(57)【要約】【課題】  センサに給電される電圧と出力される信号の比をセンサ直近にて取得することにより、電源系に依存するノイズの混入を消去もしくは大幅に低減することができる鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムを提供する。【解決手段】  鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムにおいて、外部電源１１からの現場計測用センサ１２の駆動電圧を前記現場計測用センサ１２に接続されるＡ／Ｄ変換装置１３の基準電圧発生装置１４の基準電圧として用いる。【選択図】  図２
2009235698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源から供給される現場計測用センサの駆動電圧を、前記現場計測用センサに接続されるＡ／Ｄ変換器の基準電圧発生装置の基準電圧として用いることを特徴とする鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システム。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムにおいて、前記現場計測用センサがホイートストーンブリッジ回路を含むことを特徴とする鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
列車走行時の軌道構造の測定は従来より行われているが、いずれもレールやまくらぎ表面に関するものであり、測定が困難な道床内部の砕石の挙動を直接測定した事例は少ない。砕石中に加速度センサーを埋め込んだ計測事例はあるものの、得られるデータは特定の一軸方向に関する測定値のみであり、砕石自体がどの軸を向いているのかもわからず、しかも、砕石の三次元的な動きについては把握できなかった。
【０００３】
なお、落石の運動を測定するために、落石の内部に加速度センサーを取り付けて計測したものがある（下記非特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、この計測方法では、一軸センサーを用いており、落石が回転すると、運動方向の変化が検出できない。また、有線接続でないので、計測データの取得が困難である。
【０００５】
従来、鉄道軌道に関する動的な測定においては、測定対象物の変位、変形、速度、加速度、応力、荷重などの物理的な現象を、各種のセンサにより、抵抗値の変化や誘電容量の変化に変換し、その変化量を電圧の大きさや電流量の変化に換算して測定を行なう。実際の測定では、加速度センサや応力センサなどを測定対象物に取り付け、外部より長い電源ケーブルを用いて測定用電力をセンサ本体に給電し、センサからの出力を再度ケーブルを介して電圧を取得することになる。その際、電源側にノイズが入ると、そのまま、センサの出力電流にノイズが加わることになり、センサの出力に関する測定信号とノイズの分離が課題となっていた。
【特許文献１】「落石の運動機構に関する研究  その２−落石運動の測定方法，右城  猛、篠原昌二、家石一美、四国の地盤災害・地盤環境に関するシンポジウム，地盤工学会四国支部、２００４年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高精度に安定した電源装置とシールドされたケーブルを用いてセンサに給電し、センサからの出力電圧をシールドされたケーブルで取得し、それを外部で高分解能のＡ／Ｄ変換装置で分解するだけでは、センサからの信号とノイズを分離することができず、根本的な解決につながっていなかった。
【０００７】
本発明は、この問題を解決するために、センサに給電される電圧と出力される信号の比をセンサ直近にて取得することにより、電源系に依存するノイズの混入を消去もしくは大幅に低減することができる鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システム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】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムにおいて、外部電源から供給される現場計測用センサの駆動電圧を、前記現場計測用センサに接続されるＡ／Ｄ変換器の基準電圧発生装置の基準電圧として用いることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムにおいて、前記現場計測用センサがホイートストーンブリッジ回路を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、現場計測用センサの駆動電圧を、Ａ／Ｄ変換器の基準電圧発生器の基準電圧とする簡単な現場計測用センサの改良により、高精度の計測を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムは、外部電源から供給される現場計測用センサの駆動電圧を、現場計測用センサに接続されるＡ／Ｄ変換器の基準電圧発生装置の基準電圧として用いる。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例を示す鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムの概略構成図である。
【００１４】
この図において、１は外部電源、２は現場計測用センサ、３はＡ／Ｄ変換装置、４は計測出力装置である。
【００１５】
ここでは、外部電源１からの現場計測用センサ２へ入力電圧を現場計測用センサに接続されるＡ／Ｄ変換装置３の基準電圧発生装置（図示なし）の入力電圧とすることにより、現場計測用センサ２のノイズの低減化を図ることができる。
【００１６】
図２は本発明の実施例を示す鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムの要部構成図である。
【００１７】
この図において、１１は外部電源、１２は外部電源１１に接続される現場計測用センサとしてのホイートストーンブリッジ回路、１３はホイートストーンブリッジ回路１２からの出力電圧が入力されるＡ／Ｄ変換装置（ＰＩＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）、１４はＡ／Ｄ変換装置１３内の基準電圧発生装置、１５はコンパレータ、１６はデータ出力装置である。
【００１８】
このシステムにおいて、基準電圧発生装置１４の入力電圧は外部電源１１から供給される電圧を用いる。つまり、現場計測用センサとしてのホイートストーンブリッジ回路１２の入力電圧と同じにする。
【００１９】
これにより、例えば、外部電源１１から供給される電圧にノイズが重畳していても、現場計測用センサとしてのホイートストーンブリッジ回路１２からのコンパレータ１５への入力電圧条件と基準電圧発生装置１４からのコンパレータ１５への入力電圧条件が同一となることになり、現場計測用センサのノイズの低減を図ることができる。
【００２０】
以下、実際の例について説明する。
【００２１】
図３は本発明にかかる現場計測用センサとしてのストーンを設置する鉄道軌道を示す図、図４は本発明にかかる現場計測用センサとしてのストーンを示す図面代用写真、図５はその現場計測用センサとしてのストーンの設置状況を示す図面代用写真である。
【００２２】
図３において、２１は路盤、２２はバラスト、２３はコンクリートまくらぎ、２４はレール、２５はコンクリートまくらぎの下のバラスト２２に配置される現場計測用センサとしてのストーン、２６はそのストーン２５からの引き出しケーブルである。
【００２３】
図４に示すように、現場計測用センサとしてのストーン２５は周囲をコンクリート接着材で補強されており、図３及び図５に示すように、例えば、コンクリートまくらぎ２３の下部にへ設置されて、軌道の変状を計測することができる。
【００２４】
センサの一例として例えば、ひずみゲージは、物理的な長さの変化を抵抗値の変化とするものである。抵抗値の変化自体にはノイズは含まれないが、抵抗値の変化を外部より読み取るために、センサに電流を流し、抵抗値の変化量を電流の変化量に変換し、それをセンサ出力抵抗の両端に生じる起電力で取得する。一般にはこのプロセスをホイートストーンブリッジ回路などを用いて行っている。センサからの出力電圧Ｅｏｕｔは、センサに供給した電圧Ｅｉｎに比例する。
【００２５】
Ｅｏｕｔ＝ｋＲＥｉｎ
ここで、Ｒはセンサの抵抗値、ｋは比例定数とする。
【００２６】
ここで、ＥｉｎにノイズαＥｉｎが混入すると、センサの入力電圧は、
Ｅｉｎ′＝Ｅｉｎ＋αＥｉｎ＝（１＋α）Ｅｉｎとなり、
Ｅｏｕｔ′−Ｅｏｕｔ＝ｋＲ（１＋α）Ｅｉｎ−ｋＥｉｎ＝ｋＲαＥｉｎ
の大きさのノイズが出力電圧に混入することになる。
【００２７】
一方、測定者は、出力電圧の変化をノイズの混入によるものと識別できないため、センサの抵抗値変化Ｒによるものと判断することになり、センサの係数がＲからＲ（１＋α）に変化したものと間違ってしまう。
【００２８】
この対策として、ホイートストーンブリッジ回路直近にて、入力電圧と出力電圧との比をとれば、ノイズ混入前は、Ｅｏｕｔ／Ｅｉｎ＝ｋとなり、ノイズの混入後は、
Ｅｏｕｔ′／Ｅｉｎ′＝ｋＲ（１＋α）Ｅｉｎ／（１＋α）Ｅｉｎ＝ｋとなり、電源系のノイズの混入を消去できるが、従来はそれを達成する具体的な技術がなかった。
【００２９】
本発明では、Ａ／Ｄ変換の分解能が１０ｂｉｔの場合について考える。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換の分解能が１０ｂｉｔであるから、基準電圧を２10＝１０２４個に分割したものが測定可能な最小単位となる。上述の例においてノイズ混入前の状態では、センサに供給した電圧Ｅｉｎであるから、これを１０２４に分割したものが測定単位となる。ここでは測定最小単位の電圧をｄ＝Ｅｉｎ／１０２４と表示する。このときセンサの出力電圧はＥｏｕｔ＝ｋＲＥｉｎであり、Ａ／Ｄ変換すると、測定最小単位電圧ｄでこれを割ったものが測定値となる。
【００３１】
Ｅｏｕｔ／ｄ＝ｋＲＥｉｎ／（Ｅｉｎ／１０２４）＝１０２４ｋＲ
ＥｉｎにノイズαＥｉｎが混入した場合、センサの入力電圧は、
Ｅｉｎ′＝（１＋α）Ｅｉｎである。
【００３２】
本発明の装置では、Ａ／Ｄ変換の基準電圧にセンサの入力を用いるので、この場合の測定最小単位電圧ｄ′は、ｄ′＝（１＋α）Ｅｉｎ／1024となる。
【００３３】
この場合、センサの出力電圧は、Ｅｏｕｔ′＝ｋＲ（１＋α）Ｅｉｎであり、これをＡ／Ｄ変換すると、センサの出力電圧Ｅｏｕｔ′を測定最小単位電圧ｄ′で割ったものが測定値となる。
【００３４】
Ｅｏｕｔ′／ｄ′＝ｋＲ（１＋α）Ｅｉｎ／〔（１＋α）Ｅｉｎ／1024〕＝１０２４ｋＲ
これは、ノイズ混入前のＡ／Ｄ変換の値と全く同じである。
【００３５】
したがって、センサの入力電圧をＡ／Ｄ変換時の基準電圧に用いることにより、電源系に混入するノイズの影響を除去・低減することが可能になる。
【００３６】
道床の振動加速度の測定に本発明のシステムを適用した。本現場の測定では、発電機からの電源を用い、高電圧で高速走行する鉄道車両の直下にて測定するため、従来の計測法では、信号の中に数％〜１０％のノイズが混入していたが、本発明を導入することにより、同じ条件下で、センサの出力信号に含まれるノイズを０．１〜０．２％に低減することに成功した。
【００３７】
以下，その現場における道床振動加速度の測定結果について説明する。
【００３８】
ＪＲの営業線のまくらぎ直下に加速度加速度センサ（±１０Ｇ）を埋設して現場測定を行った。
【００３９】
本発明にしたがって、センサの直近にてＡ／Ｄ変換（１０ｂｉｔ分解能）し、光ケーブルでデータを取得し、その後、デジタルデータを実加速度値に換算した。
【００４０】
図６は特急車両（走行速度１１５ｋｍ／ｈ）通過時のまくらぎ直下での道床振動加速度の測定値（鉛直方向成分）のＡ／Ｄ変換結果を示す図である。この図において、縦軸は鉛直方向の加速度測定値（単位：ｍ／ｓ2 ）、横軸は時刻（単位：１／１０００秒）である。
【００４１】
車両通過直前の無載荷時は、列車走行荷重が加わらない状態なので、センサーの出力値は本来は一定値となるはずである。
【００４２】
図７は特急車両が通過する直前の測定値であり、測定時間における平均値からの変動を示す図である。図中、縦軸はセンサの最大測定範囲（−１６Ｇから＋１６Ｇまでのおよそ３２０ｍ／ｓ2 幅）に対する、測定値の変動量を相対誤差（％）で示したものである。本発明による測定結果では、無載荷時の出力値はほぼ一定であり、相対誤差の標準偏差は０．０５７５％であった。
【００４３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムは、電源系に混入するノイズの影響を除去・低減することができる現場計測用センサとして利用可能ある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例を示す鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す鉄道軌道の現場計測用センサのノイズ低減システムの要部構成図である。
【図３】本発明にかかる現場計測用センサとしてのストーンを設置する鉄道軌道を示す図である。
【図４】本発明にかかる現場計測用センサとしてのストーンを示す図面代用写真である。
【図５】本発明にかかる現場計測用センサとしてのストーンの設置状況を示す図面代用写真である。
【図６】特急車両（走行速度１１５ｋｍ／ｈ）通過時のまくらぎ直下での道床振動加速度の測定値（鉛直方向成分）のＡ／Ｄ変換結果を示す図である。
【図７】特急車両が通過する直前の測定値であり、測定時間における平均値からの変動を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１，１１    外部電源
２    現場計測用センサ
３    Ａ／Ｄ変換装置
４    計測出力装置
１２    現場計測用センサ（ホイートストーンブリッジ回路）
１３    Ａ／Ｄ変換装置（ＰＩＣ）
１４    基準電圧発生装置
１５    コンパレータ
１６    データ出力装置
２１    路盤
２２    バラスト
２３    コンクリートまくらぎ
２４    レール
２５    現場計測用センサとしてのストーン
２６    引き出しケーブル                                              
【図１】
2009235698.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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