JP6806932B1 - 静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、被測定部材の歪みを測定するための静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサを提供する。【解決手段】当該センサは、摺動溝と摺動片を含み、摺動溝は固定端に固定され、摺動溝の内側底部にセンサアレイが配置され、摺動片は被測定部材に固定接続され、摺動片の下端部は摺動溝の内側底部に接触する。摺動片がセンサアレイを通過すると、対応する１つの電気信号が出力され、当該信号が示すセンサアレイにおけるセンサユニットの番号と出力電流の大きさから、摺動片が通過したセグメントの数と単一のセンサアレイにおけるセンサユニットを通過した距離が得られて、さらに構造歪みを求めることができる。セグメント変位計では、他の歪み測定装置に比べ、構造が簡単で、応用範囲が広く、測定精度が高く、電源を別途提供する必要がないなどのメリットを有し、電気信号による歪みの標定の結果が安定しないという問題を創造的に解決できる。【選択図】図１

Description

本発明は、静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサ装置に関する。

構造の歪み試験は、エンジニアが構造の最適化設計を行い、構造の受力状態を把握し、構造の安全性を保証するための重要な一環である。現在の土木工事業界では、歪み測定機器は、橋梁、鉄道、土手及び様々な建築施設の歪みの測定に広く用いられている。現在よく用いられる歪み測定機器は、主にダイヤルゲージ歪みゲージ、抵抗歪みゲージ、振動ワイヤセンサなどがある。

ここで、ダイヤルゲージ歪みゲージを採用する場合、マーキング長さ及び取付けの制限によって、実用上、大きく制限される。抵抗歪みゲージを採用する場合、非線形であり、出力信号が弱く、干渉防止能力が低く、環境に大きく影響され、部材の表面における１つの点のある方向に沿った歪みしか測定することができず、全域的な測定ができない。振動ワイヤセンサを採用する場合、センサ材料及び加工プロセスに対する要求が高く、且つ測定精度が低い。

本発明が解決しようとする技術的課題は、歪みの測定に使用可能な静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサであって、エネルギーを別途供給する必要なく、被測定部材の変形エネルギーを電気エネルギーに変換して電気信号として出力することが可能であるとともに、精度が高く、応用範囲が広く、加工しやすく、コストが低く、操作が簡単である特徴を有する静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサを提供することである。

技術的課題を解決するために、本発明が採用する技術案は、以下の通りである。即ち、被測定部材の歪みを測定するための静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサにおいては、Ｕ字形の摺動溝を含み、摺動溝の上端には、開口するとともに、摺動片が挿されており、摺動片と摺動溝の底面とは、平行であり、長さが等しく、前記摺動片の底面には、前記摺動片に垂直な摺動板が固定され、摺動板は、前記摺動片の摺動方向に垂直し、前記摺動溝は、頂面の一端が接続部材により被測定部材に固定され、前記摺動溝の底面には、前記摺動板に平行な複数の帯状センサユニットからなるセンサアレイが配置され、前記摺動片は、摺動溝の他端から挿入され、末端が被測定部材に固定され、前記摺動板の下端にも帯状センサユニットを有し、前記センサアレイにおけるセンサユニット及び摺動板の下端におけるセンサユニットは、いずれも金属電極層と誘電体材料層とが順に配置されているように構成され、且つ、前記センサアレイにおけるセンサユニットの誘電体材料層と、摺動板の下端におけるセンサユニットの誘電体材料層とは、互いに接触し且つ極性が逆である。摺動板の下端における金属電極層は、電流計に接続された後、並列接続される複数の指示灯に接続され、且つ、各指示灯は、センサアレイにおける１つのセンサユニットの金属電極層にそれぞれ接続されている。

さらに、前記接続部材は、接着剤により被測定部材に固定されている。

さらに、前記指示灯と前記電流計とは、いずれも前記摺動溝の裏面に集積されている。

さらに、前記摺動溝、前記摺動片及び前記摺動板は、いずれも絶縁材料で作られている。

さらに、センサアレイにおける各センサユニットは、幅が同じであり、且つ隣り合う２つのセンサユニット間における間隔は、センサユニットの幅と同じである。摺動板の厚さは、前記センサユニットの幅と同じである。

さらに、t時点の歪み値は、ε(t)=Δx(t)/l₁で計算して得られ、ただし、Δx(t)はt時点の変位量を表し、l₁は摺動溝（１）の長さを表す。
Δx(t)=Δx₁(t)＋Δx₂(t)であり、Δx₁(t)は粗変位を表し、指示灯の位置によって特定され、Δx₂(t)は、微細変位を表し、電流値に応じて特定される。
Δx₁(t)=(｜k｜-1)×l₀であり、kは点灯した指示灯の番号を表し、l₀はセンサユニットの幅を表す。
Δx₂(t)=f(IR_k)であり、R_kは第k番目の指示灯の抵抗を表し、Iは電流の表示数を表し、f( )は互いに接触する２つのセンサユニット間の変位と出力電圧との関数関係式である。

本発明が奏する有益な効果は以下の通りである。本発明は、部材に歪みが生じるときの力学的法則を力−電気変換特性に従って電気信号に変換し、この装置における信号処理装置を通過することによって、出力装置により歪みの大きさを電気信号で表示して出力することができる。他の歪み測定装置に比べ、静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサは、構造が簡単であり、応用範囲が広く、測定精度が高く、別途電源を提供する必要がなく、コストが低いメリットなどを有するとともに、電気信号に従って標定される変位の結果が不安定である問題を創造的に解決する。

静電式自己エネルギー供給歪みセンサの構造図である。 図１に示す歪みセンサの被測定部材での取付け概略図である。 図２に示す取付け概略図の圧縮歪み測定状態である。 図２に示す取付け概略図の引張歪み測定状態である。 図１に示す変位センサが電気信号測定に用いられる回路図である。

以下、図面を参照しながら，発明の具体的な技術案をさらに説明する。
本発明は、被測定部材の歪みを測定するための静電式自己エネルギー供給歪みセグメント電極センサを提供し、当該センサは、Ｕ字形の摺動溝１を含み、摺動溝１の上端には、開口するとともに、摺動片２が挿されており、摺動片２と摺動溝１の底面とは平行で、その長さが等しく、前記摺動片２の底面には、前記摺動片２に垂直な摺動板２１が固定され、摺動板２１は、前記摺動片の摺動方向に垂直であり、前記摺動溝１は、頂面の一端が接続部材３により被測定部材に固定され、摺動溝１の底面には、前記摺動板２１に平行な複数の帯状センサユニットからなるセンサアレイが配置され、前記摺動片２は、摺動溝１の他端から挿入され、末端が被測定部材に固定され、前記摺動板２１の下端にも帯状センサユニットを有し、前記センサアレイにおけるセンサユニット及び摺動板の下端におけるセンサユニットは、いずれも金属電極層と誘電体材料層とが順に配置されているように構成され、且つ、前記センサアレイにおけるセンサユニットの誘電体材料層と、摺動板の下端におけるセンサユニットの誘電体材料層とは、互いに接触し且つ極性が逆である。摺動板２１の下端における金属電極層は、電流計に接続された後、並列接続される複数の指示灯に接続され、且つ、各指示灯は、センサアレイにおける１つのセンサユニットの金属電極層にそれぞれ接続されている。

取付け方は、図２に示される（摺動溝１の左端は接続部材３により被測定部材に固定され、摺動片の右端は接続部材３により被測定部材に固定されている）。電気信号測定装置及び関連する接続導線は、摺動溝の底部に集積されている。接続部材は、いずれも接着剤により被測定部材に固定されている。

センサアレイにおける各センサユニットの幅は同じであり、且つ隣り合う２つのセンサユニット間の間隔は、センサユニットの幅と同じである。摺動板の厚さは、前記センサユニットの幅と同じであり、測定に便利になる。

本発明に係る静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサによる歪み測定の原理は、以下の通りである。

図５に示すように、本構造においてセンサアレイにおけるそれぞれのセンサユニットは、いずれも番号を有し、真ん中から両側へ対称に番号が付され、摺動溝から離れる矩形接続ブロック側に、番号が1番からn番である。摺動溝に近い矩形接続ブロック側に、番号が-1から-n番である。センサアレイにおけるセンサユニット毎にも対応的に１つの指示灯を有し、指示灯の番号は、当該センサユニットの番号と同じである。摺動片の下端におけるセンサユニットがそれぞれ導線によりセンサアレイにおけるセンサユニットのそれぞれに接続されることで、１つの指示回路が形成され、各指示回路は、互いに独立し、互いに影響せず、並列接続され、且つそれぞれの回路にはいずれも対応する指示灯が設けられている。当該検出回路の主幹回路に電流計が配置されている。摺動片がセンサアレイにおけるk番目のセンサユニットを通過すると、一定の電位差が生じるようになり、このとき、当該センサユニットと摺動片の下端におけるセンサユニットとを１つの独立電源として見なすことができ、当該電源により電気を供給することで、対応する指示灯を点灯させることができる。センサアレイにおけるセル毎の長さをl₀とし、k番目の指示灯が点灯すると、部材の第１変位量Δx₁(t)=(｜k｜-1)×l₀と得ることができる。番号が負である指示灯が点灯すると、被測定物体が圧縮されたことを示し、番号が正である指示灯が点灯すると、被測定物体が引張されたことを示す。

上述したように、摺動片がセンサアレイにおけるk番目のセンサユニットを通過するとき、対応的に１つのI(t)が出力される。各指示灯の抵抗がいずれもRであると、計算して電圧V(t)=R×｜I(t)｜と得ることができる。以下のように得られるV(t)とx(t)の関係式から、部材の第２変位量Δx₂(t)を求めることができる。

図３に示す被測定物体が圧縮歪み測定状態にあることを例とし、ある時点tのとき、部材の圧縮量はx(t)であり、即ち、第１電極層と第２電極層との相対変位量はx(t)である。

静電式自己エネルギー供給変位センサでは、２種類の誘電体材料は、厚さがそれぞれd₁及びd₂であり、両者の比誘電率はそれぞれεr₁及びεr₂である。x(t)は、２種類の誘電体材料が塗布された電極板間の相対変位を表す。変位センサ装置が動作するとき、x(t)は0から最大まで変化する。誘電体材料が塗布される２つの電極板に相対変位がないと（即ち、x(t)=0）、電極板が充電され、２つの電極板の表面が、逆の静電荷を取得し、等しい電荷密度σを有する（接触摩擦による電荷密度）。２つの電極板に相対変位が生じると、電荷は外部回路を介して電流を生成する。負荷抵抗がＲであるとき、電荷量Qの式は以下の式（１）の通りである。

（１）
ただし、d₀=d₁/εr₁+d₂/εr₂であり、d₀は誘電体材料の等価厚さであり、lは電極板に塗布される誘電体材料の長さであり、wは単一のセンサユニットにおける誘電体材料の幅であり、ε₀は真空誘電率である。
従って、電圧は以下の式（２）で示すことができる。

（２）

式（１）、（２）を連立して、電圧と変位量x(t)がある時点tにマッピング関係を有することを得ることができ、即ち、ある時点tに、電圧V(t)を測定することにより、この時点の変位量を得ることができ、測定回路によって変位の大きさを電気信号として表すことができる。

図４に示す被測定物体が引張歪み測定状態にある原理は、上記説明と同じである。

このとき、変位総量Δx(t)=Δx₁(t)+Δx₂(t)を得ることができる。初期歪みセンサの初期表記をl₁とすると、当該構造の歪みをε=Δx(t)/l₁として得ることができる。

１ 摺動溝
２ 摺動片
２１ 摺動板
３ 接続部材
l₀ センサにおいて１つのグリッド電極とその隣接するセグメントの幅との和
l₁ 歪みセンサの初期表記
Δx(t) 部材の引張量／短縮量
Δx₁(t) 部材の第１変位量
Δx₂(t) 部材の第２変位量。

Claims (6)

1. 被測定部材の歪みを測定するための静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサであって、Ｕ字形の摺動溝（１）を含み、摺動溝（１）の上端には、開口するとともに、摺動片（２）が挿されており、摺動片（２）と摺動溝（１）の底面とは平行で、その長さが等しく、前記摺動片（２）の底面には、前記摺動片（２）に垂直な摺動板（２１）が固定され、摺動板（２１）は、前記摺動片の摺動方向に垂直であり、前記摺動溝（１）は、頂面の一端が接続部材（３）により被測定部材に固定され、摺動溝（１）の底面には、前記摺動板（２１）に平行な複数の帯状センサユニットからなるセンサアレイが配置され、前記摺動片（２）は、摺動溝（１）の他端から挿入され、末端が被測定部材に固定され、前記摺動板（２１）の下端にも帯状センサユニットを有し、前記センサアレイにおけるセンサユニット及び摺動板の下端におけるセンサユニットは、いずれも金属電極層と誘電体材料層とが順に配置されてなるように構成され、且つ、前記センサアレイにおけるセンサユニットの誘電体材料層と、摺動板の下端におけるセンサユニットの誘電体材料層とは、互いに接触し、且つ極性が逆であり、摺動板（２１）の下端における金属電極層は、電流計に接続された後、並列接続される複数の指示灯に接続され、且つ各指示灯は、センサアレイにおける１つのセンサユニットの金属電極層にそれぞれ接続されていることを特徴とする静電式自己エネルギー供給歪みグリッドセンサ。
2. 前記接続部材（３）は、接着剤により被測定部材に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記指示灯と前記電流計とは、いずれも前記摺動溝の裏面に集積されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 前記摺動溝、前記摺動片及び前記摺動板は、いずれも絶縁材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. センサアレイにおける各センサユニットは、幅が同じであり、且つ隣り合う２つのセンサユニット間における間隔は、センサユニットの幅と同じであり、
   摺動板（２１）の厚さは、前記センサユニットの幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
6. t時点の歪み値は、次の式で計算して得られ、
   ε(t)=Δx(t)/l₁
   ただし、Δx(t)は、t時点の変位量を表し、l₁は、摺動溝（１）の長さを表し、
   Δx(t)=Δx₁(t)+Δx₂(t)であり、Δx₁(t)は、粗変位を表し、指示灯の位置によって特定され、Δx₂(t)は、微細変位を表し、電流値に応じて特定され、
   Δx₁(t)=(｜k｜-1)×l₀であり、kは、点灯した指示灯の番号を表し、l₀は、センサユニットの幅を表し、
   Δx₂(t)=f(IR_k)であり、R_kは、k番目の指示灯の抵抗を表し、Iは、電流の表示数を表し、f( )は、互いに接触する２つのセンサユニット間の変位と出力電圧との関数関係式であることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。

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