JPS639825A

JPS639825A - 振動計測装置

Info

Publication number: JPS639825A
Application number: JP15265586A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Ueno; 上野　昌敏
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1988-01-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、計測対象の撮動を計測する撮動計測装置に関
し、特に列車、プラントの振動を計測し、地震の発生時
に列車の運行やプラントの運転を自動停止させるのに適
した撮動計測装置に関する。

本発明の振動計測装置はまた、橋梁、建造物の振動の計
測にも用い得るものである。

〔従来の技術〕

第２図は、従来の撮動計測装置の構造を示したものであ
る。計測対象に取付けられる筐体３１の内部には、軸を
鉛直にした（図中、Ｘ軸の方向である）円筒状空間３２
が設【プられており、該空間の底面には、同じく軸方向
をＸ軸方向とする電磁コイル３３が取付けられている。

また、該空間の天井面には、バネ３４の一端が固着され
、バネ３４の他端には永久磁石３５が釣支されている。

そして、永久磁石３５は、バネ３４の弾性によって、電
磁コイル３３内の軸上をＸ軸方向に振動できるようにさ
れている。

計測対象が撮動すると、該計測対象に取付けられた筐体
３１は、電磁コイル３３とともに振動する。ところが、
永久磁石３５は、筐体３１や電磁コイル３３に対し可動
でおるので・旧姓のため静止状態を維持しようとする。

そのため、永久磁石３５は、相対的に該電磁コイル３３
の軸上をＸ軸方向に振動することとなる。そして、永久
磁石３５の電磁コイル３３に対する撮動は、計測対象の
撮動に対応したものとなる。その結果、電磁コイル３３
には、永久磁石３５の撮動によって鎖交磁束φが時間的
に変化し、電磁コイル３３には電圧Ｅが誘起される。そ
の誘起電圧はφの時間微分ｄφ／ｄｔに比例する。電磁
コイル３３の巻線が電磁コイル３３の軸方向に均等な巻
回しておると仮定すると、永久磁石３５の一方の磁極面
が電磁コイル３３の内部にある限り、鎖交磁束φの変化
ｄφ／ｄｔは、電磁コイル３３内における永久磁石３５
の移動速度ｄχ／ｄｉに略比例する。即ち、Ｅ＝Ｍ−ｄ
χ／ｄｔ　　　　　　　　　・・・（１）ここで、Ｍは
、永久磁石３５の強さ、電磁コイル３３の単位長当りの
巻回数回によって定まる定数である。（１）式より、ｄχ／ｄｔ−Ｅ／Ｍ　　　　　　　　　・・・（２）即
ち、誘起電圧Ｅを測定すれば、永久磁石３５の電磁コイ
ル３３に対する相対速度が求められる。

更に、（２）式の演算結果を微分することによって加速
度（ｄ　φ／ｄｔ”）を求めることができる。また、（
２）式の演算結果を積分することによって相対的な変位
足χを求めることができる。

理想的な振動計測装置にあっては、計測対象の変位、即
ち、筺体３１の絶対的変位（静止空間に対する変位）χ
Ｏが、永久磁石３５の電磁コイル３３に対する相対的変
位χに等しいので、電磁コイル３３の誘起機動電力Ｅか
ら計測対象の振動を電気的に計測することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記の撮動計測装置は、電磁的に電気信
号を発生させているため、周囲の磁界、例えば地磁気等
のノイズによる影響を受は易いという欠点があった。ま
た、固有振動数の設定に対する制約が大きく撮動計測を
正確に行ない得る周波数範囲が制限されるという問題が
あった。即ち、第２図の構成では、固有振動数ｆは、ｋ
をバネ定数、ｍを永久磁石３５の質量とすると、」ｆ＝　（ｋ／ｍ＞”　　　　　　　　・・・（３）で表
わされる。しかるに、計測範囲を広くするため、例えば
固有振動数ｆを十分小ざな値にするには、永久磁石３５
の質量ｍを大きくするか、バネ３４のバネ定数ｋを小さ
くしなければならない。

しかし、装置の強度、耐久性からは、これらは互いに相
反的な要求でおる。装置の強度、耐久性からは、永久磁
石３５の質量が大きい程、バネ３４のバネ定数ｋを大き
くすべきだからである。固有撮動数を十分に高く設定し
ようとしても同様の問題がある。この結果、上記のよう
に、正確に振動計測を行ない得る周波数範囲が制限され
るという問題があった。

本発明は、電磁的ノイズに影響されることなく、しかも
計測周波数範囲に対する制約が少い振動計測装置を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の振動計測装置は、上記目的を連成するために
、中央部が低い曲面を内面とする凹面部材と、該凹面部
材の内面に沿って移動自在な転動体と、該転動体の位置
を光学的に検出する光検出手段とを備えたものである。

〔作用〕

上記構成によれば、本発明に係る撮動計測装置の凹面部
材は、計測対象に取付けられて計測対象の振動に伴って
振動する。しかるに、凹面部材の内面を自在に移動可能
な転動体は、その慣性から静止し続けようとする。その
結果、凹面部材を基準としてみると、該転動体は、計測
対象の撮動にあわせて、凹面部材の内面に沿って撮動す
る。このような転動体の凹面部材内面での相対的移動は
光学的に検出される。検出が光学的に行なわれるので、
電磁的な外乱ノイズなどの影響を受けない。

また、装置の固有撮動数の設定に対する制約が少ないの
で、計測周波数範囲外に固有撮動数を設定することが容
易である。従って計測周波数範囲の設定に対しての制限
が少い。

〔実施例〕

以下、第１図を参照して本発明の詳細な説明する。なお
、以下の説明において同一要素には同一符号を付し、そ
の説明の重複をさけている。

第１図は、本発明の第一の実施例の構成を示す断面斜視
図である。内面を中央部が最も低い半径Ｒの半球状面と
した凹面部材１１は、図示しない計測対象に取付けられ
、計測対象の１辰動に伴って振動する。凹面部材１１の
内面には、該内面に沿って移動自在な半径ｒ１質量のｍ
の球体１２が載首されている。更に、凹面部材１１の内
面には、複数の発光素子’１３８〜１３ｎが配列されて
いる。

また、各々の発光素子１３８〜１３ｎに対向する凹面部
材１１の内面位置（反対面）には、それぞれの発光素子
１３８〜１３ｎに対応する受光素子１４８〜１４ｎが配
列されている。そして、それぞれの発光素子１３８〜１
３ｎには、発光に要する電力が供給されて、対応する受
光素子に光束を照射するとともに、それぞれの受光素子
１４ａ〜１４ｎからは光検出信号が出力されるように構
成されている。その光検出信号は、球体１２ににって入
射光が遮られたときと、そうでないとき（光が入射して
いるとき）とで状態の異なる２値信号、即ちディジタル
信号である。

凹面部材１１が計測対象とともに変位χＯだけ移動する
と、球体１２は、その慣性により静止状態を維持しよう
とし、凹面部材１１の移動にもかかわらず撮動前の空間
的位置を保とうとする。その結果、球体１２は、凹面部
材１１の内面に沿って相対的に位置を変え、図中のＸ軸
方向にχだけ変位する。このとき、凹面部材１１の内面
は半径Ｒの球状曲面となっているので、球体１２のＸ軸
方向への相対的変位によって、球体１２は図中、Ｘ軸方
向にも２だけ変位することとなる。その結果、凹面部材
１１に変位χＯが加わる以前は、球体１２は凹面部材１
１の底部に位置してあり（図中、実線に示す球体１１）
、発光素子１３ａとそれに対応する受光素子１４８間の
光束を遮断していたものが、球体１２の破線で示す位置
への移動の結果、発光素子１３ｂとそれに対応する受光
素子１４ｂの間の光束を遮断することとなる。このよう
にして、凹面部材１１の内面に沿ってＸ軸方向に配列さ
れた複数の受光素子１４８〜１４ｎの出力信号の変化か
ら、球体１２のＺ軸上の位置をディジタル量として検出
することができ、球体１２のＸ軸方向位置２が求められ
る。

凹面部材１１の内面は半径Ｒの球面を形成しているので
、球体１２のＺ軸上の位置２が求まれば次式によって球
体１２のＸ軸方向の変位χが算出される。

」− χ＝（Ｒ２−（Ｒ−ｚ）２）２　　　・・・（４）この
ようにして求められた変位χから、その時間的変化率を
求めることにより球体の速度が計測でき、更に、微分演
算を行なうことによって球体の加速度が求められる。

球体１２は凹面部材１１の内面を移動自在であるので、
上記によって求めた球体１２の変位χや速度、加速度は
、計測対象の変位χＯやその速度、加速度と同一とみな
すことができる。従って、凹面部材１１の内面に沿って
移動する球体１２の変位を光学的に検出して得たディジ
タル信号から、正確に計測対象の撮動を計測することが
できる。

なお、上記実施例においては、計測対象の変位がＸ軸方
向であるとして説明したが、本実施例では、Ｙ軸方向に
も、凹面部材１１の内面に沿って複数の発光素子（１３
ｎ−のみ符号で付してめる）と受光素子（図示しない）
とが対向して配設されており、球体がＹ軸方向に変位し
た場合も、上記と同様にその変位等が検出される。また
、Ｘ軸方向、又はＹ軸方向などの単一の軸方向への変位
に限らず、両軸の中間の方向への変位についても、それ
ぞれの軸方向に配列された複数の発光素子及びそれに対
向する受光素子からのディジタル信号の組合せによって
検出することが可能である。

尚、発光素子と受光素子との配列は、上記実施例に示す
ごとくＸ軸上及びＹ軸上に限らず、凹面部材１１の内面
に種々の角度で放射上に適宜分散して配設することとし
てもよいのは勿論である。

次に、上記実施例によると、振動計測装置の固有撮動数
ｆは、（５）式により表わされる。

ｆ＝（ｇ／（Ｒ−ｒ）（１＋１”／ｒ２））”・・・（
５）ここで、９は重力加速度、■は球体１２の慣性モーメン
トである。

しかして、凹面部材１１の半径Ｒを大とし、球体１２の
半径ｒを小に選定することにより、容易に固有振動数ｆ
を小とすることができるので、従来技術に比較して、計
測しうる振動周波数範囲を広くすることができる。

なあ、上記実施例では、凹面部材１１の内面を半径Ｒの
球状としたが、それに限られることなく、他の曲面でも
よい。この場合には、受光素子によって検出された球体
１２のＺ軸上位置２と、Ｘ軸上の変位χとの関係を（４
）式によるのではなく、実験的に求めることや、他の計
算式によって求めることができる。

但し、上記実施例の如く、凹面部材１１の内面を鉛直線
を回転中心軸とする回転面で構成すれば、ＸＹ方向（水
平面方向）のいずれの振動に対しても同様の計測を行な
うことができるので有利である。

第３図は、本発明の第二実施例の構成を示す断面図であ
る。第１図に示した第一の実施例が、球体１２の位置の
検出を凹面部材１１の内面に配設した複数の発光素子及
びそれに対向する受光素子によって行なっていたのに対
し、本実施例では、凹面部材１１に固定されたイメージ
センサ２１によって、球体１２の位置を検出しているも
のである。光源２２によって照明された球体１２の像は
、フィルタ２３及びレンズ２４を介してイメージセンサ
２１上に結像される。ここでイメージセンサ２１は、Ｃ
ＯＤ素子やフォトトランジスタマトリックス等でよい。

イメージセンサ２１からは、凹面部材１１の半球面状内
面に沿って移動する球体１２の位置がデジタル信号とし
て検出され、該検出信号から球体１２、ひいては計測対
象の振動が計測される。この実施例によると、光源と受
光素子とをそれぞれ１個とすることができるので、振動
計測装置の構成をより簡単にすることができる。

また上記の実施例のいずれにおいても、水平面に沿うい
ずれの方向の振動についても計測を行ない得る構成とな
っているが、一方向の振動のみを計測する場合には中央
が低く、両端にいくほどせり上がった溝、例えば、一定
幅で一定曲率の溝に球体または円柱体等の他の転動体を
転勤させる構造としてもよい。

また、この場合、発光素子および受光素子を一対のみ設
（ブ、一定以上の振動が加わったときのみ、受光素子へ
の入射光が遮られるようにし、一定以上の振動の検出を
行なうとよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、凹面部材１１の内面に
沿って自在に移動する転動体の位置を光検出手段によっ
て検出して計測対象の（騒動を計測するようにしたので
、電磁的ノイズの影響を避けることができ、計測の精度
を高め、また誤った信号の発生を防止することができる
。また、装置の固有振動数の設定に対する制約が少いの
で、計測周波数範囲を広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一の実施例の構成を示す断面斜視
図、第２図は従来技術の原理的構造を示す断面斜視図、
第３図はこの発明の第二の実施例の構成を示す断面図で
ある。１１・・・凹面部材、１２・・・球体、１３・・・発光
素子、１４・・・受光素子、２１・・・イメージセンサ
、２２・・・光源。従来の課動計測袈ｌ茶　２　図第二〇大労四ダ１０面面図弔　３　図

Claims

【特許請求の範囲】１、中央部が低い曲面を内面とする凹面部材と、該凹面部材の内面に沿つて移動自在な転動体と、該転動
体の位置を光学的に検出する光検出手段とを備えた振動計測装置。２、前記凹面部材の曲面が鉛直線を回転中心軸とする回
転面であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の振動計測装置。３、前記転動体が球体であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の振動計測装置。