JP2016024050A - 搬送波型ひずみ測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願人は、ひずみゲージを含む測定ブリッジに正弦波等の搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、容量の不平衡分を自動的に打ち消すことで抵抗分のみを測定することが可能な搬送波型ひずみ測定装置を先に提案しており、例えば特許文献1(特開2010−266408号)等に開示されている。
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結合トランスを介して印加する搬送波を発生する搬送波発振回路と、
前記測定ブリッジに印加される搬送波に重畳された測定信号を入力トランスを介して受け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、
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、
前記補償量の信号に応じて前記発光ダイオードの発光輝度を制御する容量分打消し駆動回路と、
前記発光ダイオードの発光を受けて、電気信号に変換する前記受光ダイオードに流れる電流に応じて前記補償量に対応した極性と振幅を持つ補償用電位に変換し、前記極性に応じて出力波形の位相を変えて前記搬送波に前記補償用電位を重畳して前記入力トランスの1次側に供給し、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容量分打消し回路と、
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、1次側の各回路に電力を供給する1次側電源回路と、
を具備し、
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。
一般にひずみ測定を行う際には、測定点からひずみ測定装置まで入力ケーブルを引き回す必要があるが、上述した搬送波型ひずみ測定装置を使用する場合には、入力ケーブルによる分布容量の存在を考慮しなければならない。入力ケーブルの分布容量は、測定ブリッジの抵抗値の初期不平衡と共に、容量分の初期不平衡成分として現れる。ひずみゲージの抵抗値の変化分は、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となる。そのため、容量不平衡成分を打ち消すための回路が必要となる。従来のひずみ測定装置における容量分打ち消し回路は、特許文献1に示されたように回路構成が複雑であり電気部品を多く使用することから、装置そのものの小型化、省電力化および低コスト化を妨げる要因となっている。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、複雑な構成の容量分打ち消し回路を用いることなく、容量分の影響を回避することができ、回路構成の簡略化および部品点数の削減を可能とし、装置の小型化、省電力化および低コスト化を達成し得る搬送波型ひずみ測定装置を提供することを目的としている。
請求項1に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、
ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を除外し搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得る測定回路と
を具備することを特徴としている。
請求項2に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、請求項1の搬送波型ひずみ測定装置であって、
前記測定回路は、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を変動の時定数に基づいて除外しひずみ抵抗に応じた信号成分を取り出す検波回路を含むことを特徴としている。
前記測定回路は、
前記検波回路のひずみ抵抗に応じた信号成分を含む出力信号から搬送波成分を除去するキャリアフィルタ回路をさらに含む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ひずみ測定装置は、
ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を除外しひずみ抵抗に応じた信号成分を取り出す検波回路と、
前記検波回路の出力から搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得るキャリアフィルタ回路と
を具備することを特徴としている。
前記ブリッジ電源回路および前記検波回路を同期制御する制御回路をさらに具備することを特徴としている。
請求項6に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、
ひずみに応じて抵抗値が変化するひずみゲージを含む測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記ブリッジ電源回路を周期的に駆動制御する制御回路と、
前記制御回路に応動し前記矩形波の搬送波電源電圧に同期して、前記測定ブリッジの出力を選択的に抽出して容量不平衡による変動成分を除外してひずみ抵抗に応じた信号成分を抽出する検波回路と、
前記検波回路の出力から搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得るキャリアフィルタ回路と
を具備することを特徴としている。
前記検波回路は、
前記測定ブリッジの出力を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力を反転する反転回路と、
前記制御回路に応動し前記矩形波の搬送波電源電圧に同期して、前記増幅回路の出力および前記反転回路の出力を選択的に抽出して容量不平衡による変動成分を除外したひずみ抵抗に応じた信号成分を出力するマルチプレクサと、
を含むことを特徴としている。
すなわち、本発明の請求項1の搬送波型ひずみ測定装置によれば、
ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を除外し搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得る測定回路と
を具備することにより、
複雑な構成の容量分打ち消し回路を用いることなく、ひずみ測定に不要な容量分による影響を除外して、所要のひずみ抵抗変化分に応じた信号を取得することができ、回路構成の簡略化および部品点数の削減を達成し、装置の小型化、省電力化および低コスト化を実現することが可能となる。
図1〜図4は、本発明の一つの実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の要部の構成を示している。図1は、本発明の実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の測定回路の構成を、当該搬送波型ひずみ測定装置に測定ブリッジを接続した状態として示すブロック図、図2は、図1の搬送波型ひずみ測定装置の測定回路内の検波回路の詳細な構成を示すブロック図、図3は、ひずみを測定しようとする部位に添着したひずみゲージおよび抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成した測定ブリッジを図1の搬送波型ひずみ測定装置に接続する接続構成を模式的に示す接続実体図、そして図4は、測定ブリッジを搬送波型ひずみ測定装置へ接続する詳細な接続構成を示す等価回路図である。
図1は、本発明の一つの実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の測定回路の構成を示すブロック図であり、一般的なひずみ測定において、この実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置にホイートストンブリッジで構成された測定ブリッジを接続した状態として示している。
図1に示す測定ブリッジ11は、接続点A、接続点B、接続点Cおよび接続点Dの4つの接続点を有しており、測定ブリッジ11の接続点Aと接続点Bとの間にひずみゲージR1を接続し、接続点Bと接続点Cとの間に抵抗R2を接続し、接続点Cと接続点Dとの間に抵抗R3を接続し、そして接続点Dと接続点Aとの間に抵抗R4を接続して、ホイートストンブリッジ回路を構成している。ひずみゲージR1は、被測定物の起歪部、すなわち測定しようとするひずみ変形が発生する部位に、例えば、接着記、融着、溶着等の手段により、添着され、当該起歪部のひずみの大きさに応じて抵抗値が変化する。
図1に示す測定回路12は、増幅回路13、検波回路14、キャリアフィルタ回路15、ブリッジ電源回路16および制御回路17を備えている。ブリッジ電源回路16は、測定ブリッジ11に矩形波の搬送波ブリッジ電源電圧を印加する。増幅回路13は、測定ブリッジ11からの出力を検出し増幅する。検波回路14は、増幅回路13の出力を信号処理して、測定ブリッジ11のひずみゲージR1の抵抗値変化に応じた信号成分を含む信号を取り出す。キャリアフィルタ回路15は、検波回路14の出力からブリッジ電源電圧に基づく搬送波成分を除去する。制御回路17は、ブリッジ電源回路16と検波回路14を制御して、所定のタイミングで同期的に作動させる。
制御回路17は、2種の制御信号17aおよび17bを検波回路14に供給して検波回路14を制御するとともに、制御信号17cをブリッジ電源回路16に供給し、ブリッジ電源回路16の搬送波周期を制御する。
次に、検波回路14の詳細な構成および処理動作について図2を参照して説明する。
ここで、マルチプレクサ19の動作を説明する。
マルチプレクサ19は、制御端子19fおよび19gの電圧レベルが、高(HIGH)レベルか、低(LOW)レベルか、に基づいて、入力端子19a、19b、19cおよび19dのいずれか1つをオン(ON)として、オンとされた端子の入力信号を出力端子19eに出力する。制御端子19fおよび19gの電圧レベルは、制御回路17から供給される制御信号17aおよび17bによって制御される。マルチプレクサ19の制御端子19fおよび19gの電圧レベルと、それらの組み合わせによってオンとされて出力端子19eに導出される入力端子との関係を次表に示している。
図3は、測定回路12から測定ブリッジ11に至る接続構成を実体的な図として示しており、図4は、図3の構成の電気的な等価回路を示している。測定ブリッジ11は、既に述べたようにひずみを測定しようとする部位に添着したひずみゲージR1と抵抗R2〜R4を用いてホイートストンブリッジを構成したものである。
図3には、固定抵抗R2、R3、R4およびひずみゲージR1でホイートストンブリッジを構成してなる測定ブリッジ11を、4本の接続線からなる入力ケーブル21を介して測定回路12に接続した状態を示している。このような状態において、測定ブリッジ11には、分布容量が生じる。この分布容量は、測定ブリッジ11の出力信号中に、初期不平衡値としてあらわれるとともに、容量分の不平衡値としてもあらわれる。この場合、ひずみゲージR1の抵抗値変化分は、測定に必要なものであるが、容量分およびその変化分は、上述したように、正確な測定を妨げる要因、すなわち測定精度阻害要因となる。
図3に示す測定回路12と、測定ブリッジ11との間の回路構成では、入力ケーブル21が介在することにより、測定ブリッジ11の隣接する2辺の各接続点と接地(グラウンド〜GND)電位との間に分布容量が存在する。
すなわち、測定ブリッジ11の4辺の抵抗をR1〜R4、各辺間の分布容量をCb1〜Cb4、入力ケーブル21の各接続線のケーブル抵抗をr1〜r4、各接続点、すなわち各接続線と接地電位との間の分布容量をCg1〜Cg4とすると図4に示すような等価回路となる。図4においては、搬送波ブリッジ電圧をE、そしてブリッジ出力電圧をeとして示している。
ひずみ測定において、必要なのはひずみゲージR1の抵抗変化分である。実際にひずみ測定を実施し、ひずみゲージR1に抵抗変化分ΔR1が生じ、ブリッジ出力電圧eを増幅回路13で増幅した時の出力波形の例を図5に示している。図5においては、時間軸tに対する搬送波周期をT1として出力波形を示している。
図5(a)に示す波形は、各辺間の分布容量Cb1〜Cb4、各接続点と接地電位との間の分布容量Cg1〜Cg4がゼロであって、抵抗変化分ΔR1が生じた場合における理想的な出力波形である。
リプルの片側(半サイクル)の大きさを算出するために、図4のブリッジ回路を簡略化する。ブリッジの4辺の抵抗が、同じ抵抗値である(抵抗バランスがとれている)とし、各辺の抵抗値を、R1=R2=R3=R4≒Rとし、各辺間の分布容量については、Cb1≠Cb2、Cb3=Cb4=0とし、各接続点と接地電位との間の分布容量については、Cg1=Cg2=Cg3=Cg4=0と仮定する。ここでゼロと仮定した分布容量Cb3、Cb4、Cg1、Cg2、Cg3およびCg4は、実際に存在し、本来考慮しなければならないが、リプルの片側だけの大きさを理解するためには、これらの分布容量についてCb3=Cb4=0、Cg1=Cg2=Cg3=Cg4=0とおいても差支えない。
図7(a)は、このような考察に基づいて図4を簡略した図であり、図7(b)は、接続点Aと接続点Cとの間にブリッジ電源電圧Eを印加した時の接続点Bと接続点Dとの間のブリッジ出力電圧eを示している。
図7(a)の等価回路の伝達関数は、次式(1)であらわされる。
であるため、ほとんど時定数τ=R(Cb1+Cb2)/2によって決定される。
例えば、図3に示した入力ケーブル21を100m延長したとき、その分布容量として、Cb1+Cb2=4000pF、ゲージ抵抗R=120Ωであるとすると、時定数240nSである。
図5(b)には、ひずみゲージR1に抵抗変化分ΔRが生じるとともに、各辺間や各接続点と接地電位との間に分布容量がある場合の出力波形の一例である。図5(b)の波形においては、容量分の影響で出力波形の立ち上がり、立ち下がり付近にリプルが生じている。図5(b)においては、この時のリプルが生じている時間をT2としており、ここでは容量分出力時間と称する。この容量分出力時間T2は、図7(b)に示した時定数に相当する。搬送波周波数が低ければ低いほど、時間軸tからみると、搬送波周期T1に対する容量分出力時間T2の割合は低くなる。
ひずみ測定において必要なのは抵抗変化分の測定であって、搬送波周期T1から、容量分出力時間T2を間引いて取り除いた、残りの直流(DC)部分に生じる出力が得られればよい。
図6(a)は、増幅回路13の出力波形を示しており、この信号がマルチプレクサ19の入力端子19aに入力される。図6(b)は、反転回路18の出力波形を示しており、この信号がマルチプレクサ19の入力端子19bに入力される。図6(c)は、制御回路17から出力される制御信号17aの信号波形を示しており、この信号がマルチプレクサ19の制御端子19fに入力される。図6(d)は、制御回路17から出力される制御信号17bの信号波形を示しており、この信号がマルチプレクサ19の制御端子19gに入力される。
ここで、制御回路17の制御動作について図2、図6および表1を参照して具体的に説明する。
まず、制御回路17は、制御信号17cによって、ブリッジ電源回路16を制御する(図1も参照されたい)。この場合、搬送波ブリッジ電源電圧の搬送波周期がT1となるように制御する。したがって、この搬送波ブリッジ電源電圧により生起される計測ブリッジ11のブリッジ出力に基づく、増幅回路13の出力および反転回路18の出力は、図6(a)および図6(b)にそれぞれ波形を示すように、搬送波周期T1と同一の周期となる。
表1によれば、制御信号17b、すなわちマルチプレクサ19の制御端子19gの電圧レベルが高(HIGH)レベルのときは、マルチプレクサ19の出力端子19eの出力は、基準電位点20に接続されたマルチプレクサ19の入力端子19cまたは19dの電圧、すなわち基準電位であるためゼロ電圧となる。
図6(d)に示す制御回路17から出力される制御信号17bは、容量分出力時間T2の開始時間よりも早く電圧レベルが高(HIGH)レベルとなり、容量分出力時間T2の終了時間より遅く低(LOW)レベルとなるように制御される必要がある。図6(d)に示す期間T3は、制御信号17bの波形の電圧レベルが高(HIGH)レベルとなっている期間に相当し、このときの出力端子19eの出力波形は、図6(e)の波形となる。
図6に示すハッチング部は、このようにして選択された出力をあらわしている。図6(e)のハッチング部が、ひずみ測定において必要となる抵抗変化分に対応する部分のみを抽出した出力であり、この出力における搬送波成分がキャリアフィルタ回路15で取り除かれて、キャリアフィルタ回路15の出力として、図6(f)のような波形が得られる。
上述したように、制御回路17により、ブリッジ電源回路16およびマルチプレクサ19を制御することにより、抵抗分のみに相当する出力を得て、さらにキャリアフィルタ回路15を介して、搬送波成分を取り除き、測定しようとするひずみゲージの抵抗変化分に応じた直流レベル信号として検出している。
この実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置は、測定ブリッジに電源として印加する電圧を搬送波とすることで、原理的にノイズに強い構成とし、さらに搬送波電源電圧を矩形波とすることで、搬送波の周期、マルチプレクサの制御信号を制御し、ひずみ測定に不要な容量分の出力を間引いて取り除き、測定に必要な抵抗変化分に応じた出力のみを効果的に検出することができる。
なお、本発明は、上述し且つ図面に示した実施の形態にのみ限定されることなく、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施することができる。
たとえば、上述した実施の形態のおいては、測定ブリッジ11として、歪みゲージR1と、
抵抗R2〜R4を用いてホイートストンブリッジを構成したものを示したが、4個ともひずみゲージでブリッジを構成したり、2個のひずみゲージと、2個の固定抵抗とをもって、ブリッジを構成してもよい。
11a〜11d ケーブル
12 測定回路
13 増幅回路
14 検波回路
15 キャリアフィルタ回路
16 ブリッジ電源回路
17 制御回路
17a、17b、17c 制御信号
18 反転回路
19 マルチプレクサ
19a〜19d 入力端子
19e 出力端子
19f、19g 制御端子
20 基準電位点
R1 ひずみゲージ
R2〜R4 (固定)抵抗
Claims (7)
- ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を除外し搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得る測定回路と
を具備することを特徴とする搬送波型ひずみ測定装置。 - 前記測定回路は、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を変動の時定数に基づいて除外しひずみ抵抗に応じた信号成分を取り出す検波回路を含むことを特徴とする請求項1に記載の搬送波型ひずみ測定装置。 - 前記測定回路は、
前記検波回路のひずみ抵抗に応じた信号成分を含む出力信号から搬送波成分を除去するキャリアフィルタ回路をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の搬送波型ひずみ測定装置。 - ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力から搬送波電源電圧に同期して矩形波における容量不平衡による変動成分を除外しひずみ抵抗に応じた信号成分を取り出す検波回路と、
前記検波回路の出力から搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得るキャリアフィルタ回路と
を具備することを特徴とする搬送波型ひずみ測定装置。 - 前記ブリッジ電源回路および前記検波回路を同期制御する制御回路をさらに具備することを特徴とする請求項4に記載の搬送波型ひずみ測定装置。
- ひずみに応じて抵抗値が変化するひずみゲージを含む測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記ブリッジ電源回路を周期的に駆動制御する制御回路と、
前記制御回路に応動し前記矩形波の搬送波電源電圧に同期して、前記測定ブリッジの出力を選択的に抽出して容量不平衡による変動成分を除外してひずみ抵抗に応じた信号成分を抽出する検波回路と、
前記検波回路の出力から搬送波成分を除去してひずみ抵抗に応じた信号を得るキャリアフィルタ回路と
を具備することを特徴とする搬送波型ひずみ測定装置。 - 前記検波回路は、
前記測定ブリッジの出力を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力を反転する反転回路と、
前記制御回路に応動し前記矩形波の搬送波電源電圧に同期して、前記増幅回路の出力および前記反転回路の出力を選択的に抽出して容量不平衡による変動成分を除外したひずみ抵抗に応じた信号成分を出力するマルチプレクサと
を含むことを特徴とする請求項6に記載の搬送波型ひずみ測定装置。
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