JP2010133911A - 物理量の変化測定システム，及び，標準時刻準拠データの特定方法． - Google Patents

Abstract

【課題】 物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサにより，標準時間を測定の時間基準とする精度の高い時系列データを得る．
【解決手段】
標準時間を刻時する刻時手段に同期して発振する周波数出力を有する基準クロック発振器と，マイクロプロセッサと，Ｄ／Ａ変換器と，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサと，Ａ／Ｄ変換器と，該基準クロック発振器の出力信号に同期して，この出力信号を測定時間の基準として該マイクロプロセッサにより，該Ｄ／Ａ変換器で前記センサに加える電気エネルギーの制御と，該出力信号に同期してセンサから出力される物理量の変化に対応する電気信号を該Ａ／Ｄ変換器にてＡ／Ｄ変換し，得られたデジタル値の演算を該マイクロプロセッサにより行い，標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データを得る．
【選択図】図６

Description

本発明は，物理量の変化を測定するシステムで，特に，標準時間に同期して低消費電力で物理量の変化をサンプリングする，あるいは，標準時間に準拠した時系列データに変換するデータ特定方法に関わる．

物理量の変化を測定する測定装置では，物理量の変化を測定するセンサに製品の規格で推奨された電圧や電流を供給してセンサを能動状態にし，物理量の変化に対応してセンサから出力される電気信号を被測定信号とし，Ａ／Ｄ変換器でデジタル値に変換する方法が一般的である．この場合，センサを能動状態にする励磁信号の出力やセンサの出力信号を増幅する等に関わる電子回路と，デジタル化に関わるＡ／Ｄ変換システム等とは別の製品として購入し使用されることが多い．そして，高精度のデジタルデータを得る場合，センサに関わる前記電子回路に電源を供給後，電子回路の自己発熱と環境温度とが適合し電子回路の出力が安定するまで待機後，その出力信号をデジタル化することが多い．特許文献１には，センサを能動状態にする回路とセンサの出力信号をＡ／Ｄ変換する機能が一体化された回路が開示されている．この文献の例では，マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）の制御で，差動トランスに励磁用の電圧として交流電圧を加え，差動トランスから出力される電圧信号をＡ／Ｄ変換してデジタルデータを取得し，演算によって変位を測定する方法が提案されている．しかし，測定時の環境温度に関わる考慮はなされていない．

上記の技術は，マイクロプロセッサ内部の処理を実行するシステムクロックを測定時間の基準にして，例えば，差動トランスの励磁電圧を出力し，センサから出力される電気信号のＡ／Ｄ変換を実施する方法である．マイクロプロセッサのシステムクロックは水晶発振子の発振周波数を利用することが多く，システムクロックはマイクロプロセッサ毎に発振周波数が違う．このようにシステムクロックの周波数が異なるため，複数の変位測定装置では制御スケジュールのタイミングが異なり，出力される差動トランス励磁用の交流電圧の周期が違うことになる．また，環境温度の変化でシステムクロックの発振周波数が変化すると差動トランス励磁用の交流電圧の周期が違ってくる．

近年は，デジタル化したデータをパソコン等で処理することが多く，測定結果はデータファイルとして整理される．データファイルにはデータを取得した時刻の情報も記録されることが多いが，特許技術１で開示されている方法には，データをデジタル化した時間を特定する手段が含まれていない．このため，デジタル化された複数のセンサによるデータを用いて時系列解析する場合，サンプリング時刻が異なるため，解析前に前処理を行い規格化された時系列データにする必要があった．すなわち，サンプリングされた複数のセンサのデータを用い内挿あるいは外挿により，標準時刻ないしはローカルな同一の基準時間に基づく時系列データに変換する煩わしい作業が必要があった．
特許公報第３２１１０２０号 変位検出装置．

上記特許文献１に記載の発明では，差動トランスの励磁用の電圧振幅は，物理量の変化に対応する出力信号の電圧振幅より大きい．例えば，
インターネットで公開されている新川センサテクノロジ株式会社の技術資料によると，ＬＦ１００−１では，
１）励磁電圧が１ＫＨｚ，８Ｖｒｍｓの時，
２）差動トランスの出力電圧は１３．０ｍＶｒｍｓ／ｍｍ，
となっている．この差動トランスの技術資料によれば，０．０１μｍ程度の変位検出を目的とする場合，この変位に対応する出力信号の振幅変化は０．１３ｍＶ程度で，励磁信号の振幅の０．００２％以下である．通常はこの例のように目的とする出力信号の電圧振幅より励磁信号の電圧振幅が大きく，複数の該変位検出装置を配置し作動させると，差動トランス励磁用の周波数が異なる複数の振幅が大きな交流電圧が，互いに，他の差動トランスの信号の振幅が小さい出力信号に影響を及ぼし，測定結果に誤差が重畳する（以下ではクロストークと記す）．すなわち，大きな電気エネルギーを持つ励磁信号が，信号線や電源線を介して伝搬し，あるいは，電波として伝搬する等，電気エネルギーが小さな差動トランスの出力信号に影響を与え被測定信号を乱す．この信号を乱す元凶である励磁信号の大きさは周期性を有し，クロストークの大きさが刻々とビート的に変化し，測定誤差となる．特に，該変位測定装置による差動トランスが互いに接近していたり，差動トランスの励磁信号と差動トランスの出力信号が交叉しているとクロストークが発生しやすく測定誤差が大きくなる．対象とする物理現象が高速で変化する場合，高速のサンプリングが要求されるが，特許技術１で開示されている方法では，高速になるほどシステムクロックの周波数の違いが顕著に影響し，測定誤差の原因になる．

また，渦電流センサでは，他のセンサの磁界内にセンサを設置すると，相互干渉によって出力信号に影響が出ることが知られている．言い換えれば，渦電流センサの場合は，近接した状態でセンサを使用すると，測定対象である金属内で磁界が相互干渉し，この相互干渉の割合に対応して出力信号が乱れ，測定誤差の原因となる．

物理量の変化を測定する複数のセンサによるデータを従前の技術で得た場合，そのデータの時系列解析する際に，相互のサンプリング時刻を一致させる必要がある．同一の観測システムに属する場合は，その観測システム固有の時間基準で時系列データを作成すればよいが，離れた場所におけるデータを比較する場合，時間の基準を一致させなければ，時系列解析ができない．物理量の変化が，標準時間を刻時する刻時手段の情報にしたがって取得された時系列データであれば，離れた場所で取得してデータファイル化された場合でも，データのサンプリング時刻が一致しているし，その特定が容易であり，複数の地点で取得したデータの時系列解析できる．

本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり，本発明の第１の局面は，次のように規定される．
標準時間を刻時する刻時手段と，その手段に同期して発振する周波数出力を有する発振手段と，マイクロプロセッサと，Ｄ／Ａ変換器と，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサと，Ａ／Ｄ変換器と，該発振手段の出力信号を測定時間の基準として該マイクロプロセッサにより，該Ｄ／Ａ変換器で前記センサに加える電気エネルギーの制御を行い，該出力信号に同期してセンサから出力される物理量の変化に対応する電気信号を該Ａ／Ｄ変換器にてＡ／Ｄ変換し，得られたデジタル値の演算を該マイクロプロセッサにより行い，標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データを得る．

このように規定される第１の局面による物理量の変化測定システムによれば，標準時間を刻時する刻時手段に同期して発振する周波数出力を有する発振手段の出力信号の変化を検出し，マイクロプロセッサはその信号変化に同期して，順次，以下の工程を実施する．すなわち，出力信号の信号変化を測定時間の基準とし，Ｄ／Ａ変換器に制御信号を出力し，センサに電気エネルギーを加え，センサの出力特性に合わせてセンサから出力される，電気エネルギーの変化に対応した電気信号の変化を遅延あるいは遅延することなく，マイクロプロセッサからＡ／Ｄ変換信号をＡ／Ｄ変換器に出力し，センサから出力される電気信号を必要に応じて増幅した後にＡ／Ｄ変換し，デジタル値に変換後演算手段で演算を行い，標準時間を測定時間の基準とする物理量変化の時系列データを得る．

第１の局面による物理量の変化測定システムであれば，測定システムが近接して設置されている場合でも，複数のセンサに加えられる電気エネルギーが同期して変化し，互いに，同じ割合で値のセンサの出力信号に重畳する．このため，センサの出力信号を乱す元凶である電気エネルギーの変化が，常時，同じ割合でセンサの出力信号に重畳し，クロストークの大きさも同じ割合になる．例えば，差動トランス励磁用の電圧が交流電圧として変化すれば，出力信号も交流電圧として変化する．さらに，信号に重畳するクロストークも交流電圧として作用し，クロストークの影響が同じ割合で信号に重畳する．位相遅れがある場合でも，常時，同じ位相遅れである．同じ割合の大きさや位相遅れであれば，結果としてクロストークを無視できる効果がある．

また，渦電流センサを近接して使用する場合は，センサに供給する電気エネルギーが相互干渉する周期が同じであり，振幅も同じであるため，常時，同じ割合で出力信号が乱され，結果としてその乱れを無視できる効果がある．センサの出力信号に重畳するセンサに供給される電気エネルギーによる影響も，前記の差動トランスの例と同様に同じ割合になり無視できる効果がある．本発明による物理量の変化測定システムであれば，測定システムの全体ないしは一部をモールド成形とする，あるいは，全体ないしは一部をＩＣチップ化することで小型化できる．このような場合，多数の測定システムが近接して配置される機会が多くなる．全ての測定システムが標準時間に同期した信号を測定時間の基準として作動すれば，クロストークによる誤差を軽減できる．

第１の局面における物理量の変化を測定する工程では，複数の測定システムが互いに離れて設置されている場合，標準時間を刻時する刻時手段に同期して発振する周波数出力を測定基準にできるため，独立のマイクロプロセッサの制御で取得したサンプリングデータを，同一の時系列データとして解析できる．特許技術１においては，測定基準として利用する発振手段の出力信号の発振周波数が異なる場合，複数のセンサによるデータを同一の時系列データとして解析できないため，データの前処理を行うか，発振手段の出力信号を，他のセンサ用の測定システムに送信するための信号線を配線する作業が必要になる．本発明の技術であれば，信号線とその設置作業の工程が節約できる．また，該配線する信号線が無いため，測定システムを移動して測定できる効果もあり，電池を電源とする野外測定用の測定システムの構築に適している．

本発明の第２の局面は，次のように規定される．すなわち，
標準時間を刻時する刻時手段と，その手段に同期して発振する周波数出力を有する発振手段と，マイクロプロセッサと，Ｄ／Ａ変換器と，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサと，Ａ／Ｄ変換器より構成され，
該発振器の出力信号を測定時間の基準とし，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサに，形状が定まった波形の電気エネルギーを，間歇的に一定時間供給し，第１の局面における場合と同様の工程で，標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データを得る．

このように規定される第２の局面による物理量の変化測定システムによれば，標準時間を刻時する刻時手段に同期して発振する周波数出力を有する発振手段の出力信号の変化を検出し，マイクロプロセッサはその信号変化に同期して，センサに一定の波形の電気エネルギー（例えば，一定の電圧，一定の電流，一定の磁場変動，１波長相当の交流電圧等）を決められた短い時間供給する．そしてセンサから出力される，電気エネルギーの変化に対応した電気信号の変化をセンサの出力特性を考慮して遅延あるいは遅延することなく，マイクロプロセッサからＡ／Ｄ変換信号をＡ／Ｄ変換器に出力し，センサから出力される電気信号を必要に応じて増幅した後にＡ／Ｄ変換し，変換したデジタル値を用い演算処理によって，標準時間を測定時間の基準とする物理量変化の時系列データを得る．

ストレイン・ゲージを使用する際に適用されることが多い，抵抗ブリッジ構成の回路で，物理量の変化に対応する抵抗値変化を検出する回路では，一定の大きさの電圧を間歇的にブリッジに供給し，同期して間歇的にブリッジ間に発生する電圧差をＡ／Ｄ変換すれば，物理量の変化に対応するデジタルデータが得られる．このパルス状の波形を供給する方法は，特公平７−２１５３６や特開２００１−１５３８９５に代表されるパルス電圧でセンサを励磁する場合にも適用できる．また，差動トランスや渦電流センサを励磁する際にセンサメーカーから推奨されている励磁周波数の交流波の波長相当，少なくとも１波長間，励磁電圧を供給する場合にも適用できる．

第２の局面による物理量の変化測定システムは，センサに電気エネルギーを連続して供給するシステムではない．この例では，標準時間を刻時する刻時手段に同期して発振する周波数出力を有する基準クロック発振器の出力信号の変化を検出し，マイクロプロセッサはその信号変化に同期して，間歇的に決まった波形の電気エネルギーをセンサに供給する．波形の電気エネルギーレベルが一定である場合，Ｄ／Ａ変換器を介さず，リレーやＩＣ化されたアナログスイッチ等を介して電気エネルギーをセンサに供給することもできる．アクティブセンサーの場合，センサに電気エネルギーを供給し，能動状態を維持するためには電気エネルギーを必要とする．電気エネルギーを連続して供給すると，センサや関連する電子回路が発熱し，自己発熱で電子回路が乱され出力信号がその影響を受け，一定時間が経過して環境温度との平衡が成り立つまで出力信号が不安定になることがある．しかし，本発明による構成であれば，センサに電気エネルギーを供給する時間を短くできるため，センサやセンサの電気信号を増幅する回路が発熱し，自己発熱により環境温度を乱す前に測定が完了でき，測定装置の低消費電力化ができる．さらに，物理量の変化をデジタルデータに変換するには，センサから間歇的に出力される物理量の変化に対応した電気信号が出力される時間に同期して，限られた時間だけＡ／Ｄ変換器を作動させ，他の時間はＡ／Ｄ変換器の電源を切る措置が可能で，Ａ／Ｄ変換器が自己発熱で環境温度を乱す前にＡ／Ｄ変換を完了させることができ，測定装置のさらなる低消費電力化ができ，電池を電源とする野外測定では節電効果がある．複数の信号を並列処理できるＡ／Ｄ変換器を使用すると，複数のセンサを同時に使用でき，測定システムの小型化ができる．

本発明の第３の局面は，次のように規定される．すなわち，
基準信号を発生する発振手段と，標準時間を刻時する刻時手段と，該発振手段の出力信号と該刻時手段の出力信号とを手動ないしは自動で同期させる信号同期手段を備え，非標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データを，その時系列データの前後の標準時刻および物理量の変化量とに対応付け，時刻差と物理量の変化量差を補正し，標準時刻に準拠した正規時間を測定基準とする物理量変化の時系列データを得る標準時刻準拠データの特定方法である．

このように規定される第３の局面による物理量の変化測定システム及び標準時刻準拠データ特定方法によれば，測定基準としての基準信号を，手動ないしは自動で，標準時間を刻時する刻時手段の出力信号に同期させ，その出力信号を基準に，第１の局面，及び，第２の局面と同様の工程で物理量の変化を求める．測定の時間基準である標準時刻は，例えば測地衛星の情報を受信するＧＰＳ時計等より得ることができるが，測地衛星からの電波の受信状態が不良になると，標準時計の情報が得られなくなる．標準時計の情報が得られない場合，本発明では，測定基準である基準信号を発生する発振手段による出力信号により，測定システムが自走し非標準時間を測定時間の基準とする時系列データを作成する．この状態は，標準時刻情報が得られるまで持続し，標準時計の情報が得られれば，その情報に基づいて，標準時計との同期が発生し，通常の測定状態に復帰する．標準時計の情報が得られない期間の非標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データは，前後の標準時刻を時系列基準とする物理量変化の時系列データを用い，内挿または外挿によって標準時計に準じる時系列データに変換される．また，必要に応じて，手動で標準時計に同期させることで，前記と同様の工程で内挿または外挿によって標準時計に準拠した正規時間を測定基準とする時系列データに変換される．手動ないしは自動で標準時計に同期させる機能がなければ，標準時計に準じる時系列データに変換できず，そのデータは時系列解析ができないことになる．

本発明の前記した，第１の局面において，測定システムとして発生するノイズ，すなわち，センサに供給する電気エネルギーがセンサの出力信号に及ぼす影響について述べた．このノイズだけでなく，通常，センサの出力信号には原因が特定できない信号がノイズとして重畳し，測定結果が乱れる．しかし，センサが能動状態で，センサが出力する電気エネルギーのパワーが強い時間帯であれば，センサの出力信号に与えるノイズの割合が減少し，いわゆるＳ／Ｎ比が向上し，出力信号のレベルを正確に検出できる．したがって，センサから出力される物理量の変化を反映した電気信号の処理に当たり，電気エネルギーのパワーが強い時間を選択してＡ／Ｄ変換すれば，出力信号に重畳する信号の乱れ（ノイズ）を相対的に小さくでき，物理量の変化を精度よく測定できる．本発明の構成では，電気エネルギーをセンサに供給する時間が制御できるため，センサから出力される信号の電気エネルギーのパワーが強い時間を特定でき，その時間を選択してＡ／Ｄ変換すれば，精度の高い測定結果が得られる利点がある．

本発明による第１の局面，及び第２の局面では，センサに供給する電気エネルギー波形が交流である場合や，パルスである場合について説明したが，本発明では，Ｄ／Ａ変換器を制御することでセンサに供給する電気エネルギーの波形を決めることができる．この特徴を生かせば，電気エネルギーの振幅を時間的に変更する場合，パルスの幅を変える場合等，物理量の変化を測定するセンサや測定対象の特性に適合させて，供給する電気エネルギーの発振周波数や波形（正弦波や矩形波に限らず，三角波，ノコギリ波，ランプ波等）を選択することで検出感度を向上させ，Ｓ／Ｎ比をよくすることができる．このようにセンサに最適な電気エネルギーを選択して供給できるため，近接したセンサ間のクロストークを避けつつ，精度の高い測定結果が得られる利点がある．あるいは，観測システムの消費電力を最小とする最適な電気エネルギー波形を選択する方法も模索できる．

本発明による第１の局面，第２の局面，第３の局面では，測定により得られたデジタルデータは，標準時間に同期しているか標準時間に準拠しているため，マイクロプロセッサの内部メモリーに保存，周辺機器のメモリーに保存，あるいは，外部機器にデータ伝送する等，複数のセンサのデータを同じ時系列データとしてファイル化できる．また，複数のセンサによるデータが標準時刻に同期あるいは準拠してサンプリングされるため，離れた場所におけるセンサで得られたデータを，リアルタイムで比較しながら解析することもできる．

本発明による物理量の変化測定システムの第１実施例について，図１，図２で説明する．この実施例は，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサとして，差動トランス１５を使用する例を示す．図１で示すように，刻時手段１１，発振手段１２，マイクロプロセッサ１３，Ｄ／Ａ変換器１４，差動トランス１５，Ａ／Ｄ変換器１６より構成され，Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータを用いてマイクロプロセッサによる演算処理により標準時間をサンプリングの時間基準とする物理量変化の時系列データを得る．

発振手段１２は，刻時手段１１の信号により標準時刻に同期した信号を出力する．マイクロプロセッサ１３は，その標準時間に同期した信号の変化を検出して，Ｄ／Ａ変換器１４により差動トランス１５に電気エネルギー，すなわち励磁用の交流電圧を供給する．マイクロプロセッサ１３はマイクロプロセッサのシステムクロックで制御できる範囲内で，Ｄ／Ａ変換器１４の出力電圧を変化させながら，差動トランス１５に製品規格で推奨された交流電圧を供給する．そして，図２で示すように，マイクロプロセッサ１３でＡ／Ｄ変換器１６を制御し，差動トランス１５から出力される物理量の変化に対応する電気信号を，必要に応じて増幅した後，Ａ／Ｄ変換器１６によりデジタル値に変換する．さらに，演算処理を行って，物理量変化の時系列データを得る．図２は，特許文献１より引用した図である．

この例の場合，差動トランス１５に交流信号を供給後，差動トランスから出力される電気信号の遅延時間を考慮して，デジタル信号の加減算等の演算を行う．図２では，１波長相当の単位区間が示されており，期間ＡではＡ／Ｄ変換結果を加算し，期間Ｂでは符号を反転させて加算する．この加算結果により，アナログ回路での位相検波と同等の効果を得ることができる．位相検波回路は部品点数も多く調整が難しい回路であるが，この例のように，アナログ回路では調整が難しい位相検波回路と同等の結果を本発明の手法であれば単純な加算で実施できる利点がある．変位量に換算する際，振幅の大きさを考慮して，ここには図示してないが，予め作成した換算表にしたがってリニアライズすることも可能である．本発明による物理量の変化測定システムであれば，差動トランス１５の出力信号が差動出力の場合，出力振幅が大きな期間のデータを選択的に使用すれば，Ｓ／Ｎを向上させることができる．しかも，標準時間をサンプリングの時間基準とする物理量変化の時系列データを得ることができ，複数の差動トランスを接近して使用してもクロストークで測定結果が乱されることもない．

ここには図示しないが，上記の実施例はセンサに供給する電気エネルギーの波形が差動トランスに供給する波形と類似している渦電流センサーでも適用できる方法である．また，上記の説明ではセンサに交流的な電気エネルギーを供給する方法を述べた．しかし，センサーによっては，感度を向上させる，あるいは，Ｓ／Ｎ比を向上させることに適する場合であれば，交流的な電気エネルギーの供給より，Ｄ／Ａ変換を制御して，三角波，ランプ波，矩形波等を出力することにより測定精度を向上させることができる．

本発明による物理量の変化測定システムの第２実施例について，図３，図４，図５で説明する．この実施例は，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサとして，ブリッジ構成のストレイン・ゲージ２５を使用する例である．図３で示すように，刻時手段２１，発振手段２２，マイクロプロセッサ２３，リレー２４，ブリッジ構成のストレイン・ゲージ２５，Ａ／Ｄ変換器２６より構成され，Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータを用いてマイクロプロセッサ２３により演算処理して，標準時間をサンプリングの時間基準とする物理量変化の時系列データを得る．

発振手段２２は，刻時手段２１の信号により標準時刻に同期した信号を出力する．マイクロプロセッサ２３は，その標準時間に同期した信号の変化を検出して，リレー２４を用いて，図４で示すストレイン・ゲージ２５に電気エネルギーを一定時間，間歇的に供給する．すなわちブリッジ構成の抵抗２５に，ここには図示してない基準電圧Ｖを一定時間供給する．そして，マイクロプロセッサ２３の制御で，基準電圧が供給された直後に，ブリッジ構成の抵抗から出力される物理量の変化に対応した電気信号ｖを，必要に応じて増幅してＡ／Ｄ変換器２６に入力し，デジタルデータに変換する．図５に，想定される電気エネルギーの供給電圧Ｖ（図５の下方）と物理量の変化に対応する，ブリッジ構成の抵抗から出力される電気信号の電圧変化ｖ（図５の上方）のタイミングを図示した．そして，電気エネルギーを供給している時間にブリッジ構成の抵抗から出力される出力信号をＡ／Ｄ変換し，演算処理して物理量変化の時系列データを得る．ブリッジ抵抗にによる測定では，ブリッジ抵抗に流す電流を多くすれば精度がよい結果が得られるが，自己発熱で環境温度を乱す．しかし，本発明では，電流を流した直後にＡ／Ｄ変換を行うため，自己発熱により環境温度が乱れる前にＡ／Ｄ変換が完了し，かつ，電流の供給を絶つため精度が高い測定結果が得られる．ブリッジ抵抗に電流が供給されている時に，高速でＡ／Ｄ変換器を作動させ多数のデジタルデータを得た後，そのデータを平均化すれば測定誤差をさらに軽減できる．この例の場合も，複数の測定システムが近接して設置されていても同じ割合のクロストークを受けている状態でＡ／Ｄ変換するため，クロストークの影響は軽減できる．

本発明による第２実施例であれば，物理量の変化測定システムを連続して作動させる必要はなく，基準電圧をブリッジ構成のストレイン・ゲージ２５に供給する時間を含め，測定システム全体をデータをサンプリングする時間だけ作動させればよく，低消費電力の物理量の変化測定システムが構築できる．例えば，１回の測定が１秒間で完了し，測定間隔は１０分であるとする．測定間隔６００秒の間で測定システムの作動時間は１秒間であり，平均の消費電力は，連続して作動する場合と比較すると，
１／６００≒０．１６７％ （１）
である．従前の技術で１ＫＷの消費電力が必要であった測定システムが，２Ｗ以下の消費電力で実施できる．ここでは，ブリッジ構成のストレイン・ゲージ２５をセンサーにする実施例について説明した．物理量の変化に対応してセンサの抵抗値が変化する場合，この実施例のようにブリッジ構成にすれば，抵抗値変化を電圧変化として出力でき，この実施例と同様の工程で各種のセンサに適用すれば，物理量の変化に対応したデジタルデータが得られる．この場合，前記したように予め作成した換算表や関係式にしたがってリニアライズすることが可能である．

例えば，フォトセンサは光や紫外線で，赤外線センサは赤外線の変化に対応して抵抗値が変化するため，実施例２で説明した方法で，赤外線・可視線・紫外線の変化を標準時間を基準にした時系列のデジタルデータとしてデータファイル化できる．サーミスターは，Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ（熱に敏感な抵抗体）の総称であり，白金測温抵抗体と共に環境温度の変化に対応して抵抗値が変化するため，これらをセンサに利用すれば，実施例２で説明した方法で，環境温度の変化を標準時間を基準にした時系列のデータファイルができる．湿度センサは抵抗変化を感じるセンサで，半導体式ガス・センサはガス濃度を抵抗値変化で検出するセンサであり，磁気センサとしてのＩｎＳｂホール素子，ＧａＡｓホール素子，ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）素子は磁気の変化を抵抗値の変化として検出する素子で，共に実施例２で説明した方法で，磁気の変化を標準時間を基準にした時系列のデータファイルができる．この場合も必要に応じて予め準備した関係式や換算表によりセンサのリニアライズをすることも可能で，低消費電力の測定システムが構築できる．

実施例２では，基準電圧を一定の時間リレー２４を用いてストレイン・ゲージ２５に供給する場合について説明したが，実施例１のようにＤ／Ａ変換器から基準電圧を供給してもよい．また実施例１で説明したように，Ｄ／Ａ変換器から差動トランスや渦電流センサで推奨されている励磁周波数の整数倍の波長相当の時間に限り，励磁電圧を差動トランスや渦電流センサーに供給する場合にも適用できる．この場合は，差動トランスや渦電流センサによる変位測定が短時間で終了し，低消費電力の変位測定システムが構築できる．

本発明による物理量の変化測定システムの第３実施例について，図６，図７，図８で説明する．第３実施例は，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサとして渦電流センサ３５を使用する例である．図６で示すように，刻時手段３１，発振手段３２，信号同期手段３２Ａ，マイクロプロセッサ３３，Ｄ／Ａ変換器３４，渦電流センサ３５，Ａ／Ｄ変換器３６より構成され，Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータを用いてマイクロプロセッサ３３による演算処理で，標準時間をサンプリングの時間基準とする時系列データを得る．

図６で示した第３実施例では，測定基準である基準信号を発生する発振手段３２の出力信号は，信号同期手段３２Ａの制御により標準時間を刻時する刻時手段３１の出力信号と同期する構成，言い換えれば，発振手段３２の出力信号は標準時間に同期した信号が出力できる構成である．具体的には，１）発振手段３２の発振を停止し，刻時手段３１の信号あるいは手動信号で発振を開始させる，２）発振手段３２の構成要素であるカウンタを刻時手段３１の信号あるいは手動信号でリセットする，等の手法がある．このようにして，標準時間に同期した信号を信号同期手段３２Ａに入力することで，発振手段３２から標準時間と同期した出力信号を得ることができる．マイクロプロセッサ３３は発振手段３２の出力信号の変化を検出し，制御信号によりＤ／Ａ変換器３４を制御し，交流電圧を渦電流センサ３５に供給する．そして，渦電流センサの出力信号を必要に応じて増幅し，Ａ／Ｄ変換器３６でデジタル値に変換し，マイクロプロセッサ３３による演算処理で，物理量の変化に対応する時系列データを得てデータのファイル化をする．ここには図示してないが，予め作成した関係式や換算表を利用し，リニアライズすることもできる．また，時系列データは必要に応じてリアルタイム解析に使用される．

近年は，測地衛星の電波を受信することで簡単に標準時間が入手でき，発振手段２３は標準時計に従う測定時間の基準となる出力信号し，物理量の変化測定システムで標準時間を基準にした時系列のデジタルデータを得ることができる．しかし，測地衛星の電波の受信状態が悪化すると標準時間を入手できなくなり，所定のデジタルデータが得られなくなる．このような場合，発振手段３２の出力信号は遅速するが，その出力信号を測定時間の基準として時系列データが作成される．しかし，電波の受信状態が良好になり，自動で標準時計に同期した信号が得られた場合，あるいは，手動で標準時計に同期した情報を入力した場合，信号同期手段３２Ａにより，発振手段３２より出力される信号は標準時計に従う測定基準となり，物理量の変化測定システムで標準時間を基準にした時系列のデジタルデータを得ることができる．

本発明による物理量の変化を測定する測定装置であれば，信号同期手段３２Ａにより手動あるいは自動で，測定基準としての基準信号を発生する発振手段３２に基づく時系列データを，標準時計に同期した刻時手段による発振信号に基づく時系列データに，変換できる手段があるため，電波の受信状態が不良で，ＧＰＳ時計による標準時計の情報が入手できない場合でも，演算により標準時計に準拠した正規時間を基準とする時系列データを得ることができる．この場合，時間軸上の変更と共に，物理量の変化に対応する電気信号をデジタル化したデジタルデータの値も，予め作成した感度補正データを用いてリニアライズしつつ，内挿あるいは外挿により補正すれば，よりよい時系列解析が実施できる．すなわち，物理量の変化を仮定し，例えば，直線近似により比例配分する，２次式を仮定した近似をする，３次式を仮定した近似をする，スプライン関数を当てはめる近似をする等，発振手段２３より出力された遅速している出力信号に基づく標準時計に準拠していない時間に基づくサンプリングデータを用い，内挿あるいは外挿により，物理量の変化に対応するデジタルデータも，標準時間を基準にした時系列に対応する変化量の補正を行い，標準時刻準拠データにする．

図７は，サンプリングの途中に標準時計の情報が得られなかった場合，標準時刻に準拠した時系列データを演算で求める例である．図７の下部に標準時刻に該当する時間基準を記し，図７の上部にデータのサンプリング時間を記した．図７でＴと記した時間は，標準時間を測定の基準とした場合のデータで，補正する必要はない（区間Ｂの大きな黒丸）．Ｔ’と記した時間は標準時刻が得られず，遅速をしている発振手段２３の出力信号を基準にして測定した時系列データ（区間Ａの小さな黒丸）である．このＴ’と記した時間に得られたデータは，補正を行って標準時刻に準拠した正規時間を測定基準とするデータに変更する必要がある．第１に，区間Ａの前後の区間Ｂにおける標準時間を基準にして，遅速をしている発振手段２３の出力信号を基準にして測定した時系列データ（区間Ａの小さな黒丸）のサンプリング時刻の遅速を求める．そして，その遅速の割合に応じて，区間Ａで得た物理量の変化量であるデジタル値（小さな黒丸）から，該当する時刻の物理量の変化量を比例配分により内挿で求める（図中の大きな白丸）．大きな黒丸と大きな白丸が，標準時間に準拠した正規時間を測定基準にした時系列データである．ここでは，データを内挿する際に直線近似で比例配分する例を示した．

図８はサンプリングの途中で，標準時間の情報が得られた場合の例である．図７と同様に，Ｔと記した時間ではデータを補正する必要はない．Ｔ’と記した時間におけるサンプリング時間は，Ｔと記した時間の標準時間を基準にして遅速の割合に応じて外挿で決める．さらに，その時間に対応させて，それぞれＡ／Ｄ変換で得たデジタルデータ（区間Ａの小さな黒丸）を用い，該当する標準時間に準拠した正規時間の物理量の変化量を比例配分により外挿で求める（区間Ａの大きな白丸）．大きな黒丸と大きな白丸が，標準時間に準拠した正規時間を測定基準にした時系列データである．ここでは，データを外挿する際に直線近似で比例配分する例を示した．

なお，上記実施例等では主として交流電圧としてセンサに励磁電圧を供給する差動トランスや渦電流センサ利用する変位測定装置について説明したが，本発明における手法は，上記のセンサに限定されず，電気エネルギーの供給を受けて反応するアクティブセンサーであれば適用できる．また，圧電素子のように圧力変化に対応して出力電圧が変化する等，パッシブセンサであれば，Ｄ／Ａ変換器を介して一定の波形の電気エネルギーを供給すれば，センサ周辺に標準時刻に同期した環境変化を与え，その環境変化に同期してセンサに生じた出力変化をＡ／Ｄ変換することができる．この人工的な擾乱現象によるデジタルデータは，標準時刻を基準としたセンサの感度検定や作動状況のチェックに利用できる．

本発明により物理量の変化測定システムは，構成要素全体ないしは一部をモールド形成する，あるいはＩＣ化する等ができ，測定システムの小型化が可能である．

この発明は，上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない．特許請求の範囲を逸脱せず，当事者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる．

本発明による物理量の変化測定システムの第１の構成図． 本発明のタイミング図を示す第１例． 本発明による物理量の変化測定システムの第２の構成図． 本発明に使用するセンサの例としての抵抗ブリッジ回路． 本発明のタイミング図を示す第２例． 本発明による物理量の変化測定システムの第３の構成図． 本発明により得られたデータを，内挿方法により時間と変化量を補正した標準時間に準拠した時系列データの例． 本発明により得られたデータの時間を外挿方法により補正し，変化量を内挿法により補正した標準時間に準拠した時系列データの例．

符号の説明

１１，２１，３１ … 刻時手段
１２，２２，３２ … 発振手段
１３，２３，３３ … マイクロプロセッサ
１４，３４ … Ｄ／Ａ変換器
１５ … 差動トランス
１６，２６，３６ … Ａ／Ｄ変換器
２４ … リレー
２５ … ブリッジ構成のストレイン・ゲージ
３２Ａ … 信号同期手段
３５ … 渦電流センサ

Claims (3)

1. 標準時間を刻時する刻時手段と，その手段に同期して発振する周波数出力を有する発振手段と，マイクロプロセッサと，Ｄ／Ａ変換器と，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサと，Ａ／Ｄ変換器より構成され，
   該発振手段の出力信号を測定時間の基準として該マイクロプロセッサにより，該Ｄ／Ａ変換器で前記センサに加える電気エネルギーの制御を行い，該Ｄ／Ａ変換器の出力信号に同期してセンサから出力される物理量の変化に対応する電気信号を該Ａ／Ｄ変換器にてＡ／Ｄ変換し，得られたデジタル値の演算を該マイクロプロセッサにより行い，標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データを得ることを特徴とする物理量の変化測定システム．
2. 標準時間を刻時する刻時手段と，その手段に同期して発振する周波数出力を有する発振手段と，マイクロプロセッサと，Ｄ／Ａ変換器と，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサと，Ａ／Ｄ変換器より構成され，
   該発振手段の出力信号を測定時間の基準とし，電気エネルギーの供給を受け物理量の変化に対応した電気信号を出力するセンサに，形状が定まった波形の電気エネルギーを，間歇的に一定時間供給することを特徴とする請求項１に記載の物理量の変化測定システム．
3. 基準信号を発生する発振手段と，標準時間を刻時する刻時手段と，該発振手段の出力信号と該刻時手段の出力信号とを自動ないしは手動で同期させる信号同期手段を備え，非標準時間を時系列基準とする物理量変化の時系列データを，その時系列データの前後の標準時刻および物理量の変化量とに対応付け，時刻差と物理量の変化量差を補正し，標準時刻に準拠した正規時間を測定基準とする物理量変化の時系列データを得ることを特徴とする請求項１，及び，請求項２に記載の物理量の変化測定システムによる標準時刻準拠データの特定方法．

Images