JP5237042B2 - 振動速度センサ校正方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は地震や建物の揺れ等の振動速度を計測する振動速度センサの校正方法及び装置に関する。

従来の振動速度センサとしては、特許文献１に記載されるものが知られている。この特許文献１で記載されたサーボ型振動計では、振子を備えており、振子に作用した振動変位が変位検出器によって電気信号に変換され、この変位出力がアンプを介して駆動部へと供給されるようになっている。振子に作用した振動は変位検出器によって、その振子の変位が電気信号として検出され、これがアンプを介して出力されると同時に、アンプからの電気信号は、微分回路を経て駆動部に帰還されて、駆動部では、振子の変位の微分出力の大きさに対応した復元力が働き、振子が元の位置に戻される力が発生される。

アンプのゲインを大きく設定することにより、振子の変位量は、振動計の空間に対する変位の速度に比例することになるので、アンプからの出力を速度信号として得ることができるようになっている。

また、本件特許出願人による特願２００８−６７０９７号では、振子の変位を検出するピックアップからの出力信号を周波数によって高域信号と低域信号とに弁別する弁別手段と、前記弁別手段からの高域信号を増幅して帰還信号とする第１増幅手段と、前記弁別手段からの高域信号を積分して振動速度信号とする積分手段と、前記弁別手段からの低域信号を微分して帰還信号とする微分手段と、前記弁別手段からの低域信号を増幅して振動速度信号とする第２増幅手段と、を有し、広い帯域で高感度な振動速度信号が得られるサーボ型振動速度センサが提案されている。

ところで、このような振動速度センサを実用化する場合、そのスケールファクタの校正を行う必要がある。そこで、校正のために、図１４に示すような振動運動を発生する振動装置を使用することが考えられる。

図１４の振動装置は、振動ユニット４２と、振動ユニット４２に結合された振動台４４と、振動台４４を案内する基台４６と、振動ユニット４２の振幅と周波数を制御するコントローラ４８と、から成り、振動台４４は、基台４６上を水平方向に直線的に振動可能となっており、校正されるべき振動速度センサＳは、振動台４４上に入力軸を振動方向に合わせて設置され、コントローラ４８から与えられた振幅と周波数を持つ振動速度信号を検出して出力するので、この出力信号からスケールファクタを校正することが考えられる。

実公平６−２８６９８号公報

しかしながら、この種の振動装置では、振動ユニット４２のストロークに制限があり、周波数が低く大振幅の振動を発生させるのは困難であるという問題がある。

例えば、振動速度をA=1 [m/sec]、振動周波数をf=0.1 [Hz]とすると、振動振幅である振動変位a[m]は

とかなり大きくなる。更にf=0.01 [Hz]ともなればa=16 [m]となって、このような長いストロークを直線的に振動台４４にさせるのは現実的ではない、という問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、振幅が大きい振動を発生させることができて、この振動を用いて振動速度センサのスケールファクタの校正を行うことができる振動速度センサ校正方法及び装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、振動速度センサのスケールファクタを校正する振動速度センサ校正方法において、
回転駆動源に結合された回転台に、前記振動速度センサをその入力軸が回転台の回転方向に合うように設置し、
前記回転台をある回転周波数で振動するように回転し、振動速度センサに振動する振動速度が入力されるようにし、
振動速度センサからの出力信号を取得し、
前記取得した出力信号からスケールファクタを算出する、
ことを特徴とする。

請求項２記載の本発明は、請求項１記載の前記回転台に加速度センサを、その入力軸が回転台の回転方向に合うように設置し、
前記加速度センサからの出力信号を振動速度センサからの出力信号と併せて取得し、
前記スケールファクタの算出は、前記取得した加速度センサからの出力信号を用いる、
ことを特徴とする。

請求項３記載の本発明は、請求項１記載の前記回転台に加速度センサを、その入力軸が回転台の回転方向と直交する半径方向に合うように設置し、
前記加速度センサからの出力信号を振動速度センサからの出力信号と併せて取得し、
前記スケールファクタの算出は、前記取得した加速度センサからの出力信号を用いる、
ことを特徴とする。

請求項４記載の本発明は、請求項２または３記載の前記スケールファクタの算出には、前記加速度センサの予め校正されたスケールファクタを用いることを特徴とする。

請求項５記載の本発明は、請求項２ないし４のいずれか１項に記載の前記加速度センサと前記振動速度センサとを、回転台の同一円周上に配置することを特徴とする。

請求項６記載の本発明は、請求項１記載の方法において、前記回転台に校正済みの基準振動速度センサを、その入力軸が回転台の回転方向に合うように設置し、
前記基準振動速度センサからの出力信号を振動速度センサからの出力信号と併せて取得し、
前記スケールファクタの算出は、前記取得した基準振動速度センサからの出力信号と、該基準振動速度センサの予め校正されたスケールファクタとを用いる、
ことを特徴とする。

請求項７記載の本発明は、請求項６記載の前記基準振動速度センサと前記振動速度センサとを、回転台の同一円周上に配置することを特徴とする。

請求項８記載の本発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動速度センサ校正方法に用いる振動速度センサ校正装置であって、
回転駆動源と、回転駆動源に結合された回転台と、回転台を回転可能に支持する基台と、回転台の回転周波数を制御するコントローラと、を備える。

本発明によれば、回転台をある回転周波数で振動させるように回転させることで、回転台の寸法を大きくしなくとも、大きな振幅の振動運動を発生させることができる。よって、振動速度の大きい運動も実現することができ、精度よく振動速度センサのスケールファクタを算出することができる。

すでに校正された加速度センサまたは基準振動速度センサを回転台に設置して、同時に出力信号を取得して、これらの出力信号を用いることにより、スケールファクタの算出の為に必要なパラメータを減らすことができる。

加速度センサまたは基準振動速度センサを回転台の同一円周上に配置することにより、スケールファクタの算出の為に必要なパラメータをさらに減らすことができる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第１実施形態を示す図である。

振動速度センサ校正装置１０は、回転駆動源が内蔵された回転ユニット１２と、回転ユニット１２の回転駆動源に結合された回転台１４と、回転台１４を支持する基台１６と、回転台１４の回転周波数を制御するコントローラ１８と、回転センサ２０と、記録装置２２と、解析装置２４と、から成る。回転台１４は、好ましくはエアベアリングによって基台１６に回転可能に支持されている。

校正するべき振動速度センサＳは回転台１４上に入力軸を回転台１４の回転方向に合わせて設置され、振動速度センサＳから出力される信号は、記録装置２２においてアナログ又はデジタル信号として記録される。また、記録装置２２で記録された信号は、解析装置２４において解析される。記録装置２２及び解析装置２４は、同一の装置として構成することができ、例えば、コンピュータで構成することができる。また、記録装置２２は、スリップリング等を介した適当な接続手段によって振動速度センサＳと接続されて、回転台１４から離れた場所に設置することができ、または、回転台１４上に設置することも可能である。

コントローラ１８は、回転台１４を制御された回転周波数で動作させるものであり、回転ユニット１２のためのドライバ回路を含み、駆動信号を回転ユニット１２に供給する。

ここで、コントローラ１８は、回転台１４が回転周波数f₀[Hz]で振動するように、回転させる。これによって、回転台１４は、ω₀＝2πf₀とすると、tを時間として、回転角速度ω[rad/sec]が

となるように振動する。ここで、a₀[rad]は振幅である。

以上のコントローラ１８の制御は、（２）式に基づいてコントローラ１８が逐次演算した値に基づいて駆動信号を出力するとよく、または、コントローラ１８以外のコンピュータによって（２）式を演算した値をコントローラ１８に指示信号として外部から与えてもよい。あるいは、外部から正弦波信号を与えてこの信号に追従させる方法で、コントローラ１８に駆動信号を出力させてもよい。

回転センサ２０は、回転台１４の回転角度を検出するためのものであり、例えば、回転台１４の所定回転角ごとにパルス信号を出力するエンコーダで構成することができる。回転センサ２０からの信号は、記録装置２２において角度に変換されて、記録される。

コントローラ１８から与えられた回転周波数f₀に従って、回転台１４が回転角速度ωで回転・振動すると、振動速度センサＳは、その回転台１４の振動速度を検出して電圧E_vとして出力する。出力電圧E_vは記録装置２２で記録され、以下に示す解析処理等によってスケールファクタが校正される。

図２は回転台１４上の振動速度センサＳの設置例を示す。（２）式のような回転角速度を与えた場合、図２の回転半径r[m]の点の回転方向の速度v_φは、

となる。この点に振動速度センサＳを置けば、（３）式で与えられる振動速度が振動速度センサＳに入力される。

図３は校正対象の振動速度センサＳのスケールファクタを示す。入力速度をv_i[m/sec]、出力電圧をE_v[V]とすると、振動速度センサＳのスケールファクタS_v[V/m/sec]は

である。（３）式のv_φと（４）式のv_iが等しければ

であるので、振動成分に注目し、E_vの振幅値（ピーク値または実効値等）を｜E_v｜として、この値を測定するものとすれば

より、速度信号のスケールファクタS_vが求められる。

また、記録装置２２では、回転センサ２０からのパルス信号を計数することにより、角度に換算しており、このE_vのピーク値になるときの角度を求めて記録する。

解析装置２４による処理により、または解析装置２４を用いて作業者が処理することにより、振動速度センサＳの電圧の、E_vの振幅値（ピーク値または実効値等）｜E_v｜と、コントローラ１８で用いたω₀またはf₀と、前記E_vのピーク値間の角度差から求めた振幅a₀[rad]と、既知である振動速度センサＳの設置点の回転半径rを用いて、（６）からスケールファクタS_vを求めることができる。振幅a₀は他の任意の手段によって求めることもできる。

また、コントローラ１８においてω₀を変化させることによって、スケールファクタS_vの周波数特性を求めることができる。

実現可能な寸法の回転台１４において、回転台１４を複数周に渡り、回転させるようにして振動させることにより、大きな振幅の振動運動を発生させることができる。よって、振動速度の大きい運動も実現することができ、広い振動速度範囲で振動速度センサＳの校正を行うことができる。

（第２実施形態）
図４〜図６は、本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第２実施形態を示す図である。第１実施形態と同様の手段は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。

この実施形態の振動速度センサ校正装置１０では、回転台１４上に校正するべき振動速度センサＳの他に、加速度センサ２８が設置されており、回転台１４上の振動速度センサＳの入力軸は回転方向に設置され、加速度センサ２８の入力軸は校正すべき振動速度センサＳと同じく回転方向に設置される。

校正すべき振動速度センサＳは、コントローラ１８によって制御された回転台１４の振動に対して、その振動の振動速度を検出して出力信号を出力する一方で、加速度センサ２８は、コントローラ１８によって制御された回転台１４の振動に対して、その振動の振動加速度を検出して出力信号を出力する。

以下、第２実施形態による振動速度センサ校正装置１０の作用を説明する。

図５は回転台１４上の速度センサＳと加速度センサ２８の設置例を示す。（２）式のような回転角速度を与えた場合、図５の回転半径r₁[m]の点の回転方向の加速度α_φは

である。この点に入力軸を回転方向とした加速度センサ２８を置けば、（７）式で与えられる振動加速度が加速度センサ２８に入力される。

図６は加速度センサ２８のスケールファクタを示す。入力加速度をα_i[m/sec²]、出力電圧をE_α[V]とすると、加速度センサ２８のスケールファクタS_α[V/m/sec²]は

である。（７）式のα_φと（８）式のα_iが等しければ

であるので、振動成分に注目し、E_αの振幅値（ピーク値または実効値等）を｜E_α｜を測定するものとすれば

である。（６）式に（１０）式の関係を代入すると

となる。ただし、

である。

この（１１）式には、回転台の回転角度の振幅a₀が含まれていない。測定値であるE_vの振幅値（ピーク値または実効値等）の｜E_v｜、E_αの振幅値（ピーク値または実効値等）である｜E_α｜の他に、加速度センサ２８のスケールファクタS_αと、振動の周波数f₀（ω₀＝2πf₀）の値、回転台の回転半径rとr₁を用いて、振動速度センサＳのスケールファクタS_vを決定することができる。

こうして、第２実施形態でも第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。さらに、第１実施形態では、（６）式でスケールファクタを求めて校正する際に、必要なパラメータとして回転台１４の振動の振幅a₀の測定が必要になるが、この第２実施形態では、振幅a₀の測定を不要にすることができる。これによって、必要な測定値は、振動速度センサＳと加速度センサ２８からそれぞれ出力される電圧値だけであり、この電圧値は電気信号であり一般に精度よく測定できるので、振動速度センサＳのスケールファクタS_vを精度よく決定することができる。

（第３実施形態）
図７〜図９は、本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第３実施形態を示す図である。第１及び第２実施形態と同様の手段は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。

この実施形態の振動速度センサ校正装置１０では、回転台１４上に校正するべき振動速度センサＳの他に、加速度センサ３０が設置されており、回転台１４上の振動速度センサＳの入力軸は回転方向に設置され、加速度センサ３０の入力軸は校正すべき振動速度センサの入力軸と同じ回転方向に直交する半径方向に設置されている。

振動速度センサＳは、コントローラ１８によって制御された回転台１４の振動に対して、その振動の振動速度を検出して出力信号を出力する一方で、加速度センサ３０は、コントローラ１８によって制御された回転台１４の振動に対して、その振動の振動加速度を検出して出力信号を出力する。

以下、第３実施形態による振動速度センサ校正装置１０の作用を説明する。

図８に回転台１４上の振動速度センサＳと加速度センサ３０の設置例を示す。（２）式のような回転角速度を与えた場合、図８の回転半径r₁[m]の点の半径方向の加速度α_rは

である。この点に入力軸を回転方向に直交する半径方向とした加速度センサ３０を置けば、（１３）式で与えられる振動加速度が加速度センサ３０に入力される。

図９は加速度センサ３０のスケールファクタを示す。入力加速度をβ_i[m/sec²]、出力電圧をE_β[V]とすると、加速度センサ３０のスケールファクタS_β [V/m/sec²]は

である。尚、加速度センサ３０として、加速度センサ２８を用いれば、スケールファクタは、図６で示す通りとなる。

（１３）式のα_rと（１４）式のβ_iが等しければ

であるので、振動成分に注目し、E_βの振幅値（ピーク値または実効値等）を｜E_β｜を測定するものとすれば

である。（６）式に（１６）式の関係を代入すると

となる。

この（１７）式には、回転台の回転角度の振幅a₀及び振動の周波数f₀（ω₀＝2πf₀）が含まれていない。測定値であるE_vの振幅値（ピーク値または実効値等）の｜E_v｜、E_βの振幅値（ピーク値または実効値等）である｜E_β｜の他に、加速度センサ３０のスケールファクタS_βと、回転台の回転半径rとr₁の値を用いて、振動速度センサＳのスケールファクタS_vを決定することができる。

この結果、第３実施形態でも、第２実施形態と同様の作用効果が得られ、スケールファクタS_vを求めるのに必要なパラメータを減らすことができる。低い周波数の振動に対して、（１５）式より加速度センサ３０の出力は、２倍の周波数の信号が得られるので、測定が容易である。

第２実施形態及び第３実施形態においては、加速度センサ２８、３０のスケールファクタを予め求めておくことで加速度センサ２８、３０を基準としている。振動の周波数f₀（ω₀＝2πf₀）の値をコントローラ１８から与えれば、後は電圧値の測定のみで、与えた振動の周波数f₀（ω₀＝2πf₀）における振動速度センサＳのスケールファクタが決定できるので、校正が容易である。

尚、加速度センサ２８、３０のスケールファクタは、振動速度センサＳと異なり、公知の方法により簡単に求めることができ、重力加速度を利用したり、任意の遠心加速度を加速度センサに与えたり、または、電気信号を疑似的に与える等の方法で、校正を行うことができる。加速度センサ２８、３０は、振動速度センサＳと異なり、直流成分を検出し、また、低い周波数帯域において、そのスケールファクタの周波数特性が小さいので、簡単に正確なスケールファクタを求めることができる。

図１０は、入力軸が回転方向の振動速度センサＳの出力電圧E_vと、本発明による第２実施形態による入力軸が振動速度センサＳと同じ回転方向に設置された加速度センサ２８の出力電圧E_αと、本発明による第３実施形態の方法による入力軸が振動速度センサＳと同じ回転方向に直交する半径方向に設置された加速度センサ３０の出力電圧E_βの例を示す。図１０では周波数が0.1[Hz]の例となっている。このような出力電圧の振幅値（ピーク値または実効値等）を測定することで、予め基準とする加速度センサ２８、３０のスケールファクタが分かっていれば、（１１）式または（１７）式により校正すべき振動速度センサＳのスケールファクタを求めることができる。

（第２実施形態及び第３実施形態の一例）
図１１及び図１２は、第２実施形態及び第３実施形態の一例として、加速度センサ２８または３０が、校正すべき振動速度センサＳと同一円周上に設置されている設置例を示す。

校正すべき振動速度センサＳと、加速度センサ２８または３０は、治具３２によって一緒に回転台１４に取り付けられている。治具３２を用いることで、振動速度センサＳ、加速度センサ２８または３０を個々に同一半径に調整して設置する必要がなくなり、設置が容易になる。

このように、同一円周上に設置することで（１２）式は

となり、（１１）式、または（１７）式がより簡単となる。（１１）式は

となってスケールファクタの校正に半径rの値が不要となる。（１７）式は

となって、予め振動速度センサＳと加速度センサ２８または３０の設置点の回転半径ｒの値を測定しておけばｒの値は固定値となるので、測定は電圧値だけとなる。この結果、振動速度センサＳのスケールファクタを精度よく測定できる。

（第４実施形態）
図１３は、本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第４実施形態を示す図である。前実施形態と同様の手段は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。

この実施形態の振動速度センサ校正装置１０では、回転台１４上に校正するべき振動速度センサＳの他に、既に校正済みの基準となる基準振動速度センサ３４が回転半径r₁上に設置されており、回転台１４上の振動速度センサＳの入力軸は回転方向に設置され、基準振動速度センサ３４の入力軸は校正すべき振動速度センサと同じ入力軸に設置されている。基準振動速度センサ３４は、例えば、第１ないし第３実施形態のいずれかの方法により予め校正を行うことができる。

基準振動速度センサ３４のスケールファクタをS_Rvとし、基準振動速度センサ３４の出力電圧E_Rvの振幅値（ピーク値または実効値等）を｜E_Rv｜とすると、

となる。

（２１）式により、測定値であるE_vの振幅値（ピーク値または実効値等）の｜E_v｜、E_RＶの振幅値（ピーク値または実効値等）である｜E_Rv｜の他に、基準振動速度センサ３４のスケールファクタS_Rvと、回転台の回転半径rとr₁とを用いて、振動速度センサＳのスケールファクタS_vを決定することができる。

校正するべき振動速度センサＳと基準振動速度センサ３４とを同一円周上に設置することにより、R＝１、即ちr＝r₁となり、一層簡単にスケールファクタS_vを算出することができる。

本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第１実施形態を示す斜視図である。 第１実施形態による振動速度センサの設置を表す平面図である。 振動速度センサのスケールファクタを表すブロック図である。 本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第２実施形態を示す斜視図である。 第２実施形態による振動速度センサと加速度センサの設置を表す平面図である。 入力軸が回転方向に設置された加速度センサのスケールファクタを表すブロック図である。 本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第３実施形態を示す斜視図である。 第３実施形態による振動速度センサと加速度センサの設置を表す平面図である。 入力軸が半径方向に設置された加速度センサのスケールファクタを表すブロック図である。 測定電圧の例を表すグラフである。 第２実施形態または第３実施形態において、振動速度センサと加速度センサとが、同一円周上に設置された例を示す斜視図である。 第２実施形態または第３実施形態において、振動速度センサと加速度センサとが、同一円周上に設置された例を表す平面図である。 本発明の振動速度センサ校正方法を実施する振動速度センサ校正装置の第４実施形態を示す斜視図である。 従来の振動装置の構成例を表す斜視図である。

符号の説明

１０ 振動速度センサ校正装置
１２ 回転ユニット
１４ 回転台
１６ 基台
１８ コントローラ
２８、３０ 加速度センサ
３４ 基準振動速度センサ
Ｓ 校正するべき振動速度センサ

Claims (8)

1. 振動速度センサのスケールファクタを校正する振動速度センサ校正方法において、
   回転駆動源に結合された回転台に、前記振動速度センサをその入力軸が回転台の回転方向に合うように設置し、
   前記回転台をある回転周波数で振動するように回転し、振動速度センサに振動する振動速度が入力されるようにし、
   振動速度センサからの出力信号を取得し、
   前記取得した出力信号からスケールファクタを算出する、
   ことを特徴とする振動速度センサ校正方法。
2. 前記回転台に加速度センサを、その入力軸が回転台の回転方向に合うように設置し、
   前記加速度センサからの出力信号を振動速度センサからの出力信号と併せて取得し、
   前記スケールファクタの算出は、前記取得した加速度センサからの出力信号を用いる、
   ことを特徴とする請求項１記載の振動速度センサ校正方法。
3. 前記回転台に加速度センサを、その入力軸が回転台の回転方向と直交する半径方向に合うように設置し、
   前記加速度センサからの出力信号を振動速度センサからの出力信号と併せて取得し、
   前記スケールファクタの算出は、前記取得した加速度センサからの出力信号を用いる、
   ことを特徴とする請求項１記載の振動速度センサ校正方法。
4. 前記スケールファクタの算出は、前記加速度センサの予め校正されたスケールファクタを用いることを特徴とする請求項２または３記載の振動速度センサ校正方法。
5. 前記加速度センサと前記振動速度センサとは、回転台の同一円周上に配置することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の振動速度センサ校正方法。
6. 前記回転台に校正済みの基準振動速度センサを、その入力軸が回転台の回転方向に合うように設置し、
   前記基準振動速度センサからの出力信号を振動速度センサからの出力信号と併せて取得し、
   前記スケールファクタの算出は、前記取得した基準振動速度センサからの出力信号と、該基準振動速度センサの予め校正されたスケールファクタとを用いる、
   ことを特徴とする請求項１記載の振動速度センサ校正方法。
7. 前記基準振動速度センサと前記振動速度センサとは、回転台の同一円周上に配置することを特徴とする請求項６記載の振動速度センサ校正方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動速度センサ校正方法に用いる振動速度センサ校正装置であって、
   回転駆動源と、回転駆動源に結合された回転台と、回転台を回転可能に支持する基台と、回転台の回転周波数を制御するコントローラと、を備える振動速度センサ校正装置。

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