(57)【要約】      （修正有）【課題】低消費電力で計測精度を実現できるひずみ計測装置及びその方法を提供する。【解決手段】ひずみ計測装置１０は、センサ信号ＳＳを出力するひずみ部１２と、センサ信号ＳＳを増幅して増幅信号ＳＡを出力する増幅部１４と、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳの大きさに応じたレベルに調整する調整部２４と、調整部２４で調整された増幅信号ＳＡから計測値を演算する演算部２６とを有する。増幅部１４は、センサ信号ＳＳと参照信号との差分を増幅する第１の増幅器３８と、第１の増幅器３８からの信号を更に増幅して増幅信号ＳＡを出力する第２の増幅器４０と、増幅器３８，４０の間に位置し、増幅信号に含まれる所定の周波数を除去するノイズ除去部４２とを有する。調整部２４は、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲外である場合に、参照信号を減少又は増大させて、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳの大きさに応じたレベルに調整する。【選択図】図１
2019120566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ信号を出力するひずみ部と、
前記センサ信号を増幅して増幅信号を出力する増幅部と、
前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整する調整部と、
前記調整部で調整された前記増幅信号から計測値を演算する演算部と、
を有し、
前記増幅部は、前記センサ信号と参照信号との差分を増幅する第１の増幅器と、前記第１の増幅器からの信号を更に増幅して前記増幅信号を出力する第２の増幅器と、
前記第１及び第２の増幅器の間に位置し、前記第１の増幅器からの信号に含まれる所定の周波数を除去する第１のノイズ除去部と、
を有し、
前記調整部は、前記増幅信号の大きさが所定の範囲外である場合に、前記参照信号を減少又は増大させて、前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整する、
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載のひずみ計測装置において、
前記増幅部は、
前記第２の増幅器からの信号を更に増幅する第３の増幅器と、
前記第２及び第３の増幅器の間に位置し、前記第２の増幅器からの信号に含まれる所定の周波数を除去する第２のノイズ除去部と、
を有することを特徴とするひずみ計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のひずみ計測装置において、
前記複数の増幅器の増幅倍率は、上流から下流に向けて徐々に小さくなるように設定される、
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のひずみ計測装置において、
前記第１の増幅器は、前記ひずみセンサに接続された非反転入力端子と、前記参照信号が印加される反転入力端子と、を有し、
前記調整部は、
前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の下限よりも小さい場合には前記参照信号を減少させ、
前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の上限よりも大きい場合には前記参照信号を増大させる、
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載のひずみ計測装置において、
前記第１の増幅器は、前記ひずみセンサに接続された反転入力端子と、前記参照信号が印加される非反転入力端子と、を有し、
前記調整部は、
前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の下限よりも小さい場合には前記参照信号を増大させ、
前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の上限よりも大きい場合には前記参照信号を減少させる、
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のひずみ計測装置において、
前記演算部は、前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲内であると判定された場合、前記参照信号及び前記増幅信号の大きさに応じて前記計測値を演算する、
ことを特徴とするひずみ計測装置。
【請求項７】
ひずみ部のセンサ信号を出力するステップと、
前記センサ信号を増幅して増幅信号を出力するステップと、
前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整するステップと、
調整された前記増幅信号から計測値を演算するステップと、
を有し、
前記増幅信号を出力するステップは、
前記センサ信号と参照信号との差分を増幅するステップと、
増幅された信号に含まれる所定の周波数を除去するステップと、
所定の周波数を除去された信号を更に増幅して前記増幅信号を出力するステップと、
を含み、
前記調整するステップは、前記増幅信号の大きさが所定の範囲外である場合に、前記参照信号を減少又は増大させて、前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整する、
ことを特徴とするひずみ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみ計測装置及びひずみ計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、構造物の予防保全のために、構造物の所定箇所においてひずみ量等の計測を行い、構造物の状態を監視する技術が知られている。
【０００３】
この様な技術としては、例えば、ひずみゲージ等のひずみセンサを利用するものが知られている。例えば、ひずみゲージは抵抗線を内蔵しており、この抵抗線の電気抵抗値は、ひずみゲージの変形に応じて増大又は減少する。従って、この様なひずみゲージを構造物の表面に貼り付け、抵抗線の電圧値や電流値等を計測することにより、構造物の状態を把握することができる。
【０００４】
下記特許文献１には、建築物に設けられ、ホイートストンブリッジに組まれたひずみゲージを含むひずみセンサと、ひずみセンサの出力信号を増幅するアンプとを有するひずみ計測装置が記載されている。この計測装置を用いることで、建築物における微小の状態変化であっても、ひずみセンサにより計測されるひずみ量を精度良く測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３４３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のホイートストンブリッジ回路は、ひずみセンサが接続された電流経路以外に電流経路が存在するため、消費電力の低減が難しい。また、ホイートストンブリッジ回路を用いて所定の計測精度を実現しようとすると、高精細な抵抗素子が複数必要となる場合があり、高価になってしまう。さらに、ホイートストンブリッジ回路の採用により、この回路自体及びこの回路に供給する電源回路の部品点数が多くなり、ひずみ計測装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、簡易な構造で、低消費電力及び低コストを実現しつつ、所定の計測精度を実現可能なひずみ計測装置及びひずみ計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のひずみ計測装置は、センサ信号を出力するひずみ部と、前記センサ信号を増幅して増幅信号を出力する増幅部と、前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整する調整部と、前記調整部で調整された前記増幅信号から計測値を演算する演算部と、を有し、前記増幅部は、前記センサ信号と参照信号との差分を増幅する第１の増幅器と、前記第１の増幅器からの信号を更に増幅して前記増幅信号を出力する第２の増幅器と、前記第１及び第２の増幅器の間に位置し、前記第１の増幅器からの信号に含まれる所定の周波数を除去する第１のノイズ除去部と、を有し、前記調整部は、前記増幅信号の大きさが所定の範囲外である場合に、前記参照信号を減少又は増大させて、前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整することを特徴とする。
【０００９】
また、前記増幅部は、前記第２の増幅器からの信号を更に増幅する第３の増幅器と、前記第２及び第３の増幅器の間に位置し、前記第２の増幅器からの信号に含まれる所定の周波数を除去する第２のノイズ除去部とを有することができる。
【００１０】
また、前記複数の増幅器の増幅倍率は、上流から下流に向けて徐々に小さくなるように設定されることができる。
【００１１】
また、前記第１の増幅器は、前記ひずみセンサに接続された非反転入力端子と、前記参照信号が印加される反転入力端子と、を有し、前記調整部は、前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の下限よりも小さい場合には前記参照信号を減少させ、前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の上限よりも大きい場合には前記参照信号を増大させることができる。
【００１２】
また、前記第１の増幅器は、前記ひずみセンサに接続された反転入力端子と、前記参照信号が印加される非反転入力端子と、を有し、前記調整部は、前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の下限よりも小さい場合には前記参照信号を増大させ、前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲の上限よりも大きい場合には前記参照信号を減少させることができる。
【００１３】
また、前記演算部は、前記増幅信号の大きさが前記所定の範囲内であると判定された場合、前記参照信号及び前記増幅信号の大きさに応じて前記計測値を演算することができる。
【００１４】
別の発明は、ひずみ部のセンサ信号を出力するステップと、前記センサ信号を増幅して増幅信号を出力するステップと、前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整するステップと、調整された前記増幅信号から計測値を演算するステップと、を有し、前記増幅信号を出力するステップは、前記センサ信号と参照信号との差分を増幅するステップと、増幅された信号に含まれる所定の周波数を除去するステップと、所定の周波数を除去された信号を更に増幅して前記増幅信号を出力するステップと、を含み、前記調整するステップは、前記増幅信号の大きさが所定の範囲外である場合に、前記参照信号を減少又は増大させて、前記増幅信号を前記センサ信号の大きさに応じたレベルに調整することを特徴とするひずみ計測方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のひずみ計測装置及びひずみ計測方法は、簡易な構造で、低消費電力及び低コストを実現しつつ、所定の計測精度を実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るひずみ計測装置の構成を示す回路図である。
【図２】ひずみ計測方法の流れを示すフロー図である。
【図３】構造物の状態を遠隔から監視する遠隔状態監視システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、ひずみ計測装置及びひずみ計測方法の実施形態について、図を用いて説明する。
【００１８】
［ひずみ計測装置の構成］
図１は、本実施形態に係るひずみ計測装置（以降、単に「装置」と記す）１０の構成を示す回路図である。装置１０は、建築物、橋、トンネル、設備機器、船舶などの構造物（図示せず）に取り付け可能に構成され、これら構造物のひずみ量を計測して、計測値として出力する装置である。
【００１９】
装置１０は、センサ信号ＳＳを出力するセンサ部１２と、センサ信号ＳＳを増幅して増幅信号ＳＡを出力する増幅部１４と、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳに基づいて適切な計測値を出力するように制御する制御部１６とを有する。
【００２０】
制御部１６は、マイクロコントローラ１８と、増幅信号ＳＡをアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２０と、デジタル信号をアナログ信号に変換し、参照信号ＳＲとして出力するＤ／Ａ変換器２２とを有する。マイクロコントローラ１８は、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳの大きさに応じたレベルに調整する調整部２４と、この調整部２４によって調整された増幅信号ＳＡから計測値を演算する演算部２６とを有する。
【００２１】
センサ部１２は、電源端子２８と、接地端子３０と、これら電源端子２８及び接地端子３０の間に直列に接続されたひずみセンサ３２及び分圧抵抗３４とを有する。また、ひずみセンサ３２と分圧抵抗３４との間には、センサ信号ＳＳの出力端であるセンス端子３６が設けられる。
【００２２】
ひずみセンサ３２は、ひずみ量を検出するセンサである。ひずみセンサ３２のひずみ量が変化すると、ひずみセンサ３２の電気抵抗値が変化し、センス端子３６の電圧値が変化する。本実施形態においては、このセンス端子３６の電圧値をセンサ信号ＳＳとして利用する。ひずみセンサ３２としては種々の構成が適用可能であるが、例えば、１２０Ω程度の電気抵抗値を有し、この電気抵抗値がひずみ量に応じて±０．５Ω程度の範囲で変化するひずみゲージ等を適用することができる。
【００２３】
分圧抵抗３４は、ひずみセンサ３２と同程度の電気抵抗値を有する抵抗素子である。分圧抵抗３４としては種々の構成が適用可能であるが、例えば、１２０Ω程度の電気抵抗値を有する抵抗素子を適用することができる。
【００２４】
増幅部１４は、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を増幅する第１の増幅器３８と、第１の増幅器３８からの信号を更に増幅して増幅信号ＳＡを出力する第２の増幅器４０と、
第１の増幅器３８と第２の増幅器４０との間に配置され、第１の増幅器３８からの信号に含まれる所定の周波数を除去する第１のノイズ除去部４２とを有する。増幅部１４から出力された増幅信号ＳＡは、制御部１６に送られる。
【００２５】
第１の増幅器３８は、例えば、差動増幅式のセンスアンプである。第１の増幅器３８の非反転入力端子には、例えば、センス端子３６が接続され、センサ信号ＳＳが入力される。第１の増幅器３８の反転入力端子には、Ｄ／Ａ変換器２２を介してマイクロコントローラ１８が接続され、参照信号ＳＲが入力される。第１の増幅器３８としては種々の構成が適用可能であるが、例えば、非反転入力端子と反転入力端子との間の電圧差を５００倍程度に増幅するパワーアンプを適用することができる。なお、センス端子３６は、非反転入力端子でなく、反転入力端子に接続されても良い。この場合、例えば、調整部２４は、反転入力端子でなく、非反転入力端子に接続される。また、本実施形態における第１の増幅器３８の増幅幅５００倍は一例であって、この数値に限定されるものではない。
【００２６】
第１のノイズ除去部４２は、第１の増幅器３８から出力された電圧信号から所定の周波数を除去して、第２の増幅器４０に出力する。第１のノイズ除去部４２はローパスフィルタであり、任意に設定された遮断周波数より高い周波数成分を逓減させ、その遮断周波数より低い周波数成分は減衰させずに出力する。これにより、センサ信号ＳＳに含まれるノイズであって、第１の増幅器３８の増幅により大きくなってしまったノイズを効果的に除去することができ、その結果、調整部２４におけるノイズの影響を低減することができる。
【００２７】
第２の増幅器４０は、例えば、差動増幅式のセンスアンプである。第２の増幅器４０の非反転入力端子には、例えば、第１の増幅器３８の出力端子が第１のノイズ除去部４２を介して接続される。そして、第２の増幅器４０の非反転入力端子には、第１の増幅器３８からの信号であって、第１のノイズ除去部４２によってノイズが除去された信号が、入力される。第２の増幅器４０の反転入力端子は、例えば、接地される。第２の増幅器４０の出力端子には、Ａ／Ｄ変換器２０を介してマイクロコントローラ１８が接続され、増幅信号ＳＡが出力される。第２の増幅器４０としては種々の構成が適用可能であるが、例えば、非反転入力端子と反転入力端子との間の電圧差を１０倍程度に増幅する計装用アンプを適用することができる。なお、第１の増幅器３８の出力端子は、非反転入力端子でなく、反転入力端子に接続されても良い。この場合、接地端子は、反転入力端子でなく、非反転入力端子に接続される。
【００２８】
本実施形態における第１の増幅器３８の増幅倍率は５００倍であり、第２の増幅器４０の増幅倍率は１０倍である。このように、２つの増幅器３８，４０の増幅倍率は、上流に位置する第１の増幅器３８よりも、下流に位置する第２の増幅器４０のほうが小さくなるように設定されている。このように、増幅部１４の出力側に位置する第２の増幅器４０の増幅倍率を第１の増幅器３８の増幅倍率より小さくすることで、調整器２４に出力される増幅信号ＳＡへのノイズの影響を低減することができる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、増幅部１４が２つの増幅器３８，４０を有する場合について説明したが、本発明は増幅器の数２個に限定されず、３個以上とすることができる。例えば、増幅部１４が、第２の増幅器４０からの信号を更に増幅する第３の増幅器を有していても良い。この場合、第２の増幅器４０と第３の増幅器との間に配置され、第２の増幅器４０からの信号に含まれる所定の周波数を除去する第２のノイズ除去部が設けられることが好適である。また、増幅器の数が３個以上である場合、各増幅器の増幅倍率は、上流から下流に向けて徐々に小さくなるように設定されることが好適である。このように複数の増幅器とノイズ除去部とを組み合わせた構成とすることで、増幅信号ＳＡに対するノイズの影響を大幅に低減することができ、結果として、計測値の精度を向上させることができる。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換器２０は、増幅信号ＳＡをアナログ信号からデジタル信号に変換する変換器である。Ａ／Ｄ変換器２０の入力端子には、第２の増幅器４０の出力端子が接続され、第２の増幅器４０からの増幅信号ＳＡが入力される。Ａ／Ｄ変換器２０の出力端子には、マイクロコントローラ１８が接続され、デジタル信号に変換された増幅信号ＳＡが出力される。Ａ／Ｄ変換器２０としては、種々の構成が適用可能であるが、例えば、１６ビットのＡ／Ｄ変換器であって、そのうちの１ビットを符号用に使用するものを適用することができる。この様なＡ／Ｄ変換器２０は、例えば、３．３Ｖの電源電圧によって駆動される場合、３．３Ｖ／２１５≒０．１ｍＶ程度の分解能を備える。
【００３１】
マイクロコントローラ１８は、例えば、内部に記憶されたファームウェア等によって種々の機能を実現する。それらの機能の一部を実現するため、マイクロコントローラ１８は、調整部２４と演算部２６を有する。
【００３２】
調整部２４は、Ａ／Ｄ変換器２０でデジタル信号に変換された増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲外である場合に、参照信号ＳＲを減少又は増大させる。一方、演算部２６は、Ａ／Ｄ変換器２０でデジタル信号に変換された増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲内である場合に、参照信号ＳＲ及び増幅信号ＳＡに基づいてひずみ量を演算し、計測値として出力する。装置１０には、記憶部（図示せず）が設けられ、この記憶部に、参照信号ＳＲと増幅信号ＳＡに基づいて一意に決定するひずみ量に関するテーブルが記憶されている。このテーブルは、参照信号ＳＲが小さいほどひずみ量が小さく、所定の参照信号ＳＲ内における増幅信号ＳＡが小さいほどひずみ量が小さい。なお、このテーブルは装置１０外部に保持され、装置１０は、単に参照信号ＳＲと増幅信号ＳＡを出力するだけでもよい。
【００３３】
Ｄ／Ａ変換器２２は、参照信号ＳＲをアナログ信号からデジタル信号に変換する変換器である。Ｄ／Ａ変換器２２の入力端子には、マイクロコントローラ１８が接続され、マイクロコントローラ１８からの参照信号ＳＲが入力される。Ｄ／Ａ変換器２２の出力端子には、第１の増幅器３８が接続され、アナログ信号に変換された増幅信号ＳＡが出力される。Ｄ／Ａ変換器２２としては、種々の構成が適用可能であるが、例えば、１２ビットのＤ／Ａ変換器を適用することができる。この様なＤ／Ａ変換器２２は、例えば、３．３Ｖの電源電圧によって駆動される場合、３．３Ｖ／２１２≒０．８ｍＶ程度の幅で出力値、即ち、参照信号ＳＲの大きさを調整可能である。
【００３４】
［ひずみ計測装置の動作］
次に、装置１０の動作を説明する。
【００３５】
装置１０は図示しないタイマーを備え、所定の時刻に起動する。装置１０が起動すると、センサ部１２、増幅部１４、制御部１６に電源電圧が供給される。
【００３６】
センサ部１２に電源電圧が供給されると、センサ部１２からは、ひずみセンサ３２のひずみ量に応じた大きさのセンサ信号ＳＳが出力される。
【００３７】
例えば、ひずみセンサ３２のひずみ量が１００万分の１ＳＴ（１μＳＴ）である場合、ひずみセンサ３２の電気抵抗値を１２０Ω、ゲージ係数を２．１４とすると、ひずみセンサ３２の電気抵抗値は、１μＳＴ×１２０Ω×２．１４＝０．０００２５６８Ω変化する。
【００３８】
ここで、例えば、ひずみセンサ３２のひずみ量が０である場合、電源端子２８の電圧を３．３Ｖ、分圧抵抗３４の電気抵抗値を１２０Ωとすると、センス端子３６の電圧値は、３．３Ｖ×１２０Ω÷（１２０Ω＋１２０Ω）＝１．６５Ｖである。一方、ひずみセンサ３２のひずみ量が１μＳＴである場合、センス端子３６の電圧値は、３．３Ｖ×１２０．０００２５６８Ω÷（１２０．０００２５６８Ω＋１２０Ω）＝１．６５０００１７６５Ｖである。即ち、ひずみセンサ３２のひずみ量が０μＳＴから１μＳＴに変化する場合、センス端子３６の電圧値は、１．７６５μＶ程度変化する。
【００３９】
増幅部１４は、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を増幅して増幅信号ＳＡを出力する。増幅部１４における増幅率を例えば５０００倍とすると、ひずみセンサ３２のひずみ量が０μＳＴから１μＳＴに変化する場合の増幅信号ＳＡの変化量は、１．７６５μＶ×５０００で、８．８２５ｍＶ程度となる。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換器２０は、増幅信号ＳＡをデジタル信号に変換して、マイクロコントローラ１８に送信する。例えば、Ａ／Ｄ変換器２０が０．１ｍＶ程度の分解能を持つものであれば、ひずみセンサ３２のひずみ量が０μＳＴから１μＳＴに変化する場合の増幅信号ＳＡの変化量を十分に計測可能である
【００４１】
調整部２４は、増幅信号ＳＡの大きさに応じて、参照信号ＳＲを減少又は増大させ、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳの大きさに応じたレベルに調整する。即ち、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分が大きすぎると、増幅信号ＳＡの大きさは電源電圧の範囲内で飽和してしまい、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を適切に検出することができない。そこで、本実施形態においては、参照信号ＳＲを減少又は増大させて、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を減少させる。これにより、増幅信号ＳＡは所定の範囲内の値となり、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を適切に反映した値となる。従って、増幅信号ＳＡと参照信号ＳＲとを組み合わせることにより、ひずみセンサ３２のひずみ量を示す計測値を演算可能である。
【００４２】
Ｄ／Ａ変換器２２は、マイクロコントローラ１８からの指示値をアナログ信号に変換し、増幅部１４に出力する。
【００４３】
次に、図２を用いて、装置１０を用いたひずみ計測方法の一態様について説明する。このフローにおいては、電源電圧が各構成部品に供給された時点をスタートとする。
【００４４】
まず、マイクロコントローラ１８は、電源電圧が供給されると、Ｄ／Ａ変換器２２に、指示値として中間値を送信する（ステップＳ１０１）。例えば、Ｄ／Ａ変換器２２が１２ビットのＤ／Ａ変換器である場合、Ｄ／Ａ変換器２２は、２１２＝４０９６段階の大きさの電圧を出力可能である。この場合、マイクロコントローラ１８は、指示値として、その中間値である２０４８を送信する。これにより、マイクロコントローラ１８からは、参照信号ＳＲとして、２０４８／４０９６×３．３Ｖ＝１．６５Ｖの電圧が出力される。
【００４５】
なお、ステップＳ１０１において、指示値が中間値である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、装置１０が前回計測を行った時の最終的な指示値を、記憶部（図示せず）に記憶させ、その指示値、すなわち前回計測時の参照信号ＳＲを使用することもできる。過去の指示値は、計測対象の状態を示す情報でもあるので、その指示値を用いることで、短時間に、増幅信号ＳＡの大きさを所定の範囲内に収めることができる。また、記憶部に記憶された過去数回の計測履歴に基づいて、参照信号ＳＲを推定してもよい。例えば、過去複数の最終的な指示値の平均値、または直近ほどより重みを加味する加算平均とすることもできる。
【００４６】
次に、ひずみ部１２がセンサ信号ＳＳを出力する（ステップＳ１０２）。続いて、増幅部１４が、センサ信号ＳＳを増幅して増幅信号ＳＡを出力する（ステップＳ１０３）。具体的には、第１の増幅器３８が、センサ信号ＳＳと参照信号との差分を増幅し、第１のノイズ除去部４２が、その増幅信号に含まれる所定の周波数を除去し、第２の増幅器４０が、所定の周波数が除去された信号を更に増幅して増幅信号ＳＡを出力する。
【００４７】
そして、調整部２４は、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。尚、ここで言う「所定の範囲」は、少なくとも増幅信号ＳＡが飽和しない範囲であり、好ましくは増幅信号ＳＡがセンサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を好適に反映する範囲である。この様な範囲は、例えば、増幅部１４の特性に応じて設定しても良い。尚、本実施の形態においては、例えば、Ａ／Ｄ変換器２０からの信号が０よりも大きく、かつ１５０００よりも小さい場合に、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲内であると判定する。
【００４８】
ステップＳ１０４において、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲内であった場合、演算部２６は、演算して計測値を出力して（ステップＳ１０５）、処理を終了させる。計測値は、例えば、Ｄ／Ａ変換器２２への指示値とＡ／Ｄ変換器２０からの信号の組み合わせであっても良いし、これら指示値及び信号に基づいてひずみ量を演算し、これを計測値としても良い。尚、増幅信号ＳＡの変動が大きい場合等には、ステップＳ１０５において直ちに計測値を出力するのではなく、増幅信号ＳＡの変動幅が所定の大きさ以下となった場合に計測値を出力することも可能である。
【００４９】
ステップＳ１０４において増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲外であった場合、調整部２４は、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲の下限よりも小さいのか、上限よりも大きいのかを判定する（ステップＳ１０６）。例えば、Ａ／Ｄ変換器２０からの信号が０であるか否かを判定する。
【００５０】
ステップＳ１０６において増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲の下限よりも小さいと判定された場合、調整部２４は、参照信号ＳＲを減少させる（ステップＳ１０７）。例えば、Ｄ／Ａ変換器２２への指示値を一段階減少させる。指示値が例えば２０４８である場合には、指示値を２０４７に減少させる。これにより、参照信号ＳＲは減少する。尚、調整部２４が第１の増幅器３８の反転入力端子でなく非反転入力端子に接続される場合、ステップＳ１０７においては、指示値を増大させることとなる。ステップＳ１０７の処理が終了した場合、再びステップＳ１０３の処理が行われる。
【００５１】
ステップＳ１０６において増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲の上限よりも大きいと判定された場合、マイクロコントローラ１８は、参照信号ＳＲを増大させる（ステップＳ１０８）。例えば、Ｄ／Ａ変換器２２への指示値を一段階増大させる。指示値が例えば２０４８である場合には、指示値を２０４９に増大させる。これにより、参照信号ＳＲは増大する。尚、調整部２４が第１の増幅器３８の反転入力端子でなく非反転入力端子に接続される場合、ステップＳ１０８においては、指示値を減少させることとなる。ステップＳ１０８の処理が終了した場合、再びステップＳ１０３の処理が行われる。
【００５２】
上記ステップＳ１０４において、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲外であった場合、ステップＳ１０６からＳ１０８までの動作を行い、再びステップＳ１０３に戻ることで、調整部２４は、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳの大きさに応じたレベルに調整することができる。
【００５３】
［ひずみ計測装置の効果］
装置１０は、センサ信号ＳＳと参照信号ＳＲとの差分を増幅して増幅信号ＳＡを出力し、この増幅信号ＳＡに基づいて計測値を演算する。従って、高分解能なＡ／Ｄ変換器を用いることなく、ある程度の測定精度を実現可能である。また、増幅信号ＳＡの大きさが所定の範囲外である場合に、参照信号ＳＲを減少又は増大させて、増幅信号ＳＡをセンサ信号ＳＳの大きさに応じたレベルに調整する。これにより、広範囲にわたる測定が可能となる。
【００５４】
また、上述の通り、ホイートストンブリッジ回路は、ひずみセンサが接続された電流経路以外に電流経路が存在するため、消費電力の低減が難しい場合がある。また、ホイートストンブリッジ回路を用いて所定の計測精度を実現しようとすると、高精細な抵抗素子が複数必要となる場合があり、安価に提供することが難しい場合がある。これに対し、本実施形態に係る装置１０によれば、ホイートストンブリッジ回路を使用することなく、所定の計測精度を実現可能なひずみ計測装置を実現可能である。従って、上述したような電流経路の削減により消費電力を低減させることが可能であり、高精細な抵抗素子の削減による製造コストの削減も可能である。さらに、ホイートストンブリッジ回路を使用しないので、部品点数が大幅に低減し、装置１０を小型化することができる。このように、簡易な構成で、低消費電力及び低コストを実現することで、本実施形態における装置１０は、長い期間、数多く設置して構造物の状態を監視するひずみ計測装置として特に有用である。
【００５５】
［別の実施形態における装置の構成］
図３は、構造物の状態を遠隔から監視する遠隔状態監視システムの構成を示す図である。このシステムは、計測装置５０と監視部７０とを有する。計測装置５０は、計測対象である構造物に対して１又は複数個設けられ、ひずみ量に加え、構造物の振動情報や湿度をも計測する。図３においては、計測装置５０に、ひずみ計測装置１０の構成及び機能が含まれており、この装置１０と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。
【００５６】
計測装置５０は、物理量を示すデータを計測するセンサ部５２と、センサ部５２が計測したデータを処理するデータ処理部５４と、データ処理部５４が処理したデータを通信回線５６に送信する通信部５８と、を有する。また、計測装置５０は、時計機能を有するタイマー部６０と、計測装置５０内の各機器に電力を供給する電源部６２とを有する。
【００５７】
センサ部５２は、ひずみセンサ３２を備えるひずみ計測装置１０のセンサ部１２に加え、加速度を計測する加速度センサ６４と、温度及び湿度を計測する温湿度センサ６６とを有する。
【００５８】
加速度センサ６４は、構造物の振動情報を計測するセンサであり、例えば、微小振動を検出可能な１軸加速度計である。加速度センサ６４としては、２軸や３軸の加速度計を用いても良い。
【００５９】
温湿度センサ６６は、構造物の温度及び湿度を計測するセンサである。尚、温湿度センサ６６のかわりに、構造物の温度を計測可能なサーミスタ等のセンサを用いても良いし、雰囲気の温度をも計測可能なセンサを用いても良い。
【００６０】
データ処理部５４は、ひずみ計測装置１０の増幅部１４と制御部１６を含む。また、データ処理部５４は、加速度センサ６４及び温湿度センサ６６の少なくとも一方に対しても、ひずみセンサ３２から出力されたセンサ信号ＳＳに対する処理と同様の処理を行う様に構成されていても良い。
【００６１】
通信部５８は、通信回線５６との通信を実現するためのアプリケーションが実装されたチップとアンテナとを有する通信インターフェイスである。通信回線５６は、ＩｏＴに適した無線通信規格である省電力型広域無線網サービス、例えばＬＰＷＡである。このようなサービスを利用するので、省電力、低通信費、及び長距通信が可能になる。また、本実施形態のデータ処理部５４が、計測データから適切なデータへ処理することで、通信データ量が少ないという省電力型広域無線網サービス特有の制約があったとしても、構造物の状況把握に必要なデータを遠隔の監視部７０に送信することができる。
【００６２】
タイマー部６０は、所定の時刻にデータ処理部５４を起動させる。この所定の時刻は、１日に１回又は数回であっても良いし、数日に１回でも良い。
【００６３】
電源部６２は、例えば着脱可能な乾電池であり、センサ部５２、データ処理部５４、通信部５８及びタイマー部６０に電力を供給する。尚、電源部６２は、外部のエネルギから電力を発電する発電機能とバッテリとの組み合わせであっても良い。例えば、電源部６２は、構造物の振動を電力に変換する圧電素子、又は熱を電力に変換する熱変換素子を組み込んだ電源であっても良い。
【００６４】
構造物から離れて設けられる監視部７０の構成について説明する。監視部７０は、構造物を遠隔から監視する装置である。監視部７０には、このシステムを利用する利用者の端末（図示せず）に対して有線又は無線の通信回線を介して接続されており、利用者は、監視部から出力される情報に基づいて、構造物の状態を把握することができる。監視部７０は、計測装置５０のデータを受信し、そのデータを記憶することもできる。また、監視部７０は、計測装置５０のデータに基づいて、構造物の状態を示す情報を抽出することもできる。
【００６５】
計測装置５０から送信されるデータであって、ひずみ量に関するデータは、演算部２６により増幅信号ＳＡと参照信号ＳＲとに基づいて算出されたひずみ量である。また、本発明はこの構成に限定されず、監視部７０において、増幅信号ＳＡと参照信号ＳＲとが対応するテーブルを有し、計測装置５０から送信される増幅信号ＳＡと参照信号ＳＲによって、監視部７０内でひずみ量を算出することもできる。
【符号の説明】
【００６６】
１０  ひずみ計測装置、１２，５２  センサ部、１４  増幅部、１８  マイクロコントローラ、２０  Ａ／Ｄ変換器、２２  Ｄ／Ａ変換器、２４  調整部、２６  演算部、２８  電源端子、３０  接地端子、３２  ひずみセンサ、３４  分圧抵抗、３６  センス端子、３８  第１の増幅器、４０  第２の増幅器、４２  第１のノイズ除去部，５０  計測装置、５４  データ処理部、５６  通信回線、５８  通信部、６０  タイマー部、６２  電源部、６４  加速度センサ、６６ 温湿度センサ、７０  監視部。
【図１】
2019120566.tif 000003
【図２】
2019120566.tif 000004
【図３】
2019120566.tif 000005