JP2008190943A - Absolute displacement-speed measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は近年増加している3階建て、4階建ての一般住宅の路面振動による揺れを振動制御するために不可欠な振動変位測定用センサが第一の利用分野である。路面振動の卓越振動数は概ね3Hz付近にあるが、建物の固有振動数も概ね3Hz付近にあるので、建物が共振して大きな揺れを起こし、居住性を損なっている。建物のアクティブ振動制御には、その建物の絶対変位と絶対速度信号を制御用コントローラにフィードバックすることが不可欠な要件になっている。勿論、高層建物やタワー構造物の風による揺れの制御にも利用できる。
第二の利用分野はアクティブ除振装置のフィードバック制御である。除振技術にはスカイフックダンピングやスカイフックスプリング技術があるが、この技術を活用するには除振台の絶対速度や絶対変位の計測が不可欠である。
第三の利用分野は地震観測である。巨大地震が発生すると地盤が50cm程度まで揺れることが予想されるが、現状ではそのような地盤変位を計測する方法はない。この問題を解決できるのが本発明である。
The first application field of the present invention is a sensor for measuring vibration displacement, which is indispensable for controlling vibration caused by road surface vibration of a three-story and four-story ordinary house that has been increasing in recent years. The dominant frequency of the road surface vibration is approximately 3 Hz, but the natural frequency of the building is also approximately 3 Hz. Therefore, the building resonates and causes a large shake, thereby impairing the comfort. For active vibration control of a building, it is an indispensable requirement to feed back the absolute displacement and absolute velocity signals of the building to the controller for control. Of course, it can also be used to control the shaking of high-rise buildings and tower structures.
The second field of use is feedback control of active vibration isolation devices. There are skyhook damping and skyhook spring technologies in the vibration isolation technology. To utilize this technology, it is essential to measure the absolute speed and absolute displacement of the vibration isolation table.
The third field of use is earthquake observation. Although it is expected that the ground will shake to about 50 cm when a huge earthquake occurs, there is currently no method for measuring such ground displacement. The present invention can solve this problem.
例えば特許文献1においては、絶対速度・変位検出方法及びその方法を用いた絶対速度・絶対変位センサが提案されている。
For example,
従来技術では、建物の振動制御用センサとしてサイズモ型加速度センサや速度センサが用いられている。加速度センサは筐体に収められた重りとそれを支持するばねで定まる固有振動数以下が測定できる振動数であり、速度センサは固有振動数付近が測定できる振動数である。したがって、低い振動数での振動測定が可能であり、超高層ビルや長大吊橋の主塔の風による揺れの制御などに、広く使用されている。しかし、現在最も一般的な制御理論である線形2次形式最適制御理論(LQ最適制御理論)では、制御すべき制御変数は変位と速度である。そのために、建物の振動制御には絶対変位及び絶対速度の計測が不可欠であるが、両者ともに絶対変位を直接に計測することはできない。そのために積分器を加速度センサの場合は2段、速度センサの場合は1段用いているのであるが、積分器にはドリフトと言う問題がある。積分器はその内部に僅かでも直流信号が含まれていればそれが積分されて、時間の経過とともに測定すべき信号とは無関係に変動するのがドリフトである。ドリフトがあれば重りが勝手に動くことによって、制御不能に陥ることがある。この問題を解決するにはドリフトのない積分器を構築しなければならないが、そのために極めて高価なセンサとなる。 In the prior art, seismo type acceleration sensors and speed sensors are used as building vibration control sensors. The acceleration sensor has a frequency that can be measured below a natural frequency determined by a weight housed in a casing and a spring that supports the weight, and the speed sensor has a frequency that can be measured near the natural frequency. Therefore, vibration measurement at a low frequency is possible, and it is widely used for controlling the shaking of the main tower of a high-rise building or long suspension bridge. However, in the linear quadratic optimal control theory (LQ optimal control theory) which is the most common control theory at present, the control variables to be controlled are displacement and speed. Therefore, measurement of absolute displacement and absolute velocity is indispensable for vibration control of buildings, but both cannot directly measure absolute displacement. Therefore, two stages of integrators are used in the case of an acceleration sensor, and one stage is used in the case of a speed sensor, but the integrator has a problem of drift. If the integrator contains even a small amount of DC signal, it is integrated, and drifting varies with time regardless of the signal to be measured. If there is a drift, the weight may move freely, resulting in loss of control. To solve this problem, an integrator with no drift must be constructed, which makes the sensor extremely expensive.
速度センサは積分器が1段で済むので、比較的ドリフトの影響は受けにくいが、固有振動数を低く設計しなければならないので、重りが大型となり、また弱いばねを使用しなければならないので、小型化が困難であり取り扱いが難しい。
その問題を解決するために、例えば特許文献1に示されるような絶対変位・速度センサが提案されているのであるが、これは重りと筐体との間に配置された相対変位センサを用いている。相対変位の測定にはギャップセンサやひずみゲージを用いる方法や、光信号を用いる方法が用いられているが、狭い空間で安定して相対変位信号を得ることが難しく、またセンサ自体を高価にする。もう一つの問題は重りの自重の影響である。センサを設置する際、設置面に僅かでも傾けて取り付けると自重によって重りの位置が変化するので、変位信号に偏りが生ずることになる。その偏りが相対変位の直流信号となって現れるので、それが制御信号に悪い影響をもたらす。したがって、センサを設置するごとにその直流分を取り除かなければならない。
Since the speed sensor has only one integrator, it is relatively insensitive to drift, but it must be designed to have a low natural frequency, so the weight is large and a weak spring must be used. Miniaturization is difficult and handling is difficult.
In order to solve the problem, for example, an absolute displacement / velocity sensor as shown in
以上に述べたことから従来技術で解決しなければならない次の1.から6.のような課題がある。
1.簡単な方法でドリフトが発生しない絶対変位・速度センサの構築
2.建物の振動制御に適用できるような低振動数から測定できる絶対変位・速度センサの構築
3.小型でも大地震の変位測定にも適用できる絶対変位センサの構築
4.センサの設置状況によって測定信号に直流分が生じない絶対変位センサの構築
5.センサの重りを安定に一方向に運動できる重りの支持方法の構築
6.簡単かつ安価な方法で上記の要件を満たす絶対変位・速度センサの構築
As described above, the following 1. must be solved by the prior art. To 6. There is a problem like this.
1. 1. Construction of an absolute displacement / speed sensor that does not generate drift in a simple way. 2. Construction of absolute displacement / velocity sensor that can be measured from low frequency applicable to building vibration control. 3. Construction of an absolute displacement sensor that can be applied to both small and large earthquake displacement measurement. 4. Construction of an absolute displacement sensor that does not cause a direct current component in the measurement signal depending on the sensor installation status. 5. Construction of weight support method that can stably move sensor weight in one direction. Construction of an absolute displacement / speed sensor that meets the above requirements in a simple and inexpensive way
本発明の絶対変位・速度計測用センサは、筐体に内蔵され、ばね及びダンパによって支えられた重りと、それを計測範囲内で不動にするように作動するアクチュエータと、重りと筐体との間の速度を検出する相対速度センサと、重りの動きを制御するコントローラとからなる。 The absolute displacement / velocity measuring sensor of the present invention includes a weight built in a housing and supported by a spring and a damper, an actuator that operates to immobilize the weight within the measurement range, and the weight and the housing. It consists of a relative speed sensor that detects the speed between them and a controller that controls the movement of the weight.
本発明の絶対変位・速度計測用センサの好ましい例では、当該コントローラには微分回路、積分回路、増幅回路及び加算回路を持たせ、当該速度センサで計測された相対速度から相対加速度信号、相対変位信号及び相対速度の増幅信号を造り、それらの信号に適度な倍率を掛けて合成して重りの動きを計測範囲内で不動にするようにフィードバック制御するコントローラを構成する。 In a preferred example of the absolute displacement / speed measurement sensor of the present invention, the controller includes a differentiation circuit, an integration circuit, an amplification circuit, and an addition circuit. From the relative speed measured by the speed sensor, a relative acceleration signal, a relative displacement is provided. A controller that creates a signal and an amplified signal of a relative speed, synthesizes these signals by multiplying them by an appropriate magnification, and performs feedback control so that the movement of the weight is fixed within the measurement range.
本発明の絶対変位・速度計測用センサの好ましい例では、当該アクチュエータ及び相対速度センサは永久磁石により作られた磁気回路とムービングコイルとからなり、重りの動きを計測範囲内で不動にするように制御するために挟み込むように配置される。 In a preferred example of the absolute displacement / speed measurement sensor according to the present invention, the actuator and the relative speed sensor are composed of a magnetic circuit made of a permanent magnet and a moving coil so that the movement of the weight is fixed within the measurement range. It is arranged so as to be sandwiched for control.
本発明の絶対変位・速度計測用センサの好ましい例では、重りの重力による偏りに拘わらず、重りが一方向に動けるように支持することのみを目的として取り付けられた一対のばねを有する。 A preferred example of the absolute displacement / velocity measuring sensor of the present invention has a pair of springs attached only for the purpose of supporting the weight so that it can move in one direction regardless of the deviation of the weight due to gravity.
本発明の絶対変位・速度計測用センサの好ましい例では、当該相対加速度信号のネガティブフィードバック制御と当該相対変位信号のポジティブフィードバック制御とをすることによって、振動の計測範囲を低い振動数まで拡大するようになっている。 In a preferred example of the absolute displacement / speed measurement sensor of the present invention, the vibration measurement range is expanded to a low frequency by performing negative feedback control of the relative acceleration signal and positive feedback control of the relative displacement signal. It has become.
本発明の絶対変位・速度計測用センサの好ましい例では、当該相対加速度信号のネガティブフィードバック制御によって、小型ながら大変位を計測できるようになっている。 In a preferred example of the absolute displacement / velocity measuring sensor of the present invention, a large displacement can be measured in spite of its small size by negative feedback control of the relative acceleration signal.
上記課題を解決するために、本発明では下記の各項目毎に示される手段を有する。
1.筐体と重り間の相対速度信号を検出する相対速度センサを設け、その相対速度を微分、および積分することによって加速度信号、および変位信号を作る。更に、それらの3種類の信号によってアクチュエータを駆動するフィードバック制御系を構築する。そのフィードバック系では、たとえ回路内の積分器によってドリフトが発生してもそれを抑制する機能があるので、一切ドリフトは発生しない。
2.相対変位のポジティブフィードバックによれば、ばねの働きを弱める機能がある。また、相対加速度のネガティブフィードバックによって、アクティブに重りの質量を増加させる機能がある。これらの2種類のフィードバックを効果的に活用して固有振動数を低下させ、低い振動数から測定が可能な絶対変位・速度センサを構築する。
3.相対加速度のネガティブフィードバックによって、アクティブに重りの質量を増加させる機能は、固有振動数を低下させると共に、相対変位も抑制する。これは筐体が取り付けられた変位測定面が大きく振動しても重りの動きを小さくすることの発見である。この発見によって、小型でも大地震の変位測定にも適用できる。
4.筐体と重り間の相対速度信号を検出する相対速度センサを設け、それを元に変位信号が測定できるようにすれば、常にセンサの設置時がゼロ信号となるので、測定信号に直流分は生じない。
5.重りは、一方向にのみ動くようにしなければ、正確に一方向の相対速度信号を得ることはできないので、重りは両側から支持する一対のばねをを有するとよい。
6.本発明によれば簡単かつ安価な方法で上記の要件を満たす絶対変位・速度センサの構築をすることができる。
In order to solve the above-described problems, the present invention includes means shown for each of the following items.
1. A relative speed sensor for detecting a relative speed signal between the casing and the weight is provided, and an acceleration signal and a displacement signal are generated by differentiating and integrating the relative speed. Furthermore, a feedback control system for driving the actuator with these three types of signals is constructed. In the feedback system, even if a drift is generated by the integrator in the circuit, there is a function to suppress it, so no drift occurs.
2. According to the positive feedback of relative displacement, there is a function to weaken the action of the spring. In addition, there is a function of actively increasing the mass of the weight by negative feedback of relative acceleration. By effectively utilizing these two types of feedback, the natural frequency is lowered, and an absolute displacement / speed sensor capable of measuring from a low frequency is constructed.
3. The function of actively increasing the mass of the weight by negative feedback of the relative acceleration reduces the natural frequency and also suppresses the relative displacement. This is a discovery that the movement of the weight is reduced even if the displacement measuring surface to which the housing is attached vibrates greatly. This discovery can be applied to small-scale and large-earthquake displacement measurements.
4). If a relative speed sensor that detects the relative speed signal between the housing and the weight is provided and the displacement signal can be measured based on that sensor, the sensor signal will always be zero when the sensor is installed. Does not occur.
5. Unless the weight is moved only in one direction, it is not possible to accurately obtain a relative velocity signal in one direction. Therefore, the weight may have a pair of springs supported from both sides.
6). According to the present invention, it is possible to construct an absolute displacement / velocity sensor that satisfies the above requirements by a simple and inexpensive method.
一般的に振動制御に適しているとされるサイズモ変位センサの測定範囲はセンサ自身の固有振動数以上のゲイン、位相が共に一定となったところからであり、低周波の測定が困難であるという問題があった。本発明ではサーボ機構を取り入れ、センサの状態量をフィードバックすることで、固有振動数を下げ、低周波の測定を可能にする作用がある。積分回路や微分回路をフィードバック系の中に組み込んでいるために、加速度センサから2度積分によって絶対変位を得る従来の方式固有のドリフト問題は本発明の絶対変位・速度センサでは起こらない。 The measuring range of seismo displacement sensor, which is generally considered suitable for vibration control, is that the gain and phase above the natural frequency of the sensor itself are both constant, and it is difficult to measure at low frequencies. There was a problem. In the present invention, a servomechanism is incorporated, and the state quantity of the sensor is fed back, thereby lowering the natural frequency and enabling the low frequency measurement. Since the integrating circuit and the differentiating circuit are incorporated in the feedback system, the drift problem inherent in the conventional method for obtaining the absolute displacement by integrating twice from the acceleration sensor does not occur in the absolute displacement / speed sensor of the present invention.
振動面に試作したセンサを取り付け、測定面の変位uと相対変位信号eDの間の比の周波数応答を図4に示す。図4では、相対変位と相対速度はポジティブフィードバック、相対加速度はネガティブフィードバックを行って、全てのフィードバック制御を行っている。フィードバックを行わない場合は、強い減衰が含まれているが固有振動数が約5Hz(位相遅れが90度となる振動数)と読み取れる。これに相対速度のポジティブフィードバックを加えると減衰を減らすこともできる。本発明の効果は、相対変位と相対速度と相対加速度の全てのフィードバックを行うことによって、固有振動数が約5Hzから固有振動数は1Hzまで低下されている。相対速度のポジティブフィードバックを行った時の使用できる測定範囲が10Hzから100Hzまでであったものが、全てのフィードバックによって2Hzから80Hzまでに拡大されている。ゲインも約20dB低下しており、更にセンサのストロークの10倍の変位測定が可能になったことを示している。勿論、更に低い固有振動数を定めることもできる。本発明によって、固有振動数を0.5Hzまで下げた事例もある。その場合の振動制御用センサとして使用できる振動数は0.8Hz以上となる。このような周波数特性のセンサは上述の第一、第二の利用分野に使用可能になっている。 Mounting a sensor prototype to the vibration plane, it shows the frequency response of the ratio between the displacement u and relative displacement signal e D of the measurement surface in FIG. In FIG. 4, all feedback control is performed by performing positive feedback for the relative displacement and relative velocity and negative feedback for the relative acceleration. When feedback is not performed, it can be read that the natural frequency is about 5 Hz (frequency at which the phase lag is 90 degrees) although strong attenuation is included. Adding a positive feedback of relative speed to this can also reduce the attenuation. The effect of the present invention is that the natural frequency is reduced from about 5 Hz to 1 Hz by performing all feedback of relative displacement, relative speed, and relative acceleration. The measurement range that can be used when positive feedback of relative velocity is performed is from 10 Hz to 100 Hz, but is expanded from 2 Hz to 80 Hz by all feedback. The gain is also reduced by about 20 dB, which indicates that a displacement measurement of 10 times the sensor stroke is possible. Of course, a lower natural frequency can be determined. In some cases, the present invention reduces the natural frequency to 0.5 Hz. In this case, the frequency that can be used as the vibration control sensor is 0.8 Hz or more. Such a sensor having frequency characteristics can be used in the first and second application fields described above.
次に、本発明の実施の形態の例を、図に示す例に基づいて更に詳細に説明する。尚、本発明は、これら例に何等限定されないのである。 Next, an example of an embodiment of the present invention will be described in more detail based on an example shown in the figure. The present invention is not limited to these examples.
図5に、従来のサイズモ型センサの信号原理図を示す。従来のサイズモ型センサ30は、内部質量mをバネ32とダンパ33が支える構造になっており、測定面変位uと内部質量の絶対変位xによる、相対変位(u−x)を検出する。そして、検出時に検出器による増幅ゲインKaがかけられ、信号は電気信号に変換される。この信号が相対変位信号となり、これを微分回路34によって微分し相対速度信号を得る。
FIG. 5 shows a signal principle diagram of a conventional seismo type sensor. The
このセンサの固有振動数ωn、減衰比ζは以下のように数式1で表される。
The natural frequency ωn and the damping ratio ζ of this sensor are expressed by
サイズモ型変位センサの測定範囲はセンサ自身の固有振動数以上のゲイン、位相ともに一定となる範囲である。したがって、センサ自身の固有振動数を下げることができれば低周波領域での測定が可能になる。ここで、センサの固有振動数を下げるには、数式1からわかるように、内部質量を大きくするかバネ定数を弱くする必要がある。しかし、これにはセンサが脆弱になり構造的欠陥を生み、また、大型化してしまう欠点がある。
そこで本例では、従来のサイズモ型センサにサーボ機構を取り入れ、センサの状態量をフィードバックすることにより、センサのバネ要素、減衰要素、質量要素をアクティブにコントロールし、構造的に低下させることなく固有振動数を下げ、減衰比を調整する。
The measurement range of Seismo type displacement sensor is a range where both gain and phase equal to or higher than the natural frequency of the sensor itself are constant. Therefore, if the natural frequency of the sensor itself can be lowered, measurement in the low frequency region becomes possible. Here, in order to reduce the natural frequency of the sensor, as can be seen from
Therefore, in this example, by incorporating a servo mechanism into the conventional Seismo type sensor and feeding back the state quantity of the sensor, the spring element, damping element, and mass element of the sensor are actively controlled, and they are unique without structural deterioration. Reduce the frequency and adjust the damping ratio.
その本例の絶対変位・速度信号センサの原理を図1に示す。本センサ10は測定面に取り付ける筐体1に質量mの重り2が内装されている。測定面の変位はu、重りの変位をxとする。この重りはばね定数kの支持ばね3と減衰係数cのダンパ4によって筐体1内で支持される。安定に支持するために一対のばねとダンパによって重り2を挟み込むように支持することが望ましい。この重り2の相対速度は永久磁石で作られた磁気回路とその内部に納められたムービングコイル21よりなる相対速度センサ5によって検出する。重り2をアクティブに駆動するアクチュエータ6の構造も速度センサと同一構造にすることが望ましい。そのことによって重り2を挟む対称構造が形成され、重り2を安定して一方向に動かすことができる。相対速度センサ5によって検出された相対速度信号v(v=du/dt−dx/dt)は増幅器Kaによって電圧の速度信号eVに変換され、微分回路7を通って絶対加速度信号eAが作られる。また積分回路8を通って相対変位信号eDを得る。RA、CA、RD、CDは微分回路7と積分回路8の時定数TA=RACA、TD=RDCDを定める抵抗とコンデンサである。このコントローラ内では、速度信号に速度ゲイン定数KVを乗じ、相対加速度信号に加速度ゲイン定数KAを乗じ、相対変位信号に変位ゲイン定数KDを乗じて、それらを加算して制御信号eCを作り、力係数Kfを有するアクチュエータ6を駆動する。
The principle of the absolute displacement / speed signal sensor of this example is shown in FIG. In this
相対加速度をネガティブフィードバックし、相対速度と相対変位をポジティブフィードバックした時の測定面変位uに対する変位信号eDの伝達関数は、数式2で表される。
The relative acceleration is negative feedback, the transfer function of the displacement signal e D the relative velocity and relative displacement with respect to the measurement surface displacement u when the positive feedback is expressed by
また、速度信号eVの伝達関数は、数式3で表される。
Further, the transfer function of the speed signal e V is represented by
数式2より、固有振動数ωn、減衰比ζを求めると以下の数式4及び数式5のようになる。
When the natural frequency ωn and the damping ratio ζ are obtained from
図2は、相対変位フィードバックの効果を示す周波数応答図である。相対変位のポジティブフィードバックを行うことによって、固有振動数が小さくなっている。逆に、KDが負となるネガティブフィードバックをおこなうと固有振動数は大きくなる。絶対変位センサとして使用できる範囲はゲインが0dB、つまりu=eDであるから、eDを測定すれば測定面の絶対変位uが測定できたことになる。ゲインが0dBの範囲が絶対変位センサとしての使用範囲であるから、相対変位のポジティブフィードバックによって、測定範囲が低周波に広げられたことになる。このことを別な観点から見れば、重りに動的な不動な状態を作りだすことによって、重りから測定面の変位を観測しているので、あたかも重りが地球を回る衛星から地上の動きを観察するGPSの役割をしている。 FIG. 2 is a frequency response diagram showing the effect of relative displacement feedback. By performing positive feedback of relative displacement, the natural frequency is reduced. Conversely, when the negative feedback K D of a negative natural frequency increases. The range that can be used as the absolute displacement sensor is that the gain is 0 dB, that is, u = e D. Therefore, if e D is measured, the absolute displacement u of the measurement surface can be measured. Since the range where the gain is 0 dB is the use range as the absolute displacement sensor, the measurement range is expanded to a low frequency by the positive feedback of the relative displacement. From another point of view, by observing the displacement of the measurement surface from the weight by creating a dynamic immovable state on the weight, observe the movement of the ground from the satellite around which the weight travels around the earth. It plays the role of GPS.
相対加速度のネガティブフィードバックをすることによって固有振動数を低下することができたが、このフィードバックには別の効果がある。測定面の変位uと相対加速度フィードバックをかけたときの相対変位u−xとの振幅比は数式6で表される。
Although the natural frequency could be reduced by negative feedback of relative acceleration, this feedback has another effect. The amplitude ratio between the displacement u of the measurement surface and the relative displacement ux when the relative acceleration feedback is applied is expressed by
斯かる振幅比は数式6で表されるようになるので、相対加速度をネガティブフィードバックすれば測定可能振幅を広げることが可能になる。図3は相対加速度フィードバックの効果を示す周波数応答でもある。相対加速度のネガティブフィードバックによって、固有振動数は低下し、ゲインも低下している。このゲインの低下の意味は、数式6で表されるように、相対加速度のネガティブフィードバックゲインを大きくするに伴い分母が大きくなるので、小さな相対変位で大きな測定面変位が測定できることになる。
Since such an amplitude ratio is expressed by
1 筐体
2 重り
3 支持ばね
4 ダンパ
5 相対速度センサ
6 アクチュエータ
7、34 微分回路
8 積分回路
10 絶対速度・絶対変位センサ
21 ムービングコイル
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