JP2013137231A - Vibration sensor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、対象物の振動現象を検知する振動センサシステムに関する。 The present invention relates to a vibration sensor system that detects a vibration phenomenon of an object.
従来、振動センサは、建造物の耐震診断や防犯セキュリティ用のガラス破壊検知装置、設備や工作機械の異常振動検知に利用されている。 Conventionally, vibration sensors have been used for seismic diagnosis of buildings, glass breakage detection devices for crime prevention security, and abnormal vibration detection of equipment and machine tools.
特許文献1には、従来の振動センサおよび質問器が開示されている。特許文献1では、シングルポートの表面弾性波共振子を備えたバッテリレス振動センサと質問器を用いて振動センサシステムを構築している。また、振動検知の信号処理を質問器側で実行するため、振動センサに信号処理部を設ける必要が無く、振動センサを小型化することが可能となっている。 Patent Document 1 discloses a conventional vibration sensor and interrogator. In Patent Document 1, a vibration sensor system is constructed by using a batteryless vibration sensor having a single-port surface acoustic wave resonator and an interrogator. Further, since the signal processing for vibration detection is executed on the interrogator side, it is not necessary to provide a signal processing unit in the vibration sensor, and the vibration sensor can be downsized.
特許文献1では、質問器から振動センサへ搬送波を送信するとともに、振動センサからの反射波を監視し、対象物の振動に伴う振動センサの機械的な振動による反射波の変化に基づいて、対象物の振動を検知する構成となっている。すなわち、振動が発生したときには、振動センサの共振周波数により変調された反射波が振動センサから送信される。 In Patent Document 1, a carrier wave is transmitted from an interrogator to a vibration sensor, a reflected wave from the vibration sensor is monitored, and based on a change in the reflected wave due to mechanical vibration of the vibration sensor accompanying the vibration of the object, It is configured to detect the vibration of an object. That is, when vibration occurs, a reflected wave modulated by the resonance frequency of the vibration sensor is transmitted from the vibration sensor.
しかしながら、振動センサの共振周波数により変調された反射波に近似する周波数の妨害波が質問器に入力された場合、対象物の振動による振動信号と妨害波を区別することができず、誤動作の原因となる可能性がある。 However, if an interference wave with a frequency approximate to the reflected wave modulated by the resonance frequency of the vibration sensor is input to the interrogator, the vibration signal due to the vibration of the object cannot be distinguished from the interference wave, causing a malfunction. There is a possibility.
一方、従来、外部からの妨害波の影響を受けずに、対象物の応答(振動)を検知するため、同期検波の手法が用いられている。同期検波には、同期検波回路に入力する入力信号と、この入力信号と周波数および位相を一致させた参照信号が必要である。しかしながら、この同期検波の手法を無線で通信を行う振動センサシステムへ適用し、高周波数帯域で使用する際には、入力信号(搬送波)の波長が短いため位相が変化し易く、参照信号の生成には特殊な回路が必要となるという課題がある。 On the other hand, a synchronous detection method has been conventionally used in order to detect a response (vibration) of an object without being affected by an external interference wave. For synchronous detection, an input signal to be input to the synchronous detection circuit and a reference signal having the same frequency and phase as those of the input signal are required. However, when this synchronous detection method is applied to a vibration sensor system that communicates wirelessly and used in a high frequency band, the phase of the input signal (carrier wave) is short and the phase is likely to change. Has a problem that a special circuit is required.
そこで、本発明は、容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a vibration sensor system in which a reference signal for synchronous detection can be easily obtained, the influence of an interference wave is reduced, and the occurrence of malfunction is suppressed.
本発明によれば、表面弾性波共振子を備え、対象物に取り付ける振動センサと、前記振動センサに対して搬送波を送信する一方で、前記表面弾性波共振子からの反射波を監視し、前記対象物の振動現象に伴って前記振動センサに与えられる機械振動に応じて前記反射波に生じる変化に基づいて、前記振動現象を検知する質問器とを備える振動センサシステムであって、前記質問器は、前記振動センサの共振周波数より高い周波数を有する電気信号を変調信号として生成し、前記表面弾性波共振子の共振周波数の電気信号を、前記変調信号で変調して前記搬送波を取得し、前記反射波を前記変調信号の周波数に変換し、狭帯域制限して同期検波信号を取得し、前記同期検波信号を用いて同期検波することを特徴とする振動センサシステムが得られる。 According to the present invention, the surface acoustic wave resonator includes a vibration sensor attached to an object, and a carrier wave is transmitted to the vibration sensor, while a reflected wave from the surface acoustic wave resonator is monitored, A vibration sensor system comprising: an interrogator that detects the vibration phenomenon based on a change that occurs in the reflected wave according to a mechanical vibration applied to the vibration sensor in accordance with a vibration phenomenon of an object, the interrogator Generates an electric signal having a frequency higher than the resonance frequency of the vibration sensor as a modulation signal, and modulates the electric signal of the resonance frequency of the surface acoustic wave resonator with the modulation signal to obtain the carrier wave, A vibration sensor system is obtained, wherein a reflected wave is converted into a frequency of the modulation signal, a narrow band is limited to obtain a synchronous detection signal, and synchronous detection is performed using the synchronous detection signal. That.
また、本発明の振動センサシステムにおいて、前記変調信号は、前記振動センサの共振周波数に対し、10倍以上の周波数であることが好ましい。 In the vibration sensor system of the present invention, it is preferable that the modulation signal has a frequency that is 10 times or more the resonance frequency of the vibration sensor.
また、前記振動センサおよび前記質問器は、それぞれアンテナを備えているのが好ましい。 The vibration sensor and the interrogator preferably each include an antenna.
また、前記表面弾性波共振子は、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極を備えていてもよい。 In addition, the surface acoustic wave resonator may include a piezoelectric substrate and a comb electrode formed on the piezoelectric substrate.
本発明では、振動センサに送信される搬送波を、振動センサの共振周波数より高い周波数の変調信号で変調し、表面弾性波共振子からの反射波を変調信号の周波数に変換(ダウンコンバート)し、狭帯域制限することによって、同期検波の入力信号が得られ、この入力信号と周波数と位相が一致する同期検波の参照信号が容易に得られる。また、上記の入力信号および参照信号からなる同期検波信号を用いて同期検波することで、妨害波の影響を軽減することができる。 In the present invention, the carrier wave transmitted to the vibration sensor is modulated with a modulation signal having a frequency higher than the resonance frequency of the vibration sensor, and the reflected wave from the surface acoustic wave resonator is converted into the modulation signal frequency (down-converted). By performing narrow band limitation, an input signal for synchronous detection is obtained, and a reference signal for synchronous detection whose frequency and phase coincide with each other can be easily obtained. Further, by performing synchronous detection using the synchronous detection signal composed of the input signal and the reference signal, the influence of the interference wave can be reduced.
すなわち、本発明によれば、容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムの提供が可能となる。 That is, according to the present invention, it is possible to provide a vibration sensor system that can easily obtain a reference signal for synchronous detection, reduce the influence of an interference wave, and suppress the occurrence of malfunction.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図2は、本発明の振動センサシステムの構成を示す概略図である。図2に示すように、本発明の振動センサシステムは、質問器1と振動センサ2から構成される。質問器1と振動センサ2には、それぞれアンテナ3、アンテナ4が設けられている。振動センサ2は、振動を検知する対象物に取り付けられ、バッテリレスで構成されている。質問器1から振動センサ2に設けられた表面弾性波共振子へ搬送波5を送信するとともに、振動センサ2からの反射波6を監視し、対象物の振動を検知する構成となっている。本実施の形態においては、振動センサの一例として、ガラスの機械的振動現象を検知するための振動センサを用いた。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the vibration sensor system of the present invention. As shown in FIG. 2, the vibration sensor system of the present invention includes an interrogator 1 and a
図3は、本発明の実施の形態に係る振動センサの概略斜視図である。振動センサ2は、圧電体基板7と圧電体基板7上に形成された櫛歯電極8とを有する表面弾性波共振子と、圧電体基板7を支持する支持基板9と、櫛歯電極8に接続されたアンテナ4から構成されている。
FIG. 3 is a schematic perspective view of the vibration sensor according to the embodiment of the present invention. The
振動センサ2の外部より圧電体基板7に振動が加わると歪が生じ、櫛歯電極8間の距離が変化し、表面弾性波共振子のインピーダンスも同時に変化する。すなわち、振動センサ2が外部からの振動信号を検知したとき、振動センサ2から送信される反射波は、搬送波と同じ周波数となる表面弾性波共振子の共振周波数を、振動センサ2(圧電体基板7)の共振周波数で変調した信号となる。なお、本実施の形態による圧電体基板7は、検知対象である対象物の機械振動における特徴的な周波数帯に共振周波数が属するようにして選択された振動形状を有している。
When vibration is applied to the
本実施の形態においては、圧電体基板7の形状は片持ち梁であり、張出し長さ2mm、幅1mm、厚さ0.25mmの水晶STカット基板を用いた。このとき、片持ち梁の厚さ方向の屈曲振動モードの共振周波数は、およそ60kHzである。すなわち、本実施の形態の振動センサの共振周波数は、60kHzである。櫛歯電極8の間隔は、表面弾性波共振子の共振周波数が2.45GHz帯となるように0.35μmとした。また、櫛歯電極8は、外部振動に対して、圧電体基板7の歪が最大となるように支持部近傍に配置した。加えて、アンテナ4は、表面弾性波共振子の共振周波数に合わせて、2.45GHz帯の半波長ダイポールアンテナとした。圧電体基板7の品質係数は、約100であった。なお、品質係数は、支持基板9との固定法等により、約50〜3000まで調整可能である。
In the present embodiment, the
図1は、本発明の実施の形態に係る質問器のブロック図である。質問器1において、まず発振器11で2.45GHzの出力信号が生成され、分配器(DIV)12に入力される。分配器12の出力信号は、2つに分岐し、一方は送信信号としてミキサ13へ、他方は局部発振信号としてミキサ17へ分配される。
FIG. 1 is a block diagram of an interrogator according to an embodiment of the present invention. In the interrogator 1, an output signal of 2.45 GHz is first generated by the
送信信号は、ミキサ13にて発振器16より出力される周波数600kHzの変調信号で変調され、パワーアンプ(PA)14およびサーキュレータ15を経由して、アンテナ3から所望の電力量で数m離れた振動センサ2へ搬送波5として送信される。このとき、振動センサの共振周波数60kHzに対し10倍以上の周波数の変調信号で変調することで、後述する同期検波の際に、容易に同期検波信号が得られ、振動センサの60kHzの振動信号を検出することができる。
The transmission signal is modulated with a modulation signal having a frequency of 600 kHz output from the
上述したように、変調信号は、振動センサの共振周波数より十分高くする必要があり、特に再現性や実用性を考慮すると、10倍以上とするのが好ましい。さらに、変調信号は、質問器と振動センサ間の伝播距離に対して、10倍以上の波長を有する周波数とするのが好ましい。これは、伝播距離に対して、搬送波および反射波の位相変化を無視できる大きさの変調信号とするためである。本実施の形態において、質問器と振動センサ間の伝播距離は数mを想定しており、600kHzの波長はおよそ500mで、伝搬距離の10倍以上となり、位相変化を無視できる変調信号となっている。 As described above, the modulation signal needs to be sufficiently higher than the resonance frequency of the vibration sensor, and preferably 10 times or more in consideration of reproducibility and practicality. Furthermore, it is preferable that the modulation signal has a frequency having a wavelength of 10 times or more with respect to the propagation distance between the interrogator and the vibration sensor. This is because the modulation signal has such a magnitude that the phase change of the carrier wave and the reflected wave can be ignored with respect to the propagation distance. In this embodiment, the propagation distance between the interrogator and the vibration sensor is assumed to be several meters, the wavelength of 600 kHz is approximately 500 m, which is 10 times or more of the propagation distance, and a modulation signal that can ignore the phase change. Yes.
振動センサ2のアンテナ4では、アンテナ3より送信された搬送波5を受信し、表面弾性波共振子のインピーダンス変化に応じた反射波6をアンテナ4から再放射する。つまり、このとき再放射する反射波6は、アンテナ3から送信された搬送波5が外部からの振動信号によって変調された信号を含んでいる。本実施の形態では、振動センサに外部からの振動が加えられた場合において、2.45GHzを600kHzで変調した搬送波5が、振動センサ2の共振周波数である60kHzでさらに変調された反射波6が得られる。この反射波6は、アンテナ3で受信され、サーキュレータ15を経由し、ミキサ17にて、2.45GHzの局部発振信号と混合され、600kHz帯の周波数の信号に変換(ダウンコンバート)される。
The antenna 4 of the
ミキサ17の出力信号は、バンドパスフィルタ(BPF)18および増幅回路(AMP)19に入力され、狭帯域(600kHz±60kHz)に帯域制限し増幅される。増幅回路19の出力信号は、2つに分岐し、ミキサ20およびミキサ21に入力される。増幅回路19の出力信号が、同期検波に使用する入力信号となる。このため、発振器16の出力信号から容易に同期検波の参照信号が得られる。
The output signal of the
以下、同期検波を用いた、反射波の復調方法、すなわち振動の検知方法について説明する。 A reflected wave demodulation method using synchronous detection, that is, a vibration detection method will be described below.
ミキサ20では、増幅回路19の出力信号(同期検波の入力信号)と発振器16の出力信号(同期検波の参照信号)が乗算処理され60kHz帯の周波数の信号にダウンコンバートされる。そして、バンドパスフィルタ(BPF)23で帯域制限され、60kHzの信号が得られる。同様に、ミキサ21では、増幅回路19の出力信号(同期検波の入力信号)と、発振器16の出力信号(同期検波の参照信号)を移相回路22で90°移相された信号とが乗算処理され、60kHz帯の周波数の信号にダウンコンバートされる。そして、バンドパスフィルタ(BPF)24で帯域制限され、さらに、移相回路25で90°移相される。
In the
バンドパスフィルタ23の出力信号および移相回路25の出力信号は、それぞれ、減算回路26および加算回路27に入力される。この減算回路26および加算回路27における信号処理により、反射波6をUSB(上側帯波)成分およびLSB(下側帯波)成分に分離した信号が得られる。さらにUSB成分およびLSB成分からなる2つの信号成分は、それぞれ振幅検出回路28および振幅検出回路29で直流信号に整流され、コンパレータ30およびコンパレータ31に入力される。
The output signal of the
コンパレータ30およびコンパレータ31は、予め所望の閾値を設定しており、振動センサ2で振動を検出した際にONとなる。さらに、コンパレータ30およびコンパレータ31の出力信号は、AND回路32に入力される。コンパレータ30およびコンパレータ31の出力信号が同時にONとなったときのみ、AND回路32の出力信号がONとなり、振動センサ2で振動を検出したことをユーザに通知する。
The
このように信号処理することによって、LSB帯域、またはUSB帯域に妨害波が混入した際は、どちらか一方に対応するコンパレータのみがONとなり、AND回路32はOFFであるため、誤報とはならない。したがって、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑えることができる。
By performing signal processing in this way, when an interference wave is mixed into the LSB band or the USB band, only the comparator corresponding to one of them is turned on, and the AND
本実施の形態では、振動センサへ送信する搬送波を、振動センサの共振周波数の10倍以上の周波数の変調信号で変調し、表面弾性波共振子からの反射波を変調信号の周波数にダウンコンバートおよび帯域制限して、同期検波信号を取得することにより、妨害波の影響を軽減することができる。 In this embodiment, a carrier wave to be transmitted to the vibration sensor is modulated with a modulation signal having a frequency 10 times or more the resonance frequency of the vibration sensor, and the reflected wave from the surface acoustic wave resonator is down-converted to the frequency of the modulation signal. By obtaining the synchronous detection signal by limiting the band, the influence of the interference wave can be reduced.
すなわち、本発明により、容易に同期検波の参照信号が得られ、妨害波の影響を軽減し、誤動作の発生を抑制する振動センサシステムの提供が可能である。 That is, according to the present invention, it is possible to provide a vibration sensor system that can easily obtain a reference signal for synchronous detection, reduce the influence of an interference wave, and suppress the occurrence of malfunction.
1 質問器
2 振動センサ
3、4 アンテナ
5 搬送波
6 反射波
7 圧電体基板
8 櫛歯電極
9 支持基板
11、16 発振器
12 分配器
13、17、20、21 ミキサ
14 パワーアンプ
15 サーキュレータ
18、23、24 バンドパスフィルタ
19 増幅回路
22、25 移相回路
26 減算回路
27 加算回路
28、29 振幅検出回路
30、31 コンパレータ
32 AND回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記振動センサに対して搬送波を送信する一方で、前記表面弾性波共振子からの反射波を監視し、前記対象物の振動現象に伴って前記振動センサに与えられる機械振動に応じて前記反射波に生じる変化に基づいて、前記振動現象を検知する質問器と
を備える振動センサシステムであって、
前記質問器は、
前記振動センサの共振周波数より高い周波数を有する電気信号を変調信号として生成し、
前記表面弾性波共振子の共振周波数の電気信号を、前記変調信号で変調して前記搬送波を取得し、
前記反射波を前記変調信号の周波数に変換し、狭帯域制限して同期検波信号を取得し、
前記同期検波信号を用いて同期検波することを特徴とする振動センサシステム。 A vibration sensor including a surface acoustic wave resonator and attached to an object;
While transmitting a carrier wave to the vibration sensor, the reflected wave from the surface acoustic wave resonator is monitored, and the reflected wave according to the mechanical vibration applied to the vibration sensor in accordance with the vibration phenomenon of the object. A vibration sensor system comprising an interrogator for detecting the vibration phenomenon based on a change occurring in
The interrogator is
Generating an electrical signal having a frequency higher than the resonance frequency of the vibration sensor as a modulation signal;
An electric signal having a resonance frequency of the surface acoustic wave resonator is modulated with the modulation signal to obtain the carrier wave,
The reflected wave is converted to the frequency of the modulation signal, and a synchronous detection signal is obtained by narrow-band limiting,
A vibration sensor system that performs synchronous detection using the synchronous detection signal.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011288183A JP2013137231A (en) | 2011-12-28 | 2011-12-28 | Vibration sensor system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015187368A (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-29 | 三井化学株式会社 | Track pad for railroad rail with sheet |
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2011
- 2011-12-28 JP JP2011288183A patent/JP2013137231A/en active Pending
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