JP2012154701A - Carrier wave type dynamic strain measuring instrument - Google Patents

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Shinji Kubodera
眞司 久保寺
Takahiro Hasegawa
高広 長谷川
Koji Okamoto
興司 岡本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To automatically and constantly cancel unbalanced components by floating capacitance included in four sides of a measurement bridge to accurately measure actual resistance components in accordance with change of a resistance value according to a distortion gauge for forming the measurement bridge.SOLUTION: A carrier wave type dynamic strain measuring instrument includes: a measurement bridge 11; carrier wave amplifier circuits 21a, 21b; a resistance phase detection circuit 22; first and second capacitance cancellation drive circuits 24a, 24b which convert phase shift into a compensation amount; first and second phase shift circuits 25a, 25b which supply reference voltage which is used as a reference of the phase shift to the capacitance cancellation drive circuits 24a, 24b, respectively; and an oscillation circuit 26 which generates carrier waves. The carrier wave type dynamic strain measuring instrument further includes first and second capacitors Cb, Cd for feedback, and automatically cancels all unbalanced components due to floating capacitance (Cu1-Cu4) to be mixed in resistance of each of four sides of the measurement bridge 11 in parallel by actions of the capacitors Cb, Cd.

Description

本発明は、搬送波型動ひずみ測定器に係り、より詳しくは、電源ノイズの影響を阻止しつつ、測定ブリッジを構成するひずみゲージの4辺(抵抗)のうち、1辺乃至4辺の各々に並列的に発生する浮遊容量成分による容量不均衡成分を、常に自動的に、全て打消すことができる搬送波型動ひずみ測定器に関するものである。   The present invention relates to a carrier-type dynamic strain measuring instrument, and more specifically, to each of one to four sides of four sides (resistance) of a strain gauge constituting a measurement bridge while preventing the influence of power supply noise. The present invention relates to a carrier-type dynamic strain measuring instrument that can automatically and automatically cancel all the capacitive imbalance components due to stray capacitance components generated in parallel.

従来、ひずみゲージを使用した応力測定には、搬送波型動ひずみ測定器が多用されている。その理由は、電源などのハムノイズに原理的に強く、また、測定ブリッジまでの接続配線に接点などを使用しても熱起電力に影響されず、高精度の測定ができるからである。
また、ひずみゲージを使用して応力測定をする場合、ひずみゲージは、小型、軽量であり、測定対象物に殆ど影響を与えないことが最大の特徴である。
一般に、測定点からひずみ測定器まで入力ケーブルを延長する必要があるが、搬送波型動ひずみ測定器を使用する場合、前記入力ケーブルによる分布容量(浮遊容量とも称される)が生じる。
前記分布容量は、測定ブリッジの抵抗値の初期不平衡値と共に、容量分の初期不平衡値として現れる。ひずみゲージの抵抗変化分は測定に必要なものであるが、容量分は、正確な測定を妨げる要因(測定精度阻害要因)となる。
この容量分に関しては、入力ケーブルの長さ、周囲の温度、湿度などの環境で常時変化する。
ここで、容量不平衡成分がいかに正確な測定を得ることの阻害となるかについて、図18(a)、図18(b)を用いて説明する。
Conventionally, a carrier type dynamic strain measuring instrument is frequently used for stress measurement using a strain gauge. The reason is that, in principle, it is strong against hum noise such as a power supply, and even if a contact is used for the connection wiring to the measurement bridge, it is not affected by the thermoelectromotive force, and highly accurate measurement can be performed.
In addition, when measuring stress using a strain gauge, the strain gauge is small and lightweight, and the greatest feature is that it hardly affects the measurement object.
In general, it is necessary to extend an input cable from a measurement point to a strain measuring device. However, when a carrier-type dynamic strain measuring device is used, a distributed capacitance (also referred to as stray capacitance) is generated by the input cable.
The distributed capacity appears as an initial unbalance value for the capacity together with an initial unbalance value of the resistance value of the measurement bridge. The change in resistance of the strain gauge is necessary for measurement, but the capacity is a factor that hinders accurate measurement (measurement accuracy impediment factor).
The capacity is constantly changed in the environment such as the length of the input cable, the ambient temperature, and the humidity.
Here, how the capacitance unbalanced component hinders obtaining an accurate measurement will be described with reference to FIGS. 18A and 18B.

図18(a)は、一般的な搬送波型動ひずみ測定器において、ひずみ測定器からホイートストンブリッジ回路構成の測定ブリッジに至るまでの回路構成を図式化した説明図であり、図18(b)は、図18(a)の等価回路図である。
図18(a)において、搬送波型動ひずみ測定器83に、測定ブリッジ81の固定抵抗R1,R2,R3およびひずみゲージR4(測定箇所の抵抗)で構成されるホイートストンブリッジ回路を、入力ケーブル82で接続した状態を示すものである。ホイートストンブリッジ回路構成の測定ブリッジ81には、小型、軽量であって、測定対象物の変形に殆ど影響を与えないひずみゲージR4が使用されるが、入力ケーブル82には、分布容量(浮遊容量とも称される)が生じる。この分布容量は、固定抵抗R1,R2,R3およびひずみゲージR4からなる測定ブリッジ81の出力中に、初期不平衡値と共に、容量分の不平衡値としても現れる。このひずみゲージR4の抵抗変化分は測定に必要なものであるが、容量分およびその変化は、上述したように、正確な測定を妨げる要因(測定精度阻害要因)となる。
FIG. 18A is an explanatory diagram schematically showing a circuit configuration from a strain measuring instrument to a measurement bridge having a Wheatstone bridge circuit configuration in a general carrier-type dynamic strain measuring instrument. FIG. FIG. 19 is an equivalent circuit diagram of FIG.
In FIG. 18A, a Wheatstone bridge circuit composed of the fixed resistances R1, R2, R3 of the measurement bridge 81 and the strain gauge R4 (resistance at the measurement point) is connected to the carrier dynamic strain measuring instrument 83 with an input cable 82. It shows the connected state. The measuring bridge 81 of the Wheatstone bridge circuit configuration uses a strain gauge R4 that is small and lightweight and hardly affects the deformation of the measurement object, but the input cable 82 has a distributed capacitance (both stray capacitance). Is called). This distributed capacity also appears as an unbalanced value for the capacity together with the initial unbalanced value in the output of the measurement bridge 81 composed of the fixed resistors R1, R2, R3 and the strain gauge R4. The resistance change of the strain gauge R4 is necessary for the measurement, but the capacitance and the change are factors that hinder accurate measurement (measurement accuracy impediment factor) as described above.

以下、この測定精度阻害要因についてさらに詳しく分析する。
図18(a)に示すひずみ測定器83からホイートストンブリッジ回路構成の測定ブリッジ81までの間の回路構成では、入力ケーブル82が介在することにより、測定ブリッジ81の各辺と接地(GND)との間にC分が存在する。
測定ブリッジ81の4辺の抵抗は、R1〜R4とし、該4辺のC分をC1〜C4とすると図18(b)のような等価回路となる。さらに、測定ブリッジ81の4辺は、抵抗値Rとし、4辺の容量の不平衡分を容量値Caとし、GNDとの間のC分を容量値Cgとすると、図19に示すような等価回路となる。但し、図19に示す等価回路では、A−C間に搬送波電圧Eを印加し、測定ブリッジ81の出力電圧をEoutとしている。
以下の説明では、GNDとの間のC分(即ちCg)は、GNDとの絶縁が十分であれば、Cgは、無視することができる。
搬送波電圧Eの角周波数をωとすると、図19に示す等価回路の出力電圧Eoutは、(1)式で示される。
Hereinafter, this measurement accuracy impeding factor will be analyzed in more detail.
In the circuit configuration from the strain measuring instrument 83 to the measurement bridge 81 of the Wheatstone bridge circuit configuration shown in FIG. 18A, the input cable 82 is interposed so that each side of the measurement bridge 81 and the ground (GND) are connected. There are C minutes in between.
When the resistances on the four sides of the measurement bridge 81 are R1 to R4, and the C components on the four sides are C1 to C4, an equivalent circuit as shown in FIG. Furthermore, assuming that the four sides of the measurement bridge 81 have a resistance value R, an unbalanced portion of the capacitances of the four sides is a capacitance value Ca, and a C portion between the GND and the GND is a capacitance value Cg, an equivalent as shown in FIG. It becomes a circuit. However, in the equivalent circuit shown in FIG. 19, the carrier voltage E is applied between A and C, and the output voltage of the measurement bridge 81 is Eout.
In the following description, Cg can be ignored for the C portion (that is, Cg) with GND if the insulation from GND is sufficient.
If the angular frequency of the carrier voltage E is ω, the output voltage Eout of the equivalent circuit shown in FIG.

Figure 2012154701
また、ひずみ量をεとし、ゲージ率をKsとすると、1枚ゲージである場合の等価ブリッジの出力電圧Eoutは、(2)式で示される。
Figure 2012154701
Further, assuming that the strain amount is ε and the gauge factor is Ks, the output voltage Eout of the equivalent bridge in the case of a single gauge is expressed by equation (2).

Figure 2012154701
(1)式および(2)式から(3)式が得られる。
Figure 2012154701
Equation (3) is obtained from Equation (1) and Equation (2).

Figure 2012154701
ゲージ率Ks=2.00として、(3)式をひずみ量εに関して解くと、(4)式を得る。
Figure 2012154701
When the gauge factor Ks = 2.00 and the equation (3) is solved with respect to the strain amount ε, the equation (4) is obtained.

Figure 2012154701
さらに、(4)式を実数部と虚数部とに分けると、(5)式に変形される。
Figure 2012154701
Furthermore, when the expression (4) is divided into a real part and an imaginary part, the expression (5) is transformed.

Figure 2012154701
(5)式において、aを(6)式、bを(7)式と置くと、(8)式を得る。
Figure 2012154701
In formula (5), if a is set as formula (6) and b is set as formula (7), formula (8) is obtained.

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
但し、(8)式において、cosθ、sinθおよびzは、それぞれ(9)式で示される。
Figure 2012154701
However, in the equation (8), cos θ, sin θ, and z are represented by the equation (9), respectively.

Figure 2012154701
(8)式は、位相のずれた正弦波の合成波形の式となることを示している。
Figure 2012154701
Expression (8) indicates that the expression is a composite waveform of a sine wave having a phase shift.

以下、等価ブリッジのC分の不平衡分(容量値Ca)と、ひずみ量εとの関係を説明する。
図20は、ひずみゲージの抵抗値が120Ωの場合と350Ωの場合において、それぞれ容量値Caと、ひずみεとの関係を(5)式と(8)式とから求めてグラフで示したグラフ図である。
図20に示すグラフからは、測定ブリッジのC分の不平衡分(容量値Ca)が2000〔PF〕のとき、ひずみゲージの抵抗値が120Ωの場合は約4000〔μ〕のひずみが測定値として出力されるのに対し、ひずみゲージの抵抗値が350Ωの場合には約11000〔μ〕ものひずみが測定値として出力されることが理解される。
このように、容量分に関しては、入力ケーブルの長さ、周囲の温度、湿度の他、ひずみゲージの抵抗値によっても大きな影響を受けることが明らかとなった。
ところで、測定ブリッジに容量不平衡分が発生してもそれを打消し得る搬送波型のひずみ測定器として、本件出願人は、特許文献1(特公平2−16441号公報)に記載のひずみ増幅器を先に提案した。
この特許文献1の正弦波搬送波方式のひずみ増幅器は、検出部ブリッジの出力側に該検出部ブリッジの容量変化分に対応する出力成分を抽出する回路と、この回路の出力振幅でブリッジ電源から得た電圧を制御しコンデンサを介して前記検出部ブリッジに帰還する回路とを設け、前記検出部ブリッジに容量Cが混入したとき、
Hereinafter, the relationship between the unbalanced portion of C (capacitance value Ca) of the equivalent bridge and the strain amount ε will be described.
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the capacitance value Ca and the strain ε from the equations (5) and (8), respectively, when the resistance value of the strain gauge is 120Ω and 350Ω. It is.
From the graph shown in FIG. 20, when the unbalanced portion (capacitance value Ca) of C of the measurement bridge is 2000 [PF], when the resistance value of the strain gauge is 120Ω, a strain of about 4000 [μ] is measured. However, when the resistance value of the strain gauge is 350Ω, it is understood that a strain of about 11000 [μ] is output as the measured value.
Thus, it has been clarified that the capacity is greatly influenced not only by the length of the input cable, the ambient temperature, and the humidity but also by the resistance value of the strain gauge.
By the way, as a carrier-type strain measuring device capable of canceling even if a capacitance imbalance occurs in the measurement bridge, the applicant of the present application uses the strain amplifier described in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 2-16441). Proposed earlier.
The distortion amplifier of the sine wave carrier system of Patent Document 1 is obtained from a bridge power source with an output component corresponding to the capacitance change of the detector bridge on the output side of the detector bridge and an output amplitude of this circuit. And a circuit for controlling the voltage to be fed back to the detection unit bridge via a capacitor, and when a capacitance C is mixed in the detection unit bridge,

Figure 2012154701
なる電圧を前記コンデンサに与える構成とし、検出部ブリッジに容量不平衡分が発生してもそれを完全に打消すことができるようにしたものである。
また、抵抗式ひずみゲージを含むブリッジ回路の初期不平衡の影響を補償しつつ、ブリッジ回路とひずみ測定器との間の接続線間の浮遊容量などによる位相のずれの影響を補償し、ひずみゲージのひずみに応じた抵抗値変化に伴う実際の抵抗成分を検波するようにした発明として特許文献2(特開2005−195509号公報)に記載されたものがある。
Figure 2012154701
The voltage is applied to the capacitor so that even if a capacitance imbalance occurs in the detection unit bridge, it can be completely canceled.
In addition, while compensating for the initial unbalance effect of the bridge circuit including the resistance strain gauge, it compensates for the effect of phase shift due to stray capacitance between the connection lines between the bridge circuit and the strain measuring instrument. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-195509 discloses an invention in which an actual resistance component associated with a change in resistance value according to the strain is detected.

この特許文献2に係る発明は、抵抗式ひずみゲージを含むブリッジ回路に交流電源電圧を付与しつつ、該ブリッジ回路の出力電圧信号を交流増幅器に入力して増幅すると共に、該交流増幅器の出力電圧信号から、前記交流電源電圧に対して所定の位相関係を有する信号成分を前記ブリッジ回路の抵抗値変化に応じた抵抗成分として検波し、その検波した抵抗成分から前記ひずみゲージのひずみ値に応じたひずみ測定信号を生成するようにした搬送波型ひずみ測定方法において、
前記ひずみゲージの無ひずみ状態での前記ブリッジ回路の出力電圧信号を前記交流増幅器に入力しつつ、該交流増幅器の出力電圧信号の抵抗成分と該抵抗成分に対して90°の位相差を有する容量成分とが零になるように該交流増幅器に付加的に入力する初期不平衡補償信号を決定する初期不平衡調整ステップと、
この初期不平衡補償信号の決定後に、前記ブリッジ回路に固定抵抗値の抵抗体を接続して、該ブリッジ回路の出力電圧信号と前記初期不平衡補償信号とを前記交流増幅器に入力しつつ、前記交流増幅器の出力電圧信号の前記交流電源電圧に対する位相のずれ量を決定する位相ずれ決定ステップとを備え、
この位相ずれの決定後に、前記固定抵抗値の抵抗体を前記ブリッジ回路から切り離してひずみ測定を行う時に、前記交流増幅器の出力電圧信号のうち、前記位相ずれ決定ステップで決定したずれ量だけ前記交流電源電圧に対して位相差を有する信号成分を前記ブリッジ回路の抵抗値変化に応じた抵抗成分として検波するようにした搬送波型ひずみ測定方法を提案するものである。
In the invention according to Patent Document 2, an AC power supply voltage is applied to a bridge circuit including a resistance strain gauge, and an output voltage signal of the bridge circuit is input to an AC amplifier to be amplified. A signal component having a predetermined phase relationship with respect to the AC power supply voltage is detected from a signal as a resistance component corresponding to a change in the resistance value of the bridge circuit, and the detected resistance component is used in accordance with a strain value of the strain gauge. In a carrier-type strain measurement method for generating a strain measurement signal,
A capacitor having a phase difference of 90 ° with respect to the resistance component of the output voltage signal of the AC amplifier and the resistance component while inputting the output voltage signal of the bridge circuit in an unstrained state of the strain gauge to the AC amplifier. An initial unbalance adjustment step for determining an initial unbalance compensation signal to be additionally input to the AC amplifier so that the component becomes zero;
After determining the initial unbalance compensation signal, connecting a resistor having a fixed resistance value to the bridge circuit, and inputting the output voltage signal of the bridge circuit and the initial unbalance compensation signal to the AC amplifier, A phase shift determination step for determining a phase shift amount of the output voltage signal of the AC amplifier with respect to the AC power supply voltage,
After the phase shift is determined, when the distortion is measured by separating the resistor having the fixed resistance value from the bridge circuit, the AC voltage is output by the shift amount determined in the phase shift determination step in the output voltage signal of the AC amplifier. A carrier-type distortion measuring method is proposed in which a signal component having a phase difference with respect to a power supply voltage is detected as a resistance component corresponding to a change in the resistance value of the bridge circuit.

さらに、本件出願人は、測定ブリッジに容量不平衡分が発生してもそれを打消し得る搬送波型のひずみ測定器として、特許文献3(特開2010−266408号公報)に記載の正弦波搬送波方式のひずみ測定装置を先に提案している。
この正弦波搬送波方式のひずみ測定装置は、使用回路は、環境問題にも配慮したRoHS対応部品で構成し、電源ノイズの低減を図りつつ、浮遊容量などによる不平衡成分を自動的に常時打消し、測定ブリッジに含まれるひずみゲージに応じた抵抗値変化に伴う実際の抵抗成分を精度よく測定する技術である。具体的には、搬送波型動ひずみ測定装置は、測定ブリッジと、該ブリッジの出力を入力する入力トランスと、該ブリッジの出力を帰還された補償量で補正する打消し回路と、1次側電源回路とを含む1次側の回路系統と、該測定ブリッジの出力から前記補償量を作り出す搬送波増幅回路と、容量分位相検波回路と、容量分打消し駆動回路と、搬送波発振回路および2次側電源とを含む2次側の回路系統とに分けて構成されている。1次側の回路系統と2次側の回路系統とは、磁気的な結合手段と、光学的な結合手段である光信号伝達手段とを介してのみ結合され、電気的な接続部分は有しないことを特徴としている。
Further, the applicant of the present application has disclosed a sine wave carrier wave described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-266408) as a carrier-type distortion measuring device capable of canceling out even if a capacitance imbalance occurs in the measurement bridge. A strain measuring device of the type has been proposed previously.
In this sine wave carrier type distortion measurement device, the circuit used is composed of RoHS-compliant components that take environmental issues into consideration, and automatically cancels unbalanced components such as stray capacitance while reducing power supply noise. This is a technique for accurately measuring an actual resistance component accompanying a change in resistance value according to a strain gauge included in a measurement bridge. Specifically, the carrier-type dynamic strain measurement apparatus includes a measurement bridge, an input transformer that inputs the output of the bridge, a cancellation circuit that corrects the output of the bridge with a feedback amount that is fed back, and a primary power source. A primary side circuit system including a circuit, a carrier amplifier circuit that generates the compensation amount from the output of the measurement bridge, a capacitive phase detector circuit, a capacitive cancellation drive circuit, a carrier oscillation circuit, and a secondary side The circuit is divided into a secondary circuit system including a power source. The primary-side circuit system and the secondary-side circuit system are coupled only via the magnetic coupling means and the optical signal transmission means that is an optical coupling means, and have no electrical connection portion. It is characterized by that.

測定用ブリッジには抵抗値の初期不平衡分と共に、このC分の初期不平衡値(アンバランス値)が現れる。ひずみゲージの抵抗変化分は測定に必要なものであるが、C分は測定に不必要なものである。このC分はケーブルの長さや材質により変わり、周囲の温度、湿度などの環境で変化する。従来、これが測定器の安定性の低下の原因となっていた。
この変化分を測定に影響しないようにすることができれば、高精度なひずみ測定が可能となる。そこで、このC分を常に検知し、その分量を打消し、自動追尾して安定度を高める測定方式として、いわゆるCST方式(Capacitance Self Tracing)が提案されている。この方式では、測定用ブリッジの隣り合う2辺にC分が入っても、零点が変化しないので、安定度が向上する。
そこで本発明に際しての課題は、隣り合う辺だけではなく、それぞれの対辺にC分が入っても零点が変化しないCST方式の動ひずみ測定器を提供することにあった。つまり、測定ブリッジの4辺のどこにC分が入っても零点に影響しない測定方法が必要とされた。
ひずみゲージを使用した応力測定には、搬送波型動ひずみ測定器が多く使用される。その理由は測定現場において、外乱ノイズや電源ノイズにあまり影響されずに測定ができるからである。
ひずみゲージは、小型、軽量で測定対象物にほとんど影響しないが、使用するゲージと測定器までの間を入力ケーブルで接続する必要がある。このゲージと測定器を接続する方法には種々の方法が考えられる。使用ゲージの枚数や測定場所により、ケーブルの長さや配線ルートが変わる。
In the measurement bridge, the initial unbalance value (unbalance value) of C appears together with the initial unbalance value of the resistance value. The change in resistance of the strain gauge is necessary for the measurement, but the C content is unnecessary for the measurement. This C component varies depending on the length and material of the cable, and varies depending on the environment such as ambient temperature and humidity. Conventionally, this has been a cause of a decrease in the stability of the measuring instrument.
If this change can be prevented from affecting measurement, highly accurate strain measurement can be performed. Thus, a so-called CST method (Capacitance Self Tracing) has been proposed as a measurement method that constantly detects this C component, cancels the amount, and automatically tracks to increase the stability. In this method, even if the C portion enters two adjacent sides of the measurement bridge, the zero point does not change, so the stability is improved.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a CST-type dynamic strain measuring device in which the zero point does not change even if the C component enters each opposite side as well as adjacent sides. In other words, a measurement method is required that does not affect the zero point regardless of where the C component enters the four sides of the measurement bridge.
A carrier-type dynamic strain measuring instrument is often used for stress measurement using a strain gauge. The reason is that measurement can be performed at the measurement site without being affected by disturbance noise and power supply noise.
The strain gauge is small and light, and has almost no effect on the object to be measured, but it is necessary to connect the gauge to be used to the measuring instrument with an input cable. Various methods are conceivable for connecting the gauge and the measuring instrument. The cable length and wiring route vary depending on the number of gauges used and the measurement location.

特公平2−16441号公報Japanese Patent Publication No. 2-16441 特開2005−195509号公報JP 2005-195509 A 特開2010−266408号公報JP 2010-266408 A

上記特許文献1におけるひずみ増幅器では、測定ブリッジや該測定ブリッジに発生する容量成分を打消す容量分打消し回路や1次側電源回路等の1次側回路部分と、搬送波増幅回路、容量分位相検波回路、搬送波発振回路および2次側電源等の回路部分とが、直接電気的に接続されているため電源ノイズがひずみ測定値に影響を与え、S/N比が充分とはいえず、さらに高精度での測定の実現が望まれている。
また、特許文献1(特公平2−16441号公報)においては、虚数項検波回路の出力を、ローパスフィルタを介して振幅制御回路に与えて打消し回路を制御するように構成されており、該振幅制御回路は、ローパスフィルタから得られた信号に応じて発光ダイオードを駆動する回路であり、打消し回路は、抵抗と発光ダイオードからの入射光により抵抗値が変化する、例えば、Cdsセル等のような受光素子との直列回路の両端をブリッジ電源に接続し、前記直列回路の接続点からとり出した信号を増幅器を介して前記コンデンサCoに与えるように構成されている。
しかしながら、打消し回路に含まれるCdsは、RoHS(Restriction of Hazardous Substances:危険物質に関する制限の頭文字をとったもの)、即ち「電子・電気機器における特定有害物質の使用制限についての欧州連合による指令」において規制物質に指定されているカドミウムを含有している。
In the distortion amplifier in Patent Document 1, a primary side circuit portion such as a capacitance canceling circuit and a primary side power supply circuit that cancels a capacitance component generated in the measurement bridge and the measurement bridge, a carrier amplifier circuit, a capacitance phase Since circuit portions such as a detection circuit, a carrier wave oscillation circuit, and a secondary power supply are directly connected to each other, power supply noise affects the distortion measurement value, and the S / N ratio is not sufficient. Realization of measurement with high accuracy is desired.
In Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 2-16441), the output of the imaginary term detection circuit is supplied to the amplitude control circuit via a low-pass filter to control the cancellation circuit. The amplitude control circuit is a circuit that drives the light emitting diode in accordance with the signal obtained from the low-pass filter, and the cancellation circuit has a resistance value that varies depending on the resistance and incident light from the light emitting diode, such as a Cds cell. Both ends of a series circuit with such a light receiving element are connected to a bridge power supply, and a signal taken out from a connection point of the series circuit is supplied to the capacitor Co through an amplifier.
However, the Cds included in the cancellation circuit is RoHS (Restriction of Hazardous Substances), ie, the “European Union Directive on the Restriction of Use of Specific Hazardous Substances in Electronic and Electrical Equipment” Contains cadmium which is designated as a regulated substance.

カドミウムは、腎臓に対して、機能障害を起こす恐れがある危険物質であり、100ppm以下(2007年7月現在)に規制されているため、光電変換素子としてCdsを使用することに問題がある。
また、特許文献2(特開2005−195509号公報)においても、測定ブリッジが含まれる1次側回路部分と、搬送波発振回路、搬送波増幅回路、90°位相検波回路、90°位相バランス回路およびこれら回路部分に電源を供給する電源等が電気的に接続されているため、上述したように、電源ノイズが、ひずみ測定値に混入し測定精度を低下させる、という問題点がある。
しかしながら、特許文献3(特開2010−266408号公報)に記載の正弦波搬送波方式のひずみ測定装置にあっては、測定ブリッジを構成するひずみゲージの4辺(抵抗)に各々並列に発生する浮遊容量による不均衡までは消すことができない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、使用回路は、環境問題にも配慮したRoHS対応部品で構成し、電源ノイズの低減を図りつつ、測定ブリッジとひずみ測定回路との間の接続線間の浮遊容量などによる不平衡成分を自動的に打消し、測定ブリッジに含まれるひずみゲージに応じた抵抗値変化に伴う実際の抵抗成分を精度よく測定し得る搬送波型動ひずみ測定器を提供することを目的としている。
Cadmium is a dangerous substance that may cause functional damage to the kidney, and is restricted to 100 ppm or less (as of July 2007), so there is a problem in using Cds as a photoelectric conversion element.
Also in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-195509), a primary side circuit portion including a measurement bridge, a carrier wave oscillation circuit, a carrier wave amplifier circuit, a 90 ° phase detection circuit, a 90 ° phase balance circuit, and these Since a power source for supplying power to the circuit portion is electrically connected, as described above, there is a problem that power source noise is mixed into the strain measurement value and decreases the measurement accuracy.
However, in the sine wave carrier type strain measuring device described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-266408), floating is generated in parallel on each of the four sides (resistances) of the strain gauge constituting the measurement bridge. It cannot be erased until there is an imbalance due to capacity.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the circuit used is composed of RoHS-compliant components that take environmental problems into consideration, while reducing power supply noise, and between the measurement bridge and the strain measurement circuit. A carrier-type dynamic strain measuring instrument that automatically cancels unbalanced components due to stray capacitance between connecting lines and accurately measures the actual resistance component associated with the change in resistance value according to the strain gauge included in the measurement bridge. It is intended to provide.

請求項1に記載した発明に係る搬送波型動ひずみ測定器は、上記の目的を達成するために、
搬送波型動ひずみ測定器において、
ひずみゲージを含む測定ブリッジと、
前記測定ブリッジに印加される搬送波に重畳された測定信号を増幅する搬送波増幅回路と、
前記搬送波増幅回路の出力を受けて前記測定ブリッジの容量変化分に対応する不平衡成分を抽出し、前記不平衡成分に対応した補償量の信号を出力する容量分位相検波回路と、
前記容量分位相検波回路の出力を受けて前記測定ブリッジに発生する容量成分による不平衡成分を自動的に打消す2系統の容量分打消し駆動回路と、
前記測定ブリッジの抵抗の不平衡分を抽出して、搬送波成分を除去する抵抗分位相検波回路と、
位相のずれの基準となる基準電圧を前記容量分位相検波回路に供給する移相回路と、
前記測定ブリッジに印加する搬送波を発生する搬送波発振回路と、
前記測定ブリッジの2つの出力端子と、前記2系統の容量分打消し駆動回路との間にそれぞれ接続された2系統の帰還用のコンデンサと、を備え、
前記測定ブリッジの4辺の1辺乃至はすべての辺の抵抗に並列的に混入する浮遊容量成分による不平衡成分を前記2系統の容量打消し駆動回路から前記2系統の帰還用コンデンサに逆位相の電圧を印加することにより自動的に打ち消すように構成したことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the invention described in claim 1
In carrier type dynamic strain measuring instrument,
A measurement bridge including a strain gauge;
A carrier amplifier circuit for amplifying a measurement signal superimposed on a carrier wave applied to the measurement bridge;
Receiving the output of the carrier wave amplifier circuit, extracting an unbalanced component corresponding to the capacitance change of the measurement bridge, and outputting a compensation phase signal corresponding to the unbalanced component;
Two capacity canceling drive circuits for automatically canceling the unbalanced component due to the capacity component generated in the measurement bridge in response to the output of the capacity phase detecting circuit;
A resistance phase detector circuit that extracts an unbalanced portion of the resistance of the measurement bridge and removes a carrier wave component;
A phase shift circuit for supplying a reference voltage serving as a reference for the phase shift to the capacitance phase detection circuit;
A carrier oscillation circuit for generating a carrier wave to be applied to the measurement bridge;
Two systems of feedback capacitors respectively connected between the two output terminals of the measurement bridge and the two systems of capacitance canceling drive circuits;
The unbalanced component due to the stray capacitance component mixed in parallel with the resistance of one or all four sides of the four sides of the measurement bridge is reversed in phase from the two capacitance canceling drive circuits to the two feedback capacitors. It is characterized in that it is configured to cancel automatically by applying a voltage of.

請求項2に記載した発明に係る搬送波型動ひずみ測定器は、上記の目的を達成するために、
前記測定ブリッジの一方の出力端の隣辺に含まれる前記不均衡成分の容量をそれぞれCu1およびCu2とし、前記測定ブリッジの他方の出力端の隣辺に含まれる前記不均衡成分の容量をそれぞれCu3およびCu4とし、
前記帰還用の第1コンデンサおよび第2のコンデンサをCbおよびCdとし、 前記測定ブリッジの入力端に印加される搬送波電圧をEとし、
前記測定ブリッジを形成する抵抗成分が平衡している場合において、下記[数1]式によって求められる打消し電圧Vbcおよび下記[数2]式によって求められる打消し電圧Vdc:
In order to achieve the above object, the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the invention described in claim 2
Capacities of the unbalanced component included in the adjacent side of one output end of the measurement bridge are Cu1 and Cu2, respectively, and capacitances of the unbalanced component included in the adjacent side of the other output end of the measurement bridge are respectively Cu3. And Cu4,
The feedback first capacitor and the second capacitor are Cb and Cd, the carrier voltage applied to the input terminal of the measurement bridge is E,
When the resistance components forming the measurement bridge are balanced, the cancellation voltage Vbc obtained by the following [Equation 1] and the cancellation voltage Vdc obtained by the following [Equation 2]:

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
を、前記測定ブリッジの一方の出力端および他方の出力端に、それぞれ印加するように構成したことを特徴としている。
Figure 2012154701
Is configured to be applied to one output end and the other output end of the measurement bridge, respectively.

請求項3に記載した発明に係る搬送波型動ひずみ測定器は、上記の目的を達成するために、前記帰還用コンデンサが、所定の複数の容量値のうち、いずれかを選択して設定することが可能なコンデンサであることを特徴としている。
請求項4に記載した発明に係る搬送波型動ひずみ測定器は、上記の目的を達成するために、2次側の各回路に電力を供給する2次側電源と、前記2次側電源から電力トランスを介して電力を受けて1次側の各回路に電力を供給する1次側電源回路とをさらに備えると共に、前記搬送波発振回路の出力を、結合トランスを介して測定ブリッジに印加する構成としたことを特徴としている。
請求項5に記載した発明に係る搬送波型動ひずみ測定器は、上記の目的を達成するために、前記1次側の回路と前記2次側の回路との間に、少なくとも1つの発光ダイオードと、これと対峙するように配置された受光ダイオードからなる光信号伝達手段とをさらに備え、前記測定ブリッジ、前記容量分打消し回路、前記受光ダイオードおよび前記1次側電源回路は、前記搬送波増幅回路、前記容量分位相検波回路、前記容量分打消し駆動回路、前記発光ダイオード、前記搬送波発振回路および前記2次側電源に対し、前記入力トランス、前記光信号伝達手段、前記結合トランスおよび前記電力トランスからなる電磁的手段および前記光信号伝達手段により接続され、電気的には絶縁された状態で接続されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the carrier dynamic strain measuring instrument according to the invention described in claim 3 is configured such that the feedback capacitor selects and sets one of a plurality of predetermined capacitance values. This is a capacitor that can be used.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a carrier-type dynamic strain measuring instrument that includes a secondary power source that supplies power to each circuit on the secondary side and power from the secondary power source in order to achieve the above object. A primary-side power supply circuit that receives power through a transformer and supplies power to each circuit on the primary side, and applies the output of the carrier wave oscillation circuit to a measurement bridge through a coupling transformer; It is characterized by that.
According to a fifth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a carrier-type dynamic strain measuring device includes at least one light emitting diode between the primary side circuit and the secondary side circuit. And an optical signal transmission means composed of a light-receiving diode arranged so as to be opposed thereto, wherein the measurement bridge, the capacitance canceling circuit, the light-receiving diode, and the primary power supply circuit are the carrier wave amplifier circuit The input phase transformer, the optical signal transmission means, the coupling transformer, and the power transformer for the capacitive phase detection circuit, the capacitive cancellation drive circuit, the light emitting diode, the carrier wave oscillation circuit, and the secondary power source. It is connected by the electromagnetic means which consists of this, and the said optical signal transmission means, It is connected in the electrically insulated state, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の請求項1の搬送波型動ひずみ測定器によれば、
搬送波型動ひずみ測定器において、
ひずみゲージを含む測定ブリッジと、
前記測定ブリッジに印加される搬送波に重畳された測定信号を増幅する搬送波増幅回路と、
前記搬送波増幅回路の出力を受けて前記測定ブリッジの容量変化分に対応する不平衡成分を抽出し、前記不平衡成分に対応した補償量の信号を出力する容量分位相検波回路と、
前記容量分位相検波回路の出力を受けて前記測定ブリッジに発生する容量成分による不平衡成分を自動的に打消す2系統の第1および第2の容量分打消し駆動回路と、
前記測定ブリッジの抵抗の不平衡分を抽出して、搬送波成分を除去する抵抗分位相検波回路と、
位相のずれの基準となる基準電圧を前記容量分位相検波回路に供給する移相回路と、
前記測定ブリッジに印加する搬送波を発生する搬送波発振回路と、
前記測定ブリッジの2つの出力端子と、前記2系統の前記第1および第2の容量分打消し駆動回路との間にそれぞれ接続された2系統の帰還用の第1および第2のコンデンサと、を備え、
前記測定ブリッジの4辺の1辺乃至はすべての辺の抵抗に並列的に混入する浮遊容量成分による不平衡成分を打消す打消し電圧を前記2系統の前記第1および第2の容量打消し駆動回路から前記第1および第2の帰還用コンデンサを介して前記測定ブリッジの各出力端子にそれぞれ印加することにより前記容量による不平衡成分を自動的に打ち消すように構成したので、測定ブリッジを構成するひずみゲージの4辺(抵抗)の各々に並列に発生する浮遊容量成分による不均衡成分を、常に自動的に、全て打消すことができる。
According to the carrier dynamic strain measuring instrument of claim 1 of the present invention,
In carrier type dynamic strain measuring instrument,
A measurement bridge including a strain gauge;
A carrier amplifier circuit for amplifying a measurement signal superimposed on a carrier wave applied to the measurement bridge;
Receiving the output of the carrier wave amplifier circuit, extracting an unbalanced component corresponding to the capacitance change of the measurement bridge, and outputting a compensation phase signal corresponding to the unbalanced component;
Two systems of first and second capacity canceling drive circuits that receive the output of the capacity phase detecting circuit and automatically cancel the unbalanced component due to the capacity component generated in the measurement bridge;
A resistance phase detector circuit that extracts an unbalanced portion of the resistance of the measurement bridge and removes a carrier wave component;
A phase shift circuit for supplying a reference voltage serving as a reference for the phase shift to the capacitance phase detection circuit;
A carrier oscillation circuit for generating a carrier wave to be applied to the measurement bridge;
Two systems of feedback first and second capacitors respectively connected between the two output terminals of the measurement bridge and the two systems of the first and second capacitance canceling drive circuits; With
The first and second capacitance cancellations of the two systems are used to cancel out the unbalance component due to the stray capacitance component mixed in parallel with the resistance of one or all four sides of the measurement bridge. Since the drive circuit is configured to automatically cancel the unbalanced component due to the capacitance by applying to each output terminal of the measurement bridge via the first and second feedback capacitors, the measurement bridge is configured. All of the unbalance components due to the stray capacitance component generated in parallel with each of the four sides (resistance) of the strain gauge can be automatically canceled out.

本発明の請求項2の搬送波型動ひずみ測定器によれば、前記測定ブリッジの一方の出力端の隣辺に含まれる前記不均衡成分の容量をそれぞれCu1およびCu2とし、前記測定ブリッジの他方の出力端の隣辺に含まれる前記不均衡成分の容量をそれぞれCu3およびCu4とし、
前記帰還用の第1コンデンサおよび第2のコンデンサをCbおよびCdとし、 前記測定ブリッジの入力端に印加される搬送波電圧をEとし、
前記測定ブリッジを形成する抵抗成分が平衡している場合において、下記[数1]式によって求められる打消し電圧Vbcおよび下記[数2]式によって求められる打消し電圧Vdc:
According to the carrier dynamic strain measuring instrument of claim 2 of the present invention, the capacities of the unbalanced components included in the adjacent side of one output end of the measurement bridge are Cu1 and Cu2, respectively, and the other of the measurement bridges The capacities of the unbalanced components included in the adjacent side of the output end are Cu3 and Cu4, respectively.
The feedback first capacitor and the second capacitor are Cb and Cd, the carrier voltage applied to the input terminal of the measurement bridge is E,
When the resistance components forming the measurement bridge are balanced, the cancellation voltage Vbc obtained by the following [Equation 1] and the cancellation voltage Vdc obtained by the following [Equation 2]:

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
を、前記測定ブリッジの一方の出力端および他方の出力端に、それぞれ印加するように構成したので、測定ブリッジを構成するひずみゲージ(抵抗)の1辺乃至4辺のすべてに含まれる浮遊量成分による不均衡成分を、常に自動的に、全て打消すことができる。
Figure 2012154701
Is applied to one output end and the other output end of the measurement bridge, respectively, so that the floating amount component included in all of one to four sides of the strain gauge (resistance) constituting the measurement bridge All the unbalanced components due to can be automatically canceled out.

本発明の請求項3の搬送波型動ひずみ測定器によれば、前記帰還用コンデンサが、所定の複数の容量値のうち、いずれかを選択して設定することが可能なコンデンサであるとしたので、予め測定された前記浮遊容量成分による不均衡成分を広範囲打ち消すことができる容量値を選択して設定することが可能となる。
本発明の請求項4の搬送波型動ひずみ測定器によれば、
2次側の各回路に電力を供給する2次側電源と、前記2次側電源から電力トランスを介して電力を受けて1次側の各回路に電力を供給する1次側電源回路とをさらに備えると共に、前記搬送波発振回路の出力を、結合トランスを介して測定ブリッジに印加する構成としたので、1次側と2次側とを電気的に絶縁された状態で接続することができる。
本発明の請求項5の搬送波型動ひずみ測定器によれば、
前記1次側の回路と前記2次側の回路との間に、少なくとも1つの発光ダイオードと、これと対峙するように配置された受光ダイオードからなる光信号伝達手段とをさらに備えたので、前記測定ブリッジ、前記容量分打消し回路、前記受光ダイオードおよび前記1次側電源回路は、前記搬送波増幅回路、前記容量分位相検波回路、前記容量分打消し駆動回路、前記発光ダイオード、前記搬送波発振回路および前記2次側電源に対し、前記入力トランス、前記光信号伝達手段、前記結合トランスおよび前記電力トランスからなる電磁的手段および前記光信号伝達手段により接続され、電気的には絶縁された状態で接続される効果が有る。
さらには、測定ブリッジが出力側(2次側)と絶縁されていることによる電源ノイズの低減と高電位な場所でのひずみ測定を可能としつつ、併せて、測定ブリッジに生じる容量不平衡分を常時完全に打消すことができる。
According to the carrier-type dynamic strain measuring instrument of claim 3 of the present invention, the feedback capacitor is a capacitor capable of selecting and setting any one of a plurality of predetermined capacitance values. It is possible to select and set a capacitance value capable of canceling out a wide range of the imbalanced component due to the stray capacitance component measured in advance.
According to the carrier dynamic strain measuring instrument of claim 4 of the present invention,
A secondary power supply for supplying power to each circuit on the secondary side, and a primary power supply circuit for receiving power from the secondary power supply via a power transformer and supplying power to each circuit on the primary side. In addition, since the output of the carrier wave oscillation circuit is applied to the measurement bridge via the coupling transformer, the primary side and the secondary side can be connected in an electrically insulated state.
According to the carrier dynamic strain measuring instrument of claim 5 of the present invention,
Since it further comprises at least one light emitting diode between the primary side circuit and the secondary side circuit, and an optical signal transmission means comprising a light receiving diode disposed so as to face the light emitting diode, The measurement bridge, the capacitance canceling circuit, the light receiving diode, and the primary power supply circuit are the carrier wave amplification circuit, the capacitance phase detecting circuit, the capacitance canceling drive circuit, the light emitting diode, and the carrier oscillation circuit. And connected to the secondary power source by the input transformer, the optical signal transmission means, the electromagnetic means including the coupling transformer and the power transformer, and the optical signal transmission means, and are electrically insulated. Has the effect of being connected.
Furthermore, while the measurement bridge is insulated from the output side (secondary side), it is possible to reduce power supply noise and measure strain at high potentials. It can always be completely countered.

本発明の第1の実施形態に係る搬送波型動ひずみ測定器の主要部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 principal part of the carrier wave type | mold dynamic strain measuring device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示す本発明の第1の実施形態に係る搬送波型動ひずみ測定器の基本構成として一系統のみの詳細構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detailed structure of only one system as a basic composition of the carrier-wave type dynamic strain measuring device which concerns on the 1st Embodiment of this invention shown in FIG. 本発明の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器における打消し回路からの出力電圧(補償量)を、帰還するための回路構成の1例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure for feeding back the output voltage (compensation amount) from the cancellation circuit in the carrier wave type dynamic strain measuring device which concerns on embodiment of this invention. 測定ブリッジと測定器と入力ケーブルとを接続する回路を示す回路図であり、図4(a)は、測定ブリッジと測定器と入力ケーブルとの接続を示し、図4(b)は、ゲージ抵抗R1と並列にC分(浮遊容量Cu1)が生じている場合の、その等価回路を示すものである。FIG. 4A is a circuit diagram showing a circuit for connecting a measurement bridge, a measuring instrument, and an input cable. FIG. 4A shows a connection between the measuring bridge, the measuring instrument, and the input cable, and FIG. The equivalent circuit in the case where a C component (floating capacitance Cu1) is generated in parallel with R1 is shown. C分(浮遊容量Cu1)(横軸)の容量を変化させた場合の出力振幅値を、実測値と計算値とで比較した結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the result of having compared the output amplitude value at the time of changing the capacity | capacitance of C part (floating capacity Cu1) (horizontal axis) with the measured value and the calculated value. 図6(a)、(b)は、C分を打消す波形をVbcとしてそれぞれB点に印加する場合の等価回路を示す。FIGS. 6A and 6B show an equivalent circuit in the case where a waveform for canceling the C component is applied to point B as Vbc. R分がバランスしている場合の打消し波形(電圧)Vbcを示す算式の検証に使用した回路のブロック構成図である。It is a block block diagram of the circuit used for verification of the formula which shows the cancellation waveform (voltage) Vbc when R component is balanced. 図7に示す回路におけるC分によって出力するひずみ量(=出力電圧Eout)とCST方式を適用していない場合との比較データを示すグラフ図である。It is a graph which shows the comparison data with the case where the distortion amount (= output voltage Eout) output by C component in the circuit shown in FIG. 7, and the CST system are not applied. 測定ブリッジのAB辺とBC辺の対辺であるCD辺とAD辺に、C分として浮遊容量Cu3と浮遊容量Cu4とが混入した場合の測定ブリッジの等価回路を示す。An equivalent circuit of the measurement bridge in the case where the stray capacitance Cu3 and the stray capacitance Cu4 are mixed as C components in the CD side and the AD side which are opposite sides of the AB side and the BC side of the measurement bridge is shown. 図9と(25)式に示すCu3、Cu4を変化させた場合のEout(ひずみ量)の計算値と実験値との比較データを示すグラフ図である。It is a graph which shows the comparison data of the calculated value and experimental value of Eout (strain amount) at the time of changing Cu3 and Cu4 shown to FIG. 9 and (25) Formula. 測定ブリッジの4辺にC分が混入した場合の打消し方法を説明するための等価回路の回路図である。It is a circuit diagram of the equivalent circuit for demonstrating the cancellation method when C component mixes into four sides of a measurement bridge. 図11に示す等価回路を分解した第1の回路の回路図である。It is a circuit diagram of the 1st circuit which decomposed | disassembled the equivalent circuit shown in FIG. 図11に示す等価回路を分解した他の第2の回路の回路図である。It is a circuit diagram of the other 2nd circuit which decomposed | disassembled the equivalent circuit shown in FIG. 図11に示す等価回路を分解したさらに他の第3の回路の回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram of still another third circuit obtained by disassembling the equivalent circuit shown in FIG. 11. 図11に示す等価回路を分解した他の第4の回路の回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram of another fourth circuit obtained by disassembling the equivalent circuit shown in FIG. 11. (a)、(b)は、測定ブリッジとして120Ωの抵抗を用いた場合の測定ブリッジの各辺に、C分として、0から約2000pFまでを加えて測定した零点変化のグラフを示す特性図である。(A), (b) is a characteristic diagram showing a graph of a zero point change measured by adding from 0 to about 2000 pF as C minutes to each side of the measurement bridge when a resistance of 120Ω is used as the measurement bridge. is there. (a)、(b)は、測定ブリッジとして350Ωの抵抗を用いた場合の測定ブリッジの各辺にC分として0から約2000pFまでを加えて測定した零点変化の特性図を示す。(A), (b) shows the characteristic diagram of the zero point change measured by adding from 0 to about 2000 pF as C minutes to each side of the measurement bridge when a 350Ω resistor is used as the measurement bridge. (a)は、一般的な搬送波型動ひずみ測定器において、ひずみ測定器からホイートストンブリッジ回路構成の測定ブリッジに至るまでの回路構成を図式化した説明図であり、(b)は、(a)の等価回路図である。(A) is explanatory drawing which represented the circuit structure from a distortion measuring device to the measurement bridge of a Wheatstone bridge circuit structure in the general carrier-type dynamic strain measuring device, (b) is (a). FIG. ホイートストンブリッジ回路構成で、容量分を含んだ等価回路である。The Wheatstone bridge circuit configuration is an equivalent circuit including a capacity component. ひずみゲージの抵抗値が120Ωの場合と350Ωの場合で搬送波周波数5KHzを使用したときのそれぞれの容量値ΔCと、ひずみ量εとの関係を示したグラフ図である。It is the graph which showed the relationship between each capacitance value (DELTA) C when the carrier wave frequency of 5 KHz is used in the case where the resistance value of a strain gauge is 120 ohms, and 350 ohms, and distortion | strain amount (epsilon).

本発明に係る搬送波型動ひずみ測定器は、2系統(但し部分的に1系統としたものも含む)のCST(Capacitance Self Tracing)方式回路を備え、測定ブリッジ4辺のどこにC分が入っても零点の変動を無くすことができる。
以下、本発明の搬送波型動ひずみ測定器の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器の主要部の回路構成を示す回路図である。
同図に示す本実施形態の搬送波型動ひずみ測定器の回路は、独立したCST回路を2系統設けて、測定ブリッジのB点とD点に帰還用のキャパシタンスCb、Cdを接続し、それぞれ隣辺のC分を打消すようにした回路である。
第1の本実施の形態の搬送波型動ひずみ測定器の回路は、より具体的には、図1に示すひずみゲージをもって構成されたホイートストンブリッジ回路(以下、「測定ブリッジ」と略称する)11と、測定ブリッジ11の出力電圧(B−D間の電圧)を搬送波出力として増幅する搬送波増幅回路21a、21bと、搬送波出力のうち、抵抗の不平衡分(上記(5)式の実数項分)を抽出し、さらに、搬送波成分を除去する抵抗分位相検波回路22と、容量分の不平衡成分による位相のずれを補償量に変換する容量分打消し駆動回路24a、24bと、容量分の不平衡成分による位相のずれの基準となる基準電圧(搬送波と位相が90度ずれた電圧波形)を容量分打消し駆動回路24a、24bに供給する移相回路25a、25bと、測定ブリッジ11に入力する搬送波(例えば、5kHz〜28kHz)を出力する搬送波発振回路としての発振回路26と、を備える。
The carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the present invention is provided with a CST (Capacitance Self Tracing) system circuit of two systems (including a part of which is partially composed of one system), and the C portion is located anywhere on the four sides of the measurement bridge. Can eliminate the fluctuation of the zero point.
Hereinafter, embodiments of a carrier-type dynamic strain measuring device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a main part of the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the first embodiment of the present invention.
In the circuit of the carrier-type dynamic strain measuring instrument of this embodiment shown in the figure, two independent CST circuits are provided, and feedback capacitances Cb and Cd are connected to points B and D of the measurement bridge, respectively. In this circuit, the C part of the side is canceled out.
More specifically, the circuit of the carrier dynamic strain measuring instrument according to the first embodiment includes a Wheatstone bridge circuit (hereinafter, abbreviated as “measurement bridge”) 11 configured with a strain gauge shown in FIG. The carrier voltage amplifying circuits 21a and 21b that amplify the output voltage (voltage between B and D) of the measurement bridge 11 as a carrier wave output, and the resistance unbalanced part of the carrier wave output (the real term in the above equation (5)) And a resistance phase detection circuit 22 for removing the carrier wave component, a capacitance cancellation drive circuit 24a, 24b for converting the phase shift due to the unbalanced component of the capacitance into a compensation amount, Phase shift circuits 25a and 25b for canceling the reference voltage (voltage waveform whose phase is shifted by 90 degrees from the carrier wave) to the drive circuits 24a and 24b as a reference for the phase shift due to the balanced component, and the measurement bridge Carrier input to 11 (e.g., 5KHz~28kHz) includes an oscillation circuit 26 as a carrier wave oscillation circuit for outputting a.

この他に、図1には図示していないが、図2に示すように、搬送波電力の励振電力として電力トランス20(1次コイル)に供給するパワーアンプ27と、測定ブリッジ11の各端子と接地との間に生じる浮遊容量分の不平衡成分による位相のずれを補償量に変換する容量分位相検波回路23、光信号伝達手段13等を備えることができる。
尚、上述した第1の実施の形態においては、CST回路を構成する回路のうち、搬送波増幅回路21a、21bと、容量分打消し駆動回路24a、24bのうち、後述する容量分位相検波回路23と、移相回路25a、25bを、それぞれ2系統用いる構成として示してあるが、必ずしも2系統用いることなく、これらの各回路は、1系統用いる構成とすることができる。
また、本発明に特徴的な構成として、測定ブリッジ11の一方の出力端子Bと第1の容量分打消し駆動回路24aの1系統分との間には帰還用の第1のコンデンサCbを接続し、測定ブリッジ11の他方の出力端子Dと第2の容量分打消し駆動回路24の他の1系統分との間には帰還用の第2のコンデンサCdを接続している。
この帰還用の第1、第2のコンデンサCb,Cdは、所定の複数の容量値のうち、後述するいずれかを選択して設定することが可能なコンデンサを用いることができる。第1、第2のこれらのコンデンサの機能については図6以下に示す図を参照して後述する。
図2は、図1に示す本発明の第1の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器のより具体的且つ詳細な構成を示す第2の実施の形態に係る回路図である。
但し、図2は、図1に示す本発明の第1の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器の詳細回路構成を示すものであるが、形態上は、同一回路を2系統有する2次側の回路(図1)については1系統分だけ示している。
In addition to this, although not shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, the power amplifier 27 that supplies the power transformer 20 (primary coil) as the excitation power of the carrier power, and each terminal of the measurement bridge 11 A capacitance phase detection circuit 23 for converting a phase shift due to an unbalanced component of the stray capacitance generated between the ground and the ground into a compensation amount, an optical signal transmission means 13, and the like can be provided.
In the first embodiment described above, among the circuits constituting the CST circuit, among the carrier wave amplifier circuits 21a and 21b and among the capacity canceling drive circuits 24a and 24b, a capacity phase detection circuit 23 described later. Although the phase shift circuits 25a and 25b are shown as being configured to use two systems, these circuits can be configured to use one system without necessarily using two systems.
Further, as a characteristic configuration of the present invention, a feedback first capacitor Cb is connected between one output terminal B of the measurement bridge 11 and one system of the first capacity cancellation drive circuit 24a. A second capacitor Cd for feedback is connected between the other output terminal D of the measurement bridge 11 and the other one line of the second capacitance canceling drive circuit 24.
As the first and second capacitors Cb and Cd for feedback, capacitors that can be selected and set from any of a plurality of predetermined capacitance values to be described later can be used. The functions of the first and second capacitors will be described later with reference to the drawings shown in FIG.
FIG. 2 is a circuit diagram according to the second embodiment showing a more specific and detailed configuration of the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
However, FIG. 2 shows a detailed circuit configuration of the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, but in terms of form, a secondary having two systems of the same circuit. The circuit on the side (FIG. 1) is shown for only one system.

図2において、第2の実施の形態の搬送波型動ひずみ測定器は、ひずみゲージをもって構成されたホイートストンブリッジ回路(以下、「測定ブリッジ」と略称する)11と、該測定ブリッジ11の出力を後述する帰還された補償量で補正する回路とから成る1次側回路系統(以下、「1次側」と略称する)と、該測定ブリッジ11の出力から前記補償量を生成する補償量検出回路を有する2次側回路系統(以下、「2次側」と略称する)とに分けられる。1次側と2次側は、磁気的な結合手段、例えば、入力トランス12、結合トランス19、電力トランス20と光学的な結合手段、例えば、光信号伝達手段13とを介してのみ結合され、電気的に直接接続されていない。
まず、1次側として、ホイートストンブリッジ回路で構成されている測定ブリッジ11と、測定ブリッジ11の出力を受けて磁気結合により2次側に伝える入力トランス12(1次コイル)と、光信号伝達手段13を構成する受光ダイオード13b側と、測定ブリッジ11に入力する搬送波と同じ搬送波を受けて打消し回路14にリファレンス電圧を供給するB.V波形供給回路15と、が含まれる。
In FIG. 2, the carrier-type dynamic strain measuring device of the second embodiment includes a Wheatstone bridge circuit (hereinafter abbreviated as “measurement bridge”) 11 configured with a strain gauge, and an output of the measurement bridge 11 will be described later. And a compensation circuit for generating the compensation amount from the output of the measurement bridge 11 and a primary circuit system (hereinafter abbreviated as “primary side”). And a secondary circuit system (hereinafter abbreviated as “secondary side”). The primary side and the secondary side are coupled only via magnetic coupling means, for example, input transformer 12, coupling transformer 19, power transformer 20, and optical coupling means, for example, optical signal transmission means 13, Not electrically connected directly.
First, as a primary side, a measurement bridge 11 composed of a Wheatstone bridge circuit, an input transformer 12 (primary coil) that receives the output of the measurement bridge 11 and transmits it to the secondary side by magnetic coupling, and optical signal transmission means 13 receives the same carrier wave as that input to the measurement bridge 11 and the reference voltage to the cancellation circuit 14. V waveform supply circuit 15 is included.

さらに、1次側には、特定の1または複数の較正値を搬送波に重畳して入力トランス12に供給する較正値発生回路16と、無ひずみ状態において、測定ブリッジ11の出力に含まれる抵抗分の初期平衡成分による誤差を調整する電圧を搬送波に重畳させて入力トランス12に注入する抵抗分調整回路17と、1次側の回路が使用する電力を供給する1次側電源回路18と、2次側の搬送波(この場合、正弦波)発振回路としての発振回路26から出力される搬送波を測定ブリッジ11に伝達する結合トランス19(2次コイル)と、2次側のパワーアンプ回路27から出力される搬送波の電力を受けて、1次側電源回路18に伝達する電力トランス20(2次コイル)と、を備える。
次に、2次側として、入力トランス12(2次コイル)から出力される搬送波出力を増幅する搬送波増幅回路21と、搬送波出力のうち、抵抗の不平衡分(上記(5)式の実数項分)を抽出し、さらに、搬送波成分を除去する抵抗分位相検波回路、キャリアフィルタ回路22と、搬送波出力のうち容量不平衡分(即ち、上記(5)式の虚数項成分)を抽出し、さらに、搬送波成分を除去する容量分位相検波回路、キャリアフィルタ回路23と、容量分の不平衡成分による位相のずれを補償量に変換する容量分打消し駆動回路24と、容量分の不平衡成分による位相のずれの基準となる基準電圧(搬送波と位相が90度ずれた電圧波形)を容量分位相検波回路23に供給する移相回路25と、を備える。
Further, on the primary side, a calibration value generating circuit 16 that superimposes specific one or a plurality of calibration values on a carrier wave and supplies the input transformer 12 and a resistance component included in the output of the measurement bridge 11 in a non-distortion state. A resistance adjustment circuit 17 that superimposes a voltage for adjusting an error due to the initial equilibrium component on the carrier wave and injects it into the input transformer 12, a primary side power supply circuit 18 that supplies power used by the primary side circuit, and 2 A coupling transformer 19 (secondary coil) that transmits a carrier wave output from the oscillation circuit 26 as a secondary side carrier wave (in this case, a sine wave) oscillation circuit to the measurement bridge 11 and an output from the power amplifier circuit 27 on the secondary side A power transformer 20 (secondary coil) that receives the power of the carrier wave transmitted to the primary power supply circuit 18.
Next, as the secondary side, a carrier wave amplifier circuit 21 that amplifies the carrier wave output output from the input transformer 12 (secondary coil), and of the carrier wave output, the unbalanced portion of the resistance (the real term of the above equation (5)) And a resistance component phase detection circuit that removes the carrier wave component, the carrier filter circuit 22, and a capacitive imbalance (ie, an imaginary term component of the above equation (5)) from the carrier wave output, Further, a capacitive phase detection circuit and carrier filter circuit 23 for removing the carrier wave component, a capacitive cancellation drive circuit 24 for converting a phase shift due to the unbalanced component for the capacitance into a compensation amount, and an unbalanced component for the capacitance. And a phase shift circuit 25 for supplying a reference voltage (voltage waveform whose phase is 90 degrees out of phase with the carrier wave) to the capacitance phase detection circuit 23.

さらに、2次側として、測定ブリッジ11に入力する搬送波(例えば、5kHz)を出力する搬送波発振回路としての発振回路26と、発振回路26の出力を1次側の測定ブリッジ11に搬送波ブリッジ電圧として供給する結合トランス19の1次コイルと、搬送波電力の励振電力として電力トランス20(1次コイル)に供給するパワーアンプ27と、2次側に含まれるすべての回路が使用する電力を供給する2次側電源28と、を備える。
以下、図1,2を参照しながら、第1および第2の実施形態の搬送波型動ひずみ測定器が有する各回路構成要素について説明する。
先ず、1次側において、測定ブリッジ11は、ひずみゲージをもってホイートストンブリッジ回路に構成されており、当該ひずみゲージは、被測定対象物に接着、融着、蒸着、スパッタリング等の手段により、添着されて、そのひずみを検出する。
入力トランス12(1次コイル)は、被測定対象物のひずみに比例する測定ブリッジからの出力(電圧値)を1次側(1次コイル)で受け、磁気結合により2次コイルに伝える。
B.V波形供給回路15は、測定ブリッジ11に入力する搬送波と同じ搬送波を受けて、容量分打消し回路14に搬送波のリファレンスとして供給する。
Further, as a secondary side, an oscillation circuit 26 as a carrier wave oscillation circuit that outputs a carrier wave (for example, 5 kHz) input to the measurement bridge 11, and an output of the oscillation circuit 26 as a carrier wave bridge voltage to the measurement bridge 11 on the primary side. A primary coil of the coupling transformer 19 to be supplied, a power amplifier 27 to be supplied to the power transformer 20 (primary coil) as excitation power of the carrier power, and 2 to supply power used by all circuits included in the secondary side And a secondary power source 28.
Hereafter, each circuit component which the carrier-type dynamic strain measuring device of 1st and 2nd embodiment has is demonstrated, referring FIG.
First, on the primary side, the measurement bridge 11 is configured as a Wheatstone bridge circuit with a strain gauge, and the strain gauge is attached to an object to be measured by means such as adhesion, fusion, vapor deposition, and sputtering. , Detect the strain.
The input transformer 12 (primary coil) receives the output (voltage value) from the measurement bridge proportional to the strain of the object to be measured on the primary side (primary coil) and transmits it to the secondary coil by magnetic coupling.
B. The V waveform supply circuit 15 receives the same carrier wave as that input to the measurement bridge 11 and supplies the carrier wave cancel circuit 14 as a carrier wave reference.

較正値発生回路16は、ひずみゲージに実際に負荷を掛けることなく、特定の1つまたは複数の較正値に対応する較正電圧を発生して入力トランス12に印加する。
抵抗分調整回路17は、ひずみゲージに負荷をかけない状態における測定ブリッジ11の出力に含まれる抵抗分の初期不平衡成分を調整する(打消す)ことができる電圧値に対応する電圧を発生して搬送波に重畳して入力トランス12に伝達する。
1次側電源回路18は、2次側電源28から電源の供給を受けて駆動するパワーアンプ回路27によって励振される電力トランス20(2次コイル)に接続されている。この1次側電源回路18は、1次側の全ての回路要素が使用する電力を供給するためのものである。
結合トランス19(2次コイル)は、2次側の発振回路26で生成される搬送波(例えば、5kHzの発振周波数)をひずみの測定時に測定ブリッジ11に入力する搬送波電源(いわゆるブリッジ電源)を、磁気結合で受けて測定ブリッジ11に伝達する。
また、2次側において、搬送波増幅回路21は、入力トランス12(2次側コイル)から出力される測定ひずみを含む搬送波出力を増幅する増幅回路であり、この増幅結果の出力を、抵抗分位相検波回路、キャリアフィルタ回路22と、容量分位相検波回路、キャリアフィルタ回路23とに送出する。
The calibration value generation circuit 16 generates a calibration voltage corresponding to one or more specific calibration values and applies the calibration voltage to the input transformer 12 without actually applying a load to the strain gauge.
The resistance adjustment circuit 17 generates a voltage corresponding to a voltage value that can adjust (cancel) the initial unbalance component of the resistance included in the output of the measurement bridge 11 when no load is applied to the strain gauge. And superimposed on the carrier wave and transmitted to the input transformer 12.
The primary power supply circuit 18 is connected to a power transformer 20 (secondary coil) that is excited by a power amplifier circuit 27 that is driven by power supplied from the secondary power supply 28. The primary power supply circuit 18 is for supplying power used by all circuit elements on the primary side.
The coupling transformer 19 (secondary coil) is a carrier power source (so-called bridge power source) that inputs a carrier wave (for example, an oscillation frequency of 5 kHz) generated by the secondary-side oscillation circuit 26 to the measurement bridge 11 when measuring distortion. Received by magnetic coupling and transmitted to the measurement bridge 11.
On the secondary side, the carrier amplifier circuit 21 is an amplifier circuit that amplifies the carrier wave output including the measurement distortion output from the input transformer 12 (secondary coil). The signal is sent to the detection circuit, the carrier filter circuit 22, and the capacitive phase detection circuit, the carrier filter circuit 23.

抵抗分位相検波回路、キャリアフィルタ回路22は、前記測定ひずみを含む搬送波出力から、測定ブリッジ11のホイートストンブリッジを構成する4辺の抵抗分の初期不平衡成分を抽出し、さらに搬送波成分を除去してひずみに対応した信号を出力する。但し、この抵抗分位相検波回路、キャリアフィルタ回路22が検出した抵抗分の初期不平衡成分を打消して、これを補償する回路部分は、本発明の範囲外であるので、ここでの図示及び説明は省略する。
容量分位相検波回路、キャリアフィルタ回路23は、前記測定ひずみを含む搬送波出力を搬送波増幅回路21から受けると共に、発振回路26の出力に対して90°位相をずらせた出力を移相回路25から受けて、容量不平衡成分を抽出し、搬送波を除去して容量分打消し駆動回路24に送出する。
移相回路25は、発振回路26の出力に対し位相を90°ずらせて、容量分位相検波回路、キャリアフィルタ回路23に送出する。また、発振回路26は、結合トランス19を介して1次側の測定ブリッジ11に印加する搬送波出力を生成する。この発振回路26の出力は、上記移送回路25と2次側の抵抗分位相検波回路、キャリアフィルタ回路22とパワーアンプ回路27にも送出される。
パワーアンプ27は、発振回路26が生成する搬送波(正弦波波形)の出力を増幅し、この増幅で得られた励振電圧を、電力トランス20(1次コイル)に供給する。
The resistance phase detector circuit and the carrier filter circuit 22 extract initial unbalance components corresponding to the resistances of the four sides constituting the Wheatstone bridge of the measurement bridge 11 from the carrier wave output including the measurement distortion, and further remove the carrier wave component. Output a signal corresponding to the distortion. However, the circuit portion for canceling and compensating for the initial unbalance component of the resistance detected by the resistance phase detector circuit and the carrier filter circuit 22 is outside the scope of the present invention. Description is omitted.
The capacitive phase detection circuit and the carrier filter circuit 23 receive the carrier wave output including the measurement distortion from the carrier wave amplifier circuit 21 and also receive the output shifted by 90 ° from the output of the oscillation circuit 26 from the phase shift circuit 25. Thus, the capacitive unbalanced component is extracted, the carrier wave is removed, and the capacitance is canceled and sent to the drive circuit 24.
The phase shift circuit 25 shifts the phase by 90 ° with respect to the output of the oscillation circuit 26 and sends it to the phase detection circuit and the carrier filter circuit 23 by the capacitance. Further, the oscillation circuit 26 generates a carrier wave output to be applied to the measurement bridge 11 on the primary side via the coupling transformer 19. The output of the oscillation circuit 26 is also sent to the transfer circuit 25, the secondary resistance phase detection circuit, the carrier filter circuit 22, and the power amplifier circuit 27.
The power amplifier 27 amplifies the output of the carrier wave (sine wave waveform) generated by the oscillation circuit 26 and supplies the excitation voltage obtained by this amplification to the power transformer 20 (primary coil).

電力トランス20の2次コイルには、1次側電源回路18が接続されている。この1次側電源回路18からは、平滑化された直流電圧が生成され、1次側に含まれる回路要素へと供給される。
2次側電源28は、2次側の全ての回路要素が使用する電力を供給する。
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器における打消し回路からの出力電圧(補償量)を、帰還するための回路構成の一例を示す回路図である。
図3に示す回路図において、例えば、第1の容量分打消し駆動回路24aの出力は、帰還用の第1のコンデンサCbを介して、入力トランス12の一方の入力端に供給されると共に、測定ブリッジ11の一方の出力端子Bに供給される。また、第2の容量分打消し駆動回路24bの出力は、帰還用の第2のコンデンサCdを介して入力トランス12の他の入力端に供給されると共に、測定ブリッジ11の他方の出力端Dに供給される。
上記測定ブリッジの一方の出力端子Bには、後述する式(38)または式(42)のVbcを供給し、他方の出力端子Dには、後述する式(37)または式(41)のVdcを供給する。
A primary power supply circuit 18 is connected to the secondary coil of the power transformer 20. From the primary side power supply circuit 18, a smoothed DC voltage is generated and supplied to circuit elements included in the primary side.
The secondary power supply 28 supplies power used by all circuit elements on the secondary side.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration for feeding back the output voltage (compensation amount) from the cancellation circuit in the carrier wave type dynamic strain measuring instrument according to the second embodiment of the present invention.
In the circuit diagram shown in FIG. 3, for example, the output of the first capacitance canceling drive circuit 24a is supplied to one input terminal of the input transformer 12 via the feedback first capacitor Cb. It is supplied to one output terminal B of the measurement bridge 11. The output of the second capacitance canceling drive circuit 24b is supplied to the other input terminal of the input transformer 12 through the second capacitor Cd for feedback, and the other output terminal D of the measurement bridge 11 is used. To be supplied.
One output terminal B of the measurement bridge is supplied with Vbc of formula (38) or formula (42) to be described later, and the other output terminal D is Vdc of formula (37) or formula (41) to be described later. Supply.

即ち、第2の実施の形態の場合、容量分打消し駆動回路24aの出力を受けて、これを増幅する第1の打消し回路14aは、第1のコンデンサCbを介して入力トランス12の1次側コイルの一端に打消し電圧を搬送波に重畳させて供給する。
さらに、第2の容量分打消し駆動回路24の出力を受けて、これを増幅する第2の打消し回路14bからの出力を、入力トランス12の1次側コイルの他端に、搬送波打消し電圧を重畳させて供給する。
このように構成することにより、打消し電圧の振幅が図2に示す構成のものに対して1/2ですみ、これにより直線性の良好なところが使用することができ、打消し波形が歪むことなく、きれいな波形で注入されるため、より高精度に容量不平衡分を常に打消し得る搬送波型動ひずみ測定器を提供することができる。
さらに、本発明の実施形態に係る搬送波型動ひずみ測定器は、前述の特許文献3(特開2010−216408号公報)に記載の搬送波型動ひずみ測定器と同様に、2次側から1次側へのフィードバック結合を発光ダイオード13aと受光ダイオード13bのような光信号伝達手段13を介して実現することも可能である。
That is, in the case of the second embodiment, the first cancellation circuit 14a that receives and amplifies the output of the capacitance cancellation drive circuit 24a is connected to one of the input transformers 12 via the first capacitor Cb. A canceling voltage is superimposed on the carrier wave and supplied to one end of the secondary coil.
Further, the output from the second cancellation circuit 14b that receives and amplifies the output of the second capacitance cancellation drive circuit 24 is canceled at the other end of the primary side coil of the input transformer 12. Supply voltage superimposed.
With this configuration, the amplitude of the cancellation voltage is only ½ that of the configuration shown in FIG. 2, so that a portion with good linearity can be used, and the cancellation waveform is distorted. Therefore, it is possible to provide a carrier-type dynamic strain measuring device that can always cancel out the capacity imbalance with higher accuracy.
Furthermore, the carrier-type dynamic strain measuring device according to the embodiment of the present invention is similar to the carrier-type dynamic strain measuring device described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-216408) described above from the secondary side. It is also possible to realize the feedback coupling to the side through the optical signal transmission means 13 such as the light emitting diode 13a and the light receiving diode 13b.

以下、本発明の第1および第2の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器に特徴的な構成要素である第1および第2のコンデンサCbおよびCdの機能について説明する。
まず、測定ブリッジの等価回路について説明し、浮遊容量によるC分がどの程度の零点変化を及ぼすのか、その概略を示す。
図4は、測定ブリッジと測定器と入力ケーブルとを接続する回路を示す回路図であり、図4(a)は、測定ブリッジと測定器と入力ケーブルとの接続を示し、図4(b)は、ゲージ抵抗R1と並列にC分(浮遊容量Cu1)が生じている場合の、その等価回路を示すものである。
同図に示す測定ブリッジでは、C分(浮遊容量Cu1)をC分のアンバランス、Rl〜R4をRとし、AC間に搬送波を印加する。搬送波周波数をωで表し、振幅電圧をEとすると、ブリッジの出力電圧Eoutは(11)式となる。
Hereinafter, the functions of the first and second capacitors Cb and Cd, which are characteristic components of the carrier-type dynamic strain measuring device according to the first and second embodiments of the present invention, will be described.
First, an equivalent circuit of the measurement bridge will be described, and an outline of how much the zero point change is caused by the C component due to the stray capacitance will be shown.
4 is a circuit diagram showing a circuit for connecting a measurement bridge, a measuring instrument, and an input cable. FIG. 4A shows a connection between the measuring bridge, the measuring instrument, and the input cable, and FIG. These show an equivalent circuit in the case where a C component (floating capacitance Cu1) is generated in parallel with the gauge resistor R1.
In the measurement bridge shown in the figure, the C component (floating capacitance Cu1) is unbalanced by C component, R1 to R4 are R, and a carrier wave is applied between AC. When the carrier frequency is represented by ω and the amplitude voltage is E, the output voltage Eout of the bridge is expressed by equation (11).

Figure 2012154701
ここで、ひずみをε、ゲージ率をKsとすると、1枚ゲージの場合のブリッジの出力電圧は、(12)式で示される。
Figure 2012154701
Here, assuming that the strain is ε and the gauge factor is Ks, the output voltage of the bridge in the case of a single gauge is expressed by equation (12).

Figure 2012154701
よって、(11)式及び(12)より、(13)式が得られる(但し、Ks=2.00としている)。
Figure 2012154701
Therefore, the equation (13) is obtained from the equations (11) and (12) (however, Ks = 2.00).

Figure 2012154701
この式を実数部と虚数部に分けると、(14)式となる。
Figure 2012154701
When this expression is divided into a real part and an imaginary part, expression (14) is obtained.

Figure 2012154701
図5は、C分(浮遊容量Cu1)(横軸)の容量を変化させた場合の出力振幅値を、実測値と計算値とで比較した結果を示すグラフ図である。
同図に結果を示す測定において、ひずみゲージの抵抗値として120Ωを使用し、ブリッジ電圧を2Vとし、搬送波周波数として5kHz,12Mz,28kHzを、それぞれ印加した(ブリッジ電圧が2Vのとき、1με=1μVに相当する)。
同図に示す測定結果からは、計算値と実測値とはほぼ合致していることが分かる。
また、28kHzの搬送波でC分アンバランスが2000pFの時、出力は、20000με以上、5kHzの場合でも4000με以上となっている。
同図に示すように、測定ブリッジの初期不平衡値は、C分のアンバランス容量と搬送波周波数とに大きく影響を受けていることが分かる。
測定に使われるひずみゲージは、抵抗変化分が低抗値の1%以下の微小変化を検出し、利用する。このため、測定ブリッジからの出力電圧は数百μεから数千με(数mV)と小さい。よって、浮遊容量Cu1で発生する出力が数mV以上となると、R分の出力を超えてしまって、入力に非常に大きな影響を与えることになる。
さらに判定器の増幅回路は、数千倍の増幅度を持たせるため、C分で増幅回路が飽和しないように、増幅回路に入る前にバランスさせる必要がある。抵抗であるR分は、ひずみゲージであるので、被測定体に取付けてから、別途調整するものとする。
Figure 2012154701
FIG. 5 is a graph showing the result of comparing the output amplitude value between the measured value and the calculated value when the capacitance of C (floating capacitance Cu1) (horizontal axis) is changed.
In the measurement results shown in the figure, 120Ω is used as the resistance value of the strain gauge, the bridge voltage is 2 V, and the carrier frequencies are 5 kHz, 12 Mz, and 28 kHz, respectively (when the bridge voltage is 2 V, 1 με = 1 μV) Equivalent to
From the measurement results shown in the figure, it can be seen that the calculated values and the actually measured values almost coincide.
Further, when the C-balance imbalance is 2000 pF with a carrier wave of 28 kHz, the output is 20000 με or more, and even when 5 kHz, the output is 4000 με or more.
As shown in the figure, it can be seen that the initial unbalance value of the measurement bridge is greatly influenced by the unbalance capacity of C and the carrier frequency.
The strain gauge used for the measurement detects and uses a minute change in which the resistance change is 1% or less of the resistance value. For this reason, the output voltage from the measurement bridge is as small as several hundred με to several thousand με (several mV). Therefore, when the output generated in the stray capacitance Cu1 is several mV or more, it exceeds the output for R, which greatly affects the input.
Furthermore, since the amplification circuit of the decision unit has an amplification factor of several thousand times, it is necessary to balance before entering the amplification circuit so that the amplification circuit is not saturated in C minutes. Since the resistance R is a strain gauge, it is separately adjusted after being attached to the object to be measured.

以下、一般的なCST方式のひずみ測定器における不要波形打消し方法について説明する。
測定ブリッジのC分による不要電圧は虚数部分として現わされる。従って、虚数部分を検出して入力側に戻し、位相が180°ずれた波形として加えれば打消すことができることになる。前述のとおり、この方法はCST方式と呼ばれている。
以下、一般的なCST方式の搬送波型動動ひずみ測定器における不要波形打消し方法の計算式を示す。
図6は、C分を打消す波形をVbcとしてB点に印加する場合の等価回路を示す。
同図では、センサーである測定ブリッジの隣り合った辺にC分が有り、このC分を打消す波形をVbcとしてB点に印加する場合の等価回路を示している。(このとき、4辺に分布するC分容量は少なく、バランスしているものとする。)
まず、図6(a)において、AB間に浮遊容量Cu1が加わった場合、出力電圧Eoutは(15)式で示される。
Hereinafter, a method for canceling an unnecessary waveform in a general CST type strain measuring device will be described.
The unnecessary voltage due to the C component of the measurement bridge appears as an imaginary part. Therefore, if the imaginary part is detected and returned to the input side and added as a waveform whose phase is shifted by 180 °, it can be canceled. As described above, this method is called a CST method.
The calculation formula of the unnecessary waveform canceling method in a general CST type carrier dynamic strain measuring instrument will be shown below.
FIG. 6 shows an equivalent circuit when a waveform for canceling the C component is applied to point B as Vbc.
This figure shows an equivalent circuit in the case where there are C portions on adjacent sides of the measurement bridge as a sensor, and a waveform that cancels this C portion is applied to point B as Vbc. (At this time, it is assumed that the C content distributed on the four sides is small and balanced.)
First, in FIG. 6A, when the stray capacitance Cu1 is added between AB, the output voltage Eout is expressed by equation (15).

Figure 2012154701
(15)式から実数部と虚数部とを求め、虚数部を零にするVbcを求めると、Vbcは(16)式として求まる。
Figure 2012154701
When the real part and the imaginary part are obtained from the equation (15), and Vbc is obtained by setting the imaginary part to zero, Vbc is obtained as the equation (16).

Figure 2012154701
(16)式を(15)式に代入すると、(17)式が得られる。
Figure 2012154701
Substituting equation (16) into equation (15) yields equation (17).

Figure 2012154701
(17)式は、Vbcを(16)式で示されるようにコントロールすると、出力電圧Eoutは、測定ブリッジに印加する搬送波周波数に関係しないで、R分である抵抗値だけの式になることを示している。
次に、図6(b)に示す等価回路についても上記と同様に出力電圧Eoutを算出する。
まず、図6(b)において、BC間に浮遊容量Cu2が加わった場合、出力電圧Eoutは(18)式で示される。
Figure 2012154701
In the equation (17), when Vbc is controlled as shown in the equation (16), the output voltage Eout is not related to the carrier frequency applied to the measurement bridge, but only the resistance value corresponding to R. Show.
Next, the output voltage Eout is calculated for the equivalent circuit shown in FIG.
First, in FIG. 6B, when the stray capacitance Cu2 is added between BC, the output voltage Eout is expressed by the equation (18).

Figure 2012154701
(18)式から実数部と虚数部とを求め、虚数部を零にするVbcを求めると、Vbcは(19)式として求まる。
Figure 2012154701
When the real part and the imaginary part are obtained from the equation (18), and Vbc for making the imaginary part zero is obtained, Vbc is obtained as the equation (19).

Figure 2012154701
(19)式を(18)式に代入すると、(20)式が得られる。
Figure 2012154701
Substituting equation (19) into equation (18) yields equation (20).

Figure 2012154701
(20)式は、Vbcを(19)式で示されるようにコントロールすると、出力電圧Eoutは測定ブリッジに印加する搬送波周波数に関係しないで、R分である抵抗値だけの式になることを示している。
ここで(16)式と(19)式に注目し、R1=R2とすると、(16)式は、(21)式になる。
Figure 2012154701
Equation (20) shows that when Vbc is controlled as shown in Equation (19), the output voltage Eout is not related to the carrier frequency applied to the measurement bridge, but only the resistance value corresponding to R. ing.
Here, paying attention to the equations (16) and (19) and assuming R1 = R2, the equation (16) becomes the equation (21).

Figure 2012154701
また、(19)式は(22)式となる。
Figure 2012154701
Also, equation (19) becomes equation (22).

Figure 2012154701
(21)式と(22)式とから解るように、R分がバランスしている場合は、ブリッジ電圧(E/2)と不平衝C分(浮遊容量Cu1または浮遊容量Cu2)とを乗算して成る逆位相の電圧を加えれば良いことが解る。
以下、これを実際の回路で検証した結果を示す。
図7は、R分がバランスしている場合のVbcを示す算式の検証に使用した回路のブロック構成図である。
同図に示す回路において、測定ブリッジAB間のC分を変化させ、CST動作をさせた場合と、CST動作をしない場合とを比較した。
図8は、図7に示す回路におけるC分によって出力するひずみ量(=出力電圧Eout)の比較データを示すグラフ図である。
同図に示すデータは、CST動作をさせた場合と、CST動作をしない場合とで、搬送波周波数を5kHz、12kHz、28kHzとし、ブリッジ抵抗を120Ωとして、それぞれ取得したものである。同図から解るように、CST方式では零点がほとんど変化しない。C分によって出力するひずみ量はグラフ上では零に近く、改善度は非常に大きい。この動作で、搬送波型動ひずみ測定器の測定ブリッジの初期不平衡の調整は、R分のみで済むことが理解される。
Figure 2012154701
As can be seen from the equations (21) and (22), when the R component is balanced, the bridge voltage (E / 2) and the unbalance C component (the stray capacitance Cu1 or the stray capacitance Cu2) are multiplied. It can be seen that it is sufficient to apply a reverse phase voltage.
The results of verifying this with an actual circuit are shown below.
FIG. 7 is a block configuration diagram of a circuit used for verifying the formula showing Vbc when the R component is balanced.
In the circuit shown in the figure, the case where the C portion between the measurement bridges AB is changed and the CST operation is performed is compared with the case where the CST operation is not performed.
FIG. 8 is a graph showing comparison data of the amount of distortion (= output voltage Eout) output by C in the circuit shown in FIG.
The data shown in the figure is obtained when the CST operation is performed and when the CST operation is not performed and the carrier wave frequencies are 5 kHz, 12 kHz, and 28 kHz, and the bridge resistance is 120Ω. As can be seen from the figure, the zero point hardly changes in the CST method. The strain output by the C component is close to zero on the graph, and the improvement is very large. With this operation, it is understood that the adjustment of the initial imbalance of the measurement bridge of the carrier-type dynamic strain measuring instrument is only R.

次に、測定ブリッジのAB辺とBC辺の対辺であるCD辺とAD辺に、C分として浮遊容量Cu3および浮遊容量Cu4が混入した場合を考える。(このとき、ブリッジの4辺に分布するC分容量は少なく、バランスしているものとする。)
図9は、測定ブリッジのAB辺およびBC辺の対辺であるCD辺およびAD辺に、C分として浮遊容量Cu3および浮遊容量Cu4が入った場合の測定ブリッジの等価回路を示す。
この場合、まず、図9(a)に示す等価回路について出力電圧Eoutを求め、その虚数部を零にする電圧Vbcを算出する。
出力電圧Eoutは、(23)式で示され、電圧Vbcは(24)式で示される。(24)式を(23)式に代入すると、(25)式が求められる。
Next, let us consider a case where the stray capacitance Cu3 and the stray capacitance Cu4 are mixed as C components into the CD side and the AD side which are opposite sides of the AB side and the BC side of the measurement bridge. (At this time, it is assumed that the C component capacity distributed on the four sides of the bridge is small and balanced.)
FIG. 9 shows an equivalent circuit of the measurement bridge in the case where the stray capacitance Cu3 and the stray capacitance Cu4 are contained as C components in the CD side and the AD side which are opposite sides of the AB side and the BC side of the measurement bridge.
In this case, first, the output voltage Eout is obtained for the equivalent circuit shown in FIG. 9A, and the voltage Vbc that makes its imaginary part zero is calculated.
The output voltage Eout is expressed by equation (23), and the voltage Vbc is expressed by equation (24). Substituting equation (24) into equation (23) yields equation (25).

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
(25)式から解るように、出力電圧Eoutは、印加する搬送波の周波数と抵抗値にも依存し、C分の変化では零にならない。
次に、図9(b)に示す等価回路についても同様な計算をして出力電圧Eoutを求める。
求められた式で、R=120Ω(R1=R2=R3=R4)とし、辺ADと辺CDにC分である浮遊容量Cu4と浮遊容量Cu3とが加わり、その変化量を0〜2200pFまで変えた場合の出力電圧Eoutを算出した。
搬送波周波数には、5kHz、12kHz、28kHzの3種類を用いた。その結果は図10に示す。
図10は、図9に示す等価回路についての、ひずみ量(=出力電圧Eout)の比較データを示すグラフ図である。
同図に示すグラフを見ても解るように、120Ωのブリッジ抵抗で搬送波周波数が28kHzのとき、1300μεも変化する(この時、容量値Cbは、2200pFである)。
Figure 2012154701
As can be seen from the equation (25), the output voltage Eout also depends on the frequency and resistance value of the applied carrier wave, and does not become zero with a change of C minutes.
Next, the same calculation is performed for the equivalent circuit shown in FIG. 9B to obtain the output voltage Eout.
In the obtained formula, R = 120Ω (R1 = R2 = R3 = R4), and the stray capacitance Cu4 and stray capacitance Cu3 which are C minutes are added to the side AD and the side CD, and the change amount is changed to 0 to 2200 pF. In this case, the output voltage Eout was calculated.
Three types of carrier frequencies of 5 kHz, 12 kHz, and 28 kHz were used. The result is shown in FIG.
FIG. 10 is a graph showing comparison data of the distortion amount (= output voltage Eout) for the equivalent circuit shown in FIG.
As can be seen from the graph shown in the figure, when the carrier frequency is 28 kHz with a bridge resistance of 120Ω, 1300 με also changes (at this time, the capacitance value Cb is 2200 pF).

AB、BC辺のC分がアンバランスなら初期不平衡値は零になるが、AD、CD辺は、C分による初期不平衡値が零にならないので、改善しなければならない。
この改善方法としては、測定ブリッジのD点に、B点と同じようにC分を打消す電圧発生部分Vdcを用いることができる。
以下、本発明のCST方式動ひずみ測定器に適用される測定ブリッジの4辺にC分が有る場合の不要波形打消し方法について説明する。
まず、この方法を計算式で示すために、モデルの等価回路を設定する。
測定ブリッジのB点を中心にして、AB辺、BC辺は、電圧Vbcと容量Cbの回路で受け持たせ、AD辺、CD辺は、D点を中心にして、新しく設ける電圧Vdcと容量Cdの回路で受け持たせれば、測定ブリッジのどの辺にC分が加わっても零点変化を抑えることができる(その等価回路は図11に示す)。
図11は、測定ブリッジの4辺に浮遊容量C分(Cu1〜Cu4)が有る場合の打消し方法を説明するための等価回路の回路図である。
同図に示す等価回路において、出力電圧Eoutを算出するには、重ね合わせの原理から、以下に示すように第1〜第4の回路に分解することができる(分解結果を図12〜図15に示す)。
If the C component of the AB and BC sides is unbalanced, the initial unbalance value becomes zero. However, the AD and CD sides do not have zero initial unbalance value, and must be improved.
As an improvement method, a voltage generation portion Vdc that cancels the C component can be used at the point D of the measurement bridge as in the case of the point B.
The unnecessary waveform canceling method when there are C components on the four sides of the measurement bridge applied to the CST system dynamic strain measuring instrument of the present invention will be described below.
First, an equivalent circuit of the model is set in order to show this method by a calculation formula.
The AB side and the BC side are handled by the circuit of the voltage Vbc and the capacitance Cb with the B point of the measurement bridge as the center, and the AD side and the CD side are newly provided with the D point as the center, and the voltage Vdc and the capacitance Cd. If this circuit is used, the zero point change can be suppressed regardless of which side of the measurement bridge C is added (the equivalent circuit is shown in FIG. 11).
FIG. 11 is a circuit diagram of an equivalent circuit for explaining a canceling method when there are stray capacitances C (Cu1 to Cu4) on four sides of the measurement bridge.
In the equivalent circuit shown in the figure, in order to calculate the output voltage Eout, from the principle of superposition, it can be decomposed into first to fourth circuits as shown below (decomposition results are shown in FIGS. 12 to 15). To show).

図12は、図11に示す等価回路を分解した第1の回路の回路図である。
図13は、図11に示す等価回路を分解した第2の回路の回路図である。
図14は、図11に示す等価回路を分解した第3の回路の回路図である。
図15は、図11に示す等価回路を分解した第4の回路の回路図である。
即ち、出力電圧Eoutは、Eout=(VD1+VD2+VD3+VD4)−(VB1+VB2+VB3+VB4)となる。
ここで、図12のVD1とVB1、図13のVD2とVB2、図14のVD3とVB3および図15のVD4とVB4を計算する。
まず、VD1は、(26)式で求められる。
FIG. 12 is a circuit diagram of a first circuit obtained by disassembling the equivalent circuit shown in FIG.
FIG. 13 is a circuit diagram of a second circuit obtained by disassembling the equivalent circuit shown in FIG.
FIG. 14 is a circuit diagram of a third circuit obtained by disassembling the equivalent circuit shown in FIG.
FIG. 15 is a circuit diagram of a fourth circuit obtained by disassembling the equivalent circuit shown in FIG.
That is, the output voltage Eout is Eout = (VD1 + VD2 + VD3 + VD4) − (VB1 + VB2 + VB3 + VB4).
Here, VD1 and VB1 in FIG. 12, VD2 and VB2 in FIG. 13, VD3 and VB3 in FIG. 14, and VD4 and VB4 in FIG. 15 are calculated.
First, VD1 is obtained by equation (26).

Figure 2012154701
(26)式を整理すると、(27)式が得られる。
Figure 2012154701
By rearranging equation (26), equation (27) is obtained.

Figure 2012154701
同様にVB1は、(28)式で求められる。
Figure 2012154701
Similarly, VB1 is obtained by the equation (28).

Figure 2012154701
VD2は、(29)式で求められる。
Figure 2012154701
VD2 is determined by equation (29).

Figure 2012154701
VB2は、(30)式で求められる。
Figure 2012154701
VB2 is determined by equation (30).

Figure 2012154701
VD3は(31)式で求められる。
Figure 2012154701
VD3 is obtained by equation (31).

VD3=0 ‥……(31)
VB3は、(32)式で求められる。
VD3 = 0 (31)
VB3 is determined by equation (32).

Figure 2012154701
VD4は、(33)式で求められる。
Figure 2012154701
VD4 is determined by equation (33).

Figure 2012154701
また、VB4は、(34)式で求められる。
Figure 2012154701
Moreover, VB4 is calculated | required by (34) Formula.

VB4=0 ‥……(34)
ここで、VDとVBを求める。
VD=VD1+VD2+VD3+VD4であるから、(27)式、(29)式、(31)式および(33)式を加算し、(35)式を得る。
VB4 = 0 (34)
Here, VD and VB are obtained.
Since VD = VD1 + VD2 + VD3 + VD4, Equation (27), Equation (29), Equation (31) and Equation (33) are added to obtain Equation (35).

Figure 2012154701
次に、VBを算出する。
VB=VB1+VB2+VB3+VB4であるから、(28)式、(30)式、(32)式および(34)式を加算し、(36)式を得る。
Figure 2012154701
Next, VB is calculated.
Since VB = VB1 + VB2 + VB3 + VB4, Equation (28), Equation (30), Equation (32) and Equation (34) are added to obtain Equation (36).

Figure 2012154701
(35)式と(36)式とを、それぞれ実数部と虚数部に分けて、虚数部を零にする電圧Vdcと電圧Vbcを算出すると、電圧Vdcは(37)式となり、電圧Vbcは(38)式となる。
Figure 2012154701
By dividing the expression (35) and the expression (36) into the real part and the imaginary part, respectively, and calculating the voltage Vdc and the voltage Vbc that make the imaginary part zero, the voltage Vdc becomes the expression (37), and the voltage Vbc becomes ( 38).

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
‥……(38)
以上により、図11に示した等価回路の出力電圧Eoutは、(39)式として求まる。
Figure 2012154701
(38)
From the above, the output voltage Eout of the equivalent circuit shown in FIG. 11 is obtained as equation (39).

Figure 2012154701
(39)式に、前述の虚数部を零にする(37)式と(38)式とを、それぞれ電圧Vdcと電圧Vbcの項に代入すると、(40)式が得られる。
Figure 2012154701
By substituting (37) and (38) into the terms of voltage Vdc and voltage Vbc, respectively, the above-described equation (37) and (38) for setting the imaginary part to zero in equation (39), equation (40) is obtained.

Figure 2012154701
(40)式は、抵抗Rだけの式であることが理解される。
以上の結果から、測定ブリッジのD点とB点に、それぞれ独立したC分の打消し回路を設けて、電圧Vdcと電圧Vbcとを(37)式と(38)式のようにコントロールすれば、測定ブリッジの4辺にC分が加わっても零点変動は生じなくなることになる。
抵抗R分は別途バランスさせるので、測定ブリッジ4辺の抵抗R分は全て等しいとして、R=R1=R2=R3=R4と置くと、(37)式と(38)式は(41)式と(42)式となる。
Figure 2012154701
It is understood that the equation (40) is an equation of only the resistance R.
From the above results, it is possible to provide an independent cancellation circuit for C at points D and B of the measurement bridge, and to control the voltages Vdc and Vbc as shown in equations (37) and (38). Even if C is added to the four sides of the measurement bridge, the zero point fluctuation does not occur.
Since the resistance R components are separately balanced, assuming that the resistance R components on the four sides of the measurement bridge are all equal, and R = R1 = R2 = R3 = R4, Equations (37) and (38) are expressed as Equation (41). (42).

Figure 2012154701
Figure 2012154701

Figure 2012154701
また、(41)式と(42)式とから解るように、抵抗R分が平衡していれば、ブリッジのD点とB点の隣辺のC分の差分のE/2の打消し波形を加えればよいことが理解される。即ち、抵抗R分に関係せず、また、搬送波周波数にも関係しないで、C分は打消すことが可能となる。
Figure 2012154701
Further, as understood from the equations (41) and (42), if the resistance R is balanced, the cancellation waveform of E / 2 of the difference of C by the adjacent side of the point D and the point B of the bridge. It is understood that it may be added. That is, it is possible to cancel the C component regardless of the resistance R component and the carrier frequency.

(実施例)
図1に示す本発明の第1の実施の形態に係る搬送波型動ひずみ測定器の実施回路において、ひずみゲージの抵抗変化に見立てて、ひずみの変化量を発生させる機器をSSG(Standard Strain Generator)とし、測定器の基準入力とする。これが測定ブリッジに相当する。このSSG入力を基準とし、ひずみ量を測定した。
測定ブリッジの各辺に、C分として、0から約2000pFまでを加えて測定した零点変化のデータを図16及び図17に示す。
図16(a)、(b)は、実施回路におけるA−B間およびB−C間の零点変化のデータを示すグラフ図である。
同図は、測定ブリッジ各辺の抵抗値を120Ωとし、搬送波の周波数を5kHz、12kHzおよび28kHzと変化させた場合の測定結果を示すものである(但し、この実験では0と2200pFで出力が零になるように調整した)。
図17は、実施回路におけるA−B間およびC−D間の零点変化の他のデータを示すグラフ図である。
同図は、測定ブリッジ各辺の抵抗値を350Ωとし、同様に搬送波の周波数を5kHz、12kHz、及び28kHzと変化させた場合の測定結果を示すものである。
(Example)
In the implementation circuit of the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, an SSG (Standard Strain Generator) is a device that generates a strain change amount based on a resistance change of a strain gauge. And the reference input of the measuring instrument. This corresponds to a measurement bridge. Based on this SSG input, the amount of strain was measured.
FIGS. 16 and 17 show data of zero change measured by adding 0 to about 2000 pF as C minutes to each side of the measurement bridge.
FIGS. 16A and 16B are graphs showing data of zero point changes between A and B and B and C in the implementation circuit.
The figure shows the measurement results when the resistance value of each side of the measurement bridge is 120Ω and the carrier frequency is changed to 5 kHz, 12 kHz and 28 kHz (however, in this experiment, the output is zero at 0 and 2200 pF). Adjusted to be).
FIG. 17 is a graph showing other data of zero point change between AB and CD in the implementation circuit.
This figure shows the measurement results when the resistance value of each side of the measurement bridge is 350Ω and the frequency of the carrier wave is similarly changed to 5 kHz, 12 kHz, and 28 kHz.

図16(a)、(b)および図17(a)、(b)に示す測定結果から解るように、搬送波周波数が5kHzの場合、測定ブリッジ各辺の抵抗値が、120Ωであっても、また350Ωであっても、さらに測定フリッジの4辺にC分が入っていても、実施回路における出力電圧Eoutの変化分はほとんど零に近い。
また、12kHzの場合は、実施回路における出力電圧Eoutの変化分は十数μεである。
さらに、28kHzの場合、測定ブリッジ各辺の抵抗値が120Ωでは40με以下であるが、35OΩの場合では約100μεである。
この残差の原因としては、微少電圧を扱うため、搬送波の周波数が高く、また抵抗値も高いほど、電磁ノイズが回路構成部品や、回路パターンから浮遊容量を介して入力に影響してしまうためである。浮遊容量を少なくするための部品配置や、シールドの取り方を改善すれば、もう少し良い結果になると考えられる。
図10からも理解されるように、従来の通常の装置では、出力電圧Eoutの変化分が、ブリッジの各辺の抵抗が120Ω、搬送波の搬送周波数が28kHzの場合で、1200με以上変化しているのに対し、本実施形態に係る搬送波型動ひずみ測定器は、図16に示すように、40με以下になっているので、顕著な改善効果が得られている。
As can be seen from the measurement results shown in FIGS. 16A and 16B and FIGS. 17A and 17B, when the carrier frequency is 5 kHz, even if the resistance value of each side of the measurement bridge is 120Ω, Even if 350Ω or even if there are C components on the four sides of the measurement bridge, the change in the output voltage Eout in the implementation circuit is almost zero.
In the case of 12 kHz, the change in the output voltage Eout in the implementation circuit is a dozen με.
Furthermore, in the case of 28 kHz, the resistance value of each side of the measurement bridge is 40 με or less at 120Ω, but is about 100 με in the case of 35 OΩ.
The reason for this residual is that it handles minute voltages, so that the higher the carrier frequency and the higher the resistance value, the more electromagnetic noise will affect the input from circuit components and circuit patterns via stray capacitances. It is. It is thought that better results will be obtained if the arrangement of parts to reduce stray capacitance and the shielding are improved.
As understood from FIG. 10, in the conventional normal device, the change in the output voltage Eout changes by 1200 με or more when the resistance of each side of the bridge is 120Ω and the carrier frequency of the carrier wave is 28 kHz. On the other hand, since the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to the present embodiment is 40 με or less as shown in FIG. 16, a remarkable improvement effect is obtained.

なお、応力測定で使用するひずみ測定量は数百から数千μεであるから、本実施形態に係る搬送波型動ひずみ測定器を使用することにより、測定ブリッジの初期不平衡値を十分抑えることができる。従って、本実施形態に係る搬送波型動ひずみ測定器の特徴である2系統のCST動作は、十分機能していると言える。
また、従来のCST方式の搬送波型動ひずみ測定器と同様に、搬送波を使用することにより、極めて変化の早い動的現象を測定することが可能であり、また、各種の容量不平衡分を瞬時に、且つ高精度に打ち消すことが可能である。さらに、測定ブリッジや打ち消し回路、2次側電源回路が含まれる1次側回路部分と、搬送波増幅回路、容量分位相検波回路、容量分打ち消し駆動回路、発振回路及び2次側電源が含まれる回路部分とを直接接続しない構成とすることも可能である。例えば、前述の特許文献3(特開2010−266408号公報)に記載の搬送波型動ひずみ測定器と同様に、2次側から1次側へのフィードバック結合を発光ダイオード13aと受光ダイオード13bのような光信号伝達手段を介して実現する構成とすることも可能であるので、ノイズの混入、特に2次側回路からのノイズが混入することがなく、高精度な動的ひずみの測定が可能となる。
Since the strain measurement used in stress measurement is several hundred to several thousand με, the initial imbalance value of the measurement bridge can be sufficiently suppressed by using the carrier-type dynamic strain measuring instrument according to this embodiment. it can. Therefore, it can be said that the two-system CST operation, which is a feature of the carrier-type dynamic strain measuring device according to the present embodiment, functions sufficiently.
In addition, as with conventional CST type carrier-type dynamic strain measuring instruments, it is possible to measure dynamic phenomena that change very quickly by using a carrier wave. In addition, it is possible to cancel with high accuracy. Further, a primary side circuit portion including a measurement bridge, a cancellation circuit, and a secondary side power supply circuit, and a circuit including a carrier wave amplifier circuit, a capacitive phase detection circuit, a capacitive cancellation drive circuit, an oscillation circuit, and a secondary power source It is also possible to adopt a configuration in which the portion is not directly connected. For example, similarly to the carrier-type dynamic strain measuring instrument described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-266408), feedback coupling from the secondary side to the primary side is performed as in the light emitting diode 13a and the light receiving diode 13b. It is also possible to achieve a configuration realized through a simple optical signal transmission means, so that noise, in particular, noise from the secondary side circuit is not mixed, and dynamic strain can be measured with high accuracy. Become.

11 測定ブリッジ
12 入力トランス
14、14a、14b 打消し回路
15 B.V波形供給回路
16 較正値発生回路
17 抵抗分調整回路
18 1次側電源回路
19 結合トランス
20 電力トランス
21、21a、21b 搬送波増幅回路
22 抵抗分位相検波回路、キャリアフィルタ回路
23 容量分位相検波回路、キャリアフィルタ回路
24、24a、24b 容量分打消し駆動回路
25、25a、25b 移相回路
26 発振回路
27 パワーアンプ回路
28 2次側電源
Cb、Cd、帰還用コンデンサ(打ち消し用)
R1〜R4 抵抗
Cu1〜Cu4 浮遊容量
11 Measurement Bridge 12 Input Transformer 14, 14a, 14b Cancellation Circuit 15B. V waveform supply circuit 16 Calibration value generation circuit 17 Resistance adjustment circuit 18 Primary power supply circuit 19 Coupling transformer 20 Power transformer 21, 21a, 21b Carrier wave amplifier circuit 22 Resistance phase detection circuit, carrier filter circuit 23 Capacitance phase detection circuit , Carrier filter circuit 24, 24a, 24b capacity canceling drive circuit 25, 25a, 25b phase shift circuit 26 oscillation circuit 27 power amplifier circuit 28 secondary power supply Cb, Cd, feedback capacitor (for cancellation)
R1-R4 resistance Cu1-Cu4 stray capacitance

Claims (5)

搬送波型動ひずみ測定器において、
ひずみゲージを含む測定ブリッジと、
前記測定ブリッジに印加される搬送波に重畳された測定信号を増幅する搬送波増幅回路と、
前記搬送波増幅回路の出力を受けて前記測定ブリッジの容量変化分に対応する不平衡成分を抽出し、前記不平衡成分に対応した補償量の信号を出力する容量分位相検波回路と、
前記容量分位相検波回路の出力を受けて前記測定ブリッジに発生する容量成分による不平衡成分を自動的に打消す2系統の第1および第2の容量分打消し駆動回路と、
前記測定ブリッジの抵抗の不平衡分を抽出して、搬送波成分を除去する抵抗分位相検波回路と、
位相のずれの基準となる基準電圧を前記容量分位相検波回路に供給する移相回路と、
前記測定ブリッジに印加する搬送波を発生する搬送波発振回路と、
前記測定ブリッジの2つの出力端子と、前記2系統の前記第1および第2の容量分打消し駆動回路との間にそれぞれ接続された2系統の帰還用の第1および第2のコンデンサと、を備え、
前記測定ブリッジの4辺の1辺乃至はすべての辺の抵抗に並列的に混入する浮遊容量成分による不平衡成分を打消す打消し電圧を前記2系統の前記第1および第2の容量打消し駆動回路から前記第1および第2の帰還用コンデンサを介して前記測定ブリッジの各出力端子にそれぞれ印加することにより前記容量による不平衡成分を自動的に打ち消すように構成したことを特徴とする搬送波型動ひずみ測定器。
In carrier type dynamic strain measuring instrument,
A measurement bridge including a strain gauge;
A carrier amplifier circuit for amplifying a measurement signal superimposed on a carrier wave applied to the measurement bridge;
Receiving the output of the carrier wave amplifier circuit, extracting an unbalanced component corresponding to the capacitance change of the measurement bridge, and outputting a compensation phase signal corresponding to the unbalanced component;
Two systems of first and second capacity canceling drive circuits that receive the output of the capacity phase detecting circuit and automatically cancel the unbalanced component due to the capacity component generated in the measurement bridge;
A resistance phase detector circuit that extracts an unbalanced portion of the resistance of the measurement bridge and removes a carrier wave component;
A phase shift circuit for supplying a reference voltage serving as a reference for the phase shift to the capacitance phase detection circuit;
A carrier oscillation circuit for generating a carrier wave to be applied to the measurement bridge;
Two systems of feedback first and second capacitors respectively connected between the two output terminals of the measurement bridge and the two systems of the first and second capacitance canceling drive circuits; With
The first and second capacitance cancellations of the two systems are used to cancel out the unbalance component due to the stray capacitance component mixed in parallel with the resistance of one or all four sides of the measurement bridge. A carrier wave configured to automatically cancel the unbalanced component due to the capacitance by being applied to each output terminal of the measurement bridge via the first and second feedback capacitors from the drive circuit. Type dynamic strain measuring instrument.
前記測定ブリッジの一方の出力端の隣辺に含まれる前記不均衡成分の容量をそれぞれCu1およびCu2とし、前記測定ブリッジの他方の出力端の隣辺に含まれる前記不均衡成分の容量をそれぞれCu3およびCu4とし、
前記帰還用の第1コンデンサおよび第2のコンデンサをCbおよびCdとし、
前記測定ブリッジの入力端に印加される搬送波電圧をEとし、
前記測定ブリッジを形成する抵抗成分が平衡している場合において、下記[数1]式によって求められる打消し電圧Vbcおよび下記[数2]式によって求められる打消し電圧Vdc:
Figure 2012154701
Figure 2012154701
を、前記測定ブリッジの一方の出力端および他方の出力端に、それぞれ印加するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の搬送波型動ひずみ測定器。
Capacities of the unbalanced component included in the adjacent side of one output end of the measurement bridge are Cu1 and Cu2, respectively, and capacitances of the unbalanced component included in the adjacent side of the other output end of the measurement bridge are respectively Cu3. And Cu4,
The feedback first capacitor and second capacitor are Cb and Cd,
The carrier voltage applied to the input end of the measurement bridge is E,
When the resistance components forming the measurement bridge are balanced, the cancellation voltage Vbc obtained by the following [Equation 1] and the cancellation voltage Vdc obtained by the following [Equation 2]:
Figure 2012154701
Figure 2012154701
The carrier-type dynamic strain measuring device according to claim 1, wherein each is applied to one output end and the other output end of the measurement bridge.
前記帰還用の第1および第2のコンデンサは、所定の複数の容量値のうち、いずれかを選択して設定することが可能なコンデンサであることを特徴とする請求項1記載の搬送波型動ひずみ測定器。   2. The carrier-type motion according to claim 1, wherein the first and second capacitors for feedback are capacitors that can be set by selecting any one of a plurality of predetermined capacitance values. Strain measuring instrument. 2次側の各回路に電力を供給する2次側電源と、前記2次側電源から電力トランスを介して電力を受けて1次側の各回路に電力を供給する1次側電源回路とをさらに備えると共に、前記搬送波発振回路の出力を、結合トランスを介して測定ブリッジに印加する構成としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の搬送波型動ひずみ測定器。   A secondary power supply for supplying power to each circuit on the secondary side, and a primary power supply circuit for receiving power from the secondary power supply via a power transformer and supplying power to each circuit on the primary side. The carrier-type dynamic strain measuring instrument according to any one of claims 1 to 3, further comprising a configuration in which an output of the carrier wave oscillation circuit is applied to a measurement bridge via a coupling transformer. 前記1次側の回路と前記2次側の回路との間に、少なくとも1つの発光ダイオードと、これと対峙するように配置された受光ダイオードからなる光信号伝達手段とをさらに備え、前記測定ブリッジ、前記容量分打消し駆動回路、前記受光ダイオードおよび前記1次側電源回路は、前記搬送波増幅回路、前記容量分位相検波回路、前記容量分打消し駆動回路、前記発光ダイオード、前記搬送波発振回路および前記2次側電源に対し、前記入力トランス、前記光信号伝達手段、前記結合トランスおよび前記電力トランスからなる電磁的手段および前記光信号伝達手段により接続され、電気的には絶縁された状態で接続されていることを特徴とする請求項4記載の搬送波型動ひずみ測定器。   The measurement bridge further includes at least one light emitting diode and a light signal transmitting means including a light receiving diode disposed so as to face the light emitting diode between the primary side circuit and the secondary side circuit. The capacitance canceling drive circuit, the light receiving diode, and the primary-side power supply circuit include the carrier wave amplification circuit, the capacitance phase detecting circuit, the capacitance canceling drive circuit, the light emitting diode, the carrier wave oscillation circuit, and Connected to the secondary side power source by the input transformer, the optical signal transmission means, the electromagnetic means including the coupling transformer and the power transformer, and the optical signal transmission means, and electrically connected. The carrier-type dynamic strain measuring instrument according to claim 4, wherein
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