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JP2013032929A - Vibration detection method - Google Patents

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JP2013032929A
JP2013032929A JP2011168143A JP2011168143A JP2013032929A JP 2013032929 A JP2013032929 A JP 2013032929A JP 2011168143 A JP2011168143 A JP 2011168143A JP 2011168143 A JP2011168143 A JP 2011168143A JP 2013032929 A JP2013032929 A JP 2013032929A
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JP
Japan
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vibration
batteryless
vibration sensor
detection method
reflected wave
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2011168143A
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Japanese (ja)
Inventor
Junichi Hayasaka
淳一 早坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokin Corp
Original Assignee
NEC Tokin Corp
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Publication date
Application filed by NEC Tokin Corp filed Critical NEC Tokin Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration detection method which is less likely to generate erroneous determination, even when electromagnetic noise of which frequency or time variation is similar to a reflected wave from a battery-less vibration sensor, modulated by a vibration signal, is mixed.SOLUTION: The vibration detection method uses a battery-less vibration sensor having a single port surface acoustic wave resonator and an interrogator, and detects a vibration phenomenon, on the basis of change generated at a reflected wave from the battery-less vibration sensor, according to mechanical vibration applied to the battery-less vibration sensor. A correlation coefficient, between a second data stream obtained by performing IFFT operation on an absolute value of a first data stream obtained by FFT operation of the reflected wave, and a beforehand stored reference data stream to be a standard for the vibration to be detected, is obtained, and the correlation coefficient is compared to a predetermined threshold value of the correlation coefficient, to determine presence or absence of the vibration to be detected.

Description

本発明は、シングルポート表面弾性波共振子を備えたバッテリーレス振動センサを利用して、対象物の振動を検知する振動検知方法に関し、特に物体の破壊現象に伴う数十kHz〜数百kHz帯のAE(Acoustic Emission)波を検出する振動検知方法に関する。   The present invention relates to a vibration detection method for detecting vibration of an object using a batteryless vibration sensor including a single-port surface acoustic wave resonator, and more particularly to a band of several tens to several hundreds of kHz accompanying an object destruction phenomenon. The present invention relates to a vibration detection method for detecting AE (Acoustic Emission) waves.

振動センサは、建造物の耐震診断や防犯セキュリティ用のガラス破壊検知装置、或いは設備や工作機械の異常振動検知に利用されている。   The vibration sensor is used for a seismic diagnosis of a building, a glass breakage detection device for crime prevention security, or an abnormal vibration detection of equipment or a machine tool.

従来、ガラス等の破壊現象において生じるAE波の振動のように瞬時的な振動を検出可能な振動検知システムおよび振動センサが特許文献1に記載されている。特許文献1に記載の振動検知方法は、シングルポート表面弾性波共振子を備えたバッテリーレス振動センサにより、対象物の破壊や変形に伴って発生するAE波を検知する振動検知方法である。この振動検知方法は、RFID(Radio Frequency IDentification)技術を応用している。質問器から搬送波を送出して、対象物に取り付けた振動センサのシングルポート表面弾性波共振子からの反射波の変化を監視し、対象物の振動現象に伴って反射波に生じる変化に基づいて対象物の振動現象を検知する方法である。この方式の振動検知方法は、振動センサの部分に電源や信号処理回路が不要であるので、振動センサの小型化、低背化に好適である。   Conventionally, Patent Document 1 discloses a vibration detection system and a vibration sensor that can detect instantaneous vibration such as vibration of an AE wave generated in a breaking phenomenon of glass or the like. The vibration detection method described in Patent Document 1 is a vibration detection method in which an AE wave generated due to destruction or deformation of an object is detected by a batteryless vibration sensor including a single-port surface acoustic wave resonator. This vibration detection method applies RFID (Radio Frequency IDentification) technology. A carrier wave is sent from the interrogator and the change of the reflected wave from the single-port surface acoustic wave resonator of the vibration sensor attached to the object is monitored. Based on the change that occurs in the reflected wave due to the vibration phenomenon of the object This is a method for detecting a vibration phenomenon of an object. This type of vibration detection method does not require a power source or a signal processing circuit in the vibration sensor portion, and thus is suitable for reducing the size and height of the vibration sensor.

特許第4345984号公報Japanese Patent No. 4345984

しかしながら、従来技術では、検知対象である振動現象の周波数や時間変化と類似した電磁ノイズが混入した場合、それらを弁別することが困難である。例えば、特許文献1の振動検知方法は、質問器から送出される搬送波に対して、振動信号によって変調された反射波を監視し、その反射波の特定周波数における強度と時間変化量から、対象となる振動事象の有無を判定する方法であるので、搬送波と同一の周波数帯に存在する無線機器や電子機器より発せられる電磁ノイズがアンテナを経由して質問器に混信すると誤判定を生じやすいという課題がある。特に、振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合が問題となる。   However, in the prior art, when electromagnetic noise similar to the frequency or time change of the vibration phenomenon to be detected is mixed, it is difficult to distinguish them. For example, in the vibration detection method of Patent Document 1, a reflected wave modulated by a vibration signal is monitored with respect to a carrier wave transmitted from an interrogator. Because it is a method for determining the presence or absence of vibration events, there is a problem that erroneous determination is likely to occur if electromagnetic noise emitted from radio equipment or electronic equipment existing in the same frequency band as the carrier wave interferes with the interrogator via the antenna There is. In particular, a problem arises when electromagnetic waves having a frequency and time change similar to those of a reflected wave from a batteryless vibration sensor modulated by a vibration signal are mixed.

そこで、本発明の目的は、振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合にも、誤判定を生じにくい振動検知方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibration detection method that is less prone to erroneous determination even when a reflected wave from a batteryless vibration sensor modulated by a vibration signal is mixed with electromagnetic noise whose frequency and time change are similar. There is.

上記の課題を解決するために、本発明による振動検知方法は、バッテリーレス振動センサと、質問器とを使用し、前記バッテリーレス振動センサは、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極とを有するシングルポート表面弾性波共振子と、前記圧電体基板を支持する支持基板とを備え、前記圧電体基板は片持ち梁状に前記支持基板に支持されて片持ち梁振動子を構成し、前記片持ち梁振動子の品質係数Q値は50〜3,000であり、前記バッテリーレス振動センサを対象物に取付け、前記質問器は、前記バッテリーレス振動センサに対して連続送信波を送出する一方で、前記バッテリーレス振動センサの前記シングルポート表面弾性波共振子からの反射波を監視し、前記対象物の振動現象に伴って前記バッテリーレス振動センサに与えられる機械振動に応じて前記反射波に生じる変化に基づいて前記振動現象を検知する振動検知方法であって、前記反射波のFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)演算により算出される第一のデータ列の絶対値をIFFT(Inverse Fast Fourier Transform:逆高速フーリエ変換)演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている検知すべき振動の基準となる基準データ列との間の相関係数を求め、前記相関係数を予め定めた相関係数の閾値と比較することにより、検知すべき振動の有無を判定することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a vibration detection method according to the present invention uses a batteryless vibration sensor and an interrogator, and the batteryless vibration sensor is formed on the piezoelectric substrate and the piezoelectric substrate. A single-port surface acoustic wave resonator having a comb-like electrode; and a support substrate that supports the piezoelectric substrate, the piezoelectric substrate being supported by the support substrate in a cantilever shape. The quality factor Q value of the cantilever vibrator is 50 to 3,000, the batteryless vibration sensor is attached to an object, and the interrogator continuously transmits to the batteryless vibration sensor. While transmitting a wave, the reflected wave from the single-port surface acoustic wave resonator of the batteryless vibration sensor is monitored, and the batteryless vibration sensor is detected along with the vibration phenomenon of the object. A vibration detection method for detecting the vibration phenomenon based on a change generated in the reflected wave according to a mechanical vibration applied to the first wave, and is calculated by an FFT (Fast Fourier Transform) operation of the reflected wave. A second data string obtained by calculating an absolute value of one data string by IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), and a reference data string that is stored in advance and serves as a reference for vibration to be detected A correlation coefficient is obtained, and the presence or absence of vibration to be detected is determined by comparing the correlation coefficient with a predetermined correlation coefficient threshold value.

上記のように、本発明の振動検知方法に用いるバッテリーレス振動センサの基本的構造は、特許文献1に記載の従来のバッテリーレス振動センサと同様であるが、本発明では、圧電体基板による片持ち梁振動子の品質係数Q値を、実用的な感度が得られるように50以上とし、かつ、製造上の再現性を得やすいように3,000以下としている。さらに、本発明では、従来のように、シングルポート表面弾性波共振子からの反射波の波形から直接的に振動を検知して判断するのではなく、検出波形の演算処理を行った後、基準波形との相関を取ることによって判断を行っている。すなわち、反射波のFFT演算により算出される第一のデータ列の絶対値をIFFT演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている基準データ列との間の相関係数を求め、その相関係数と予め定めた閾値とを比較することにより振動の有無を判定している。   As described above, the basic structure of the batteryless vibration sensor used in the vibration detection method of the present invention is the same as that of the conventional batteryless vibration sensor described in Patent Document 1, but in the present invention, a piece by a piezoelectric substrate is used. The quality factor Q value of the cantilever vibrator is set to 50 or more so that practical sensitivity can be obtained, and is set to 3,000 or less so that reproducibility in manufacturing can be easily obtained. Furthermore, in the present invention, as in the prior art, instead of directly detecting vibration from the waveform of the reflected wave from the single-port surface acoustic wave resonator and determining it, the reference waveform is processed after calculation processing. Judgment is made by correlating with the waveform. That is, the correlation coefficient between the second data string obtained by IFFT calculation of the absolute value of the first data string calculated by the FFT calculation of the reflected wave and the pre-stored reference data string is obtained. The presence or absence of vibration is determined by comparing the correlation coefficient with a predetermined threshold value.

上記のようなFFTとIFFTの演算処理を行うことにより、質問器に入力された反射波の波形の特徴が明確に抽出されるので、それを検知すべき振動の基準波形と比較することにより、検出された信号が検知すべき振動による反射波であるか、電磁ノイズであるかを弁別することができる。   By performing the above FFT and IFFT processing, the characteristic of the waveform of the reflected wave input to the interrogator is clearly extracted. By comparing it with the reference waveform of the vibration to be detected, It is possible to discriminate whether the detected signal is a reflected wave due to vibration to be detected or electromagnetic noise.

以上のように、本発明により、振動信号により変調されたバッテリーレス振動センサからの反射波と周波数や時間変化が類似した電磁ノイズが混入した場合にも、誤判定を生じにくい振動検知方法が得られる。   As described above, the present invention provides a vibration detection method that is unlikely to cause erroneous determination even when electromagnetic noise having a frequency and time change similar to a reflected wave from a batteryless vibration sensor modulated by a vibration signal is mixed. It is done.

本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサの構造を模式的に示す斜視図。The perspective view which shows typically the structure of the battery-less vibration sensor used for one Embodiment of the vibration detection method by this invention. 本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサと質問器とから成る振動検知システムのシステム構成図。The system block diagram of the vibration detection system which consists of a battery-less vibration sensor and interrogator used for one Embodiment of the vibration detection method by this invention. 本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いる質問器のブロック構成図。The block block diagram of the interrogator used for one Embodiment of the vibration detection method by this invention. 本発明による振動検知方法の一実施の形態における信号処理のフローチャート図。The flowchart figure of the signal processing in one Embodiment of the vibration detection method by this invention. 検知対象となる振動の振動波形の一例を示す図であり、ガラスを割ったときに生成する破壊振動による破壊信号を示す図。It is a figure which shows an example of the vibration waveform of the vibration used as detection object, and is a figure which shows the destruction signal by the destruction vibration produced | generated when glass is broken. 妨害波が存在する場合の質問器のバンドパスフィルタからの出力信号、すなわち時間応答波形の一例を示す図。The figure which shows an example of the output signal from the band pass filter of an interrogator when an interference wave exists, ie, a time response waveform. 質問器のバンドパスフィルタからの出力信号をFFT演算処理した第一のデータ列の一例を示す図。The figure which shows an example of the 1st data sequence which performed the FFT calculation process of the output signal from the band pass filter of an interrogator. 第二のデータ列の一例を示す図。The figure which shows an example of a 2nd data sequence. 基準データ列と第二のデータ列との間の相関関係の一例を示す図。The figure which shows an example of the correlation between a reference | standard data string and a 2nd data string.

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサの構造を模式的に示す斜視図である。図1において、バッテリーレス振動センサ1は、圧電体基板4と圧電体基板4上に形成された櫛歯電極3とを有するシングルポート表面弾性波共振子と、圧電体基板4を支持する支持基板5とを備え、圧電体基板4は片持ち梁状に支持基板5に支持されて片持ち梁振動子を構成し、前記片持ち梁振動子の品質係数Q値は50〜3,000となっている。また、バッテリーレス振動センサ1は、櫛歯電極3と接続されたアンテナ2を備えている。バッテリーレス振動センサ1において、外部より圧電体基板4に振動が加わると圧電体基板4に歪が生じ、櫛歯電極3を構成する電極指間の距離と圧電体基板4を伝搬する弾性波の速度が変化し、その結果、シングルポート表面弾性波共振子のインピーダンスが変化する。ここで、圧電体基板4が支持基板5に支持されて構成された片持ち梁振動子の共振周波数は、検知対象である対象物の機械振動における特徴的な周波数帯に属するように設計されている。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a batteryless vibration sensor used in an embodiment of a vibration detection method according to the present invention. In FIG. 1, a batteryless vibration sensor 1 includes a single-port surface acoustic wave resonator having a piezoelectric substrate 4 and comb-shaped electrodes 3 formed on the piezoelectric substrate 4, and a support substrate that supports the piezoelectric substrate 4. The piezoelectric substrate 4 is supported by the support substrate 5 in a cantilever shape to form a cantilever vibrator, and the quality factor Q value of the cantilever vibrator is 50 to 3,000. ing. Further, the batteryless vibration sensor 1 includes an antenna 2 connected to a comb electrode 3. In the batteryless vibration sensor 1, when vibration is applied to the piezoelectric substrate 4 from the outside, the piezoelectric substrate 4 is distorted, and the distance between the electrode fingers constituting the comb electrode 3 and the elastic wave propagating through the piezoelectric substrate 4 are generated. The speed changes, and as a result, the impedance of the single-port surface acoustic wave resonator changes. Here, the resonance frequency of the cantilever vibrator configured by supporting the piezoelectric substrate 4 on the support substrate 5 is designed to belong to a characteristic frequency band in the mechanical vibration of the object to be detected. Yes.

図2は、本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いるバッテリーレス振動センサと質問器とから成る振動検知システムのシステム構成図である。図2において、バッテリーレス振動センサ11としては、例えば図1に示したバッテリーレス振動センサ1を用いることができる。バッテリーレス振動センサ11を対象物に取付け、質問器12は、バッテリーレス振動センサ11に対して連続送信波を送出する一方で、バッテリーレス振動センサ11のシングルポート表面弾性波共振子からの反射波を監視し、対象物の振動現象に伴ってバッテリーレス振動センサ11に与えられる機械振動に応じて反射波に生じる変化に基づいて対象物の振動現象を検知するものである。すなわち、バッテリーレス振動センサ11のアンテナは、質問器12より放射された送信波13を受信し、表面弾性波共振子のインピーダンス変化に応じた反射波14を放射する。このとき放射される反射波14は、外部振動によって送信波13の搬送波が変調された波形となる。なお、質問器12のアンテナには反射波14以外にも、電磁ノイズなどの妨害波15が入力する場合がある。   FIG. 2 is a system configuration diagram of a vibration detection system including a batteryless vibration sensor and an interrogator used in an embodiment of the vibration detection method according to the present invention. In FIG. 2, as the batteryless vibration sensor 11, for example, the batteryless vibration sensor 1 shown in FIG. 1 can be used. The batteryless vibration sensor 11 is attached to the object, and the interrogator 12 sends a continuous transmission wave to the batteryless vibration sensor 11, while the reflected wave from the single-port surface acoustic wave resonator of the batteryless vibration sensor 11. Is detected, and the vibration phenomenon of the object is detected based on the change generated in the reflected wave in accordance with the mechanical vibration given to the batteryless vibration sensor 11 in accordance with the vibration phenomenon of the object. That is, the antenna of the batteryless vibration sensor 11 receives the transmission wave 13 radiated from the interrogator 12 and radiates the reflected wave 14 corresponding to the impedance change of the surface acoustic wave resonator. The reflected wave 14 radiated at this time has a waveform in which the carrier wave of the transmission wave 13 is modulated by external vibration. In addition to the reflected wave 14, an interfering wave 15 such as electromagnetic noise may be input to the antenna of the interrogator 12.

図3は、本発明による振動検知方法の一実施の形態に用いる質問器のブロック構成図である。図3において、公知のPLL(Phase Locked Loop)等から構成される送信部24により送信周波数信号が生成され、分波器25にて2つに分波され、一方は送信信号としてパワーアンプ26へ送られ、他方は局部発信信号としてアッテネータ23を経由してミキサー21へ分配される。送信信号は、サーキュレータ27を経由してアンテナ28から所望の電力量で送信される。その送信波は、バッテリーレス振動センサに送られる。送信波に対するバッテリーレス振動センサからの微弱な反射波がアンテナ28から受信され、サーキュレータ27を経由してローノイズアンプ20により増幅される。その後、ミキサー21にてダウンコンバートされ、後段のバンドパスフィルタ22にて振動信号を有する出力信号が取り出される。出力信号は信号処理部29に入力され、以下の述べるような信号処理が行われる。   FIG. 3 is a block diagram of an interrogator used in one embodiment of the vibration detection method according to the present invention. In FIG. 3, a transmission frequency signal is generated by a transmission unit 24 composed of a known PLL (Phase Locked Loop), etc., and is demultiplexed into two by a demultiplexer 25, and one is transmitted to a power amplifier 26 as a transmission signal. The other is sent to the mixer 21 via the attenuator 23 as a local transmission signal. The transmission signal is transmitted from the antenna 28 via the circulator 27 with a desired amount of power. The transmitted wave is sent to the batteryless vibration sensor. A weak reflected wave from the batteryless vibration sensor with respect to the transmitted wave is received from the antenna 28 and amplified by the low noise amplifier 20 via the circulator 27. Thereafter, the signal is down-converted by the mixer 21, and an output signal having a vibration signal is taken out by the subsequent band-pass filter 22. The output signal is input to the signal processing unit 29, and signal processing as described below is performed.

図4は、本発明による振動検知方法の一実施の形態における信号処理のフローチャート図である。図4において、まず、図3の質問器のバンドパスフィルタ22を通過した出力信号から、その強度が予め設定されている閾値以上であり、且つ、その信号の継続時間が所定の時間以上である信号部分のデータ群を抽出する。次に、そのデータ群に対して所望のフレーム時間毎にFFT演算を実行し、第一のデータ列を作成する。その後、第一のデータ列の絶対値を算出し、IFFT演算を実行し、第二のデータ列を作成する。最後に、第二のデータ列と、検出すべき破壊によるAE波の標準的な振動波形として予め記憶されている基準データ列との比較を行い、それらのデータ列間の相関係数が予め定めた相関係数の閾値以上である場合に、破壊信号を検知したと判断し、検知結果を出力する。   FIG. 4 is a flowchart of signal processing in one embodiment of the vibration detection method according to the present invention. In FIG. 4, first, the intensity of the output signal that has passed through the bandpass filter 22 of the interrogator of FIG. 3 is not less than a preset threshold value, and the duration of the signal is not less than a predetermined time. A data group of the signal part is extracted. Next, an FFT operation is performed on the data group every desired frame time to create a first data string. After that, the absolute value of the first data string is calculated, the IFFT operation is executed, and the second data string is created. Finally, the second data string is compared with a reference data string stored in advance as a standard vibration waveform of the AE wave due to the destruction to be detected, and a correlation coefficient between these data strings is determined in advance. If the correlation coefficient is equal to or greater than the threshold value, it is determined that a destruction signal has been detected, and the detection result is output.

本発明においては、破壊信号を含んだ反射波が入力された時には、第二のデータ列と基準データ列との間で強い相関がみられ、電磁ノイズなどの妨害波が入力した時には基準データ列との相関がないので、バッテリーレス振動センサからの振動信号と周波数や時間変化の類似した妨害波を弁別することが可能となる。   In the present invention, when a reflected wave including a destruction signal is input, a strong correlation is observed between the second data sequence and the reference data sequence, and when an interference wave such as electromagnetic noise is input, the reference data sequence Therefore, it is possible to discriminate between a vibration signal from the batteryless vibration sensor and an interference wave having a similar frequency and time change.

以下、本発明による振動検知方法の一実施の形態の具体的な実施例について説明する。   Specific examples of one embodiment of the vibration detection method according to the present invention will be described below.

先ず、図1のバッテリーレス振動センサ1の実施例について説明する。圧電基板4としては、片持ち梁の張出し長さ2mm、幅1mm、厚み0.25mmの水晶STカット基板を用いる。このときの片持ち梁振動子の共振周波数は60kHzである。櫛歯電極3の電極指間隔は、シングルポート表面弾性波共振子の共振周波数が2.45GHz帯となるように0.35μmとする。また、櫛歯電極3は、外部振動に対して、圧電体基板4の歪が最大となる支持部の近傍に配置する。加えて、アンテナ2は、シングルポート表面弾性波共振子の共振周波数に合わせて、2.45GHz帯の半波長ダイポールアンテナとする。圧電基板4による片持ち梁振動子の品質係数Q値は、約100である。なお、この品質係数Q値は、圧電基板4と支持基板5との固定法等により、約50〜3,000の範囲で調整可能である。品質係数Q値が50以下では実用的な感度を得るのが困難であり、3,000以上では製造上、再現性を得るのが困難となる。   First, an embodiment of the batteryless vibration sensor 1 of FIG. 1 will be described. As the piezoelectric substrate 4, a quartz ST cut substrate having a cantilever extension length of 2 mm, a width of 1 mm, and a thickness of 0.25 mm is used. The resonant frequency of the cantilever vibrator at this time is 60 kHz. The electrode finger spacing of the comb electrode 3 is 0.35 μm so that the resonance frequency of the single-port surface acoustic wave resonator is in the 2.45 GHz band. Further, the comb electrode 3 is disposed in the vicinity of the support portion where the distortion of the piezoelectric substrate 4 is maximum with respect to external vibration. In addition, the antenna 2 is a 2.45 GHz band half-wave dipole antenna in accordance with the resonance frequency of the single-port surface acoustic wave resonator. The quality factor Q value of the cantilever vibrator by the piezoelectric substrate 4 is about 100. The quality factor Q value can be adjusted in the range of about 50 to 3,000 by the fixing method of the piezoelectric substrate 4 and the support substrate 5 or the like. When the quality factor Q value is 50 or less, it is difficult to obtain practical sensitivity, and when it is 3,000 or more, it is difficult to obtain reproducibility in production.

本実施例では、図2において、質問器12より放射される送信波13の周波数は2.45GHz帯であり、バッテリーレス振動センサからの反射波は、搬送波である周波数2.45GHzの信号が、片持ち梁振動子の共振周波数である60kHzで変調された信号となる。   In this embodiment, in FIG. 2, the frequency of the transmission wave 13 radiated from the interrogator 12 is in the 2.45 GHz band, and the reflected wave from the batteryless vibration sensor is a signal having a frequency of 2.45 GHz as a carrier wave. The signal is modulated at 60 kHz which is the resonance frequency of the cantilever beam vibrator.

また、本実施例では、図3において、バンドパスフィルタ22にて取り出される出力信号の中心周波数は、片持ち梁振動子の共振周波数である60kHzとなる。   In this embodiment, in FIG. 3, the center frequency of the output signal extracted by the bandpass filter 22 is 60 kHz, which is the resonance frequency of the cantilever vibrator.

図5は、検知対象となる振動の振動波形の一例を示す図であり、ガラスを割ったときに生成する破壊振動による破壊信号を示す図である。破壊事象が発生してから約0.5ミリ秒間に大きな振動振幅がみられる。破壊振動の継続時間は、破壊される対象物の種類や構造等により、約0.1ミリ秒から数十ミリ秒と幅がある。このような破壊振動による信号、すなわち破壊信号の時間変化は、無線機器から混入してくる電磁ノイズ、すなわち妨害波の時間間隔と類似しているので、継続時間により破壊信号と妨害波を弁別することは困難である。また、破壊信号のエネルギーは、本実施例の圧電体基板の共振周波数である60kHzを含む数十kHzから数百kHz帯に存在する。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a vibration waveform of a vibration to be detected, and is a diagram illustrating a break signal due to break vibration generated when the glass is broken. A large vibration amplitude is observed about 0.5 milliseconds after the destruction event occurs. The duration of fracture vibration varies from about 0.1 milliseconds to several tens of milliseconds depending on the type and structure of the object to be destroyed. A signal due to such a breakdown vibration, that is, the time change of the breakdown signal is similar to the electromagnetic noise mixed from the wireless device, that is, the time interval of the interference wave, so the breakdown signal and the interference wave are discriminated by the duration. It is difficult. Further, the energy of the breakdown signal exists in the tens to hundreds of kHz band including 60 kHz which is the resonance frequency of the piezoelectric substrate of the present embodiment.

図6は、妨害波が存在する場合の質問器のバンドパスフィルタからの出力信号、すなわち時間応答波形の一例を示す図である。図6のように、バッテリーレス振動センサからの反射波に含まれる破壊振動による振動信号の他に、無線機器から混入してくる妨害波が存在する。なお、図6において、振動信号は片持ち梁振動子によってその継続時間が拡大されている。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an output signal from the bandpass filter of the interrogator, that is, a time response waveform when an interference wave is present. As shown in FIG. 6, in addition to the vibration signal due to the destructive vibration included in the reflected wave from the batteryless vibration sensor, there is an interference wave mixed in from the wireless device. In FIG. 6, the duration time of the vibration signal is expanded by the cantilever vibrator.

図7は、質問器のバンドパスフィルタからの出力信号をFFT演算処理した第一のデータ列の一例を示す図である。振動信号(図7において信号1)は、60kHz付近に急峻な共振特性がみられる。一方、妨害波(図7においてノイズ1)には60kHz付近と120kHz付近に比較的高いピークがみられる。このため、周波数のフィルタリングによる振動信号と妨害波の弁別は困難である。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a first data string obtained by subjecting an output signal from the bandpass filter of the interrogator to an FFT calculation process. The vibration signal (signal 1 in FIG. 7) has a sharp resonance characteristic in the vicinity of 60 kHz. On the other hand, the interference wave (noise 1 in FIG. 7) has relatively high peaks around 60 kHz and around 120 kHz. For this reason, it is difficult to discriminate between a vibration signal and an interference wave by frequency filtering.

本実施例では、図4の信号処理フローチャートにおいて、先ず、質問器のバンドパスフィルタを通過した出力信号から、強度が予め設定されている閾値以上であり、且つ、その信号の継続時間が0.5ミリ秒以上であるデータ群を抽出する。次に、そのデータ群に対して、フレーム時間を0.1ミリ秒として、そのフレーム時間毎にFFT演算を実行し、第一のデータ列を作成する。その後、第一データ列の絶対値を算出し、IFFT演算を実行し、第二のデータ列を作成する。   In this embodiment, in the signal processing flowchart of FIG. 4, first, from the output signal that has passed through the bandpass filter of the interrogator, the intensity is equal to or greater than a preset threshold value, and the duration of the signal is 0. 0. A data group that is 5 milliseconds or more is extracted. Next, with respect to the data group, the frame time is set to 0.1 milliseconds, and an FFT operation is executed for each frame time to create a first data string. Thereafter, the absolute value of the first data string is calculated, the IFFT operation is executed, and the second data string is created.

図8は、第二のデータ列の一例を示す図である。図8において、破壊による振動信号の第二のデータ列(図8において信号1)は、不規則な妨害波の第二のデータ列(図8においてノイズ1)と比べると、特徴的な単調減衰曲線となっている。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the second data string. In FIG. 8, the second data string of the vibration signal due to the breakdown (signal 1 in FIG. 8) is characteristic monotonic attenuation compared to the second data string of the irregular disturbance wave (noise 1 in FIG. 8). It is a curve.

最後に、第二のデータ列と、破壊信号の基準データ列との比較を行い、相関係数が0.8以上である場合に、破壊信号を検知したと判断する。図9は、基準データ列と第二のデータ列との間の相関関係の一例を示す図である。基準データ列(図9において信号1)と破壊信号の第二のデータ列(図9において信号2)との間の相関係数は0.97である。一方、無線機器より混入する妨害波(図9においてノイズ1)は、基準データ列との間の相関係数は0.45である。したがって、破壊信号に対しては、基準データ列との間で強い相関がみられ、妨害波の相関係数は小さいので、質問器に入射する周波数や時間変化が破壊信号と類似した妨害波を弁別することが可能となり、誤判定を生じにくい振動検知方法が得られる。   Finally, the second data string is compared with the reference data string for the destruction signal, and when the correlation coefficient is 0.8 or more, it is determined that the destruction signal has been detected. FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the correlation between the reference data string and the second data string. The correlation coefficient between the reference data string (signal 1 in FIG. 9) and the second data string of the destruction signal (signal 2 in FIG. 9) is 0.97. On the other hand, the interference coefficient (noise 1 in FIG. 9) mixed from the wireless device has a correlation coefficient of 0.45 with the reference data string. Therefore, there is a strong correlation with the reference data sequence for the destruction signal, and the interference wave has a small correlation coefficient. It is possible to discriminate, and a vibration detection method that is less likely to cause erroneous determination is obtained.

本発明の振動検知方法は、建造物の耐震診断や防犯セキュリティ用のガラス破壊検知装置、或るいは設備や工作機械の異常振動検知に利用することができる。   The vibration detection method of the present invention can be used for seismic diagnosis of buildings, glass breakage detection devices for security, or for abnormal vibration detection of equipment and machine tools.

1、11 バッテリーレス振動センサ
2 アンテナ
3 櫛歯電極
4 圧電体基板
5 支持基板
12 質問器
13 送信波
14 反射波
15 妨害波
20 ローノイズアンプ
21 ミキサー
22 バンドパスフィルタ
23 アッテネータ
24 送信部
25 分波器
26 パワーアンプ
27 サーキュレータ
28 アンテナ
29 信号処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 11 Batteryless vibration sensor 2 Antenna 3 Comb electrode 4 Piezoelectric substrate 5 Support substrate 12 Interrogator 13 Transmission wave 14 Reflected wave 15 Interference wave 20 Low noise amplifier 21 Mixer 22 Band pass filter 23 Attenuator 24 Transmitter 25 Demultiplexer 26 Power amplifier 27 Circulator 28 Antenna 29 Signal processor

Claims (1)

バッテリーレス振動センサと、質問器とを使用し、前記バッテリーレス振動センサは、圧電体基板と前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極とを有するシングルポート表面弾性波共振子と、前記圧電体基板を支持する支持基板とを備え、前記圧電体基板は片持ち梁状に前記支持基板に支持されて片持ち梁振動子を構成し、前記片持ち梁振動子の品質係数Q値は50〜3,000であり、前記バッテリーレス振動センサを対象物に取付け、前記質問器は、前記バッテリーレス振動センサに対して連続送信波を送出する一方で、前記バッテリーレス振動センサの前記シングルポート表面弾性波共振子からの反射波を監視し、前記対象物の振動現象に伴って前記バッテリーレス振動センサに与えられる機械振動に応じて前記反射波に生じる変化に基づいて前記振動現象を検知する振動検知方法であって、前記反射波のFFT(高速フーリエ変換)演算により算出される第一のデータ列の絶対値をIFFT(逆高速フーリエ変換)演算して得られる第二のデータ列と、予め記憶されている検知すべき振動の基準となる基準データ列との間の相関係数を求め、前記相関係数を予め定めた相関係数の閾値と比較することにより、検知すべき振動の有無を判定することを特徴とする振動検知方法。   A batteryless vibration sensor and an interrogator are used, and the batteryless vibration sensor includes a piezoelectric substrate and a single-port surface acoustic wave resonator having a comb-shaped electrode formed on the piezoelectric substrate, and the piezoelectric A support substrate that supports the body substrate, the piezoelectric substrate is supported by the support substrate in a cantilever shape to form a cantilever resonator, and the quality factor Q value of the cantilever resonator is 50 The batteryless vibration sensor is attached to an object, and the interrogator sends a continuous transmission wave to the batteryless vibration sensor, while the single port surface of the batteryless vibration sensor The reflected wave from the acoustic wave resonator is monitored, and based on the change that occurs in the reflected wave according to the mechanical vibration applied to the batteryless vibration sensor in accordance with the vibration phenomenon of the object. In the vibration detection method for detecting the vibration phenomenon, the absolute value of the first data string calculated by the FFT (Fast Fourier Transform) calculation of the reflected wave is obtained by IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) calculation. Obtaining a correlation coefficient between the second data string and a reference data string that is stored in advance and serves as a reference for vibration to be detected, and comparing the correlation coefficient with a predetermined correlation coefficient threshold value; The vibration detection method characterized by determining the presence or absence of the vibration which should be detected by.
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