JPH0365844B2

JPH0365844B2 -

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Publication number: JPH0365844B2
Application number: JP58211185A
Authority: JP
Priority date: 1983-11-09
Filing date: 1983-11-09
Publication date: 1991-10-15
Also published as: JPS60102517A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景この発明は、光、放射線、電子線、電磁波、圧
力、流量、加速度、温度、超音波、表面弾性波、
その他の物理量をセンサによつて電気信号に変換
し、この電気信号を所定時間帯にわたつて積分す
ることにより上記物理量を測定する積分形測定法
に関する。

この積分形測定法では、一般的に言つて、物理
量→センサによる電気信号への変換→増幅→積分
という処理が行なわれる。第１ａ図および第１ｂ
図にある物理量の時間変化の様子とその積分値と
が示されている。積分時間帯Ｔは物理量の立上り
の時点（ta）からほぼ零になる時点（tc）までの
間に設定されている。積分形測定法はノイズに強
いという特徴をもつている。たとえば物理量また
はその電気変換信号に鎖線Ａで示すようなノイズ
が生じたとしても、その積分値はI_Aで示すように
積分途中で変化するだけで、時間帯Ｔが経過した
時点における最終的な積分値I_Tには変化がない。
しかしながら、センサ、増幅器等のドリフトによ
つて物理量信号のレベルが破線Ｂで示すように上
下にシフトすると、その積分値はI_Bで示すように
変化してしまうという問題があり、このドリフト
による誤差は無視し得ない。

発明の概要この発明は、積分形測定法において、積分され
るべき信号にドリフトによるレベル変動が生じて
も高い精度を保つことができるようにすることを
目的とする。

この目的を達成するためにこの発明は、時間が
経過するとレベルが変化する被測定電気信号を２
つの異なる積分時間帯で積分し、一方の積分値と
所定数倍された他方の積分値との間で減算を行な
い、この減算結果を測定値とすることを特徴とす
る。

第１ａ図および第１ｂ図に示す例に即して具体
的にいうと次のようになる。積分されるべき物理
量（被測定電気信号）をＶ（ｔ）とすると、上述
の積分値I_Tは次式で与えられる。

I_T＝∫^tc _taＶ（ｔ）dt …(1) この発明の方法によると２つの積分時間帯T1
（ta〜tb）、T2（tb〜tc）が設定される。信号Ｖ
（ｔ）のドリフト量が積分時間帯Ｔ（ta〜tc）で一
様であると仮定しかつ最も単純化して表現する
と、この発明の方法による測定値Ｉは次式で表わ
される。

Ｉ＝∫^tb _taＶ（ｔ）dt−n∫^tc _tbＶ（ｔ）dt …(2) ただしｎ＝tb−ta／tc−tb …(3) 現実にはドリフト量は測定される物理量の大き
さ（物理量を表わす電気信号のレベル）に応じて
変化するので、第(2)式において、ｎに代えてnα
を用いるとよい。ここでαは削減すべき誤差と得
られる測定値Ｉの大きさとを考慮して定められ
る。第１図に示すような波形の場合にはα＜１と
するとよい。

第(2)式および第(3)式の意味を具体的に説明す
る。

第１ｃ図は、分りやすくするために、被測定電
気信号を単純化して三角波状として示すものであ
る。また、２つの積分時間帯を等しく設定してい
る（T1＝T2、すなわちｎ＝１）。被測定電気信
号のレベルがドリフトにより変動し、実線で示す
波形から破線で示す波形に変化したとする。この
ときのレベル変動量εは全積分時間帯Ｔにおいて
一様であると仮定する。

第(2)式は、ｎ＝１であるから、次のように表わ
される。

Ｉ＝∫^tb _taＶ（ｔ）dt−∫^tc _tbＶ（ｔ）dt…（２−１
）被測定電気信号のレベルがドリフトにより変動
した場合（破線で示す波形）には、第（２−１）
式右辺第１項は、第１ｃ図に示す台形ABJIの面
積を、同第２項は台形BCKJの面積をそれぞれ表
わしている。

平行四辺形ABEDの面積N₁とBCFEの面積N₂
は等しい。これらの面積N₁およびN₂はそれぞれ
積分時間帯T1およびT2におけるドリフトによつ
て生じる誤差を表わしている。

また、台形EFKJの面積S₂はドリフトがないと
きの積分時間帯T2における測定値を表わしてい
る。面積S₁₀は面積S₂の台形EFKJを積分時間帯
T1に移動させてできる台形GHJIの面積を表わし
ている。これらの面積S₂とS₁₀とは等しい。

第（２−１）式右辺第１項は、面積N₁と、面
積S₁₀と、残りの平行四辺形DEHGの面積S₀との
和である。第（２−１）式右辺第２項は面積N₂
とS₂との和である。

したがつて、第（２−１）式は、Ｉ＝N₁＋S₁₀＋S₀−(N₂+S₂)＝S₀ …(2-2) となる。

レベル変動がない場合（実線で示す波形）に
は、第（２−１）式は、Ｉ＝S₀＋S₁₀−S₂＝S₀ …(2-3) となる。

いずれの場合にも、測定値Ｉは平行四辺形
DEHGの面積S₀によつて表わされる。レベル変
動に基づく積分時間帯T1の誤差N₁と積分時間帯
T₂の誤差N₂とが相殺されている。

このようにして、ドリフトに基づくレベル変動
の測定値Ｉに対する影響が排除される。

レベル変動に基づく誤差、すなわち平行四辺形
ABEDの面積N₁とBCFEの面積N₂の比は２つの
積分時間帯T1とT2の比に比例するので、第(2)式
ではこの比N₁／N₂＝T1／T2＝ｎを右辺第２項
に乗じている訳である。

実際には被測定電気信号は三角波状ではないこ
とが多く、またレベル変動εは一様ではないこと
が多い。第１ｄ図は一般化した波形およびそのレ
ベル変動を表わすものである。ここでも簡単化の
ためにT1＝T2に設定されている。

積分時間帯T1における誤差N₁と積分時間帯T2
における誤差N₂とは等しくない。そこで適当な
係数αを用いてN₁＝αN₂となるようにする、ま
たはN₁−αN₂ができるだけ小さくなるようにす
る。

一般に被測定電気信号のレベルが低いときには
ドリフト量は多くなる。第(2)式の右辺第２項の積
分時間帯T2としてレベルの低い時間帯を選択し
たときにはαは１より小さい値に設定される。

さらに、得られる測定値Ｉ（第１ｃ図に示す面
積S₀に相当する）の大きさを考慮することが好ま
しい。第(2)式では減算をしているので、右辺第２
項が大きくなればなるほど測定値Ｉは小さくなる
からである。測定値Ｉが小さくなるとＳ／Ｎ比が
悪くなるおそれがある。

第１ｅ図に示すように、ドリフトがないときの
積分時間帯T1の積分値をS₁、積分時間帯T2の積
分値をS₂とする。

第(2)式は適当な係数αを用いて次のように表わ
される。

Ｉ＝(S₁+N₁)−nα(S₂+N₂) …(2-4) この測定値ＩのＳ／Ｎ比は（S₁−nαS₂）／
（N₁−nαN₂）で表わされる。Ｓ／Ｎ比の分母
（N₁−nαN₂）は充分小さいので、分子が適当な
大きさであればＳ／Ｎ比を大きくすることが可能
である。

上記Ｓ／Ｎ比、測定値Ｉの大きさ等を考慮して
最終的に積分時間帯T1、T2および係数αを定め
ればよいことになる。

以上のようにして、この発明ではドリフトによ
る信号のレベル変動によつて生じる誤差を積分値
相互間の減算によつて削減しているから、Ｓ／Ｎ
比を高くし、レベル変動に影響されることなく精
度の高い測定が可能となる。積分法であるから、
ノイズに強いのは言うまでもない。

積分の方法には多種ある。最も簡単には、信号
をアナログ的に直接積分する積分回路を用いれば
よい。デイジタル的に処理する場合には、信号を
適当な時間間隔でサンプリングし、AD変換した
のちサンプリング・データをメモリに記憶してお
き、記憶されたサンプリング・データを加算すれ
ばよい。これはたとえば中央処理装置（以下
CPUと言う）、好ましくはマイクロプロセツサに
よつて制御される。さらに積分手段として、信号
をその大きさに応じた周波数のパルス信号に変換
するＶ／Ｆ変換回路と、Ｖ／Ｆ変換回路の出力パ
ルスを所定時間帯にわたつて計数する計数手段と
から構成されたものを用いることも可能である。
上記計数手段としてはカウンタまたはマイクロプ
ロセツサが使用されよう。

２つの積分時間帯の設定にもいくつかのやり方
がある。その１つは、上述のように積分時間帯
T1（ta〜tb）、T2（tb〜tc）をらかじめ設定してお
く方法である。これは、第２図に示すように、被
測定信号が周期的に現われる場合に有効である。
積分時間帯T1、T2は２種類のタイミング・パル
スP11、P12によつて定めることができ、これら
のタイミング・パルスによつて積分手段を制御す
ることができる。タイミング・パルスP21、P22
で示すように、時間帯T1とT2とを分離して設け
てもよいのはいうまでもない。

被測定信号は上述のように指数関数的に減少す
る波形に限らず、第３図に示すような矩形波であ
つても、サイン波形であつてもよく、この発明は
任意の波形の信号に適用可能である。

積分時間帯を定めるもう１つの方法は、被測定
信号のレベルを利用するものであり、この方法は
非周期的な信号に好適である。第４図に示されて
いるように、基準レベルI_Sで被測定信号Ｖ（ｔ）
をレベル弁別し、Ｖ（ｔ）≧I_Sの時間帯をT1、Ｖ
（ｔ）＜I_Sの時間帯をT2とする。各時間帯におけ
る信号Ｖ（ｔ）の積分値をそれぞれ∫_T1Ｖ（ｔ）dt、
∫_T2Ｖ（ｔ）dtとすると、測定値Ｉは次式で表わさ
れる。

Ｉ＝∫_T1Ｖ（ｔ）（dt）−m∫_T2Ｖ（ｔ）dt …(4) ただしｍ＝時間帯T1の総和／時間帯T2の総和 …(5) 時間帯T1の総和（総時間）は、タイミング・
パルスP31によつてゲートを制御し、このパルス
P31がＨレベルにあるときに入力するクロツク・
パルスを計数することにより求めることができ
る。時間帯T2の総和についても同様である。

第４図に示されているような急峻なピークをも
つ信号に対しては、上述したＶ／Ｆ変換の手法を
用いて積分することが好ましい。

実施例の説明この実施例は螢光体を応用した光温度測定法で
ある。第５図に示すように、螢光体に一定光量の
励起光を照射すると螢光体からは螢光および残光
が発生する。励起されている間に発光される光が
螢光で、励起が停止した時点以降に発光され、時
間とともに減衰する光が残光である。螢光体の置
かれた雰囲気の温度によつて、螢光発光強度と残
光時間が変化する。第５図に波形Ａにおいて実線
で示されているものが温度Tm1における波形、
破線で示されているもので温度Tm2における波
形である。ここでTm1＜Tm2の関係にある。一
般に、発光輝度は温度が低いほど高くなり、残光
時間も長くなる傾向がある。発光輝度および／ま
たは残光時間を直接に測定する代わりに、螢光お
よび／または残光信号の積分値（ハツチングで示
されている部分の面積、積分時間帯Ｔ）（積分光
量）を測定することができ、この積分光量もまた
温度の関数となる。第５図Ａは残光時間の代わり
に残光積分光量を求めるようにした例であり、第
５図Ｂは発光輝度と残光時間の測定に代えて螢光
および残光の積分光量を求めている。これらでは
いずれも積分時間帯Ｔがあらかじめ定められてい
る。第５図Ｃもまた螢光と残光の積分光量を求め
ているが、積分時間Ｔは基準レベルI_Sによつて定
められている。

第６図は、螢光および／または残光の積分光量
の温度特性を示している。使用される螢光体につ
いて、種々の温度に対してその積分光量があらか
じめ測定され、既知関係として第６図に示すよう
な特性があらかじめ設定されている。測定された
積分光量がこの温度特性と比較されることにより
温度が求められる。

第７図は上記のような螢光体応用温度測定にお
ける２つの積分時間帯の設定方法の一例を示して
いる。励起光の立上りの時点をt0、励起光の立下
りの時点をt1、測定温度範囲内の最も低い温度に
おいて残光がほとんど消滅する時点をt2とする。

Ａの積分時間帯は残光積分光量を測定しようと
する場合であり、時点t1とt2との丁度中間に時点
t4を設定し、時間帯T1＝t1〜t4、T2＝t4〜t2と
している。両時間帯T1、T2の長さは等しい。し
たがつて、測定値はＩ＝∫^t4 _t1Ｖ（ｔ）dt−∫^t2 _t4Ｖ（ｔ）dt …(6) となる。

Ｂは時間t1〜t2を５等分し、T1＝t1〜t6、T2
＝t6〜t2、T1＝4T2となるように時点t6を設定し
た場合である。測定値は次式で表わされよう。

Ｉ＝∫^t6 _t1Ｖ（ｔ）dt−4∫^t2 _t6Ｖ（ｔ）dt …(7) Ｃは螢光および残光の積分光量を測定する場合
の積分時間帯の設定例である。時点t0〜t1間に時
点t3を設定し、T1＝t3〜t4、T2＝t6〜t2、T1＝
4T2とする。測定値はＩ＝∫^t4 _t3Ｖ（ｔ）dt−4∫^t2 _t6Ｖ（ｔ）dt …(8) となる。測定値としては絶対値を必ずしも必要と
しないから（もちろん第６図に示す既知関数の測
定条件と同じにすることはいうまでもない）、第
(8)式は次のように変形してもよい。

Ｉ＝1/4∫^t4 _t3Ｖ（ｔ）dt−∫^t2 _t6Ｖ（ｔ）dt …(9) ＤはT1＝t3〜t4、T2＝t5〜t2、T1＝2T2とし
た場合である。測定値は次式で与えられる。

Ｉ＝∫^t4 _t3Ｖ（ｔ）dt−2∫^t2 _t5Ｖ（ｔ）dt …(10) またはＩ＝1/2∫^t4 _t3Ｖ（ｔ）dt−∫^t2 _t5Ｖ（ｔ）dt …(11) なお、上述の係数４、1/4、２、1/2は必要に応
じてα（１に近い値）倍にしてもよい。

第８図は温度測定装置の構成を、第１０図はそ
の動作をそれぞれ示している。光フアイバ１の先
端に所定の螢光体２が取付けられ、温度プロープ
が構成されている。この温度プロープは、その先
端が温度測定すべき雰囲気中にまたは物体に接触
した状態で配置される。CPU１０によつて制御
されるタイミング発生回路４からは３種類のタイ
ミング・パルス信号P1、P2、P3が出力される。
パルスP1は、発光器３を駆動させるためのもの
であつて、一定周期Taで出力される（第５図参
照）。この周期Taは、測定範囲内のすべての温度
において、螢光体２から発光された残光が完全に
消失するのに充分な時間に設定されている。パル
スＰ１が入力すると発光器３から励起光が出さ
れ、光フアイバ１を通つて螢光体２に照射され
る。この励起によつて螢光体２から発光された螢
光および残光はフアイバ１を伝搬し、ビーム・ス
プリツタ９を介して取出され、受光器５によつて
受光される。受光器５の検知信号は前置増幅器６
で増幅されたのち、サンプル・ホールド回路７に
入力する。受光器５は、螢光および残光のみを検
知し、励起光を検知しないように分光感度特性を
もつものが使用されるか、または受光器５の前面
に励起光を遮断し螢光および残光のみの通過を許
すフイルタが設けられる。

発光器３からの励起光は光源モニタ１５の受光
素子（図示略）によつても受光される。励起光の
モニタリングのタイミングはパルスP2によつて
定まる。パルスP2はパルスP1と同時に立上り、
パルスP1の立下りよりも前に立下る。パルスP2
の出力時点における励起光強度が検出され、この
検出信号にもとづいて励起光強度が常に一定にな
るよう発光器３が制御される（制御回路は図示
略）。

タイミング発生回路４から出力されるタイミン
グ・パルス（サンプリング・パルス）P3は、第
１０図に示すように、時間帯t3〜t2の間でｎ個出
力される。各パルスP3の出力された時点をa₀、
a₁、a₂、…、ai、…、aj、…、anとする。またパ
ルスP3の周期をΔtとする。この周期Δtはアナロ
グ・デジタル（AD）変換器１２のAD変換動作
時間より若干長く設定されている。

タイミング・パルスP3は、サンプル・ホール
ド回路７およびAD変換器１２に送られる。受光
器５によつて検知された光信号はサンプル・ホー
ルド回路７でそのレベルがパルスP3ごとにホー
ルドされる。この回路７の出力は増幅回路８で増
幅されたのちAD変換器１２に送られ、時間Δtの
間にデジタル信号に変換されて、RAM１１にス
トアされる。

RAM１１には、第９図に示すように、AD変
換されたサンプリング・データを記憶するエリヤ
およびパルスP1の繰返し回数Ｍを記憶するエリ
ヤが設けられている。この実施例においては、螢
光体２の励起がＭ回繰返され、各時点のサンプリ
ング・データの積算平均にもとづいて測定値が求
められる。サンプリング・データ・エリヤには、
サンプリング時点a₀〜anごとに、第１回目の励
起から第Ｍ回目の励起におけるサンプリング・デ
ータ、それらのＭ回の積算値および平均値を記憶
する場所が設けられている。またROM１３に
は、第６図に示す螢光および残光積分光量の温度
特性がたとえばテーブルの形で記憶されている。

第８図に示す温度測定装置はCPU１０によつ
て制御される。このCPU１０の制御および温度
演算処理手順が第１１図に示されている。まず
CPU１０からパルスP1の出力指令がタイミング
発生回路４に出力され、かつCPU１０内のタイ
マによつて周期Taの計時が開始される（ステツ
プ２１）。回路４からパルスP1、P2が出力され、
かつパルスP2の立下りの時点からパルスP3が出
力される。CPU１０では、時間Taが経過するま
で待つ（ステツプ２２）。

この間に上述したように、螢光体２が励起さ
れ、その後螢光体２から発光された螢光および残
光がパルスP3ごとにサンプリングされ、かつAD
変換されたのち、このデータが各サンプリング時
点ごとにRAM１１内のその繰返し回数に応じた
記憶場所にストアされる。Taを計時しているタ
イマがタイム・アツプすると、RAM１１内の繰
返し回数Ｍが−１され（ステツプ２３）、この結
果が０になつたかどうかが検査される（ステツプ
２４）。Ｍ＝０でなければ、再びステツプ２１に
戻り、同様に螢光体２の励起と発光信号のサンプ
リングが繰返される。

Ｍ回の発光の測定が終了すると、RAM１１内
のＭ回分のサンプリング・データが、各サンプリ
ング時点ごとに積算され（ステツプ２５）、その
Ｍ回の平均が算出される（ステツプ２６）。そし
て、第１の積分時間帯T1に属するすべてのサン
プリング時点の平均値が加算されて積分時間帯
T1における積分値が算出されるba（ステツプ２
７）。同じように第２の積分時間帯T2に属するサ
ンプリング時点の平均値が加算されて時間帯T2
における積分値が算出される（ステツプ２８）。
たとえば、第７図にＣで示されるやり方が採用さ
れた場合には、T1＝t3〜t4のサンプリング・デ
ータの平均値（サンプリング時点a₀〜ai）が加算
されて時間帯T1における積分値∫^t4 _t3Ｖ（ｔ）dtが算
出される（ステツプ２７）。またT2＝t6〜t2のサ
ンプリング・データの平均値（サンプリング時点
aj〜an）が加算されて時間帯T2における積分値
∫^t2 _t6Ｖ（ｔ）dtが算出される（ステツプ２８）。そ
の後、第(8)式または第(9)式にもとづいて測定値Ｉ
が算出される（ステツプ２９）。最後に算出され
た測定値が、螢光および残光積分光量の温度関数
と比較され、温度が算出される（ステツプ３０）。

螢光体として赤外−可視変換螢光体YF₃：Yb、
Erを、発光器として赤外発光ダイオード（Si：
GaAs、ピーク波長940nm）をそれぞれ用いて第
８図に示すような装置で、第７図Ａのやり方で温
度測定を行なつた結果、単に積分値を求める方法
に比べて、この発明による方法によると誤差は約
１／３以下に減少し、測定のばらつきは±0.1〜0.2
％であつた。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図および第１ｂ図は従来の積分形測定法
を説明するためのグラフ、第１ｃ図から第１ｅ図
はこの発明による積分形測定法を説明するための
グラフ、第２図から第４図はこの発明における積
分時間帯の決定方法を示すための波形図、第５図
は励起光と、螢光体から発光した螢光および残光
とを示す波形図、第６図は螢光および残光積分光
量の温度特性を示すグラフ、第７図は積分時間帯
の例を示す図、第８図はこの発明の実施例を示す
ブロツク図、第９図はRAMおよびROMの内容
を示す図、第１０図は、第８図に示す回路の動作
を示すタイム・チヤート、第１１図はCPUの動
作を示すフロー・チヤートである。１…光フアイバ、２…螢光体、３…発光器、４
…タイミング発生回路、５…受光器、７…サンプ
ル・ホールド回路、１０…CPU、１１…RAM、
１３…ROM、１２…AD変換器。

Claims

【特許請求の範囲】１時間が経過するとレベルが変化する被測定電
気信号を２つの異なる積分時間帯で積分し、一方
の積分値と所定数倍された他方の積分値との間で
減算を行ない、この減算結果を測定値とする積分
形測定法。２被測定電気信号を所定時間間隔でサンプリン
グし、このサンプリング・データをメモリに記憶
しておき、記憶されたサンプリング・データを加
算することにより積分値を求める。特許請求の範
囲第１項記載の積分形測定法。３被測定電気信号を積分回路を用いて積分す
る、特許請求の範囲第１項記載の積分形測定法。４被測定電気信号をその大きさに応じた周波数
のパルス信号にＶ／Ｆ変換し、Ｖ／Ｆ変換後のパ
ルスを計数することにより積分値を求める、特許
請求の範囲第１項記載の積分形測定法。５２つの積分時間帯を基準時点から定める、特
許請求の範囲第１項記載の積分形測定法。６被測定電気信号を基準レベルで弁別して２つ
の積分時間帯を定める、特許請求の範囲第１項記
載の積分形測定法。