(57)【要約】  本発明は、センサ素子及び関連するコンディショニング前置増幅器を備えるトランスデューサの原位置テストのための方法及び装置を提供する。本発明は、トランスデューサ回路のより高い統合性により、完全なトランスデューサの特徴を評価することができる。テストは、追加の配線なしに遠隔の中央ロケーションから実行される一方、トランスデューサは動作環境にある。テストは、テスト信号及びテストシーケンス制御信号をトランスデューサ出力信号のための配線に重畳することで実行され、簡単さを犠牲にせずに柔軟性を提供する。テスト信号方式のテスト信号は、トランスデューサの追加の回路によって、解釈されかつ遠隔テスト発生器からの信号方式のテスト信号に基づいてコンディショニング前置増幅器の入力にルーティングされ、かつテスト信号から発生される信号は、テスト対象であるトランスデューサの完全な資格のために遠隔分析システムから分析される。
2011521225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ素子と、関連するコンディショニング前置増幅器とを備えるトランスデューサを、テスト信号を上記前置増幅器の入力に導入することによってテストする方法において、
上記テスト信号は、同一のトランスデューサ端子に重畳される制御信号に付随しかつテスト信号方式のテスト信号を構成し、
上記制御信号は、上記前置増幅器のローカル回路においてデコードされ、かつ上記テスト信号の上記前置増幅器の上記入力へのルーティングを可能にし、
上記トランスデューサの電気的な性質は、遠隔のロケーションから詳細に分析されることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記テスト信号方式のテスト信号は、上記トランスデューサの出力端子を介して導入され、かつ上記トランスデューサの出力端子に重畳されることを特徴とする請求項１記載のトランスデューサをテストする方法。
【請求項３】
上記テスト信号方式のテスト信号は、中央発生器から遠隔に導入されることを特徴とする請求項１又は２記載のトランスデューサをテストする方法。
【請求項４】
上記テスト信号方式のテスト信号はデコードされ、かつ上記テスト信号は、上記デコードされた制御信号に基づいて上記前置増幅器の入力端子にルーティングされることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１つの請求項記載のトランスデューサをテストする方法。
【請求項５】
上記テスト信号は、上記前置増幅器の非反転入力にルーティングされることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１つの請求項記載のトランスデューサをテストする方法。
【請求項６】
センサと、整合コンディショニング前置増幅器とを備える装置において、
上記コンディショニング前置増幅器は、テスト信号を備えるテスト信号方式のテスト信号及びテスト信号方式のシーケンスを自立的に受理しかつデコードし、かつ上記デコードされたテスト信号方式のシーケンスにしたがって、上記デコードされたテスト信号を上記コンディショニング前置増幅器の入力端子にルーティングする追加の回路を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
上記前置増幅器のための電源は、定電流源であり、
上記前置増幅器の出力信号は、上記定電流電源に重畳されることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
上記前置増幅器のための電源は、定電圧源であり、
上記出力信号は、上記定電圧電源とは別に配線されることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項９】
テスト信号を備える上記テスト信号方式のテスト信号及びテストシーケンス信号は、遠隔の中央テスト発生器から生じることを特徴とする請求項６から８のうちのいずれか１つの請求項記載の装置。
【請求項１０】
上記遠隔の中央テストシステムから生じる上記遠隔テスト信号及び上記遠隔テストシーケンス信号は、上記出力信号に重畳されることを特徴とする請求項６から９のうちのいずれか１つの請求項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ及び関係する増幅器の原位置テスト（in situ test）のための装置及び方法に関し、特に、反応性センサ（reactive sensor）及び上記センサのための増幅器のテストのための装置及び方法に関し、センサ及び増幅器は、トランスデューサを構成する。
【背景技術】
【０００２】
センサ及びトランスデューサは、物理的な性質が測定され、収集され、又は分析される主題であるデータ取得のためのシステムで幅広く使用されている。性質の測定及び収集は、即時使用又は統計的な目的及び分析のために使用されてもよく、かつさらに監視目的又は評価目的のために使用されてもよい。
【０００３】
検知された信号を使用することを可能にするために、信号自体のある種のコンディショニング（フィルタ処理、増幅、減衰など）が適用可能であってもよい。これによって、センサはセンサ素子（sensing element）であると理解され、かつトランスデューサはしばしば、前置増幅回路のように使用可能な方法で検知された信号をコンディショニングしかつ伝送するための手段を伴うセンサ素子と見なされ、かつ本明細書等において、これが「トランスデューサ」という用語の意味である。
【０００４】
この種の領域におけるセンサは、圧電、ピエゾ抵抗、容量性のもの、又は磁気抵抗（magneto restrictive）などのいくつかの異なる素子及び原理に基づいてもよい。
【０００５】
計測及び他の領域で使用するために、センサ、トランスデューサ、及び関係する機器を備えるシステムが信頼できる情報を収集するための高い信頼性を有するように実地にテストされることがしばしば、最も重要なことである。いくつかの試みが、これを達成するために行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第１９９５／００６２５９号公報。
【特許文献２】米国特許第５７５３７９３号明細書。
【特許文献３】国際公開第１９８６／００４１３７号公報。
【特許文献４】米国特許第６６９８２６９号明細書。
【特許文献５】米国特許第５４００２９７号明細書。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び特許文献２では、圧電トランスデューサが発生器から起動され、かつトランスデューサの結果として生じるリンギング（ringing）が分析されるシステムが開示されている。この直接的なアプローチは、センサデバイス（sensing device）が発振状態に置かれることができるシステムに対して動作することができるが、トランスデューサシステムの特性は完全ではなく、かつアプリケーションに必要な制御システムが別にインストールされる必要がある。
【０００８】
特許文献３では、共に構築された第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサを備えるシステムが開示されている。第２の圧電トランスデューサは、導入される電気信号によってエネルギーを与えられることができ、かつこれによって、第１の圧電トランスデューサによってピックアップされるべき機械的な加振を生成する。差信号は測定された信号であり、かつ信号がない場合又は不完全な信号である場合、トランスデューサは影響を受けやすい。このシステムは、大幅により特別なハードウェア、及び従来の回路の２倍のケーブルを必要とするであろう。
【０００９】
特許文献４は、テストのためにセンサ−増幅器の接続点に接続される組み込み型のテスト信号発生器を用い、かつトランスデューサの分析のために増幅器を切断するトランスデューサのテストのためのシステムを開示している。このシステムは、適切な電気信号を発生する発生器によってセンサ素子を起動するアイデアに基づいている。その位置の前置増幅器はテスト対象ではなく、システムの実装及び制御が解決されるべき問題である。
【００１０】
特許文献５は、音響デバイスのための前置増幅器の注入口とセンサとの接合点への比較的小さいキャパシタを介するテスト信号の注入のための方法及びシステムを開示している。電荷タイプのセンサに適用可能であるが、主として容量性の電圧センサのために設計されたこのシステムは、通常の信号ケーブルに加えて、非常に高品質のケーブルを有する別々の接続点を必要とする。
【００１１】
このような背景において、完全なセンサシステム、トランスデューサシステム、及び増幅器システムのテスト及び特徴付けのための装置及び方法を提供することが本発明の目的であり、この装置及び方法は、従来技術の課題及び問題を解決し、かつ同時に、関連する追加の付属品、ケーブル、及び従来技術の機器なしにセンサ及び関連する回路の今まで見たことがない詳細な特性を提供する。本発明は、中央制御ユニットからのトランスデューサアレイの遠隔テストのための装置及び方法を提供する。本発明は、トランスデューサ自体のより高い統合性に起因して、使用においてはるかに簡単でありかつ普遍的（universal）である。一般に、本発明の原理は、センサ素子のコンディショニングのための増幅器回路によるトランスデューサにおけるセンサ素子のインピーダンスのテストに依存している。センサがフィードバック回路の一部である、又はそうでなければ利得依存的な方法（gain dependent manner）で接続されている場合、適切なテスト信号をセンサ−コンディショニング前置増幅器に注入することによって、センサ及びコンディショニング前置増幅器の電気的な特性を分析することが可能である。注入は、外部の制御ソース及び外部のテスト発生器から生じる電流によるトランスデューサの出力端子での電流の変調によって実行される。外部の制御ソースによるトランスデューサの出力端子での電流変調はピックアップされ、かつトランスデューサに組み込まれているモード制御回路でデコードされる。外部のテスト信号によるトランスデューサの出力端子での電流変調は、前置増幅器における電圧として電流を測定することができる回路に反映され、かつそこでは、テスト信号方式のテスト信号から生じる残留電流（residual current）が導出される。モード制御は、テスト信号が完全なトランスデューサ及び関連する回路のテストために前置増幅器の入力にルーティングされるか否かを決定するスイッチを制御する。適用可能なセンサの例は、容量性のセンサ、磁気抵抗センサ、誘導センサ、並びに圧電センサ、及び電荷入力モード又は電圧入力モードである２線式又は３線式あるいはそれ以上のタイプの前置増幅器であるが、これらに限らない。概略の形式での構造、及びいくつかの代表的な実施形態が、以下で詳細に説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】センサ、前置増幅器、ケーブルインピーダンス、複数の電流源、及びアナライザの入力への接続を備えた２線式の電荷結合装置（two-wire charge coupled apparatus）の概略図である。
【図２】センサ、前置増幅器、ケーブルインピーダンス、定電圧源、複数の電流源、及びアナライザの入力への接続を備えた３線式の電圧結合装置（three-wire voltage coupled apparatus）の概略図である。
【図３】本発明に適用されるべきトランスデューサの実装のファミリーを概略の形式で示すが、他の実装が適用可能である。アイテム１及び２は、詳述される２つの実施形態に対応する。
【図４】本発明の機能図であり、本発明の基本的な構成要素及びそれらの相互接続が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図３のアイテム１についての概略が図１に示されており、１つのトランスデューサの例、及び本発明の本実施形態を説明することができるために必要な追加の回路が表されている。センサＰＥ１は、その電荷感度Ｑ及びＺｐｅ１によって特徴付けられる圧電タイプのものである。トランスデューサは、当業者には既知である電荷モード（charge mode）で動作させられる。センサＰＥ１は、フィードバックキャパシタＣ１とともに、オペアンプＵ１の反転入力に接続される。バイアス電圧ＶＲＥＦ１は、Ｒ３を介して増幅器Ｕ１の非反転入力に給電される。これ自体は、基本的な電荷結合トランスデューサを構成する。増幅器への電力供給は、電流発生回路Ｉｓから生じる定電流であることがこの分野では既知である。このような方法で、センサＰＥ１からの信号は増幅器Ｕ１によって増幅され、かつ電流給電（current feed）Ｉｓから生じる電圧を重畳された電圧として出力に現れる。本実施形態は、図３の構造図においてアイテム１としても示されているセンサ素子としての圧電加速度計を有する２線式の電荷定電流ライン駆動タイプ（two-wire charge constant current line drive type）のトランスデューサとして特徴付けられる。伝達関数は以下の式で表される。
【００１４】
【数１】
2011521225.tif 000003
【００１５】
ここで、ＱはＣ／Ｕｎｉｔにおける電荷感度である。
【００１６】
Ｒｃは、ケーブル直列抵抗である。
【００１７】
Ｃｃは、ケーブル容量である。
【００１８】
ＩＮＰＵＴ１におけるＶｉｎ電圧は、ケーブルインピーダンスを介するトランスデューサの出力と等しい。
【００１９】
【数２】
2011521225.tif 000004
【００２０】
Ｕ１に電力を供給するＵ１のＯＵＴに流れ込む電流Ｉｓ及び残留電流は、電流測定回路Ｒを介して流れ、かつ端子ＣＭ上に比例電圧として導出される。電流信号Ｉｇが発生器から供給されかつ供給電流Ｉｓを重畳されるとき、上記電流測定回路Ｒは、これを重畳された電圧として端子ＣＭ上に導出する。Ｓｗｉｔｃｈ２が結合キャパシタＣ２をグランドＧＮＤに接続するとき、トランスデューサは通常モードで動作する。Ｓｗｉｔｃｈ２が代替のテストモード位置にあるとき、重畳されたＩｓ及びＩｇから導出された電圧は、結合キャパシタＣ２を介して増幅器Ｕ１の非反転入力に接続される。結合キャパシタＣ２は、直流電流成分をフィルタリングするので、交流電流信号のみが、増幅器Ｕ１の非反転入力に到達するであろう。このモードについての伝達関数は、以下の式で表される。
【００２１】
【数３】
2011521225.tif 000005
【００２２】
ここで、圧電センサのインピーダンスは、Ｚｐ＝Ｚｐｅ１｜｜Ｒ２である。伝達関数がＺｐに依存することがわかる。トランスデューサが圧電加速度計である場合、これは共振周波数を有することによって特徴付けられる。このタイプのトランスデューサによって十分な測定精度を得るために、加速度計を平面でかつ清浄な表面（clean surface）に取り付けることが必要であり、ねじによる接続（screw connection）のための力の固定モーメント（securing moment of force）が適切でなければならない。力の固定モーメントが削減されるとき、共振周波数は接続が存在しないまで低下し、かつ共振周波数はこのとき、自由共振周波数（free resonant frequency）である。共振周波数が較正チャート（calibration chart）の表示に非常に近接しているとき、これは、加速度計が十分によく取り付けられていることを意味する。Ｚｐｅ１は共振周波数に依存するので、共振周波数は、上述されたように、テスト信号の注入によって測定されることができる。この方法によって、加速度計のインピーダンス（キャパシタンス、共振、及び結合パラメータ）、全体の増幅、低周波カットオフ（low frequency cut-off）、及びケーブルインピーダンスが、測定されることができる。検出は、トランスデューサの応答を分析する１チャネルのアナライザ、又はテスト信号とトランスデューサの応答との間の伝達関数が計算される２チャネルのアナライザのいずれかに基づいている。２チャネルの分析を用いる利点は、より良い信号対雑音比、位相情報、及び振動信号の排除である。
【００２３】
もう１つの実施形態が図２、及び図３のアイテム２に示される。図２は、１つのトランスデューサの例、及び本発明の本実施形態を説明するために必要な追加の回路を示す。センサＭＩＣは、その電圧感度Ｖｍ及びインピーダンスＺｍによって特徴付けられるコンデンサマイクロフォンである。トランスデューサは、当業者には既知である電圧モードで動作させられる。本実施形態では、マイクロフォンは、フィードバックインピーダンスＺ１１によって特徴付けられるユニティゲインモード（unity gain mode）であるオペアンプＵ２２の非反転入力に接続される。バイアス電圧ＶＲＥＦ７は、Ｒ１２を介して増幅器Ｕ２２の非反転入力に給電される。本実施形態では、前置増幅器への供給電力は、Ｕ２２の電力供給ピンｐｗに給電される。これ自体は、３線式のトランスデューサ回路で動作する基本的な電圧結合ユニティゲイントランスデューサ（voltage coupled unity gain transducer）を構成する。増幅器Ｕ２２は、センサＭＩＣからの信号が増幅器Ｕ２２によって増幅され、かつ電流として出力に現れる電流ライン駆動増幅器（current line drive amplifier）として動作させられる。伝達関数は以下の式で表される。
【００２４】
【数４】
2011521225.tif 000006
【００２５】
ここで、ＶｍはＶ／Ｕｎｉｔにおける電圧感度である。
【００２６】
Ｖｉｎは、ＩＮＰＵＴ７における電圧である。
【００２７】
Ｒｃは、ケーブル直列抵抗である。
【００２８】
Ｃｃは、ケーブル容量である。
【００２９】
Ｚｍは、マイクロフォンのインピーダンスである。
【００３０】
【数５】
2011521225.tif 000007
【００３１】
図２では、Ｕ２２のＣＭとグランドとの間に接続されたＲ４、及びＵ２２の出力端子ＯＵＴ又はＵ２２の端子ＣＭのいずれかにＳｗｉｔｃｈ２を介して接続されることができるＣｇ１がまた示されている。増幅器Ｕ２２は電流ライン駆動モードで動作するので、電流Ｉｇ１は出力端子で信号電流に重畳されることができる。増幅器の端子ＣＭは、出力端子における電流に比例して電圧を導出する電流測定回路Ｒ４を介して出力を構成する。本実施形態では、図示されたキャパシタＣｇ１は、入力キャパシタンス補償として動作するマイクロフォンの構成における物理的なキャパシタを構成し、かつガードキャパシタ（guard capacitor）と呼ばれる。Ｓｗｉｔｃｈ２がキャパシタＣｇ１をＵ２２のＯＵＴに接続するとき、トランスデューサは通常モードで動作する。Ｓｗｉｔｃｈ２が代替のテストモード位置にあるとき、重畳されたＩｓ及びＩｇから導出された電圧は、ガードキャパシタＣｇ１を介して増幅器Ｕ２２の非反転入力に接続され、直流電流成分をフィルタリングし、かつ交流電流信号のみをＵ２２の非反転入力に通過させる。このモードについての伝達関数は、以下の式で表される。
【００３２】
【数６】
2011521225.tif 000008
【００３３】
ここで、Ｚｍ１＝Ｚｍ｜｜Ｚ１２である。
【００３４】
伝達関数がＺｍに依存することがわかる。この方法によって、マイクロフォンのインピーダンス（キャパシタンス、及び共振）、全体の増幅、低周波カットオフ、及びケーブルインピーダンスが、測定されることができる。検出は、トランスデューサの応答を分析する１チャネルのアナライザ、又はテスト信号とトランスデューサの応答との間の伝達関数が計算される２チャネルのアナライザのいずれかに基づいている。２チャネルの分析を用いる利点は、より良い信号対雑音比、位相情報、及び音響信号の排除である。
【００３５】
本発明は、通常動作とテストモードとの間でのスイッチＳｗｉｔｃｈ２の変更に頼り、かつそれは、追加の配線なしに達成されると主張されるので、本発明は、説明にしたがった増幅器及びスイッチング回路のコンディショニングに加え、出力ライン上に重畳される制御信号のデコードのためのモード制御システムを備える。図１及び図２では、電流発生器Ｉｃが示されている。この電流発生器Ｉｃは、テスト発生回路から制御されかつＩｃからの電流における変化のタイミングに依存し、前置増幅器ＧＮＤＳＣのデコード回路はＳｗｉｔｃｈ２に信号を送信して、通常動作とテストモードとを変化させるであろう。
【００３６】
図４は、本発明の機能的な構成要素及びそれらの相互接続の概要を示す概略図である。センサ１は、コンディショニング前置増幅器２に接続される。増幅器２は、ライン駆動３及び遠隔測定機器であるフロントエンド／アナライザ８へのケーブルに接続される。電流発生器７は、ライン駆動３の出力に接続されることができ、電流測定回路５がライン駆動３の出力における電流を監視する。電流発生器７からの注入された電流は、テスト信号スイッチ４に配線されたテスト信号と、導出された信号をコンディショニング前置増幅器２に注入するテスト信号スイッチ４を制御するモード制御６に配線されたテスト制御信号とに導出される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2011521225.tif 000013
2011521225.tif 000014