JP2903286B2 - 振動速度計 - Google Patents

振動速度計

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淳一 平井
元一 高橋
直幹 丹羽
成人 倉田
▲隆▼ 小林
克彦 梅津
雅章 宇治川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は高層ビルや大型構造物
に適用する振動速度計に関し、特に適用する建物の高層
化に対処したものである。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種の振動速度計1は、図6に
示すように、サーボ式加速度計のような加速度センサ2
の検出出力である振動加速度信号a(t)(tは時間)
を加速度センサ2からかなり離れた場所に設置される積
分器ユニット4に入力して積分し、即ち、 v(t)=∫a(t)dt …… (1) 速度信号v(t)を求め、このv(t)を外部に出力し
ている。
【0003】いま、加速度信号a(t),速度信号v
(t)のラプラス変換をそれぞれA(s),V(s)
(sはラプラス変数)とする。即ち、 A(s)=La(t);V(s)=Lv(t) …… (2) (2)式でLはラプラス変換の記号である。(1)式の
両辺をラプラス変換すればよく知られているように、 V(s)=A(s)(1/s) …… (3) となる。(3)式で(1/s)は積分器ユニット4の理
想的な伝達函数G(s)に他ならない。即ち、 G(s)=1/s …… (4) 積分器ユニット4には積分回路6の入力側に、帯域外の
雑音成分を除去すると共に直流分をカットするために帯
域フィルタ5が設けられるが、その通過帯域は振動計測
に必要な帯域(例えば0.1〜20Hz)における積分回路
6の電気的特性に影響を与えないように、1桁程度以上
広く設定され、例えば0.01〜1KHz とされる。従っ
て、積分器ユニット4の積分特性は積分回路5の特性の
みに依存するものとして取り扱うことができる。
【0004】図7に示すように、演算増幅器OAと抵抗
器R0 及び積分コンデンサC0 で構成される積分回路が
よく知られている。この回路の加速度信号入力a(t)
に対する速度信号出力v(t)の関係は、 v(t)=−(1/C0 0 )∫a(t)dt=−K∫a(t)dt …… (5) K=1/C0 0 …… (6) この回路の伝達函数は G0 (s)=−K(1/s) …… (7) で表される。ところで、図7の積分回路は雷サージまた
はEMIなどによる誘導雑音などによりドリフト電圧が
入力されると、積分コンデンサC0 が充電されて測定誤
差となるので好ましくない。
【0005】従来は、加速度センサと積分ユニット間が
分離されているため、雷サージまたはEMIなどによる
誘導雑音の影響を受けやすいが、特別な対策が施されて
いなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】近年高層ビルの高さが
年々延長されると共にその個数も増加の一途をたどり、
高層ビルの地震対策等のために振動計測器の重要性が益
々高くなっている。ところが従来の振動速度計では高さ
が100m以上の高層ビルに適用した場合、測定誤差が
急に大きくなり、測定に支障をきたす欠点があった。ま
たビルの高さが増すほど雷サージの影響が大きく、それ
が原因で故障しやすい欠点もあった。この発明の目的
は、これら従来の欠点を解決して、高さ300mクラス
の高層ビルに適用しても、充分な測定精度と雷サージ耐
力を備え、充分実用に耐える振動速度計を提供しようと
するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】(1)振動加速度センサ
の出力を積分回路で積分して振動速度を求め、その振動
速度に対応した信号を出力する70m以上の高層ビル振
動計測用の振動速度計において、請求項1の発明では、
前記振動加速度センサを内蔵して、1つのシールドケー
ス内に収納し、前記積分回路を、1次の高域フィルタと
1次の低域フィルタとを縦続接続した周波数帯域を0.
1ないし50Hzとする回路で構成する。
【0008】(2)請求項2の発明では、前記(1)項
記載の70m以上の高層ビル振動計測用の振動速度計に
おいて、信号及び電源の装置入出力端に、雷サージより
装置を保護するアレスタをそれぞれ取付けている。
【0009】
【実施例】国内の高さが50〜300m(地上70階程
度)までの多数の高層ビルの1次振動周期(1次固有周
期)T1 (秒)とビルの高さh(m)との関係を調査し
た結果、1次振動周期T1 は T1 ≒0.02h〜0.03h …… (8) で表現できることが判った。
【0010】(8)式より、例えば高さが300mの場
合には、T1 ≒6〜9秒、f1 =0.17〜0.11Hzとな
り、300mクラス程度の高層ビルで地震等の観測に使
用できる振動速度計を提供し、かつ低層ビルや原子力発
電所のような振動周期の短い構造物の高次成分まで精度
良く計測するためには、0.1〜50Hzの帯域で良好な周
波数特性を持つことが望ましい。
【0011】積分回路の理想的な伝達函数は従来の技術
で述べたように、Kを定数とすればK(1/s)である
から、その振幅(利得)周波数特性は、 |G0(jω)|=20log10 K−20log10 2πf=20log10(K/2π) −20log10 f …… (9) 位相特性は θ(ω)=∠(1/jω)=−π/2(rad)=−90° …… (10) となる。従って理想的な積分回路は、1ディケードごと
に(周波数fが10倍増加するごとに)レベルが20dB
低下する振幅特性と、入力に対する出力の位相(シフ
ト)量が−90°となる位相特性を持つ。
【0012】従来の振動速度計を調べてみると、周波数
が0.5Hz以下(ビルの高さに換算して70m程度以上)
になると、位相量の−90°からの偏差が急激に増加し
て30°を超え、それが測定誤差の増加する1つの原因
であることが判った。(経験的には実用限界は位相偏差
が30°程度と考えられている。)このように理想的な
積分特性からの偏差が多い原因は、超低周波側での伝
達函数の近似精度が悪いこと、コンデンサの容量値が
100μFを超え、精度及び電気的、機械的特性の良い
ものが得られないことなどである。
【0013】そこでこの発明では、低層から300mク
ラスの高層ビルに適用できる速度計として、周波数帯域
0.1〜50Hzにおいては、振動特性は−20dB/ディケ
ードの傾斜を持つ直線からの偏差は問題にならない程度
(例えば1dB以下)にすると共に、従来技術の問題であ
る位相特性の−90°からの偏差を30°以内にするこ
とは勿論であるが、速度計を用いた振動制御システムを
構成できるようにするため、10°程度を目標としてい
る。なお、振動制御システムでは振幅特性と同様に位相
特性が重要である。
【0014】最近の研究によれば、ビルの高さが増す程
EMIや雷サージの影響が大きくなり、このことも測定
誤差を増大させる要因の1つであることが判った。特に
雷サージなどにより積分回路6に直流的なドリフト電圧
が入力されると、コンデンサの端子電圧が次第に増加し
測定誤差になる。また積分器ユニットが定常状態に戻る
までに長時間を要するため、測定に支障をきたすことに
なる。
【0015】積分器ユニット4には前段に帯域フィルタ
5を挿入し、直流分をカットしているが、プリント基板
へ回路を実装する場合、帯域フィルタ5と積分回路6の
間の配線にはある程度の長さが必要になるので、その間
でEMIや雷サージによる電圧が誘導される恐れがあ
る。そこで、この発明では積分を開始する直前に高域フ
ィルタで直流分をカットするようにしている。
【0016】図2は実施例に用いた積分回路であり、H
PF(高域フィルタ)は、コンデンサC1 ,抵抗器R1
より成る逆L型回路の入出力端にバッファBa,Bbを
設けた回路で構成される。その伝達函数GH は1次で、
よく知られているように、 GH =T・s/(TH ・s+1) …… (11) TH =C1 1 …… (12) で表される。図2の回路の積分特性は1次のLPF(低
域フィルタ)がになっている。その伝達函数はよく知ら
れているように、 GL =TL L /(TL ・s+1) …… (13) TL =C2 2 …… (14) KL =1/C2 3 …… (15) と表される。
【0017】TH =TL =18.24(秒)としたとき、
1 =C2 =20μFとすれば、R 1 =R2 =912.0
1KΩとなる。もしKL =1とすれば、R3 =1/C2
=50KΩとなる。またKL L =1,即ちKL =1/
L とすれば、(15)式よりC2 3 =TL となるの
で、このTL に(14)式を代入すればR3 =R2 =91
2.01KΩとなる。伝送周波数帯域が超低周波数帯であ
るにもかゝわらず容量値が20μFと比較的小さく、ま
た抵抗値も1MΩ以下であるので、コンデンサ及び抵抗
器共精度がよく、電気的特性及び耐振動、衝撃などの機
械的特性の良好なものが入手可能となる。なお、最終段
のAMP(増幅器)は利得調整用である。
【0018】このようにして構成した積分回路6の前に
帯域フィルタ5を設けた全体の利得及び位相量の各周波
数特性を図3及び図4に示す。これらの図より明らかな
ように、振幅特性(利得周波数特性)は0.03〜100
Hzにおいて−20dB/ディケードの傾斜特性を示し、誤
差は無視できる程度に小さい。また位相量の−90°か
らの偏差は0.1Hzにおいて11°程度で、ほゞ目標値通
りの特性を示している。
【0019】図1の実施例では、積分回路6の電圧出力
と、この出力をV/I変換器7を通して電流に変換した
出力と、電圧出力をV/F変換器8を通して周波数に変
換した出力とのいずれかをスイッチ9で選択できるよう
にしている。また速度出力と共に、加速度センサ2の電
圧出力と、その電圧出力をV/I変換器10を通した出
力と、同じくV/F変換器11を通した出力とのいずれ
かをスイッチ12で選択して出力するようにしている。
この他、装置には自己試験のための回路なども実装され
るが、発明に関係ないので省略する。
【0020】従来の装置では、加速度センサ2とケーブ
ル3及びケーブル3と積分器ユニット4との接続部、ケ
ーブル3自身及び入出力端子や電源端子からEMIや、
雷サージなどによる雑音が侵入し、測定誤差を大きくし
たり、回路を破壊させる恐れがあった。この発明では、
このような高層ビルの雷サージ及びEMI対策として、
加速度センサ2と積分回路ユニット4とを分離し、両者
をケーブル3で接続する従来の方式を止め、図5に示す
ように両者を同一のシールドケース20内に収納すると
共に信号出力端子Ov ,Oa 及び電源端子OP など全て
の端子とフレームグランドとの間にアレスタ13を挿入
して雷サージ電流の侵入を防止し、また信号入出力端子
及び電源端子と接続する信号線及び電源線にEMI対策
用のフィルタ14を挿入している。
【0021】シールドケース20内には、アレスタ1
3,EMIフィルタ14等を実装した耐環境基板21,
積分回路基板22,帯域フィルタ・電源回路基板23及
び加速度センサ(サーボ加速度計)2が収容されてい
る。
【0022】
【発明の効果】この発明では 加速度センサと積分器
ユニット(帯域フィルタ5及び積分回路6を含む)を同
一のシールドケース20に収容した一体型構造を採用し
ている。 信号端子、電源端子など全ての端子にアレ
スタを設けている。
【0023】 積分回路を、その入力側に1次の高域
フィルタ、出力側に1次の低域フィルタを縦続接続し
て、積分回路自身が雷サージやEMIに起因する直流分
や、直流に近い超低周波のドリフトを積分しないように
している。 超低周波側での積分回路の理想的積分特性への近似
精度を向上させると共に積分特性を1次の低域フィルタ
で実現することによって積分コンデンサの定数を従来よ
り小さく設定できるようにして、その精度と特性の良好
なものを選択できる。
【0024】その結果、高さが300mクラス(70階
程度)までの高層ビルに適用しても実用上充分な測定精
度と雷サージ及びEMI耐力を備えた振動速度計を実現
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示すブロック図。
【図2】図1の積分回路6の一例を示す回路図。
【図3】図1の帯域フィルタ5及び積分回路6の縦続回
路の伝達特性を示す図。
【図4】図3の要部を拡大して示した図。
【図5】図1の実施例の実装構造の概要を示す斜視図。
【図6】従来の振動速度計の構成を示すブロック図。
【図7】図6の積分回路6の一例を示す回路図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 元一 東京都港区元赤坂一丁目2番7号 鹿島 建設株式会社内 (72)発明者 丹羽 直幹 東京都港区元赤坂一丁目2番7号 鹿島 建設株式会社 内 (72)発明者 倉田 成人 東京都港区元赤坂一丁目2番7号 鹿島 建設株式会社 内 (72)発明者 小林 ▲隆▼ 東京都渋谷区道玄坂1丁目21番6号 日 本航空電子工業株式会社内 (72)発明者 梅津 克彦 東京都渋谷区道玄坂1丁目21番6号 日 本航空電子工業株式会社内 (72)発明者 宇治川 雅章 東京都渋谷区道玄坂1丁目21番6号 日 本航空電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−63925(JP,A) 特開 昭63−285424(JP,A) 特開 平5−91217(JP,A) 特開 昭63−275917(JP,A) 特開 昭60−143780(JP,A) 特開 平5−312824(JP,A) 実開 平4−50918(JP,U) 実開 平2−114345(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01H 11/00 G01M 19/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 振動加速度センサの出力を積分回路で積
    分して振動速度を求め、その振動速度に対応した信号を
    出力する70m以上の高層ビル振動計測用の振動速度計
    において、 前記振動加速度センサを内蔵して、1つのシールドケー
    ス内に収納され、 前記積分回路が、1次の高域フィルタと1次の低域フィ
    ルタとを縦続接続した周波数帯域を0. 1ないし50H
    zとする回路で構成されていることを特徴とする70m
    以上の高層ビル振動計測用の振動速度計。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の振動速度計において、信
    号及び電源の装置入出力端に、雷サージより装置を保護
    するアレスタがそれぞれ取付けられていることを特徴と
    する70m以上の高層ビル振動計測用の振動速度計
JP4413094A 1994-03-15 1994-03-15 振動速度計 Expired - Lifetime JP2903286B2 (ja)

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