TWI661960B - 高頻振動測量系統 - Google Patents

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山田智浩
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
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Abstract

高頻振動測量系統具備感測器部、電纜、及測量部。電纜包含電源線與接地線，且不包含信號線。感測器部包含：加速度感測器IC；感測器電源生成部；調變電路，對自加速度感測器IC輸出的交流信號進行調變而生成調變信號；電容器，連接在調變電路與電源線之間；以及第1扼流圈，連接於電源線。測量部包含：直流電壓生成部；解調電路，對調變信號進行解調，而生成解調信號；測量電路，根據解調信號，測量感測器部中所產生的加速度；電容器，連接在解調電路與電源線之間；以及扼流圈，連接於電源線。

Description

高頻振動測量系統
本發明是有關於一種用以測量物體的振動的高頻振動測量系統。
用以檢測高頻振動的先前的系統例如於日本專利特開2014-91357號公報(專利文獻1)中有揭示。根據日本專利特開2014-91357號公報，先前的系統具有配置於感測器盒內的感測器晶片(積體電路(Integrated Circuit，IC)晶片)及連接器。在IC晶片與連接器之間設置構成電源供給電路的電源線、地側的接地線及用以傳遞來自IC晶片的輸出的輸出線。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2014-91357號公報
如上所述，於先前的高頻振動測量系統中設置有加速度感測器IC的輸出信號線、加速度感測器IC的電源線及接地線。由於感測器電纜包含該些線，因此感測器電纜的電纜直徑及電纜重量容易變大。根據感測器電纜的處理方式，朝振動方向的應力 或感測器電纜對於接觸共振的影響變大。因此，有可能產生對於振動感測器的高頻率波段的特性的影響。
本發明的目的在於提供一種提昇高頻率波段中的頻率特性的高頻振動測量系統。
本發明的某一形態的高頻振動測量系統具備感測器部、連接於感測器部的第1電纜及測量部。第1電纜包含第1電源線與第1接地線，且不包含信號線。感測器部包含：加速度感測器IC，輸出對應於感測器部中產生的加速度的交流信號；感測器電源生成部，連接於第1電源線及第1接地線，並供給電源電壓至加速度感測器IC；調變電路，對自加速度感測器IC輸出的交流信號進行調變而生成調變信號；第1電容器，為了將調變信號重疊於第1電源線中而連接在調變電路與第1電源線之間；以及第1扼流圈，為了阻止調變信號朝向感測器電源生成部的輸入而連接於第1電源線。測量部包含：直流電壓生成部，在第1電源線及第1接地線之間生成直流電壓；解調電路，對重疊於第1電源線中的調變信號進行解調，而生成解調信號；測量電路，根據解調信號，測量感測器部中所產生的加速度；第2電容器，為了使調變信號穿過並輸入至解調電路，而連接在解調電路與第1電源線之間；以及第2扼流圈，為了阻止調變信號朝向直流電壓生 成部的輸入，而連接於第1電源線。
較佳為調變電路包含振盪器及藉由振盪器來接通與斷開並截斷交流信號的開關。解調電路為電阻電容電路(Resistor-Capacitor circuit)。
較佳為高頻振動測量系統包括：多個感測器部；多個第1電纜，分別連接於多個感測器部；中繼器，連接於多個第1電纜；測量部；第2電纜，連接在測量部與中繼器之間。第2電纜包含第2電源線與第2接地線及信號線。中繼器包含：多個放大部，分別連接於多個第1電纜，並將重疊於第1電源線中的所述調變信號放大；以及開關，連接於第2電源線、第2接地線及信號線，並響應經由信號線所傳遞的切換信號，使多個放大部中的任一個與第2電源線及第2接地線電性連接。測量部將切換信號輸出至信號線中。
根據本發明，可減少感測器電纜的重量及直徑，因此可提供一種提昇高頻率波段中的頻率特性的高頻振動測量系統。
1‧‧‧感測器部
2‧‧‧測量部
3‧‧‧第1電纜
3a‧‧‧電纜
30‧‧‧第2電纜
4‧‧‧第1電源線
4a‧‧‧第2電源線
4b‧‧‧電源線
5‧‧‧第1接地線
5a‧‧‧第2接地線
5b‧‧‧接地線
6、6a‧‧‧信號線
7‧‧‧測量對象
8‧‧‧中繼器
11‧‧‧加速度感測器IC
12‧‧‧感測器電源生成部
13‧‧‧調變電路
14‧‧‧第1扼流圈
22‧‧‧第2扼流圈
15‧‧‧第1電容器
23‧‧‧第2電容器
17‧‧‧ON/OFF開關
18‧‧‧振盪器
21‧‧‧DC電壓生成部
24‧‧‧解調電路
25‧‧‧A/D轉換器
26‧‧‧測量用MCU(測量電路)
31‧‧‧放大部
32‧‧‧開關
100、101、102‧‧‧高頻振動測量系統
圖1是表示本發明的實施形態的高頻振動測量系統的整體構成的方塊圖。
圖2是用以說明感測器輸出信號的調變及解調的信號波形的 示意圖。
圖3是表示本發明的實施形態的高頻振動測量系統的比較例的構成的圖。
圖4是用以在圖3所示的比較例與本發明的實施形態之間對電纜的直徑進行比較的電纜的示意剖面圖。
圖5是用以說明由本發明的實施形態所產生的效果的概念圖。
圖6是表示本發明的實施形態的高頻振動測量系統的其他構成的方塊圖。
一面參照圖式一面對本發明的實施形態進行詳細說明。再者，對圖中的相同或相當部分標註相同符號且不重複其說明。
圖1是表示本發明的實施形態的高頻振動測量系統的整體構成的方塊圖。如圖1所示，本發明的實施形態的高頻振動測量系統100具備感測器部1、測量部2及第1電纜3。感測器部1與測量部2藉由第1電纜3來連接。第1電纜3包含第1電源線4與第1接地線5，另一方面，不包含信號線。來自感測器部1的信號重疊於第1電源線4中而被發送至測量部2。
感測器部1包括：加速度感測器IC 11、感測器電源生成部12、調變電路13、第1扼流圈14及第1電容器15。加速度 感測器IC 11藉由自感測器電源生成部12供給電源而運作，檢測測量對象(未示於圖1中)的振動。感測器電源生成部12連接於第1電源線4及第1接地線5，自測量部2接收電力，並供給電源電壓至加速度感測器IC 11。於該實施形態中，「電源」是指直流電源。另一方面，自加速度感測器IC 11中輸出的電壓的種類為交流電壓。
調變電路13是用以對自加速度感測器IC 11輸出的信號進行調變的電路。調變電路13包含接通/斷開(ON/OFF)開關17與振盪器18。振盪器18產生載波。ON/OFF開關17根據振盪器18的振盪頻率，接通/斷開加速度感測器IC 11的輸出信號。藉此，加速度感測器IC 11的輸出信號被高速地接通/斷開並得到調變。
第1電容器15連接在調變電路13的輸出與第1電源線4之間。藉由調變電路13來調變的調變信號穿過第1電容器15而重疊於第1電源線4中。第1扼流圈14插入至第1電源線4中，阻止調變信號被輸入至感測器電源生成部12中。
測量部2包括：直流(Direct current，DC)電壓生成部21、第2扼流圈22、第2電容器23、解調電路24、類比/數位(Analog/Digital，A/D)轉換器25及測量用微控制單元(Micro Control Unit，MCU)。
DC電壓生成部21連接於第1電源線4及第1接地線5，供給電源至感測器部1的感測器電源生成部12。第2扼流圈22插入至第1電源線4中，阻止調變信號被輸入至DC電壓生成部 21中。
調變信號穿過第2電容器23而輸入至解調電路24。解調電路24對調變信號進行解調。A/D轉換器25對經解調的信號進行A/D轉換而生成數位資料。測量用MCU 26根據來自A/D轉換器25的數位資料對測量對象(未示於圖1中)的加速度進行測量。再者，亦可將A/D轉換器25與測量用MCU 26合併來構成測量電路。
圖2是用以說明感測器輸出信號的調變及解調的信號波形的示意圖。參照圖1及圖2，自感測器部1的加速度感測器IC 11中輸出交流電壓的信號。於該實施形態中，感測器輸出信號的頻率例如為幾Hz~幾kHz左右。感測器輸出信號的電壓始終為正。
感測器輸出信號藉由利用振盪器18及ON/OFF開關17的截斷來調變。自振盪器18中輸出的載波例如是頻率為幾MHz~幾十MHz的矩形波信號。
解調電路24對調變後信號進行解調。藉此，解調後信號再現原來的感測器輸出信號的波形。解調電路24的構成並無特別限定。例如，可將RC電路應用於解調電路24。RC電路作為低通濾波器發揮功能。藉由將RC電路應用於解調電路24，能夠以簡單的構成實現解調電路24。
於本發明的實施形態中，使用高頻率的載波。藉此，可使調變電路、重疊電路及解調電路的構成變得簡單。進而，不需要用於電力線通信系統的專用數據機。因此，可容易且低成本地 實現小型的高頻振動測量系統。
圖3是表示本發明的實施形態的高頻振動測量系統100的比較例的構成的圖。如圖3所示，高頻振動測量系統101具有將感測器部1與測量部2連接的電纜3a。電纜3a除第1電源線4及第1接地線5以外，包含信號線6。信號線6是用以將來自感測器部1的加速度感測器IC 11的輸出信號傳遞至測量部2的A/D轉換器25中的信號線。於圖3所示的構成中，於電纜3a中包含電源線、地側的接地線及用以傳遞來自加速度感測器IC的輸出信號的信號線。
圖4是用以在圖3所示的比較例與本發明的實施形態之間對電纜的直徑進行比較的電纜的示意剖面圖。如圖4所示，比較例的電纜3a包含第1電源線4、第1接地線5及信號線6。另一方面，於本發明的實施形態中，第1電纜3自電纜3a的構成中省略信號線6。因此，根據本發明的實施形態，可減小電纜直徑，並且可削減電纜的重量。
圖5是用以說明由本發明的實施形態所產生的效果的概念圖。參照圖5，感測器部1為了對測量對象7的振動進行測量，而接觸測量對象7的表面。電纜3a或第1電纜3於感測器部1的上方彎曲，並且處於測量對象7的表面上。
測量對象7於上下方向上振動。如圖4所示，第1電纜3的直徑小於電纜3a。通常，於測量對象上安裝感測器等，藉此測量對象的共振頻率產生變化。尤其，於高頻率波段中，測量對 象的共振頻率的變化與測量誤差相關，因此較佳為輕量的感測器。安裝於測量對象上的感測器等在振動方向上越長，越成為朝振動方向上的重量成分，因此所述測量誤差增大。根據本發明的實施形態，藉由電纜直徑小，可減小電纜的彎曲半徑，因此可減輕朝振動方向上的重量成分。進而，亦可抑制電纜本身的重量。因此，根據本發明的實施形態，可減輕所述測量誤差增加。
如此，根據本發明的實施形態，可應用比先前輕、且直徑小的電纜。藉此，不僅可謀求測量對象的振動方向的應力的降低，亦可謀求由安裝感測器所造成的對於共振頻率的影響的降低。因此，根據本發明的實施形態，可提昇高頻振動測量系統的高頻率波段中的頻率特性。
進而，根據本發明的實施形態，可降低電纜的成本。尤其，因對用於產業用途的振動測量系統的電纜要求耐環境性，故電纜材料大多價格高。藉由減少電纜的直徑，可提高削減成本的效果。
圖6是表示本發明的實施形態的高頻振動測量系統的其他構成的方塊圖。如圖6所示，高頻振動測量系統102包括：多個感測器部1、中繼器8、測量部2、用以將多個感測器部1分別連接於中繼器8的多個第1電纜3及用以將測量部2與中繼器8連接的第2電纜30。關於各個感測器部1的構成、第1電纜3的構成及測量部2的構成，不重複說明。
中繼器8包含多個放大部31與開關32。第2電纜30 包含第2電源線4a、第2接地線5a及信號線6a。
中繼器8統一接收來自多個感測器部1的各個的調變信號。中繼器8的各個放大部31將藉由對應的感測器部1而重疊於第1電纜3的第1電源線4中的調變信號放大。放大部31是將電壓位準放大，藉此，信號成分藉由放大部31來放大。開關32經由信號線6a而接收自測量部2輸出的切換信號。開關32響應於切換信號，以使多個放大部31中的任一個的輸出線(電源線4b及接地線5b)與第2電纜30的第2電源線4a及第2接地線5a連接的方式進行切換。藉此，測量部2經由第2電源線4a及第2接地線5a而與所選擇的放大部31電性連接。測量部2自該放大部31接收經放大的調變信號，並對調變信號進行解調。
根據圖6所示的構成，可藉由中繼器8來使感測器部1與測量部2之間的距離變長，並且可藉由中繼器8中的開關32來選擇朝測量部2傳送的感測器信號。進而，將多個感測器部1的各個與中繼器8連接的第1電纜3雖然包含第1電源線4及第1接地線5，但不包含信號線。因此，關於多個感測器部1的各個，如圖5所示，可減小電纜的彎曲半徑，因此可減輕朝振動方向上的重量成分。進而，電纜本身的重量得到抑制。因此，可提昇高頻率波段中的頻率特性。
本次所揭示的實施形態應認為於所有方面均為例示而非進行限制者。本發明的範圍由專利申請的範圍表示而非由所述說明表示，且意圖包含與專利申請的範圍均等的含義及範圍內的 所有變更。

Claims (3)

  1. 一種高頻振動測量系統，包括：感測器部；第1電纜，連接於所述感測器部；以及測量部，所述第1電纜包含第1電源線與第1接地線，且不包含信號線，所述感測器部包含：加速度感測器積體電路，輸出對應於所述感測器部中產生的加速度的交流信號；感測器電源生成部，連接於所述第1電源線及所述第1接地線，並供給電源電壓至所述加速度感測器積體電路；調變電路，對自所述加速度感測器積體電路輸出的所述交流信號進行調變而生成調變信號；第1電容器，為了將所述調變信號重疊於所述第1電源線中而連接在所述調變電路與所述第1電源線之間；以及第1扼流圈，為了阻止所述調變信號朝向所述感測器電源生成部的輸入而連接於所述第1電源線，所述測量部包含：直流電壓生成部，在所述第1電源線及所述第1接地線之間生成直流電壓；解調電路，對重疊於所述第1電源線中的所述調變信號進行解調，而生成解調信號；測量電路，根據所述解調信號，測量所述感測器部中所產生的所述加速度；第2電容器，為了使所述調變信號穿過並輸入至所述解調電路，而連接在所述解調電路與所述第1電源線之間；以及第2扼流圈，為了阻止所述調變信號朝向所述直流電壓生成部的輸入，而連接於所述第1電源線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高頻振動測量系統，其中所述調變電路包括：振盪器；以及開關，藉由所述振盪器來接通與斷開並截斷所述交流信號；且所述解調電路為電阻電容電路。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高頻振動測量系統，其中所述高頻振動測量系統包括：多個所述感測器部；多個所述第1電纜，分別連接於所述多個所述感測器部；中継器，連接於所述多個所述第1電纜；所述測量部；以及第2電纜，連接在所述測量部與所述中継器之間；所述第2電纜包含第2電源線與第2接地線及信號線，所述中継器包含：多個放大部，分別連接於所述多個所述第1電纜，並將重疊於所述第1電源線中的所述調變信號放大；以及開關，連接於所述第2電源線、所述第2接地線及所述信號線，並響應經由所述信號線所傳遞的切換信號，使所述多個放大部中的任一個與所述第2電源線及所述第2接地線電性連接，並且所述測量部將所述切換信號輸出至所述信號線中。
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