(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪速度に比例した電圧を出力する圧電素子と、前記圧電素子から出力される電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路で増幅された電圧を積分して歪み信号に変換する積分回路と、前記積分回路により変換された前記歪み信号の頻度を計数する頻度計数部とを備えた応力計測装置において、前記積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせ、更に、前記頻度計測部は、前記積分回路により変換された前記歪み信号を複数の設定値と各々対比するコンパレータと、前記コンパレータでの対比により前記歪み信号が前記複数の設定値を超えたレベル数を表示する複数のカウンターとから構成されることを特徴とする応力計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いた応力計測装置に関する。例えば、橋梁等構造物の歪計測に適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
橋梁等構造物で発生する応力の計測は、図１０に示すように歪みゲージ１を貼り付けて計測する方法が用いられている。
即ち、対象箇所に歪みゲージ１を貼り付け、歪みゲージ１と同じ抵抗値の３個の固定抵抗２，３，４と組合せてホイートストンブリッジ回路を構成する方法である。
【０００３】
このホイートストンブリッジ回路に電源部５から電流を流し、歪みによる抵抗変化を増幅器６で増幅して歪み（応力）に比例した電圧信号を得る。
また、頻度を計算する頻度計数部７を接続する場合もある。
更に、ホイートストンブリッジ回路としては、歪みゲージ２枚と固定抵抗２個、全て歪みゲージ等の場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す上記従来装置では、歪みゲージ１に常に安定した電流を流すため、長期間の計測をする場合は、商用電源を設けるか、太陽電池を設置するか、大容量のバッテリーを用いて、数日おきに交換する方法等を採用することが必要となる。
【０００５】
しかし、電源の無い山間部などでは、電源を設置する多大な準備や人が数日おきに現地に出向く必要があるなどの課題がある。
本発明は、従来技術の長期間応力計測での課題となる消費電流の削減方法として、歪み速度に比例した電圧を出力する圧電素子をセンサとして使用することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る応力計測装置は、歪速度に比例した電圧を出力する圧電素子と、前記圧電素子から出力される電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路で増幅された電圧を積分して歪み信号に変換する積分回路と、前記積分回路により変換された前記歪み信号の頻度を計数する頻度計数部とを備えた応力計測装置において、前記積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせ、更に、前記頻度計測部は、前記積分回路により変換された前記歪み信号を複数の設定値と各々対比するコンパレータと、前記コンパレータでの対比により前記歪み信号が前記複数の設定値を超えたレベル数を表示する複数のカウンターとから構成されることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の応力計測装置の具体的な基本構成を図１に示す。
図１に示すように、この応力計測装置は、圧電素子８、結線９、処理回路部１０から構成され、必要に応じて頻度計数表示部１１を設置する。
圧電素子８は、その組成から歪速度に比例した電圧を出力する特性を有していることが知られているが、その特徴を確認するために実験を行った結果を図２に示す。
【００１０】
図２は圧電素子８を貼り付けた鋼板に対して、ある周波数での歪みが発生する様に行った試験の結果を示したものであり、横軸が歪速度、縦軸が出力電圧になっている。
設定周波数は０．１〜２０Ｈｚを選定して行った。
その結果、図２に示す様に圧電素子８の出力電圧は、歪速度に比例した電圧が出力されることを確認した。
歪みを計測するためには、圧電素子８から出力される歪速度に比例した電圧を積分する必要がある。
【００１１】
そこで、本発明では、図１に示す処理回路部１０の内部に積分回路を設けている。
積分回路の特性は、一例としては図３に示す様なものが考えられる。
図３に示す積分回路を圧電素子８の出力電圧の後ろに設置した結果の出力電圧と歪みの関係を図４に示す。
図４に示す通り、積分回路を設けることで、歪みに比例した電圧が出力されることが確認された。
【００１２】
この積分回路の特徴としては、図５に示すように、低周波数では、ゲインが下がるようにハイパスフィルタを入れた工夫をしている。
この理由は、長期間使用する場合は、外気温が変化することから圧電素子８からの出力電圧のＤＣ分が変化し、計測精度の劣化を防ぐためである。
例えば、その一例を図６に示すように、ハイパスフィルタがない場合は出力電圧がある方向にドリフトしてしまう不具合が発生するが、ハイパスフィルタを設ければそのような不都合を防止できる。
【００１３】
本発明に係る処理回路部１０、頻度計数表示部１１の具体的な回路図を図７に示す。
図７に示すように、処理回路部１０は、固定抵抗１３〜１７、コンデンサ１８〜１９、初段増幅器２１及び積分回路２２とから構成されている。
また、頻度計数表示部１１は、一例としては、コンパレータ２０と７桁カウンターとから構成されている。
コンパレータ２０は、７レベルの設定値をＲｆ１〜Ｒｆ７に設定し、これを超えたレベル数をカウンターで表示する。
従って、各カウンターで表示された数値が高い程、歪みが頻繁に発生したことが確認でき、構造物の信頼性を判断する指標となる。
【００１４】
実測例として、本応力計測装置を用いて実際に橋梁の応力計測を行った結果を図８に、歪みゲージを用いて検出した歪みを図９に示す。
図８は橋梁の歪みと圧電素子８の電圧信号を処理回路に通したときの出力電圧を示している。
図８、図９に示すように、本発明に係る応力計測装置は、歪みゲージを用いた場合に比較し、精度良く歪みを検出していることが確認できた。
【００１５】
このように説明したように本実施例に係る応力計測装置によれば、歪みが加わると電圧を発生する圧電素子８を用いるため、センサに電流を供給する必要がなく、また、増幅回路も簡単な回路構成で可能となる。
従って、本実施例では、従来技術に比較し、消費電流低減、装置の小型化及び長期間の観測でも商用電源が不要となる。
また、処理回路部中にハイパスフィルタを設けることにより、温度変化により発生するドリフトを防ぐことができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の請求項１に係る応力計測装置は、歪速度に比例した電圧を出力する圧電素子と、前記圧電素子から出力される電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路で増幅された電圧を積分して歪み信号に変換する積分回路と、前記積分回路により変換された前記歪み信号の頻度を計数する頻度計数部とを備えた応力計測装置において、前記積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせ、更に、前記頻度計測部は、前記積分回路により変換された前記歪み信号を複数の設定値と各々対比するコンパレータと、前記コンパレータでの対比により前記歪み信号が前記複数の設定値を超えたレベル数を表示する複数のカウンターとから構成されるため、電流を供給する必要がなく、また、増幅回路も簡単な回路構成で可能となり、従って、従来技術に比較し、消費電流低減、装置の小型化及び長期間の観測でも商用電源が不要となる。また、歪み信号に変換する積分回路を含む処理回路中に低周波数ではゲインが下がるようなハイパスフィルタ特性を持たせたため、温度変化により発生するドリフトを防ぐことができる。また、積分回路により変換された歪み信号の頻度を計数する頻度計数部を付加したため、歪みが頻繁に発生したことが確認でき、構造物の信頼性を判断する指標となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な装置構成である応力計測装置の概念図である。
【図２】歪み速度と圧電フィルム出力電圧の関係を示したグラフである。
【図３】積分回路の特性を示したグラフである。
【図４】積分回路出力電圧と歪みの関係を示したグラフである。
【図５】伝達特性を示したグラフである。
【図６】積分回路出力電圧波形を示したグラフである。
【図７】応力計測装置回路を示す具体的な回路図である。
【図８】応力計測装置による実測値を示したグラフである。
【図９】歪みゲージによる実測値を示したグラフである。
【図１０】従来技術に係る応力計測装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  歪みゲージ
２〜４  固定抵抗
５  電源部
６  増幅部
７  頻度計数部
８  圧電素子
９  結線
１０  処理回路部
１１  頻度計数部
１２  圧電素子
１３〜１７  固定抵抗
１８〜１９  コンデンサ
２０  コンパレータ
【図１】
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【図２】
0004084015.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004084015.tif 000008
【図８】
0004084015.tif 000009
【図９】
0004084015.tif 000010
【図１０】
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