JP5110796B2

JP5110796B2 - キャリブレ−ション機能付きヘルスモニタリングシステム

Info

Publication number: JP5110796B2
Application number: JP2006014120A
Authority: JP
Inventors: 孝坂井
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: JP2007198744A

Description

本発明は、橋脚や建物の常時微振動を計測するヘルスモニタリングシステムに用いて好適な圧電型加速度センサに関する。

近年、橋脚や建物の常時微振動を計測してヘルスモニタリングを行う手法が実用化されてきている。
図３は、従来の地盤の強度劣化を測定するためのヘルスモニタリングシステムの概略構成を示すブロック図である。橋脚１の先端部分には、せん断型の圧電型加速度センサ１０が設置されている。圧電型加速度センサ１０の出力信号がアンプ１１で増幅された後、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)アナライザ１２で出力信号中の周波数成分が抽出され、その結果が固有値解析部１３で解析される。
図４は、圧電型加速度センサ１０の概略構成図である。中央部分に支持部１０１ａを有するベース部１０１と、ベース部１０１の支持部１０１ａ上に固定された圧電素子１０２と、圧電素子１０２の上面に取り付けられた錘１０３と、ベース部１０１上に配置されて圧電素子１０２及び錘１０３を覆うケース１０４とから構成されている。
図５は、圧電型加速度センサ１０により固有振動数を測定した結果の一例を示す波形図である。この場合、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は加速度(ｍ／ｓ^２)である。

ところで、微振動の計測に用いられる加速度センサには、圧電型（特許文献１）やサーボ型（特許文献２）がある。また、感度が低く微振動の計測には向かないが、半導体加速度センサもある（特許文献３、特許文献４参照）。また、加速度センサは衝撃等で過大な加速度が加わると壊れることがあるので、自己診断を可能としたものもある。
特許文献２〜４で開示された半導体加速度センサは、全て自己診断を可能とする手段を有している。すなわち、特許文献２で開示されたサーボ型加速度センサは、サーボ制御系の一部をスイッチによりオフ状態にして、センサのゲージ部の電圧を強制的に変えることでセンサの出力状態を変え、この電圧よりセンサの診断を可能にしている。
特許文献３で開示された半導体加速度センサは、図６の斜視図に示すように、加速度センサ２０をベースプレート２１上に配置するとともに圧電振動子２２を加速度センサ２０に近接配置し、圧電振動子２２に不図示の発振回路の出力信号（交流電圧）を印加して振動させたときの加速度センサ２０から出力信号と発振回路の出力信号とを比較して正常か否かを判定する。
特許文献４で開示された圧電型の加速度センサは、図７の斜視図に示すように、起歪部３０の少なくとも一面に薄膜圧電材料３１を装着し、この薄膜圧電材料３１に電圧を印加することで、重り部３２を圧電駆動可能とし、擬似的に重り部３２に加速度が加わった状態を作り出すことで、センサが正常に動作しているか否かを判定する。

特開平２−０９３３７０号公報特開平５−１７２８４４号公報特開平６−１４８２３４号公報特開平５−３２２９２７号公報

しかしながら、微振動の計測に用いられる加速度センサとしては、加速度レベルが９．８×１０^−５ｍ／ｓ^２以下の振動を扱うことが多いため、超高感度のサーボ型の加速度センサが使用される場合が多いが、サーボ型の加速度センサは、カンチレバー等の精密機械構造があるために衝撃には弱く、衝撃等により破損した場合に、特に設置場所が橋脚の先端部分など高所部での交換を頻繁に行うことは困難である。
一方、圧電型の加速度センサは、サーボ型の加速度センサほどではないものの微振動の計測には十分対応でき、しかも衝撃に対しては強いという利点はある。しかし、現状では自己診断を可能とする手段を有しているものはない。
半導体加速度センサは感度が低く微振動の計測には対応できない。また、半導体加速度センサは、特許文献３や４で開示されているように、自己診断を可能とする手段は有しているものの、特許文献３で開示された半導体加速度センサは、センサそのものと圧電振動子２２を配置するための新たなベースプレート２１を有しているので、その分、全体として形状が大きくなり、またコストも嵩むことになる。また、特許文献４で開示された半導体加速度センサは、セル自体に薄膜圧電材料３１を設けるので、設計段階からの変更が必要となる。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、微振動の計測が可能でかつ衝撃に強く、しかもキャリブレーション（校正）が可能なキャリブレ−ション機能付きヘルスモニタリングシステムを提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。
本発明のキャリブレ−ション機能付きヘルスモニタリングシステムは、（ａ）〜（ｃ）を備えた微振動計測装置を橋脚や建物に取り付けて、常時計測時に前記橋脚や建物における微振動を計測するヘルスモニタリングシステムにおいて、前記微振動計測装置がさらに（イ）および（ロ）を備えることにより、前記圧電型加速度センサの校正が可能となる。
（ａ）中央部分に支持部を有するベース部と、前記支持部上に固定された圧電素子と、前記圧電素子の上面に取り付けられた錘と、前記ベース部上に配置されて前記圧電素子及び前記錘を覆うケースと、
を備えて成るせん断型の圧電型加速度センサ。
（ｂ）前記圧電型加速度センサの前記圧電素子からの電荷信号を電圧信号に変換するチャージアンプ。
（ｃ）通常計測時に、前記チャージアンプからの電圧信号に対して信号処理を行って計測データを取得する計測部。
（イ）前記ケースの内側の上面に前記錘と対向するように取り付けられて、電気信号を機械振動に変換する圧電セラミックスを含む圧電プレート。
（ロ）前記圧電型加速度センサの校正時には、キャリブレーション信号を発生して前記圧電型加速度センサの前記圧電プレートに印加すると共に、前記チャージアンプからの電圧信号に対して信号処理を行って得られた計測データと前記キャリブレーション信号とを比較して前記圧電型加速度センサの校正を行う計測部。

上記キャリブレ−ション機能付きヘルスモニタリングシステムでは、圧電型加速度センサ自身を加振するデバイスを備えているので、センサ自体の校正が可能となる。すなわち、微振動の計測が可能でかつ衝撃に強く、しかも校正が可能なヘルスモニタリングシステムを実現できる。
さらに、圧電型加速度センサを有しているので、該圧電型加速度センサの校正の際に、取り外すことなくそのままの状態でデバイスにキャリブレーション信号を印加するだけで済む。すなわち、圧電型加速度センサの校正を容易に行うことができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電型加速度センサの構造を示す断面図である。なお、図１において、前述した図４と共通する部分には同一の符号を付ける。
本実施の形態の圧電型加速度センサ４０は、せん断型の圧電型加速度センサであり、中央部分に支持部１０１ａを有するベース部１０１と、支持部１０１ａ上に固定された圧電素子１０２と、圧電素子１０２の上面に取り付けられた錘１０３と、ベース部１０１上に配置されて圧電素子１０２及び錘１０３を覆うケース１０４と、ケース１０４の内側の上面に取り付けられた圧電プレート４１とを備えて構成される。
圧電プレート４１は、圧電セラミックスを図示略の金属板上に取り付けてなるものである。この圧電プレート４１には、外部より電気信号が供給される。本発明では、圧電プレート４１にてセンサ本体を加振して校正を行うので、圧電プレート４１に供給する電気信号をキャリブレーション信号と呼ぶ。このキャリブレーション信号を圧電プレート４１に供給するための配線がセンサ本体から引き出されている。

本実施形態の圧電型加速度センサ４０は、圧電素子１０２に一定の質量ｍの錘１０３を取り付けた構造を採る。圧電素子１０２は、錘１０３により慣性力Ｆを受けると電荷を生ずるものである。発生する電荷量Ｑは組成によって一定であり、式（１）のように表すことができる。
Ｑ＝Ｆ・ｄ（ｄ：圧電定数） …（１）

また、センサ本体に与えられた加速度αと圧電素子１０２に加わる慣性力Ｆの関係は、ニュートンの第２法則よりＦ＝ｍ・αとなる。したがって、式（１）は式(２)のように表すことができる。
Ｑ＝Ｆ・ｄ＝ｍ・α・ｄ …（２）
このとき、ｄ，ｍは一定であるので、加速度αに対して発生する電荷量Ｑは一次比例する。この発生電荷量Ｑは高インピーダンスの電荷信号であるので、これを電気信号として利用する場合にはチャージアンプを使用して低インピーダンスの電圧信号に変換する。前記電荷信号を外部から取り込めるようにするための配線がセンサ本体から引き出されている。

通常、圧電型加速度センサ４０を常時微振動の計測で必要な９．８×１０−５ｍ／ｓ^２以下の加速度レベルで使用する場合、圧電素子１０２の感度は静電容量が３０００ｐＦ程度、錘１０３の質量は２００〜３００ｇ程度に設定し、感度は４００〜５００ｐＣ／(ｍ／ｓ^２)程度に設定する。

図２は、圧電型加速度センサ４０を使用して微振動計測を行う微振動計測装置の概略構成を示すブロック図である。同図において、通常の微振動計測は、圧電型加速度センサ４０の圧電素子１０２からの電荷信号がチャージアンプ５０にて電圧信号に変換された後、フィルタ５１にて外乱ノイズが排除されて計測部５２に入力される。計測部５２は、マイクロコンピュータを備えており、このマイクロコンピュータで信号処理を行って計測データを取得する。

一方、圧電型加速度センサ４０の校正時には、計測部５２から定期的にキャリブレーション信号が出力される。計測部５２から出力されたキャリブレーション信号はアンプ５３にて増幅された後、圧電型加速度センサ４０の圧電プレート４１に印加される。圧電プレート４１は、キャリブレーション信号が印加されることで、キャリブレーション信号に同期して振動し、センサ本体を加振する。その振動に応じた電荷信号が圧電素子１０２から出力されてチャージアンプ５０で電圧信号に変換された後、フィルタ５１を通過して計測部５２に入力される。そして、計測部５２のマイクロコンピュータにて信号処理が行われ、その計測データがキャリブレーション信号と比較されて、圧電型加速度センサ４０の校正が行われる。

橋脚や建物のヘルスモニタリングシステムでは、長期間常時微振動を計測するため、加速度センサの校正を定期的に行う必要がある。サーボ型の加速度センサは直流成分の出力が可能なため、取り付けてある現場で上下ひっくり返すことで重力加速度の９．８ｍ／ｓ^２の校正が可能であるが、前述したようにサーボ型は衝撃に弱く壊れやすいので、メンテナンスが面倒である。これに対して、圧電型加速度センサは、衝撃に強く壊れ難い反面、直流成分の出力が得られないため、取り外して加振器に取り付けて交流成分の信号で加振して校正しなければならない。しかし、本実施の形態の圧電型加速度センサ４０は、圧電プレート４１でセンサ本体を加振するので、取り外すことなく校正を行うことができる。したがって、本実施形態の圧電型加速度センサ４０を使用した図２に示す微振動計測装置は、そのまま橋脚や建物のヘルスモニタリングシステムとして使用することが可能である。また、本実施形態の圧電型加速度センサ４０は、既存の圧電型加速度センサ１０のケース１０４の空間内に圧電プレート４１を取り付けるだけで済むことから、新たなベースプレート２１（特許文献３、図６参照）を必要としない。また、既存のものに後付けできるので、設計段階からの変更が必要とならない（特許文献４、図７参照）。

このように本実施形態のヘルスモニタリングシステムによれば、圧電型加速度センサ４０自身を加振するデバイスである圧電プレート４１を備えているので、センサ自体の校正が可能となる。すなわち、微振動の計測が可能でかつ衝撃に強く、しかも校正が可能な圧電型加速度センサを実現できる。

また、本実施形態の圧電型加速度センサ４０を使用した微振動計測装置は、圧電型加速度センサの校正の際に、取り外すことなくそのままの状態でデバイスにキャリブレーション信号を印加するだけで済むので、圧電型加速度センサの校正を容易に行うことができる。

本発明は、微振動の計測が可能でかつ衝撃に強く、しかも校正が可能であるといった効果を有し、橋脚や建物のヘルスモニタリングシステムへの適用が可能である。

本発明の一実施形態に係る圧電型加速度センサの構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る圧電型加速度センサを用いた微振動計測装置の概略構成を示すブロック図である。従来のヘルスモニタリングシステムの概略構成を示すブロック図である。従来の圧電型加速度センサの構造を示す断面図である。従来の圧電型加速度センサにおける固有振動数を測定した結果の一例を示す波形図である。従来の自己診断機能を備えた半導体加速度センサの外観を示す斜視図である。従来の自己診断機能を備えた他の半導体加速度センサの外観を示す斜視図である。

４０圧電型加速度センサ
４１圧電プレート
５０チャージアンプ
５１フィルタ
５２計測部
５３アンプ
１０１ベース部
１０１ａ支持部
１０２圧電素子
１０３錘

Claims

（ａ）〜（ｃ）を備えた微振動計測装置を橋脚や建物に取り付けて、常時計測時に前記橋脚や建物における微振動を計測するヘルスモニタリングシステムにおいて、前記微振動計測装置がさらに（イ）および（ロ）を備えることにより、前記圧電型加速度センサの校正を可能としたことを特徴とするキャリブレ−ション機能付きヘルスモニタリングシステム。
（ａ）中央部分に支持部を有するベース部と、前記支持部上に固定された圧電素子と、前記圧電素子の上面に取り付けられた錘と、前記ベース部上に配置されて前記圧電素子及び前記錘を覆うケースと、
を備えて成るせん断型の圧電型加速度センサ。
（ｂ）前記圧電型加速度センサの前記圧電素子からの電荷信号を電圧信号に変換するチャージアンプ。
（ｃ）通常計測時に、前記チャージアンプからの電圧信号に対して信号処理を行って計測データを取得する計測部。
（イ）前記ケースの内側の上面に前記錘と対向するように取り付けられて、電気信号を機械振動に変換する圧電セラミックスを含む圧電プレート。
（ロ）前記圧電型加速度センサの校正時には、キャリブレーション信号を発生して前記圧電型加速度センサの前記圧電プレートに印加すると共に、前記チャージアンプからの電圧信号に対して信号処理を行って得られた計測データと前記キャリブレーション信号とを比較して前記圧電型加速度センサの校正を行う計測部。