JPS6211281B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は導電性測定物の微小変位や振動を周囲
の雰囲気に影響されることなく正確に測定し、し
かも変位量と測定電圧計との間に線型関係を保持
した所の静電形変位振動計を提供しようとするも
のである。

従来、非接触で物体の微小変位を測定する方法
として、渦電流式、光学式、静電容量式によるも
のが行われている。このうち静電容量式は、他の
渦電流式、光学式変位計に比べ測定物の材質、成
分及び表面の反射率等の影響を受けないという長
所がありながら、測定雰囲気の影響及び測定原理
的な不安定さ、さらには取扱いが困難で高度の測
定技術が必要なことから、あまり実用化されてい
なかつた。

この発明は、静電容量変化の絶対値を測定する
のではなく、測定物と印加電極との間に高周波電
圧を加え、印加電極と測定物間に生じる分圧電位
が距離のみに関係するということから、その間に
電位測定電極を配置し、しかも距離と電位の間に
線型関係が成立つ如く構成し、その電位を計測す
ることにより、微小変位量や振動変位量を測定す
ることができるようにしたものである。

図面についてこの発明の実施例を説明する。

第１図及び第２図において、測定電極１の導電
性支持軸２は導電性同軸管３で取囲まれている。
該同軸管３に絶縁体４を介して印加電極５を取り
付け、測定電極１と印加電極５との間に静電容量
Csを形成する。直接アース６または容量７を介
してアース６された所の測定物８と印加電極５と
の間に測定電極１を介して高周波の定電圧Ｅを加
えると、測定物８と電位測定電極１間に発生する
電圧ｅ（実測値）は次の如く表される。

ａ 電極面積 εｏ 真空誘電率 εｓ 比誘電率 ls 測定電極１と印加電極５間の距離 lx 測定物８と測定電極１間の距離 ω ２πｆ Cx 測定電極１と測定物８間の静電容量 それ故、測定電極１と測定物８間に生じる電圧
ｅは、静電容量Cs、Cxの絶対値には直接関係な
く静電容量Cs、Cxの比、すなわち距離ls、lxの
比のみに関係することから、測定物８の材質及び
雰囲気変化による誘電率の変化を受けずに電圧ｅ
を測定することが出来る。

しかして、印加電極５の高周波電圧Ｅが一定の
場合、距離lxと実測電圧ｅの関係は、(イ)式より明
らかな如く第３図のような曲線として表わされ
る。

実測電圧ｅは利得約１の高入力インピーダンス
の非反転増巾器９によりインピーダンス変換増巾
される。非反転増巾器９の出力電圧は、入力信号
ｅと同相で、振巾比約１であり、非反転増巾器９
の出力を導電性同軸管３に帰還βすることによ
り、入力容量をきわめて小さくすることが出来
る。

しかし、第３図のような曲線では非常に計測上
不便なので、距離lxと実測電圧ｅとに線型関係を
保たせる必要がある。このため本発明は印加電極
５に加える電圧を調整し、距離lxと実測電圧ｅと
の間に線型関係が成立つようにしたものである。

第４図においてその原理を説明する。

基準電圧esは測定距離lxの最小時、印加電極５
に加える電圧Ｅを決定する基準電圧で、増幅器１
０により増巾する。出力は負帰還回路１１、印加
電極５に接続されており測定距離lxの変化により
帰還量が変化する。なお、増幅器１０と負帰還回
路１１とにより負帰還増巾器１２を構成してい
る。

ここで、 β；帰還回路１１の帰還率 Ｆ；プローブ特性 ｉ；測定物８と測定電極１の間隔lxに対応した
出力電圧（理論値） Ｚ；帰還回路１１の出力電圧 Ｇ；増幅器１０の増巾度 なお、プローブ特性Ｆは、理論値においては ｌｘ／ｌｘ＋ｌｓ （イ′）である。

また帰還回路１１と印加電極５、測定電極１の
各出力電圧を加算したフイードバツク電圧を
E′とすれば、帰還回路１１と印加電極５、測定
電極１よりなる系は並列結合により、 Ｚ＝βＥ (ロ) ｉ＝FE (ハ) E′＝−Ｚ＋ｉ (ニ) (ニ)に(ロ)、(ハ)を代入して E′＝−βＥ＋FE＝−（β−Ｆ）Ｅ (ホ) となる。

ところで、基準電圧esにフイードバツク電圧
E′を加算したところの増幅器１０に対する入力
電圧をe′とすれば、帰還回路１１及び印加電極
５、測定電極１よりなる回路並びに増幅器１０か
らなる全系はフイードバツク結合により e′＝es−E′ (ヘ) Ｅ＝Ge′ (ト) よつて全系の伝達関数は Ｅ／ｅｓ＝Ｅ／ｅ′＋Ｅ′ ［〓(ヘ)］ ＝Ｅ／ｅ′−（β−Ｆ）Ｅ ［〓(ホ)］ ＝Ｇｅ′／ｅ′−（β−Ｆ）Ｇｅ′［〓(ト)］ ＝Ｇ／１−（β−Ｆ）Ｇ (チ) (チ)より Ｅ＝es・Ｇ／１−（β−Ｆ）Ｇ (リ) (ハ)と(リ)より ｉ＝es・Ｇ／１−（β−Ｆ）Ｇ・Ｆ… （ヌ） の関係が成立つ。

ここで、第１図乃至第３図における実測値ｅ
と、第４図乃至第６図における理論値ｉとの間に
比例関係が成立つや否や調べてみる。

ここでｉを変形するため式（ヌ）にＦに式
（イ′）を代入すると ここでｉが直線であるための条件を求めてみる。

ｄｉ／ｄｌｘ＝es・Ｇ・［１／（１＋Ｇ−Ｇβ）ｌｘ＋
（１＋Ｇβ）ｌｓ −ｌｘ（１＋Ｇ−Ｇβ）／｛（１＋Ｇ−Ｇβ）ｌｘ＋
（１−Ｇβ）ｌｓ｝^２］ ＝es・Ｇ・｛（１＋Ｇ−Ｇβ）lx＋（１−Ｇβ）
ls −lx（１＋Ｇ−Ｇβ）｝ ÷｛（１＋Ｇ−Ｇβ）lx＋（１−Ｇβ）ls｝^２ ＝es・Ｇ・（１−Ｇβ）ls ÷｛（１＋Ｇ−Ｇβ）lx＋（１−Ｇβ）ls｝^２ ＝es・Ｇ・（１−Ｇβ）ls ÷［｛（１＋Ｇ（１−β）｝lx＋（１−Ｇβ）ls］
^２ ここでｉが直線であるためにはdi／dlxがコン
スタントである。

さてdi／dlxがコンスタントである条件は、lx
を含む項が零になればよいので、 １＋Ｇ（１−β）＝０ ∴Ｇ＝１／β−１ （ただしＧ＞０、β＞０） ここでＧ＜βにような場合（例えばβ＝２、Ｇ
＝１）が解として存在し得るがこの場合は系全体
の安定さを欠いてくる。極端にＧ≪βなる状態で
は発振状態を形成する。よつて条件としてさらに
Ｇ＞βなる条件が加えられる。

系の安定性を考慮して β→＋１ ∞＞Ｇ≫１ なる条件が本発明の適用条件となる。

この場合lx依存性が残り完全な直線性を示さな
いが、許容誤差を測定状態等から設定し、Ｇ、β
の調整をすることにより直線性を持たすことがで
きる。

第３図の実験値ｅを見ると、第５図中の理論値
ｉの傾向を非常によく再現している。すなわち、
それらの間に、線形関係を認めることができる。

たとえば、プローブを最大測定距離lx maxに
おいてlx＝ls、Cx＝Cs、Ｋ＝1.0のプローブの場
合、増幅器１０の利得86dB（約20000倍）、帰還
β＝1.0としたときの電圧Ｅは、lx minでes、
lx、lx maxで２・esとなり距離lxと電圧Ｅは、直
線性誤差0.01％のほぼ完全な直線となる。プロー
ブ出力電圧ｉも同様にＥ・Ｆの直線になる。第５
図のグラフは、lxとＥ、lxとｉの関係を示したも
のである。

第６図は実ブロツク線図である。この図におい
て、直流の基準電圧esと帰還電圧の差電圧を第２
増巾器１３により増巾し、XTAL発信器（OSC）
１４で駆動されるチヨツピング回路１５で一定周
期の交流に変換する。この出力をバントパスフイ
ルター１６により波形成形をし、第３増巾器１７
により必要電圧まで増巾し、プローブ５，１に加
える。一部を帰還回路１１で整流し直流帰還す
る。

プローブ５，１の出力は、非反転増巾器９によ
り直流とし、帰還回路１１の加合点に接続されて
いる。即ち、esを基準とし（esは基準電圧でｅの
出力が挿入されることはない）、距離lxの変化に
よりフイードバツク量が変化し、Ｅが変化するこ
とにより得られる非反転増巾器９の出力またはＥ
が非反転増巾器１３よりの帰還量を１＞１−Ｇ
（β−Ｆ）の範囲で適当とするとき、これらの出
力電圧は、完全な直線化が得られる。

なお、非反転増巾器９の直流出力を、第４増巾
器１８により必要電圧０〜5V DCとするもので
ある。

すなわち、本発明に係る静電形変位振動計は、 導電性測定物８との間に測定間隙lxに応じた所
の変動静電容量Cxを形成する測定電極１を配置
し、 該測定電極１との間に定静電容量Csを形成し
て印加電極５を配置し、 定静電容量Csと変動静電容量Cxとを介して印
加電極５と測定物８との間に高周波電流を流す所
の高周波電圧装置を、印加電極５と測定物８のア
ース６側との間に配置し、 且つ測定電極１を導体を介して利得約１の高入
力インピーダンスの非反転増巾器９に接続すると
共に該非反転増巾器９の出力側に測定用の電圧計
１９を設け、 直流基準電圧esに、発信器１４の周期信号を受
けているチヨツピング回路１５、バンドパスフイ
ルター１６を含む増幅器１０を接続して、前記高
周波電圧装置を構成し、 該増幅器１０の出力を印加電極５と負帰還回路
１１に入力し、 前記増幅器１０の増巾度Ｇと負帰還回路１１の
帰還率βとの間に、 １＋Ｇ（１−β）＝０ β→＋１ ∞＞Ｇ≫１ の関係を保つ如く設定することにより測定間隙lx
と電圧計１９に伝わる電圧との間に線型関係を保
持させる如く前記高周波電圧装置を構成したもの
である。

本発明によれば、電極間の誘電体の誘電率の変
化は発生電圧に無関係であり、測定物は直接アー
スまたは高周波的にアースされている導電体であ
れば、どのようなものでも、渦電流式変位計と同
様な扱いで安定した振動変位を計測することが出
来るし、その上測定間隔lxと電圧計１９に伝わる
電圧との間に線型関係が成立つているので、実用
上大変便利である。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を説明するためのも
ので、第１図は一部の正面図、第２図は第１図の
原理図、第３図はプローブに定電圧を加えた場合
の測定間隔と測定電圧との関係を示すグラフであ
る。第４図はプローブに加える電圧装置のブロツ
ク図、第５図は第４図の装置を用いたときの測定
間隔と印加電圧、プローブ電圧との関係を示すグ
ラフ、第６図は第４図の実ブロツク線図である。 １…測定電極、５…印加電極、６…アース、８
…測定物、９…非反転増巾器、１２…負帰還増巾
器、１４…発信器、１９…電圧計、Cs…定静電
容量、Cx…変動静電容量、es…直流基準電圧、
lx…測定間隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電性測定物８との間に測定間隙lxに応じた
   所の変動静電容量Cxを形成する測定電極１を配
   置し、 該測定電極１との間に定静電容量Csを形成し
   て印加電極５を配置し、 定静電容量Csと変動静電容量Cxとを介して印
   加電極５と測定物８との間に高周波電流を流す所
   の高周波電圧装置を、印加電極５と測定物８のア
   ース６側との間に配置し、 且つ測定電極１を導体を介して利得約１の高入
   力インピーダンスの非反転増巾器９に接続すると
   共に該非反転増巾器９の出力側に測定用の電圧計
   １９を設け、 直流基準電圧esに、発信器１４の周期信号を受
   けているチヨツピング回路１５、バンドパスフイ
   ルター１６を含む増幅器１０を接続して、前記高
   周波電圧装置を構成し、 該増幅器１０の出力を印加電極５と負帰還回路
   １１に入力し、 前記増幅器１０の増巾度Ｇと負帰還回路１１の
   帰還率βとの間に １＋Ｇ（１−β）＝０ β→＋１ ∞＞Ｇ≫１ の関係を保つ如く構成することにより、 測定間隙lxと電圧計１９に伝わる電圧との間に
   線型関係を保持させる如く構成してなる静電形変
   位振動計。