JP4643350B2

JP4643350B2 - 歪みセンサ信号処理装置

Info

Publication number: JP4643350B2
Application number: JP2005126307A
Authority: JP
Inventors: 素直論手
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006300868A

Description

本発明は、歪みセンサの出力信号に定常的に含まれる雑音成分を、目的信号を遅延させることなく除去するための技術に関する。

例えば、物品重量をロードセル等の歪みセンサにより測定する装置では、その設置環境に依存した種々の不要外力が負荷され、歪みセンサの出力信号には、測定対象の物品の荷重に対応してステップ状に変化する所望信号成分の他に多くの雑音成分が含まれている。

この雑音成分を除去する方法として、一般的には、ＬＰＦを用い、所望信号成分、即ち物品荷重による応答分のみを通過させ、それより高い周波数帯域の雑音成分を減衰する方法が用いられている。

この方法は、所望信号成分の周波数帯域から大きく離間した雑音成分（高周波成分）に対しては有効である。

しかし、例えば、建物の床振動等のように数Ｈｚ〜数１０Ｈｚと低い周波数の雑音成分を、上記フィルタにより減衰させるためには、遮断周波数が極めて低いＬＰＦを用いる必要があり、このように遮断周波数が低いＬＰＦでは、ステップ状の信号を入力した場合、その出力が定常状態となるまでに非常に長い時間がかかってしまい、測定効率が著しく低下する。

また、本願出願人は、荷重および雑音に対するセンサの動的数理モデルを求め、この数理モデルに基づいてセンサに負荷された荷重を早期に推定する技術を提案している（特許文献１）が、その数理モデルは、雑音成分が白色性の場合について求めたものであり、上記のような床振動等による低周波の定常的な振動成分が含まれる場合に適用できなかった。

特開２００４−１７０２８９号公報

本発明は、上記問題を解決して、歪みセンサの出力信号に定常的に含まれる低周波の雑音成分を、遅延なく除去して目的信号を出力できる歪みセンサ信号処理装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の歪みセンサ信号処理装置は、
歪みセンサの出力信号を源信号として受け、該源信号から連続性を有し且つ周期性を有する定常信号成分を抽出する定常信号抽出部（２２）と、
前記定常信号抽出部によって抽出された信号の周期を検出する周期検出手段（２７）と、
前記周期検出手段によって検出された信号周期と、前記定常信号抽出部の抽出処理のための遅延時間とに基づいて、前記定常信号成分の位相を、該定常信号成分の前記源信号内における位相に対して同相または逆相となるように調整する位相合せ手段（２８）と、
前記位相合せ手段により位相調整された定常信号成分を前記源信号に対して減算または加算して、前記源信号から前記定常信号成分を除去する演算部（３０）とを備えた歪みセンサ信号処理装置において、
前記定常信号抽出部は、
それぞれ異なる周波数帯域を有し、前記源信号から前記各周波数帯域の信号成分をそれぞれ選択的に出力する複数のフィルタ（２３ _１〜２３ _Ｍ）と、
前記複数のフィルタの各出力信号のレベルが基準値以上か否かをそれぞれ判定するレベル判定手段（２４）と、
前記レベル判定手段によりレベルが前記基準値以上と判定された信号が連続性を有しているか否かを判定する連続性判定手段（２５）と、
前記連続性判定手段で連続性を有していると判定された信号を前記定常信号成分として選択的に出力する信号選択手段（２６）とを有していることを特徴とする。

また、本発明の請求項２の歪みセンサ信号処理装置は、請求項１記載の歪みセンサ信号処理装置において、
前記周期検出手段は、
前記定常信号抽出部によって抽出された定常信号成分の波形データを一定時間分記憶し、該波形データ同士を微小時間ずつずらしながら相関値を求め、その相関値が最大となってから次に最大となるまでずらした時間を、当該定常信号成分の繰り返しの周期として検出することを特徴とする。

このように、本発明の歪みセンサ信号処理装置は、歪みセンサの出力信号から連続性を有し且つ周期性を有する定常信号成分を抽出するとともに、その信号の周期を検出し、検出した周期と、定常信号抽出処理のための遅延時間とに基づいて、定常信号成分の位相を、その定常信号成分の源信号内における位相に対して同相または逆相となるように調整し、その位相調整された定常信号成分を源信号に対して減算または加算して、源信号から定常信号成分を除去している。

このため、源信号に対する遅延を発生させることなく、床振動等により低周波の定常的な雑音成分を除去することができ、定常信号が除去された信号から歪みセンサに負荷された所望荷重を速やかに且つ正確に求めることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した歪みセンサ信号処理装置２０の構成を示している。

図１に示した、歪みセンサ１は、例えばコンベア型計量器の重量検出用のロードセルであり、コンベア上に搬入された物品の荷重に対応してステップ状に変化する信号を出力するが、その出力信号ｓ（ｔ）には、例えば床から伝達される低周波の雑音成分が含まれているものとする。

歪みセンサ信号処理装置２０は、歪みセンサ１の出力信号ｓ（ｔ）を源信号として受け、Ａ／Ｄ変換器２１によって歪みセンサ１の出力周波数帯域より十分高い周波数でサンプリングし、デジタルの源信号Ｓ（ｋ）に順次変換する。

源信号Ｓ（ｋ）は定常信号抽出部２２および後述する演算部３０に入力される。
定常信号抽出部２２は、複数Ｍのフィルタ２３_１〜２３_Ｍ、レベル判定手段２４、連続性判定手段２５および信号選択手段２６を有している。

各フィルタ２３_１〜２３_Ｍは、それぞれ異なる周波数帯域を有し、源信号Ｓ（ｋ）から各周波数帯域の信号成分を選択的に出力する。

ここで、各フィルタ２３_１〜２３_ＭはＢＰＦであり、その通過帯域は、図２に示すように、センサ１の出力周波数帯域のうち、床振動等の雑音成分が存在する数Ｈｚ〜数１０Ｈｚを含む低周波領域ＢをＭ分割するように設定されている。

これらのフィルタ２３_１〜２３_Ｍは、所定タップ数のデジタルフィルタで構成されており、フィルタ通過信号Ａ_１〜Ａ_Ｍに対する入出力間の遅延時間は、各フィルタで同一となるように設計されている。なお、最も低周波のフィルタ２３_１をＬＰＦにしてもよい。

レベル判定手段２４は、各フィルタ２３_１〜２３_Ｍの出力信号Ａ_１〜Ａ_Ｍのレベル（例えば信号のピーク値）が基準値Ｒ以上か否かをそれぞれ判定する。

このレベル判定は、例えば信号Ａ_１について言えば、図３の（ａ）に示すように信号Ａ_１の瞬時値と基準値Ｒとを比較し、その信号の瞬時値が基準値Ｒ以上であれば図３の（ｂ）のようにデータ１を出力、信号Ａ_１の瞬時値が基準値Ｒより小さいときには、データ０を出力する。この基準値Ｒは、歪みセンサ１によって計測する重量の許容誤差に応じて設定する。

連続性判定手段２５は、各フィルタ２３_１〜２３_Ｍの出力信号Ａ_１〜Ａ_Ｍが、連続性を有しているか否かをそれぞれ判定する。

ここで言う「連続性」とは、基準値Ｒを超えるレベルの信号が継続的に出力されている状態を示しており、その判定処理は、例えばレベル判定手段２４の出力に対するリトリガブルタイマ処理で行うことができる。

例えば、前記同様に信号Ａ_１について説明すれば、図３の（ｂ）のように、レベル判定手段２４の出力データが１から０に変移する毎に、図３の（ｃ）のように一定時間Ｔｒ出力を１に保持するタイマを起動させる。この時間Ｔｒとして、フィルタ２３_１の周波数帯域の下限値（ただしＬＰＦの場合には下限値０に近い例えば１ヘルツ等）に対応した周期に設定しておけば、上記連続性を有する信号が出力されている場合、タイマ処理の出力値は１に保持される。また、連続性がなく一時的に出力される信号については、レベル判定手段２４から１のデータが一時的に出力されても継続性がないため、０のデータが長時間続いてタイマが再起動せず、その出力値は０に変移してしまう。

連続性判定手段２５は、各信号に対して上記タイマ処理の出力値１が十分長い間（例えばＴｒの数倍）保持されていれば連続性有りと判定し、その他の場合を連続性無しと判定する。

また、ここで、各フィルタ２３_１〜２３_ＭはＢＰＦであるので、その通過信号は原理的に周期性を有している。したがって、上記のように連続性有りと判定された場合には、周期性を有し且つ定常的に出力される定常信号と見なすことができる。

信号選択手段２６は、各フィルタ２３_１〜２３_Ｍの出力信号Ａ_１〜Ａ_Ｍのうち、連続性判定手段２５によって連続性有りと判定された信号を選択的に出力する。

一方、周期検出手段２７は、連続性判定手段２５によって連続性有りと判定された信号に対する自己相関処理を行い、その信号波形の繰り返し周期Ｔを求める。

即ち、連続性有りと判定された信号の波形データを一定時間分記憶し、その波形データ同士を微小時間ずつずらしながら相関値を求め、その相関値が最大となってから次に最大となるまでにずらした時間をその信号の繰り返し周期Ｔとして求める。

定常信号抽出部２２の信号選択手段２６から出力された定常信号は、位相合せ手段２８に入力される。

位相合せ手段２８は、入力された定常信号の位相を、その定常信号成分の源信号内における位相に対して同相または逆相となるように調整する。

即ち、この定常信号抽出部２２において検出される定常信号成分は、源信号に対してフィルタ２３の処理遅延時間Ｔｆ分だけ遅延している。したがって、定常信号の周期Ｔがフィルタ遅延時間Ｔｆ以上の場合には、Ｔ−Ｔｆだけ遅延することで、定常信号の位相と、その定常信号成分の源信号内における位相とを同相にすることができる。また、定常信号の周期Ｔがフィルタ遅延時間Ｔｆより短い場合には、（Ｋ＋１）Ｔ−Ｔｆだけ遅延することで、定常信号の位相と、その定常信号成分の源信号内における位相とを同相にすることができる（ただし、整数ＫはＴｆ／Ｔの商）。

また、定常信号を振幅一定の正弦波とし、周期検出手段２７で検出される周期Ｔが正弦波の１周期に等しいとすれば、定常信号の周期Ｔの１／２がフィルタ遅延時間Ｔｆ以上の場合には、Ｔ／２−Ｔｆだけ遅延することで、定常信号の位相を、その定常信号成分の源信号内における位相に対して逆相にすることができる。また、定常信号の周期Ｔの１／２がフィルタ遅延時間Ｔｆより短い場合には、（２Ｐ±１）Ｔ／２−Ｔｆだけ遅延することで、定常信号の位相と、その定常信号成分の源信号内における位相とを逆相にすることができる（ただし、整数ＰはＴｆ／（Ｔ／２）の商で、±記号は、Ｐが奇数のとき正、Ｐが偶数のとき負）。

演算部３０は、位相合せ手段２８により位相調整された定常信号を加算合成する加算器３０ａと、その加算器３０ａの出力を演算器３０ｂにより源信号から減算または源信号に加算して、源信号から定常信号成分を除去する。

ここで、前記したように、位相合せ手段２８が定常信号に対して同相に位相調整する場合、演算器３０ｂは減算処理を行い、位相合せ手段２８が定常信号に対して逆相に位相調整する場合、演算器３０ｂは加算処理を行う。

この実施形態の歪みセンサ信号処理装置２０は上記のように構成されているため、例えば図４の（ａ）のように、床振動等による低周波の振動成分が定常的に重畳されている信号ｓ（ｔ）が歪みセンサ１から出力された場合、その定常信号成分を抽出し、位相調整して源信号から除去しているので、図４の（ｂ）のように定常性の振動成分が除去された信号Ｓ（ｋ）′を遅延なく出力することができる。なお、図４の（ｂ）の振動成分Ｃは、荷重時に過渡的に現れる減衰振動であり、この減衰振動は定常性を有していないため、歪みセンサ信号処理装置２０では除去されない。

図４の（ｂ）の信号Ｓ（ｋ）′には定常性の低周波振動成分がないため、物品荷重時の過渡的な振動が減衰した直後にその重量の計測を正確に行うことができる。

また、この処理された信号Ｓ（ｋ）′に対して前記した特許文献１の技術を適用することで、過渡的な減衰振動の収束を待つことなく正確な荷重を推定することができる。

なお、上記実施形態では、演算部３０において、位相調整された定常信号を加算合成し、その合成信号を源信号から減じていたが、図５に示すように、演算部３０を複数Ｍの減算器３０ｃで構成し、位相調整された定常信号をそれぞれ源信号から順次減算してもよい。

また、この実施形態では、位相合せ手段２８を信号選択手段２６と演算部３０の間に設けていたが、各フィルタ２３と信号選択手段２６の間や、各フィルタ２３の入力部に設けてもよく、これらの複数の位置に分けて設けてもよい。

また、フィルタ通過信号を正弦波と仮定した場合、図６に示すように、定常信号抽出部２２の入力側と、演算部３０の加算器３０ａの出力側に、９０°移相器３３、３４を設けて、各定常信号成分の位相を１８０°移相した状態で源信号Ｓ（ｋ）に加算処理することで各定常信号成分を除去することもできる。これら９０°移相器３３、３４は、例えばヒルベルト変換器で構成され、入力信号に含まれる各信号成分の位相を９０°遅延する作用を有しており、前記した位相合せ手段２８とともに本発明の位相合せ手段の一部を構成する。

本発明の実施形態の構成を示す図実施形態のフィルタの帯域図実施形態の動作説明図実施形態の入力信号と出力信号の波形を示す図実施形態の要部の変形例を示す図位相合せ手段の一部に９０°移相器を使用した例を示す図

符号の説明

１……歪みセンサ、２０……歪みセンサ信号処理装置、２１……Ａ／Ｄ変換器、２２……定常信号抽出部、２３……フィルタ、２４……レベル判定手段、２５……連続性判定手段、２６……信号選択手段、２７……周期検出手段、２８……位相合せ手段、３０……演算部、３３、３４……９０°移相器

Claims

歪みセンサの出力信号を源信号として受け、該源信号から連続性を有し且つ周期性を有する定常信号成分を抽出する定常信号抽出部（２２）と、
前記定常信号抽出部によって抽出された信号の周期を検出する周期検出手段（２７）と、
前記周期検出手段によって検出された信号周期と、前記定常信号抽出部の抽出処理のための遅延時間とに基づいて、前記定常信号成分の位相を、該定常信号成分の前記源信号内における位相に対して同相または逆相となるように調整する位相合せ手段（２８）と、
前記位相合せ手段により位相調整された定常信号成分を前記源信号に対して減算または加算して、前記源信号から前記定常信号成分を除去する演算部（３０）とを備えた歪みセンサ信号処理装置において、
前記定常信号抽出部は、
それぞれ異なる周波数帯域を有し、前記源信号から前記各周波数帯域の信号成分をそれぞれ選択的に出力する複数のフィルタ（２３ _１〜２３ _Ｍ）と、
前記複数のフィルタの各出力信号のレベルが基準値以上か否かをそれぞれ判定するレベル判定手段（２４）と、
前記レベル判定手段によりレベルが前記基準値以上と判定された信号が連続性を有しているか否かを判定する連続性判定手段（２５）と、
前記連続性判定手段で連続性を有していると判定された信号を前記定常信号成分として選択的に出力する信号選択手段（２６）とを有していることを特徴とする歪みセンサ信号処理装置。
前記周期検出手段は、
前記定常信号抽出部によって抽出された定常信号成分の波形データを一定時間分記憶し、該波形データ同士を微小時間ずつずらしながら相関値を求め、その相関値が最大となってから次に最大となるまでずらした時間を、当該定常信号成分の繰り返しの周期として検出することを特徴とする請求項１記載の歪みセンサ信号処理装置。