JPS5829468B2 - カンノウインピ−ダンスソシ オ シヨウスル ソクテイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は測定対象の状態変化を感応インピーダンス素子
のインピーダンス値の変化を高感度に検出することので
きる感応インピーダンス素子を使用する測定装置に関す
る。

感応インピーダンス素子には渦流を検出するコイル、サ
ーミスタ等の感温素子、部材の歪によるインピーダンス
変化を検出する抵抗線歪計等がある。

これらの感応インピーダンス素子は、例えば金属の状態
変化、即ち傷による材質、温度、電気伝導度、透磁率の
変化をそのインピーダンス値の変化として感応するもの
である。

このような感応インピーダンス素子を用いた装置には、
例えば第１図に示す如き渦流探傷器がある。

第１図について簡単に説明すると、発振器１５からの基
準信号を増幅器２を介して増幅する。

この増幅した基準信号を第２図に詳記する渦流探傷用の
検出コイルＬＡ。

ＬＢを含んだブリッジ回路２に印加する。

このブリッジ回路２は被測定金属Ｍに近接配置され、上
記金属Ｍの傷等による状態変化をコイルＬＡ 。

ＬＢのインピーダンス値変化として検出し、他のブリッ
ジ辺をなすインピーダンス素子ＺＡ、ＺＢとによる平衡
検出を行うものである。

そして、このブリッジ回路２による検出信号を増幅器３
を介して同期検波回路６に入力し、前記発振器１５から
移相回路４を介した信号によって同期検波する。

しかるのち同期検波出力をｒ波回路７を介してＰ波する
ことにより前記金属Ｍの状態変化を検出コイルＬＡ、Ｌ
Ｂのインピーダンス値変化から検出しようとするもので
ある。

このような探傷器にあって、検出を高感度に行う為、検
出コイルＬＡ、ＬＢ にコンテンプを付加し、試験周波
数において共振させることが多くの効果を期待すること
が知られている。

しかしながら、このような共振手段を講じた場合、その
共振周波数においてのみ顕著な効果が発揮される。

また上記共振周波数のＱが高い場合、周波数変動の影響
が大きく現われ、また感応インピーダンス素子を変更す
る場合には煩雑な再調整を要する等の不都合があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、測定対象の状態変化に感応する
感応インピーダンス素子のインピーダンス値の変化を高
感度に検出することができ、しかも周波数に制限を受け
ることなく、また感応インピーダンス素子の交換に際し
ても煩雑さがなく、常に安定した動作と効果的な検出を
行い得る感応インピーダンス素子を使用した測定装置を
提供することにある。

即ち、本発明の骨子は増幅器の出力を帰還インピーダン
ス素子を介して正帰還して、同増幅器及び帰還インピー
ダンス素子からなる増幅回路を負性インピーダンス素子
として作用させ、この負性インピーダンス素子を感応イ
ンピーダンス素子に対して並列的に作用させるようにし
たものである。

これによって、感応インピーダンス素子を含む並列回路
のインピーダンス値を見掛上無限大に設定することがで
きる。

そして感応インピーダンス素子のインピーダンス値の変
化によって大きく変化する上記並列回路のインピーダン
スから上記感応インピーダンス素子のインピーダンス値
の変化を高感度に検出するようにしたものである。

以下、図面を参照して本発明装置の詳細を説明する。

第３図は本発明装置の原理構成図で、信号入力端子Ｉ
、 Ｉ’と信号出力端子Ｏ２αとにより、感応インピー
ダンス素子ｚ１ を含む四端子回路を形成追※してい
る。

感応インピーダンス素子ｚ１ は、入力端子Ｉ 、 Ｉ
’間にその両端を接続し、端子Ｉ、Ｏ間には増幅器Ａが
介在されている。

この増幅器Ａの出力は帰還インピーダンス素子Ｚ２ を
介して、その入力端に正帰還されている。

このような構成によれば、増幅器Ａとインピーダンス素
子ｚ２によって形成される回路の入力インピーダンスＺ
は、増幅器Ａの増幅度を〔Ａ〕、インピーダンス素子Ｚ
２のインピーダンス値を〔ｚ２〕としたとき、次のよう
に示されろ。

従って、増幅器Ａの増幅度（Ａ）が十分太きいとき、こ
の回路は負性インピーダンスを有することになる。

この負性インピーダンスを有する回路、つまり負性イン
ピーダンス回路が前記感応インピーダンス素子Ｚ１ に
対して並列的に作用することになる。

尚、ここでは増幅器Ａの入力インピーダンスは十分に高
いものとしている。

しかして、二〇四端子回路における信号入力端子Ｉ 、
Ｉ’からみた出力開放時の人力インピーダンス（、Ｚ
ＩＩ’）は次のようになる。

すなわち、 この式に示されるように、入力インピーダンス（ＺＩＩ
／］は、増幅度ＣＡ）を適宜設定することにヨッテ〔Ｚ
、〕 から無限大、更には負性インピーダンス値にま
で変化させることができる。

ところで 設定すれば（ＺＩＩ／）は無限入信となる。

かくして今、入力インピーダンス（ＺＩＩ／、ｌを無限
大に設定したとすると、換言すれば負性インピーダンス
回路のインピーダンスな（−Ｚｌ）に設定したとすると
、入力端子Ｉ 、 Ｉ’間には電流が流れなくなる。

つまり感応インピーダンス素子Ｚ１のインピーダンス値
を見掛上無限大とすることによって先に述べた共振手段
による効果と同様な効果を得ることが可能となる。

ここで特記するところは、本願構成によれば、従来の共
振手段と異って、特定された周波数の制限を受けること
がなく、広範囲に亘って検出可能なことである。

また、単に増幅度（Ａ）インピーダンス値〔ｚ２〕
の調整によって負性インピーダンス値を適宜設定するこ
とができる為、感応インピーダンス素子Ｚ１ の交換
もさほど煩られしさがない。

従って実用化に適し、その効果に著しいものがある。

更には負性インピーダンスとしての相乗効果も期待する
ことができ、且つ回路構成が簡単であり安定な動作を行
わせることができる。

また、上記の如く、見掛上のインピーダンス値を無限大
と大きくすることができることにより、感応インピーダ
ンス素子のインダクタンス値変化を拡大して検出するこ
とができる。

この場合、従来の共振手段に比して数十倍から数百倍も
の検出感度の向上を期待することができる。

しかも増幅器Ａかインピーダンス値〔Ｚ１〕の変化に対
して非線形に作用することになるので、極めて高感度な
検出が可能となる。

このように本発明装置によれば、感応インピーダンス素
子に対して負性インピーダンス回路を並列的に作用させ
ることにより、上述した如く、種種格別な絶大なる効果
を発揮することができる。

次に本発明装置の実施態様を説明する。

第４図は感応インピーダンス素子として前述した検出コ
イルＬ１ を用いた例である。

この場合、帰還インピーダンス素子にはやはりインダク
タンス素子Ｌ２を用いることによって信号位相の整合を
取ることにより実現できる。

このような構成の場合には、上記各インダクタンス値を
〔Ｌ１〕、〔Ｌ２〕としたとき、その入力インピーダン
ス（ＺＩＩ／）はで示される。

従って、前述した如く見掛上のインピーダンスを無限大
から負性インピーダンスまでにも設定することができ、
同様な効果が期待できることは明らかである。

また第５図に示すように感応インピーダンス素子がサー
ミスタの如く、純抵抗Ｒ１で表現されるとき、帰還イン
ピーダンス素子に抵抗Ｒ２を用いることによって実現で
きる。

これは抵抗線歪計用の抵抗素子を用いる場合も同様であ
る。

この場合、上記各抵抗Ｒ１，Ｌ、の抵抗値を〔Ｒ１〕、
〔Ｒ２〕としたとき、その入力インピーダンスは次のよ
うに示される。

そして、単に抵抗成分だけによって、つまりリアクタン
ス成分による位相回転等を考慮することなく極めて簡易
にして検出を行うことが可能である。

ところで、渦流探傷等に供される実際の検出コイルは純
リアクタンス成分だけを有していることはなく、上記コ
イルを形成する線材による抵抗成分が存在する。

上記リアクタンス成分り。と抵抗成分Ｒｏ は、例えば
第６図のように等価変換して示される。

従って負性インピーダンス回路としては上記リアクタン
ス成分り。

に対して負性リアクタンス成分−し、抵抗成分Ｒ６に対
しては負性抵抗成分−Ｒをそれぞれ並列的に作用させる
ことによって実現できる。

第７図はその例を示したもので、検出コイルＬに対して
先ず増幅器Ａとその正帰還用のインダクタンス素子Ｌ２
によって負性リアクタンス成分−りをつくり、前記検出
コイルＬに並列的に作用させる。

また同時に増幅器Ａと、その正帰還用の抵抗Ｒ２とによ
って負性抵抗成分−Ｒをつくり、前記検出コイルＬに並
列的に作用させる。

このようにして増幅器Ａとインダクタンス素子Ｌ２、及
び増幅器Ａと抵抗Ｒ２とからなる負性インピーダンス回
路を用いることによって、検出コイルＬの抵抗及びリア
クタンス成分に対して各別に作用することになる。

従って第４図及び第５図に示す効果が相乗し、極めて良
好なる高感度の検出が可能となる。

尚、上記した説明中でも東端幅器Ａの増幅度〔Ａ〕が安
定なものであるとして説明した。

しかしながら、一般的には増幅器Ａの利得が高い場合に
は、高安定な増幅度（Ａ）を維持することがむすかしい
。

このような場合には、特に増幅器Ａの内部構成を図示し
ないが上述した正帰還とは独立に、内部において負帰還
をかげて、例えば増幅度ＣＡ）を１０程度に設定するこ
とが望ましい。

この負帰還によって、周知のことではあるが増幅器Ａ自
体を高安定にし、且つまた負性インピーダンス値を可変
設定することも容易になる。

また特に増幅器Ａの入力インピーダンスを、さほど問題
にすることがなく、単に負性インピーダンス回路として
のインピーダンス値を考慮すればよい。

以上、本発明装置の基本回路構成、及びその作用・効果
について述べたが、次のように種々変形して応用するこ
とができる。

第８図は前記した第２図に示すブリッジ回路に応用した
例を示したものである。

この場合、ブリッジ回路の２辺をなす検出コイルＬＡ
、ＬＢ に対して各別に負性インピーダンス回路を並
列に作用させることによって達せられる。

また、このような構成にすることにより、検出コイルＬ
Ａ ｔ ＬＢ以降の増幅度をさほど大きくする必要がな
いことのみならず、平衡安定度が非常に高くなる。

従って従来装置のような自動平衡装置を不要とし、構成
の簡略化をはかることができる。

また第９図はサーミスタに代表される感応抵抗素子ＲＣ
ｔ Ｒｐ と基準抵抗ＲＡ 、ＲＢ とによって構成
されたブリッジ回路である。

この場合にあっても増幅器Ａと帰還抵抗Ｒ２とからなる
負性インピーダンス（抵抗）回路を上記抵抗素子ＲＣＪ
ＲＤに各別に作用させることによって実現できる。

そして第８図に示す場合と同様に平衡安定度が良い効果
もある。

一方、第８図及び第９図に示よ応用例では、増幅器Ａの
入力端子、即ち感応イン、ピーダンス素子ＬＡ ｔ Ｌ
Ｂ （ＲＣ＋ Ｒｐ ）の端子電圧から検出を行うよう
にしているが、増幅器Ａの出力から検出するようにして
も良い。

第１０図はその例を示すもので、増幅器Ａと帰還抵抗Ｒ
２とからなる負性インピーダンス回路の出力から検出し
ている。

このようにすると、感応インピーダンス素子ＲＣ。

ＲＤ （ＬＡ ＋ ＬＢ ）のインピーダンス値変化に
よる端子電圧が、増幅器Ａを介して増幅されて検出され
、更に検出感度を高めることができる。

また負性インピーダンス回路の出力インピーダンスが低
いことを利用する場合には、例えば第１１図に示すよう
に増幅器Ａの出力端子側から基準電圧を印加するように
してもよい。

尚、このように出力端子Ｏ２σ側から見た見掛上のイン
ピーダンスもやはり無限大から負性インピーダンスにす
ることができることは明らかなことであり、上述した説
明と同様な効果が期待できることは明らかである。

従ってこの場合にあっても感応インピーダンス素子Ｒ１
に対して、増幅器Ａ及び帰還抵抗Ｒ２とからなる負性イ
ンピーダンス回路が並列的に作用することになる。

そして、増幅器Ａの出力から感応イアピーダンス素子の
インピーダンス値変化を高感度に検出することが可能と
なる。

更に第１２図は他の応用例を示すものである。

この応用例は検出コイルＬ１ の如きリアクタンス成分
を有する感応インピーダンス素子に対して、増幅器Ａと
抵抗Ｒ２とからなる負性抵抗回路を並列的に作用させた
ものである。

この場合には移相器Ｔを併用することによって位相のず
れを補正することにより、効果的な検出が可能となる。

以上詳述したように本発明によれば、感応インピーダン
ス素子に対して負性インピーダンス回路を並列的に作用
させると言うことによって極めて簡単な装置で非常に高
感度な検出を行い得る。

しかも従来装置と異なり、特定の共振周波数に左右され
ることなく広範囲に亘って、且つ安定に検出を行うこと
ができる。

その上、感応インピーダンス素子の交換時における煩雑
な調整を全く要しない等の種々各別の絶大なる利点を有
する感応インピーダンス素子を使用する測定装置を安価
に提供することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない、例
えば感応インピーダンス素子としては、その検出目的に
応じた種々のものを用いることができ、負性インピーダ
ンス回路は演算増幅器等を用いて簡単に実現することが
できる。

また、回路定数等は仕様に基づいて設定すればよいこと
は勿論のこと、単独構成、ブリッジ回路構成を始めとし
て種種応用することができる。

要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施・応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な渦流探傷器の構成図、第２図は渦流検
出ブリッジ回路を示す構成図、第３図は本発明装置の基
本回路構成図、第４図及び第５図はそれぞれ本発明の実
施例を示す構成図、第６図は検出コイルの等価回路と負
性インピーダンスとの関係を示す図、第７図は第６図に
示す等価回路を実現する装置の構成図、第８図から第１
２図はそれぞれ本発明装置の応用例と変形例を示す構成
図である。 Ａ・・・・・・増幅器、Ｚｌ・・・・・・感応インピー
ダンス素子、Ｚ２・・・・・・帰還インピーダンス素子
、Ｌ 、 Ｌｌ。 ＬＡ、ＬＢ・・・・・・検出コイル（感応インダクタン
ス素子）、Ｌ２・・・・・・インダクタンス素子（帰還
用）、Ｒ１＋ ＲＣ、ＲＤ・・・・・・感応抵抗素子、
Ｒ２・・・・・・抵抗素子（帰還用）、Ｌｏ・・・・・
・等価インダクタンス、Ｒｏ・・・・・・等価抵抗、−
Ｌ・・・・・・負性インダクタンス、Ｒ・・・・・・負
性抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 測定対象の状態変化に感応してインピーダンス値が
   変化する感応インピーダンス素子と、この感応インピー
   ダンス素子に所定の電圧を印加する基準電源と、前記感
   応インピーダンス素子の両端電圧を入力する増幅器及び
   この増幅器の出力を入力に正帰還する帰還インピーダン
   ス素子からなる負性インピーダンス回路とを具備し、前
   記負性インピーダンス回路を感応インピーダンス素子に
   対して並列的に作用させて、前記感応インピーダンス素
   子のインピーダンス値の変化を端子電圧若しくは増幅器
   の出力から検出するようにしたことを特徴とする感応イ
   ンピーダンス素子を使用する測定装置。