JP5409907B2 - 機械発振器の共振パラメータの特定 - Google Patents
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Description
この方法の仮定は、サービス流体の流れが発振器の機械的励起を提供することである。従って、このFFT手法は、機械発振器に対する外部電気励起がないため、受動的に動作すると言える。図1に示されるように、受動信号は、機械的エネルギーを電気信号に変換する機械発振器[8]に取り付けられた変換器[5]により提供される。選択される変換器の種類(例えば、圧電、誘導、変位センサ等)は、本発明において説明される方法論に対して殆ど影響しない。FFTが、予め選択された周波数分解能を使用して所望の周波数範囲にわたって計算される。周波数領域平均化と組み合わせた時間領域および周波数領域でのフィルタリングは、かなりの平滑化を共振ピークに対して提供する。分解能の増大および平均化は、一方では有益であり得るが、データ収集時間の増大という望ましくない影響をそれぞれ有する。データ収集時間が増大すると、共振パラメータが時間不変ではないシステムにおいて、周波数領域の不明瞭さが増大する。図2は、周波数領域においてFFTにより導出される応答に使用される典型的なハードウェアを示す。機械発振器の電気出力信号[10]は通常、続く信号解析前に増幅する必要がある。圧電素子が、機械的エネルギーから電気エネルギーへの変換に使用される場合、前置増幅器[20]は通常、電荷型増幅器である。前置増幅器[20]の出力は、ある程度のアナログフィルタリングをもたらす。FFTの計算のためのアナログ/デジタル(A/D)[50]変換器に前置されるバンドパスフィルタ[30]は、共振周波数の直近にないノイズを低減する周知の方法である。バンドパスフィルタリングは、低周波ノイズ(60Hz干渉等)からの緩和を提供するのみならず、アナログ/デジタル変換前に必要な高域偽信号フィルタも提供する。具体的なハードウェアに応じて、オプションの増幅器[40]が、アナログ/デジタル(A/D)変換器を含むFFT解析器[50]の前に必要であり得る。A/D変換後、更なるデジタルフィルタリングで、コンピュータプロセッサ[60]内で利用可能なノイズ抑制を補うことができる。しかし、これらのフィルタのいずれも、機械的共振の直近でのノイズを抑制する能力を有さない。コンピュータ[60]により実施されるアルゴリズムが、曲線近似および共振パラメータの計算を可能にする。
上述したFFT方法とは対照的に、時間領域方法では、外部電気励起を加える必要がある。電気励起を含む時間領域方法のハードウェアを図5に示す。時間領域と上述した周波数領域セットアップとのハードウェアの主な違いは、送/受信(T/R)スイッチ[70]および所要信号生成器[60]が追加されることである。更に、時間領域方法は、FFTハードウェアを使用せず、かつ完全周波数応答も計算しない。信号生成器[80]が、電気励起を機械発振器内の変換器(図2、要素[5])に提供する。T/Rスイッチ[70]は、トーンバーストが活性化されている間、機械発振器を信号生成器に接続し、トーンバースト信号がオフになった場合、A/Dおよび解析ハードウェア[90]への機械発振器の接続を変更する。いくつかの実施形態では、T/Rスイッチなしで済ませることも可能である。
Δf=f0/Q
式中:
Δf=周波数ステップパラメータ
f0=推定された共振周波数または前に測定された共振周波数
Q=推定された品質係数または前に測定された品質係数
f0周波数の周囲のステップサイズは、以下のように決定される:
±Δf/4;±Δf/2
D=図10−a/bに示されるような減衰率(dB /秒)
f0=共振周波数(零交差により特定される)
上述した時間領域方法および周波数領域方法を実施する一手法は、前に特定された周波数およびQを、次の値を見つけるための開始点として使用することである。この手法は一般に、FFT周波数領域方法では信頼性が高いが、ノイズの変更が一時的に時間領域測定を損なう場合がある。そのような状況の一例は、1つまたは複数のパラメータが、データ収集間隔中に非常に高速に変更する場合である。そのような場合、結果として生成される時間領域測定は、ばらつく振幅および周波数による汚れにより完全に誤り得る。この問題は、次の時間領域探索計算の開始点として、周波数領域の結果を使用することにより解決することができる。この種の二重領域データ収集は、常に必要であるわけではないが、必要に応じて提供可能である。
図9および図11に示されるデータは、数インチの長さ尺度を有すると共に、対応する約1000Hzの共振周波数および範囲200〜5000内のQを有する機械的音叉発振器の場合である。約数十μm〜約数百μm(1×10−6m)の長さ尺度を有するマイクロカンチレバーの場合でのデータも利用可能である。そのような発振器に典型的な共振周波数は、10〜300KHzであり、Qは200〜500の範囲内である。これらの音叉は、受動動作または能動動作のいずれかで動作することができ、上述した方法で信号が収集される。
Claims (11)
- サービス流体環境内で、ノイズ存在下に、機械発振器の共振パラメータである共振周波数fおよび品質係数Qを測定する方法であって、
a)前記サービス流体の流れ、または電気励起により、前記発振器を励起させる工程、
b)前記励起に対する前記発振器の振幅応答を測定する工程、
c)複数の測定からの前記応答を平均化する工程、
d)平均化された前記発振器からの前記応答に対する近似曲線を求める工程、および
e)前記近似曲線から、前記共振周波数fおよび品質係数Qを計算する工程であって、
前記励起が前記サービス流体の流れによるものである場合には、前記振幅応答を前記発振器の周波数領域における高速フーリエ変換により測定し、
前記励起が電気によるものである場合には、前記振幅応答を前記電気励起による時間領域方法により測定する工程
を含むことを特徴とする方法。 - 前記fおよびQが、周波数の関数としての振幅の高速フーリエ変換を測定する工程から測定されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記fおよびQが、
前記電気励起を終了する工程、および
前記電気励起の終了後、前記発振器の振幅を測定する工程
から測定され、
上記工程を更なる駆動周波数で繰り返し、近似曲線を求めるための励起周波数の関数として振幅の値を取得し、前記近似曲線から前記fおよびQを測定することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記fおよびQを、前記電気励起の終了後の前記発振器のリングダウン信号から、前記発振器の振幅の低減として測定し、この工程を更なる駆動周波数で繰り返して、振幅の値を時間の関数として取得し、
ここで、前記fは、既知の時間間隔での零交差の数から取得し、前記Qは、振幅の低減率を測定する近似曲線から取得する
ことによって、前記fおよびQの平均値を得ることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 初期励起周波数の値を、周波数の関数としての振幅の高速フーリエ変換から測定することを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記励起周波数を選択するための共振パラメータの推定値を、周波数の関数としての振幅の高速フーリエ変換から測定することを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記励起周波数を選択するための推定値を、周波数の関数としての振幅の高速フーリエ変換から測定することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記励起周波数が、周波数の所要数を最小化するように、アルゴリズム的に選択されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記励起周波数が、周波数の所要数を最小化するように、アルゴリズム的に選択されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記発振器の応答を、バンドパスフィルタに付すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 高速フーリエ変換に対する近似曲線の振幅の最大を測定することにより、前記fを測定することを特徴とする請求項2に記載の方法。
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