motor or engine can be sensed. There is an advantage that anomaly detection becomes possible. In other words, when the motor or engine is abnormal, the vibration frequency generated changes, so the value of the strain amplitude measured in this system changes. Therefore, it is possible to detect the abnormality by receiving the sensing data of this system. It becomes possible. Conventionally, a complicated process of analyzing the signal from an accelerometer or strain sensor by wireless transmission and then analyzing it by FFT analysis or the like was necessary. The advantage is that the system can be realized.

なお、図4と図5においては、各回路要素2〜8を積み上げるようにして実装する場合を示したが、1つのボードに実装しても良いし、各要素が接続されていれば良い。   4 and 5 show the case where the circuit elements 2 to 8 are mounted so as to be stacked, the circuit elements may be mounted on one board or connected to each other.

<複数フィルタ>
図6には、フィルタ4a,4bを複数設けた実施例を示す。本実施例では、フィルタの遮断周波数や中心周波数を変えたフィルタ4a,4bを複数設けてあり、フィルタ4aの出力を整流・平滑化手段5aが整流・平滑化し、フィルタ4bの出力を整流・平滑化手段5bが整流・平滑化する。本実施例によれば、各種の周波数ひずみ変動が混在したセンシングデータから、特定の周波数帯域のひずみ変動を取り出して、そのひずみ振幅を直流信号で得られ、かつその周波数を変えた場合のひずみ振幅の値を送信することができる。すなわち、実施例1のCPUや通信部で取り扱う情報量が非常に小さくなるので、結果的にセンサモジュールの消費電力を非常に小さく出来、バッテリの長寿命化を可能とすることができるという利点を備え、かつ複数の周波数域のひずみ振幅を測定して、より複雑で高精度な測定を行うことができるという利点を本実施例では有する。
<Multiple filters>
FIG. 6 shows an embodiment in which a plurality of filters 4a and 4b are provided. In this embodiment, a plurality of filters 4a and 4b having different filter cutoff frequencies and center frequencies are provided, and the output of the filter 4a is rectified and smoothed by the rectifying / smoothing means 5a, and the output of the filter 4b is rectified and smoothed. The rectifying means 5b rectifies and smoothes. According to the present embodiment, distortion data in a specific frequency band is extracted from sensing data in which various frequency distortion fluctuations are mixed, and the distortion amplitude obtained when the distortion amplitude is obtained with a DC signal and the frequency is changed. Value can be sent. That is, since the amount of information handled by the CPU and the communication unit of the first embodiment is very small, the power consumption of the sensor module can be extremely reduced as a result, and the battery life can be extended. This embodiment has an advantage that more complex and highly accurate measurement can be performed by measuring strain amplitudes in a plurality of frequency ranges.

なお、図7に示すように、フィルタ4の遮断周波数や中心周波数をスイッチで切り替えられるようにして、単一のフィルタ4で複数の周波数域の振動を取り出すようにしても良い。具体的にはフィルタ4を構成する抵抗(図示せず)の値やコンデンサ(図示せず)の容量をスイッチ12で切り替えても良い。この場合にはフィルタ4が1つで済むので、消費電力が低減できるという利点,装置を小型化できるという利点、予め固有振動数等の測定したい周波数がいくつか決まっている場合に、柔軟にその周波数だけ選択して測定することが出来、他の周波数領域まで測定しなくても良い分、エネルギ消費量を減少させることが出来るという利点等が生じる。また、一つのフィルタ4で、多くの周波数帯域を測定することができるので、木目細やかな測定を行うことができる。   As shown in FIG. 7, the cutoff frequency and the center frequency of the filter 4 may be switched by a switch, and vibrations in a plurality of frequency ranges may be extracted by the single filter 4. Specifically, the value of a resistor (not shown) or the capacitance of a capacitor (not shown) constituting the filter 4 may be switched by the switch 12. In this case, since only one filter 4 is required, the advantage that the power consumption can be reduced, the advantage that the device can be reduced in size, and when several frequencies to be measured such as the natural frequency are determined in advance are flexible. Only the frequency can be selected and measured, and there is an advantage that the energy consumption can be reduced as much as it is not necessary to measure up to another frequency region. In addition, since a large number of frequency bands can be measured with a single filter 4, detailed measurement can be performed.

フィルタ4が測定を行う周波数は、あらかじめセンサモジュール13内のROMやRAM等に記憶された周波数帯域に従って順番に切り替えても良い。この場合、ある周波数帯域を所定の時間,ひずみ測定を行った後、周波数域を変更し、別の周波数域のひずみ測定を行う。また、受信機14を操作し、受信機14からセンサモジュール13に指令を送信してフィルタ4の周波数域を変更しても良い。   The frequency at which the filter 4 performs measurement may be switched in order according to a frequency band stored in advance in a ROM or RAM in the sensor module 13. In this case, after performing distortion measurement for a certain frequency band for a predetermined time, the frequency band is changed and distortion measurement for another frequency band is performed. Further, the frequency range of the filter 4 may be changed by operating the receiver 14 and transmitting a command from the receiver 14 to the sensor module 13.

図8には、半導体チップ15上にひずみセンサ2,アンプ3,フィルタ4,整流・平滑化部5を形成した実施例を示す。ひずみの変化をひずみセンサ2で計測し、アンプ3で増幅し、その値をフィルタ4においてフィルタリングし、これを整流・平滑化部5で直流化した後にパッド16に出力する。フィルタ4はバンドパスフィルタでも良いし、ハイパスフィルタでも良い。また、フィルタ4の後段にアンプ(図示せず)を設けても良いし、整流・平滑下部5の後段にアンプを設けても良い。システムの用途と入力されるひずみ信号レベルに応じて、アンプは必要な箇所に設けられるのが望ましい。   FIG. 8 shows an embodiment in which a strain sensor 2, an amplifier 3, a filter 4 and a rectifying / smoothing unit 5 are formed on a semiconductor chip 15. The change in strain is measured by the strain sensor 2, amplified by the amplifier 3, the value is filtered by the filter 4, converted into direct current by the rectifying / smoothing unit 5, and then output to the pad 16. The filter 4 may be a band pass filter or a high pass filter. Further, an amplifier (not shown) may be provided after the filter 4, or an amplifier may be provided after the rectifying / smoothing lower part 5. It is desirable that the amplifier is provided at a necessary position according to the system application and the input distortion signal level.

フィルタ4がバンドパスフィルタである場合には、その周波数帯域の信号のみを取り出すことが出来ることから、固有振動数等の測定したい振動数が明確である場合に非常に有効である。測定したい振動数のひずみ振幅の増減で、異常検知が可能である。また、ハイパスフィルタである場合には、明確な振動数は決まっていないが、異常時に高周波振動が増えることが明らかになっているモータやエンジン等の場合に適し、高周波振動の増減で機器の状態を把握するのに好適である。   When the filter 4 is a band-pass filter, only a signal in the frequency band can be taken out, which is very effective when the frequency to be measured such as the natural frequency is clear. Abnormality can be detected by increasing or decreasing the strain amplitude of the frequency to be measured. In addition, in the case of a high-pass filter, a clear frequency is not determined, but it is suitable for motors and engines that are known to increase high-frequency vibration in the event of an abnormality. It is suitable for grasping.

本実施例におけるひずみセンサ2としては、半導体基板表面に局所的に不純物拡散層を設けたものを用いる。これによって半導体基板上にトランジスタやダイオード等の素子と該ひずみセンサを混載でき、ほぼ同じ製造プロセスで作成できることから、高感度,低消費電力とノイズ耐性を両立させることができる。すなわち、微小な高周波ひずみを検知したい場合に、高感度なひずみセンサ2で微小なひずみの変化を検知し、同じ半導体基板上でアンプ3を用いてノイズが最小になるように信号を増幅し、同じ半導体基板上のフィルタ4で目的となる周波数帯域の信号だけ選別できる。ひずみセンサ2とアンプ3が別チップになっている場合には、ここでノイズが入りやすく、フィルタ4でフィルタリングしてもノイズを拾うことになりかねない。また、アンプ3とフィルタ4が別チップになっている場合、およびフィルタ4と整流・平滑化部5が別チップになっている場合のいずれかでも、実際上前段のアンプ3の倍率を高く出来ないことから、ノイズが混入しやすく高精度な計測が実現出来ない。すなわち、ひずみセンサ2、アンプ3,フィルタ4,整流・平滑化部5までの回路を1つの半導体基板上に構成して半導体チップ15とすることではじめて、微小なひずみ変化を計測する場合においても十分なノイズ耐性を有し、高精度な動ひずみ計測が可能なシステムとすることが出来る。   As the strain sensor 2 in the present embodiment, a strain sensor in which an impurity diffusion layer is locally provided on the surface of the semiconductor substrate is used. As a result, an element such as a transistor or a diode and the strain sensor can be mixedly mounted on a semiconductor substrate and can be produced by substantially the same manufacturing process, so that both high sensitivity, low power consumption and noise resistance can be achieved. That is, when a minute high-frequency distortion is to be detected, a high-sensitivity strain sensor 2 detects a minute strain change and amplifies the signal to minimize noise using the amplifier 3 on the same semiconductor substrate. Only the signal in the target frequency band can be selected by the filter 4 on the same semiconductor substrate. When the strain sensor 2 and the amplifier 3 are separate chips, noise easily enters here, and even if the filter 4 is used for filtering, the noise may be picked up. In addition, in either case where the amplifier 3 and the filter 4 are separate chips, or where the filter 4 and the rectifying / smoothing unit 5 are separate chips, the magnification of the amplifier 3 in the previous stage can be increased. Because it is not, noise is likely to be mixed in and high-precision measurement cannot be realized. That is, even when measuring a small strain change only by configuring the circuit from the strain sensor 2, the amplifier 3, the filter 4, and the rectifying / smoothing unit 5 on one semiconductor substrate as the semiconductor chip 15. A system that has sufficient noise resistance and can measure dynamic strain with high accuracy can be obtained.

本チップを用いることにより、基板ボード上に各種の電子パーツを混載してはんだ付けした場合に比べて、各種の利点が生じる。本実施例では、半導体基板から構成される半導体チップ15上に各種の電子回路と微小なひずみセンサを形成しているので、外部ノイズの混入が少なく、耐ノイズ性に優れるという利点がある。よって、微小なひずみ信号でも高精度に測定が可能であり、高精度な動ひずみ計測や異常診断が可能となる。また、回路を形成する各素子が低消費電力で動作するので、全体としてセンサモジュール13の消費電力を低減することが出来、さらにバッテリの消耗を抑えることが出来るという利点がある。さらに、1チップ化することで小型化が図れることから、応力集中場等の微小部のひずみ計測にも適用できるようになるという利点も生じる。   By using this chip, there are various advantages compared to the case where various electronic parts are mixedly mounted on the board and soldered. In this embodiment, since various electronic circuits and a minute strain sensor are formed on a semiconductor chip 15 formed of a semiconductor substrate, there is an advantage that external noise is less mixed and noise resistance is excellent. Therefore, even a minute strain signal can be measured with high accuracy, and dynamic strain measurement and abnormality diagnosis can be performed with high accuracy. Further, since each element forming the circuit operates with low power consumption, there is an advantage that the power consumption of the sensor module 13 can be reduced as a whole, and further, battery consumption can be suppressed. Furthermore, since the size can be reduced by using one chip, there is an advantage that it can be applied to strain measurement of a minute portion such as a stress concentration field.

なお、比較的低周波領域を遮断周波数とするフィルタを用いる場合には、半導体チップ15に外付けするコンデンサや抵抗が必要になる場合もあるが、その場でも上記と同様な利点がある。   Note that when a filter having a cut-off frequency in a relatively low frequency region is used, a capacitor or a resistor externally attached to the semiconductor chip 15 may be required, but there are advantages similar to the above even on the spot.

図9には、半導体チップ15上に複数チャンネルのフィルタ4を設けた例を示したものである。この場合にはフィルタ4の遮断周波数や中心周波数をそれぞれ異なるものに設定し、フィルタリングした各出力は異なるパッド16から出力される。本発明の実施例1のフィルタを複数設けた場合と同様な利点がある。さらに本実施例では、1チップに全ての回路を形成しているので、複数チャンネル設けても消費電力の増加が抑えられるという利点がある。さらに複数チャンネル設けても、装置が大型化することがないという利点がある。また、チャンネル数を多数設けることで、半導体チップ15上でFFT解析と同様な機能を持たせることが可能となる。すなわち、周波数ごとの振動強度やひずみ強度を半導体チップ15上の複数のパッド16からそれぞれ出力することが可能となる。この出力を別に設けたA/D変換部6,データ処理部7,送受信部8に接続することで、チャネル毎の振動強度やひずみ強度を送信することが出来る。これにより実際のひずみ波形をそのまま高速に送信する場合と比較してデータの情報量を少なくすることが出来、通信に要するエネルギを小さくすることが可能である。また、受信側でFFT処理を行わなくても良いために、受信側の装置が、例えば低速CPUを用いた携帯端末等の限られたデータ処理機能を持つものでもよいという利点も生じる。   FIG. 9 shows an example in which a plurality of channels of filters 4 are provided on the semiconductor chip 15. In this case, the cutoff frequency and the center frequency of the filter 4 are set to be different from each other, and each filtered output is output from a different pad 16. Advantages similar to those obtained when a plurality of filters according to the first embodiment of the present invention are provided. Furthermore, since all the circuits are formed on one chip in this embodiment, there is an advantage that an increase in power consumption can be suppressed even if a plurality of channels are provided. Furthermore, even if a plurality of channels are provided, there is an advantage that the apparatus does not increase in size. Also, by providing a large number of channels, it is possible to provide the same function as FFT analysis on the semiconductor chip 15. That is, it is possible to output vibration intensity and strain intensity for each frequency from the plurality of pads 16 on the semiconductor chip 15. By connecting this output to an A / D conversion unit 6, a data processing unit 7 and a transmission / reception unit 8 provided separately, vibration intensity and strain intensity for each channel can be transmitted. As a result, the amount of data information can be reduced compared to the case where an actual distortion waveform is transmitted at high speed as it is, and the energy required for communication can be reduced. Further, since it is not necessary to perform FFT processing on the receiving side, there is an advantage that the receiving side device may have a limited data processing function such as a portable terminal using a low-speed CPU.

図10には、フィルタ4は1種類であるが、スイッチを用いてその遮断周波数もしくは中心周波数を変更できる機能を持った半導体チップ15を示す。具体的にはフィルタ4に付随するコンデンサ容量や抵抗をスイッチで切り替える、もしくは可変にすることで、任意の周波数を選択し、そのひずみ強度や振動強度を計測するものである。本方法は、図8に示した実施例に比べて回路が簡単になる、より低消費電力で動作させることができるというメリットがある。   FIG. 10 shows a semiconductor chip 15 having a function of changing the cut-off frequency or the center frequency by using a switch, although the filter 4 is of one type. Specifically, the capacitor capacity and resistance associated with the filter 4 are switched by a switch or made variable so that an arbitrary frequency is selected and its strain intensity and vibration intensity are measured. This method has an advantage that the circuit is simpler than that of the embodiment shown in FIG. 8 and can be operated with lower power consumption.

図11は半導体チップ15上にひずみセンサ2,アンプ3,フィルタ4,整流・平滑化部5,CPU17を形成した実施例を示す。図8に示した実施例の利点に加え、さらに低消費電力化が図れるというメリットがある。すなわち、図8に示した実施例では、整流・平滑化部5からA/D変換部6の間にアンプが必要な場合が多かったが、図11に示すシステムでは半導体チップ15上に全て混載できることから、アンプの数を減らすことが出来、その分だけ消費電力を低減することが出来る。   FIG. 11 shows an embodiment in which a strain sensor 2, an amplifier 3, a filter 4, a rectifying / smoothing unit 5, and a CPU 17 are formed on a semiconductor chip 15. In addition to the advantage of the embodiment shown in FIG. 8, there is a merit that the power consumption can be further reduced. That is, in the embodiment shown in FIG. 8, an amplifier is often required between the rectifying / smoothing unit 5 and the A / D conversion unit 6, but in the system shown in FIG. As a result, the number of amplifiers can be reduced, and power consumption can be reduced accordingly.

図12には本システムの実装形態を示す。被測定物20表面近傍に半導体チップ15が接着,接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、その近傍に半導体チップ15,A/D変換部6,データ処理部7,送受信部8,バッテリ1を有し、これらを容器21が覆っている。図4で説明した事項と同様な利点があるが、さらに半導体チップ
15を用いたことでコンパクト,低消費電力となるというメリットが生じる。さらに図
13には微小振動を計測するのに適した実装形態を示す。これも図5で説明したのと同様なメリットがあるが、さらに半導体チップ15を用いたことでコンパクト,低消費電力となるというメリットが生じる。
FIG. 12 shows an implementation of this system. A semiconductor chip 15 is provided in the vicinity of the surface of the object 20 to be measured by any method of adhesion, bonding, or embedding, and in the vicinity thereof, the semiconductor chip 15, the A / D conversion unit 6, the data processing unit 7, and the transmission / reception unit 8 The battery 21 is covered with a container 21. Although there are advantages similar to those described with reference to FIG. 4, the use of the semiconductor chip 15 has the advantage of being compact and having low power consumption. Further, FIG. 13 shows a mounting form suitable for measuring minute vibrations. This also has the same merit as that described with reference to FIG. 5. However, the use of the semiconductor chip 15 has the merit of being compact and having low power consumption.

なお、図12と図13においては、各回路要素を積み上げるようにして実装する場合を示したが、半導体チップ15以外は1つのボードに実装しても良いし、各要素が接続されていれば良い。半導体チップ15はひずみを測定する箇所であるので、他の部材から拘束されることのないように配置するのが望ましい。   12 and 13 show the case where each circuit element is mounted so as to be stacked, but other than the semiconductor chip 15 may be mounted on one board, and if each element is connected. good. Since the semiconductor chip 15 is a place where strain is measured, it is desirable that the semiconductor chip 15 be arranged so as not to be restrained by other members.

以下では、0.1Hz から10Hz程度の中程度の変化速度を持つ動ひずみを計測し、その計測値から寿命評価を行うという用途についての実施例を示す。図14にシステム構成を示す。図4または図5に示すものと同様に、被測定物20表面近傍にひずみセンサ2が接着,接合、もしくは埋め込みの何れかの方法で設けられており、その近傍にアンプ3,A/D変換部6,ひずみ頻度解析部18,送受信部8,バッテリ1を有し、容器21がこれらを覆っている。通常、被測定物20のひずみをひずみセンサ2で計測し、アンプ3でこれを増幅し、さらにA/D変換部6でデジタルデータに変換する。そして一定時間内に観察されたひずみ振幅を、その大きさに応じて分類し、頻度分布としてひずみ頻度解析部18にてカウントする。この、ひずみレベルと頻度分布の組み合わせを、送受信部8から送信する。A/D変換部6,ひずみ頻度解析部18はCPUとして1つのデバイスであることが望ましい。   Below, the Example about the use which measures the dynamic strain with the moderate change rate of about 0.1 Hz to about 10 Hz, and performs lifetime evaluation from the measured value is shown. FIG. 14 shows the system configuration. Similar to the one shown in FIG. 4 or FIG. 5, the strain sensor 2 is provided in the vicinity of the surface of the object to be measured 20 by any method of adhesion, bonding, or embedding, and the amplifier 3, A / D conversion is provided in the vicinity thereof. Unit 6, strain frequency analysis unit 18, transmission / reception unit 8, and battery 1, and container 21 covers them. Usually, the strain of the device under test 20 is measured by the strain sensor 2, amplified by the amplifier 3, and further converted into digital data by the A / D converter 6. Then, the strain amplitudes observed within a certain period of time are classified according to their magnitudes and counted as a frequency distribution by the strain frequency analysis unit 18. The combination of the strain level and the frequency distribution is transmitted from the transmission / reception unit 8. The A / D conversion unit 6 and the strain frequency analysis unit 18 are preferably a single device as a CPU.

このような寿命評価を行うためのシステム自体は、例えば特開2002−357487号公報に記載されているように、バッテリ消費量の低減が課題となっている。すなわち、このような中速の動ひずみを計測して、頻度分布を得るには、A/D変換部やCPUを常時動かしておく必要があり、そのためにバッテリ1の消耗が激しいという問題があった。   A system for performing such life evaluation itself has a problem of reducing battery consumption, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-357487. That is, in order to measure such a medium-speed dynamic strain and obtain a frequency distribution, it is necessary to always operate the A / D conversion unit and the CPU. It was.

さらに該システムは中程度の変化速度を持つひずみを専用で計測するシステムであったが、該システムで計測できない高速の動ひずみ変化によって構造物の異常が見つかる実例も出てきている。すなわち、高周波の範囲のひずみ変化と中程度のひずみ変化を持つ場合の両者を計測する必要が出てきた。   Furthermore, the system is a system that measures strain with a medium change rate exclusively. However, there is an example in which an abnormality of a structure is found by a high-speed dynamic strain change that cannot be measured by the system. In other words, it has become necessary to measure both the strain change in the high frequency range and the case of moderate strain change.

図15には、この課題を解決した本発明の実施例を示す。ひずみセンサ2からの出力はアンプ3で増幅され、一方はフィルタ4を通り、整流・平滑化部5に接続される。他のアンプ3からの出力は、ローパスフィルタ26を通り、そのままA/D変換部6に接続される。また、用途によってはローパスフィルタ26が不要である場合もある。フィルタ4はバンドパスフィルタかハイパスフィルタが望ましい。本実施例によれば、高周波の範囲のひずみ変化は、フィルタ4により取り出し、整流・平滑化部5によって直流化してからA/D変換してデータ処理部7で間欠的に計測することができる一方で、低速度から中速度域のひずみ変化に対するひずみ計測は、比較的測定頻度が少なくて済むので、測定波形を整流・平滑化部5で直流化せずに直接A/D変換してデータ処理部7でほぼ連続的にデータ処理を行うことが出来る。すなわち、従来の方法では、高周波の範囲のひずみ変化と低から中速程度のひずみ変化を持つ場合の両者を計測する場合には、両者とも連続してCPUを動かしてセンシングを行う必要があるために、1つのCPUで同時に測定することは困難であった。すなわち、1つのCPUは中速程度のひずみ変化を計測して、ひずみ振幅のレベルに分類しながらカウントすることを連続して行い、また他のCPUは、高速の動ひずみを、その波形を忠実に計測するために連続して計測動作する必要があった。しかしながら本実施例では、間欠的に高速の動ひずみを計測することが可能なため、独立した2つのCPUが無くても計測できることから、その分だけバッテリの消耗が少なく、小型のシステムを実現できるという利点がある。また、1つのセンサを被測定物に設置するだけでよいので作業性や信頼性が格段に向上するという利点がある。なお、図15ではひずみセンサ2は1つであるが、高速用と低・中速用の2つのセンサを設けても良い。   FIG. 15 shows an embodiment of the present invention that solves this problem. The output from the strain sensor 2 is amplified by an amplifier 3, one of which passes through a filter 4 and is connected to a rectification / smoothing unit 5. The output from the other amplifier 3 passes through the low pass filter 26 and is directly connected to the A / D converter 6. In some applications, the low-pass filter 26 is not necessary. The filter 4 is preferably a band pass filter or a high pass filter. According to this embodiment, the distortion change in the high frequency range can be taken out by the filter 4, converted to direct current by the rectifying / smoothing unit 5, A / D converted, and intermittently measured by the data processing unit 7. On the other hand, since the strain measurement for the strain change from the low speed to the medium speed range is relatively low, the measurement waveform is directly A / D converted without being converted into direct current by the rectifying / smoothing unit 5 and data is obtained. The processing unit 7 can perform data processing almost continuously. In other words, in the conventional method, when measuring both the strain change in the high frequency range and the strain change from low to medium speed, both must continuously move the CPU for sensing. In addition, it is difficult to measure simultaneously with one CPU. That is, one CPU continuously measures a medium-speed strain change and counts it while classifying it into strain amplitude levels, and the other CPU faithfully follows the waveform of high-speed dynamic strain. Therefore, it was necessary to continuously perform measurement operation. However, in this embodiment, since high-speed dynamic strain can be measured intermittently, it can be measured without two independent CPUs. Therefore, the battery consumption is reduced accordingly, and a small system can be realized. There is an advantage. Further, since only one sensor needs to be installed on the object to be measured, there is an advantage that workability and reliability are remarkably improved. In FIG. 15, only one strain sensor 2 is provided, but two sensors for high speed and low / medium speed may be provided.

構造物の寿命評価を行う目的で、低中速の動ひずみを計測して頻度分布をカウントするワイヤレス通信モジュールにおいては、A/D変換部やCPUを常時動かしておく必要があり、そのためにバッテリ1の消耗が激しいという問題があった。   In order to evaluate the life of structures, wireless communication modules that measure low and medium speed dynamic strains and count frequency distributions require the A / D converter and CPU to be constantly running. There was a problem that consumption of 1 was severe.

通常、このようなシステムの消費電力低減のためには、モジュールの間欠動作を行うことが一般的に行われる。これはCPUに内蔵されたタイマやカウンタを利用して一定時間ごとにCPUのメイン回路やセンサ回路,アンプ回路等に電源を入れて計測を行い、計測終了後にはカウンタやタイマ等をセットして休止動作に入るものである。しかしながら、休止期間に大きなひずみ変動があると不正確な計測結果にならざるを得ないために、従来は構造物の寿命評価において間欠動作は採用されなかった。   Usually, in order to reduce the power consumption of such a system, the intermittent operation of the module is generally performed. This is done by using a timer or counter built in the CPU to measure power by turning on the main circuit, sensor circuit, amplifier circuit, etc. of the CPU at regular intervals, and setting the counter or timer after the measurement is completed. The sleep operation is entered. However, since an inaccurate measurement result is unavoidable if there is a large strain fluctuation during the rest period, conventionally, intermittent operation has not been adopted in the life evaluation of structures.

以下では、動ひずみを計測して寿命評価を行うシステムにおいて、間欠動作を取り入れることでバッテリの消費量を減少させるとともに、精度の高い計測が可能となる本発明の実施例を示す。   In the following, an embodiment of the present invention will be described in which a system for measuring dynamic strain and performing life evaluation reduces battery consumption by incorporating intermittent operation and enables high-precision measurement.

我々は、鉄橋,橋脚等の大型構造物や建築物の動ひずみ計測を行った結果、全体の計測時間のうち、数百με以下のひずみの低い時間の割合が大部分であることを見つけた。また、大きなひずみが負荷される場合には、その前兆として秒オーダで事前にひずみ上昇の予兆が見られることがわかった。すなわち、橋脚等の大型構造物では車や鉄道車両が近づくために事前にひずみの上昇が見られることや、橋脚自体の固有振動数が小さいことから、大きなひずみ変化の予兆が秒オーダで事前に現れることがわかった。ここで、大型構造物とは、例えば、橋(鉄橋,コンクリート橋,橋脚等含む),大型建造物(ゲート,ビル,ダム,トンネル,堤防等含む)等のことである。   As a result of dynamic strain measurement of large structures and buildings such as iron bridges and piers, we found that the percentage of time with low strain of several hundred με or less was the majority of the total measurement time. . It was also found that when a large strain was applied, a sign of an increase in strain was observed in advance on the order of seconds. In other words, in large structures such as piers, the increase in strain is seen in advance because vehicles and railway vehicles approach, and because the natural frequency of the pier itself is small, a sign of a large strain change is in advance on the order of seconds. I knew it would appear. Here, the large structure is, for example, a bridge (including iron bridges, concrete bridges, piers, etc.), a large structure (including gates, buildings, dams, tunnels, dikes, etc.).

本発明ではこの知見を利用し、ひずみが十分小さくて、それが維持される場合には、間欠動作を行って監視し、ひずみが上昇し始めたことを検知した時点で連続動作に移行することで、低消費電力と高精度計測とを両立させることに成功した。以下に詳細を示す。   In the present invention, this knowledge is utilized, and when the strain is sufficiently small and maintained, monitoring is performed by performing an intermittent operation, and when it is detected that the strain starts to increase, a transition to a continuous operation is performed. So, we succeeded in achieving both low power consumption and high precision measurement. Details are shown below.

図16には本実施例におけるセンサモジュール13の動作フローを示す。まず、寿命を推定するために計測する期間(計測時間)をセンサモジュール13に入力し、さらに間欠動作モードでのセンシング休止時間と、CPUを連続動作モードとするためのひずみセンサ計測値の変化量をセンサモジュールに入力する。計測が開始されるとセンサモジュールは間欠的にセンシングを行い、センシング値の変化量が予め設定された変化値を超えた場合には連続動作モードに入ることを特徴とする。その後、連続的にセンシングを行ってひずみの波形を測定し、ピーク値やひずみ振幅の計測を行う。さらにこのひずみ振幅の値を幾つかのレベルに分けて、そのレベルでの回数をカウントする。そのカウント方法は、一般的にレインフロー法や応力レベルクロスカウント法と呼ばれるものと同様である。さらに、ある一定期間において計測値の変化量が予め設定された変化値を下回った場合には、間欠動作モードに移行する。この動作を計測時間終了するまで、繰り返して行う。そして計測時間終了後には、ひずみレベル毎にそのレベルのひずみ振幅が何回起こったか、すなわち頻度データをワイヤレスで送信する。   FIG. 16 shows an operation flow of the sensor module 13 in the present embodiment. First, a measurement period (measurement time) for estimating the lifetime is input to the sensor module 13, and further, the sensing pause time in the intermittent operation mode and the change amount of the strain sensor measurement value for setting the CPU in the continuous operation mode. Is input to the sensor module. The sensor module intermittently senses when measurement is started, and enters a continuous operation mode when the amount of change in the sensing value exceeds a preset change value. After that, continuous sensing is performed to measure the strain waveform, and the peak value and strain amplitude are measured. Further, the value of the distortion amplitude is divided into several levels, and the number of times at that level is counted. The counting method is the same as that generally called the rainflow method or the stress level cross-count method. Furthermore, when the amount of change in the measured value falls below a preset change value during a certain period, the mode shifts to the intermittent operation mode. This operation is repeated until the measurement time ends. Then, after the measurement time is over, how many times the strain amplitude of that level has occurred for each strain level, that is, frequency data is transmitted wirelessly.

このとき、間欠動作モードでのセンシング休止時間と、CPUを連続動作モードとするためのひずみセンサ計測値の変化量の値をどのように設定するか、が正確な測定を行う上で重要となる。本発明においては、間欠動作モードのセンシング休止時間を0.1 秒以上と長めに設定して、消費電力の低減を図っている。センシング休止時間を長くすることにより、ひずみが大きくなってから連続動作モードに移行するまでの時間が長くなるが、前述したように大型構造物や建築物では大きなひずみ変化が起きる前には前兆として秒オーダーでひずみの上昇が起きるため、0.1 秒以上の時間間隔で前兆のひずみ上昇を検知してゆっくりと連続動作モードに移行しても、大きなひずみを逃さずに測定できるからである。連続動作モードに移行するための閾値は、この大きなひずみの前兆のひずみ上昇を検出するような値に設定することが望ましい。また、ピーク値が閾値付近のひずみは、連続動作モードに移行せずに検出できないこともあるが、ひずみ検出においては、構造物等の寿命に影響を与える大きなひずみを検出することが重要であり、比較的小さなひずみの検出を逃しても、ひずみ測定データの評価に与える影響は小さい。なお、ひずみ上昇が秒オーダーで起きることを考慮すると、センシング休止時間の上限は、10秒にすることが望ましい。   At this time, the sensing pause time in the intermittent operation mode and how to set the change value of the strain sensor measurement value for setting the CPU to the continuous operation mode are important for accurate measurement. . In the present invention, the sensing pause time in the intermittent operation mode is set to a long value of 0.1 seconds or more to reduce power consumption. By increasing the sensing pause time, the time from when the strain increases to the transition to the continuous operation mode increases, but as described above, before a large strain change occurs as a sign in large structures and buildings This is because distortion increases on the order of seconds, so that even if a precursor distortion increase is detected at a time interval of 0.1 seconds or more and the mode is slowly shifted to the continuous operation mode, measurement can be performed without missing a large distortion. It is desirable to set the threshold value for shifting to the continuous operation mode to such a value as to detect a strain increase which is a precursor of this large strain. In addition, strains whose peak values are near the threshold may not be detected without shifting to the continuous operation mode. However, in strain detection, it is important to detect large strains that affect the life of structures, etc. Even if detection of a relatively small strain is missed, the influence on the evaluation of strain measurement data is small. In consideration of the fact that the strain rises on the order of seconds, the upper limit of the sensing pause time is desirably 10 seconds.

また、本実施例では、連続動作モードとするためのトリガを、ひずみ計測値の変化量としたが、これをひずみセンサの絶対値とすると、半導体チップからなるひずみセンサでは大きな問題が発生する。周囲温度が変化するとひずみセンサがシリコン等の半導体チップであるために被測定物との間に大きな熱応力が発生し、見かけ上の無ひずみ点がシフトしてしまい、ひずみが生じていないのに大きなひずみ値がひずみ測定値にかかったままの状態になってしまうからである。よってひずみセンサの絶対値をしきい値とした場合には、トリガがかからない、もしくは連続モードで動作し続けるという誤動作が発生する。本実施例ではひずみの変化量を判断基準としていることから、無ひずみ点がシフトした場合でも、大きなひずみ振幅の計測を正しく行うことが出来る。   Further, in this embodiment, the trigger for setting the continuous operation mode is the amount of change in the strain measurement value, but if this is the absolute value of the strain sensor, a large problem occurs in the strain sensor made of a semiconductor chip. When the ambient temperature changes, the strain sensor is a semiconductor chip such as silicon, so a large thermal stress is generated between the measured object and the apparent unstrained point shifts, and no strain is generated. This is because a large strain value remains on the strain measurement value. Therefore, when the absolute value of the strain sensor is used as a threshold value, a malfunction occurs in that the trigger is not applied or the operation is continued in the continuous mode. In this embodiment, since the change amount of the strain is used as a determination criterion, even when the unstrained point is shifted, a large strain amplitude can be correctly measured.

さらに本実施例では連続計測モードとするためのトリガを、ひずみ計測値の変化量としているため、間欠動作の最中に、最大値がしきい値をわずかに上回る様な、小さなひずみ振幅が生じ、これを検出出来なかったとしても、小さなひずみ振幅が短時間作用するだけなので寿命評価には大きな影響を与えないため、精度低下にはつながらないという利点がある。また、急激なひずみ変化には敏感に反応するため、大きなひずみは連続動作モードで精度良く検出することができる。すなわち、本実施例によれば、間欠動作によるバッテリの節約と測定精度の維持を両立させることが出来るという利点が生じる。   Furthermore, in this embodiment, since the trigger for setting the continuous measurement mode is the amount of change in the strain measurement value, a small strain amplitude is generated during the intermittent operation so that the maximum value slightly exceeds the threshold value. Even if this cannot be detected, there is an advantage that the accuracy is not reduced because the small strain amplitude only acts for a short time and does not have a great influence on the life evaluation. In addition, since it reacts sensitively to sudden strain changes, large strains can be detected with high accuracy in the continuous operation mode. That is, according to the present embodiment, there is an advantage that it is possible to achieve both saving of battery by intermittent operation and maintenance of measurement accuracy.

また、本実施例によれば、測定精度を落とすことなく間欠動作が可能となるので、バッテリの消耗を防止することが出来、長時間バッテリを取り替えずに計測できるという利点が生まれる。   In addition, according to the present embodiment, intermittent operation is possible without degrading measurement accuracy, so that the battery can be prevented from being consumed, and the advantage that measurement can be performed without replacing the battery for a long time is born.

なお、この実施例は、図1に示す実施例1のひずみセンサを用いても、図2に示す従来のひずみセンサを用いても実施が可能である。   In addition, even if this Example uses the distortion | strain sensor of Example 1 shown in FIG. 1, even if it uses the conventional distortion | strain sensor shown in FIG.

また、本実施例では計測時間終了後の頻度データの送り方は、以下のように行う。   In this embodiment, how to send frequency data after the end of the measurement time is performed as follows.

本発明におけるシステムでは、一定時間計測した後、計測期間内の測定データをワイヤレスで電送する機能を有する。しかしながら、電送はそれ自体、非常にバッテリを消費する行為であるため、この低消費電力化はバッテリ寿命に大きく影響を及ぼす。そこで本実施例においては、送信するデータをできるだけ小さくすることで送信時間を短縮し、送信に必要な電力量を少なくした。すなわち、図17に示すように計測終了時には、頻度データがセンサモジュール内のメモリに蓄えられた状態にあるが、そのうち一番大きなひずみレベルを示すものを探し出し、それと同等およびそれ以下のひずみレベルのもののみを送信し、それ以上のひずみレベルのものは送信しないようにする。本実施例によれば、送信に必要なエネルギを節約できるため、バッテリの取り替え回数を低減することが可能となる。   The system according to the present invention has a function of wirelessly transmitting measurement data within a measurement period after measurement for a certain time. However, since power transmission itself is a very battery consuming action, this reduction in power consumption greatly affects battery life. Therefore, in this embodiment, the transmission time is shortened by reducing the data to be transmitted as much as possible, and the amount of power required for transmission is reduced. That is, as shown in FIG. 17, at the end of the measurement, the frequency data is stored in the memory in the sensor module, but the one having the largest strain level is searched for and the strain level equal to or lower than that is found. Send only the ones, and do not send the ones with higher strain level. According to the present embodiment, energy required for transmission can be saved, so that the number of battery replacements can be reduced.

本発明の一実施例である力学量測定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the mechanical quantity measuring system which is one Example of this invention. 従来例の構成を説明したブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the prior art example. 従来技術の技術課題を説明した図である。It is a figure explaining the technical subject of a prior art. 本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of mounting of the mechanical quantity measuring system of this invention. 本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of mounting of the mechanical quantity measuring system of this invention. 本発明の一実施例である力学量測定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the mechanical quantity measuring system which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である力学量測定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the mechanical quantity measuring system which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the semiconductor chip which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the semiconductor chip which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the semiconductor chip which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である半導体チップの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the semiconductor chip which is one Example of this invention. 本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of mounting of the mechanical quantity measuring system of this invention. 本発明の力学量測定システムの実装例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of mounting of the mechanical quantity measuring system of this invention. 従来例の構成を説明したブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the prior art example. 本発明の力学量測定システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the mechanical quantity measuring system of this invention. 本発明の力学量測定システムの動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows operation | movement of the mechanical quantity measurement system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…バッテリ、2…ひずみセンサ、3…アンプ、4…フィルタ、5…整流・平滑化部、6…A/D変換部、7…データ処理部、8,9…送受信部、10…異常診断部、11…
FFT解析部、12…スイッチ、13…センサモジュール、14…受信機、15…半導体チップ、16…パッド、17…CPU、18…ひずみ頻度解析部、19…寿命評価部、
20…被測定物、21…容器、22…重量物質、23…バネ様物質、24…取り付け部、25…振動検知装置、26…ローパスフィルタ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Battery, 2 ... Strain sensor, 3 ... Amplifier, 4 ... Filter, 5 ... Rectification / smoothing part, 6 ... A / D conversion part, 7 ... Data processing part, 8, 9 ... Transmission / reception part, 10 ... Abnormal diagnosis Part, 11 ...
FFT analysis unit, 12 ... switch, 13 ... sensor module, 14 ... receiver, 15 ... semiconductor chip, 16 ... pad, 17 ... CPU, 18 ... strain frequency analysis unit, 19 ... life evaluation unit,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... To-be-measured object, 21 ... Container, 22 ... Heavy substance, 23 ... Spring-like substance, 24 ... Attachment part, 25 ... Vibration detection apparatus, 26 ... Low pass filter.

Claims (17)

被測定物に設置して力学量を測定し、測定結果を送信する力学量測定装置において、
力学量を検出して信号を出力する力学量検出手段と、
前記信号から第一の特定周波数の信号を取り出す第一のフィルタリング手段と、
前記取り出された信号を整流・平滑化する第一の整流・平滑化手段と、
前記整流・平滑化された信号をデータ処理するデータ処理手段と、
前記データ処理された信号を送信する送信手段とを備えた力学量測定装置。
In a mechanical quantity measuring device that is installed on the object to be measured, measures the mechanical quantity, and transmits the measurement result,
Mechanical quantity detection means for detecting a mechanical quantity and outputting a signal;
First filtering means for extracting a signal of a first specific frequency from the signal;
First rectification / smoothing means for rectifying / smoothing the extracted signal;
Data processing means for processing the rectified and smoothed signal;
A mechanical quantity measuring device comprising: a transmitting means for transmitting the data-processed signal.
請求項1において、
前記送信手段は、無線送信を行うことを特徴とする力学量測定装置。
In claim 1,
The mechanical quantity measuring apparatus according to claim 1, wherein the transmission means performs wireless transmission.
請求項1において、
前記力学量検出手段が出力した信号から、前記第一のフィルタ手段が取り出した信号と異なる第二の特定周波数の信号を取り出す第二のフィルタリング手段と、
該取り出された信号を整流・平滑化する第二の整流・平滑化手段と、
前記第一の整流・平滑化手段により整流・平滑化された信号及び前記第二の整流・平滑化手段により整流・平滑化された信号をデータ処理するデータ処理手段とを備えた力学量測定装置。
In claim 1,
Second filtering means for extracting a signal of a second specific frequency different from the signal extracted by the first filter means from the signal output by the mechanical quantity detection means;
A second rectification / smoothing means for rectifying / smoothing the extracted signal;
A mechanical quantity measuring apparatus comprising: a data processing unit that processes data of the signal rectified and smoothed by the first rectifying and smoothing unit and the signal rectified and smoothed by the second rectifying and smoothing unit .
請求項1において、
電力を蓄えまたは電力を発生させ、前記送信手段に電力を供給する電力供給手段をその内部に備えたことを特徴とする力学量測定装置。
In claim 1,
An apparatus for measuring a mechanical quantity, comprising: power supply means for storing power or generating power and supplying power to the transmission means.
請求項1において、
前記力学量検出手段,フィルタリング手段,整流・平滑化手段,データ処理手段を単一の半導体基板上に備えたことを特徴とする力学量測定装置。
In claim 1,
A mechanical quantity measuring apparatus comprising the mechanical quantity detecting means, filtering means, rectifying / smoothing means, and data processing means on a single semiconductor substrate.
請求項1において、
前記フィルタリング手段が取り出す特定周波数は、可変であることを特徴とする力学量測定装置。
In claim 1,
The mechanical quantity measuring device characterized in that the specific frequency taken out by the filtering means is variable.
請求項1において、
前記データ処理手段を間欠的に動作させることを特徴とする力学量計測装置。
In claim 1,
A mechanical quantity measuring apparatus, wherein the data processing means is operated intermittently.
請求項1において、
前記力学量検出手段は、半導体基板上に形成されており、
前記半導体基板よりもバネ剛性の小さな物体を介して、前記被測定物に接続されることを特徴とする力学量計測装置。
In claim 1,
The mechanical quantity detection means is formed on a semiconductor substrate,
A mechanical quantity measuring apparatus connected to the object to be measured through an object having a spring stiffness smaller than that of the semiconductor substrate.
請求項1において、
前記データ処理手段は、
前記整流・平滑化された信号と、
前記力学量検出手段から出力され、整流・平滑化手段により整流・平滑化されない信号とをデータ処理することを特徴とする力学量測定装置。
In claim 1,
The data processing means includes
The rectified and smoothed signal;
A mechanical quantity measuring apparatus which performs data processing on a signal output from the mechanical quantity detecting means and not rectified / smoothed by a rectifying / smoothing means.
請求項1において、
前記力学量検出手段が出力した信号から、前記第一のフィルタ手段が取り出した信号と異なる第三の特定周波数の信号を取り出す第三のフィルタリング手段と、
前記第三のフィルタリング手段が取り出した信号をデータ処理するデータ処理手段とを備えたことを特徴とする力学量測定装置。
In claim 1,
Third filtering means for extracting a signal of a third specific frequency different from the signal extracted by the first filter means from the signal output by the mechanical quantity detection means;
A mechanical quantity measuring device comprising: data processing means for processing data of the signal extracted by the third filtering means.
請求項1において、
前記データ処理手段は、力学量の大きさで分類して、力学量の大きさごとの頻度をカウントすることを特徴とする力学量測定。
In claim 1,
The data processing means classifies according to the magnitude of the mechanical quantity, and counts the frequency for each magnitude of the mechanical quantity.
被測定物に設置して力学量を測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
力学量をセンシングして信号を出力し、
前記信号から特定周波数を取り出し、
前記取り出された信号を整流・平滑化し、
前記整流・平滑化された信号をデータ処理し、
前記データ処理された信号を送信する力学量測定方法。
In the mechanical quantity measurement method that installs on the object to be measured, measures the mechanical quantity, and transmits the measurement result,
Sensing mechanical quantities and outputting signals,
Extract a specific frequency from the signal,
Rectifying and smoothing the extracted signal,
Data processing is performed on the rectified and smoothed signal,
A mechanical quantity measuring method for transmitting the data-processed signal.
請求項11において、
前記送信は、無線送信であることを特徴とする力学量測定方法。
In claim 11,
The mechanical quantity measuring method, wherein the transmission is wireless transmission.
被測定物に設置してひずみを測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
第一の測定モードと、
前記第一の測定モードよりも測定頻度が多い第二の測定モードを有し、
前記第一の測定モードで測定したひずみ測定値の変化量が所定の値よりも大きいときに、前記第二の測定モードで測定を行うことを特徴とする力学量測定方法。
In the mechanical quantity measurement method that installs on the object to be measured, measures strain, and transmits the measurement result,
The first measurement mode,
Having a second measurement mode with a measurement frequency greater than the first measurement mode,
A mechanical quantity measuring method, wherein the measurement is performed in the second measurement mode when the change amount of the strain measurement value measured in the first measurement mode is larger than a predetermined value.
大型構造物または建築物のひずみを測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
測定の時間間隔が0.1 秒以上である第一の測定モードと、
前記第一の測定モードよりも測定頻度の多い第二の測定モードを有し、
前記第一の測定モードで測定した測定値の大きさに応じて、前記第二の測定モードで測定へ切り替えることを特徴とする力学量測定方法。
In a mechanical quantity measurement method that measures strain of a large structure or building and transmits the measurement result,
A first measurement mode in which the measurement time interval is 0.1 second or more;
Having a second measurement mode with a higher measurement frequency than the first measurement mode,
A mechanical quantity measuring method, wherein the measurement is switched to the measurement in the second measurement mode according to the magnitude of the measurement value measured in the first measurement mode.
請求項15において、
前記第一の測定モードで測定したひずみ測定値の変化量が所定の値よりも大きいときに、前記第二の測定モードで測定を行うことを特徴とする力学量測定装置。
In claim 15,
A mechanical quantity measuring apparatus that performs measurement in the second measurement mode when a change amount of a strain measurement value measured in the first measurement mode is larger than a predetermined value.
被測定物に設置してひずみを測定し、測定結果を送信する力学量測定方法において、
ひずみを測定し、
測定されたひずみの大きさごとの頻度をカウントし、
前記測定されたひずみのうち、大きさ最大のひずみ及びそれ以下の大きさひずみの頻度を送信し、前記最大のひずみより大きいひずみの頻度を送信しないことを特徴とする力学量測定方法。
In the mechanical quantity measurement method that installs on the object to be measured, measures strain, and transmits the measurement result,
Measure strain,
Count the frequency for each measured strain magnitude,
Among the measured strains, a mechanical quantity measurement method characterized by transmitting a frequency of a strain having a maximum magnitude and a frequency of a magnitude magnitude less than that, and not transmitting a frequency of strain greater than the maximum strain.
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