JP4084015B2 - Stress measuring device using piezoelectric element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いた応力計測装置に関する。例えば、橋梁等構造物の歪計測に適用されるものである。
【0002】
【従来の技術】
橋梁等構造物で発生する応力の計測は、図10に示すように歪みゲージ1を貼り付けて計測する方法が用いられている。
即ち、対象箇所に歪みゲージ1を貼り付け、歪みゲージ1と同じ抵抗値の3個の固定抵抗2,3,4と組合せてホイートストンブリッジ回路を構成する方法である。
【0003】
このホイートストンブリッジ回路に電源部5から電流を流し、歪みによる抵抗変化を増幅器6で増幅して歪み(応力)に比例した電圧信号を得る。
また、頻度を計算する頻度計数部7を接続する場合もある。
更に、ホイートストンブリッジ回路としては、歪みゲージ2枚と固定抵抗2個、全て歪みゲージ等の場合もある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図10に示す上記従来装置では、歪みゲージ1に常に安定した電流を流すため、長期間の計測をする場合は、商用電源を設けるか、太陽電池を設置するか、大容量のバッテリーを用いて、数日おきに交換する方法等を採用することが必要となる。
【0005】
しかし、電源の無い山間部などでは、電源を設置する多大な準備や人が数日おきに現地に出向く必要があるなどの課題がある。
本発明は、従来技術の長期間応力計測での課題となる消費電流の削減方法として、歪み速度に比例した電圧を出力する圧電素子をセンサとして使用することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項1に係る応力計測装置は、歪速度に比例した電圧を出力する圧電素子と、前記圧電素子から出力される電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路で増幅された電圧を積分して歪み信号に変換する積分回路と、前記積分回路により変換された前記歪み信号の頻度を計数する頻度計数部とを備えた応力計測装置において、前記積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせ、更に、前記頻度計測部は、前記積分回路により変換された前記歪み信号を複数の設定値と各々対比するコンパレータと、前記コンパレータでの対比により前記歪み信号が前記複数の設定値を超えたレベル数を表示する複数のカウンターとから構成されることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の応力計測装置の具体的な基本構成を図1に示す。
図1に示すように、この応力計測装置は、圧電素子8、結線9、処理回路部10から構成され、必要に応じて頻度計数表示部11を設置する。
圧電素子8は、その組成から歪速度に比例した電圧を出力する特性を有していることが知られているが、その特徴を確認するために実験を行った結果を図2に示す。
【0010】
図2は圧電素子8を貼り付けた鋼板に対して、ある周波数での歪みが発生する様に行った試験の結果を示したものであり、横軸が歪速度、縦軸が出力電圧になっている。
設定周波数は0.1〜20Hzを選定して行った。
その結果、図2に示す様に圧電素子8の出力電圧は、歪速度に比例した電圧が出力されることを確認した。
歪みを計測するためには、圧電素子8から出力される歪速度に比例した電圧を積分する必要がある。
【0011】
そこで、本発明では、図1に示す処理回路部10の内部に積分回路を設けている。
積分回路の特性は、一例としては図3に示す様なものが考えられる。
図3に示す積分回路を圧電素子8の出力電圧の後ろに設置した結果の出力電圧と歪みの関係を図4に示す。
図4に示す通り、積分回路を設けることで、歪みに比例した電圧が出力されることが確認された。
【0012】
この積分回路の特徴としては、図5に示すように、低周波数では、ゲインが下がるようにハイパスフィルタを入れた工夫をしている。
この理由は、長期間使用する場合は、外気温が変化することから圧電素子8からの出力電圧のDC分が変化し、計測精度の劣化を防ぐためである。
例えば、その一例を図6に示すように、ハイパスフィルタがない場合は出力電圧がある方向にドリフトしてしまう不具合が発生するが、ハイパスフィルタを設ければそのような不都合を防止できる。
【0013】
本発明に係る処理回路部10、頻度計数表示部11の具体的な回路図を図7に示す。
図7に示すように、処理回路部10は、固定抵抗13〜17、コンデンサ18〜19、初段増幅器21及び積分回路22とから構成されている。
また、頻度計数表示部11は、一例としては、コンパレータ20と7桁カウンターとから構成されている。
コンパレータ20は、7レベルの設定値をRf1〜Rf7に設定し、これを超えたレベル数をカウンターで表示する。
従って、各カウンターで表示された数値が高い程、歪みが頻繁に発生したことが確認でき、構造物の信頼性を判断する指標となる。
【0014】
実測例として、本応力計測装置を用いて実際に橋梁の応力計測を行った結果を図8に、歪みゲージを用いて検出した歪みを図9に示す。
図8は橋梁の歪みと圧電素子8の電圧信号を処理回路に通したときの出力電圧を示している。
図8、図9に示すように、本発明に係る応力計測装置は、歪みゲージを用いた場合に比較し、精度良く歪みを検出していることが確認できた。
【0015】
このように説明したように本実施例に係る応力計測装置によれば、歪みが加わると電圧を発生する圧電素子8を用いるため、センサに電流を供給する必要がなく、また、増幅回路も簡単な回路構成で可能となる。
従って、本実施例では、従来技術に比較し、消費電流低減、装置の小型化及び長期間の観測でも商用電源が不要となる。
また、処理回路部中にハイパスフィルタを設けることにより、温度変化により発生するドリフトを防ぐことができる。
【0016】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の請求項1に係る応力計測装置は、歪速度に比例した電圧を出力する圧電素子と、前記圧電素子から出力される電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路で増幅された電圧を積分して歪み信号に変換する積分回路と、前記積分回路により変換された前記歪み信号の頻度を計数する頻度計数部とを備えた応力計測装置において、前記積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせ、更に、前記頻度計測部は、前記積分回路により変換された前記歪み信号を複数の設定値と各々対比するコンパレータと、前記コンパレータでの対比により前記歪み信号が前記複数の設定値を超えたレベル数を表示する複数のカウンターとから構成されるため、電流を供給する必要がなく、また、増幅回路も簡単な回路構成で可能となり、従って、従来技術に比較し、消費電流低減、装置の小型化及び長期間の観測でも商用電源が不要となる。また、歪み信号に変換する積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせたため、温度変化により発生するドリフトを防ぐことができる。また、積分回路により変換された歪み信号の頻度を計数する頻度計数部を付加したため、歪みが頻繁に発生したことが確認でき、構造物の信頼性を判断する指標となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体的な装置構成である応力計測装置の概念図である。
【図2】歪み速度と圧電フィルム出力電圧の関係を示したグラフである。
【図3】積分回路の特性を示したグラフである。
【図4】積分回路出力電圧と歪みの関係を示したグラフである。
【図5】伝達特性を示したグラフである。
【図6】積分回路出力電圧波形を示したグラフである。
【図7】応力計測装置回路を示す具体的な回路図である。
【図8】応力計測装置による実測値を示したグラフである。
【図9】歪みゲージによる実測値を示したグラフである。
【図10】従来技術に係る応力計測装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 歪みゲージ
2〜4 固定抵抗
5 電源部
6 増幅部
7 頻度計数部
8 圧電素子
9 結線
10 処理回路部
11 頻度計数部
12 圧電素子
13〜17 固定抵抗
18〜19 コンデンサ
20 コンパレータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stress measurement device using a piezoelectric element. For example, it is applied to strain measurement of structures such as bridges.
[0002]
[Prior art]
For the measurement of stress generated in a structure such as a bridge, a method of measuring by attaching a
That is, the
[0003]
A current is supplied from the
In some cases, a
Further, as a Wheatstone bridge circuit, there are cases where two strain gauges and two fixed resistors, all of which are strain gauges or the like.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional apparatus shown in FIG. 10, since a stable current is always supplied to the
[0005]
However, in mountainous areas where there is no power supply, there are problems such as a great deal of preparation for installing the power supply and the need to visit people every few days.
An object of the present invention is to use, as a sensor, a piezoelectric element that outputs a voltage proportional to a strain rate as a method for reducing current consumption, which is a problem in long-term stress measurement of the prior art.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Stress measuring apparatus according to
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A specific basic configuration of the stress measuring apparatus of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, this stress measuring device is composed of a
The
[0010]
FIG. 2 shows the results of a test conducted on a steel plate with the
The set frequency was selected from 0.1 to 20 Hz.
As a result, as shown in FIG. 2, it was confirmed that the output voltage of the
In order to measure the strain, it is necessary to integrate a voltage proportional to the strain rate output from the
[0011]
Therefore, in the present invention, an integrating circuit is provided inside the
As an example of the characteristics of the integrating circuit, the characteristics shown in FIG. 3 can be considered.
FIG. 4 shows the relationship between the output voltage and distortion as a result of installing the integrating circuit shown in FIG. 3 behind the output voltage of the
As shown in FIG. 4, it was confirmed that the voltage proportional to the distortion was output by providing the integration circuit.
[0012]
As a feature of the integration circuit, as shown in FIG. 5, a high-pass filter is devised so that the gain decreases at a low frequency.
The reason for this is that when used for a long period of time, the DC temperature of the output voltage from the
For example, as shown in FIG. 6, there is a problem that the output voltage drifts in a certain direction when there is no high-pass filter, but such inconvenience can be prevented by providing a high-pass filter.
[0013]
A specific circuit diagram of the
As shown in FIG. 7, the
In addition, the frequency count display unit 11 includes, for example, a
The
Therefore, the higher the numerical value displayed on each counter, the more frequently the distortion can be confirmed, which serves as an index for judging the reliability of the structure.
[0014]
As an actual measurement example, FIG. 8 shows the result of actually measuring the stress of the bridge using this stress measuring apparatus, and FIG. 9 shows the strain detected using the strain gauge.
FIG. 8 shows the output voltage when the distortion of the bridge and the voltage signal of the
As shown in FIGS. 8 and 9, it was confirmed that the stress measuring device according to the present invention detected the strain with higher accuracy than when the strain gauge was used.
[0015]
As described above, according to the stress measuring apparatus according to the present embodiment, since the
Therefore, in this embodiment, compared with the prior art, a commercial power source is not required even for current consumption reduction, device miniaturization, and long-term observation.
Further, by providing a high-pass filter in the processing circuit unit, it is possible to prevent drift caused by temperature changes.
[0016]
【The invention's effect】
As described above in detail, the stress measuring device according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a stress measuring device which is a specific device configuration of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between strain rate and piezoelectric film output voltage.
FIG. 3 is a graph showing characteristics of an integration circuit.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between an integration circuit output voltage and distortion.
FIG. 5 is a graph showing transfer characteristics.
FIG. 6 is a graph showing an integration circuit output voltage waveform;
FIG. 7 is a specific circuit diagram showing a stress measuring device circuit.
FIG. 8 is a graph showing actual measurement values obtained by a stress measurement apparatus.
FIG. 9 is a graph showing measured values using a strain gauge.
FIG. 10 is a block diagram showing a stress measuring device according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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