JP2013219445A - Sensor reception sensitivity measuring method and system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ受波感度測定方法およびシステムに関し、圧力センサに与えられた音圧の大きさと、圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する方法およびシステムに関する。 The present invention relates to a sensor reception sensitivity measuring method and system, and more particularly to a method and system for measuring sensor reception sensitivity indicating the relationship between the magnitude of sound pressure applied to a pressure sensor and a detection value by the pressure sensor.
船舶、魚群探知機等に搭載され、水中の障害物、生物等の物標を探索するソナーが広く用いられている。ソナーは、音波を水中に送信し、物標で反射した音波を受信する。そして、受信された音波の解析に基づいて、物標までの距離や方位測定、物標の画像データの生成を行う。あるいは、ソナーは、音波を送信せず、物標から放射された音波を受信し、物標の方位測定や、物標の画像データの生成を行う。 A sonar that is mounted on a ship, a fish finder or the like and searches for targets such as underwater obstacles and organisms is widely used. The sonar transmits sound waves into the water and receives sound waves reflected by the target. Then, based on the analysis of the received sound wave, the distance to the target and the direction are measured, and the image data of the target is generated. Alternatively, the sonar does not transmit sound waves but receives sound waves radiated from the target, and measures the direction of the target and generates image data of the target.
音波を送受信するデバイスとしては、電気信号を音波に変換する送波器、音波を電気信号に変換する受波器としてのトランスデューサが用いられる。送波器および受波器は互いに可逆性の性質をもつため、送波と受波を時間的に切り換えることで1個のトランスデューサで送受波が可能である。また、送波専用と受波専用の個別のトランスデューサが用いられることもある。 As a device that transmits and receives a sound wave, a transducer that converts an electric signal into a sound wave and a transducer as a wave receiver that converts a sound wave into an electric signal are used. Since the transmitter and the receiver have reversible properties, it is possible to transmit and receive with a single transducer by temporally switching between transmission and reception. In addition, separate transducers dedicated to transmission and reception may be used.
受信用のトランスデューサには、圧電材料を用いた圧力センサがある。圧電材料は、外力による変形に応じた電圧を出力し、印加された電圧に応じて変形する材料である。以下の特許文献1には、このような圧力センサが受波型圧電素子として記載されている。 A receiving sensor includes a pressure sensor using a piezoelectric material. The piezoelectric material is a material that outputs a voltage according to deformation caused by an external force and deforms according to the applied voltage. In the following Patent Document 1, such a pressure sensor is described as a wave receiving type piezoelectric element.
受信用のトランスデューサとして圧力センサを用いる場合、ソナーの設計には圧力センサのセンサ受波感度が必要となる。センサ受波感度は、圧力センサに与えられた音波の音圧に対する、圧力センサから出力される電圧の比として定義される。 When a pressure sensor is used as a receiving transducer, sonar design requires sensor sensitivity of the pressure sensor. The sensor reception sensitivity is defined as the ratio of the voltage output from the pressure sensor to the sound pressure of the sound wave applied to the pressure sensor.
センサ受波感度を測定する方法には、水中に配置された圧力センサの出力電圧を測定するものがある。すなわち、水で満たされた水槽中に音波発生器と音圧センサとを配置して、音圧が既知である音波を圧力センサに放射する。そして、圧力センサから出力された電圧を測定し、測定電圧を圧力センサに放射した音波の音圧で除すことでセンサ受波感度を求める。 As a method of measuring sensor reception sensitivity, there is a method of measuring an output voltage of a pressure sensor disposed in water. That is, a sound wave generator and a sound pressure sensor are arranged in a water tank filled with water, and sound waves having a known sound pressure are radiated to the pressure sensor. The voltage output from the pressure sensor is measured, and the sensor reception sensitivity is obtained by dividing the measured voltage by the sound pressure of the sound wave radiated to the pressure sensor.
しかし、このような方法では、圧力センサから出力される電圧には、音波発生器から発せられ、圧力センサで直接受信された音波に基づく電圧のみならず、音波発生器から発せられ、水槽の壁や水面で反射した後、圧力センサで受信された音波に基づく電圧が含まれることがある。これによって、所定の波長分の音波に基づく測定を行う場合には、波長の長い低周波については、水槽の大きさに依存して直接波と反射波との干渉により測定が困難となり、誤差が大きくなる。 However, in such a method, the voltage output from the pressure sensor is not only a voltage based on the sound wave directly generated by the pressure sensor and received from the pressure sensor, but also from the sound wave generator. In some cases, a voltage based on a sound wave received by a pressure sensor after being reflected by a water surface is included. As a result, when performing measurements based on sound waves of a predetermined wavelength, it is difficult to measure low frequencies with long wavelengths depending on the size of the water tank due to interference between the direct wave and the reflected wave. growing.
本発明は、圧力センサのセンサ受波感度を高精度で測定することを目的とする。 An object of this invention is to measure the sensor receiving sensitivity of a pressure sensor with high precision.
本発明は、圧力センサに与えられた音圧の大きさと、当該圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する、センサ受波感度測定方法において、加振器によって振動を発生し、振動の大きさを検出する加重変換器に振動を与え、当該加重変換器を介して前記圧力センサに振動を与えるステップと、前記圧力センサによる検出値を示す情報、および前記加重変換器による検出値を示す情報を、解析器がセンサ受波感度測定用の情報として表示または記憶するステップと、を含むことを特徴とする。 The present invention relates to a sensor reception sensitivity measurement method for measuring a sensor reception sensitivity indicating a relationship between a magnitude of a sound pressure applied to a pressure sensor and a detection value by the pressure sensor, and vibration is generated by an exciter. Applying a vibration to a weighted transducer that detects the magnitude of vibration, applying vibration to the pressure sensor via the weighted transducer, information indicating a detection value by the pressure sensor, and the weighted transducer And a step of displaying or storing information indicating the detection value as information for sensor reception sensitivity measurement.
また、本発明は、圧力センサに与えられた音圧の大きさと、当該圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する、センサ受波感度測定システムにおいて、振動を発生する加振器と、前記加振器から発せられた振動を前記圧力センサに与えると共に、その振動の大きさを検出する加重変換器と、前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に基づいて、前記センサ受波感度を測定する解析器と、を備えることを特徴とする。 In addition, the present invention provides a sensor reception sensitivity measurement system that measures the sensor reception sensitivity indicating the relationship between the magnitude of the sound pressure applied to the pressure sensor and the detection value of the pressure sensor, and that adds vibration. A vibration generator, a weighting transducer that detects the magnitude of the vibration while giving vibration generated from the vibrator to the pressure sensor, a detection value by the pressure sensor, and a detection value by the weighting transducer And an analyzer for measuring the sensor reception sensitivity.
また、本発明に係るセンサ受波感度測定システムは、望ましくは、前記加重変換器による検出値は力の単位を有し、前記解析器は、前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値の他、前記加重変換器と前記圧力センサとの接触面積に基づいて、前記センサ受波感度を測定する。 In the sensor reception sensitivity measuring system according to the present invention, preferably, the detected value by the weighted transducer has a unit of force, and the analyzer is detected by the pressure sensor and by the weighted transducer. In addition to the detected value, the sensor receiving sensitivity is measured based on the contact area between the weighted transducer and the pressure sensor.
また、本発明に係るセンサ受波感度測定システムは、前記加振器は、白色雑音の特性を有する振動を発生し、前記解析器は、前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に対する周波数解析を行う周波数解析部と、前記センサ受波感度の周波数特性を、前記周波数解析に基づいて測定する周波数特性測定部と、を備える。 In the sensor receiving sensitivity measurement system according to the present invention, the vibrator generates vibration having white noise characteristics, and the analyzer detects a detection value by the pressure sensor and a detection by the weighting converter. A frequency analysis unit that performs frequency analysis on the value; and a frequency characteristic measurement unit that measures frequency characteristics of the sensor reception sensitivity based on the frequency analysis.
本発明によれば、圧力センサのセンサ受波感度を高精度で測定することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sensor receiving sensitivity of a pressure sensor can be measured with high precision.
図1には、本発明の実施形態に係るセンサ受波感度測定システムの構成が示されている。センサ受波感度測定システムは、圧力センサ20に振動を与え、圧力センサ20から出力される電圧に基づいてセンサ受波感度を測定するものである。測定対象の圧力センサ20は、ソナーに用いられるものの他、一般の音響機器に用いられる圧力センサであってもよい。
FIG. 1 shows the configuration of a sensor receiving sensitivity measurement system according to an embodiment of the present invention. The sensor received wave sensitivity measuring system applies vibration to the
信号生成器10は、所定の周波数成分を有する加振信号を生成し、増幅器12に出力する。加振信号は、例えば、白色雑音の特性を有する信号とする。このような白色雑音信号に応じた振動を圧力センサ20に加え、圧力センサ20の出力電圧につき後述の解析器24で周波数解析を複数回に亘って行う。そして、複数回に亘って得られた周波数解析結果を加算平均することで、広い周波数範囲で信号成分を抽出することが可能となる。
The
増幅器12は、加振信号を増幅し、加振器14に出力する。加振器14は、機械振動を発生するアクチュエータ16を備える。アクチュエータ16は、増幅器12から出力された加振信号に応じて機械振動を発生する。
The
センサ受波感度を測定する際には、圧力センサ20はセンサ台22に載せられる。アクチュエータ16および加重変換器18は、アクチュエータ16からの振動を効率良く加重変換器18に伝達する構造を有する。そして、加重変換器18および圧力センサ20は、加重変換器18から圧力センサ20に伝達される振動についての伝達損失が極力小さくなる接触構造を有する。また、センサ台22は、加重変換器18の機械振動を圧力センサ20に確実に伝達するため、剛性の材料で形成されることが好ましい。この状態をより具体的に説明するために、圧力センサ20および加重変換器18の例について説明する。
When measuring the sensor reception sensitivity, the
図2には、圧力センサ20の例が示されている。この圧力センサ20は、ハイドロホンとも称される。圧力センサ20は、円筒形状の圧電材料26、および、圧電材料26を挟む2枚の円形の電極28Aおよび28B、ならびに、電極28Aおよび28Bからそれぞれ引き出された導線30Aおよび30Bを備える。圧力センサ20の導線30Aおよび30Bは解析器24に接続される。与えられた振動により圧電材料26が変形することで、一対の導線30Aおよび30Bからは、与えられた振動に応じた電圧が出力される。このような圧力センサ20の他、電極を介在させて複数の圧電材料26を積み重ねた圧力センサ等、その他の一般の圧力センサをセンサ受波感度の測定対象とすることができる。
An example of the
圧力センサ20は、電極28Bを底面としてセンサ台22に載せられる。電極28Aには、加重変換器18から振動が与えられる。電極28Aに与えられた振動によって、圧力センサ20は、導線30Aおよび30Bから振動に応じた電圧を出力する。
The
図3には、加重変換器18の例が示されている。この加重変換器18はロードセルとも称される。変換器底面36が固定されている状態において、加重突起部32に対して図3の下方向に力が加えられると、加えられた力に応じて導線34Aおよび34Bの電気的状態が変化する。例えば、加重変換器18が圧電型である場合には、加えられた力に応じた電圧が導線34Aおよび34Bから出力される。また、加重変換器18が歪みゲージ型である場合には、加えられた力に応じて導線34Aおよび34Bの間の静電容量、電気抵抗、インダクタンス等の電気定数が変化する。導線34Aおよび34Bが接続された計測器は、導線34Aおよび34Bの電気的状態に基づいて、加重変換器18に加えられた力を計測する。計測器で計測される力の単位は、ニュートン(N)、kg重(kgf)等である。
FIG. 3 shows an example of the
加重変換器18は、電極28Aに変換器底面36が接触し、アクチュエータ16に加重突起部32が接触するようアクチュエータ16と圧力センサ20との間に挟まれる。加重変換器18の導線34Aおよび34Bは、計測器としての解析器24に接続される。
The
このように、圧力センサ20および加重変換器18が配置されることで、アクチュエータ16から加重変換器18を介して圧力センサ20に振動が与えられる。それと共に、加重変換器18の導線34Aおよび34Bの間の電気定数と、圧力センサ20から出力される電圧が解析器24に取得される。
As described above, by arranging the
次に、センサ受波感度を測定する処理について説明する。初めに、図1に示されるように圧力センサ20および加重変換器18が配置された状態において、加振器14のアクチュエータ16を加振信号に応じて振動させ、圧力センサ20に振動を与える。
Next, processing for measuring the sensor receiving sensitivity will be described. First, in the state where the
解析器24は、加重変換器18の電気定数を取得し、圧力センサ20に与えられた力Fを求める。そして、力Fを高速フーリエ変換処理によって周波数領域の値F(f)に変換する。また、解析器24は、圧力センサ20から出力された電圧Vを取得する。そして、電圧Vを高速フーリエ変換処理によって周波数領域の値V(f)に変換する。力F(f)および電圧V(f)は、周波数fについての関数である。解析器24は、次の(数1)に基づいてセンサ受波感度M(f)を求める。
The
(数1)M(f)=V(f)・S/F(f) (Expression 1) M (f) = V (f) · S / F (f)
ここで、Sは、加重変換器18と圧力センサ20との接触面積であり、変換器底面36と電極28Aとが接触している面積である。また、以下の説明では、周波数領域表現の値については「(f)」の記号を付し、この記号が付されていない時間領域表現の値と区別する。
Here, S is a contact area between the
図4には、センサ受波感度の周波数特性が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸はセンサ受波感度を示す。ここでは、センサ受波感度は、1μPaの音圧に対し、1Vの電圧が出力されるときを0としたデシベル値(dB・V/μPa)で表されている。すなわち、図4のセンサ受波感度は、電圧V(f)の単位をボルトV、力F(f)の単位をニュートンN、接触面積Sの単位を平方メートルm2とした場合には、20log[M(f)×10−6]で表される。図5は、0〜40Hzの低周波数帯域を拡大して示したものである。解析器24は、求められたセンサ受波感度をディスプレイに表示してもよいし、メモリに記憶してもよい。センサ受波感度の周波数特性は、例えば、周波数の違いによるセンサ受波感度のばらつきに対する校正に用いられる。すなわち、圧力センサ20のユーザは、センサ受波感度の周波数特性を圧力センサ20の校正データとして用いてもよい。
FIG. 4 shows frequency characteristics of sensor reception sensitivity. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents sensor reception sensitivity. Here, the sensor reception sensitivity is represented by a decibel value (dB · V / μPa) with 0 when a voltage of 1 V is output with respect to a sound pressure of 1 μPa. That is, the sensor reception sensitivity of FIG. 4 is 20 log [when the unit of voltage V (f) is Volt V, the unit of force F (f) is Newton N, and the unit of contact area S is square meter m 2 . M (f) × 10 −6 ]. FIG. 5 is an enlarged view of the low frequency band of 0 to 40 Hz. The
解析器24は、力F(f)および電圧V(f)の各値をディスプレイに表示してもよい。この場合、測定者は、ディスプレイの表示に基づいて(数1)に従ってセンサ受波感度M(f)を求める作業を実施してもよい。また、解析器24は、力F(f)および電圧V(f)を示す情報を自らのメモリに記憶してもよい。そして、メモリに記憶された情報を用いて、外部のコンピュータがセンサ受波感度M(f)を求める処理を実行してもよい。
The
なお、(数1)は次のようにして求められる。まず、圧力センサ20に与えられる圧力Pは、圧力センサ20に与えられた力Fを接触面積Sで除すことで求められる。したがって、圧力Pは、次の(数2)で表される。
(Equation 1) is obtained as follows. First, the pressure P applied to the
(数2)P=F/S (Expression 2) P = F / S
そして、センサ受波感度Mは、圧力センサ20から出力された電圧Vを圧力Pで除すことで求められる。したがって、センサ受波感度Mは、次の(数3)で表される。
The sensor reception sensitivity M is obtained by dividing the voltage V output from the
(数3)M=V/P (Expression 3) M = V / P
(数2)を(数3)に代入して圧力Pを消去することで、次の(数4)に示される時間領域のセンサ受波感度Mが求められる。(数4)を周波数領域の値に変換したものが(数1)である。 By substituting (Equation 2) into (Equation 3) and eliminating the pressure P, the sensor reception sensitivity M in the time domain shown in the following (Equation 4) is obtained. (Equation 1) is obtained by converting (Equation 4) into a frequency domain value.
(数4)M=V・S/F (Expression 4) M = V · S / F
上記では、加振信号を所定の周波数成分を有する信号とし、力Fおよび電圧Vに対して周波数解析を行い、(数1)を用いてセンサ受波感度を求める処理について説明した。このような処理の他、加振信号を単一周波数の連続波形の信号、すなわち、正弦波信号とした処理を実行してもよい。この場合、正弦波信号の1つの周波数に対して力Fおよび電圧Vが求められ、(数4)に基づいてその周波数に対するセンサ受波感度Mが求められる。加振信号としての正弦波信号の周波数を走査しながらセンサ受波感度Mを求めることで、図4および図5に示される周波数特性と同様の周波数特性が得られる。 In the above description, the processing is described in which the vibration signal is a signal having a predetermined frequency component, the frequency analysis is performed on the force F and the voltage V, and the sensor receiving sensitivity is obtained using (Equation 1). In addition to such processing, processing in which the excitation signal is a single-frequency continuous waveform signal, that is, a sine wave signal, may be executed. In this case, the force F and the voltage V are obtained for one frequency of the sine wave signal, and the sensor reception sensitivity M for the frequency is obtained based on (Equation 4). By obtaining the sensor reception sensitivity M while scanning the frequency of the sine wave signal as the excitation signal, the frequency characteristic similar to the frequency characteristic shown in FIGS. 4 and 5 can be obtained.
各周波数についてセンサ受波感度Mを求める処理は、解析器24の演算によって実行してもよい。また、解析器24が、力Fおよび電圧Vの各値をディスプレイに表示するものとし、測定者が(数4)に従い、各周波数についてセンサ受波感度Mを求めることとしてもよい。さらに、解析器24は、力Fおよび電圧Vを示す情報を自らのメモリに記憶してもよい。そして、メモリに記憶された情報を用いて、外部のコンピュータがセンサ受波感度Mを求める処理を実行してもよい。
The processing for obtaining the sensor reception sensitivity M for each frequency may be executed by the calculation of the
本発明に係るセンサ受波感度測定システムおよび測定方法によれば、加振器14から加重変換器18を介して圧力センサ20に直接与えられた振動に基づいてセンサ受波感度が求められるため、測定精度が向上する。
According to the sensor reception sensitivity measuring system and the measurement method according to the present invention, the sensor reception sensitivity is obtained based on the vibration directly applied from the
上記では、図2に示されるように、圧電材料26、電極28Aおよび28Bによって形成される圧力センサ20が円筒形状であり、その電極28Aを変換器底面36に接触させる例について説明したが、測定対象の圧力センサ20の形状は円筒形状に限られない。すなわち、圧力センサ20は、加重変換器18とセンサ台22との間に配置され、加重変換器18と所定の接触面積で接触させることが可能な形状を有していればよい。圧力センサ20は、加重変換器18と接触させるための平面、および、センサ台22に配置するための平面を有するものである場合には測定が容易である。そのため、圧力センサ20をセンサ受波感度測定用に形成された筐体(上記2つの平面を有する測定用筐体)に収納し、センサ台22と加重変換器18との間に配置してもよい。
In the above, as shown in FIG. 2, the
また、加重変換器18の形状は、図3に示されるものに限られない。すなわち、加重変換器18は、アクチュエータ16と圧力センサ20との間に配置され、圧力センサ20と所定の接触面積で接触させることが可能な形状を有していればよい。好ましくは、加重変換器18は、圧力センサ20または測定用筐体と接触させるための平面を有するものとする。
Further, the shape of the
以上の手順で圧力センサ20のセンサ受波感度を測定した後、図6に示されるように、海水中や他の媒質中で使用するために、圧力センサ20は、音響的に減衰の少ないゴム材やプラスチック樹脂等によって形成された筐体38に収納される。筐体38は、例えば、圧力センサ20をプラスチック樹脂等でモールドして密封したものとする。図6に示される例では、筐体38は、変換器底面36に接するセンサ上面40およびセンサ台22に接するセンサ底面42を有する。なお、筐体38が、加重変換器18からの振動を低損失で圧電材料26に伝達する構造を有している場合には、圧電センサ20を筐体38に収納した後において、上記の方法でセンサ受波感度を測定してもよい。
After measuring the sensor receiving sensitivity of the
10 信号生成器、12 増幅器、14 加振器、16 アクチュエータ、18 加重変換器、20 圧力センサ、22 センサ台、24 解析器、26 圧電材料、28A,28B 電極、30A,30B,34A,34B 導線、32 加重突起部、36 変換器底面、38 筐体、40 センサ上面、42 センサ底面。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
加振器によって振動を発生し、振動の大きさを検出する加重変換器に振動を与え、当該加重変換器を介して前記圧力センサに振動を与えるステップと、
前記圧力センサによる検出値を示す情報、および前記加重変換器による検出値を示す情報を、解析器がセンサ受波感度測定用の情報として表示または記憶するステップと、
を含むことを特徴とするセンサ受波感度測定方法。 In a sensor reception sensitivity measuring method for measuring a sensor reception sensitivity indicating a relationship between a sound pressure applied to a pressure sensor and a detection value by the pressure sensor,
Generating vibration by a vibrator, applying vibration to a weighted transducer that detects the magnitude of vibration, and applying vibration to the pressure sensor through the weighted transducer;
Displaying or storing information indicating a detection value by the pressure sensor and information indicating a detection value by the weighted transducer as information for sensor reception sensitivity measurement; and
A sensor reception sensitivity measuring method comprising:
振動を発生する加振器と、
前記加振器から発せられた振動を前記圧力センサに与えると共に、その振動の大きさを検出する加重変換器と、
前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に基づいて、前記センサ受波感度を測定する解析器と、
を備えることを特徴とするセンサ受波感度測定システム。 In a sensor reception sensitivity measurement system for measuring a sensor reception sensitivity indicating a relationship between a magnitude of sound pressure applied to a pressure sensor and a detection value by the pressure sensor,
An exciter that generates vibration;
A weighting transducer that applies vibration generated from the vibrator to the pressure sensor and detects the magnitude of the vibration;
An analyzer for measuring the sensor receiving sensitivity based on the detection value by the pressure sensor and the detection value by the weighted converter;
A sensor receiving sensitivity measuring system comprising:
前記加重変換器による検出値は力の単位を有し、
前記解析器は、
前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値の他、前記加重変換器と前記圧力センサとの接触面積に基づいて、前記センサ受波感度を測定することを特徴とするセンサ受波感度測定システム。 In the sensor receiving sensitivity measuring system according to claim 2,
The detection value by the weighted transducer has a unit of force,
The analyzer is
In addition to the detection value by the pressure sensor and the detection value by the weighting transducer, the sensor reception sensitivity is measured based on a contact area between the weighting transducer and the pressure sensor. Sensitivity measurement system.
前記加振器は、
白色雑音の特性を有する振動を発生し、
前記解析器は、
前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に対する周波数解析を行う周波数解析部と、
前記センサ受波感度の周波数特性を、前記周波数解析に基づいて測定する周波数特性測定部と、
を備えることを特徴とするセンサ受波感度測定システム。 In the sensor receiving sensitivity measuring system according to claim 2 or 3,
The vibrator is
Generates vibration with white noise characteristics,
The analyzer is
A frequency analysis unit for performing frequency analysis on the detection value by the pressure sensor and the detection value by the weighted transducer;
A frequency characteristic measurement unit that measures the frequency characteristic of the sensor reception sensitivity based on the frequency analysis;
A sensor receiving sensitivity measuring system comprising:
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