JPWO2017212786A1 - センサ装置及びセンサの補正方法 - Google Patents

Abstract

センサ装置１００は、第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂを有し、測定対象物の振動を検出するセンサ２と、センサ２からの検出結果を補正する補正部５１０とを備え、補正部５１０は、検出結果をセンサ２の固有の周波数特性に基づいて補正する。

Description

ここに開示された技術は、センサ装置及びセンサの補正方法に関する。

従来より、特許文献１に開示されているような圧電素子を有し、測定対象物の振動を検出するセンサが知られている。

特開２００７−０５７３８９号公報

例えば、センサは、測定対象物に接触し、測定対象物の振動を圧電素子に伝達する伝達部を含む場合がある。この伝達部は、伝達部に固有の周波数特性（例えば、共振周波数）を有しており、固有の周波数特性は、伝達部の質量や寸法等に依存する。つまり、伝達部の質量や寸法等が異なれば、固有の周波数特性も異なる。

さらには、センサが伝達部の他の要素を含む場合ある。例えば、センサにおいて、圧電素子を伝達部の方へ押さえつけるためのバネやウエイトが含まれる場合がある。

これらの場合、センサ全体としての固有の周波数特性は、圧電素子の固有の周波数特定だけでなく、圧電素子以外の要素の質量やセンサの構造等に依存する。

そのため、センサの固有の周波数特性には個体差が生じる場合があり、振動の検出精度がセンサごとに異なってしまう。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、センサごとの周波数特性のバラツキに起因する検出精度のバラツキを低減することにある。

ここに開示されたセンサ装置は、圧電素子を有し、測定対象物の振動を検出するセンサと、前記センサの検出結果を補正する補正部とを備え、前記補正部は、前記検出結果を前記センサの固有の周波数特性に基づいて補正するものとする。

また、ここに開示されたセンサの補正方法は、測定対象物の振動をセンサによって検出する工程と、前記センサの検出結果を前記センサの固有の周波数特性に基づいて補正する工程とを含むことを特徴とするセンサものとする。

ここで、「センサの検出結果」とは、センサから出力されたままの検出信号だけでなく、その後に処理が施された検出信号や検出信号から求められた値も含む。

ここに開示されたセンサ装置によれば、センサごとの周波数特性のバラツキに起因する検出精度のバラツキを低減することができる。

また、ここに開示されたセンサの補正方法によれば、センサごとの周波数特性のバラツキに起因する検出精度のバラツキを低減することができる。

図１は、センサ装置の概略構成を示す正面図である。 図２は、センサの縦断面図である 図３は、測定対象物に取り付けられたセンサの一例を示す縦断面図である。 図４は、処理部のブロック図である 図５は、センサの固有の周波数特性を示す図である。 図６は、測定対象物の振動のパワースペクトルを表す図である。 図７は、センサの検出信号のパワースペクトルを表す図である。 図８は、実施形態２に係る周波数特性パターンを示す図である。 図９は、実施形態３において周波数特性の近似式を求める際に用いる３点を説明するための図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
＜センサの構成＞
図１は、センサ装置１００の概略構成を示す正面図である。センサ装置１００は、測定対象物に接触した状態で測定対象物の物理量を検出する、いわゆる接触タイプのセンサである。例えば、測定対象物は、スチームトラップであり、物理量は、スチームトラップの振動及び温度である。

図１に示すように、センサ装置１００は、センサ２と、処理部５と、センサ２と処理部５とを接続する接続管４とを備えている。センサ２、処理部５及び接続管４は、所定の軸Ｘに沿って配列されており、センサ装置１００は、全体として棒状に形成されている。センサ２と接続管４とは、ユニオンナット４２によって連結されている。処理部５と接続管４とは、ユニオンナット４１によって連結されている。

センサ装置１００は、通常、軸Ｘが鉛直方向を向き且つ、センサ２が下方、処理部５が上方に位置するように設置される。以下では、処理部５の方を上方とし、センサ２の方を下方として、説明する。

〈センサ本体の構成〉
図２は、センサ２の縦断面図である。センサ２は、ケーシング１０と、測定対象物の振動を検出（測定）する振動検出機構２０と、測定対象物の温度を検出（測定）する温度検出機構３０とを備えている。振動検出機構２０及び温度検出機構３０は、ケーシング１０に収容されている。

ケーシング１０は、略円筒状に形成され、軸心が軸Ｘに一致するように配置されている。ケーシング１０の内部には段差１０ｆが設けられており、ケーシング１０の上部１０ａの内径は、下部１０ｂの内径に比べて大きくなっている。ケーシング１０の上部１０ａの外周面には、ユニオンナット４２が螺合する雄ネジ１０ｃが形成されている。ケーシング１０の下部１０ｂの外周面には、雄ネジ１０ｅが形成されている。ケーシング１０のうち軸Ｘ方向の一端である下端１０ｇは、センサ装置１００の設置時に測定対象物に接触する。

振動検出機構２０は、検出針２１と、ホルダ２２と、第１圧電素子２５ａと、第２圧電素子２５ｂと、第１電極板２６ａと、第２電極板２６ｂと、ウエイト２７と、皿バネ２８と、キャップ２９とを備えている。

検出針２１は、細長い棒状の部材である。検出針２１は、軸心が軸Ｘと一致するように配置されている。検出針２１の先端（下端）は、ケーシング１０の下端１０ｇから下方に突出している。センサ装置１００が測定対象物に取り付けられたときに、検出針２１は、測定対象物に接触する。検出針２１は、測定対象物の振動を第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５に伝える。検出針２１は、伝達部の一例である。

ホルダ２２は、内側の金属製ホルダ２３と、該金属製ホルダ２３を収容する外側の樹脂製ホルダ２４とを含んでいる。金属製ホルダ２３および樹脂製ホルダ２４は、何れも、略円筒状に形成され、軸心が軸Ｘと一致するように配置されている。

金属製ホルダ２３は、上方に開放されている一方、金属製ホルダ２３の下部には底壁２３ａが設けられている。底壁２３ａには、挿入孔２３ｂが形成されている。挿入孔２３ｂには検出針２１が挿入され、金属製ホルダ２３から下方に検出針２１が突出している。検出針２１の上端部は、底壁２３ａに係止しており、検出針２１が金属製ホルダ２３から抜け落ちないようになっている。

金属製ホルダ２３内においては、下方から順に、第１圧電素子２５ａ、第１電極板２６ａ、第２圧電素子２５ｂ、第２電極板２６ｂ、ウエイト２７、皿バネ２８及びキャップ２９が互いに接した状態で配置されている。第１圧電素子２５ａは、検出針２１の上端に接している。

尚、第１電極板２６ａ及び第２電極板２６ｂには、２本の信号線（図示省略）が接続されている。２本の信号線は、センサ２から接続管４内を通って処理部５内まで配線されている。

キャップ２９は、皿バネ２８の上に２つ配置されている。キャップ２９は、外周面に雄ネジが形成された円板状の部材である。金属製ホルダ２３の上端部の内周面には、雌ネジが形成されている。キャップ２９は、金属製ホルダ２３の上端部に螺合される。キャップ２９は、その締め付け力によって皿バネ２８を下方に押圧し、皿バネ２８は、その付勢力によってウエイト２７を介して第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂ等を検出針２１に押し付ける。

こうして、第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂがウエイト２７及び皿バネ２８等によって検出針２１に所定の力（初期押付け力）で押し付けられる。これにより、測定対象物以外の振動や力が外乱として第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂに作用しても、その外乱を吸収することができ、外乱による影響を低減することができる。

樹脂製ホルダ２４は、上方に開放されている一方、樹脂製ホルダ２４の下部には底壁２４ａが設けられている。底壁２４ａには、挿入孔２４ｂが形成されている。樹脂製ホルダ２４には、金属製ホルダ２３が圧入されている。挿入孔２４ｂには検出針２１が挿入され、樹脂製ホルダ２４から下方に検出針２１が突出している。

ホルダ２２は、ケーシング１０の上部１０ａに収容され、ホルダ２２から下方に突出する検出針２１は、ケーシング１０の下部１０ｂに収容される。

ケーシング１０内において、ホルダ２２の上方にはコイルバネ１１が配置されている。ホルダ２２は、コイルバネ１１によって下方に付勢されている。ケーシング１０の上端部の内周面には、溝１０ｄが形成され、該溝１０ｄにスナップリング１２がはめ込まれている。コイルバネ１１の一端は、スナップリング１２に支持されている。コイルバネ１１の他端は、樹脂製ホルダ２４の上端面に接している。コイルバネ１１は、樹脂製ホルダ２４（ホルダ２２）を下方へ付勢し、樹脂製ホルダ２４をケーシング１０内の段差１０ｆに押しつけている。この状態において、検出針２１の先端は、ケーシング１０の下端１０ｇから少し突出している。

温度検出機構３０は、接触板３１（伝熱板）と、保持部材３２とを備えている。接触板３１は、中央に開口を有する略環状の板部材である。保持部材３２は、中央に貫通孔３３を有する略円筒状に形成され、ケーシング１０の下端部に挿入されている。接触板３１は、保持部材３２の先端に保持されている。

保持部材３２には、貫通孔３３以外に、熱電対を配置するための２つの配置孔３４，３５がそれぞれ軸方向に延びるように形成されている。配置孔３４，３５のそれぞれに、熱電対（図示省略）が配置される。各熱電対の一端は、接触板３１に接続され、他端は、接続管４を通って処理部５に接続されている。

ケーシング１０内において、保持部材３２の上方には、コイルバネ１３が配置されている。コイルバネ１３の一端は、ホルダ２２（樹脂製ホルダ２４）に保持されている。コイルバネ１３の他端は、保持部材３２に接している。コイルバネ１３は、保持部材３２を下方へ付勢しており、これにより、接触板３１は、ケーシング１０の下端１０ｇよりも下方に少し突出している。つまり、ケーシング１０の下端１０ｇからは、接触板３１が突出しており、接触板３１から検出針２１がさらに突出している。センサ装置１００が測定対象物に取り付けられたときに、接触板３１は、測定対象物に接触する。

図３は、測定対象物９０に取り付けられたセンサ２の一例を示す縦断面図である。例えば、センサ２は、測定対象物９０の取付座９１に取り付けられる。取付座９１は、例えば、スチームトラップのケーシングに形成されている。取付座９１は、ボス状に形成され、有底の設置孔９２を有している。設置孔９２の内周面には、雌ネジが形成されている。

センサ２は、ケーシング１０の下部１０ｂを設置孔９２に螺合させることによって測定対象物９０にネジ締結される。このとき、ケーシング１０は、トルクレンチ等によって所定の締め付けトルクで締め付けられる。

センサ２の通常状態においては、検出針２１の先端及び接触板３１が下端１０ｇよりも下方に突出している。しかし、検出針２１は、コイルバネ１１の付勢力に抗してケーシング１０に対して上方へ移動可能であり、接触板３１は、コイルバネ１３の付勢力に抗してケーシング１０に対して上方へ移動可能である。そのため、ケーシング１０の下端１０ｇが設置孔９２の底に接触するときには、検出針２１の先端及び接触板３１は、ケーシング１０の下端１０ｇと面一になって、設置孔９２の底に接触している。

こうして、センサ２が測定対象物９０に取り付けられた状態においては、検出針２１及び接触板３１が設置孔９２の底に接触しており、それぞれ測定対象物９０の振動及び温度を検出する。

＜処理部の構成＞
図４は、処理部５のブロック図である。処理部５は、センサ２からの検出信号を処理すると共に、外部機器と信号の送受信を行う。処理部５は、振動検出機構２０からの検出信号を処理する振動処理部５１と、温度検出機構３０からの検出信号を処理する温度処理部５２と、メモリ５３と、測定対象物の状態を判定する判定部５４と、外部機器と通信する通信部５５とを有している。

振動処理部５１は、フィルタ５６と、増幅器５７と、Ａ／Ｄ変換部５８と、ＦＦＴ部５９と、補正部５１０とを有している。

フィルタ５６は、バンドパスフィルタであって、振動検出機構２０からの出力信号のうち、所定の周波数帯域以外の周波数成分をカットする。所定の周波数帯域は、測定対象物に生じ得る振動に応じて設定されている。

増幅器５７は、フィルタ５６により処理された信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部５８は、増幅器５７により増幅された信号をデジタル信号に変換する。

ＦＦＴ部５９は、Ａ／Ｄ変換部５８からのデジタル信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）、即ち、高速フーリエ変換する。つまり、ＦＦＴ部５９は、検出信号に含まれる各周波数成分のパワースペクトル（又は振幅スペクトル）を求める。

補正部５１０は、ＦＦＴ部５９により求められたパワースペクトルをセンサ２の固有の周波数特性に基づいて補正する。補正部５１０による補正の詳細については後述する。

温度処理部５２は、温度検出機構３０からの検出信号を、判定部５４で処理できるように適宜処理する。本開示では、その詳細については割愛する。

メモリ５３は、処理部５での処理に必要なプログラム及びデータ等を記憶している。例えば、メモリ５３は、センサ２の固有の周波数特性を記憶している。メモリ５３は、記憶部の一例である。

判定部５４は、振動処理部５１により処理された信号及び／又は温度処理部５２により処理された信号に基づいて測定対象物の状態を判定する。

例えば、判定部５４は、振動処理部５１により処理された信号に基づいて、測定対象物であるスチームトラップの状態を判定する。具体的には、判定部５４は、振動処理部５１により処理された信号に基づいて、スチームトラップの振動の大きさを示す指標（以下、「振動レベル」と称する）を求める。スチームトラップの蒸気漏れが発生していない場合には、振動レベルが低く、スチームトラップの蒸気漏れが発生すると、振動レベルは高くなる。そこで、判定部５４は、振動レベルが所定の判定レベル以下の場合にはスチームトラップの蒸気漏れ無しと判定し、振動レベルが前記判定レベルより大きい場合にはスチームトラップの蒸気漏れ有りと判定する。

また、判定部５４は、温度処理部５２により処理された信号に基づいて、スチームトラップの状態を判定する。具体的には、スチームトラップの温度は、ドレンが適切に流通している場合には、蒸気圧力の飽和温度に近い値となる一方、ドレンが滞留していると低下してしまう。判定部５４は、スチームトラップの温度が所定の判定温度以上の場合にはドレンの滞留無しと判定し、スチームトラップの温度が前記判定温度未満の場合にはドレンの滞留有りと判定する。

通信部５５は、外部機器と無線通信により信号の送受信を行う。例えば、通信部５５は、判定部５４による判定結果を外部機器に送信する。
＜センサの補正方法＞
以下、センサ２の補正について詳述する。

センサ２は、固有の周波数特性として、図５の実線に示すような周波数に対する感度の関係を有している。センサ２の周波数特性は、検出針２１の質量、第１圧電素子２５ａの固有の周波数特性、第２圧電素子２５ｂの固有の周波数特性、ウエイト２７の質量、皿バネ２８の弾性定数、及び、センサ２の組立誤差等に依存している。これらの因子にバラツキが有ると、図５の二点鎖線で示すように、センサ２の周波数特性にバラツキが生じる場合がある。

センサ２の周波数特性にバラツキが生じると、同じ振動をセンサ２で検出しても、センサ２の出力（検出信号）にバラツキが生じる。例えば、図６に示すようなパワースペクトルを有する振動をセンサ２で検出する。図５の実線で示す周波数に対する感度の関係Ｒ１（ｆ）を有するセンサ２の場合、検出信号のパワースペクトルＳ１（ｆ）は、図７の実線のようになる。一方、図５の二点鎖線で示す周波数に対する感度の関係Ｒ２（ｆ）を有するセンサ２の場合、検出信号のパワースペクトルＳ２（ｆ）は、図７の二点鎖線のようになる。つまり、測定対象物の振動が同じであっても、センサ２の周波数特性にバラツキがあれば、その検出結果にもバラツキが生じる。以下、説明の便宜上、周波数に対する感度の関係Ｒ（ｆ）を周波数特性Ｒ（ｆ）と称する。ただし、「周波数特性」という文言は、周波数に関連する特性を広く意味し、周波数に対する感度の関係に限定されるものではない。

そこで、センサ装置１００は、センサ２の周波数特性に基づいてセンサ２の検出信号を補正する。固有の周波数特性は、加振器によって単一の周波数の振動をセンサ２に与えたときのセンサ２の出力を検出し、周波数を所定の周波数帯域の範囲で掃引しながらこの検出を繰り返すことによって測定される。センサ２の固有の周波数特性を測定する工程は、事前に行われ、センサ２の周波数特性は、メモリ５３に記憶される。

まず、処理部５は、センサ２からの検出信号を読み込む。この工程が測定対象物の振動をセンサによって検出する工程に相当する。そして、処理部５は、前述の如く、センサ２からの検出信号に、フィルタ処理、増幅処理、Ａ／Ｄ変換及びＦＦＴ処理を施す。ＦＦＴ処理によりパワースペクトルに形を変えたセンサ２からの検出信号に対して補正部５１０が補正を行う。この補正が、センサ２の検出結果を固有の周波数特性に基づいて補正する工程に相当する。

詳しくは、補正部５１０は、センサ２の検出信号を、センサ２が所定の基準周波数特性を有する場合の検出信号となるように補正する。基準周波数特性は、他のセンサ装置１００と共通で設定されている。例えば、図５の破線で示すような基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）が設定される。基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）は、所定の周波数帯域では感度がｒ１で一律であり、該周波数帯域外では感度が０である。基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）は、メモリ５３に記憶されている。

具体的には、補正部５１０は、ＦＦＴ部５９により求められたパワースペクトルＳ（ｆ）を、式（１）に基づいて補正する。

Ｓ’（ｆ）＝Ａ（ｆ）×Ｓ（ｆ） ・・・（１）
ここで、Ｓ’（ｆ）は、補正されたパワースペクトルであり、以下、「補正パワースペクトル」と称する。Ａ（ｆ）は、周波数ｆを変数とする関数であり、以下、「補正関数」と称する。補正関数Ａ（ｆ）は、式（２）で表される。

Ａ（ｆ）＝Ｒｒｅｆ（ｆ）／Ｒ（ｆ） ・・・（２）
ここで、Ｒ（ｆ）は、前述のセンサ２の固有の周波数特性であり、周波数に対する感度の関係である。Ｒｒｅｆ（ｆ）は、周波数に対する感度の基準となる関係であり、基準周波数特性と称する。補正関数Ａ（ｆ）は、固有の周波数特性Ｒ（ｆ）に対する基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）の比率である。センサ２の固有の周波数特性において、感度が基準周波数特性の感度に対して小さい周波数成分ほど、補正関数Ａ（ｆ）の値が大きくなる。

このように、補正部５１０は、パワースペクトルの各周波数成分を、固有の周波数特性の感度に対する基準周波数特性の感度の比率に応じて増減する。こうして求められる補正パワースペクトルＳ’（ｆ）は、基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）を有するセンサ２によって検出されたパワースペクトルに相当する。

例えば、図５の実線で示す周波数特性Ｒ１（ｆ）を有するセンサ２の場合は、式（２）においてＲ（ｆ）＝Ｒ１（ｆ）となる。パワースペクトルＳ（ｆ）は、周波数特性Ｒ１（ｆ）に対する基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）の比率に応じて補正される。その結果、補正パワースペクトルＳ１’（ｆ）は、図７の破線のようになる。

一方、図５の二点鎖線で示す周波数特性Ｒ２（ｆ）を有するセンサ２の場合は、式（２）においてＲ（ｆ）＝Ｒ２（ｆ）となる。パワースペクトルＳ（ｆ）は、周波数特性Ｒ２（ｆ）に対する基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）の比率に応じて補正される。その結果、補正パワースペクトルＳ２’（ｆ）は、図７の破線のようになる。つまり、補正パワースペクトルＳ１’（ｆ）と補正パワースペクトルＳ２’（ｆ）とは、略同じになる。

このように、２つのセンサ２の固有の周波数特性Ｒ１（ｆ），Ｒ２（ｆ）はそれぞれ異なるものの、何れのパワースペクトルＳ１（ｆ），Ｓ２（ｆ）も、同じ基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）を有するセンサ２によって検出されたパワースペクトルに補正される。その結果、測定対象物の振動が同じであれば、補正パワースペクトルＳ１’（ｆ），Ｓ２’（ｆ）も略同じになる。つまり、センサ２の周波数特性にバラツキがあっても、その検出精度のバラツキが低減される。

尚、この例の基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）では所定の周波数帯域で感度が一律なので、パワースペクトルの全体的な形状は、振動のパワースペクトルと補正パワースペクトルＳ２’（ｆ）とで略同じになる。その結果、振動のパワースペクトルにおける各周波数成分の配分を、センサ２の検出信号においてより正確に再現することができる。

以上のように、センサ装置１００は、第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂを有し、測定対象物の振動を検出するセンサ２と、センサ２からの検出結果を補正する補正部５１０とを備え、補正部５１０は、検出結果をセンサ２の固有の周波数特性に基づいて補正する。

換言すると、センサ２の補正方法は、測定対象物９０の振動をセンサ２によって検出する工程と、センサ２の検出結果をセンサ２の固有の周波数特性に基づいて補正する工程とを含む。

この構成によれば、センサ２の出力信号がセンサ２の固有の周波数特性に基づいて補正されるので、センサ２ごとの周波数特性のバラツキに起因するセンサ２の検出信号のバラツキを低減することができる。

また、センサ装置１００は、センサ２の固有の周波数特性を記憶するメモリ５３をさらに備える。

この構成によれば、センサ２の固有の周波数特性を予め取得し、メモリ５３に記憶しておくことができる。

センサ２は、測定対象物の振動を第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５に伝える検出針２１（伝達部）を有し、固有の周波数特性は、少なくとも第１圧電素子２５ａ、第２圧電素子２５ｂ及び検出針２１を含む構造体の周波数特性である。

この構成によれば、第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５のそれぞれの固有の周波数特性だけでなく、検出針２１の弾性定数及び質量もセンサ２の固有の周波数特性に影響を与え得る。そのため、処理部５は、少なくとも第１圧電素子２５ａ、第２圧電素子２５ｂ及び検出針２１を含む構造体の周波数特性に基づいて、センサ２の出力信号を補正する。これにより、センサ２のうち第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂに加えて、周波数特性に影響を与え得る要素に起因する周波数特性のバラツキを考慮して、センサ２の出力信号を補正することができる。

《実施形態２》
続いて、実施形態２に係るセンサの補正方法について説明する。

センサ装置１００の構成は、実施形態１と実施形態２とで共通である。実施形態２に係るセンサの補正方法では、センサ２の検出信号のパワースペクトルＳ（ｆ）を補正する補正関数が実施形態１と異なる。

詳しくは、実施形態２に係る補正部５１０は、ＦＦＴ部５９により求められたパワースペクトルＳ（ｆ）を、式（３）に基づいて補正する。

Ｓ’（ｆ）＝Ｂ（ｆ）×Ｓ（ｆ） ・・・（３）
ここで、Ｂ（ｆ）は、パワースペクトルＳ（ｆ）を補正するための補正関数である。補正関数Ｂ（ｆ）は、センサ２の固有の周波数特性に応じて設定されている。

詳しくは、補正関数Ｂ（ｆ）は、式（４）で表される。

Ｂ（ｆ）＝Ｒｒｅｆ（ｆ）／｛Ｒｂ（ｆ）×（ｒｐ／ｒ２）｝ ・・・（４）
ここで、Ｒｂ（ｆ）は、予め用意された複数の周波数特性パターンの中から選択された周波数特性パターンである。例えば、図８に示すように、３つの周波数特性パターンＲｂ１（ｆ），Ｒｂ２（ｆ），Ｒｂ３（ｆ）が用意されている。３つの周波数特性パターンＲｂ１（ｆ），Ｒｂ２（ｆ），Ｒｂ３（ｆ）は、同じグラフ形状であって、センサ２の固有の周波数特性の代表的なグラフ形状をしている。３つの周波数特性パターンＲｂ１（ｆ），Ｒｂ２（ｆ），Ｒｂ３（ｆ）は、共振周波数だけ、即ち、周波数帯域だけが異なる。

第１周波数特性パターンＲｂ１（ｆ）は、比較的低い共振周波数を有する周波数特性である。第３周波数特性パターンＲｂ３（ｆ）は、比較的高い共振周波数を有する周波数特性である。第２周波数特性パターンＲｂ２（ｆ）は、中間の共振周波数を有する周波数特性である。３つの周波数特性パターンＲｂ１（ｆ），Ｒｂ２（ｆ），Ｒｂ３（ｆ）の感度の最大値は、ｒ２で同じである。

３つの周波数特性パターンのうち、センサ２の固有の周波数特性に最も近似したパターンが選択され、且つ、選択された周波数特性パターンの感度の大きさが、センサ２の固有の周波数特性の感度の大きさに近づくように調整される。

具体的には、センサ２の固有の共振周波数ｆｒが第１周波数ｆａ未満の場合には、第１周波数特性パターンＲｂ１（ｆ）が選択される。センサ２の固有の共振周波数ｆｒが第１周波数ｆａ以上で第２周波数ｆｂ未満の場合には、第２周波数特性パターンＲｂ２（ｆ）が選択される。センサ２の固有の共振周波数ｆｒが第２周波数ｆｂ以上の場合には、第３周波数特性パターン（ｆ）が選択される。つまり、３つの周波数特性パターンのうち、周波数帯域がセンサ２の固有の周波数特性の周波数帯域に最も近いパターンが選択される。図８の例では、第２周波数特性パターンＲｂ２（ｆ）が選択される。

ｒｐ／ｒ２は、周波数特性パターンの感度の最大値に対するセンサ２の感度の最大値の比である。つまり、周波数特性パターンＲｂ（ｆ）に感度の最大値の比ｒｐ／ｒ２を掛け合わせることによって、周波数特性パターンＲｂ（ｆ）の感度の大きさがセンサ２の固有の周波数特性の感度の大きさに近づくように調整される。図８の例では、第２周波数特性パターンＲｂ２（ｆ）の感度の大きさが全体的に拡大される。

尚、センサ２の固有の共振周波数ｆｒ及びセンサ２の感度の最大値ｒｐは、前述の如く、センサ２の固有の周波数特性を測定することによって求められる。

このように、センサ２の固有の周波数特性の周波数帯域に近い周波数帯域を有する周波数特性パターンが選択され、その周波数特性パターンの感度の最大値がセンサ２の感度の最大値に一致するように調整される。こうして求められた、センサ２の固有の周波数特性に近似する周波数特性が式（４）の分母である。つまり、実施形態１の式（２）の分母は、センサ２の固有の周波数特性であるのに対し、実施形態２の式（４）の分母は、センサ２の固有の周波数特性に近似する周波数特性である。

パワースペクトルＳ（ｆ）は、近似する周波数特性に対する基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）の比率に応じて補正され、補正パワースペクトルＳ’（ｆ）が求められる。これにより、パワースペクトルＳ（ｆ）は、基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）を有するセンサ２によって検出されたパワースペクトルに近いパワースペクトルに補正される。こうして、センサ２の周波数特性にバラツキがあっても、その検出精度のバラツキが低減される。

メモリ５３には、３つの周波数特性パターンＲｂ１（ｆ），Ｒｂ２（ｆ），Ｒｂ３（ｆ）、周波数特性パターンの感度の最大値ｒ２、並びにセンサ２の周波数特性としてのセンサ２の固有の共振周波数ｆｒ及びセンサ２の感度の最大値ｒｐが記憶されている。

補正部５１０は、３つの周波数特性パターンＲｂ１（ｆ），Ｒｂ２（ｆ），Ｒｂ３（ｆ）の中から最適な周波数特性パターンをセンサ２の固有の共振周波数ｆｒに基づいて選択する。そして、補正部５１０は、式（３），（４）に基づいて補正パワースペクトルＳ’（ｆ）を求める。

実施形態１では、センサ装置１００ごとにセンサ２の周波数に対する感度の関係（即ち、Ｒ（ｆ））を測定し、センサ装置１００ごとに個別のセンサ２の周波数に対する感度の関係をメモリ５３に記憶させる必要がある。それに対し、実施形態２では、センサ装置１００ごとにセンサ２の固有の共振周波数ｆｒ及び感度の最大値ｒｐのみを測定すればよく、センサ装置１００ごとに個別に記憶させるものも、センサ２の固有の共振周波数ｆｒ及び感度の最大値ｒｐである。そのため、センサ装置１００の製造に要する手間及び時間を低減することができる。

尚、周波数特性パターンの選択及び感度の大きさの調整を予め行って、式（４）の分母を予め求め、式（４）の分母をメモリ５３に記憶しておいてもよい。

《実施形態３》
続いて、実施形態３に係るセンサの補正方法について説明する。

実施形態３に係るセンサ装置１００の構成は、実施形態１と同じである。実施形態３に係るセンサの補正方法では、センサ２の検出信号のパワースペクトルＳ（ｆ）を補正する補正関数が実施形態１及び２と異なる。

詳しくは、実施形態２に係る補正部５１０は、ＦＦＴ部５９により求められたパワースペクトルＳ（ｆ）を、式（５）に基づいて補正する。

Ｓ’（ｆ）＝Ｃ（ｆ）×Ｓ（ｆ） ・・・（５）
ここで、Ｃ（ｆ）は、パワースペクトルＳ（ｆ）を補正するための補正関数である。補正関数Ｃ（ｆ）は、センサ２の固有の周波数特性に応じて設定されている。

詳しくは、補正関数Ｃ（ｆ）は、式（６）で表される。

Ｃ（ｆ）＝Ｒｒｅｆ（ｆ）／Ｒ’（ｆ） ・・・（６）
ここで、Ｒ’（ｆ）は、センサ２の固有の周波数特性の近似式である。近似式Ｒ’（ｆ）は、図９に示すように、周波数及び感度に関する３組の値（ｆｒ，ｒｐ）、（ｆｈ１，ｒｐ／√２）、（ｆｈ２，ｒｐ／√２）を用いて求められる近似式である。ここで、ｆｒは、センサ２の固有の共振周波数であり、ｒｐは、センサ２の感度の最大値ｒｐであり、ｆｈ１は、センサ２の感度がｒｐ／√２のときの低い方の周波数であり、ｆｈ２は、センサ２の感度がｒｐ／√２のときの高い方の周波数である。これらの値は、実測値である。センサ２の固有の周波数特性（周波数と感度との関係）のグラフ形状は、概ね決まっているため、これら３組の値を用いて、近似式Ｒ’（ｆ）を求めることができる。

パワースペクトルＳ（ｆ）は、周波数特性の近似式Ｒ’（ｆ）に対する基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）の比率に応じて補正され、補正パワースペクトルＳ’（ｆ）が求められる。これにより、パワースペクトルＳ（ｆ）は、基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）を有するセンサ２によって検出されたパワースペクトルに近いパワースペクトルに補正される。こうして、センサ２の周波数特性にバラツキがあっても、その検出精度のバラツキが低減される。

メモリ５３には、センサ２の周波数特性として、前述の３組の値、即ち、センサ２の感度の最大値ｒｐ及びｒｐ／√２と、それぞれに対応する周波数ｆｒ，ｆｈ１，ｆｈ２が記憶されている。これらの値は、予め測定される。また、メモリ５３には、近似式Ｒ’（ｆ）を求める際の基本式も記憶されている。基本式は、全てのセンサ装置１００で共通である。

補正部５１０は、基本式と３組の値に基づいて近似式Ｒ’（ｆ）を求める。補正部５１０は、求めた近似式Ｒ’（ｆ）及び式（５），（６）に基づいて補正パワースペクトルＳ’（ｆ）を求める。

実施形態１では、センサ装置１００ごとにセンサ２の周波数に対する感度の関係（即ち、Ｒ（ｆ））を測定し、センサ装置１００ごとに個別のセンサ２の周波数に対する感度の関係をメモリ５３に記憶させる必要がある。それに対し、実施形態３では、センサ装置１００ごとにセンサ２の周波数に対する感度の関係における３点（即ち、共振周波数ｆｒ及び感度の最大値ｒｐ、並びに、感度がｒｐ／√２のときの周波数ｆｈ１，ｆｈ２）のみを測定すればよく、センサ装置１００ごとに個別に記憶させるものも、３点の値である。そのため、センサ装置１００の製造に要する手間及び時間を低減することができると共に、メモリ５３に保持するデータ量を少なくすることができる。

尚、近似式Ｒ’（ｆ）は、周波数及び感度に関する３組の値に基づいて求められるものに限定されず、２組又は４組以上の値に基づいて求められてもよい。さらに、３組の値は、共振周波数ｆｒ及び感度の最大値ｒｐ、並びに、感度がｒｐ／√２のときの周波数ｆｈ１，ｆｈ２に限られず、任意に設定することができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、測定対象物９０は、スチームトラップに限られない。

センサ装置１００の構成は、前述の構成に限られない。例えば、センサ装置１００では、センサ２と処理部５とが接続管４を介さずに連結されていてもよい。センサ装置１００は、温度及び振動を検出しているが、温度検出機構３０を有さず、振動のみを検出してもよい。センサ装置１００の測定対象物への取付は、ネジ締結でなくてもよい。例えば、センサ装置１００は、測定対象物へ取り付けるためのクランプ部材等をさらに備え、クランプ部材によって測定対象物に取り付けられる構成であってもよい。

センサ２の構成は、前述の構成に限られない。例えば、圧電素子の個数は、２つである必要はなく、１つ、又は３つ以上であってもよい。また、センサ２において検出針２１、ウエイト２７及び皿バネ２８等は必須ではなく、測定対象物の振動が圧電素子に入力される構成であれば、任意の構成を採用し得る。ただし、検出針２１、ウエイト２７及び皿バネ２８等を設けることによってセンサ２の固有の周波数特性（例えば、共振周波数等）を調整することができる。

処理部５は、判定部５４を有し、測定対象物の状態を判定しているが、これに限られるものではない。また、処理部５は、補正部５１０によって補正された検出信号を出力してもよい。処理部５は、外部機器と無線ではなく、有線で接続されてもよい。

さらに、補正部５１０は、処理部５に含まれているが、これに限られるものではない。例えば、補正部５１０は、サーバ等に含まれていてもよい。つまり、補正部５１０は、センサ２及び処理部５とは物理的に分離（一体的にパッケージされていない）されていてもよい。

また、前記実施形態では、検出針２１、第１圧電素子２５ａ、第２圧電素子２５ｂ、ウエイト２７、及び皿バネ２８を含むセンサ２の全構造体の周波数特性をセンサ２の固有の周波数特性として扱っているが、これに限られるものではない。センサ２の固有の周波数特性に与える影響が大きな要素のみを考慮してもよい。例えば、圧電素子がセンサ２の固有の周波数特性に与える影響が大きく、他の要素がセンサ２の固有の周波数特性に与える影響が軽微である場合には、圧電素子の固有の周波数特性をセンサ２の固有の周波数特性として扱ってもよい。

基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）は、前述の周波数特性に限られない。例えば、基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）は、所定の周波数帯域において感度が一律ではなく、正規分布のようなグラフ形状を有していてもよい。つまり、全てのセンサ装置１００のセンサ２が共通の基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）を有するようにセンサ２の検出結果が補正される限り、基準周波数特性Ｒｒｅｆ（ｆ）のグラフ形状は、任意の形状とすることができる。

以上説明したように、ここに開示された技術は、センサ装置及びセンサの補正方法について有用である。

１００ センサ装置
２ センサ
２１ 検出針（伝達部）
２５ａ 第１圧電素子
２５ｂ 第２圧電素子
５３ メモリ（記憶部）
５１０ 補正部

Claims (4)

1. 圧電素子を有し、測定対象物の振動を検出するセンサと、
   前記センサの検出結果を補正する補正部とを備え、
   前記補正部は、前記検出結果を前記センサの固有の周波数特性に基づいて補正することを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記センサの固有の周波数特性を記憶する記憶部をさらに備えることを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項１又は２に記載のセンサ装置において、
   前記センサは、測定対象物の振動を前記圧電素子に伝える伝達部を有し、
   前記固有の周波数特性は、少なくとも前記圧電素子及び前記伝達部を含む構造体の周波数特性であることを特徴とするセンサ装置。
4. 測定対象物の振動をセンサによって検出する工程と、
   前記センサの検出結果を前記センサの固有の周波数特性に基づいて補正する工程とを含むことを特徴とするセンサの補正方法。
   
   

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