JP2008164495A - 多分力計測法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の力計測方法は、計測対象物に固定された接続部材を介して前記計測対象物に作用する所定方向の力を検出する力検出器と、前記接続部材または計測対象物に固定された加速度センサとを用い、前記加速度センサと力検出器の時系列信号の相互相関係数が最大値となる相関時間を算出し、加速度センサにより検出された加速度が設定加速度となる時刻を検知して該検知時刻から前記相互相関係数が最大値をとる時間が経過した時刻を特定し、該特定時刻における所定方向の力検出器の検出値を計測対象物に作用する振動による慣性力が力検出器に影響しない値として採用するようにした。
【選択図】図3
Description
この時、多分力検出器に取り付けられている模型に望ましくない振動が加わっていると、その振動加速度に起因する慣性力が分力計測の障害となることが少なくない。分力に振動による慣性力が重畳した状態で計測を行うと、センサからは予想される分力に見合った値より慣性力の最大振幅分大きい値が出力されるため、センサ後段の計測器は予想されるセンサ出力より大きな出力を許容する定格入力値のものを設定しなければならない。一般に電圧、電流などに変換された物理量を計測する計測器において、精度の保証された最小計測値は定格入力値に比例するため、定格入力値の大きい計測器を用いると、最小計測値が増加した結果、計測の精度が低下することとなる。
本発明の課題は、力検出センサと加速度センサを組み合わせた多分力計測において、力計測系から振動に起因した慣性力の影響を厳密に排除すると共に、様々な計測系の構成に柔軟に対応できるようにセンサ位置に任意性をもたせて模型に作用する各分力を精度良く計測する方法とそれを実施する装置を提供することにある。
本発明の多分力の計測方法は、上記方法における所定方向が直交するX,Y,Z軸など異なる複数の軸およびそれらの回転方向のいずれか複数または全ての組合せであって、各分力について互いに独立して行うことを特徴とする。
また、本発明の多分力の計測装置は、上記装置における所定方向が直交するX,Y,Z軸およびそれらの回転方向のいずれか複数または全ての組合せであって、各分力について互いに独立したシステムであるものとした。
また、本発明の多分力の計測装置は、上記構成に加え力検出器および加速度センサにより計測されたアナログ信号をデジタル信号化し、相互相関係数を計算するプログラムを介して前記相互相関係数が最大値をとる時間を算出する演算機を備えるものとした。
また、本発明の多分力の計測装置は、上記構成に加え計測対象物に作用する振動による慣性力が力検出器に影響しない値として出力した力検出器の信号をデータとして記録・蓄積する記録装置を備えるものとした。
更に、本発明の多分力の計測装置は、上記構成に加え前記記録装置により記録されたデータの最大値を読み取り、その最大値に対し後続機材を保護する観点から適切な安全率を有したゲインを自動設定する手段を有する力検出器用信号増幅器を備えるようにした。
また、本発明の多分力の計測装置は、計測対象物に作用する振動による慣性力が力検出器に影響しない値として出力した力検出器の信号をデータとして記録・蓄積する記録装置を備えるものとしたので、振動による慣性力が影響しないデータを蓄積できるので、計測対象物に作用する力の平均値を精度良く求めることができる。
更に、本発明の多分力の計測装置は、サンプリング出力されたデータの最大値を読み取り、その最大値に対し後続機材を保護する観点から適切な安全率を有したゲインを自動設定する手段を有する力検出器用信号増幅器を備えるようにしたので、計測可能幅を有効に使用して分解能を高めた精度の良い計測ができる。
また特許文献1の方法で計測精度を向上させようとすれば時差を極小にするようにセンサ同士を配置しなければならないが、それは計測系の構成として困難を伴うことが多い。しかし本発明のように検出の時間差を予め求めておきそのタイミングで力検出器の検出値を採用するようにすればこの問題は解決でき、設計上の自由度が損なわれることがなくなる。
タイマ回路TMiの調節を受けて一定時間計測された信号は力検出器アンプゲイン調節回路GCiに入力され、その最大値を比較しタイミングを調節して計測された信号の計測を最も高精度に行うアンプゲインにするようにアンプAMiを自動的に調節する。これは得られる力計測値fiが計測可能幅内で広く分布した形態となるようにレンジ幅を有効に使用して分解能を高めた精度の良い計測ができるようにするための機能である。タイマ回路TMiのタイミング調節を受けて計測され、ゲイン調節されたアンプAMiを介して増幅された力検出器Fiの信号を振動加速度の影響を排除したi分力の計測値fiとして記録部Reに記録蓄積する。記録された個々のデータは振動加速度の影響を排除された精度の良いものであるから、これら記録蓄積されたデータの平均値を演算すれば信頼性の高いi方向の分力計測値を得ることができる。
図5乃至9は本発明によって計測された等速空気流中の模型に作用する空気流に垂直な分力fyおよび空気流に垂直な加速度ayの計測例を示す。図5に示したグラフはy方向分力の力検出器Fyで検出した力fy(t)とy方向分力の加速度センサayで検出した加速度ay(t)の時系列生波形である。このfy(t)の生波形は平均空気力に慣性力が重畳しており標準偏差σは22.27N程度である。この計測データを特許文献1の手法を用いて、加速度の値ay(t)が零に近いタイミングでfy(t)をサンプリングしたものが図6のグラフである。このときの標準偏差σは11.33N程度となり図5の生波形と比較してばらつきの小さいデータが得られていることが分かる。この同じ計測データをさらに本発明の手法を適用し、加速度センサの加速度検出時刻と該加速度に起因する慣性力が力検出器で検出される時間差τを考慮して力fy(t)をサンプリングすると図7に示すグラフになり、このときの標準偏差σは8.38N程度となって、さらにバラツキの少ない平均値に近い値となっている。このデータ解析から本発明の手法がより計測精度を高くできることが確認できた。
3 支柱 4 信号線
ai i方向加速度センサ Fi i方向力検出器
ADai,ADFi A/D変換機 AMi 増幅器
CP 演算機 PG プログラム
OBi オブザーバ回路 DAti D/A変換機
TMi タイマー GCi ゲイン調整回路
Re 記録部
Claims (8)
- 計測対象物に固定された接続部材を介して前記計測対象物に作用する所定方向の力を検出する力検出器と、前記接続部材または計測対象物に固定された加速度センサとを用い、前記加速度センサと力検出器の時系列信号の相互相関係数が最大値となる相関時間を算出するステップと、加速度センサにより検出された加速度が設定加速度となる時刻を検知するステップと、該検知時刻から前記相互相関係数が最大値をとる時間が経過した時刻を特定するステップと、該特定時刻における力検出器の検出値を計測対象物に作用する振動による慣性力が力検出器に影響しない値として採用するステップとからなる所定方向の力計測方法。
- 請求項1における所定方向が異なる複数の軸およびそれらの回転方向のいずれか複数または全ての組合せであって、各分力について互いに独立して行うことを特徴とする多分力の計測方法。
- 異なる方向が互いに直交するX,Y,Z軸である請求項2に記載の多分力の計測方法。
- 計測対象物に固定された接続部材を介して前記計測対象物に作用する所定方向の力を検出する力検出器と、前記接続部材または計測対象物に固定された加速度センサと、前記加速度センサと力検出器の時系列信号の相互相関係数が最大値となる相関時間を算出する手段と、加速度センサにより検出された加速度が設定加速度となる時刻を検知する手段と、該検知時刻から前記相互相関係数が最大値をとる時間が経過した時刻を特定する手段と、該特定時刻における力検出器の検出値を計測対象物に作用する振動による慣性力が力検出器に影響しない値として出力する手段とを備えた所定方向の力計測装置。
- 請求項4における所定方向が直交するX,Y,Z軸およびそれらの回転方向のいずれか複数または全ての組合せであって、各分力について互いに独立したシステムである多分力の計測装置。
- 力検出器および加速度センサにより計測されたアナログ信号をデジタル信号化し、相互相関係数を計算するプログラムを介して前記相互相関係数が最大値をとる時間を算出する演算機を備えることを特徴とする請求項4または5に記載された多分力の計測装置。
- 計測対象物に作用する振動による慣性力が力検出器に影響しない値として出力した力検出器の信号をデータとして記録・蓄積する記録装置を備えることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載された多分力の計測装置。
- 前記記録装置により記録されたデータの最大値を読み取り、その最大値に対し後続機材を保護する観点から適切な安全率を有したゲインを自動設定する手段を有する力検出器用信号増幅器を備えたことを特徴とする請求項7に記載の多分力の計測装置。
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