(57)【要約】【課題】本発明は、被測定部材の変位を測定するための静電式セルフパワー変位グリッドセンサを提供する。【解決手段】その構造はスライド溝及びスライドシートを含み、前記スライド溝が固定端に固定され、スライド溝の内側底部にセンシングアレイが配置され、前記スライドシートが被測定部材に固定して接続され、スライドシートの下端部がスライド溝の内側底部に接触する。スライドシートがセンシングアレイを通過すると、１つの対応する電気信号を出力し、該信号で示されるセンシングアレイ中のセンシングユニットの番号及び出力電流の大きさによって、スライドシートが通過するセクション数及び単一のセンシングアレイ上のセンシングユニットを通過する距離を取得し、さらに構造の変位を算出する。ほかの変位測定装置に比べて、セクション式変位計は、構成が簡単で、適用範囲が広く、測定精度が高く、電源を別途供給する必要がない等の利点を有し、電気信号による変位較正の結果が不安定である課題を独創的に解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定部材の変位を測定するための静電式セルフパワー変位グリッドセンサであって、Ｕ字形のスライド溝（１）を含み、スライド溝（１）の開口部にスライドシート（２）が挿入され、スライドシート（２）がスライド溝（１）の底面に平行であり、且つスライドシートの長さがスライド溝の長さよりも大きく、スライドシートの一端は被測定部材に固定されることに用いられ、前記スライドシート（２）の内側面に、前記スライドシート（２）に垂直なスライドプレート（２１）が固定され、スライドプレート（２１）が前記スライドシートのスライド方向に垂直であり、前記スライド溝（１）の両端に、外へ延伸し、スライドプレート（２１）の位置を制限するためのストッパ（３）を有し、且つ一端のストッパは別の被測定部材を固定することに用いられ、スライド溝（１）の内底面に、前記スライドプレート（２１）に平行な複数の帯状センシングユニットからなるセンシングアレイが配置され、前記スライドプレート（２１）の末端にも帯状センシングユニットを有し、前記センシングアレイにおけるセンシングユニット及びスライドプレートの末端におけるセンシングユニットは、金属電極層及び誘電体材料層を有し、且つ前記センシングアレイにおけるセンシングユニットの誘電体材料層とスライドプレートの末端におけるセンシングユニットの誘電体材料層は、互いに接触しかつ極性が反対であり、スライドプレート（２１）の末端における金属電極層が電流計に接続された後、並列接続された複数の表示ランプに接続され、各表示ランプのそれぞれがセンシングアレイにおける１つのセンシングユニットの電極層に接続されていることを特徴とする静電式セルフパワー変位グリッドセンサ。
【請求項２】
前記ストッパ（３）及びスライドシートがいずれも接着剤によって被測定部材に固定されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
スライドシートに固定される被測定部材とストッパ（３）に固定される被測定部材がそれぞれ前記センサの両側に位置し、２つの被測定部材間の相対変位が測定されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記表示ランプ及び電流計がいずれも前記スライド溝の裏面に集積されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記スライド溝（１）、スライドシート（２）及びスライドプレート（２１）がいずれも絶縁材料からなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
センシングアレイにおける各センシングユニットの幅が同じであり、隣接する２つのセンシングユニット間の間隔がセンシングユニットの幅と同じであり、スライドプレート（２１）の厚さが前記センシングユニットの幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ストッパ（５）について、２つのストッパの高さが、同じであり、かつスライド溝の底板の厚さよりも大きく、２つのストッパの幅がスライド溝の底板の幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記スライドプレート（２１）の固定位置がスライドシート（２）の長さの２／３の箇所であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
ｔ時刻の変位値は、△ｘ(ｔ)＝△ｘ１(ｔ)＋△ｘ２(ｔ)によって算出され、△ｘ１(ｔ)は粗変位を表し、表示ランプの位置によって決定され、△ｘ２(ｔ)は微細変位を表し、電流値に応じて決定され、
△ｘ１(ｔ)＝（|ｋ|−１）×ｌ０であり、ｋは点灯する表示ランプの番号を表し、ｌ０はセンシングユニットの幅であり、
△ｘ２(ｔ)＝ｆ（ＩＲｋ）であり、Ｒｋはｋ番目の表示ランプの抵抗を表し、Ｉは電流値を表し、ｆ（ ）は互いに接触する２つのセンシングユニット間の変位と出力電圧との関数関係式であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電式セルフパワー変位グリッドセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
強震、強風、交通荷重等の振動による土木構造物の破壊は深刻な社会的損失につながるため、建物構造の振動による変位への監視を強化して、その安全性及び実行可能性を確保する必要がある。構造の変位テストは、エンジニアが構造最適化設計を行い、構造の受力状態を把握し構造の安全性を確保するための非常に重要な一環である。変位測定機器は、橋、鉄道、ダム及び様々の建設施設の変位測定に幅広く適用されている。現在、一般的に使用されている変位測定機器には、主にダイヤルゲージ、抵抗変位計、振動ワイヤー式センサ等がある。その中でも、ダイヤルゲージを採用する場合、マーク長さ及び取り付けの制限により、実際の応用では大きく制限されており、抵抗変位計を採用する場合、非線形を有し、出力信号が弱く、干渉防止能力が低く、環境からの影響が大きく、振動ワイヤー式センサを採用する場合、センサ材料及び加工プロセスに高い要求があり、且つ測定精度が低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする技術的課題は、エネルギー源を別途供給せずに構造変位の測定に使用でき、被測定部材の変形エネルギーを電気エネルギーに変換して電気信号の形で出力することができるとともに、精度が高い、適用範囲が広く、加工が容易で操作が簡単である特徴をさらに有する静電式セルフパワー変位グリッドセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明が技術的課題を解決するための技術案は以下の通りである。２つの被測定部材間の変位を測定するための静電式セルフパワー変位グリッドセンサであって、Ｕ字形スライド溝を含み、スライド溝の開口部にスライドシートが挿入され、スライドシートがスライド溝の底面に平行であり、且つスライドシートの長さがスライド溝の長さよりも大きく、スライドシートの一端は被測定部材に固定されることに用いられ、前記スライドシートの内側面に、前記スライドシートに垂直なスライドプレートが固定され、スライドプレートが前記スライドシートのスライド方向に垂直であり、前記スライド溝の両端に、外へ延伸しスライドプレートの位置を制限するためのストッパを有し、且つ一端のストッパは別の被測定部材を固定することに用いられ、スライド溝の内底面に、前記スライドプレートに平行な複数の帯状センシングユニットからなるセンシングアレイが配置され、前記スライドプレートの末端にも帯状センシングユニットを有し、前記センシングアレイ中のセンシングユニット及びスライドプレートの末端におけるセンシングユニットは金属電極層及び誘電体材料層を有し、且つ前記センシングアレイ中のセンシングユニットの誘電体材料層とスライドプレートの末端におけるセンシングユニットの誘電体材料層は、互いに接触し且つ極性が反対である。スライドプレートの末端における金属電極層が電流計に接続された後、並列接続された複数の表示ランプに接続され、各表示ランプのそれぞれがセンシングアレイ中の１つのセンシングユニットの電極層に接続される。
【０００５】
さらに、前記ストッパ及びスライドシートがいずれも接着剤によって被測定部材に固定される。
【０００６】
さらに、スライドシートに固定される被測定部材とストッパに固定される被測定部材がそれぞれ前記センサの両側に位置し、２つの被測定部材間の相対変位が測定される。
【０００７】
さらに、前記表示ランプ及び電流計がいずれも前記スライド溝の裏面に集積される。
【０００８】
さらに、前記スライド溝、スライドシート及びスライドプレートがいずれも絶縁材料からなる。
【０００９】
さらに、センシングアレイ中の各センシングユニットの幅が同じであり、隣接する２つのセンシングユニット間の間隔がセンシングユニットの幅と同じである。スライドプレートの厚さが前記センシングユニットの幅と同じである。
【００１０】
さらに、前記ストッパについて、２つのストッパの高さが、同じであり、かつ高さがスライド溝の底板の厚さよりも大きく、２つのストッパの幅がスライド溝の底板の幅と同じである。
【００１１】
さらに、前記スライドプレートの固定位置がスライドシートの長さの２／３の箇所である。
【００１２】
さらに、ｔ時刻の変位値は、△ｘ(ｔ)＝△ｘ１(ｔ)＋△ｘ２(ｔ)によって算出され、△ｘ１(ｔ)は粗変位を表し、表示ランプの位置によって決定され、△ｘ２(ｔ)は微細変位を表し、電流値に応じて決定される。
△ｘ１(ｔ)＝（|ｋ|−１）×ｌ０であり、ｋは点灯する表示ランプの番号を表し、ｌ０はセンシングユニットの幅であり、
△ｘ２(ｔ)＝ｆ（ＩＲｋ）であり、Ｒｋはｋ番目の表示ランプの抵抗を表し、Ｉは電流値を表し、ｆ（ ）は互いに接触する２つのセンシングユニット間の変位と出力電圧との関数関係式である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の有益な効果について、本発明はその力−電気変換特性によって部材の変位時の力学の法則を電気信号に変換し、この電気信号は該装置の信号処理装置を通過するので、出力装置によって変位の大きさを電気信号で表現して出力することができる。ほかの変位測定装置に比べて、静電式セルフパワー変位グリッドセンサは、構成が簡単で、適用範囲が広く、測定精度が高く、電源を別途供給する必要がない等の利点を有し、電気信号による変位較正の結果が不安定である課題を独創的に解決する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】静電式セルフパワー変位グリッドセンサの構造図である。
【図２】図１に示す変位センサの被測定部材における取り付け模式図である。
【図３】図２に示す取り付け模式図の被測定物体が固定面に近い時の測定状態を示すで図ある。
【図４】図２に示す取り付け模式図の被測定物体が固定面から遠い時の測定状態を示す図である。
【図５】図１に示す変位センサを電気信号測定に用いる回路図である。
【符号の説明】
【００１５】
１−スライド溝；２−スライドシート；２１−スライドプレート；３−ストッパ；ｌ０−センサ上の１つのグリッド電極とそれに隣接するセクションの幅の和；△ｘ（ｔ）−部材の総変位量；△ｘ１(ｔ) −部材の第１変位量；△ｘ２(ｔ) −部材の第２変位量。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら発明の具体的な技術案作をさらに説明する。
【００１７】
本発明は、静電式セルフパワー変位グリッドセンサを提供し、この静電式セルフパワー変位グリッドセンサは、Ｕ字形スライド溝を含み、スライド溝の開口部にスライドシートが挿入され、スライドシートがスライド溝の底面に平行であり、且つスライドシートの長さがスライド溝の長さよりも大きく、スライドシートの一端は被測定部材に固定されることに用いられ、前記スライドシートの内側面に、前記スライドシートに垂直なスライドプレート２１が固定され、スライドプレート２１が前記スライドシートのスライド方向に垂直であり、前記スライド溝の両端に、外へ延伸し、スライドプレート２１を制限してスライドシート２がスライド溝から脱出することを回避するためのストッパ３を有する。それとともに、一端のストッパは別の被測定部材を固定することに用いられ、スライド溝の内底面に、前記スライドプレート２１に平行な複数の帯状センシングユニットから構成されるセンシングアレイが配置され、前記スライドプレート２１の末端にも帯状センシングユニットを有し、前記センシングアレイ中のセンシングユニット及びスライドプレートの末端におけるセンシングユニットは金属電極層及び誘電体材料層を有し、且つ前記センシングアレイ中のセンシングユニットの誘電体材料層とスライドプレートの末端におけるセンシングユニットの誘電体材料層は、互いに接触し且つ極性が反対である。スライドプレート２１の末端における金属電極層が電流計に接続された後、並列接続された複数の表示ランプに接続され、各表示ランプのそれぞれがセンシングアレイ中の１つのセンシングユニットの電極層に接続される。図１及び図５に示される通りである。
【００１８】
取り付け形態は図２に示される（スライド溝は固定端に固定され、スライドシートは被測定部材に固定される）。電気信号測定装置及び関連する接続導線はスライド溝の底部に集積される。センサと部材との接続は接着剤を採用してもよいが、これに限定されない。
【００１９】
好適な技術案として、センシングアレイ中の各センシングユニットの幅が同じであり、且つ隣接する２つのセンシングユニット間の間隔はセンシングユニットの幅が同じである。スライドプレート２１の厚さが前記センシングユニットの幅と同じであり、それによって測定が容易になる。
【００２０】
本発明の静電式セルフパワー変位グリッドセンサが変位測定を実現する原理は以下の通りである。
【００２１】
図５に示すように、本構造のセンシングアレイ上の各センシングユニットはそれぞれ番号を有し、真中から両側へ対称的に番号が付けられ、スライド溝上の長いストッパから遠い側では、番号が１号からｎ号であり、スライド溝上の長いストッパに近い側では、番号が−１から−ｎ号である。各センシングユニットはそれぞれ１つの表示ランプに対応し、表示ランプの番号がセンシングユニットの番号と同じである。スライドシートの下端のセンシングユニットがそれぞれ各スライド溝中のセンシングユニットに導線を介して接続され、１つの指示回路を形成し、各指示回路は互いに独立し、互いに影響を与えることなく並列接続され、各回路にそれぞれ対応する表示ランプが設けられる。該検出回路の主回路に一つの電流計が設けられる。スライドシートがスライド溝中のｋ番目のセンシングユニットを通過すると、一定の電位差が生じ、このとき、スライド溝中の該センシングユニット及びスライドシートの下端におけるセンシングユニットを１つの独立電源とし、該電源からの給電によって、対応する表示ランプを点灯させることができる。スライド溝中の各センシングユニットの長さがｌ０であることが知られている。ｋ番目の表示ランプが点灯している場合、部材の第１変位量△ｘ１(ｔ)＝（|ｋ|−１）×ｌ０が得られる。番号が負数の表示ランプが点灯している場合、被測定物体が固定面に近いことを示し、番号が正数の表示ランプが点灯している場合、被測定物体が固定面から遠いことを示す。
【００２２】
以上のように、スライドシートがスライド溝中のｋ番目のセンシングユニットを通過すると、対応するＩ（ｔ）を出力する。各表示ランプの抵抗がいずれもＲであることが既知である場合、電圧Ｖ（ｔ）＝Ｒ×|Ｉ（ｔ）|を算出できる。さらに、以下の導出されたＶ（ｔ）とｘ（ｔ）との関係式によって、部材の第２変位量△ｘ２(ｔ)を算出できる。
【００２３】
図３に示される被測定物体が固定端に近い測定状態を例とし、ある時刻ｔにおいて、部材の圧縮量がｘ（ｔ）であり、すなわち、第１電極層と第２電極層との相対変位量がｘ（ｔ）である。
【００２４】
静電式セルフパワー変位センサでは、２種の誘電体材料の厚さはそれぞれｄ１及びｄ２であり、それらの相対誘電率はそれぞれεｒ１及びεｒ２である。ｘ（ｔ）は２種の誘電体材料を塗布した電極板間の相対変位を表す。変位センサ装置が動作すると、ｘ（ｔ）が０から最大値まで変化する。誘電体材料を塗布した２つの電極板の相対変位（すなわちｘ（ｔ）＝０）がない場合、電極板が充電され、２つの電極板の表面に反対の静電荷が付与され、等しい電荷密度σ（接触摩擦で生じた電荷密度）を有する。そして、２つの電極板の相対変位が発生すると、電荷が外部回路を介して電流を発生させる。負荷抵抗をＲとする場合、電荷量Ｑの式は、
【００２５】
【数１】
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（ｄ０＝ｄ１／εｒ１＋ｄ２／εｒ２であり、且つ誘電体材料の等価厚さであり、ｌは誘電体材料で塗布された電極板の長さ、ｗは単一のセンシングユニットにおける誘電体材料の幅、ε０は真空誘電率である）である。
【００２６】
従って、電圧は、式（２）で表され、
【００２７】
【数２】
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式（１）と（２）を組み合わせると、ある時刻ｔで電圧と変位量ｘ（ｔ）とがマッピング関係を有することがわかり、すなわち、ある時刻ｔで電圧Ｖ（ｔ）を測定することで、この時点の変位量が得られる。それにより測定回路によって変位の大きさを電気信号として表現する。
【００２８】
図４に示される被測定物体が固定端から遠い測定状態の原理は以上と同様である。
このとき、総変位量△ｘ(ｔ)＝△ｘ１(ｔ)＋△ｘ２(ｔ)が得られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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