JP2009250678A - Materials testing machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、供試体の試験を開始する前段階として、材料試験機の計装アンプを校正する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for calibrating an instrumentation amplifier of a material testing machine as a stage before starting a test of a specimen.
従来から、歪みゲージ式の荷重測定用センサを用いた材料試験機は広く用いられており、計装アンプのゲインを校正するために、歪み検出用のブリッジ回路に抵抗を接続して疑似的な負荷を与える手法が周知の技術として知られている。
他方、試験片の伸び・幅などの変位量を測定するために、差動トランスあるいは静電容量式センサが用いられている（特許文献１）。
On the other hand, a differential transformer or a capacitive sensor is used to measure the amount of displacement such as elongation and width of a test piece (Patent Document 1).
しかしながら、差動トランスあるいは静電容量式センサなどを用いて試験片の測定を開始する際には、材料試験機の電源を投入するたびに、その前段階として、計装アンプのゲインを校正しなければならないという煩雑さがあった。 However, when starting measurement of a test piece using a differential transformer or a capacitive sensor, the gain of the instrumentation amplifier is calibrated as a previous step each time the material testing machine is turned on. There was the complexity of having to.
請求項１による材料試験機は、供試体に負荷される試験力または供試体に生じる変位量に対応したセンサ出力を、ケーブルユニットを介して計装アンプに供給する材料試験機において、前記ケーブルユニット内には、前記計装アンプのゲイン調整時に、所定の開閉手段を介して、前記計装アンプの入力端とセンサ駆動電源との間に接続するための所定のインピーダンス素子と、前記インピーダンス素子を前記計装アンプの入力端に接続したとき、前記材料試験機から得るべき規定の測定値を記憶しておくメモリ手段とを備え、前記開閉手段を閉成したときに得られる前記材料試験機の測定値が、前記メモリ手段に記憶されている前記規定の測定値と一致するよう前記計装アンプのゲインを調整することにより、前記計装アンプの電気的キャリブレーションを実行するものである。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記インピーダンス素子および前記メモリ手段は、前記ケーブルユニットのコネクタ部に載置されている。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の材料試験機において、前記センサ出力として、線形可変差動変圧器または静電式変位計の出力を用いる。
請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の材料試験機において、前記センサ出力として、磁気弾性効果を有する磁性材料に巻回したコイルの出力を用いる。
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記ケーブルユニット内には、前記計装アンプの入力インピーダンスを決定するインピーダンス素子と一体となって、前記センサ出力の信号レベルを減衰させるための減衰器を形成するインピーダンス素子を更に備えている。
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記メモリ手段は、校正された実変位もしくは実負荷が供試体に与えたときに得られるセンサ出力を前記計装アンプに入力し、前記実変位もしくは実負荷に相当する測定値が材料試験機から得られるよう前記計装アンプのゲインを調整した後、前記実変位もしくは実負荷を零に戻した状態で前記所定の開閉手段を閉成したときの測定値を前記規定の測定値として記憶する。
請求項７に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記メモリ手段には、前記ケーブルユニットが接続されるセンサを特定する情報が記憶されている。
請求項８に係る発明は、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記メモリ手段への書き込み処理は工場側もしくはサービス提供側にて行い、前記ケーブルユニットと、前記ケーブルユニットが接続される特定のセンサとは一対として使用される。
請求項９に係る発明は、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の材料試験機において、さらに加えて、所定のセンサに接続されている前記ケーブルユニットを前記計装アンプに接続した状態において、材料試験機の電源投入後に前記所定の開閉手段を閉成すると、前記記憶手段に記憶されている測定値に基づいて前記計装アンプのゲインを自動調整するゲイン制御手段を有する。
The material testing machine according to
According to a second aspect of the present invention, in the material testing machine according to the first aspect, the impedance element and the memory means are mounted on a connector portion of the cable unit.
According to a third aspect of the present invention, in the material testing machine according to the first or second aspect, an output of a linear variable differential transformer or an electrostatic displacement meter is used as the sensor output.
According to a fourth aspect of the present invention, in the material testing machine according to the first or second aspect, an output of a coil wound around a magnetic material having a magnetoelastic effect is used as the sensor output.
The invention according to
The invention according to claim 6 is the material testing machine according to any one of
According to a seventh aspect of the present invention, in the material testing machine according to any one of the first to fifth aspects, information specifying a sensor to which the cable unit is connected is stored in the memory means.
The invention according to
The invention according to claim 9 is the material testing machine according to any one of
本発明によれば、材料試験機の計装アンプを校正するに際して、実際に実変位あるいは実負荷を与えることなく電気的キャリブレーションを行うためのケーブルユニットを備えているので、材料試験機の電源を投入するたびに、その前段階として、計装アンプのゲインを校正しなければならないという煩雑な校正操作が不要となる。 According to the present invention, when the instrumentation amplifier of the material testing machine is calibrated, the cable unit for performing the electrical calibration without actually giving an actual displacement or an actual load is provided. Each time the power is turned on, a complicated calibration operation in which the gain of the instrumentation amplifier has to be calibrated becomes unnecessary as a previous step.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、本発明を適用した材料試験機の全体構成を模式的に示した図である。本実施の形態においては、試験片（図示せず）の伸びを測定するための伸び計として線形可変差動トランス（以下、差動トランスという）ＬＶＤＴを用いている。差動トランスＬＶＤＴには出力ケーブルおよび出力用コネクタ（いずれも図示せず）が取り付けられており、ケーブルユニットＣＵに接続されている。差動トランスＬＶＤＴの差動出力は、ケーブルユニットＣＵを介して試験機本体ＭＴＭに供給される。このケーブルユニットＣＵは、後に詳述する電気的キャリブレーションを実行するために、本実施の形態に特有の構成を備えている。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a material testing machine to which the present invention is applied. In the present embodiment, a linear variable differential transformer (hereinafter referred to as a differential transformer) LVDT is used as an extensometer for measuring the elongation of a test piece (not shown). An output cable and an output connector (both not shown) are attached to the differential transformer LVDT and are connected to the cable unit CU. The differential output of the differential transformer LVDT is supplied to the testing machine main body MTM via the cable unit CU. The cable unit CU has a configuration unique to the present embodiment in order to execute electrical calibration described in detail later.
ケーブルユニットＣＵの構造は、大別して、センサ側コネクタ２とケーブル本体４と試験機側コネクタ６とに分けることができる。本実施の形態では、試験機側コネクタ６の内部に基板８を設けてあり、基板８上には、後に詳述するＲＯＭおよび抵抗器，コンデンサ（図３参照）を搭載してある。差動トランスＬＶＤＴの特性は用途に応じて様々な種類があるばかりでなく、同一の製品名であっても、使用される変位計の仕様により電気的特性が異なり、また、全く同一の製品名、使用先であってもその特性には製造や組立のばらつきによる違いがみられる。そこで、基板８上に搭載してあるＲＯＭの記憶内容、ならびに、抵抗器の抵抗値およびコンデンサの静電容量値は、後に詳述する手順により差動トランスＬＶＤＴの固有特性に適合した内容に設定される。
The structure of the cable unit CU can be roughly divided into a
図２は、種々の差動トランスＬＶＤＴ−ｎ（ｎ＝１，２，３・・・）を、試験機本体ＭＴＭの計装アンプ１０に接続する態様を示した説明図である。本図に示すように、それぞれの差動トランスＬＶＤＴとケーブルユニットは、常に一対として使用される。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a mode in which various differential transformers LVDT-n (n = 1, 2, 3...) Are connected to the
すなわち、使用する差動トランスＬＶＤＴが替わると基板８上に搭載してあるＲＯＭの記憶内容、ならびに、抵抗器の抵抗値およびコンデンサの静電容量値も変化する。その結果として、差動トランスＬＶＤＴとケーブルユニットＣＵは一対として使用されることになる。実際に、差動トランスＬＶＤＴとケーブルユニットＣＵは一対としてユーザに納品される。あるいは、修理完了時においては、差動トランスＬＶＤＴとケーブルユニットＣＵは一対としてユーザに引き渡される。
That is, when the differential transformer LVDT to be used is changed, the stored contents of the ROM mounted on the
図３は、差動トランスＬＶＤＴ，ケーブルユニットＣＵ，試験機本体ＭＴＭにおける電気回路を示した図である。差動トランスＬＶＤＴは、１次巻線Ｔ１および２次巻線Ｔ２Ａ，Ｔ２Ｂを含んでいる。差動トランスＬＶＤＴの１次巻線Ｔ１には交流電源電圧Ｖ１が印加されており、可動コアＭＣの位置に対応した差動出力Ｖ２がケーブルユニットＣＵ側に供給される。 FIG. 3 is a diagram showing an electric circuit in the differential transformer LVDT, the cable unit CU, and the tester main body MTM. The differential transformer LVDT includes a primary winding T1 and secondary windings T2A and T2B. The primary winding T1 of the differential transformer LVDT are applied AC supply voltage V 1, the differential output V 2 corresponding to the position of the movable core MC is supplied to the cable unit CU side.
ケーブルユニットＣＵは、使用する差動トランスＬＶＤＴに対して一意的に決められる固有の電気的キャリブレーション用情報（後に詳述する）を記憶してあるＲＯＭと、差動トランスＬＶＤＴの差動出力Ｖ２をＬＶＤＴアンプである計装アンプの入力端に供給するための抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１と、電気的キャリブレーションを実行する時（後に詳述する）に交流電源電圧Ｖ１を計装アンプの入力端に供給するための抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ３とを備えている。 The cable unit CU includes a ROM storing unique electrical calibration information (to be described in detail later) uniquely determined for the differential transformer LVDT to be used, and a differential output V of the differential transformer LVDT. 2 and a resistor R 1 and capacitor C 1 to be supplied to the input terminal of the amp is LVDT amplifier, instrumentation amplifier AC power voltages V 1 when performing electrical calibration (described later in detail) A resistor R 3 and a capacitor C 3 for supplying to the input terminal of the capacitor.
試験機本体ＭＴＭにおける計装アンプ１０は、初段演算増幅器の入力インピーダンスを決定する抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ２と、電気的キャリブレーションを実行する時（後に詳述する）に閉成されるスイッチＳ１を備えている。このスイッチＳ１は、通常の状態ではＯＦＦとなっており、手動操作がなされた時あるいは制御信号が与えられた時にのみＯＮ（閉成）となる。
The
さらに、試験機本体ＭＴＭは、差動トランスＬＶＤＴを駆動するための交流電圧源３０と、計装アンプ１０の出力電圧を入力して測定値Ｘを得るための電圧測定回路３５と、電圧測定回路３５から出力された測定値Ｘを表示するための表示器５０を備えている。この表示器５０は、後に詳述する材料試験機の制御盤４２（図６参照）に装着されている。なお、電圧測定回路３５の詳細については、後に図４を参照して説明する。
Further, the testing machine main body MTM includes an
試験機本体ＭＴＭはさらに、ケーブルユニットＣＵに搭載されているＲＯＭの内容を読み出すための読出回路５８を備えている。ゲイン制御回路６０は、ＲＯＭから読み出された内容（＝予め記憶されている規定の測定値Ｘ０）と、電圧測定回路３５から得られた測定値Ｘを入力し、Ｘ＝Ｘ０となるように計装アンプ１０のゲインを帰還制御する。
The tester main body MTM further includes a
次に、図３を参照しながら、本実施の形態による電気的キャリブレーションについて説明する。ここでいう電気的キャリブレーションとは、ユーザ側で計装アンプのゲイン調整を行う際に、電気的処理のみによりゲイン調整を完了させることを意味する。より正確に述べると、校正された実変位を差動トランスＬＶＤＴの可動コアＭＣに実際に与えることなく仮想的な物理的変位を電気的に再現することにより、計装アンプ１０のゲインをユーザが校正することである。
Next, electrical calibration according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The electrical calibration here means that the gain adjustment is completed only by electrical processing when the gain adjustment of the instrumentation amplifier is performed on the user side. More precisely, the user can determine the gain of the
＜ＲＯＭへの書き込み処理について＞
まず、工場出荷時あるいはメインテナンス・修理時におけるＲＯＭへの書き込み処理について説明する。
（手順１）
所定の差動トランスＬＶＤＴにケーブルユニットＣＵを接続する。なお、ケーブルユニットＣＵには、ＲＯＭの他に、図３に示した抵抗器およびコンデンサが搭載されているが、これらの抵抗値および静電容量値は、差動トランスＬＶＤＴの定格出力電圧と、計装アンプ１０の入力インピーダンスと、計装アンプ１０の定格入力電圧（入力レンジ）により一意的に決定される。その算出方法については後に説明する。
<ROM writing process>
First, the writing process to the ROM at the time of shipment from the factory or maintenance / repair will be described.
(Procedure 1)
The cable unit CU is connected to a predetermined differential transformer LVDT. In addition to the ROM, the cable unit CU includes the resistors and capacitors shown in FIG. 3, and these resistance values and capacitance values are determined based on the rated output voltage of the differential transformer LVDT, It is uniquely determined by the input impedance of the
（手順２）
差動トランスＬＶＤＴに与える伸びを零にしたまま、計装アンプ１０のオフセット成分を調整することにより、測定値Ｘを零（Ｘ＝０）にする。
(Procedure 2)
The measured value X is set to zero (X = 0) by adjusting the offset component of the
（手順３）
伸び計キャリブレーション装置（図示せず）を用いて、差動トランスＬＶＤＴに実変位（＝校正された定格伸び量）Ｘ１を与える。この状態において、測定値Ｘが実変位Ｘ１と一致するように、計装アンプ１０のゲインを調整する。
(Procedure 3)
Using extensometer calibration device (not shown), the actual displacement to a differential transformer LVDT (= calibrated nominal elongation amount) gives the X 1. In this state, the measurement value X is to match the actual displacement X 1, to adjust the gain of the
（手順４）
次に、上記の実変位を取り除き、差動トランスＬＶＤＴの伸び量を再び零にする。この状態において、スイッチＳ１をＯＮして測定値Ｘを読み取る。このときの測定値Ｘ０をＲＯＭに書き込む。
以上により、工場出荷時あるいはメインテナンス・修理時におけるＲＯＭへの書き込み処理が終了する。
(Procedure 4)
Next, the above-described actual displacement is removed, and the extension amount of the differential transformer LVDT is made zero again. In this state, the switch S1 is turned on to read the measured value X. Writes the measured values X 0 at this time in the ROM.
This completes the writing process to the ROM at the time of factory shipment or maintenance / repair.
＜ユーザが行う電気的キャリブレーション操作について＞
次に、ユーザが行う電気的キャリブレーション操作について説明する。
（手順１）
所定の差動トランスＬＶＤＴとケーブルユニットＣＵは常に一対として使用されるので、そのことを確認した後に、試験機本体ＭＴＭにケーブルユニットＣＵを接続する。
<About the electrical calibration operation performed by the user>
Next, an electrical calibration operation performed by the user will be described.
(Procedure 1)
Since the predetermined differential transformer LVDT and the cable unit CU are always used as a pair, after confirming that, the cable unit CU is connected to the tester main body MTM.
（手順２）
差動トランスＬＶＤＴの伸び量を零にした状態で、測定値Ｘが零となるように計装アンプ１０のオフセット成分を調整する。
(Procedure 2)
The offset component of the
（手順３）
スイッチＳ１をオンしたときの計測値Ｘが、ＲＯＭに記憶されている値Ｘ０（＝予め記憶されている規定の測定値Ｘ０）となるように、計装アンプ１０のゲインを調整する。このゲイン調整は、計装アンプ１０のゲイン調整用ツマミを手動で操作してもよいが、本実施の形態では、マイクロコンピュータ（図示せず）がスイッチＳ１のＯＮを検知すると、ゲイン制御回路６０により自動的にゲイン調整を実行する。
以上により、ユーザが行う電気的キャリブレーション操作が終了する。
(Procedure 3)
The gain of the
Thus, the electrical calibration operation performed by the user is completed.
＜ケーブルユニットのインピーダンス算出方法＞
既述の通り、ケーブルユニットＣＵには２種類のインピーダンス素子が搭載されている。第１のインピーダンス素子は、並列接続された抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１である。第２のインピーダンス素子は、直列接続された抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ３である。
<Impedance calculation method for cable unit>
As already described, two types of impedance elements are mounted on the cable unit CU. First impedance element is a parallel connected resistor R 1 and capacitor C 1. The second impedance element is a resistor R 3 and capacitor C 3 connected in series.
以下に説明するように、第１のインピーダンス素子（Ｒ１およびＣ１）における抵抗値および静電容量値を決定するためには、交流電源電圧Ｖ１を印加したまま、スイッチＳ１をＯＦＦしていること、を条件とする。他方、第２のインピーダンス素子（Ｒ３およびＣ３）における抵抗値および静電容量値を決定するためには、交流電源電圧Ｖ１を印加したまま、スイッチＳ１をＯＮしていること、を条件とする。 As described below, in order to determine the resistance value and the capacitance value in the first impedance element (R 1 and C 1 ), the switch S1 is turned OFF while the AC power supply voltage V 1 is applied. On the condition. On the other hand, in order to determine the resistance value and the capacitance value in the second impedance element (R 3 and C 3 ), the condition is that the switch S1 is turned on while the AC power supply voltage V 1 is applied. And
（§１）第１のインピーダンス素子（Ｒ１およびＣ１の並列接続）について
差動トランスＬＶＤＴの１次巻線Ｔ１には交流電源電圧Ｖ１が印加されているので、可動コアＭＣが変位零の中心位置になければ、２次巻線Ｔ２Ａ，Ｔ２Ｂから得られる差動出力電圧Ｖ２（Ｖ２≠０）は交流電源電圧Ｖ１に比例する。すなわち、Ｖ２∝Ｖ１である。
(§1) Regarding the first impedance element (parallel connection of R 1 and C 1 ) Since the AC power supply voltage V 1 is applied to the primary winding
いま、スイッチＳ１をオフしているとき、計装アンプ１０における初段演算増幅器の非反転入力端には電圧Ｖ３が生じているとする。また、抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ１の並列接続により形成されるインピーダンスをＺ１とする。さらに、計装アンプ１０の入力インピーダンス（抵抗器Ｒ２およびコンデンサＣ２の並列接続）をＺ２とする。
Now, while turning off the switch S1, to the non-inverting input terminal of the first stage operational amplifier in an
すると、Ｖ３とＶ２との間には、次の数式１で表される関係がある。
Then, there is a relationship represented by the following
交流電源電圧Ｖ１の角周波数をω（rad/sec）とすると、Ｚ１およびＺ２は次式で表すことができる。
If the angular frequency of the AC power supply voltage V 1 is ω (rad / sec), Z 1 and Z 2 can be expressed by the following equations.
いま、Ｚ１およびＺ２の時定数を一致させるために、
となるように抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ１を選択すると、数式１は、
のように変形することができる。したがって、差動トランスＬＶＤＴの可動コアＭＣを定格伸び位置まで変位させたときに得られる定格差動出力（＝定格出力の１００％）が、計装アンプ１０の入力許容レンジ内に収まるように、抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ１の値を決定すればよい。
Now, to make the time constants of Z 1 and Z 2 coincide,
When the resistor R 1 and the capacitor C 1 are selected so that
It can be deformed as follows. Therefore, the rated differential output (= 100% of the rated output) obtained when the movable core MC of the differential transformer LVDT is displaced to the rated extension position is within the input allowable range of the
このように差動トランスＬＶＤＴの特性に応じて、Ｚ１とＺ２により減衰器を構成することができるので、計装アンプ１０の各種設定（＝入力インピーダンスおよびゲイン）を変更する必要がなくなる。なお、差動トランスＬＶＤＴの差動出力は様々なものがあるので、計装アンプ自体のゲインを十分に大きく設計しておくことにより、どのような差動トランスにも対応させることが可能にある。
Thus, since an attenuator can be configured by Z 1 and Z 2 in accordance with the characteristics of the differential transformer LVDT, it is not necessary to change various settings (= input impedance and gain) of the
（§２）第２のインピーダンス素子（Ｒ３およびＣ３の直列接続）について
次に、第２のインピーダンス素子を決定するための計算方法について述べる。
まず、差動トランスＬＶＤＴの可動コアＭＣを中央位置（＝実変位が零の位置）にもっていき、Ｖ２＝０にしておく。この状態でスイッチＳ１をＯＮする。
抵抗器Ｒ３およびコンデンサＣ３の直列接続により形成されるインピーダンスの値をＺ３とする。すると、Ｚ３は次式で与えられる。
(§2) Second impedance element (R 3 and C 3 connected in series) Next, a calculation method for determining the second impedance element will be described.
First, the movable core MC of the differential transformer LVDT is moved to the center position (= position where the actual displacement is zero), and V 2 = 0 is set. In this state, the switch S1 is turned on.
The impedance value formed by the series connection of the resistor R 3 and the capacitor C 3 is defined as Z 3 . Then Z 3 is given by the following equation.
他方、スイッチＳ１をＯＮしたとき、計装アンプ１０の入力端に生じる電圧Ｖ３は、次式で与えられる。
On the other hand, when the ON switch S1, the voltage V 3 appearing at the input terminal of
この数式６から明らかなように、Ｖ３＝ｋ１・Ｖ１（ｋ１は定数）と表すことができる。
また、数式１を見ると、Ｖ３＝ｋ２・Ｖ２（ｋ２は定数）である。ここで、Ｖ２∝Ｖ１であるので、
Ｖ３＝ｋ２・Ｖ２＝ｋ３・Ｖ１（ｋ３は定数）
と表すことができる。すなわち、数式１におけるＶ３と、数式３におけるＶ３は、共に交流電源電圧Ｖ１に比例しているといえる。但し、数式１はスイッチ１をＯＦＦした状態で計算しており、数式６はスイッチ１をＯＮした状態で計算している点が異なっている。しかしながら、これら２つのＶ３を算出する前提として同一の計装アンプ１０を用いているので、数式１と数式６が同時に成立するときには、計装アンプ１０の電気的キャリブレーションが行われることを意味する。その成立条件は、数式１および数式６の両分母から明らかなように、
を満たすときである。かくして数式７から、電気的キャリブレーションを行うためのＺ３（Ｒ３およびＣ３の直列接続）を算出することができる。この数式７に基づいて、Ｒ３およびＣ３の実際の値を計算した実例を次に述べる。
As is apparent from Equation 6, it can be expressed as V 3 = k 1 · V 1 (k 1 is a constant).
Further, looking at
V 3 = k 2 · V 2 = k 3 · V 1 (k 3 is a constant)
It can be expressed as. That is, it can be said that V 3 in
It is time to satisfy. Thus, Z 3 (series connection of R 3 and C 3 ) for performing electrical calibration can be calculated from Equation 7. Next, an actual example in which actual values of R 3 and C 3 are calculated based on Equation 7 will be described.
いまＲ１＝５０ｋΩ，Ｃ１＝３ｎＦであり、且つ、
Ｒ２＝１０ｋΩ，Ｃ２＝１５ｎＦであって、
交流電源電圧Ｖ１の周波数が１ｋＨＺであるとすると、角速度ωは、
ω＝２π・１０００＝６２８３（rad/sec）となる。
そこで、数式２を用いてＺ１およびＺ２を計算すると、
Ｚ１＝２６．５×１０３−ｊ２５．０×１０３ （Ω）
Ｚ２＝５．３０×１０３−ｊ４．９９×１０３ （Ω）
となるので、数式７よりＺ３を計算すると、
Ｚ３＝２２．１×１０３−ｊ２０．８×１０３ （Ω）
となる。そこで、このＺ３を複素インピーダンス表記から、抵抗値およびキャパシタンス値に変換すると、
Ｒ３＝２２．１ｋΩ，Ｃ３＝７．７ｎＦ
が得られる。
Now R 1 = 50 kΩ, C 1 = 3 nF, and
R 2 = 10 kΩ, C 2 = 15 nF,
When the frequency of the AC power supply voltage V 1 is assumed to be 1 kH Z, the angular velocity omega,
ω = 2π · 1000 = 6283 (rad / sec).
Therefore, when calculating Z 1 and Z 2 using Equation 2,
Z 1 = 26.5 × 10 3 −j25.0 × 10 3 (Ω)
Z 2 = 5.30 × 10 3 −j4.99 × 10 3 (Ω)
Therefore, if Z 3 is calculated from Equation 7,
Z3 = 22.1 × 10 3 −j20.8 × 10 3 (Ω)
It becomes. Therefore, when this Z 3 is converted from a complex impedance notation into a resistance value and a capacitance value,
R 3 = 22.1 kΩ, C 3 = 7.7 nF
Is obtained.
このようにして算出された抵抗Ｒ３（＝２２．１ｋΩ）およびコンデンサＣ３（＝７．７ｎＦ）をケーブルユニット内に載置することにより、既述の手順による電気的キャリブレーションを実施することができる。 By carrying out the resistor R 3 (= 22.1 kΩ) and the capacitor C 3 (= 7.7 nF) calculated in this way in the cable unit, the electrical calibration according to the above-described procedure is performed. Can do.
図４は、図３に示した交流電源３０および電圧測定回路３５の具体的な回路構成を示すブロック図である。換言すると、本図は、計装アンプ１０の出力電圧から交番成分sinωtに同期する成分のみを検出し、可動コアＭＣの変位量を表す測定値ｘのみを取り出すと同時に、差動トランスＬＶＤＴの１次巻線Ｔ１を駆動するための交流電源電圧Ｖ１を発生する回路を示す。
FIG. 4 is a block diagram showing a specific circuit configuration of
図４の１２はアンチ・エリアシング・フィルタ、１４はＡ／Ｄ変換器である。ここまでがアナログ信号処理系であり、後段の信号処理を安定化し且つ小型回路化するために、これ以降はデジタル信号処理系を用いる。本実施の形態では、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いてデジタル信号処理系を構成する。 In FIG. 4, 12 is an anti-aliasing filter, and 14 is an A / D converter. Up to this point, the analog signal processing system is used, and a digital signal processing system is used thereafter in order to stabilize the signal processing in the subsequent stage and reduce the size of the circuit. In this embodiment, a digital signal processing system is configured using an FPGA (Field Programmable Gate Array).
次に、このデジタル信号処理系について説明する。１６は、サイン波sinωtおよびコサイン波cosωtを発生させる正弦波発生器である。１８および２０は、サイン波sinωtおよびコサイン波cosωtと、Ａ／Ｄ変換器１４で量子化された電圧ＶＣとをそれぞれ掛け合わせる乗算器である。
Next, this digital signal processing system will be described. A
２２は位相検波器であり、各乗算器１８，２０から出力された乗算結果を正弦波１周期分だけ積算する。すなわち、コサイン波cosωtと量子化されたＶＣとを乗算した結果を１周期分積算した値をｘ座標値として算出し、且つ、サイン波sinωtと量子化されたＶＣとを乗算した結果を１周期分積算した値をｙ座標値として算出する。所謂、畳込み積分（コンボリューション）処理を実行する。ここで、差動トランスＬＶＤＴの可動コアＭＣが変位すると、ｘ座標値およびｙ座標値も共に変化することになる。すなわち、ｘ座標値およびｙ座標値により特定される座標は、ある範囲内で一定の軌跡を描くことになる。いま、２次元座標（ｘ，ｙ）に対応した極座標（ｒ，θ）を想定すると、この（ｒ，θ）をある角度だけ回転させてから可動コアＭＣを変位させた場合には、位相検波器２２から可動コアＭＣの位置を示す信号のみを出力することができる。
換言すると、２次元座標（ｘ，ｙ）では、ｒ＝（ｘ２＋ｙ２）１／２であり、位相θ＝tan−１（ｙ／ｘ）である。そこで、アナログ信号処理系での信号位相遅れ、および、デジタル信号処理系のクロック遅延などに起因して生じる遅れを補償するために、２次元座標（ｘ，ｙ）を所定の回転行列に入力し、必要とされるｘ座標値を演算する。このようにして位相検波器２２の出力端からは、可動コアＭＣの位置に対応した信号成分のみを出力する。
In other words, in the two-dimensional coordinates (x, y), r = (x 2 + y 2 ) 1/2 and the phase θ = tan −1 (y / x). Therefore, in order to compensate for the delay caused by the signal phase delay in the analog signal processing system and the clock delay in the digital signal processing system, the two-dimensional coordinates (x, y) are input to a predetermined rotation matrix. The required x-coordinate value is calculated. In this way, only the signal component corresponding to the position of the movable core MC is output from the output end of the
２４はゲイン調整器である。位相検波器２２から出力される信号は可動コアＭＣの位置に対応した信号ではあるが、長さの次元を持っていない。そこで、位相検波器２２から出力される信号の大きさを「ミリメートル」などの長さ単位に変換するために、所定の定数（＝ゲイン）を乗算する。かくして、ゲイン調整器２４からは、可動コアＭＣの位置（座標）を長さとして表す測定値Ｘが出力される。
デジタル信号処理系の正弦波発生器１６から出力されたサイン波sinωtは、Ｄ／Ａ変換器２６を介して、出力増幅器２８にも入力される。出力増幅器２８の２つの出力端からは、差動トランスＬＶＤＴの１次巻線Ｔ１を駆動するための電圧Ｖ１が出力される。
The sine wave sinωt output from the
次に、試験片の標点間伸びを測定するための材料試験機全体について説明する。
図５は、試験片ＴＰ上における２つの標点と差動トランスＬＶＤＴ（伸び計）との対応関係を示した説明図である。本図の例では、図示しないレバーを標点１，２に把持させることにより、標点間の伸び量を差動出力に変換する。
Next, the whole material testing machine for measuring the elongation between test marks of a test piece is demonstrated.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the correspondence between two gauge points on the test piece TP and the differential transformer LVDT (extensometer). In the example of this figure, the extension amount between the gauge points is converted into a differential output by gripping a lever (not shown) at the gauge points 1 and 2.
図６は、図４に示した交流電源３０および電圧測定回路３５を用いた材料試験機を示す全体構成図である。本図において、３１Ａおよび３１Ｂは一対の支柱であり、その内部にはモータ（図示せず）により回転されるボールねじ（図示せず）が内装されている。３２はクロスヘッドであり、上記ボールねじの回転に応じて上下に移動する。３４は基台、３６はクロスヨークである。３８は上つかみ具であり、図示しないロードセルを介してクロスヘッド３２に接続されている。４０は下つかみ具であり、基台３４に接続されている。４２は制御盤であり、図示しない負荷機構の制御のみならず、表示機５０（図３参照）および各種インタフェース回路（図示せず）ならびに各種データ処理を行うための演算回路（図示せず）を備えている。ＫＫは、図５で説明した差動トランスＬＶＤＴの把持機構部である。以上の各構成要素により、本実施の形態による材料試験機４４を構成する。
6 is an overall configuration diagram showing a material testing machine using the
−実施の形態による作用・効果−
本実施の形態によれば、以下に列挙する作用・効果を得ることができる。
（１）電気的キャリブレーションを実施するためのケーブルユニットを備えているので、電源を投入するたびに、伸び計キャリブレーション装置により実変位を与えてゲイン調整をする手間が必要なくなる。
より具体的に述べると、本実施の形態では、差動トランスに実変位を与えることなく電気的に仮想的変位出力を発生させるためのキャリブレーション用インピーダンス、ならびに、差動トランスに適合した電気的キャリブレーション用データをＲＯＭに記憶させている。その結果として、伸び計としての差動トランスから出力される差動出力を増幅する計装アンプが経年変化・温度変化などに起因して特性に変化が生じたとしても、実変位を与えてゲインを再調整するなど煩雑な操作が不要となる。さらに、計装アンプのゲイン設定を変えてしまったときにも、実変位を与えてゲインを再校正する必要があるが、本実施の形態によればこのような煩雑な操作は不要となる。
（２）差動トランスは用途に応じて数多くの種類があるが、本実施の形態によれば、それぞれの差動トランスと組みになるケーブルユニットを予め用意しておくことにより、使用する差動トランスに適合したゲインの調整を電気的行うことができる。その結果として、差動トランスを取り換えるたびに実変位を与えてゲイン調整を行う必要がなくなる。
（３）本実施の形態によるケーブルユニットを計装アンプに接続した場合には、差動トランスの差動出力端と計装アンプの入力端との間に減衰器が挿入される回路となる。その結果として、さまざまな出力電圧を有する差動トランスを使用する際にも、計装アンプのゲインが十分に大となるよう設計しておくことにより（たとえば、従来の１０倍以上）、差動トランスの定格出力電圧あるいは計装アンプの入力レンジに注意を払うことなく、単にケーブルユニットを接続すればよいことになる。
（４）ケーブルユニット内に搭載されている抵抗およびコンデンサならびにＲＯＭは、工場出荷時あるいはメインテナンス・修理時に組み込まれてユーザに引き渡される。その結果として、ユーザはケーブルユニットと差動トランスを一対として扱うだけで、その差動トランスに適合した電気的キャリブレーションが実行される。
（５）本実施の形態では、ケーブルユニットのＲＯＭに記憶されているデータを材料試験機本体が読み出して自動的にゲイン調整を行う構成としているので、ユーザは、キャリブレーション装置による校正操作を意識することなく、直ちに材料試験に取り掛かることができる。
-Effects and effects of the embodiment-
According to the present embodiment, the following actions / effects can be obtained.
(1) Since the cable unit for carrying out the electrical calibration is provided, it is not necessary to adjust the gain by giving an actual displacement by the extensometer calibration device every time the power is turned on.
More specifically, in this embodiment, a calibration impedance for electrically generating a virtual displacement output without giving an actual displacement to the differential transformer, as well as an electrical suitable for the differential transformer. Calibration data is stored in the ROM. As a result, even if the instrumentation amplifier that amplifies the differential output output from the differential transformer as an extensometer changes its characteristics due to aging, temperature change, etc., it gives an actual displacement and gain This eliminates the need for complicated operations such as readjustment. Furthermore, even when the gain setting of the instrumentation amplifier is changed, it is necessary to recalibrate the gain by giving an actual displacement. However, according to the present embodiment, such a complicated operation is not necessary.
(2) Although there are many types of differential transformers depending on the application, according to the present embodiment, a differential unit to be used can be obtained by preparing a cable unit in combination with each differential transformer in advance. Gain adjustment suitable for the transformer can be performed electrically. As a result, it is not necessary to adjust the gain by giving an actual displacement each time the differential transformer is replaced.
(3) When the cable unit according to this embodiment is connected to an instrumentation amplifier, a circuit in which an attenuator is inserted between the differential output end of the differential transformer and the input end of the instrumentation amplifier is provided. As a result, even when using differential transformers with various output voltages, the gain of the instrumentation amplifier is designed to be sufficiently large (for example, more than 10 times that of the conventional system). The cable unit can be simply connected without paying attention to the rated output voltage of the transformer or the input range of the instrumentation amplifier.
(4) Resistors, capacitors, and ROM mounted in the cable unit are incorporated into the factory or delivered to the user at the time of maintenance / repair. As a result, the user simply handles the cable unit and the differential transformer as a pair, and electrical calibration suitable for the differential transformer is executed.
(5) In this embodiment, since the material tester body reads out the data stored in the ROM of the cable unit and automatically adjusts the gain, the user is conscious of the calibration operation by the calibration device. Without having to do so, you can immediately begin material testing.
−変形例−
本実施の形態による各構成要素は、以下に列挙するよう変形することができる。
（１）計装アンプのゲイン調整は、マイクロコンピュータによる全自動調整とすることなく、使用する計装アンプの種類によっては、ユーザが測定値を見ながら手動で調整してもよい。
（２）本実施の形態では、ケーブルユニットのコネクタ部内に基板を設け、その基板上に抵抗・コンデンサ・ＲＯＭを搭載してあるが、この構成に限らず、他の部分（たとえば、ケーブルユニットの中央部）に設けてもよい。
（３）上述した実施の形態では、差動トランスを用いた伸び計について述べたが、静電式の変位計を用いて伸び量を測定する際にも、電気的キャリブレーションを実行することができる。
（４）計装アンプに入力する信号は、伸び計からの出力信号に限定されない。たとえば、供試体に負荷される荷重（試験力）に対応した信号を得るために、磁気弾性効果を有する磁性材料に巻回したコイルから交流電圧を出力させることもできる。
-Modification-
Each component according to the present embodiment can be modified as listed below.
(1) The gain adjustment of the instrumentation amplifier is not fully automatic adjustment by a microcomputer, and depending on the type of the instrumentation amplifier to be used, the user may adjust the gain manually while watching the measurement value.
(2) In this embodiment, a board is provided in the connector part of the cable unit, and the resistor / capacitor / ROM is mounted on the board. However, the present invention is not limited to this configuration. You may provide in a center part.
(3) In the above-described embodiment, the extensometer using a differential transformer has been described. However, electrical calibration may be performed when measuring the amount of elongation using an electrostatic displacement meter. it can.
(4) The signal input to the instrumentation amplifier is not limited to the output signal from the extensometer. For example, in order to obtain a signal corresponding to a load (test force) applied to the specimen, an AC voltage can be output from a coil wound around a magnetic material having a magnetoelastic effect.
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。また、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications unless the features of the present invention are impaired. Further, other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.
請求項１に記載した構成要素と、実施の形態との対応関係は次にカッコ書きで例示する通りである。
供試体（ＴＰ）に負荷される試験力または供試体に生じる変位量に対応したセンサ（ＬＶＤＴ）出力を、ケーブルユニット（ＣＵ）を介して計装アンプ（１０）に供給する材料試験機（４４）において、
前記ケーブルユニット内には、
前記計装アンプのゲイン調整時に、所定の開閉手段（Ｓ１）を介して、前記計装アンプの入力端とセンサ駆動電源との間に接続するための所定のインピーダンス素子（Ｒ３，Ｃ３）と、
前記インピーダンス素子を前記計装アンプの入力端に接続したとき、前記材料試験機から得るべき規定の測定値（Ｘ０）を記憶しておくメモリ手段（ＲＯＭ）とを備え、
前記開閉手段を閉成したときに得られる前記材料試験機の測定値（Ｘ）が、前記メモリ手段に記憶されている前記規定の測定値と一致するよう前記計装アンプのゲインを調整する（４０）ことにより、前記計装アンプの電気的キャリブレーションを実行することを特徴とする材料試験機。
なお、本発明を解釈する上で上記の対応関係は何ら限定とならない。
The correspondence between the constituent elements described in
A material testing machine (44) that supplies a test force applied to the specimen (TP) or a sensor (LVDT) output corresponding to a displacement generated in the specimen to the instrumentation amplifier (10) via the cable unit (CU). )
In the cable unit,
When adjusting the gain of the instrumentation amplifier, a predetermined impedance element (R 3 , C 3 ) for connection between the input terminal of the instrumentation amplifier and the sensor drive power source via a predetermined switching means (S 1) When,
Memory means (ROM) for storing a prescribed measurement value (X 0 ) to be obtained from the material testing machine when the impedance element is connected to the input terminal of the instrumentation amplifier;
The gain of the instrumentation amplifier is adjusted so that the measured value (X) of the material testing machine obtained when the opening / closing means is closed matches the specified measured value stored in the memory means ( 40) Thus, an electrical calibration of the instrumentation amplifier is executed.
It should be noted that the above correspondence relationship is not limited in interpreting the present invention.
２ センサ側コネクタ
４ ケーブル本体
６ 試験機側コネクタ
８ 基板
１０ 計装アンプ
３０ 交流電源
３５ 電圧測定回路
３８ 上つかみ具
４０ 下つかみ具
ＣＵ ケーブルユニット
ＬＶＤＴ 差動トランス
ＭＴＭ 試験機本体
ＴＰ 試験片
2
Claims (9)
前記ケーブルユニット内には、
前記計装アンプのゲイン調整時に、所定の開閉手段を介して、前記計装アンプの入力端とセンサ駆動電源との間に接続するための所定のインピーダンス素子と、
前記インピーダンス素子を前記計装アンプの入力端に接続したとき、前記材料試験機から得るべき規定の測定値を記憶しておくメモリ手段とを備え、
前記開閉手段を閉成したときに得られる前記材料試験機の測定値が、前記メモリ手段に記憶されている前記規定の測定値と一致するよう前記計装アンプのゲインを調整することにより、前記計装アンプの電気的キャリブレーションを実行することを特徴とする材料試験機。 In a material testing machine that supplies a sensor output corresponding to a test force applied to a specimen or a displacement generated in the specimen to an instrumentation amplifier via a cable unit,
In the cable unit,
A predetermined impedance element for connecting between an input terminal of the instrumentation amplifier and a sensor driving power source via a predetermined opening / closing means during gain adjustment of the instrumentation amplifier;
Memory means for storing prescribed measurement values to be obtained from the material testing machine when the impedance element is connected to the input terminal of the instrumentation amplifier,
By adjusting the gain of the instrumentation amplifier so that the measured value of the material testing machine obtained when the opening / closing means is closed matches the specified measured value stored in the memory means, A material testing machine that performs an electrical calibration of an instrumentation amplifier.
前記インピーダンス素子および前記メモリ手段は、前記ケーブルユニットのコネクタ部に載置されていることを特徴とする材料試験機。 The material testing machine according to claim 1,
The material testing machine, wherein the impedance element and the memory means are mounted on a connector portion of the cable unit.
前記センサ出力として、線形可変差動変圧器または静電式変位計の出力を用いることを特徴とする材料試験機。 The material testing machine according to claim 1 or 2,
A material testing machine using an output of a linear variable differential transformer or an electrostatic displacement meter as the sensor output.
前記センサ出力として、磁気弾性効果を有する磁性材料に巻回したコイルの出力を用いることを特徴とする材料試験機。 The material testing machine according to claim 1 or 2,
A material testing machine using an output of a coil wound around a magnetic material having a magnetoelastic effect as the sensor output.
前記ケーブルユニット内には、前記計装アンプの入力インピーダンスを決定するインピーダンス素子と一体となって、前記センサ出力の信号レベルを減衰させるための減衰器を形成するインピーダンス素子を更に備えていることを特徴とする材料試験機。 In the material testing machine according to any one of claims 1 to 4,
The cable unit further includes an impedance element that forms an attenuator integrated with an impedance element that determines an input impedance of the instrumentation amplifier to attenuate a signal level of the sensor output. Features material testing machine.
前記メモリ手段は、
校正された実変位もしくは実負荷が供試体に与えたときに得られるセンサ出力を前記計装アンプに入力し、前記実変位もしくは実負荷に相当する測定値が材料試験機から得られるよう前記計装アンプのゲインを調整した後、前記実変位もしくは実負荷を零に戻した状態で前記所定の開閉手段を閉成したときの測定値を前記規定の測定値として記憶する、
ことを特徴とする材料試験機。 In the material testing machine according to any one of claims 1 to 5,
The memory means includes
The sensor output obtained when the calibrated actual displacement or actual load is applied to the specimen is input to the instrumentation amplifier so that the measured value corresponding to the actual displacement or actual load can be obtained from the material testing machine. After adjusting the gain of the mounting amplifier, the measured value when the predetermined opening / closing means is closed in a state where the actual displacement or the actual load is returned to zero is stored as the specified measured value.
A material testing machine.
前記メモリ手段には、前記ケーブルユニットが接続されるセンサを特定する情報が記憶されていることを特徴とする材料試験機。 In the material testing machine according to any one of claims 1 to 5,
A material testing machine characterized in that the memory means stores information for specifying a sensor to which the cable unit is connected.
前記メモリ手段への書き込み処理は工場側もしくはサービス提供側にて行い、前記ケーブルユニットと、前記ケーブルユニットが接続される特定のセンサとは一対として使用されることを特徴とする材料試験機。 The material testing machine according to any one of claims 1 to 7,
The material testing machine is characterized in that the writing process to the memory means is performed at a factory side or a service providing side, and the cable unit and a specific sensor to which the cable unit is connected are used as a pair.
所定のセンサに接続されている前記ケーブルユニットを前記計装アンプに接続した状態において、材料試験機の電源投入後に前記所定の開閉手段を閉成すると、前記記憶手段に記憶されている測定値に基づいて前記計装アンプのゲインを自動調整するゲイン制御手段を有することを特徴とする材料試験機。 In the material testing machine according to any one of claims 1 to 8, in addition,
In a state where the cable unit connected to a predetermined sensor is connected to the instrumentation amplifier, when the predetermined opening / closing means is closed after the material testing machine is turned on, the measured value stored in the storage means is obtained. A material testing machine comprising gain control means for automatically adjusting the gain of the instrumentation amplifier based on the gain.
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