JP2015111091A - Sensor device and abnormality detection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造物をトンネル内の天井部に吊り構造で固定する取付部材について取付状態を監視するセンサ装置、このセンサ装置を用いて当該取付部材の異常を検知する異常検知システムに関する。 The present invention relates to a sensor device that monitors an attachment state of an attachment member that fixes a structure to a ceiling portion in a tunnel with a suspension structure, and an abnormality detection system that detects an abnormality of the attachment member using the sensor device.
一般に、トンネル内には、トンネル天井板、道路標識、吸音板、ジェットファン、換気ダクトのように、吊り構造で固定される重量構造物が存在する。この種の構造物は、アンカーボルトで固定される取付部材を用いてトンネル内の天井部に取り付けられる場合が多い。構造物を吊り構造で固定している取付部材に、緩み、抜け、腐食などが生じると、構造物が落下する可能性があるから、この種の取付部材の取付状態は定期的に検査する必要がある。 In general, heavy structures such as tunnel ceiling boards, road signs, sound-absorbing boards, jet fans, and ventilation ducts are fixed in a tunnel. This type of structure is often attached to a ceiling portion in a tunnel using an attachment member fixed with an anchor bolt. If the mounting member that fixes the structure with a suspension structure is loosened, pulled out, or corroded, the structure may fall, so the mounting state of this type of mounting member must be periodically inspected. There is.
この種の取付部材の検査には、作業者が部材をハンマーで叩き、その際に生じる音や衝撃を作業者が判断する方法が知られている。しかしながら、多数個の取付部材を個々にハンマーで叩く作業には時間がかかる上に、異常の判断は作業者が行うから、判断結果にばらつきが生じやすいという課題がある。 For this type of inspection of the mounting member, a method is known in which an operator hits the member with a hammer and the operator judges the sound and impact generated at that time. However, the operation of hitting a large number of mounting members individually with a hammer takes time, and the determination of abnormality is performed by the operator, so that there is a problem that the determination results tend to vary.
そのため、特許文献1には、構造物を取り付けるための取付部材であるアンカーボルトに振動を与える加振装置と、アンカーボルトからの振動レベルを検出する検出装置とを備えたセンサユニットを用いる技術が提案されている。センサユニットは、検出装置が検出した振動データをコントロールユニットに送信する。一方、コントロールユニットは、受信した振動データを、正常状態の振動データと比較することにより、アンカーボルトに異常が生じているか否かを判断する。 Therefore, Patent Document 1 discloses a technique using a sensor unit including a vibration device that applies vibration to an anchor bolt that is an attachment member for attaching a structure, and a detection device that detects a vibration level from the anchor bolt. Proposed. The sensor unit transmits vibration data detected by the detection device to the control unit. On the other hand, the control unit compares the received vibration data with the vibration data in a normal state to determine whether an abnormality has occurred in the anchor bolt.
ところで、特許文献1に記載された構成は、加振装置が振動を発生させる構成であり、加振指令部の指令に基づいて加振装置が駆動を停止することから、加振装置はアンカーボルトに対して連続的に振動を与える構成であると推定される。また、検出装置としての加速度センサからは、周波数毎の加速度データが得られている。 By the way, the configuration described in Patent Document 1 is a configuration in which the vibration generator generates vibration, and the vibration device stops driving based on a command from the vibration command unit. It is estimated that this is a configuration that continuously gives vibrations. Further, acceleration data for each frequency is obtained from an acceleration sensor as a detection device.
特許文献1に記載された構成は、アンカーボルトに異常が生じているときには、低周波数側の加速度が大きくなるという経験側に基づいて、アンカーボルトの異常を判別している。すなわち、特許文献1に記載された構成では、アンカーボルトの異常を判別することはできるが、構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することは困難である。 In the configuration described in Patent Document 1, when an abnormality occurs in the anchor bolt, the abnormality of the anchor bolt is determined based on the experience side that the acceleration on the low frequency side increases. That is, in the configuration described in Patent Document 1, it is possible to determine the abnormality of the anchor bolt, but it is difficult to monitor the mounting state over the entire mounting member that fixes the structure with the suspension structure.
本発明は、構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することを可能にしたセンサ装置を提供することを目的とし、さらに、このセンサ装置を用いた異常検知システムを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a sensor device capable of monitoring the mounting state over the entire mounting member for fixing a structure with a suspension structure, and further, an abnormality detection system using the sensor device. The purpose is to provide.
本発明に係るセンサ装置は、トンネル内の天井部に構造物を吊り構造で固定する取付部材について取付状態を監視するセンシング部と、前記センシング部が監視した前記取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する通信部と、前記センシング部および前記通信部の動作を制御する制御部と、前記センシング部と前記通信部と前記制御部とに給電する電源部とを備え、前記センシング部は、前記取付部材に1Hz〜100kHzの周波数成分を含む所定の振動を与える加振器と、前記加振器が与えた振動により生じる前記取付部材の振動に関する情報を応答情報として監視する第1の監視部と、前記応答情報を前記取付情報として出力する出力部とを備え、前記通信部は、前記センシング部から出力された前記取付情報を所定のタイミングで送信することを特徴とする。 The sensor device according to the present invention wirelessly uses, as attachment information, a sensing unit that monitors an attachment state of an attachment member that fixes a structure to a ceiling portion in a tunnel with a suspension structure, and information on the attachment state monitored by the sensing unit. A communication unit that transmits through a transmission path; a control unit that controls operations of the sensing unit and the communication unit; and a power supply unit that supplies power to the sensing unit, the communication unit, and the control unit. A first vibration monitoring device that applies a predetermined vibration including a frequency component of 1 Hz to 100 kHz to the mounting member, and information relating to vibration of the mounting member caused by the vibration applied by the vibration generator as response information. And an output unit that outputs the response information as the attachment information, and the communication unit outputs the attachment information output from the sensing unit. And transmitting at a predetermined timing.
このセンサ装置において、前記加振器は、前記取付部材に結合させた振動子であって、ミリ秒以下の短パルスで駆動されることが好ましい。 In this sensor device, the vibrator is a vibrator coupled to the mounting member, and is preferably driven with a short pulse of milliseconds or less.
このセンサ装置において、前記加振器は、ハンマを備えるアクチュエータであって、前記取付部材に前記ハンマを単発的に衝突させることが好ましい。 In this sensor device, it is preferable that the vibration exciter is an actuator including a hammer, and the hammer is caused to collide with the mounting member in a single shot.
このセンサ装置において、前記制御部は、前記加振器を定期的に動作させることが好ましい。 In this sensor device, it is preferable that the control unit periodically operates the vibrator.
このセンサ装置において、前記制御部は、外部信号による指示を受けたときに、前記加振器を動作させることが好ましい。 In this sensor device, it is preferable that the controller operates the vibrator when receiving an instruction from an external signal.
このセンサ装置において、前記加振器から前記取付部材に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第2の監視部をさらに備え、前記通信部は、前記応答情報に加えて前記刺激情報を前記取付情報として送信することが好ましい。 In this sensor device, the sensor device further includes a second monitoring unit that monitors information related to vibration applied from the vibrator to the mounting member as stimulus information, and the communication unit includes the stimulus information in addition to the response information. It is preferable to transmit it as attachment information.
このセンサ装置において、前記取付部材の周囲温度を温度情報として監視する温度センサをさらに備え、前記通信部は、前記取付情報と併せて、前記温度情報を送信することが好ましい。 In this sensor device, it is preferable that the sensor device further includes a temperature sensor that monitors an ambient temperature of the mounting member as temperature information, and the communication unit transmits the temperature information together with the mounting information.
このセンサ装置において、前記センシング部は、ハウジングベースと、前記ハウジングベースに結合され、前記ハウジングベースとの間に前記加振器を収納する密閉された空間を形成するハウジングとを備え、前記加振器は、圧電振動子を振動源とする構成であって、前記ハウジングベースは、その音響インピーダンスが、前記取付部材の音響インピーダンスに対して定められた範囲内となるように構成されていることが好ましい。 In this sensor device, the sensing unit includes a housing base and a housing coupled to the housing base and forming a sealed space for housing the vibrator between the housing base and the excitation base. The container is configured to use a piezoelectric vibrator as a vibration source, and the housing base is configured such that the acoustic impedance thereof is within a range determined with respect to the acoustic impedance of the mounting member. preferable.
前記ハウジングベースは、前記圧電振動子が載った領域と、前記ハウジングが結合される領域との間に、振動の伝達を抑制する音響絶縁部を備えることが好ましい。 It is preferable that the housing base includes an acoustic insulating portion that suppresses vibration transmission between a region where the piezoelectric vibrator is placed and a region where the housing is coupled.
前記加振器は、片持ち梁構造であることが好ましい。また、前記加振器は、両持ち梁構造であってもよい。そして、前記振動源は、バイモルフ型であることが望ましい。 It is preferable that the vibrator has a cantilever structure. The vibrator may have a double-supported beam structure. The vibration source is preferably a bimorph type.
本発明に係る異常検知システムは、上述したいずれかのセンサ装置と、前記センサ装置からの前記取付情報を受信する受信装置と、前記取付部材の取付状態が正常である期間に前記受信装置が前記センサ装置から受信した前記取付情報に基づいて生成した基準情報と、前記受信装置が前記センサ装置から受信した最新の前記取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較し、前記検査情報が前記基準情報に対して規定した正常範囲を逸脱している場合に異常と判断する判定装置とを備えることを特徴とする。 The abnormality detection system according to the present invention includes any one of the sensor devices described above, a receiving device that receives the mounting information from the sensor device, and the receiving device is in a period when the mounting state of the mounting member is normal. The reference information generated based on the mounting information received from the sensor device is compared with the inspection information generated based on the latest mounting information received from the sensor device by the receiving device, and the inspection information is the reference And a determination device that determines an abnormality when the information deviates from a normal range defined for the information.
本発明の構成によれば、取付部材に1Hz〜100kHzの周波数成分を含む所定の振動を与え、与えた振動により生じる取付部材の振動に関する情報を応答情報として監視している。したがって、広範囲の周波数成分を用いることにより、構造物を吊り構造で固定する取付部材の全般に亘って取付状態を監視することが可能になるという利点を有する。 According to the configuration of the present invention, a predetermined vibration including a frequency component of 1 Hz to 100 kHz is applied to the mounting member, and information regarding the vibration of the mounting member caused by the applied vibration is monitored as response information. Therefore, by using a wide range of frequency components, there is an advantage that the mounting state can be monitored over the entire mounting member for fixing the structure with the suspension structure.
図1に示すように、以下に説明するセンサ装置10は、センシング部11と通信部12と制御部13と電源部14とを備える。センシング部11は、トンネル20内の天井部21に構造物22を吊り構造で固定する取付部材30について取付状態を監視する(図3参照)。通信部12は、センシング部11が監視した取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する。制御部13は、センシング部11および通信部12の動作を制御する。電源部14は、センシング部11と通信部12と制御部13とに給電する。
As shown in FIG. 1, the
センシング部11は、加振器110と第1の監視部111と出力部113とを備える。加振器110は、取付部材30に1Hz〜100kHzの周波数成分を含む所定の振動を与える。第1の監視部111は、加振器110が与えた振動により生じる取付部材30の振動に関する情報を応答情報として監視する。出力部113は、応答情報を取付情報として出力する。通信部12は、センシング部11から出力された取付情報を所定のタイミングで送信する。
The
加振器110は、取付部材30に結合させた振動子であって、ミリ秒以下の短パルスで駆動されることが望ましい。あるいはまた、加振器110は、ハンマを備えるアクチュエータであって、取付部材30にハンマを単発的に衝突させることが望ましい。加振器110がどちらの構成であっても、取付部材30に衝撃を与え、取付部材30のインパルス応答を応答情報として取り出すことが可能になる。
The
制御部13は、加振器110を定期的に動作させることが望ましい。あるいはまた、制御部13は、外部信号による指示を受けたときに、加振器110を動作させることが望ましい。前者の構成を採用すると、取付部材30の検査を定期的に行うことが可能になり、後者の構成を採用すると、取付部材30の検査を必要に応じて行うことが可能になる。
It is desirable for the
センサ装置10は、加振器110から取付部材30に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第2の監視部112を備えることが望ましい。この場合、通信部12は、応答情報に加えて刺激情報を取付情報として送信することが望ましい。
The
センサ装置10において、取付部材30の周囲温度を温度情報として監視する温度センサ15をさらに備えていることが望ましい。この場合、通信部12は、取付情報と併せて、温度情報を送信する。
The
また、以下に説明する異常検知システムは、上述したいずれかのセンサ装置10と受信装置40と判定装置50とを備える。受信装置40は、センサ装置10からの取付情報を受信する。判定装置50は、取付部材30の取付状態が正常である期間に受信装置40がセンサ装置10から受信した取付情報に基づいて生成した基準情報と、受信装置40がセンサ装置10から受信した最新の取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較する。そして、判定装置50は、検査情報が基準情報に対して規定した正常範囲を逸脱している場合に異常と判断する。
The abnormality detection system described below includes any one of the
以下に本実施形態の構成をさらに詳しく説明する。以下に説明する構成において、構造物22は、トンネル20の天井部21に吊り構造で固定される物体であって、たとえば、トンネル天井板、道路標識、吸音板、ジェットファン、換気ダクトなどが相当する。図3の例では、構造物22として天井板を示している。この種の構造物22を天井部21に取り付けるための取付部材30は、図2に示すように、トンネル20の天井部21に固定される固定部材31と、上端部が固定部材31に結合され下端部が構造物22に結合される吊下部材32とを備える。
Hereinafter, the configuration of the present embodiment will be described in more detail. In the configuration described below, the
図示する取付部材30において、吊下部材32は、図2に示すように、タイバー(連結棒)、ターンバックルなどを含む連結部材321と、連結部材321の上下両端にそれぞれ結合される一対の台座322とを備える。図2には連結部材321の上端に結合される台座322のみを示しているが、連結部材321の下端に結合される台座322も同様の構造を備える。
In the mounting
連結部材321の上端に結合される台座322は、天井部21の壁面211に重ねられる取付板3221と、取付板3221から下向きに突出する取付板3222とを一体に備える。取付板3222には、連結部材321の端部が連結ボルト323を用いて結合される。つまり、連結部材321は、台座322に対して連結ボルト323の周りで移動可能になっている。連結部材321の上端に結合される台座322は、アンカーボルトのような固定部材31を用いて天井部21に固定される。つまり、トンネル20の天井部21に固定部材31で固定された台座322に、連結ボルト323により連結部材321の上端が結合される。
The
一方、連結部材321の下端には、構造物22に固定された台座(図示せず)に連結される。なお、連結部材321の下端に連結される台座は、連結部材321の上端に連結される台座322と同様の構造を備え、この台座に連結部材321の下端が結合される。図示例において、連結部材321の上端に結合される台座322および連結部材321の下端に結合される台座は、それぞれ連結部材321ごとに設けられているが、1つの台座に複数個の連結部材321が結合される構成であってもよい。
On the other hand, the lower end of the connecting
固定部材31および吊下部材32は、一般に金属製である。固定部材31および吊下部材32は、長期間に亘って使用し続けるうちに、腐食、変形、疲労などの劣化が生じ、構造物22をトンネル20の天井部21に取り付ける強度が次第に低下する可能性がある。そこで本実施形態では、固定部材31および吊下部材32の異常の発生あるいは兆候を検出するためにセンサ装置10が吊下部材32に設けられている。
The fixing
一般にはセンサ装置10を設置する箇所が多いほど得られる情報量は多くなるが、固定部材31に関する情報が得られる位置と、吊下部材32に関する情報が得られる位置との少なくとも2箇所にセンサ装置10が設けられていることが望ましい。図2に示す例において、台座322に1個のセンサ装置10が設けられ、連結部材321に2個のセンサ装置10が設けられている。台座322に設けられたセンサ装置10では、主として固定部材31に関する情報が得られ、連結部材321に設けられたセンサ装置10では、主として吊下部材32に関する情報が得られる。
In general, the amount of information that can be obtained increases as the number of places where the
センサ装置10は、図1に示すように、取付部材30に振動を加え、取付部材30の振動を監視することによって、取付状態を監視するセンシング部11を備える。センシング部11は、取付部材30に振動を加える加振器110を備える。加振器110は、具体的には、PZTのような圧電素子を用いた振動子(圧電振動子)と、金属のような硬質材料で形成されたハンマを備えたアクチュエータとのいずれかが用いられる。アクチュエータにおいてハンマを移動させる駆動力を発生させる構成は、電磁石、圧電素子(電歪素子)、磁歪素子などから選択される。また、加振器110は、モータの回転力を駆動力に用いて、ハンマを移動させる構成を採用することも可能である。
As shown in FIG. 1, the
振動子を用いる場合、振動子に矩形波状の電圧を短時間だけ加えて振動子を駆動する。つまり、振動子に短時間だけ電圧を加えることによって、多くの周波数成分を含む振動を発生させる。振動子は、振動に1Hz〜100kHzの周波数成分が含まれるように、ミリ秒以下の短パルス(たとえば、0.1ms)で駆動されることが望ましい。 When the vibrator is used, the vibrator is driven by applying a rectangular wave voltage to the vibrator for a short time. That is, a vibration including many frequency components is generated by applying a voltage to the vibrator for a short time. The vibrator is desirably driven with a short pulse (for example, 0.1 ms) of milliseconds or less so that the vibration includes a frequency component of 1 Hz to 100 kHz.
また、加振器110が、ハンマを備えるアクチュエータである場合、ハンマを取付部材30に対して単発的に衝突させることが望ましい。つまり、ハンマで取付部材30を単発的に叩くことによって、取付部材30に1Hz〜100kHzの周波数成分を含む振動が与えられる。
Moreover, when the
これらの加振器110は、取付部材30に衝撃(インパルス)を与えることにより、1Hz〜100kHz程度の広範囲の周波数成分を含む振動を取付部材30に与えることが可能である。
These
加振器110が取付部材30に振動を与えると、この振動は取付部材30を伝達されるから、取付部材30に加えた振動と、この振動により取付部材30に生じる振動との関係がわかれば、取付部材30に関する情報が得られる。そのため、センシング部11は、加振器110が加えた振動により生じる取付部材30の振動に関する情報を応答情報として監視する第1の監視部111を備える。
When the
センシング部11の具体的な構成例を説明する。センシング部11は、図4に示すように、ハウジングベース61と、ハウジング62とを備える。ハウジングベース61は、板状であって、取付部材30にセンサ装置10を取り付けた状態で、取付部材30に密接する。以下に説明する加振器110は、圧電振動子を振動源1101として備える。図示例では、加振器110は、ハウジングベース61の上に配置され、ハウジングベース61に固定されている。加振器110はハウジングベース61に対して接着剤などによって固定される。
A specific configuration example of the
ハウジングベース61は、鉄系(ステンレス鋼)、銅系合金、亜鉛などの群から選択される金属を用いて形成されており、その音響インピーダンスが、取付部材30の音響インピーダンスに対して定められた範囲内となるように構成されていることが望ましい。なお、取付部材30は鉄系(ステンレス鋼)のような金属により形成されている。
The
ハウジングベース61と取付部材30との音響インピーダンスが一致していれば、理想的には、加振器110で生じた振動のエネルギーが損失することなく取付部材30に伝達される。ハウジングベース61と取付部材30との音響インピーダンスは、完全に一致していなくとも、音響インピーダンスの差異が小さければ、加振器110で生じた振動は取付部材30に効率よく伝達される。したがって、振動の伝達効率が定められた値以上になるように、ハウジングベース61の音響インピーダンスが定められる。要するに、ハウジングベース61は、その音響インピーダンスが取付部材30の音響インピーダンスと同程度になるように設計される。
If the acoustic impedances of the
上述のように、ハウジングベース61の音響インピーダンスと取付部材30の音響インピーダンスとが同程度であると、振動を効率よく取付部材30に伝達することができるから、振動源1101の小型化につながる。つまり、センシング部11を小型化し、ひいてはセンサ装置10を小型化することが可能になる。また、加振器110から取付部材30への振動の伝達効率が向上するから、加振器110に与える電力の利用効率も高くなり、結果的に、消費電力の低減につながる。
As described above, when the acoustic impedance of the
ハウジングベース61には、ハウジング62が結合される。ハウジング62は、ハウジングベース61に結合され、ハウジングベース61との間に加振器110を収納する密閉された空間を形成する。ハウジング62は、ハウジングベース61に被さるキャップ状に形成され、ハウジングベース61の周部にハウジング62が結合されることによって、加振器110を収納する空間をハウジングベース61との間に形成する。ハウジング62は、ハウジングベース61と同種の金属で形成されていることが望ましい。ハウジングベース61とハウジング62とは、レーザ光などを用いて溶接されることが望ましいが、ろう付けにより結合されるか、接着剤により結合されていてもよい。
A
ハウジングベース61とハウジング62との間に形成される空間には、センシング部11の他の構成要素を収納することが望ましいが、センシング部11の他の構成要素は当該空間とは別に配置してもよい。また、センサ装置10のすべての構成要素をハウジングベース61とハウジング62との間に形成された空間に収納してもよい。
In the space formed between the
ハウジングベース61は、図5に示すように、加振器110が載っている領域と、ハウジング62が結合される領域との間に、加振器110からの振動の伝達を抑制する音響絶縁部611を備えていてもよい。図示する音響絶縁部611は、加振器110が配置された領域とハウジング62が結合された領域との間に空隙を備えている。具体的には、図5におけるハウジングベース61の下面(外側面)に溝612が形成され、この溝612が空隙として機能する。ハウジングベース61において加振器110が載っている領域の周囲に溝612が存在することにより、ハウジングベース61において、当該領域から図5の横方向への振動の伝達が低減される。
As shown in FIG. 5, the
溝612は、加振器110の全周を囲むように一連に連続した形状のほか、不連続に形成した複数の溝612によって加振器110の周囲を囲む形状であってもよい。また、溝は、ハウジングベース61の上面(内側面)に形成されていてもよい。なお、音響絶縁部611は、溝612ではなく、ハウジングベース61の他の領域とは異なる材料を用いることによって形成してもよい。なお、上、下、横の用語は図5の説明に用いており、センサ装置10の取付方向を限定する趣旨ではない。
The
上述のように、音響絶縁部611が形成されることによって、加振器110で発生した振動はハウジング62などに伝達されにくくなり、取付部材30に集中して伝達されるから、加振器110から取付部材30への振動の伝達効率が向上する。すなわち、センシング部11のさらなる小型化につながる。また、音響絶縁部611が設けられることによって、加振器110から取付部材30への振動の伝達効率が高くなるから、電力の利用効率も高くなり、結果的に消費電力の低減につながる。
As described above, the formation of the acoustic insulating
制御部13は、加振器110の振動源1101である圧電振動子に、たとえば、図6に示すような波形の電圧を加えることによって振動を発生させる。図示する波形は、三角波状の単発のパルスであって、半値幅Δtとピーク電圧Vpとの少なくとも一方が調節される。半値幅Δtとピーク電圧Vpとの少なくとも一方を変えることによって、振動源1101から発生する振動の周波数成分あるいは振幅が変化する。たとえば、半値幅Δtが変わると主としての周波数成分が変化し、ピーク電圧Vpが変わると主として振幅が変化する。
The
上述した構成例では、加振器110を構成する振動源1101をハウジングベース61に直接取り付けているが、加振器110は、図7から図9に示す構造に構成することが好ましい。図7は加振器110が片持ち梁構造である構成例を示し、図8は加振器110が両持ち梁構造である構成例を示している。また、図9は振動源1101がバイモルフ型である例を示している。
In the configuration example described above, the
図7に示す構成例では、加振器110は、ハウジングベース61の一面に固定された支持台1102を備える。支持台1102には梁1103の一端部が固定されており、梁1103の他端部には重り1104が結合されている。振動源1101は、梁1103の中間部に配置され、梁1103に結合される。梁1103は、金属板を用いて板状に形成されており、図7における上下方向に撓むことが可能になっている。なお、上下方向は図における方向を示しているだけであり、使用時の方向を定める目的ではない。
In the configuration example shown in FIG. 7, the
支持台1102を形成する材料と梁1103を形成する材料と重り1104を形成する材料とは、鉄系(ステンレス鋼)、銅系合金、亜鉛などの群から選択される。重り1104は、梁1103と同材料で一体に形成されていてもよい。この場合、半導体のシリコンを微細に加工することによって、梁1103と重り1104とを形成することも可能である。
The material forming the
なお、図7は模式的に記載しているが、ハウジング62の内側面の幅寸法W1は1cm程度に形成され、振動源1101の厚み寸法H1は1μm〜1mm程度に形成され、重り1104の厚みH2は1〜10mm程度に形成される。これらの寸法は一例であり、本実施形態で用いるセンシング部11の寸法を限定する趣旨ではない。
7 schematically illustrates the width W1 of the inner surface of the
加振器110は、図8に示すような両持ち梁構造であってもよい。図7に示す構成例では、梁1103の一端部のみが支持台1102に固定されているのに対して、図8に示す構成例では、梁1103の両端部がそれぞれ支持台1102に固定されている。また、重り1104は、梁1103の中央部において図8における下面に結合されている。振動源1101は2個設けられており、梁1103の各一端部と重り1104との間の部位に配置されている。2個の振動源1101は、同じ向きに伸縮するように配置される。なお、上下の用語は図8について説明する目的で使用しており、センサ装置10の使用時における方向を定める目的ではない。
The
図8に示す構成例では、2個の振動源1101を梁1103の両端部に配置しているから、図7に示す構成のように1個の振動源1101を備える構成よりも梁1103の変位を大きくとることが可能になる。なお、振動源1101と重り1104とは、梁1103に対して図示例のように配置することが望ましいが、振動源1101と重り1104とは梁1103に対する表裏を逆にしてもよい。つまり、図8の構成であれば、振動源1101を梁1103の下面に設け、重り1104を梁1103の上面に設けてもよい。振動源1101が梁1103の一面に配置され、重り1104が梁1103の他面に配置されるから、梁1103が撓んだときに、振動源1101と重り1104との干渉が生じない。すなわち、振動源1101および重り1104について、寸法および配置の自由度が高くなる。ただし、振動源1101と重り1104との寸法および配置の自由度が問題ではない場合は、振動源1101と重り1104とを梁1103の同じ面に配列してもよい。
In the configuration example shown in FIG. 8, since two
図9に示す構成例は、振動源1101である圧電振動子をバイモルフ型とした構成例であって、図7に示した片持ち梁構造を基本として、梁1103の両面に振動源1101を配置した構成を有している。梁1103の各面に配置された振動源1101は、差動的に電圧が印加される。つまり、2つの振動源1101は、電圧が加えられたときに、互いに逆向きに変位する。したがって、梁1103の変位を大きくとることが可能になる。しかも、片持ち梁構造を基本にしているから、図8に示した両持ち梁構造の構成と比べて、梁1103の長さを短縮でき、結果的に、小型かつ変位の大きい(つまり、振幅の大きい)振動を発生させることが可能になる。
The configuration example shown in FIG. 9 is a configuration example in which the piezoelectric vibrator serving as the
第1の監視部111は、圧電素子、差動トランス、加速度センサ、超音波式あるいは光学式の変位センサなど、取付部材30の振動(変位)を検出できる構成であればよい。第1の監視部111は、取付部材30の振動を検出することができるように配置される。第1の監視部111は、加振器110に並べて配置することが可能であるが、加振器110とは適宜距離だけ離れていることが望ましい。また、加振器110が圧電素子であれば、加振器110を第1の監視部111として兼用することも可能である。
The
上述した構成によれば、加振器110から与えた衝撃(インパルス)に対する取付部材30の応答を第1の監視部111が監視するから、インパルス応答の伝達関数を求めることが可能である。つまり、加振器110が取付部材30に与えるインパルスが既知であれば、第1の監視部111が監視した応答情報により、インパルス応答の伝達関数が求められる。この伝達関数は取付部材30の取付状態を反映しているから、この伝達関数を評価すれば、取付部材30の取付状態である取付情報が求められる。
According to the above-described configuration, since the
ただし、取付部材30に与えるインパルスは、加振器110の計時的な変化や周囲温度の変化などによって、必ずしも一定にはならない。そのため、本実施形態では、加振器110から取付部材30に与えた振動に関する情報を刺激情報として監視する第2の監視部112を設けている。第2の監視部112が監視する刺激情報を用いると、刺激情報と応答情報とから、伝達関数を精度よく求めることが可能になる。つまり、取付部材30に関する取付情報をより精度よく求めることが可能になる。
However, the impulse given to the mounting
第2の監視部112としては、加振器110から取付部材30に作用する荷重を監視する荷重センサと、加振器110に加える電圧値を監視する電圧センサとのいずれかが用いられる。荷重センサは、圧電素子およびセンサ増幅器を備える構成が望ましい。また、電圧センサは、高入力インピーダンスの増幅器(ボルテージフォロワでもよい)を備える構成が望ましい。
As the
第2の監視部112が荷重センサである場合、加振器110が取付部材30に衝撃を与える際の反力が発生する部位に第2の監視部112が配置される。また、電圧センサは、加振器110に圧電素子を用いている場合に有効であり、圧電素子に加える電圧を電圧センサで監視する増幅器のみで構成される。第2の監視部112は、荷重センサあるいは電圧センサが出力する波形を、加振器110から取付部材30に与えた振動に関する刺激情報として出力する。
When the
第1の監視部111から出力される応答情報と、第2の監視部112から出力される刺激情報とは、センシング部11の出力である取付情報として出力部113を通して出力される。センシング部11から出力された取付情報は通信部12を通して無線信号として送信される。通信部12は、他のセンサ装置10から出力された無線信号を中継するマルチホップ通信の機能を有し、近距離無線通信を行いながらも電波が直接届かない遠方の端末間で通信することが可能になっている。
The response information output from the
センシング部11および通信部12は、制御部13により制御される。制御部13は、プログラムに従って動作するプロセッサを備えるデバイスを主なハードウェア要素として備える。この種のデバイスは、メモリをプロセッサと一体に備えるマイコン(マイクロコントローラ)、メモリを別に備えるプロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)などから選択される。
The
制御部13は、センシング部11(加振器110)を一定周期で定期的に動作させる。あるいはまた、制御部13は、外部信号による指示を受けたときに、センシング部11(加振器110)を動作させる。このような外部信号は、通信部12を通して他装置から無線信号により与えられる。また、制御部13は、センシング部11を動作させるたびに、センシング部11から出力された刺激情報および応答情報を通信部12に引き渡し、刺激情報および応答情報を取付情報として通信部12から送信させる機能を有する。
The
要するに、制御部13は、センシング部11を動作させるタイミングを定め、センシング部11から出力された刺激情報および応答情報を取付情報として通信部12から送信するタイミングを定める。刺激情報および応答情報はセンシング部11からアナログ信号として出力され、制御部13においてデジタル信号に変換される構成を想定しているが、デジタル信号に変換する機能はセンシング部11が備えていてもよい。
In short, the
なお、センサ装置10において、通信部12と制御部13とを1枚の回路基板に実装してユニット化し、センシング部11も1枚の回路基板に実装することによってユニット化すれば、センサ装置10は、2個のユニットと電源部14とで構成されることになる。このように、適宜にユニット化されていることにより、センサ装置10の組み立てが容易になる上に、機械的な力が作用するセンシング部11と、電気回路のみからなる通信部12および制御部13とが分離され、メンテナンスが容易になる。
In the
ところで、本実施形態において、センサ装置10の電源は、センサ装置10ごとに設けられた電源部14から供給される。すなわち、電源部14は、電池または小型の発電装置から電力が供給される。この種の発電装置は、トンネル20において生じる振動、熱、光、気流などを電力に変換する環境発電機(いわゆる、エナジーハーベスタ)が望ましい。なお、この種の発電装置から電源部14に電力を供給する場合、制御部13は、所要の電力が確保できるときに取付情報を送信させることになる。つまり、この種の発電装置を電源に用いると、センサ装置10は、定期的に動作できるとは限らず、不定期に動作する場合もある。また、電池は、センサ装置10を5〜10年程度は動作させることが可能な容量を持つことが望ましい。
By the way, in this embodiment, the power supply of the
なお、センサ装置10に電力を供給する電源は、取付部材30を単位として設けられていてもよい。つまり、1個の取付部材30に複数個のセンサ装置10を配置している場合、1個の取付部材30に設けられたすべてのセンサ装置10が共用する電源を設けることも可能である。この場合、1個の取付部材30に配置されたセンサ装置10の間は電源線で接続する必要があるが、取付部材30の間は電源線で接続する必要がないから、施工は比較的容易である。
The power source that supplies power to the
センサ装置10は、トンネル20の内部に多数個配置され、個々のセンサ装置10から無線信号として送信された取付情報は、受信装置40に受信される。つまり、センサ装置10から無線通信路を通して受信装置40に取付情報が伝送される。受信装置40は、無線信号から取付情報を抽出し、取付情報を判定装置50に入力する。
A large number of
判定装置50は、取付部材30の取付状態が正常であることが既知である期間に受信装置40がセンサ装置10から受信した取付情報に基づいて生成した基準情報を記憶する記憶部51を備える。また、判定装置50は、記憶部51が記憶している基準情報と、受信装置40が受信した最新の取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較し、取付部材30が正常な取付状態か否かを判断する判断部52を備える。
The
基準情報および検査情報は、判定装置50に設けられた生成部53が生成する。基準情報および検査情報としては、たとえば、センサ装置10から受信装置40が受信した刺激情報と応答情報とにFFT(高速フーリエ変換)を施すなどして求めた伝達関数が用いられる。伝達関数を基準情報および検査情報として用いる場合、生成部53は、刺激情報の周波数成分からなる第1のベクトルと、応答情報の周波数成分からなる第2のベクトルとを求め、第1のベクトルを第2のベクトルに変換する変換ベクトルを求める。生成部53は、この変換ベクトルを伝達関数とみなす。
The reference information and the inspection information are generated by the generation unit 53 provided in the
判断部52は、検査情報となる伝達関数と、基準情報となる伝達関数との距離(ユークリッド距離あるいはマンハッタン距離)を求め、距離の大きさがあらかじめ定めた正常範囲か否かを判断する。検査情報が基準情報に基づいて設定された正常範囲を逸脱している場合、つまり、検査情報と基準情報とから求めた距離が正常範囲を逸脱している場合、判断部52は、取付部材30に異常が生じていると判断する。
The
本実施形態では、判定装置50が、刺激情報と応答情報とから求められる伝達関数を用いて取付部材30の取付状態を評価するから、判断部52による判断の際に、自動車の走行などによって生じる振動の成分(ノイズ)の影響を低減させることが可能になる。つまり、判断部52は、刺激情報と応答情報との関係である伝達関数を抽出するから、定常的に生じているノイズは、伝達関数の成分としては小さい値になり、ノイズの影響が軽減される。また、判断部52が、基準情報と検査情報との距離を求める際にも、定常的に生じているノイズは除去される。
In this embodiment, since the
以上のことから、判定装置50による判定結果において、自動車の走行などによって生じるノイズ(環境振動)の影響が軽減され、取付部材30の取付状態を正確に判断することが可能になる。しかも、取付状態が正常である場合の1次情報および2次情報から求めた基準情報を記憶部51に記憶しており、判断部52は、検査情報を基準情報と比較する。したがって、正常な取付状態を参照して取付部材30の取付状態を判断することになり、取付状態について妥当性のある判断が可能になる。
From the above, in the determination result by the
ところで、加振器110、第1の監視部111、第2の監視部112は、具体的な構成にもよるが周囲温度の影響により特性が変化する可能性がある。そのため、センシング部11の周囲温度に応じて応答情報を補正することが望ましい。この場合、周囲温度を計測するために、図1に破線で示すように、温度センサ15を設けることが望ましい。図示例において、温度センサ15はセンシング部11に設けているが、センシング部11とは独立して温度センサ15を設けることも可能である。温度センサ15は、サーミスタ、熱電対などから選択される。
By the way, although the
温度センサ15が計測した周囲温度である温度情報は、通信部12を通して送信され、判定装置50の生成部53において、基準情報および検査情報を求める際に、温度情報を用いた補正が行われる。したがって、基準情報および検査情報に関して周囲温度の影響が軽減され、取付部材30の取付状態をより精度よく判断することが可能になる。
The temperature information, which is the ambient temperature measured by the
上述した構成によれば、取付部材30に対して衝撃を与えるから1Hz〜100kHz程度の広帯域の周波数成分を含む振動を取付部材30に与えることが可能になる。そのため、取付部材30に関して、様々な周波数成分に関する評価が可能になり、取付部材30について取付状態を精度よく判断することが可能になる。
According to the configuration described above, an impact is applied to the mounting
加えて、取付部材30の異常だけではなく、取付部材30により吊り構造で固定されている構造物22などについても異常の有無を総合的に判断できる可能性もある。なお、取付部材30にセンサ装置10を取り付けているが、構造物22などにもセンサ装置10を取り付けることによって、取付部材30と同様に異常の有無を判断できる可能性もある。したがって、センサ装置10を汎用的に用いることが可能である。
In addition, there is a possibility that not only the abnormality of the
上述した構成例では、センサ装置10に給電する電源部14をセンサ装置10が備えており、また通信部12は無線通信を行うから、センサ装置10に電線を接続する必要がなく、既存のトンネル20であってもセンサ装置10を簡単に設置することができる。しかも、センサ装置10は、センシング部11と通信部12と制御部13と電源部14とを備えるだけの簡単な構成であって、電源部14に電池を用いれば小型に構成することができるから、小型化が容易である。
In the configuration example described above, since the
なお、上述した構成例において、センサ装置10は、刺激情報と応答情報との2種類の情報を送信しているが、刺激情報はほぼ一定とみなす場合には、応答情報のみを通信部12から送信してもよい。この場合、判定装置50は、刺激情報は既知とみなし、応答情報のみを用いて取付部材30の取付状態を判断する。なお、この場合も温度情報を用いて基準情報および検査情報を補正してもよい。
In the configuration example described above, the
上述した実施形態は本発明の一例であって、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。 The above-described embodiment is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other embodiments may be used without departing from the technical idea of the present invention. If so, various changes can be made according to the design and the like.
10 センサ装置
11 センシング部
12 通信部
13 制御部
14 電源部
15 温度センサ
20 トンネル
21 天井部
22 構造物
30 取付部材
40 受信装置
50 判定装置
61 ハウジングベース
62 ハウジング
110 加振器
111 第1の監視部
112 第2の監視部
113 出力部
611 音響絶縁部
1101 振動源
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記センシング部が監視した前記取付状態に関する情報を取付情報として無線伝送路を通して送信する通信部と、
前記センシング部および前記通信部の動作を制御する制御部と、
前記センシング部と前記通信部と前記制御部とに給電する電源部とを備え、
前記センシング部は、
前記取付部材に1Hz〜100kHzの周波数成分を含む所定の振動を与える加振器と、
前記加振器が与えた振動により生じる前記取付部材の振動に関する情報を応答情報として監視する第1の監視部と、
前記応答情報を前記取付情報として出力する出力部とを備え、
前記通信部は、前記センシング部から出力された前記取付情報を所定のタイミングで送信する
ことを特徴とするセンサ装置。 A sensing unit that monitors the mounting state of a mounting member that fixes the structure to the ceiling in the tunnel with a suspension structure;
A communication unit that transmits information about the mounting state monitored by the sensing unit through a wireless transmission path as mounting information;
A control unit that controls operations of the sensing unit and the communication unit;
A power supply unit that supplies power to the sensing unit, the communication unit, and the control unit;
The sensing unit is
A vibrator for applying a predetermined vibration including a frequency component of 1 Hz to 100 kHz to the mounting member;
A first monitoring unit that monitors information related to the vibration of the mounting member caused by the vibration given by the vibrator as response information;
An output unit that outputs the response information as the attachment information;
The communication unit transmits the attachment information output from the sensing unit at a predetermined timing.
請求項1記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 1, wherein the vibrator is a vibrator coupled to the mounting member and is driven with a short pulse of milliseconds or less.
請求項1記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 1, wherein the vibration exciter is an actuator including a hammer, and the hammer is caused to collide with the mounting member in a single shot.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のセンサ装置。 The sensor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit periodically operates the vibrator.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 1, wherein the control unit operates the vibrator when receiving an instruction from an external signal.
前記通信部は、
前記応答情報に加えて前記刺激情報を前記取付情報として送信する
請求項1〜5のいずれか1項に記載のセンサ装置。 A second monitoring unit for monitoring information related to vibration applied from the vibrator to the mounting member as stimulus information;
The communication unit is
The sensor device according to claim 1, wherein the stimulus information is transmitted as the attachment information in addition to the response information.
前記通信部は、前記取付情報と併せて、前記温度情報を送信する
請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサ装置。 A temperature sensor that monitors the ambient temperature of the mounting member as temperature information;
The sensor device according to claim 1, wherein the communication unit transmits the temperature information together with the attachment information.
ハウジングベースと、
前記ハウジングベースに結合され、前記ハウジングベースとの間に前記加振器を収納する密閉された空間を形成するハウジングとを備え、
前記加振器は、圧電振動子を振動源とする構成であって、
前記ハウジングベースは、その音響インピーダンスが、前記取付部材の音響インピーダンスに対して定められた範囲内となるように構成されている
請求項1〜7のいずれか1項に記載のセンサ装置。 The sensing unit is
A housing base;
A housing coupled to the housing base and forming a sealed space for housing the vibrator between the housing base and the housing base;
The vibrator is configured with a piezoelectric vibrator as a vibration source,
The sensor device according to claim 1, wherein the housing base is configured such that an acoustic impedance thereof is within a range determined with respect to an acoustic impedance of the mounting member.
前記圧電振動子が載った領域と、前記ハウジングが結合される領域との間に、振動の伝達を抑制する音響絶縁部を備える
請求項8記載のセンサ装置。 The housing base is
The sensor device according to claim 8, further comprising an acoustic insulating portion that suppresses transmission of vibration between a region where the piezoelectric vibrator is placed and a region where the housing is coupled.
請求項8又は9記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 8, wherein the vibrator has a cantilever structure.
請求項8又は9記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 8, wherein the vibrator has a double-supported beam structure.
請求項10又は11記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 10, wherein the vibration source is a bimorph type.
前記センサ装置からの前記取付情報を受信する受信装置と、
前記取付部材の取付状態が正常である期間に前記受信装置が前記センサ装置から受信した前記取付情報に基づいて生成した基準情報と、前記受信装置が前記センサ装置から受信した最新の前記取付情報に基づいて生成した検査情報とを比較し、前記検査情報が前記基準情報に対して規定した正常範囲を逸脱している場合に異常と判断する判定装置とを備える
ことを特徴とする異常検知システム。 The sensor device according to any one of claims 1 to 12,
A receiving device for receiving the mounting information from the sensor device;
Reference information generated based on the mounting information received from the sensor device by the receiving device during a period in which the mounting state of the mounting member is normal, and the latest mounting information received from the sensor device by the receiving device. An abnormality detection system comprising: a determination device that compares inspection information generated based on the determination information and determines that the inspection information is abnormal when the inspection information deviates from a normal range defined for the reference information.
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