JPH0821751A - 全方向圧力、変位、ひずみ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定装置自身に方位・傾斜測定機能と圧力、
変位、ひずみ測定機能とを持たせ、測定装置を任意の方
向、任意の傾斜に設置可能とした。 【構成】 第１座標系２の三軸方向にそれぞれ配置され
た傾斜角センサ４，及び方位角センサ５と、該第１座標
系２と相互に座標変換可能の第２座標系３の三軸方向
に、それぞれ配置された圧力センサ６及び変位センサ７
と、これら各センサで測定されたアナログ電気信号を入
力するＡ／Ｄ変換器８と、該Ａ／Ｄ変換器８により変換
されたデジタル電気信号を入力する演算装置９と、該演
算装置９により演算された傾斜角を入力して相互に接続
される記憶装置１１および制御装置１０と、該記憶装置
１１および制御装置１０により出力される電気信号を変
換する表示変換装置１３と、該表示変換装置１３により
変換された出力を表示する表示装置１４とを具えたこと
を特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地盤中、岩盤中、特殊
条件下（例えば流れがある）の気体又は流体中の任意の
点において作用している圧力や変位、ひずみの作用方向
と大きさを測定するための全方向圧力、変位、ひずみ測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来地盤中、岩盤中、及び特殊条件下の
気体又は流体中の任意の点において作用している圧力量
や変位量やひずみ量を測定するには、測定装置を既知の
３軸方向に挿入して測定し、数学的な演算により測定値
が最大あるいは最小を示す方向を求める方法で測定して
いた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来方法では、測定装置を正確に設置しないと精度が得
られない事、及び設置後に測定装置が移動、回転を生じ
た場合には測定結果の信頼性は全く得られない事などの
問題点があった。本発明はかかる問題点に対処するため
開発されたものであって測定装置自身に方位・傾斜測定
機能と、圧力、変位、ひずみ測定機能とを持たせ、測定
装置を任意の方向、任意の傾斜で設置した場合において
も、測定される圧力、変位、ひずみの最大値、最小値を
数学的な演算により求めることができるようにすること
を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】相互の座標の関係が既知
の第１座標系のＸ，Ｙ，Ｚ方向に傾斜角センサおよび方
位角センサを配置し、第２座標系のｘ，ｙ，ｚ方向に圧
力センサあるいは変位センサあるいはひずみセンサをそ
れぞれ配置する。これらのセンサの出力を加工しデジタ
ル変換する回路を経て、演算装置に伝送する。同演算装
置が、傾斜角、方位角、圧力、変位、ひずみの大きさと
作用方向を演算する。また、この演算結果を所望の表示
法に変換する表示変換装置、および変換された測定値を
表示する表示装置、データを記憶する記憶装置、および
変換された測定値を表示する表示装置、データを記憶す
る記憶装置、外部機器にデータを転送するインターフェ
ース回路を設ける。

【０００５】

【作用】傾斜角センサ、方位角センサ、圧力センサ、変
位センサ、ひずみセンサより出力されたデータは、増
幅、デジタル化され、あらかじめ指示された手順により
演算処理を施される。この結果を、表示変換装置により
所望の表示法に変換し、変換された測定値を表示装置に
表示し、記憶装置に格納する。必要に応じて外部機器に
記憶装置の内容の転送を行ない、収納したデータの一括
処理を行なう。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて説
明する。図１において、１は電源、２は第１座標系、３
は第２座標系で示されるセンサ部、８はＡ／Ｄ変換器、
９は演算装置、１０は制御装置、１１は記憶装置、１２
は外部入出力装置、１３は表示変換装置、１４は表示装
置である。

【０００７】第１座標系と第２座標系は既知の関係に設
置され、座標変換により相互の値が変換可能である。第
１座標系２において、４_X ，４_{Y ,} ４_Z はそれぞれ直交
するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に設置された傾斜角センサ、５
_{X ,} ５_Y ，５_Z は方位角センサ、Ａ_{X ,} Ａ_{Y ,}Ａ_Z は傾
斜角センサの出力電気信号、Ｍ_{X ,} Ｍ_{Y ,} Ｍ_Z は方位角
センサの出力電気信号である。また、Ａ′_{X ,} Ａ′_{Y ,}
Ａ′_Z 、Ｍ′_{X ,} Ｍ′_{Y ,} Ｍ′_Z は、デジタル信号に変
換後の傾斜角センサおよび方位角センサの電気信号であ
る。

【０００８】第２座標系３において、６_{x ,} ６_y ，６_z
はそれぞれ直交するｘ，ｙ，ｚ軸方向に設置された圧力
センサ、７_{x ,} ７_y ，７_z は変位センサあるいはひずみ
センサ、Ｋ_{x ,} Ｋ_y ，Ｋ_z は圧力センサの出力電気信
号、Ｌ_{x ,} Ｌ_y ，Ｌ_z は変位センサあるいはひずみセン
サの出力電気信号である。また、Ｋ′_{x ,} Ｋ′_y ，Ｋ′
_z 、Ｌ′_{x ,} Ｌ′_y ，Ｌ′_z は、デジタル信号に変換後
の圧力センサおよび変位センサあるいはひずみセンサの
電気信号である。

【０００９】γ_i は水平面上での方位角度、ω_i は水平
面よりの傾斜角度、ρ_i は圧力ベクトルの大きさ、κ_i
は圧力ベクトルの水平面上の方位角度、λ_i は圧力ベク
トル水平面よりの傾斜角度、ε_i は変位あるいはひずみ
ベクトルの大きさ、μ_i は変位あるいはひずみベクトル
の水平面上の方位角度、ν_i は変位あるいはひずみベク
トルの水平面よりの傾斜角度、γ′_i は制御後の水平面
上での方位角度、ω′ _i は制御後の水平面よりの傾斜角
度、ρ′_i は制御後の圧力ベクトルの大きさ、κ′_i は
制御後の圧力ベクトルの水平面上の方位角度、λ′_i は
制御後の圧力ベクトル水平面よりの傾斜角度、ε′_i は
制御後の変位あるいはひずみベクトルの大きさ、μ′_i
は制御後の変位あるいはひずみベクトルの水平面上の方
位角度、ν′_i は制御後の変位あるいはひずみベクトル
の水平面よりの傾斜角度である。

【００１０】このような装置において、各傾斜角センサ
４_X ，４_{Y ,} ４_Z 、各方位角センサ５_{X ,} ５_Y ，５_Z 、
各圧力センサ６_{x ,} ６_y ，６_z 、各変位センサあるいは
ひずみセンサ７_{x ,} ７_y ，７_z 、および各回路に電力を
供給する。傾斜角センサ、方位角センサ、圧力センサ、
変位センサあるいはひずみセンサで測定された電気信号
Ａ_{X ,} Ａ_{Y ,} Ａ_Z 、Ｍ_{X ,} Ｍ_{Y ,} Ｍ_Z 、Ｋ_{x ,} Ｋ_y ，Ｋ
_z、Ｌ_{x ,} Ｌ_y ，Ｌ_z は、Ａ／Ｄ変換器８に入力され
る。

【００１１】Ａ／Ｄ変換器８によりデジタル信号に変換
された電気信号Ａ′_{X ,} Ａ′_{Y ,} Ａ′_Z 、Ｍ′_{X ,} Ｍ′
_{Y ,} Ｍ′_Z 、Ｋ′_{x ,} Ｋ′_y ，Ｋ′_z 、Ｌ′
_{x ,} Ｌ′_y ，Ｌ′_z は、演算装置９に入力され、演算装
置は数学的な演算により、重力方向と直角をなす水平面
上での真北の方位角あるいは地磁気の方位角γ_i 、およ
び水平面となす傾斜角ω_i 、圧力ベクトルの大きさρ_i
および圧力ベクトルの水平面上の方位角度κ_i 、および
圧力ベクトル水平面よりの傾斜角度λ_i 、および変位あ
るいはひずみベクトルの大きさε_i 、および変位あるい
はひずみベクトルの水平面上の方位角度μ_i 、および変
位あるいはひずみベクトルの水平面よりの傾斜角度ν_i
を計算し、記憶装置１０および制御装置１１に出力す
る。

【００１２】制御装置１０は、測定データを直接または
間接的に制御する場合に、測定者の判断に応じて、切り
替え装置により作動、非作動を切り替えることができ
る。制御装置１０は、記憶装置１１とデータの交換が可
能であり、制御装置１０または記憶装置１１より出力さ
れた電気信号は表示変換装置１３により変換され、表示
装置１４に表示される。

【００１３】記憶装置１０は、外部入出力装置１２との
電気信号の交換により、外部の電気機器と接続、データ
の交換が可能である。図２は本発明の実施例を示す。本
実施例で、１は電源、２は各センサを含めた第１座標
系、３は各センサを含めた第２座標系、４はＡ／Ｄ変換
器であり、これらは一体の球形の殻１５に収納されてお
り、コネクタ１６を介して、通信回線１７により測定部
に測定データを伝送する。

【００１４】測定部は、演算装置９、制御装置１０、記
憶装置１１、表示変換装置１３などを一体とした回路基
盤と、外部入出力装置１２、表示装置１４を具備してい
る。次に本発明の説明をする。第１座標系、第２座標系
をそれぞれをＯＸＹＺ、Ｏｘｙｚとし、各々の局所座標
系の関係は既知のものとする。空間上の水平面とこれに
直行する軸とで構成され三軸座標系をＯξηζとする。

【００１５】空間座標系Ｏξηζと装置の座標系ＯＸＹ
Ｚの関係を計算する。 （ａ）空間座標系Ｏξηζと座標系Ｏａｂｃにおいて、
η軸の回りに任意角β回転した場合の座標系の関係は、 ξ＝ａ・ｃｏｓβ−ｃ・ｓｉｎβ η＝ｂ ζ＝ａ・ｓｉｎβ＋ｃ・ｃｏｓβ で示される。（図−３） （ｂ）次に座標系Ｏａｂｃと機器座標系ＯＸＹＺにおい
て、ａ軸の回りに任意角α回転した場合の座標系の関係
は、 ａ＝Ｘ ｂ＝Ｙ・ｃｏｓα＋Ｚ・ｓｉｎα ｃ＝−Ｙ・ｓｉｎα＋Ｚ・ｃｏｓα で示される。（図−４） （ｃ）以上の関係より、空間座標系Ｏξηζと装置の座
標系ＯＸＹＺの関係は以下のように示される。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、右辺第１項は座標変換マトリック
スであり以下のように示される。

【００１８】

【数２】

【００１９】図−５，図−６に示すように重力ベクトル
Ｇの方向は、空間座標系Ｏξηζにおいてζ軸と常に一
致する。座標系ＯＸＹＺにおいて、測定される重力ベク
トルＧの各成分ベクトルをＧ_x，Ｇ_y ，Ｇ_z とし、空間
角をそれぞれφ，χ，ψとすると、

【００２０】

【数３】

【００２１】ｃｏｓφ＝Ｇｘ／Ｇ，ｃｏｓχ＝Ｇｙ／
Ｇ，ｃｏｓψ＝Ｇｚ／Ｇ φ＝ｃｏｓ^-1（Ｇｘ／Ｇ），χ＝ｃｏｓ^-1（Ｇｙ／
Ｇ），ψ＝ｃｏｓ^-1（Ｇｚ／Ｇ） となり、極の傾斜角はψで示される。また、座標系Ｏξ
ηζとＯＸＹＺにおけるＧ（ζ）とＧｘ，Ｇｙ，Ｇｚと
の関係は、

【００２２】

【数４】

【００２３】ゆえに、 Ｇｘ＝Ｇ・ｓｉｎβ Ｇｙ＝−Ｇ・ｓｉｎα・ｃｏｓβ Ｇｚ＝Ｇ・ｃｏｓα・ｃｏｓβ β＝ｓｉｎ^-1（Ｇｘ／Ｇ）ｏｒ β＝ｔａｎ^-1｛−（Ｇ
ｘ／Ｇｙ）ｓｉｎα｝ α＝ｔａｎ^-1（−Ｇｙ／Ｇｚ） つぎに、空間座標系Ｏξηζにおけるｚ軸の方向を求め
る。

【００２４】Ｏｘｙｚ軸における各軸方向成分ベクトル
を空間座標系Ｏξηζに変換した値をＧξ，Ｇη，Ｇζ
とすると、

【００２５】

【数５】

【００２６】ξ軸とｚ（ζ）軸の水平面に投影したベク
トルＧＨとの方向角をδとすると、 ｔａｎδ＝Ｇη／Ｇξ δ＝ｔａｎ^-1（Ｇη／Ｇξ） 更に方位ベクトルの水平面上の方位角は図−７，図−８
に示すように、方位ベクトルＮの座標系Ｏｘｙｚにおけ
る各成分ベクトルをＮｘ，Ｎｙ，Ｎｚとすると、方位ベ
クトルの大きさは、

【００２７】

【数６】

【００２８】座標系ＯＸＹＺの各成分ベクトルを空間座
標系Ｏξηζに変換した場合の各成分ベクトルＮξ，Ｎ
η，Ｎζとの関係は、

【００２９】

【数７】

【００３０】空間座標系Ｏξηζにおける方位ベクトル
Ｎ（ξηζ）の水平面ξηへの投影をＮＨ（ξηζ）と
し、このベクトルとξ軸とのなす角をθとすると、 ｔａｎθ＝Ｎη／Ｎξ θ＝ｔａｎ^-1（Ｎη／Ｎξ） 以上の計算により、未知数α，β，δ，θ，φ，χ，ψ
は求まり、測定対象面の極の方位角、傾斜角は計算可能
となる。

【００３１】以上の計算を応用することにより、圧力、
変位（ひずみ）の最大・最小値は、ｘ，ｙ，ｚ軸におけ
る各成分ベクトルの合成により求めることができる。ま
た、その方位と傾斜は、座標系Ｏｘｙｚと座標系ＯＸＹ
Ｚを座標変換マトリックスにより関連付け、同様の計算
を施すことにより求めることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によるときは
三次元空間上で方向性を持って作用する圧力、変位、ひ
ずみの大きさと方向を測定し出力するものであるから地
盤中、岩盤中、特殊条件下の気体中、流体中の任意の点
において作用している圧力や変位を測定でき、更に本発
明によるときは第１座標系の各々直交する三軸方向にそ
れぞれ配置された傾斜角センサ、及び方位角センサと、
該第１座標系と相互に座標変換可能の第２座標系の各々
直交する三軸方向に、それぞれ配置された圧力センサ及
び変位センサあるいはひずみセンサと、これら各センサ
で測定された電気信号を入力するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ
／Ｄ変換器によりデジタル変換された電気信号を入力し
て方位角、傾斜角、圧力ベクトルの大きさと傾斜角・傾
斜方位、変位ベクトルあるいはひずみベクトルの大きさ
とその傾斜角・傾斜方位を演算処理する演算装置と、測
定データを直接的または間接的に制御する制御装置と、
外部の電気機器に接続してデータ交換の可能な記憶装置
と、上記制御装置または記憶装置から出力された電気信
号を、所望の表示法に合わせて交換する表示変換装置
と、上記表示変換装置により変換された測定値を表示す
る表示装置を具え、測定装置自身が方位、傾斜測定機能
を有して測定装置自身を任意の方向、任意の傾斜で設置
した場合においても測定される圧力、変位、ひずみの最
大値、最小値を数字的な演算により求めることができ測
定精度の向上が図られることができる等の効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック線図である。

【図２】本発明の一実施例を示す概略図である。

【図３】空間座標系Ｏξηζを示す説明図である。

【図４】空間座標系Ｏａｂｃを示す説明図である。

【図５】座標系ＯＸＹＺを示す説明図である。

【図６】座標系Ｏξηζを示す説明図である。

【図７】座標系ＯＸＹＺにおける方位ベクトルの説明図
である。

【図８】座標系Ｏξηζにおける方位ベクトルの説明図
である。

【符号の説明】

２ 第１座標系 ３ 第２座標系 ４ 傾斜角センサ ５ 方位角センサ ６ 圧力センサ ７ 変位センサ ８ Ａ／Ｄ変換器 ９ 演算装置 １０ 制御装置 １１ 記憶装置 １２ 外部入出力装置 １３ 表示変換装置 １４ 表示装置

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年７月２１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来方法では、測定装置を正確に設置しないと精度が得
られない事、及び設置後に測定装置が移動、回転を生じ
た場合には測定結果の信頼性は全く得られない事などの
問題点があった。本発明はかかる問題点に対処するため
開発されたものであって測定装置自身に方位・傾斜測定
機能と、圧力、変位、ひずみ測定機能とを持たせ、測定
装置を任意の方向、任意の傾斜で設置した場合において
も、測定される圧力、変位、ひずみの最大値、最小値お
よびその作用方向を数学的な演算により求めることがで
きるようにすることを目的とする。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｄ 21/00 Ｄ Ｇ０１Ｌ 5/00 Ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定器自身に方位・傾斜測定機能と、圧
   力・変位あるいはひずみ測定機能を持たせて、三次元空
   間上で方向性を持って作用する圧力、変位、ひずみの大
   きさと方向を測定し出力することを特徴とする全方向圧
   力、変位、ひずみ測定装置。
2. 【請求項２】 第１座標系の各々直交する三軸方向に配
   置され、傾斜角を計測し電気信号として出力する三軸型
   傾斜角センサ、および方位角を計測し電気信号として出
   力する三軸型方位角センサと、第２座標系の各々直交す
   る三軸方向に配置され、圧力を計測する三軸型圧力セン
   サあるいは変位を計測する三軸型変位センサ、あるいは
   ひずみを計測する三軸型ひずみセンサと、上記各センサ
   の出力する信号を加工しデジタル値で出力するＡ／Ｄ変
   換器と、上記出力に基づいて、傾斜角および方位角およ
   び圧力あるいは変位あるいはひずみの大きさと作用方向
   を演算処理する演算装置と、測定データを直接的または
   間接的に制御する制御装置と、外部の電気機器と接続し
   てデータの交換の可能な記憶装置と、上記制御装置また
   は記憶装置より出力された電気信号を所望の表示法に合
   わせて変換する表示変換装置と、上記表示変換装置によ
   り変換された測定値を表示する表示装置とを具えたこと
   を特徴とする請求項１の全方向圧力、変位、ひずみ測定
   装置。