(57)【要約】【課題】アナログアンプを不要とするとともに、簡単で安価な回路構成で、温度等の環境変化があっても測定対象の物理量を高精度に測定することが可能な計測装置を提供すること。【解決手段】該検出用抵抗素子１１０が接続された発振部１２０の出力信号の周波数から測定対象の物理量を演算部１３０で演算して測定対象Ｔの物理量を測定する計測装置１００であって、発振部１２０が、既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子１２１を少なくとも１つ有し、検出用抵抗素子１１０と該基準抵抗素子１２１とを切替えて接続可能に構成されていること。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の物理量の変化を電気抵抗値の変化に変換する検出用抵抗素子と、該検出用抵抗素子が接続されその電気抵抗値に応じた周波数の出力信号を出力する発振部と、前記出力信号の周波数から測定対象の物理量を演算する演算部とを有して、測定対象の物理量を測定する計測装置であって、
前記発振部が、既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子を少なくとも１つ有し、前記検出用抵抗素子と該基準抵抗素子とを切替えて接続可能に構成されていることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記発振部が、異なる電気抵抗値を持つ複数の基準抵抗素子を有し、前記検出用抵抗素子と該複数の基準抵抗素子とを切替えて接続可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記発振部が、前記検出用抵抗素子と基準抵抗素子の切替えを自動的に行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記発振部が、温度影響特性が既知の温度補償用抵抗素子をさらに有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の計測装置。
【請求項５】
前記演算部が、所定時間の前記出力信号の波数を計数し、該波数から前記所定時間の平均周波数を算出して測定対象の物理量を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の計測装置。
【請求項６】
前記演算部が、前記所定時間を変更設定可能に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
【請求項７】
前記発振部が、ＣＭＯＳインバータを有し、接続された前記検出用抵抗素子の電気抵抗値に応じた周波数のパルス信号を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の計測装置。
【請求項８】
測定対象の物理量の変化を電気抵抗値の変化に変換する検出用抵抗素子と、該検出用抵抗素子が接続されその電気抵抗値に応じた周波数の出力信号を出力する発振部と、前記出力信号の周波数から測定対象の物理量を演算する演算部とを有して、測定対象の物理量を測定する計測方法であって、
前記発振部が、既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子を少なくとも１つ有し、前記検出用抵抗素子と該基準抵抗素子とを切替えて接続可能に構成されており、
基準抵抗素子を接続した際の出力信号の周波数と該基準抵抗素子の電気抵抗値との積から、積が周波数の１次関数となるように関数を設定し、
検出用抵抗素子を接続した際の周波数を、前記関数に代入して検出用抵抗素子の電気抵抗値を演算し、
該演算された電気抵抗値から測定対象の物理量を測定することを特徴とする計測方法。
【請求項９】
前記発振部が、異なる電気抵抗値を持つ複数の基準抵抗素子を有し、
前記周波数の１次関数となるように関数を設定する際に、複数の基準抵抗素子の電気抵抗値とそれぞれの計測された周波数の積を求め、
求められた複数の積から、最小二乗法によって積が周波数の１次関数となるように関数を設定することを特徴とする請求項８に記載の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の物理量の変化を電気抵抗値の変化に変換する検出用抵抗素子を用いた計測装置に関し、特に、検出用抵抗素子の電気抵抗値を周波数に変換して測定対象の物理量を測定する計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、歪みゲージ等の物理量の変化を電気抵抗値の変化に変換する検出用抵抗素子を測定対象に固定して、歪み等の測定対象の物理量の変化を電気抵抗値の変化として測定するものが周知である。
検出用抵抗素子の電気抵抗値を測定する方法としては、ホイートストンブリッジ等の抵抗ブリッジを利用して電圧変化に変換するものが慣用されており、該電圧をアナログアンプで増幅してＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換して出力するものが公知である（特許文献１等参照。）。
【０００３】
しかしながら、検出用抵抗素子の電気抵抗値の変化は微小で変換後の電圧変化も微小であることから、これを増幅するためのアナログアンプは、精度が高く、温度等の環境による特性変化の少ないものとする必要があり、安定化や補償等のために回路規模が増大したり、高精度のパーツを使用して、高価なものとなるという問題があった。
このような、アナログアンプの問題を解消するために、発振回路を用いて検出用抵抗素子の電気抵抗値の変化を周波数の変化に変換して出力することで、アナログアンプを省略した回路構成のものが公知である（特許文献２等参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１６３６８３号公報
【特許文献２】特開２００５−３００５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、公知の前記特許文献２によっても、高価なアナログアンプは不要となるものの、発振回路に含まれるキャパシタを始めとする回路素子の周波数特性や温度等の環境による特性変化が計測値の精度に影響を与えるという問題があった。
特に、検出用抵抗素子の電気抵抗値の変化が微小であるため、回路自身が有する内部抵抗等，回路自身の状態変化の影響が極めて大きく、計測値の精度に与える影響は極めて大きいという問題があった。
これらの影響を軽減するためには、発振回路を温度等の環境による特性変化の少ないものとする必要があり、その安定化や補償等のために高精度のパーツを使用し、複雑な回路構成としなければならず、極めて高価なものとなるという問題があった。
また、長期間にわたって測定対象の物理量の変化をモニタリングするような場合は、これらの特性変化を完全に排除することは困難であることから、測定開始前に正確に校正したとしても、長期間にわたったモニタリングには対処できなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、前記した問題点を解決するものであり、アナログアンプを不要とするとともに、簡単で安価な回路構成で、温度等の環境変化があっても測定対象の物理量を高精度に測定することが可能な計測装置および計測方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本請求項１に係る発明は、測定対象の物理量の変化を電気抵抗値の変化に変換する検出用抵抗素子と、該検出用抵抗素子が接続されその電気抵抗値に応じた周波数の出力信号を出力する発振部と、前記出力信号の周波数から測定対象の物理量を演算する演算部とを有して、測定対象の物理量を測定する計測装置であって、前記発振部が、既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子を少なくとも１つ有し、前記検出用抵抗素子と該基準抵抗素子とを切替えて接続可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
【０００８】
本請求項２に係る発明は、請求項１に係る計測装置の構成に加え、前記発振部が、異なる電気抵抗値を持つ複数の基準抵抗素子を有し、前記検出用抵抗素子と該複数の基準抵抗素子とを切替えて接続可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
【０００９】
本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る計測装置の構成に加え、前記発振部が、前記検出用抵抗素子と基準抵抗素子の切替えを自動的に行うことにより、前記課題を解決するものである。
【００１０】
本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る計測装置の構成に加え、前記発振部が、温度影響特性が既知の温度補償用抵抗素子をさらに有していることにより、前記課題を解決するものである。
【００１１】
本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る計測装置の構成に加え、前記演算部が、所定時間の前記出力信号の波数を計数し、該波数から前記所定時間の平均周波数を算出して測定対象の物理量を演算することにより、前記課題を解決するものである。
【００１２】
本請求項６に係る発明は、請求項５に係る計測装置の構成に加え、前記演算部が、前記所定時間を変更設定可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
【００１３】
本請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに係る計測装置の構成に加え、前記発振部が、ＣＭＯＳインバータを有し、接続された前記検出用抵抗素子の電気抵抗値に応じた周波数のパルス信号を出力することにより、前記課題を解決するものである。
【００１４】
本請求項８に係る発明は、測定対象の物理量の変化を電気抵抗値の変化に変換する検出用抵抗素子と、該検出用抵抗素子が接続されその電気抵抗値に応じた周波数の出力信号を出力する発振部と、前記出力信号の周波数から測定対象の物理量を演算する演算部とを有して、測定対象の物理量を測定する計測方法であって、前記発振部が、既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子を少なくとも１つ有し、前記検出用抵抗素子と該基準抵抗素子とを切替えて接続可能に構成されており、基準抵抗素子を接続した際の出力信号の周波数と該基準抵抗素子の電気抵抗値との積から、積が周波数の１次関数となるように関数を設定し、検出用抵抗素子を接続した際の周波数を、前記関数に代入して検出用抵抗素子の電気抵抗値を演算し、該演算された電気抵抗値から測定対象の物理量を測定することにより、前記課題を解決するものである。
【００１５】
本請求項９に係る発明は、請求項８に係る計測方法の構成に加え、前記発振部が、異なる電気抵抗値を持つ複数の基準抵抗素子を有し、前記周波数の１次関数となるように関数を設定する際に、複数の基準抵抗素子の電気抵抗値とそれぞれの計測された周波数の積を求め、求められた複数の積から、最小二乗法によって積が周波数の１次関数となるように関数を設定することにより、前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本請求項１に係る計測装置および本請求項８に係る計測方法によれば、測定対象の物理量の計測前、あるいは、計測中に既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子に切替えることが可能となり、基準抵抗素子が接続された際の周波数を計測することで、随時、温度等の環境変化による発振回路の特性変化を特定し、測定された周波数と測定対象の物理量との関係を簡単に校正することができる。
したがって、発振回路の環境変動に対する安定化や補償等のために高精度のパーツを使用したり、複雑な回路構成とする必要がなく、簡単で安価な回路構成で、温度等の環境変化があっても測定対象の物理量を高精度に測定することが可能となる。
本請求項９に記載の構成によれば、測定された周波数と測定対象の物理量との関係をより高精度に校正することができ、測定対象の物理量をさらに高精度に測定することが可能となる。
【００１７】
本請求項２に記載の構成によれば、複数の既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子が接続された際の周波数を計測することで、より精度良く温度等の環境変化による特性変化の影響を特定することが可能となり、より正確に測定された周波数と測定対象の物理量との関係を校正することができる。
本請求項３に記載の構成によれば、長期間にわたって測定対象の物理量の変化をモニタリングするような場合であっても、人手を介することなく、適宜の間隔で基準抵抗素子に切り替えて自動的に温度等の環境変化による特性変化を特定し、測定された周波数と測定対象の物理量との関係を正確に校正することで、常に測定対象の物理量を高精度に測定することが可能となる。
本請求項４に記載の構成によれば、基準抵抗素子や回路内部の電気抵抗値、静電容量等の温度による変化があったとしても、温度補償用抵抗素子によってさらにそれを校正することが可能となるため、測定された周波数と測定対象の物理量との関係を正確に校正することが可能となり、基準抵抗素子として温度による特性変化のない高価なものを使用することなく、より高精度に測定することが可能となる。
【００１８】
本請求項５に記載の構成によれば、所定時間内の平均周波数を算出して測定対象の物理量を演算することにより、発振部から出力される出力信号に高周波ノイズ等が含まれても、その影響を排除することが可能となり、フィルタ回路等を付加することなく簡単な構成で測定対象の物理量を高精度に測定することが可能となる。
本請求項６に記載の構成によれば、測定対象の物理量の長期間にわたる微小な変化をモニタリングする際に計測のサンプリング周期を大きくしても、所定時間を長く設定することにより、計測時以外に発生した一時的な測定対象の物理量の変化を所定時間内の平均周波数の変化として検出することが可能となり、測定対象の物理量の測定の態様に応じた測定値を得ることが可能となる。
本請求項７に記載の構成によれば、出力信号がパルス状となることにより、発振部の出力信号にノイズ等が含まれていても、複雑なフィルタ回路等を設けることなく正確に波数の計数が可能となり、発振部や演算部の構成をより簡単なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の計測装置の基本構成概略図。
【図２】本発明の第１実施例である計測装置の発振部の回路説明図。
【図３】連続モニタリング時の計測結果を示す説明図。
【図４】基準抵抗素子による補正の有無による計測結果の比較図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
本発明の一実施例の計測装置１００は、図１に模式的に示すように、測定対象Ｔに検出用抵抗素子である歪センサー１１０を貼付し、該歪センサー１１０の電気抵抗値を測定することで、測定対象Ｔの歪を測定するものである。
歪センサー１１０は、発振部１２０に接続され、発振部１２０は歪センサー１１０の電気抵抗値に応じた周波数のパルス信号を出力信号として出力する。
発振部１２０から出力された出力信号は、演算部１３０に入力され、演算部１３０は、任意に設定される所定時間（以下「ゲート時間」と言う）の出力信号のパルス波数を計数することで、ゲート時間における平均周波数を算出し、該周波数から測定対象Ｔの歪量を演算する。
なお、演算部１３０で演算された測定対象Ｔの歪量は、演算部１３０が表示部を備えて直接表示されるようにしても良く、計測データとしてさらに外部に出力するようにしても良い。
また、演算部１３０に記憶部を設けて、複数回の計測データを演算部内に記憶し、履歴として保持するようにしても良い。
【００２１】
計測装置１００の具体的な機器の形態として、検出用抵抗素子である歪センサー１１０は従来慣用されたもので良く、発振部１２０と演算部１３０は、別個の筐体であっても同一の筐体に組み込まれても良く、発振部１２０と演算部１３０の機能が存在すれば、どのような形態であっても良い。
また、発振部１２０あるいは演算部１３０の機能の他に、様々な付加的な機能が組み込まれても良く、複数の発振部１２０あるいは演算部１３０の機能を物理的に１つの装置内で実現させても良い。
【００２２】
発振部１２０は、図２に示すように、前段のＣＭＯＳインバータ１２４の出力を後段のＣＭＯＳインバータ１２５の入力に接続するとともに、測定すべき検出用抵抗素子である歪センサー１１０の一方の端子を、前段のＣＭＯＳインバータ１２４の出力（後段のＣＭＯＳインバータ１２５の入力）に、測定すべき検出用抵抗素子である歪センサー１１０の他方の端子を、前段のＣＭＯＳインバータ１２４の入力、および、キャパシタ１２６を介して後段のＣＭＯＳインバータ１２５の出力に接続することで、後段のＣＭＯＳインバータ１２５の出力から、測定すべき検出用抵抗素子である歪センサー１１０の電気抵抗値に応じた周波数を有するパルス状の出力信号１２７を生成するように構成されている。
【００２３】
接続される歪センサー１１０は、切替回路１２２によって複数の既知の電気抵抗値を持つ基準抵抗素子１２１（本実施例では電気抵抗値の異なる３つの基準抵抗素子１２１）と切り替えることが可能に構成されている。
なお、内部抵抗１２３は発振回路の周波数に影響する内部抵抗を代表して図示したものであり、また、ＣＭＯＳインバータ１２４、１２５に供給する電源回路は図示を省略している。
【００２４】
以上の構成の計測装置１００の計測動作について説明する。
演算部１３０は、発振部１２０の出力信号１２７の周波数と電気抵抗値の関係、および該電気抵抗値と測定対象Ｔの歪量の関係の演算式、あるいは、直接の対応マップ等を記憶保持している。
温度等の環境変化によって内部抵抗１２３、ＣＭＯＳインバータ１２４、１２５、キャパシタ１２６の特性が変化するため、実際の計測に先立ち、発振部１２０の切替回路によって基準抵抗素子１２１を接続して発振部１２０の出力信号１２７の周波数を測定し、前記記憶保持されている出力信号１２７の周波数と電気抵抗値の関係を校正する。
この時、異なる電気抵抗を持つ複数の基準抵抗素子１２１を接続して、それぞれの発振部１２０の出力信号１２７の周波数を測定することで、より正確に校正をすることが可能となる。
また、複数の基準抵抗素子１２１の内の少なくとも１つを、温度と電気抵抗値の関係が既知の温度補償用抵抗素子とすることで、さらに正確に校正をすることが可能となる。
【００２５】
演算部１３０における発振部１２０の出力信号１２７の周波数の測定は、任意に設定されるゲート時間の出力信号１２７のパルス波数を計数することで、ゲート時間における平均周波数として算出することで測定するように構成されている。
したがって、測定対象Ｔの微小な歪の増減であっても、ゲート時間を長く設定することによって、ノイズ等による計測誤差の影響を低減することが可能となる。
また、測定対象Ｔの歪を長期間にわたってモニタリングする場合、適宜の周期で前述した校正動作を自動的に行うことで、環境変化が生じた場合でも常に正確な計測を行うことができる。
【００２６】
さらに、長期間のモニタリングの際の計測値のサンプリング周期を長くとった場合でも、当該サンプリング周期と同等のゲート時間を設定することによって、サンプリング周期中の測定対象Ｔの歪の変化も、測定される平均周波数の変化として計測することが可能となる。
例えば、図３に示すように、ｔ１およびｔ２の時点で計測するようなサンプリング周期が設定されており、測定対象Ｔの歪の変化がｔ１とｔ２の間にＡからＢに変化し再びＡに戻ったような場合、従来のホイートストンブリッジ等による測定では、図３（ａ）に示すようにｔ１でもｔ２でも計測値はＡとなるため、そのサンプリング期間の測定対象Ｔの歪はＡであると推定することとなり、変化があったことを検出することが出来ない。
しかしながら、本発明の実施例によれば、図３（ｂ）に示すように、ゲート時間Ｇをサンプリング周期と同等とすることにより、ｔ１からｔ２までの波数を計数してその平均周波数からそのサンプリング期間の測定対象Ｔの歪の平均値はＣであると推定することが可能となり、その変化を検出することが可能となる。
【実施例２】
【００２７】
次に、本発明の計測方法の一実施例について説明する。
まず、上述した計測装置１００において、歪センサー１１０による計測前に、複数の基準抵抗素子１２１を切り替えて接続して、それぞれの基準抵抗素子１２１が接続された際の発振部１２０の出力信号１２７の周波数を演算部１３０で計測する。
演算部１３０では、複数の基準抵抗素子１２１の電気抵抗値とそれぞれの計測された周波数の積を求め、求められた複数の積から、最小二乗法により積が周波数の１次関数となるように関数を設定する。
その後、歪センサー１１０を接続して、発振部１２０の出力信号１２７の周波数を演算部１３０で計測し、該周波数を前記設定された関数に代入して歪センサー１１０の電気抵抗値を演算し、該演算された電気抵抗値から測定対象の物理量を測定する。
【００２８】
図４（ａ）は、上記の基準抵抗素子１２１による校正を行わず、計測装置の理論値のみによる測定対象の物理量の測定結果を示し、図４（ｂ）は、上記の基準抵抗素子１２１による計測を行って校正した場合の測定対象の物理量の測定結果を示している。
なお、両図とも、計測精度の高いブリッジ回路による測定対象の物理量の測定結果を◆で示している。
【００２９】
図４に示すとおり、発振部１２０の出力をそのまま理論値のみで物理量に換算しただけでは、計測精度が大幅に下がっているのに対し、本発明の計測方法を適用して校正した場合は精度が大幅に向上していることがわかる。
すなわち、未知の内部抵抗値や静電容量の変動誤差分が存在していても、複数の電気抵抗値と周波数の積から最小二乗法で関数を設定することで、それらの誤差分を含めて校正することが可能となり、精度が大幅に向上する。
なお、電気抵抗値の変化が数％程度の歪センサー１１０においては、上述したような１次関数近似でも十分な精度が得られるが、当然、さらに精度を高めるよう関数を多項式として設定しても良い。
また、図４から見て明らかなように、荷重ゼロの場合、測定対象の物理量の測定結果の誤差はほとんどないことから、基準抵抗素子１２１による計測を１つの基準抵抗素子１２１での１回のみとして、１次関数を設定し、校正のための演算量や処理時間を短縮しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の計測装置および計測方法は、上記実施例では、検出用抵抗素子として歪センサー１１０を用い、測定対象Ｔの歪を計測するものとしたが、検出用抵抗素子として、温度、圧力、磁気等の他のいかなる物理量によって抵抗が変化するものを使用してもよく、歪のみならず、様々な物理量の計測装置および計測方法として利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１００  ・・・  計測装置
１１０  ・・・  歪センサー（検出用抵抗素子）
１２０  ・・・  発振部
１２１  ・・・  基準抵抗素子
１２２  ・・・  切替回路
１２３  ・・・  内部抵抗
１２４  ・・・  ＣＭＯＳインバータ
１２５  ・・・  ＣＭＯＳインバータ
１２６  ・・・  キャパシタ
１２７  ・・・  出力信号
１３０  ・・・  演算部
【図１】
2013024808.tif 000003
【図２】
2013024808.tif 000004
【図３】
2013024808.tif 000005
【図４】
2013024808.tif 000006