JP6432308B2 - Measuring device and measuring range switching method - Google Patents

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Description

本発明は、計測レンジの自動切換が行える計測装置及び計測レンジ切換方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring range switching method that can automatically switch a measuring range.

構造物の状態診断のために、当該構造物の自由減衰振動を計測し、解析することが行われている。これは自由減衰振動が、加振力(振動発生原因)に依存せず、構造物の質量や剛性等の機械特性に大きく依存しているためである。   In order to diagnose the state of a structure, the free damped vibration of the structure is measured and analyzed. This is because free-damping vibration does not depend on the excitation force (cause of vibration generation) but greatly depends on mechanical properties such as mass and rigidity of the structure.

このような自由減衰振動を計測する計測装置は、計測データを多くのアプリケーションで利用できるように、広域の計測レンジを持っていることが望ましい。加えて、微少信号に対しても正確な解析が行えるように、高い分解能を持つことが望ましい。   It is desirable that a measurement apparatus that measures such free-damping vibration has a wide measurement range so that measurement data can be used in many applications. In addition, it is desirable to have high resolution so that accurate analysis can be performed even for minute signals.

分解能は、主にアナログ信号である計測データをデジタル信号に変換する際のアナログ/デジタル変換(A/D変換)により決まる。そこで、特許文献1は、アナログ信号をデジタル信号に変換する際に、A/D変換器における入力レンジを任意に設定するための入出力特性自動調整方法を提案している。   The resolution is determined mainly by analog / digital conversion (A / D conversion) when measuring data, which is an analog signal, is converted into a digital signal. Therefore, Patent Document 1 proposes an input / output characteristic automatic adjustment method for arbitrarily setting an input range in an A / D converter when converting an analog signal into a digital signal.

即ち、この入出力特性自動調整方法では、A/D変換器から順次出力される出力データをサンプリングし、このサンプリングしたデータに基づいて、アナログ入力信号の単位時刻あたりの変化量を算出する。そして、算出したアナログ入力信号の変化量から、一定期間内の出力データの全ビットが有効か否かを予測し、A/D変換器の計測レンジを調整している。   That is, in this input / output characteristic automatic adjustment method, output data sequentially output from the A / D converter is sampled, and the amount of change per unit time of the analog input signal is calculated based on the sampled data. Then, from the calculated change amount of the analog input signal, it is predicted whether or not all bits of the output data within a certain period are valid, and the measurement range of the A / D converter is adjusted.

特開平1−174123号公報JP-A-1-174123

しかしながら、特開平1−174123号公報にかかる入出力特性自動調整方法では、周囲環境や機器自身に起因した高周波数の電磁雑音等のノイズが含まれている入力信号に対しては正確にレンジ切換が行えない問題があった。   However, in the input / output characteristic automatic adjustment method according to Japanese Patent Laid-Open No. 1-174123, the range is accurately switched for an input signal including noise such as high-frequency electromagnetic noise caused by the surrounding environment or the device itself. There was a problem that could not be done.

そこで、本発明の主目的は、入力信号にノイズが含まれていても適正に計測レンジが切換えられる計測装置及び計測レンジ切換方法を提供することである。   Therefore, a main object of the present invention is to provide a measuring device and a measuring range switching method capable of appropriately switching a measuring range even when noise is included in an input signal.

上記課題を解決するため、計測レンジの切換えが可能な計測装置にかかる発明は、構造物の振動を検出し、当該検出結果をアナログ信号の計測データとして出力する振動検出部と、計測データに基づき計測レンジを判断して切換えるレンジ切換処理部と、を備え、レンジ切換処理部は、アナログ信号の計測データを設定された計測レンジでデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、計測データの減衰特性を算出する減衰特性算出手段と、減衰特性に基づき計測レンジを判断する計測レンジ判断手段と、計測レンジ切換手段の判断結果に応じて計測レンジの切換えを行う計測レンジ切換手段と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above problems, an invention relating to a measurement device capable of switching a measurement range is based on a vibration detection unit that detects vibration of a structure and outputs the detection result as measurement data of an analog signal, and the measurement data. A range switching processing unit that determines and switches the measurement range, and the range switching processing unit converts analog signal measurement data into a digital signal within a set measurement range, and attenuation of the measurement data Attenuation characteristic calculating means for calculating characteristics, a measurement range determining means for determining the measurement range based on the attenuation characteristics, and a measurement range switching means for switching the measurement range according to the determination result of the measurement range switching means It is characterized by.

また、計測レンジを自動設定する際の計測レンジ切換方法にかかる発明は、構造物の振動を検出してアナログ信号の計測データとして出力し、計測データの減衰特性を算出し、減衰特性に基づき計測レンジを判断し、判断した計測レンジでアナログ信号の計測データをデジタル信号に変換することを特徴とする。   In addition, the invention relating to the measurement range switching method when automatically setting the measurement range detects the vibration of the structure and outputs it as measurement data of an analog signal, calculates the attenuation characteristics of the measurement data, and measures based on the attenuation characteristics A range is determined, and analog signal measurement data is converted into a digital signal within the determined measurement range.

本発明によれば、入力信号にノイズが含まれていても適正に計測レンジが切換えられるようになる。   According to the present invention, the measurement range can be appropriately switched even if noise is included in the input signal.

本発明にかかる計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the measuring device concerning the present invention. 計測レンジ切換手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a measurement range switching procedure. アナログ信号の計測データを時間に対して示した振動曲線を示す図である。It is a figure which shows the vibration curve which showed the measurement data of the analog signal with respect to time. 実施例1の説明に適用される振動曲線及び減衰特性曲線を示す図である。It is a figure which shows the vibration curve and damping characteristic curve applied to description of Example 1. FIG. 従来の計測手法と本実施形態にかかる計測手法との比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result of the conventional measuring method and the measuring method concerning this embodiment.

本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施形態にかかる計測レンジの自動設定が可能な計測装置2のブロック図である。   An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram of a measurement apparatus 2 capable of automatically setting a measurement range according to the present embodiment.

この計測装置2は、振動検出部10、レンジ切換処理部20、電源30を備える。   The measuring device 2 includes a vibration detection unit 10, a range switching processing unit 20, and a power supply 30.

レンジ切換処理部20は、アナログフィルタ21、マイクロコンピュータ(MPU)22、出力部23、複数のレギュレータ24(24a〜24c)を含んでいる。   The range switching processing unit 20 includes an analog filter 21, a microcomputer (MPU) 22, an output unit 23, and a plurality of regulators 24 (24a to 24c).

振動検出部10は、接着材、永久磁石、機械的接合法等の固着部材により振動計測対象である構造物に固定される。そして、当該構造物の振動を計測し、アナログ信号の計測データを出力する。
なお、振動検出部10としては、微小振動が高感度で計測できる圧電素子の利用が好ましい。
The vibration detection unit 10 is fixed to a structure that is a vibration measurement target by a fixing member such as an adhesive, a permanent magnet, or a mechanical joining method. And the vibration of the said structure is measured and the measurement data of an analog signal are output.
In addition, as the vibration detection unit 10, it is preferable to use a piezoelectric element that can measure minute vibration with high sensitivity.

アナログフィルタ21は、振動検出部10からの計測データに含まれるノイズ成分を除去する。このノイズ成分として、低周波数域で発生し易い環境振動等の高周波成分が例示できる。   The analog filter 21 removes noise components included in the measurement data from the vibration detection unit 10. Examples of the noise component include high-frequency components such as environmental vibrations that are likely to occur in a low frequency range.

なお、アナログフィルタ21は、必要に応じて設けることが可能である。アナログフィルタ21を設けた構成であっても、ノイズ除去されていない生の計測データが必要になる場合には、計測データが当該アナログフィルタ21をバイパスしてMPU22に入力するようにパス切り替えを行うことも可能である。   The analog filter 21 can be provided as necessary. Even when the analog filter 21 is provided, when raw measurement data from which noise has not been removed is required, path switching is performed so that the measurement data is input to the MPU 22 by bypassing the analog filter 21. It is also possible.

MPU22は、アナログ/デジタル変換手段(A/D変換手段)22a、減衰特性算出手段22b、計測レンジ判断手段22c、計測レンジ切換手段22dを備える。
A/D変換手段22aは、アナログの計測データをデジタル信号に変換する。
減衰特性算出手段22b、計測データを用いて当該計測データの減衰特性を算出する。
計測レンジ判断手段22cは、減衰特性に基づき計測レンジを判断する。
計測レンジ切換手段22dは、計測レンジ切換手段の判断結果に応じて計測レンジの切換えを行う。
The MPU 22 includes analog / digital conversion means (A / D conversion means) 22a, attenuation characteristic calculation means 22b, measurement range determination means 22c, and measurement range switching means 22d.
The A / D conversion means 22a converts analog measurement data into a digital signal.
The attenuation characteristic calculation means 22b and the measurement data are used to calculate the attenuation characteristic of the measurement data.
The measurement range determination unit 22c determines the measurement range based on the attenuation characteristic.
The measurement range switching unit 22d switches the measurement range according to the determination result of the measurement range switching unit.

このような、MPU22は、内蔵のメモリ容量が少ない汎用品により構成してもよいが、高速演算処理が可能なデジタルシグナルプロセッサにより構成してもよい。   Such an MPU 22 may be configured by a general-purpose product having a small built-in memory capacity, but may be configured by a digital signal processor capable of high-speed arithmetic processing.

出力部23は、MPU22でデジタル信号に変換された計測データを外部機器(サーバ等)に出力する。このとき出力方法は、無線であるか有線であるかを問わず、また無線の場合にも電磁波であるか赤外線の用に光であるかは問わない。図1においては、無線出力する場合を例示している。   The output unit 23 outputs measurement data converted into a digital signal by the MPU 22 to an external device (server or the like). At this time, it does not matter whether the output method is wireless or wired, and also in the case of wireless, whether it is electromagnetic waves or light for infrared rays. FIG. 1 illustrates the case of wireless output.

レギュレータ24は、MPU22に電力を供給する。このとき、各レギュレータ24の供給電圧は異なる。そして、この供給電圧により計測レンジが決まる。そこで、本実施形態では、計測レンジの切換えは、レギュレータ24を選択することにより行う。   The regulator 24 supplies power to the MPU 22. At this time, the supply voltage of each regulator 24 is different. The measurement range is determined by this supply voltage. Therefore, in this embodiment, the measurement range is switched by selecting the regulator 24.

例えば、レギュレータ24aは、第1電圧5[V]を供給し、そのときの分解能は0.020[V]となる。レギュレータ24bは、第2電圧3.3[V]を供給し、そのときの分解能は0.013[V]となる。レギュレータ24cは、第3電圧1.8[V]を供給し、そのときの分解能は0.007[V]となる。   For example, the regulator 24a supplies the first voltage 5 [V], and the resolution at that time is 0.020 [V]. The regulator 24b supplies the second voltage 3.3 [V], and the resolution at that time is 0.013 [V]. The regulator 24c supplies the third voltage 1.8 [V], and the resolution at that time is 0.007 [V].

なお、本実施形態では、複数のレギュレータ24によりMPU22に供給される電圧を変えて計測レンジを変える構成を例に説明するが、このような構成に限定するものではない。   In the present embodiment, a configuration in which the voltage supplied to the MPU 22 by the plurality of regulators 24 is changed to change the measurement range is described as an example, but the present invention is not limited to such a configuration.

計測装置2を橋梁等の商用電源が利用できない環境下で用いる場合には、電源30として蓄電池を用いることができる。   When the measuring device 2 is used in an environment where a commercial power source such as a bridge cannot be used, a storage battery can be used as the power source 30.

次に、このような構成の計測装置2で行う計測レンジの自動判断切換方法を説明する。なお、説明の都合から、振動計測対象とする構造物を道路橋とし、計測する振動を車両通行に伴い道路橋に発生した振動とする。車両通行に伴い道路橋に生ずる振動は、時間の経過に従い減衰する減衰振動である。   Next, an automatic determination range switching method for the measurement range performed by the measurement apparatus 2 having such a configuration will be described. For convenience of explanation, it is assumed that the structure to be subjected to vibration measurement is a road bridge, and the vibration to be measured is vibration generated on the road bridge due to vehicle traffic. The vibration generated in the road bridge as the vehicle passes is a damped vibration that attenuates over time.

図2は、計測レンジの自動判断切換方法を示すフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart showing an automatic determination switching method for the measurement range.

ステップS1: MPU22の計測レンジ切換手段22dは、計測レンジを最大レンジに自己設定して振動計測を開始する。このことは、計測レンジの切換処理がレギュレータ24を選択する処理(供給電圧を選択する処理)に対応している場合は、最大の供給電圧を供給するレギュレータ24を選択することに対応する。なお、最大レンジに設定する理由は、計測する振動の最大振幅値が未知であるにもかかわらず、当該最大振幅値を検出する必要があるためである。   Step S1: The measurement range switching means 22d of the MPU 22 sets the measurement range to the maximum range and starts vibration measurement. This corresponds to selecting the regulator 24 that supplies the maximum supply voltage when the measurement range switching process corresponds to the process of selecting the regulator 24 (the process of selecting the supply voltage). The reason why the maximum range is set is that the maximum amplitude value needs to be detected even though the maximum amplitude value of the vibration to be measured is unknown.

そして、振動検出部10からの計測データは、アナログフィルタ21を通過することで、当該計測データに含まれる環境振動等によるノイズ成分が除去されて、MPU22のA/D変換手段22aに入力する。   Then, the measurement data from the vibration detection unit 10 passes through the analog filter 21, so that noise components due to environmental vibration and the like included in the measurement data are removed and input to the A / D conversion means 22 a of the MPU 22.

A/D変換手段22aは、現在設定されているレギュレータ24に対応した計測レンジで、アナログ信号の計測データをデジタル信号に変換する。即ち、アナログ信号は計測レンジに対応した分解能でデジタル信号に変換されて、出力部23から外部機器に出力されることになる。   The A / D converter 22a converts the measurement data of the analog signal into a digital signal in the measurement range corresponding to the currently set regulator 24. That is, the analog signal is converted into a digital signal with a resolution corresponding to the measurement range, and is output from the output unit 23 to an external device.

ステップS2: MPU22の減衰特性算出手段22bは、振動曲線から最大振幅値Amaxを検出し、その時の時刻を基準時間とする。図3は、アナログ信号の計測データを時間に対して示した振動曲線K1である。また、同図には後述する減衰特性曲線(包絡線)K2を太線で示している。   Step S2: The attenuation characteristic calculation means 22b of the MPU 22 detects the maximum amplitude value Amax from the vibration curve, and sets the time at that time as the reference time. FIG. 3 is a vibration curve K1 showing measurement data of an analog signal with respect to time. In the same figure, an attenuation characteristic curve (envelope) K2 described later is indicated by a bold line.

なお、振動計測は、少なくとも最大振幅値Amaxを確実に計測でき、かつ、減衰特性曲線K2が導出できるように所定時間(特性導出時間)継続する。この特性導出時間は、例えば数十m秒であり、予め経験値としてMPU22に記憶しておく。   The vibration measurement is continued for a predetermined time (characteristic derivation time) so that at least the maximum amplitude value Amax can be reliably measured and the attenuation characteristic curve K2 can be derived. This characteristic derivation time is, for example, several tens of milliseconds, and is stored in advance in the MPU 22 as an experience value.

ステップS2,S3: 次に、減衰特性算出手段22bは、振動曲線K1の時間微分を行い、その微分値の符号が変化する点を抽出する。この微分値の符号が変化する点は、振動曲線K1の変曲点に対応している。   Steps S2 and S3: Next, the damping characteristic calculation unit 22b performs time differentiation of the vibration curve K1, and extracts a point where the sign of the differentiation value changes. The point where the sign of the differential value changes corresponds to the inflection point of the vibration curve K1.

ステップS4: そして、減衰特性算出手段22bは、
A(t)=Amax×EXP(−σ×t) …(1)
の式1に従い、変曲点の値をA(t)として減衰率σを算出する。なお、tは、時刻である。以下、この包絡線を減衰特性曲線K2と記載し、その値を振幅値A(t)と記載する。
Step S4: Then, the attenuation characteristic calculation means 22b
A (t) = Amax × EXP (−σ × t) (1)
According to Equation 1, the attenuation rate σ is calculated with the value of the inflection point as A (t). Note that t is time. Hereinafter, this envelope is referred to as an attenuation characteristic curve K2, and the value thereof is referred to as an amplitude value A (t).

振幅値A(t)を連ねた線は、振動曲線K1の減衰特性曲線K2をなす。変曲点が、計測データに周囲環境や機器自身に起因した高周波数の電磁雑音等のノイズによる確率はゼロではない。しかし、これら高周波ノイズの周波数は、減衰振動の低周波数より大きいため、ノイズによる確率は非常に小さい。従って、ノイズが、減衰特性曲線K2の形状に与える影響は小さい。よって、後述するように、本実施形態においては、計測レンジの切換を減衰特性曲線K2に基づき行うが、減衰特性曲線K2にノイズが影響されないことから、計測レンジの切換は適正に行えるようになる。   A line connecting the amplitude values A (t) forms an attenuation characteristic curve K2 of the vibration curve K1. The probability that the inflection point is caused by noise such as high-frequency electromagnetic noise caused by the surrounding environment or the device itself in the measurement data is not zero. However, since the frequency of these high frequency noises is greater than the low frequency of the damped vibration, the probability due to noise is very small. Therefore, the influence of noise on the shape of the attenuation characteristic curve K2 is small. Therefore, as will be described later, in this embodiment, the measurement range is switched based on the attenuation characteristic curve K2. However, since the noise is not affected by the attenuation characteristic curve K2, the measurement range can be switched appropriately. .

なお、変曲点がノイズにより生じている確率は小さいが、より小さくするために、減衰率σを複数回導出し、これらの平均値を用いることも可能である。   Although the probability that the inflection point is caused by noise is small, in order to make it smaller, it is possible to derive the attenuation rate σ a plurality of times and use the average value thereof.

さらに、予め計測したい振動の周期の概算値を算出し、例えばその周期の3倍程度の計測時刻範囲を用いるならば、ノイズの影響が少ない正確な減衰率が導出できる。ここで、計測したい振動の周期とは、振動計測対象の共振周波数の逆数、又は、道路橋の軸方向の曲げ振動の共振周波数の逆数とする。   Furthermore, if an approximate value of the period of vibration to be measured is calculated in advance and a measurement time range of about three times the period is used, for example, an accurate attenuation rate with little influence of noise can be derived. Here, the period of vibration to be measured is the reciprocal of the resonance frequency of the vibration measurement object or the reciprocal of the resonance frequency of the bending vibration in the axial direction of the road bridge.

ステップS5: 次に、計測レンジ判断手段22cは、減衰特性曲線K2を用いて基準時間から所定時間が経過したときの振幅値A(t)を予測する。   Step S5: Next, the measurement range determination means 22c predicts an amplitude value A (t) when a predetermined time has elapsed from the reference time using the attenuation characteristic curve K2.

即ち、計測レンジ判断手段22cは、振幅値A(t)が予め設定されたレンジ切換条件Vrより小さくなるか否かを予測判断する。このレンジ切換条件Vrは、例えば最大振幅値Amaxの30%のように、経験値としてMPU22に予め設定されている。これにより複数の計測レンジを減衰状態に応じて順次切り換えることが可能になる。なお、計測レンジが複数存在する場合には、レンジ切換条件Vrも複数設けることは、言うまでもない。   That is, the measurement range determination unit 22c predicts and determines whether or not the amplitude value A (t) is smaller than a preset range switching condition Vr. This range switching condition Vr is preset in the MPU 22 as an experience value, for example, 30% of the maximum amplitude value Amax. As a result, a plurality of measurement ranges can be sequentially switched according to the attenuation state. Needless to say, when there are a plurality of measurement ranges, a plurality of range switching conditions Vr are also provided.

ところで、上記説明では、レンジ切換条件は、予め設定された最大振幅値に対する減少率であったが、減少幅であってもよい。即ち、上記説明では、計測レンジの切換を最大振幅値Amaxの30%以下になったときのタイミングで行った。しかし、本実施形態はかかる構成に限定されず、減少幅(数値範囲)のレンジ切換条件Vrでもよい。   In the above description, the range switching condition is a reduction rate with respect to a preset maximum amplitude value, but may be a reduction range. That is, in the above description, the measurement range is switched at the timing when it becomes 30% or less of the maximum amplitude value Amax. However, the present embodiment is not limited to such a configuration, and may be a range switching condition Vr with a decrease range (numerical value range).

例えば、レンジ切換条件Vrを100%〜81%、80%〜30%、29%〜5%のように設定する。そして、予想した振幅値A(t)が、最大振幅値Amaxに対し100%〜81%のレンジ切換条件Vrに含まれる場合には、現状の計測レンジを維持する。また、予想した振幅値A(t)が、最大振幅値Amaxに対し80%〜30%であれば1つ下(狭域)又は1つ上(広域)の計測レンジに切り換える。さらに、予想した振幅値A(t)が、最大振幅値Amaxに対し29%〜5%であれば2つ下(又は上)の計測レンジに切り換える。これにより、より適切な計測レンジの切換が可能になる。   For example, the range switching condition Vr is set to 100% to 81%, 80% to 30%, 29% to 5%. When the predicted amplitude value A (t) is included in the range switching condition Vr of 100% to 81% with respect to the maximum amplitude value Amax, the current measurement range is maintained. If the predicted amplitude value A (t) is 80% to 30% with respect to the maximum amplitude value Amax, the measurement range is switched to one lower (narrow area) or one higher (wide area). Furthermore, if the predicted amplitude value A (t) is 29% to 5% with respect to the maximum amplitude value Amax, the measurement range is switched to the next lower (or upper) measurement range. Thereby, a more appropriate measurement range can be switched.

ステップS6: 振幅値A(t)がレンジ切換条件Vrより小さくなる場合(A(t)≦Vr)は、計測レンジを現在の計測レンジより1つ下(狭域)の計測レンジに設定する。計測レンジの切替えは、MPU22の計測レンジ切換手段22dがレギュレータ24を選択することにより行われる。   Step S6: When the amplitude value A (t) is smaller than the range switching condition Vr (A (t) ≦ Vr), the measurement range is set to the measurement range one level lower (the narrow range) than the current measurement range. The measurement range is switched when the measurement range switching means 22d of the MPU 22 selects the regulator 24.

例えば、現在MPU2に接続されているレギュレータ24が第2電圧3.3[V]を供給するレギュレータ24bの場合には、第3電圧1.8[V]を供給するレギュレータ24cを選択することになる。   For example, when the regulator 24 currently connected to the MPU 2 is the regulator 24b that supplies the second voltage 3.3 [V], the regulator 24c that supplies the third voltage 1.8 [V] is selected. Become.

ステップS7: 一方、振幅値A(t)がレンジ切換条件Vrより小さくない場合(A(t)>Vr)は、現在の計測レンジを維持する。   Step S7: On the other hand, when the amplitude value A (t) is not smaller than the range switching condition Vr (A (t)> Vr), the current measurement range is maintained.

ステップS8: このような手順によりレンジ切換処理が終了し、次に計測を継続するか否かを判定(計測継続判定処理)する。計測継続判定は、振幅値A(t)が計測継続判断閾値Ctより小さくなると(A(t)≦Ct)、計測を終了すると判断する。なお、計測継続判断閾値Ctは、予めMPUに設定された経験値で、例えば、最大振幅値Amaxの5%が例示できる。   Step S8: The range switching process is completed by such a procedure, and it is then determined whether or not to continue the measurement (measurement continuation determination process). In the measurement continuation determination, when the amplitude value A (t) becomes smaller than the measurement continuation determination threshold Ct (A (t) ≦ Ct), it is determined that the measurement is finished. The measurement continuation determination threshold Ct is an experience value set in advance in the MPU, and can be exemplified by 5% of the maximum amplitude value Amax, for example.

なお、上記説明では、減衰特性曲線K2の導出は、計測中の計測データに基づき行った。しかし、複数回の計測を行って得られた計測データを加算平均化処理して得られるデータ(以下、平均計測データ)を用いることも可能である。この加算平均化処理により高周波振動成分や電磁雑音成分が、除去(抑圧)されるため、より正確な減衰特性曲線K2を導出することができる。   In the above description, the attenuation characteristic curve K2 is derived based on the measurement data being measured. However, it is also possible to use data (hereinafter referred to as average measurement data) obtained by adding and averaging the measurement data obtained by performing the measurement a plurality of times. Since the high-frequency vibration component and the electromagnetic noise component are removed (suppressed) by this averaging process, a more accurate attenuation characteristic curve K2 can be derived.

また、減衰率σを振動曲線の変曲点を用いて算出したが、構造物の機械特性(構造や材質に由来して決定する質量、剛性、粘性等)を考慮したシミュレーションを行って求めても良く、また理論計算により求めても良い。   The damping rate σ was calculated using the inflection point of the vibration curve, but it was obtained by performing a simulation that considered the mechanical properties of the structure (mass, stiffness, viscosity, etc. determined from the structure and material). Or may be obtained by theoretical calculation.

また、例えば自己回帰モデル(Autoregressive model、以下ARモデル)を用いて、計測データの振幅値Aを用いてARモデルのパラメータを算出し、これにより減衰率σを設定しても良い。
ARモデルのパラメータの算出は、逐次的に実施することが可能であり、振幅値Aを入力する毎にパラメータを更新できる利点がある。
In addition, for example, an AR model parameter may be calculated using the amplitude value A of measurement data using an autoregressive model (hereinafter referred to as an AR model), and thereby the attenuation rate σ may be set.
Calculation of the AR model parameters can be performed sequentially, and there is an advantage that the parameters can be updated each time the amplitude value A is input.

<実施例1>
次に、本発明の実施例1を説明する。本実施例1では、コンクリートの道路橋を計測対象の構造物として、当該道路橋の振動を振動検出部10により計測する。
<Example 1>
Next, Example 1 of the present invention will be described. In the first embodiment, the vibration of the road bridge is measured by the vibration detection unit 10 using a concrete road bridge as a structure to be measured.

このとき、振動検出部10は、増幅回路を内蔵する圧電素子から構成され、感度が20[mV/(m/s)]を持っていた。また、MPU22は、処理ビット数が8ビットのアナログ−デジタル変換手段を含み、最大クロック数が25MHzの市販品を用いた。また、レギュレータ24aは第1電圧5[V]を供給し、そのときの分解能は0.020[V]、レギュレータ24bは第2電圧3.3[V]を供給し、そのときの分解能は0.013[V]、レギュレータ24cは第3電圧1.8[V]を供給し、そのときの分解能は0.007[V]であった。 At this time, the vibration detection unit 10 is composed of a piezoelectric element incorporating an amplifier circuit, and has a sensitivity of 20 [mV / (m / s 2 )]. The MPU 22 includes an analog-to-digital converter having a processing bit number of 8 bits, and a commercially available product having a maximum clock number of 25 MHz. The regulator 24a supplies the first voltage 5 [V], the resolution at that time is 0.020 [V], the regulator 24b supplies the second voltage 3.3 [V], and the resolution at that time is 0. 0.013 [V], the regulator 24c supplied the third voltage 1.8 [V], and the resolution at that time was 0.007 [V].

そして、振動検出部10を幅3000[mm]、長さ20000[mm]、厚さ4000[mm]のコンクリート床板の裏面に固定し、床板の上面を車両が通過した際の計測データを取得した。   And the vibration detection part 10 was fixed to the back surface of the concrete floor board of width 3000 [mm], length 20000 [mm], and thickness 4000 [mm], and the measurement data when a vehicle passed the upper surface of the floor board was acquired. .

このような条件で、計測レンジを最大5.0[V]に設定し(レギュレータ24aを選択)、サンプリング周波数1kHzで測定した。この計測レンジは、加速度に換算すると250[m/s]まで計測できる。 Under such conditions, the measurement range was set to a maximum of 5.0 [V] (regulator 24a was selected), and measurement was performed at a sampling frequency of 1 kHz. This measurement range can be measured up to 250 [m / s 2 ] in terms of acceleration.

解析においては、コンクリート床板の軸方向の一次曲げ振動に着目した。有限要素法による簡易的なモデルを用いた計算では、この軸方向の一次曲げ振動の周期は、30[ms]程度である。
そこで、減衰特性曲線K2を導出するための特性導出時間を100[ms]に設定した。
In the analysis, we focused on the primary bending vibration of the concrete floor slab in the axial direction. In the calculation using a simple model by the finite element method, the period of the primary bending vibration in the axial direction is about 30 [ms].
Therefore, the characteristic derivation time for deriving the attenuation characteristic curve K2 is set to 100 [ms].

図4は、このような設定条件の下で計測した計測データを示した図である。横軸は計測時刻、縦軸は計測データを示している。   FIG. 4 is a diagram showing measurement data measured under such setting conditions. The horizontal axis represents measurement time, and the vertical axis represents measurement data.

計測データは、時刻が350[ms]で最大振幅値Amaxを示した。即ち、基準時間は、350[ms]であった。そして、計測データは、この基準時間の経過後は減衰した。   The measurement data showed a maximum amplitude value Amax at a time of 350 [ms]. That is, the reference time was 350 [ms]. The measurement data was attenuated after this reference time.

そこで、基準時間から特性導出時間(100[ms])の間の計測データを用いて、減衰特性曲線K2を算出した。この減衰特性曲線K2を第1減衰特性曲線K2_1と記載する。   Therefore, the attenuation characteristic curve K2 was calculated using measurement data from the reference time to the characteristic derivation time (100 [ms]). This attenuation characteristic curve K2 is referred to as a first attenuation characteristic curve K2_1.

この第1減衰特性曲線K2_1から時刻540[ms]の振幅値A(t)は、1.1[V]と予測できた。
現在MPU22には、第1電圧5[V]のレギュレータ24aが接続されている。従って、予測された電圧値(1.1[V])は、給電電圧5[V]に対して22%(=1.1/5*100)となる。給電電圧が計測レンジに比例する構成であるので、予測された計測データは最大振幅値(Amax)の30%以下である。
From the first attenuation characteristic curve K2_1, the amplitude value A (t) at time 540 [ms] could be predicted to be 1.1 [V].
Currently, a regulator 24 a having a first voltage of 5 [V] is connected to the MPU 22. Therefore, the predicted voltage value (1.1 [V]) is 22% (= 1.1 / 5 * 100) with respect to the power supply voltage 5 [V]. Since the power supply voltage is proportional to the measurement range, the predicted measurement data is 30% or less of the maximum amplitude value (Amax).

これにより計測時間が時刻540[ms]に達すると、現在の給電電圧より低い電圧のレギュレータ24が選択されて、計測レンジの切換えが行われた。即ち、第1電圧5[V]のレギュレータ24aから第2電圧3.3[V]のレギュレータ24bに切換えられた。   Thus, when the measurement time reaches time 540 [ms], the regulator 24 having a voltage lower than the current power supply voltage is selected, and the measurement range is switched. That is, the regulator 24a having the first voltage 5 [V] is switched to the regulator 24b having the second voltage 3.3 [V].

そして、計測レンジの切換後に検出した最大振幅値を検出し、このときの基準時間から特性導出時間(100[ms])の間の計測データを用いて減衰特性曲線K2_2が算出された。   Then, the maximum amplitude value detected after switching of the measurement range was detected, and the attenuation characteristic curve K2_2 was calculated using the measurement data from the reference time at this time to the characteristic derivation time (100 [ms]).

この減衰特性曲線K2_2を用いて計測開始から時刻750[ms]の振幅値A(t)は、0.2[V]と予想された。   Using this attenuation characteristic curve K2_2, the amplitude value A (t) at time 750 [ms] from the start of measurement was expected to be 0.2 [V].

この予測された振幅は、第2電圧3.3[V]の6%(=0.2/3.3*100)に相当する。そこで、MPU22は、現在の給電電圧より低い電圧のレギュレータ24cに切換えることで、計測レンジを切換える。即ち、第2電圧3.3[V]のレギュレータ24bから第3電圧1.5[V]のレギュレータ24cに切換える。   This predicted amplitude corresponds to 6% (= 0.2 / 3.3 * 100) of the second voltage 3.3 [V]. Therefore, the MPU 22 switches the measurement range by switching to the regulator 24c having a voltage lower than the current power supply voltage. That is, the regulator 24b having the second voltage 3.3 [V] is switched to the regulator 24c having the third voltage 1.5 [V].

この結果、計測開始から時刻750[ms]以降において、分解能は0.007[V]となり、振幅値が0.01[V]の計測データが計測できるようになる。この0.01[V]の振幅値は、0.5[m/s]の加速度に対応しおり、これにより高精度な解析が可能となった。 As a result, after time 750 [ms] from the start of measurement, the resolution is 0.007 [V], and measurement data with an amplitude value of 0.01 [V] can be measured. The amplitude value of 0.01 [V] corresponds to an acceleration of 0.5 [m / s 2 ], which enables highly accurate analysis.

また、比較のため上述の計測条件下、従来の手法についてもデータ分析を試みた。そして、時刻750[ms]以降の微少振動が正確に取得できているか否を調べた。この結果を図5に示す。   For comparison, data analysis was also attempted for the conventional method under the measurement conditions described above. And it was investigated whether the minute vibration after the time 750 [ms] was acquired correctly. The result is shown in FIG.

図5より、微少振動(加速度0.5[m/s])は、本実施形態にかかる計測手法では検出できたが、従来の計測手法では検出できなかったことがわかる。このことは、本実施形態にかかる計測手法の有効性を示している。 From FIG. 5, it can be seen that minute vibrations (acceleration 0.5 [m / s 2 ]) could be detected by the measurement method according to the present embodiment, but could not be detected by the conventional measurement method. This indicates the effectiveness of the measurement method according to the present embodiment.

<実施例2>
次に、本発明の実施例2を説明する。本実施例2では、本番の計測に先立ち減衰特性曲線K2を導出して、当該減衰特性曲線K2に基づき計測レンジの切換を行った。
<Example 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In Example 2, the attenuation characteristic curve K2 was derived prior to the actual measurement, and the measurement range was switched based on the attenuation characteristic curve K2.

即ち、本番の計測に先立ち、複数回の計測を行い、そのときに得られた計測データの平均値を平均計測データとした。そして、この平均計測データを用いて減衰特性曲線K2を導出した。平均か処理により、高周波のノイズ成分が抑圧されるため、減衰特性曲線K2も真値に近い曲線となる。従って、正確な計測レンジの切換が行える。   That is, prior to the actual measurement, a plurality of measurements were performed, and the average value of the measurement data obtained at that time was used as the average measurement data. The attenuation characteristic curve K2 was derived using the average measurement data. Since the high frequency noise component is suppressed by averaging or processing, the attenuation characteristic curve K2 is also a curve close to the true value. Therefore, accurate measurement range switching can be performed.

計測レンジが最大レンジになるように、レギュレータ24選択する。そして、この計測レンジで計測を5回行い、加算平均して平均計測データを取得した。減衰特性曲線K2は、式1に従い平均計測データから算出した。   The regulator 24 is selected so that the measurement range becomes the maximum range. Then, measurement was performed 5 times in this measurement range, and averaged data was obtained by averaging. The attenuation characteristic curve K2 was calculated from the average measurement data according to Equation 1.

この減衰特性曲線K2では、振幅値Aは、最大振幅値Amaxの基準時間から200[ms]後に1.0[V]に減衰し、さらに400[ms]後に0.2[V]に減衰した。   In this attenuation characteristic curve K2, the amplitude value A is attenuated to 1.0 [V] after 200 [ms] from the reference time of the maximum amplitude value Amax, and further attenuated to 0.2 [V] after 400 [ms]. .

そこで、レギュレータ24aを200[ms]後にレギュレータ24bに切換えて第2電圧3.3[V]が供給されるようにした。また、400[ms]後にレギュレータ24bに切換えて第3電圧1.8[V]が供給されるようにした。   Therefore, the regulator 24a is switched to the regulator 24b after 200 [ms] so that the second voltage 3.3 [V] is supplied. In addition, the third voltage 1.8 [V] is supplied by switching to the regulator 24b after 400 [ms].

この結果、時刻800[ms]以降において、分解能は0.007[V]となり、振幅値が0.01[V]の計測データが計測できるようになった。なお、0.01[V]の振幅値は0.5[m/s]の加速度に対応するので、高精度な解析が可能であることを示すことができた。 As a result, after time 800 [ms], the resolution becomes 0.007 [V], and measurement data with an amplitude value of 0.01 [V] can be measured. Since the amplitude value of 0.01 [V] corresponds to the acceleration of 0.5 [m / s 2 ], it was possible to show that high-precision analysis is possible.

<実施例3>
次に、計測対象となる構造物の減衰率を既知の定数として与えて減衰特性曲線K2を導出した実施例3を説明する。
<Example 3>
Next, a third embodiment in which the attenuation characteristic curve K2 is derived by giving the attenuation rate of the structure to be measured as a known constant will be described.

コンクリート床板を構造物とした場合、その軸方向の一次曲げ振動における減衰率σは、一般的に0.2から0.4の間をとる。
そこで、減衰率を0.3として減衰特性曲線K2を導出した。この減衰特性曲線K2を用いて基準時間から200[ms]の振幅値A(t)は1.0[V]、さらに400[ms]の振幅値A(t)は0.2[V]と予測できた。
When the concrete floor board is a structure, the attenuation factor σ in the primary bending vibration in the axial direction is generally between 0.2 and 0.4.
Therefore, an attenuation characteristic curve K2 was derived with an attenuation rate of 0.3. Using this attenuation characteristic curve K2, the amplitude value A (t) of 200 [ms] from the reference time is 1.0 [V], and the amplitude value A (t) of 400 [ms] is 0.2 [V]. I was able to predict.

そこで、この予測に基づきレギュレータ24aを200[ms]にレギュレータ24bに切り換えて第2電圧3.3[V]が供給されるようにした。また、400[ms]にレギュレータ24cに切り換えて第3電圧1.8[V]が供給されるようにした。   Therefore, based on this prediction, the regulator 24a is switched to the regulator 24b at 200 [ms] so that the second voltage 3.3 [V] is supplied. Further, the third voltage 1.8 [V] is supplied by switching to the regulator 24c at 400 [ms].

この結果、800[ms]以降において、分解能が0.007[V]となり、振幅値が0.01[V]の計測データが計測できるようになった。なお、0.01[V]の振幅値は0.5[m/s]の加速度に対応するので、高精度な解析が可能であることを示すことができた。 As a result, after 800 [ms], the resolution is 0.007 [V], and measurement data with an amplitude value of 0.01 [V] can be measured. Since the amplitude value of 0.01 [V] corresponds to the acceleration of 0.5 [m / s 2 ], it was possible to show that high-precision analysis is possible.

<実施例4>
次に、予め取得した計測データに対してFastFourieVrransform(FFT)処理を行って、構造物の固有振動数を導出した場合を説明する。計測データは、この固有振動数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通過させることにより、高周波ノイズ等の不要な周波数成分が除去される。そして、不要成分が除去された計測データを用いて減衰特性曲線K2を導出し、この減衰特性曲線K2を用いて計測レンジを切換えた。
<Example 4>
Next, a case will be described in which FastFourierVrform (FFT) processing is performed on previously acquired measurement data to derive the natural frequency of the structure. The measurement data is passed through a band-pass filter having the natural frequency as the center frequency, thereby removing unnecessary frequency components such as high-frequency noise. Then, the attenuation characteristic curve K2 was derived using the measurement data from which unnecessary components were removed, and the measurement range was switched using the attenuation characteristic curve K2.

計測データに対してFFT処理した結果、構造物(コンクリート床板)の固有振動数は30Hzと見積もることができた。なお、有限要素法を用いて、このコンクリート床板の軸方向の一次曲げ振動の固有振動数は32Hzであった。そこで、通過帯域が20Hzから40Hzのバンドパスフィルタを用いて、計測データから不要成分を除去した。   As a result of performing FFT processing on the measurement data, the natural frequency of the structure (concrete floorboard) was estimated to be 30 Hz. In addition, using the finite element method, the natural frequency of the primary bending vibration in the axial direction of the concrete floor board was 32 Hz. Therefore, unnecessary components were removed from the measurement data using a bandpass filter having a passband of 20 Hz to 40 Hz.

このようにして得られた計測データを用いて、特性導出時間を100[ms]として減衰特性曲線K2を導出した。この減衰特性曲線K2から200[ms]の振幅値は0.9[V]と予測され、400[ms]の振幅値は0.1[V]と予測された。   Using the measurement data obtained in this way, the attenuation characteristic curve K2 was derived with the characteristic deriving time of 100 [ms]. From this attenuation characteristic curve K2, the amplitude value of 200 [ms] was predicted to be 0.9 [V], and the amplitude value of 400 [ms] was predicted to be 0.1 [V].

そこで、レギュレータ24aを200[ms]後にレギュレータ24bに切換えて、第2電圧3.3[V]が供給されるようにした。また、400[ms]後にレギュレータ24cに切換え、第3電圧1.8[V]が供給されるようにした。   Therefore, the regulator 24a is switched to the regulator 24b after 200 [ms] so that the second voltage 3.3 [V] is supplied. Further, after switching to 400 [ms], switching to the regulator 24c is made so that the third voltage 1.8 [V] is supplied.

この結果、800[ms]以降において、分解能が0.007[V]となり、振幅値が0.01[V]の計測データが計測できるようになった。なお、0.01[V]の振幅値は0.5[m/s]の加速度に対応するので、高精度な解析が可能であることを示すことができた。 As a result, after 800 [ms], the resolution is 0.007 [V], and measurement data with an amplitude value of 0.01 [V] can be measured. Since the amplitude value of 0.01 [V] corresponds to the acceleration of 0.5 [m / s 2 ], it was possible to show that high-precision analysis is possible.

以上、実施形態(及び実施例)を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態(及び実施例)に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。   While the present invention has been described with reference to the embodiments (and examples), the present invention is not limited to the above embodiments (and examples). Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.

2 計測装置
10 振動検出部
20 レンジ切換処理部
21 アナログフィルタ
22 マイクロコンピュータ(MPU)
22a アナログ/デジタル変換手段
22b 減衰特性算出手段
22c 計測レンジ判断手段
22d 計測レンジ切換手段
23 出力部
24(24a〜24c) レギュレータ
30 電源
2 Measuring Device 10 Vibration Detection Unit 20 Range Switching Processing Unit 21 Analog Filter 22 Microcomputer (MPU)
22a Analog / digital conversion means 22b Attenuation characteristic calculation means 22c Measurement range judgment means 22d Measurement range switching means 23 Output unit 24 (24a to 24c) Regulator 30 Power supply

Claims (10)

計測レンジの切換えが可能な計測装置であって、
構造物の振動を検出し、当該検出結果をアナログ信号の計測データとして出力する振動検出部と、
前記計測データに基づき前記計測レンジを判断して切換えるレンジ切換処理部と、を備え、
前記レンジ切換処理部は、
アナログ信号の前記計測データを設定された計測レンジでデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、
前記計測データの減衰特性を算出する減衰特性算出手段と、
前記減衰特性に基づき前記計測レンジを判断する計測レンジ判断手段と、
前記計測レンジ切換手段の判断結果に応じて前記計測レンジの切換えを行う計測レンジ切換手段と、を含むことを特徴とする計測装置。
A measuring device capable of switching the measurement range,
A vibration detector that detects the vibration of the structure and outputs the detection result as measurement data of an analog signal;
A range switching processing unit that determines and switches the measurement range based on the measurement data, and
The range switching processing unit
Analog / digital conversion means for converting the measurement data of the analog signal into a digital signal in a set measurement range;
An attenuation characteristic calculating means for calculating an attenuation characteristic of the measurement data;
Measurement range determining means for determining the measurement range based on the attenuation characteristics;
And a measurement range switching means for switching the measurement range in accordance with a determination result of the measurement range switching means.
請求項1に記載の計測装置であって、
前記減衰特性算出手段は、前記計測データの包絡線を求め、これを減衰特性曲線とすることを特徴とする計測装置。
The measuring device according to claim 1,
The attenuation characteristic calculating means obtains an envelope of the measurement data and uses it as an attenuation characteristic curve.
請求項1に記載の計測装置であって、
前記減衰特性算出手段は、本番の測定に先だって予め行われる複数回の計測により得られた前記計測データを加算平均化処理してなる平均計測データの包絡線を減衰特性曲線として算出することを特徴とする計測装置。
The measuring device according to claim 1,
The attenuation characteristic calculation means calculates an envelope of average measurement data obtained by performing an averaging process on the measurement data obtained by a plurality of measurements performed in advance prior to the actual measurement as an attenuation characteristic curve. A measuring device.
請求項1に記載の計測装置であって、
前記減衰特性算出手段は、予め取得設定された前記構造物の減衰率を用いて前記計測データの包絡線を算出し、これを減衰特性曲線として算出することを特徴とする計測装置。
The measuring device according to claim 1,
The measurement apparatus characterized in that the attenuation characteristic calculation means calculates an envelope of the measurement data using an attenuation rate of the structure acquired and set in advance, and calculates this as an attenuation characteristic curve.
請求項1に記載の計測装置であって、
前記減衰特性算出手段は、自己回帰モデルを用いて減衰率を算出し、該減衰率を用いて前記減衰特性曲線を導出することを特徴とする計測装置。
The measuring device according to claim 1,
The measurement apparatus characterized in that the attenuation characteristic calculation means calculates an attenuation rate using an autoregressive model and derives the attenuation characteristic curve using the attenuation rate.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の計測装置であって、
前記計測レンジ判断手段は、前記減衰率特性に基づき所定時間後の振幅値が、予め設定したレンジ切換条件を満たすと予測される時間を判断し、当該時間となるタイミングでレンジ切換を行うことを特徴とする計測装置。
It is a measuring device given in any 1 paragraph of Claims 1 thru / or 5,
The measurement range determination means determines a time at which an amplitude value after a predetermined time is predicted to satisfy a preset range switching condition based on the attenuation rate characteristic, and performs range switching at a timing corresponding to the time. A characteristic measuring device.
請求項6に記載の計測装置であって、
前記レンジ切換条件は、予め設定された最大振幅値に対する減少率又は、減少幅であることを特徴とする計測装置。
It is a measuring device of Claim 6, Comprising:
The range switching condition is a reduction rate or a reduction range with respect to a preset maximum amplitude value.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の計測装置であって、
前記計測レンジ切換手段は、前記アナログ/デジタル変換手段に供給される電圧を変えることによりレンジ切換を行うことを特徴とする計測装置。
The measurement device according to any one of claims 1 to 7,
The measurement apparatus according to claim 1, wherein the measurement range switching means performs range switching by changing a voltage supplied to the analog / digital conversion means.
計測レンジを自動設定する際の計測レンジ切換方法であって、
構造物の振動を検出してアナログ信号の計測データとして出力し、
アナログ信号の前記計測データを計測開始時には最大の計測レンジでデジタル信号に変換し、
前記最大の計測レンジでデジタル信号に変換された計測データを用いて減衰特性を算出し、
前記減衰特性に基づき前記計測レンジを判断し、
判断した前記計測レンジでアナログ信号の前記計測データをデジタル信号に変換することを特徴とする計測レンジ切換方法。
A measurement range switching method for automatically setting the measurement range,
Detects vibration of the structure and outputs it as analog signal measurement data.
The measurement data of the analog signal is converted into a digital signal with the maximum measurement range at the start of measurement,
Calculate the attenuation characteristics using the measurement data converted into a digital signal in the maximum measurement range ,
Determining the measurement range based on the attenuation characteristics;
A measurement range switching method, wherein the measurement data of an analog signal is converted into a digital signal in the determined measurement range.
請求項9に記載の計測レンジ切換方法であって、
前記計測データの包絡線を求め、これを減衰特性曲線とすることを特徴とする計測レンジ切換方法。
The measurement range switching method according to claim 9, wherein
A measurement range switching method, wherein an envelope of the measurement data is obtained and used as an attenuation characteristic curve.
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