JP2019045378A - Oscillation type load sensor - Google Patents
Oscillation type load sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019045378A JP2019045378A JP2017170315A JP2017170315A JP2019045378A JP 2019045378 A JP2019045378 A JP 2019045378A JP 2017170315 A JP2017170315 A JP 2017170315A JP 2017170315 A JP2017170315 A JP 2017170315A JP 2019045378 A JP2019045378 A JP 2019045378A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- load
- frequency
- digital signal
- vibration
- digital
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
本発明は、振動式荷重センサに関する。 The present invention relates to a vibratory load sensor.
従来、荷重(力)に応じて固有振動数(周波数)を変化させる振動子を用いて荷重を測定する振動式荷重センサが知られている。例えば、特許文献1には、音叉式振動子の振動周波数の変化に基づいて荷重測定を行うための荷重変換機構が開示されている。このような振動式荷重センサにおいて、振動子の振動周波数を測定する手法としては、例えば特許文献2に開示されているようなレシプロカル方式が知られている。
BACKGROUND Conventionally, there has been known a vibration type load sensor that measures a load using a vibrator that changes a natural frequency (frequency) according to a load (force). For example,
ところで、上述したレシプロカル方式は、まず入力信号の周期を求めてから当該周期の逆数を算出することによって周波数を求める方式である。このため、レシプロカル方式では、振動周波数が得られるタイミングが入力信号の周期に依存してしまう。すなわち、レシプロカル方式では、入力信号の周期に依存することなく一定の測定レートで振動周波数を得ることができない。このため、レシプロカル方式は、荷重測定結果に基づく動的な制御(例えば荷重変化に応じて所定の機構を動かす制御等)が必要な場合に適用し難いという問題がある。 By the way, the above-mentioned reciprocal system is a system which calculates | requires a frequency by calculating | requiring the period of an input signal first, and calculating the reciprocal of the said period. Therefore, in the reciprocal method, the timing at which the vibration frequency is obtained depends on the period of the input signal. That is, in the reciprocal method, the oscillation frequency can not be obtained at a constant measurement rate without depending on the period of the input signal. For this reason, there is a problem that it is difficult to apply the reciprocal method when it is necessary to perform dynamic control (for example, control to move a predetermined mechanism according to a load change) based on a load measurement result.
そこで、本発明の一側面は、荷重測定レートを一定にすることができる振動式荷重センサを提供することを目的とする。 Therefore, one aspect of the present invention is to provide a vibration type load sensor capable of making a load measurement rate constant.
本発明の一側面に係る振動式荷重センサは、荷重を受ける荷重受け部と、荷重受け部が受けている荷重の大きさに応じて振動周波数を変化させる振動子と、振動子の振動波形を検出する検出部と、一定のサンプリング周波数で振動波形をデジタル信号に変換するAD変換部と、上記デジタル信号に基づいて、サンプリング周波数に対応するサンプリング周期毎に振動子の振動周波数を特定するデジタル処理部と、特定された振動周波数に基づいて、荷重受け部が受けている荷重の大きさを特定する荷重特定部と、を備える。 A vibration type load sensor according to one aspect of the present invention includes a load receiving portion that receives a load, a vibrator that changes a vibration frequency according to the size of a load received by the load receiving portion, and a vibration waveform of the vibrator Digital processing that specifies the vibration frequency of the vibrator for each sampling cycle corresponding to the sampling frequency based on the detection unit that detects, the AD conversion unit that converts the vibration waveform to a digital signal at a fixed sampling frequency, and the digital signal And a load specifying unit that specifies the magnitude of the load received by the load receiving unit based on the identified vibration frequency.
この振動式荷重センサは、振動波形を一定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に基づいて、サンプリング周期毎に振動子の振動周波数を取得する。また、サンプリング周期毎に得られた各振動周波数から各サンプリング時点における荷重の大きさが特定される。このように、この振動式荷重センサによれば、サンプリング周期毎に荷重測定結果を得ることができるため、荷重測定レートを一定にすることができる。 The vibration type load sensor converts the vibration waveform into a digital signal at a constant sampling frequency, and acquires the vibration frequency of the vibrator for each sampling cycle based on the digital signal. Further, the magnitude of the load at each sampling time point is specified from each vibration frequency obtained for each sampling cycle. As described above, according to this vibration type load sensor, the load measurement result can be obtained for each sampling cycle, so that the load measurement rate can be made constant.
デジタル処理部は、上記デジタル信号と同一位相の第1デジタル信号を取得するとともに、上記デジタル信号をヒルベルト変換することにより上記デジタル信号に対して90°位相の異なる第2デジタル信号を取得し、第1デジタル信号と第2デジタル信号との比率に基づいて位相角を算出し、サンプリング周期毎に、連続する2つのサンプリング時点のそれぞれにおいて算出された位相角に基づいて、振動周波数を算出してもよい。この場合、ヒルベルト変換を利用することにより、荷重測定レートを一定にする構成を容易に実現できる。 The digital processing unit acquires a first digital signal having the same phase as the digital signal, and Hilbert transforms the digital signal to acquire a second digital signal that is 90 ° out of phase with the digital signal. Even if the phase angle is calculated based on the ratio of one digital signal to the second digital signal and the vibration frequency is calculated based on the phase angle calculated at each of two consecutive sampling points for each sampling period. Good. In this case, it is possible to easily realize a configuration in which the load measurement rate is constant by utilizing the Hilbert transform.
デジタル処理部は、上記デジタル信号に対して適応ノッチフィルタによるフィルタ処理を実行することにより、振動周波数を特定してもよい。この場合、適応ノッチフィルタによるフィルタ処理を実行することにより、荷重測定レートを一定にする構成を容易に実現できる。 The digital processing unit may specify the vibration frequency by performing a filtering process using an adaptive notch filter on the digital signal. In this case, by performing the filtering process using the adaptive notch filter, it is possible to easily realize a configuration that makes the load measurement rate constant.
上記振動式荷重センサは、AD変換部により変換されたデジタル信号を入力し、デジタル信号の予め定められた帯域外の周波数成分を減衰させるバンドパスフィルタを更に備え、デジタル処理部は、バンドパスフィルタを通過した後のデジタル信号に基づいて、振動周波数を特定してもよい。この場合、バンドパスフィルタによって、デジタル信号に含まれているノイズを低減できる。その結果、振動周波数の測定精度(すなわち、振動周波数に基づく荷重測定の精度)を向上させることができる。 The vibration type load sensor further includes a band pass filter for inputting the digital signal converted by the AD conversion unit and attenuating frequency components outside the predetermined band of the digital signal, and the digital processing unit is a band pass filter The vibration frequency may be specified based on the digital signal after passing through. In this case, the band pass filter can reduce noise contained in the digital signal. As a result, the measurement accuracy of the vibration frequency (that is, the accuracy of load measurement based on the vibration frequency) can be improved.
予め定められた帯域は、荷重測定に用いる振動モードとして予め定められた振動モードの固有周波数と、予め定められた測定可能荷重に応じた周波数の変化量と、に基づいて設定された帯域であってもよい。この場合、荷重測定に必要な周波数帯域以外の帯域の周波数成分を適切に減衰させることができ、デジタル信号に含まれているノイズを効果的に低減できる。 The predetermined band is a band set based on the natural frequency of the vibration mode predetermined as the vibration mode used for load measurement and the amount of change of the frequency according to the predetermined measurable load. May be In this case, frequency components in bands other than the frequency band necessary for load measurement can be appropriately attenuated, and noise contained in the digital signal can be effectively reduced.
振動子は、音叉式の振動子であってもよい。この場合、音叉式の振動子を用いることで、上述した振動式荷重センサを具体的に実現することができる。 The vibrator may be a tuning fork type vibrator. In this case, the above-described vibration type load sensor can be specifically realized by using a tuning fork type vibrator.
本発明の一側面によれば、荷重測定レートを一定にすることができる振動式荷重センサを提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a vibration type load sensor capable of making a load measurement rate constant.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same parts or corresponding parts in the respective drawings are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図1は、本発明に係る振動式荷重センサの一実施形態である音叉センサの概略斜視図である。音叉センサ100は、荷重受け部16に加えられた荷重Fの大きさに応じて固有周波数(振動数)を変化させるように構成された音叉振動子1を有する。また、音叉センサ100は、音叉振動子1の振動周波数に基づいて荷重Fの大きさを測定する荷重測定部6を有する。荷重測定部6は、CPU等のプロセッサ、メモリ等を備えるコンピュータにより構成され得る。以下、音叉センサ100の構成について詳細に説明する。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a tuning fork sensor that is an embodiment of a vibrating load sensor according to the present invention. The
音叉振動子1は、互いに平行に配置された2枚の矩形板状の振動片1a,1bと、振動片1a,1bの長手方向Dの両端部同士をそれぞれ接続するU字状の結合部2a,2bと、振動片1a,1b及び結合部2a,2bにより構成される振動部を長手方向Dの両側で支持する薄板状の支持片3a,3bと、により構成されている。
The
音叉振動子1の一方の結合部(ここでは結合部2b)の両側面には、圧電素子4a,4bが、例えば接着及び蒸着等により取り付けられている。圧電素子4a,4bは、外部に設置された増幅器5の出力部及び入力部にそれぞれ接続されている。これにより、圧電素子4aは、音叉振動子1を一定の周波数で振動させるための励振用として動作し、圧電素子4bは、音叉振動子1の振動を検知するピックアップ用として動作する。すなわち、圧電素子4bは、音叉振動子1の振動波形を検出する検出部として機能する。振動片1a,1bは、増幅器5において設定された利得(ゲイン)及び周波数特性等に基づいて、予め一定の周波数で振動させられる。
音叉センサ100は、荷重受け部16の荷重Fを音叉振動子1に伝達するための伝達機構として、てこ部10及び基部11を有する。音叉振動子1の長手方向Dの一端は、支持片3aを介して、てこ部10の一端に接続されている。てこ部10の当該一端は、てこ部10における力点12を構成している。音叉振動子1の長手方向Dの他端は、支持片3bを介して、基部11に取り付けられている。てこ部10は、基部11に連なる肉薄状の支点13に支えられている。支点13を挟んで力点12とは反対側のてこ部10の他端は、重点14を構成している。重点14には、薄板状の引張片15を介して、荷重受け部16が吊り下げられている。このような構成により、荷重受け部16に加えられた荷重Fは、てこ部10を介して音叉振動子1を引っ張るようになっている。荷重Fが音叉振動子1に作用する力の大きさは、支点13から力点12までの距離と支点13から重点14までの距離との比率等によって調整されている。
The
基部11の取付穴17,18は、音叉センサ100の本体(増幅器5及び荷重測定部6を除く部分)を図示しない筐体等に固定するためのものである。図1において破線で示される荷重受け部16のフック19は、測定対象物の形状等によって、必要に応じて補助的に使用されるものである。なお、音叉センサ100の本体の大きさ及び形状(例えばてこ部10及び基部11の形状等)は、使用場所及び用途等(例えば5kgf以下の小荷重を測定する用途等)に応じて適宜変更され得る。
The
次に、荷重測定部6による測定処理について説明する。測定処理の概要は以下の通りである。荷重受け部16に荷重Fが加えられると、てこ部10及び基部11等の伝達機構を介して音叉振動子1が引っ張られ、音叉振動子1の振動周波数が変化する。荷重測定部6は、圧電素子4bを介して、音叉振動子1の振動に応じた電圧の大きさを示すアナログ信号である電圧波形(横軸が時間、縦軸が電圧を示す波形)を取得する。これにより、荷重測定部6は、音叉振動子1の振動周波数の変化が反映された電圧波形を得ることができる。続いて、荷重測定部6は、当該電圧波形に対してA/D(アナログ/デジタル)変換処理及び後述するデジタル処理を実行することにより、荷重Fの大きさに応じた音叉振動子1の振動周波数(例えば振動の1次モードに対応する固有周波数)を特定する。続いて、荷重測定部6は、特定された振動周波数に基づいて荷重Fの大きさを特定する。
Next, measurement processing by the
図2は、荷重測定部6の機能構成を示すブロック図である。図2に示されるように、荷重測定部6は、アナログLPF(ローパスフィルタ)61と、AD変換器62(AD変換部)と、BPF(バンドパスフィルタ)63と、デジタル処理部64と、荷重特定部65と、を有する。デジタル処理部64は、ヒルベルト変換部641と、デジタルフィルタ642と、を有する。以下、荷重測定部6の各機能について説明する。
FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the
アナログLPF(ローパスフィルタ)61は、圧電素子4bを介して取得されたアナログ信号である電圧波形を入力し、音叉センサ100による荷重測定に必要な周波数帯域よりも高い周波数成分を除去する(減衰させる)ように構成されたアナログフィルタである。
The analog LPF (low pass filter) 61 inputs a voltage waveform which is an analog signal acquired through the
図3は、音叉センサによる荷重測定に必要な周波数帯域を示す図である。図3は、所定の荷重Fが荷重受け部16に加わっている状態において観測された時間波形である電圧波形を周波数領域のスペクトルに変換することで得られた波形を示している。なお、当該波形は説明のために示したものであり、荷重測定部6によって取得される必要はない。
FIG. 3 is a diagram showing a frequency band required for load measurement by the tuning fork sensor. FIG. 3 shows a waveform obtained by converting a voltage waveform, which is a time waveform observed in a state where a predetermined load F is applied to the
本実施形態では一例として、音叉振動子1の1次モードの振動に対応する固有周波数に基づいて荷重測定が行われる。すなわち、音叉振動子1の1次モードが、荷重測定に用いる振動モードとして予め定められている。ここで、デフォルトの状態(すなわち、荷重受け部16に荷重Fが加えられていない状態)における1次モードの固有周波数をfと表し、予め定められた測定可能荷重の範囲内に含まれる荷重Fが荷重受け部16に加えられた場合における当該固有周波数の最大の変化量をΔfと表す。f及びΔfは、音叉センサ100の本体形状及び測定可能荷重等に基づいて予め把握される。この場合、周波数fと周波数f+Δfとの間の領域Rが、音叉センサ100による荷重測定に必要な周波数帯域となる。この場合、アナログLPF61は、周波数f+Δfよりも高い周波数成分を除去するように構成され得る。
In the present embodiment, as an example, load measurement is performed based on the natural frequency corresponding to the primary mode vibration of the
AD変換器62は、圧電素子4bにより検出された振動波形(本実施形態では、アナログLPF61を通過した後の電圧波形)を、予め定められた一定のサンプリング周波数によりデジタル信号に変換する。例えば、AD変換器62は、入力されたアナログ信号に対して公知のA/D変換処理を実行し、変換されたデジタル信号を出力する電子回路として構成され得る。図4は、上記A/D変換処理によって得られる電圧波形の一例を示す図である。なお、図4及び以下に説明する図5、図6、及び図8に示す波形例は、本実施形態における各種変換処理の内容を理解し易くするために極端な波形例として示したものであり、実際の測定により得られる波形データとは異なり得る。
The
BPF(バンドパスフィルタ)63は、AD変換器62により変換されたデジタル信号を入力し、当該デジタル信号の予め定められた帯域外の周波数成分を減衰させるデジタル回路である。ここで、荷重測定に用いる振動モードとして予め定められた振動モード(ここでは、1次モード)の固有周波数と、予め定められた測定可能荷重に応じた周波数の変化量と、に基づいて設定された帯域が、上記の「予め定められた帯域」として設定され得る。すなわち、本実施形態では、上述した荷重測定に必要な周波数帯域(周波数fと周波数f+Δfとの間の領域R)が、上記の「予め定められた帯域」として設定され得る。
The BPF (band pass filter) 63 is a digital circuit that receives the digital signal converted by the
BPF63は、電圧波形(図4参照)に含まれるノイズを減衰させる目的で使用される。上記の「ノイズ」は、電圧波形のうち、音叉振動子1の振動周波数(ここでは、1次モードの固有周波数)の測定精度を下げる要因となり得る部分である。例えば、上記ノイズは、音叉振動子1の荷重測定に用いられない振動モード(本実施形態では、2次以上のモード)に関する振動成分を含み得る。また、上記ノイズは、音叉センサ100の本体に伝わる外乱ノイズ(例えば音叉センサ100の基部11を支持する図示しない支持体の振動等に起因する振動成分)を含み得る。
The
図5は、BPF63のバンドパスフィルタ処理により得られる電圧波形の一例を示す図である。この例では、上記バンドパスフィルタ処理により、領域R(図3参照)の外側の周波数成分が減衰され、比較的整った形状の電圧波形が得られている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a voltage waveform obtained by the band pass filter processing of the
デジタル処理部64は、BPF63を通過したデジタル信号(図5参照)に基づいて、A/D変換処理におけるサンプリング周波数に対応するサンプリング周期T毎に、音叉振動子1の振動周波数を特定する。本実施形態では、デジタル処理部64は、ヒルベルト変換部641と、デジタルフィルタ642と、を含む。
The
ヒルベルト変換部641は、以下の第1〜第3の処理を実行する。
The
(第1の処理)
ヒルベルト変換部641は、BPF63を通過したデジタル信号(図5参照)と同一位相の第1デジタル信号D1を取得するとともに、当該デジタル信号をヒルベルト変換することにより当該デジタル信号に対して90°位相の異なる第2デジタル信号D2を取得する。第1の処理を実行するための回路は、例えばFIRフィルタ、遅延回路等を含む公知のデジタル回路により構成される。第1デジタル信号D1及び第2デジタル信号D2は、例えば下記式(1)及び(2)のように表される。ここで、Aは振幅、ωは角周波数、tは任意のサンプリング時点を表す。
D1=A・sin(ωt) …(1)
D2=A・cos(ωt) …(2)
(First processing)
The
D1 = A · sin (ωt) (1)
D2 = A · cos (ωt) (2)
(第2の処理)
続いて、ヒルベルト変換部641は、第1の処理により得られた第1デジタル信号D1と第2デジタル信号D2との比率(D1/D2)に基づいて位相角θ(=ωt)を算出する。具体的には、ヒルベルト変換部641は、当該比率の関係式(D1/D2=sin(ωt)/cos(ωt)=tan(ωt))から、その逆正接(tan−1)を演算により求めることにより、位相角θを算出する。
(Second processing)
Subsequently, the
(第3の処理)
続いて、ヒルベルト変換部641は、連続する2つのサンプリング時点t,t−1(t=t−1+T)のそれぞれにおいて上記第2の処理により算出された位相角θ,θ−1に基づいて、サンプリング時点tにおける振動周波数を算出する。サンプリング時点t−1は、サンプリング時点tよりも1つ前のサンプリング時点である。具体的には、ヒルベルト変換部641は、下記式(3)により、サンプリング時点tにおける振動周波数ftを算出する。
ft=(θ−θ−1)/2πT …(3)
(Third process)
Subsequently, the
f t = (θ−θ −1 ) / 2πT (3)
図6は、ヒルベルト変換を用いた周波数変換(すなわち、ヒルベルト変換部641の第1〜第3の処理)により得られる周波数波形の一例を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of a frequency waveform obtained by frequency conversion using Hilbert transform (that is, the first to third processes of the Hilbert transform unit 641).
デジタルフィルタ642は、アプリケーションに応じてノイズを更に減衰させるためのデジタルフィルタである。ここでの「ノイズ」とは、BPF63では除去し切れていないレベルのノイズ、及びヒルベルト変換によって重畳されるノイズ等を意味する。
The
図7は、デジタルフィルタ642の概略構成を示すブロック図である。図7に示されるように、デジタルフィルタ642は、入力信号(上述したヒルベルト変換部641により得られたデジタル信号)の直流に近い成分のみを通すローパスフィルタ(LPF)により構成される。本実施形態では一例として、デジタルフィルタ642は、FIRフィルタ21とデシメータ22とを含む1段目のフィルタ回路と、FIRフィルタ23とデシメータ24とを含む2段目のフィルタ回路とにより、多段フィルタとして構成されている。ただし、デジタルフィルタ642は、3段以上の多段フィルタとして構成されてもよい。また、本実施形態では、荷重測定部6が備えるCPUパワーでまかなえるタップ数に抑えるために多段構成を採用しているが、CPUパワーが十分である場合には1段構成としてもよい。
FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of the
FIRフィルタ21,23は、直流に近い成分だけを通すローパスフィルタ(LPF)として構成されている。当該ローパスフィルタ(FIRフィルタ21,23)は、図7に示すように有限インパルス応答フィルタ(FIRフィルタ)として実装されてもよいし、無限インパルス応答フィルタ(IIRフィルタ)として実装されてもよい。 The FIR filters 21 and 23 are configured as low pass filters (LPF) that allow only components close to direct current to pass. The low pass filters (FIR filters 21 and 23) may be implemented as a finite impulse response filter (FIR filter) as shown in FIG. 7 or as an infinite impulse response filter (IIR filter).
デシメータ22,24は、データの間引き処理であるデシメーション(ダウンサンプリング)を実行する回路である。本実施形態では、デシメータ22は、M個置きにデータを間引くように構成されており、デシメータ24は、N個置きにデータを間引くように構成されている。ここで、M及びNは予め定められた整数である。
The
図8は、デジタルフィルタ642により得られる周波数波形の一例を示す図である。図8に示されるように、デジタルフィルタ642の処理により、ヒルベルト変換部641により得られた周波数波形(図6参照)よりもノイズが更に低減された周波数波形が得られる。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a frequency waveform obtained by the
荷重特定部65は、上記のようにデジタル処理部64により特定された振動周波数に基づいて、荷重受け部16が受けている荷重Fの大きさを特定する。具体的には、荷重特定部65は、特定された振動周波数を荷重Fの大きさに換算する。例えば、音叉センサ100の1次モードの固有周波数と荷重Fの大きさとの関係を規定する関数等が予め用意されている。この場合、荷重特定部65は、当該関数を用いることにより、特定された振動周波数を荷重Fの大きさを表す重量値に変換することができる。
The
以上説明した音叉センサ100は、圧電素子4bから取得した振動波形(アナログ信号である電圧波形)を一定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に基づいて、サンプリング周期T毎に音叉振動子1の振動周波数を取得する。また、サンプリング周期T毎に得られた各振動周波数から各サンプリング時点における荷重Fの大きさが特定される。このように、この音叉センサ100によれば、サンプリング周期T毎に荷重測定結果を得ることができるため、荷重測定レートを一定にすることができる。
The
また、ヒルベルト変換部641(デジタル処理部64)は、デジタル信号(ここではBPF63を通過した後のデジタル信号(図5参照))と同一位相の第1デジタル信号D1を取得するとともに、当該デジタル信号をヒルベルト変換することにより当該デジタル信号に対して90°位相の異なる第2デジタル信号D2を取得し、第1デジタル信号D1と第2デジタル信号D2との比率に基づいて位相角θを算出し、サンプリング周期T毎に、連続する2つのサンプリング時点t,t−1のそれぞれにおいて算出された位相角θ,θ−1に基づいて、振動周波数ftを算出する。このように、ヒルベルト変換を利用することにより、荷重測定レートを一定にする構成を容易に実現できる。 In addition, the Hilbert converter 641 (digital processor 64) acquires the first digital signal D1 having the same phase as the digital signal (here, the digital signal after passing through the BPF 63 (see FIG. 5)), and the digital signal The second digital signal D2 having a phase difference of 90 ° with respect to the digital signal is obtained by Hilbert transform, and the phase angle θ is calculated based on the ratio between the first digital signal D1 and the second digital signal D2, The vibration frequency f t is calculated based on the phase angles θ and θ −1 calculated at each of two successive sampling time points t and t −1 for each sampling period T. Thus, by utilizing the Hilbert transform, a configuration can be easily realized in which the load measurement rate is made constant.
また、音叉センサ100は、AD変換器62により変換されたデジタル信号(図4参照)を入力し、デジタル信号の予め定められた帯域外の周波数成分を減衰させるBPF63を備えている。そして、デジタル処理部64は、BPF63を通過した後のデジタル信号(図5参照)に基づいて、音叉振動子1の振動周波数を特定する。この場合、バンドパスフィルタによって、デジタル信号(図4参照)に含まれているノイズを低減できる。その結果、ノイズが低減されたデジタル信号(図5参照)に基づいて、振動周波数の測定精度(すなわち、振動周波数に基づく荷重測定の精度)を向上させることができる。
The
また、上記の「予め定められた帯域」は、荷重測定に用いる振動モードとして予め定められた振動モード(ここでは1次モード)の固有周波数と、予め定められた測定可能荷重に応じた周波数の変化量と、に基づいて設定された帯域(ここでは図3に示した領域R)である。この場合、荷重測定に必要な周波数帯域(すなわち領域R)以外の帯域の周波数成分を適切に減衰させることができ、デジタル信号(図4参照)に含まれているノイズを効果的に低減できる。 The above-mentioned "predetermined band" is the natural frequency of the vibration mode (first mode in this case) predetermined as the vibration mode used for load measurement and the frequency corresponding to the predetermined measurable load. It is a zone (here, the region R shown in FIG. 3) set based on the amount of change. In this case, frequency components in bands other than the frequency band (that is, region R) necessary for load measurement can be appropriately attenuated, and noise included in the digital signal (see FIG. 4) can be effectively reduced.
また、本実施形態に係る振動式荷重センサは、音叉式の振動子(音叉振動子1)を振動子として備えた音叉センサ100である。このように、音叉式の振動子を用いる構成により、上述した振動式荷重センサを具体的に実現することができる。
The vibration type load sensor according to the present embodiment is the
図9は、音叉センサ100の本体に対して振動が加えられており、かつ荷重受け部16に対して荷重Fが加えられていない場合(すなわち、F=0の場合)の重量測定結果を示している。グラフ(A)は、本実施形態に係る測定手法(荷重測定部6)のうち上述したヒルベルト変換部641による処理を従来のレシプロカル方式の処理に置き換えた場合の重量測定結果を示している。グラフ(B)は、本実施形態に係る測定手法(荷重測定部6)を用いた場合の重量測定結果を示している。
FIG. 9 shows the result of weight measurement when vibration is applied to the main body of the
レシプロカル方式は、まず周期を測定し、測定された周期の逆数を計算することにより、周波数を算出する。すなわち、振動周波数を得るために、少なくとも入力信号1周期分の時間の振動波形が必要となる。つまり、レシプロカル方式では、圧電素子4bにより検出された振動波形(入力信号)から振動周波数を特定して荷重測定を行うためには、少なくとも入力信号1周期分の時間が必要となる。このため、例えば現時点から遡って入力信号1周期分の時間以内に、荷重測定の精度に影響を与えるノイズが含まれている場合、当該ノイズの影響を受けることになる。つまり、レシプロカル方式では、上記ノイズがなくなった時点を基準として入力信号1周期分の時間が経過するまで、得られる荷重測定結果にノイズの影響が残り続けてしまう。一方、本実施形態では、レシプロカル方式のように周波数を特定するために周期を最初に特定する必要がないため、上記ノイズがなくなった後、入力信号1周期分よりも短い時間(具体的には、上述したサンプリング周期T)で、ノイズの影響のない荷重測定結果を得ることが可能となる。
In the reciprocal method, the frequency is calculated by first measuring the period and calculating the reciprocal of the measured period. That is, in order to obtain the vibration frequency, a vibration waveform for at least one cycle of the input signal is required. That is, in the reciprocal method, at least one cycle of the input signal is required to perform load measurement by specifying the vibration frequency from the vibration waveform (input signal) detected by the
このため、グラフ(A)に示されるように、レシプロカル方式を用いた場合には、音叉センサ100の本体に対して加えられた振動に起因するノイズの影響を受け易く、重量測定結果に比較的大きい誤差(重量値0からの差)が生じている。一方、グラフ(B)に示されるように、本実施形態に係る測定手法(すなわち、レシプロカル方式の代わりに上述したヒルベルト変換部641による処理を実行する手法)では、レシプロカル方式を用いた場合よりもノイズの影響が低減され、重量値(0g)の測定精度が向上している。また、このように本実施形態に係る測定手法は、従来のレシプロカル方式を用いる場合と比較してノイズ耐性に優れているため、荷重が動的に変化する場合(例えば、粉末状の物質を下方に落下させるために振動しているフィーダの重量を測定する場合等)のように、上記ノイズが生じ易い状況において、従来のレシプロカル方式と比較して特に有利である。
Therefore, as shown in the graph (A), when the reciprocal method is used, it is easily affected by the noise caused by the vibration applied to the main body of the
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、荷重測定部6におけるアナログLPF61、BPF63、及びデジタルフィルタ642は、荷重測定において求められる測定精度に応じて、適宜省略されてもよい。また、本実施形態では、振動式荷重センサの一形態として音叉センサ100を説明したが、本実施形態の構成(特に荷重測定部6)は、音叉式以外の振動式(例えば、弦振動式、水晶式等)の荷重センサにも適用可能である。
The preferred embodiments of the present invention have been described above in detail, but the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the
また、図10に示されるように、上記のヒルベルト変換部641は、適応ノッチフィルタ(アダプティブノッチフィルタ)66に置き換えられてもよい。すなわち、デジタル処理部64は、BPF63を通過したデジタル信号(図5参照)に対して適応ノッチフィルタ66によるフィルタ処理を実行することにより、音叉振動子1の振動周波数を特定してもよい。適応ノッチフィルタ66は、ノッチ周波数が入力信号のピーク周波数に合うように適応するデジタル回路である。このように、ヒルベルト変換部641の代わりに適応ノッチフィルタ66によるフィルタ処理を実行することによっても、荷重測定レートを一定にする構成を容易に実現できる。
Further, as shown in FIG. 10, the
適応ノッチフィルタ66の回路構成としては、公知の適応ノッチフィルタの回路構成を用いることができる。例えば、図10に示されるように、適応ノッチフィルタ66は、適応アルゴリズムを実行する適応アルゴリズム実行部Aを備えている。適応アルゴリズムは、ノッチ周波数を入力信号x(n)(すなわち、BPF63により出力されたデジタル信号)のピーク周波数に合うように適応させるためのアルゴリズムである。適応アルゴリズム実行部Aは、このような適応アルゴリズムを実行するデジタル回路である。ここで、「n」はサンプリング時点を示す。適応アルゴリズム実行部Aは、入力信号x(n)と入力信号x(n)に対して適応アルゴリズムを実行した結果との誤差e(n)を出力する。そして、適応アルゴリズム実行部Aは、当該誤差e(n)に基づいて適応アルゴリズムを更新することにより、ノッチ周波数が入力信号のピーク周波数に合うように適応する。
As a circuit configuration of the
図11は、適応ノッチフィルタ66の回路構成の一例を示す図である。また、下記式(1)〜(3)は、当該回路構成における適応アルゴリズムの一例である。下記式(3)は、a(n)の初期値を計算する際に用いられる計算式である。下記式(1)〜(3)において、a(n)はサンプリング時点毎に更新されるゲイン係数である。u(n)は入力信号x(n)と適応アルゴリズムから出力される信号の和である。rはノッチのQ値(ノッチの鋭さ、急峻さ)である。μはステップサイズである。μ0は初期ステップサイズである。λは忘却係数である。f(n)はノッチ周波数である。fsはサンプリング周波数である。
1…音叉振動子、4b…圧電素子(検出部)、6…荷重測定部、16…荷重受け部、62…AD変換器(AD変換部)、63…BPF(バンドパスフィルタ)、64…デジタル処理部、65…荷重特定部、66…適応ノッチフィルタ、100…音叉センサ(振動式荷重センサ)、641…ヒルベルト変換部、642…デジタルフィルタ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記荷重受け部が受けている荷重の大きさに応じて振動周波数を変化させる振動子と、
前記振動子の振動波形を検出する検出部と、
一定のサンプリング周波数で前記振動波形をデジタル信号に変換するAD変換部と、
前記デジタル信号に基づいて、前記サンプリング周波数に対応するサンプリング周期毎に前記振動子の振動周波数を特定するデジタル処理部と、
特定された前記振動周波数に基づいて、前記荷重受け部が受けている荷重の大きさを特定する荷重特定部と、
を備える、振動式荷重センサ。 A load receiving portion that receives a load,
A vibrator for changing the vibration frequency according to the size of the load received by the load receiving portion;
A detection unit that detects a vibration waveform of the vibrator;
An AD converter for converting the vibration waveform into a digital signal at a constant sampling frequency;
A digital processing unit that specifies the vibration frequency of the vibrator at each sampling cycle corresponding to the sampling frequency based on the digital signal;
A load identification unit that identifies the magnitude of the load received by the load receiving unit based on the identified vibration frequency;
, Vibrational load sensor.
前記デジタル信号と同一位相の第1デジタル信号を取得するとともに、前記デジタル信号をヒルベルト変換することにより前記デジタル信号に対して90°位相の異なる第2デジタル信号を取得し、
前記第1デジタル信号と前記第2デジタル信号との比率に基づいて位相角を算出し、
前記サンプリング周期毎に、連続する2つのサンプリング時点のそれぞれにおいて算出された前記位相角に基づいて、前記振動周波数を算出する、
請求項1に記載の振動式荷重センサ。 The digital processing unit
Acquiring a first digital signal in phase with the digital signal, and Hilbert-transforming the digital signal to acquire a second digital signal that is 90 ° out of phase with the digital signal;
Calculating a phase angle based on a ratio between the first digital signal and the second digital signal;
The vibration frequency is calculated based on the phase angle calculated at each of two consecutive sampling points in each sampling period.
The vibration type load sensor according to claim 1.
請求項1に記載の振動式荷重センサ。 The digital processing unit specifies the vibration frequency by performing filtering processing using an adaptive notch filter on the digital signal.
The vibration type load sensor according to claim 1.
前記デジタル処理部は、前記バンドパスフィルタを通過した後の前記デジタル信号に基づいて、前記振動周波数を特定する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の振動式荷重センサ。 The digital signal converted by the A / D conversion unit is input, and it further comprises a band pass filter for attenuating frequency components outside the predetermined band of the digital signal
The digital processing unit specifies the vibration frequency based on the digital signal after passing through the band pass filter.
The vibration type load sensor as described in any one of Claims 1-3.
請求項4に記載の振動式荷重センサ。 The predetermined band is a band set based on the natural frequency of the vibration mode predetermined as the vibration mode used for load measurement and the change amount of the frequency according to the predetermined measurable load. is there,
The vibration type load sensor according to claim 4.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動式荷重センサ。 The vibrator is a tuning fork vibrator.
The vibration type load sensor as described in any one of Claims 1-5.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017170315A JP2019045378A (en) | 2017-09-05 | 2017-09-05 | Oscillation type load sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017170315A JP2019045378A (en) | 2017-09-05 | 2017-09-05 | Oscillation type load sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019045378A true JP2019045378A (en) | 2019-03-22 |
Family
ID=65814161
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017170315A Pending JP2019045378A (en) | 2017-09-05 | 2017-09-05 | Oscillation type load sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2019045378A (en) |
-
2017
- 2017-09-05 JP JP2017170315A patent/JP2019045378A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2155325C2 (en) | Method and gear to measure mass flow rate of material in coriolis mass flowmeter | |
RU2182696C2 (en) | Method and device for measuring pressure in coriolis mass flowmeter | |
JP7186678B2 (en) | How to generate a drive signal for a vibrating sensor | |
US20040085096A1 (en) | Efficient digital method of and system for determining the instantaneous phase and amplitude of a vibratory accelerometer and other sensors | |
CN105424140B (en) | Vibrating sensor | |
JP2003337062A (en) | Noise eliminator for gravimetry and noise elimination method for gravimetry | |
KR970060683A (en) | Adaptive digital filter for improved measurement accuracy in electronic instruments | |
US10429405B2 (en) | Vibrating beam accelerometer | |
WO2012032574A1 (en) | Digital filter for digital scale, digital scale equipped with same, and filter processing method | |
JP2011022020A (en) | Coriolis flowmeter | |
US11788875B2 (en) | Measurement pickup for determining the mass flow rate of a liquid | |
US10080084B2 (en) | Digital correcting network for microelectromechanical systems microphone | |
JP3200827B2 (en) | Coriolis mass flowmeter | |
JP2019045378A (en) | Oscillation type load sensor | |
KR101785714B1 (en) | Peak frequency detection device, method, and program | |
JP2019117999A (en) | Noise removal filter device and noise removal method | |
JP4488496B2 (en) | Signal processing method and signal processing apparatus | |
JP4729553B2 (en) | Signal processing method and signal processing apparatus | |
Takao et al. | An Improved Method for Instantaneous Frequency Estimation Using a Finite Order Hilbert Transformer | |
JP2008170412A (en) | Signal processing method and signal processor | |
JP2005214932A5 (en) | ||
JP2005214932A (en) | Signal processor, and voltage measuring instrument and current measuring instrument using signal processor | |
JP5155733B2 (en) | Signal processing method and signal processing apparatus | |
EP4067825A1 (en) | Sensor configured to provide an output signal, electronic apparatus comprising the sensor and method for personalizing the output data rate from the sensor | |
JP2019086486A (en) | Processing apparatus, processing system, physical quantity measuring device, and measuring method |