JP5303052B1 - センサ受波感度測定方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサのセンサ受波感度を高精度で測定することを目的とする。
【解決手段】信号生成器１０は、所定の周波数成分を有する加振信号を生成して増幅器１２に出力する。増幅器１２は、加振信号を増幅して加振器１４に出力する。加振器１４が備えるアクチュエータ１６は、増幅器１２から出力された加振信号に応じて機械振動を発生する。圧力センサ２０はセンサ台２２に載せられる。加重変換器１８は圧力センサ２０とアクチュエータ１６との間に挟まれる。解析器２４は、加重変換器１８の電気定数を取得し、圧力センサ２０に与えられた力を求める。また、解析器２４は、圧力センサ２０から出力された電圧を取得する。そして、圧力センサ２０に与えられた力、圧力センサ２０から出力された電圧、および、加重変換器１８と圧力センサ２０との接触面積に基づいてセンサ受波感度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ受波感度測定方法およびシステムに関し、圧力センサに与えられた音圧の大きさと、圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する方法およびシステムに関する。

船舶、魚群探知機等に搭載され、水中の障害物、生物等の物標を探索するソナーが広く用いられている。ソナーは、音波を水中に送信し、物標で反射した音波を受信する。そして、受信された音波の解析に基づいて、物標までの距離や方位測定、物標の画像データの生成を行う。あるいは、ソナーは、音波を送信せず、物標から放射された音波を受信し、物標の方位測定や、物標の画像データの生成を行う。

音波を送受信するデバイスとしては、電気信号を音波に変換する送波器、音波を電気信号に変換する受波器としてのトランスデューサが用いられる。送波器および受波器は互いに可逆性の性質をもつため、送波と受波を時間的に切り換えることで１個のトランスデューサで送受波が可能である。また、送波専用と受波専用の個別のトランスデューサが用いられることもある。

受信用のトランスデューサには、圧電材料を用いた圧力センサがある。圧電材料は、外力による変形に応じた電圧を出力し、印加された電圧に応じて変形する材料である。以下の特許文献１には、このような圧力センサが受波型圧電素子として記載されている。

特開平６−２６９０９１号公報

受信用のトランスデューサとして圧力センサを用いる場合、ソナーの設計には圧力センサのセンサ受波感度が必要となる。センサ受波感度は、圧力センサに与えられた音波の音圧に対する、圧力センサから出力される電圧の比として定義される。

センサ受波感度を測定する方法には、水中に配置された圧力センサの出力電圧を測定するものがある。すなわち、水で満たされた水槽中に音波発生器と音圧センサとを配置して、音圧が既知である音波を圧力センサに放射する。そして、圧力センサから出力された電圧を測定し、測定電圧を圧力センサに放射した音波の音圧で除すことでセンサ受波感度を求める。

しかし、このような方法では、圧力センサから出力される電圧には、音波発生器から発せられ、圧力センサで直接受信された音波に基づく電圧のみならず、音波発生器から発せられ、水槽の壁や水面で反射した後、圧力センサで受信された音波に基づく電圧が含まれることがある。これによって、所定の波長分の音波に基づく測定を行う場合には、波長の長い低周波については、水槽の大きさに依存して直接波と反射波との干渉により測定が困難となり、誤差が大きくなる。

本発明は、圧力センサのセンサ受波感度を高精度で測定することを目的とする。

本発明は、圧力センサに与えられた音圧の大きさと、当該圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する、センサ受波感度測定方法において、加振器によって振動を発生し、振動の大きさを検出する加重変換器に振動を与え、当該加重変換器を介して前記圧力センサに振動を与えるステップと、前記圧力センサによる検出値を示す情報、および前記加重変換器による検出値を示す情報を、解析器がセンサ受波感度測定用の情報として表示または記憶するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、圧力センサに与えられた音圧の大きさと、当該圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する、センサ受波感度測定システムにおいて、振動を発生する加振器と、前記加振器から発せられた振動を前記圧力センサに与えると共に、その振動の大きさを検出する加重変換器と、前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に基づいて、前記センサ受波感度を測定する解析器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るセンサ受波感度測定システムは、望ましくは、前記加重変換器による検出値は力の単位を有し、前記解析器は、前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値の他、前記加重変換器と前記圧力センサとの接触面積に基づいて、前記センサ受波感度を測定する。

また、本発明に係るセンサ受波感度測定システムは、前記加振器は、白色雑音の特性を有する振動を発生し、前記解析器は、前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に対する周波数解析を行う周波数解析部と、前記センサ受波感度の周波数特性を、前記周波数解析に基づいて測定する周波数特性測定部と、を備える。

本発明によれば、圧力センサのセンサ受波感度を高精度で測定することができる。

本発明に係るセンサ受波感度測定システムの構成を示す図である。 圧力センサの例を示す図である。 加重変換器の例を示す図である。 センサ受波感度の周波数特性を示す図である。 センサ受波感度の周波数特性を示す低周波数帯域の拡大図である。 圧力センサが筐体に収納された様子を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係るセンサ受波感度測定システムの構成が示されている。センサ受波感度測定システムは、圧力センサ２０に振動を与え、圧力センサ２０から出力される電圧に基づいてセンサ受波感度を測定するものである。測定対象の圧力センサ２０は、ソナーに用いられるものの他、一般の音響機器に用いられる圧力センサであってもよい。

信号生成器１０は、所定の周波数成分を有する加振信号を生成し、増幅器１２に出力する。加振信号は、例えば、白色雑音の特性を有する信号とする。このような白色雑音信号に応じた振動を圧力センサ２０に加え、圧力センサ２０の出力電圧につき後述の解析器２４で周波数解析を複数回に亘って行う。そして、複数回に亘って得られた周波数解析結果を加算平均することで、広い周波数範囲で信号成分を抽出することが可能となる。

増幅器１２は、加振信号を増幅し、加振器１４に出力する。加振器１４は、機械振動を発生するアクチュエータ１６を備える。アクチュエータ１６は、増幅器１２から出力された加振信号に応じて機械振動を発生する。

センサ受波感度を測定する際には、圧力センサ２０はセンサ台２２に載せられる。アクチュエータ１６および加重変換器１８は、アクチュエータ１６からの振動を効率良く加重変換器１８に伝達する構造を有する。そして、加重変換器１８および圧力センサ２０は、加重変換器１８から圧力センサ２０に伝達される振動についての伝達損失が極力小さくなる接触構造を有する。また、センサ台２２は、加重変換器１８の機械振動を圧力センサ２０に確実に伝達するため、剛性の材料で形成されることが好ましい。この状態をより具体的に説明するために、圧力センサ２０および加重変換器１８の例について説明する。

図２には、圧力センサ２０の例が示されている。この圧力センサ２０は、ハイドロホンとも称される。圧力センサ２０は、円筒形状の圧電材料２６、および、圧電材料２６を挟む２枚の円形の電極２８Ａおよび２８Ｂ、ならびに、電極２８Ａおよび２８Ｂからそれぞれ引き出された導線３０Ａおよび３０Ｂを備える。圧力センサ２０の導線３０Ａおよび３０Ｂは解析器２４に接続される。与えられた振動により圧電材料２６が変形することで、一対の導線３０Ａおよび３０Ｂからは、与えられた振動に応じた電圧が出力される。このような圧力センサ２０の他、電極を介在させて複数の圧電材料２６を積み重ねた圧力センサ等、その他の一般の圧力センサをセンサ受波感度の測定対象とすることができる。

圧力センサ２０は、電極２８Ｂを底面としてセンサ台２２に載せられる。電極２８Ａには、加重変換器１８から振動が与えられる。電極２８Ａに与えられた振動によって、圧力センサ２０は、導線３０Ａおよび３０Ｂから振動に応じた電圧を出力する。

図３には、加重変換器１８の例が示されている。この加重変換器１８はロードセルとも称される。変換器底面３６が固定されている状態において、加重突起部３２に対して図３の下方向に力が加えられると、加えられた力に応じて導線３４Ａおよび３４Ｂの電気的状態が変化する。例えば、加重変換器１８が圧電型である場合には、加えられた力に応じた電圧が導線３４Ａおよび３４Ｂから出力される。また、加重変換器１８が歪みゲージ型である場合には、加えられた力に応じて導線３４Ａおよび３４Ｂの間の静電容量、電気抵抗、インダクタンス等の電気定数が変化する。導線３４Ａおよび３４Ｂが接続された計測器は、導線３４Ａおよび３４Ｂの電気的状態に基づいて、加重変換器１８に加えられた力を計測する。計測器で計測される力の単位は、ニュートン（Ｎ）、ｋｇ重（ｋｇｆ）等である。

加重変換器１８は、電極２８Ａに変換器底面３６が接触し、アクチュエータ１６に加重突起部３２が接触するようアクチュエータ１６と圧力センサ２０との間に挟まれる。加重変換器１８の導線３４Ａおよび３４Ｂは、計測器としての解析器２４に接続される。

このように、圧力センサ２０および加重変換器１８が配置されることで、アクチュエータ１６から加重変換器１８を介して圧力センサ２０に振動が与えられる。それと共に、加重変換器１８の導線３４Ａおよび３４Ｂの間の電気定数と、圧力センサ２０から出力される電圧が解析器２４に取得される。

次に、センサ受波感度を測定する処理について説明する。初めに、図１に示されるように圧力センサ２０および加重変換器１８が配置された状態において、加振器１４のアクチュエータ１６を加振信号に応じて振動させ、圧力センサ２０に振動を与える。

解析器２４は、加重変換器１８の電気定数を取得し、圧力センサ２０に与えられた力Ｆを求める。そして、力Ｆを高速フーリエ変換処理によって周波数領域の値Ｆ（ｆ）に変換する。また、解析器２４は、圧力センサ２０から出力された電圧Ｖを取得する。そして、電圧Ｖを高速フーリエ変換処理によって周波数領域の値Ｖ（ｆ）に変換する。力Ｆ（ｆ）および電圧Ｖ（ｆ）は、周波数ｆについての関数である。解析器２４は、次の（数１）に基づいてセンサ受波感度Ｍ（ｆ）を求める。

（数１）Ｍ（ｆ）＝Ｖ（ｆ）・Ｓ／Ｆ（ｆ）

ここで、Ｓは、加重変換器１８と圧力センサ２０との接触面積であり、変換器底面３６と電極２８Ａとが接触している面積である。また、以下の説明では、周波数領域表現の値については「（ｆ）」の記号を付し、この記号が付されていない時間領域表現の値と区別する。

図４には、センサ受波感度の周波数特性が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸はセンサ受波感度を示す。ここでは、センサ受波感度は、１μＰａの音圧に対し、１Ｖの電圧が出力されるときを０としたデシベル値（ｄＢ・Ｖ／μＰａ）で表されている。すなわち、図４のセンサ受波感度は、電圧Ｖ（ｆ）の単位をボルトＶ、力Ｆ（ｆ）の単位をニュートンＮ、接触面積Ｓの単位を平方メートルｍ^２とした場合には、２０ｌｏｇ［Ｍ（ｆ）×１０^−６］で表される。図５は、０〜４０Ｈｚの低周波数帯域を拡大して示したものである。解析器２４は、求められたセンサ受波感度をディスプレイに表示してもよいし、メモリに記憶してもよい。センサ受波感度の周波数特性は、例えば、周波数の違いによるセンサ受波感度のばらつきに対する校正に用いられる。すなわち、圧力センサ２０のユーザは、センサ受波感度の周波数特性を圧力センサ２０の校正データとして用いてもよい。

解析器２４は、力Ｆ（ｆ）および電圧Ｖ（ｆ）の各値をディスプレイに表示してもよい。この場合、測定者は、ディスプレイの表示に基づいて（数１）に従ってセンサ受波感度Ｍ（ｆ）を求める作業を実施してもよい。また、解析器２４は、力Ｆ（ｆ）および電圧Ｖ（ｆ）を示す情報を自らのメモリに記憶してもよい。そして、メモリに記憶された情報を用いて、外部のコンピュータがセンサ受波感度Ｍ（ｆ）を求める処理を実行してもよい。

なお、（数１）は次のようにして求められる。まず、圧力センサ２０に与えられる圧力Ｐは、圧力センサ２０に与えられた力Ｆを接触面積Ｓで除すことで求められる。したがって、圧力Ｐは、次の（数２）で表される。

（数２）Ｐ＝Ｆ／Ｓ

そして、センサ受波感度Ｍは、圧力センサ２０から出力された電圧Ｖを圧力Ｐで除すことで求められる。したがって、センサ受波感度Ｍは、次の（数３）で表される。

（数３）Ｍ＝Ｖ／Ｐ

（数２）を（数３）に代入して圧力Ｐを消去することで、次の（数４）に示される時間領域のセンサ受波感度Ｍが求められる。（数４）を周波数領域の値に変換したものが（数１）である。

（数４）Ｍ＝Ｖ・Ｓ／Ｆ

上記では、加振信号を所定の周波数成分を有する信号とし、力Ｆおよび電圧Ｖに対して周波数解析を行い、（数１）を用いてセンサ受波感度を求める処理について説明した。このような処理の他、加振信号を単一周波数の連続波形の信号、すなわち、正弦波信号とした処理を実行してもよい。この場合、正弦波信号の１つの周波数に対して力Ｆおよび電圧Ｖが求められ、（数４）に基づいてその周波数に対するセンサ受波感度Ｍが求められる。加振信号としての正弦波信号の周波数を走査しながらセンサ受波感度Ｍを求めることで、図４および図５に示される周波数特性と同様の周波数特性が得られる。

各周波数についてセンサ受波感度Ｍを求める処理は、解析器２４の演算によって実行してもよい。また、解析器２４が、力Ｆおよび電圧Ｖの各値をディスプレイに表示するものとし、測定者が（数４）に従い、各周波数についてセンサ受波感度Ｍを求めることとしてもよい。さらに、解析器２４は、力Ｆおよび電圧Ｖを示す情報を自らのメモリに記憶してもよい。そして、メモリに記憶された情報を用いて、外部のコンピュータがセンサ受波感度Ｍを求める処理を実行してもよい。

本発明に係るセンサ受波感度測定システムおよび測定方法によれば、加振器１４から加重変換器１８を介して圧力センサ２０に直接与えられた振動に基づいてセンサ受波感度が求められるため、測定精度が向上する。

上記では、図２に示されるように、圧電材料２６、電極２８Ａおよび２８Ｂによって形成される圧力センサ２０が円筒形状であり、その電極２８Ａを変換器底面３６に接触させる例について説明したが、測定対象の圧力センサ２０の形状は円筒形状に限られない。すなわち、圧力センサ２０は、加重変換器１８とセンサ台２２との間に配置され、加重変換器１８と所定の接触面積で接触させることが可能な形状を有していればよい。圧力センサ２０は、加重変換器１８と接触させるための平面、および、センサ台２２に配置するための平面を有するものである場合には測定が容易である。そのため、圧力センサ２０をセンサ受波感度測定用に形成された筐体（上記２つの平面を有する測定用筐体）に収納し、センサ台２２と加重変換器１８との間に配置してもよい。

また、加重変換器１８の形状は、図３に示されるものに限られない。すなわち、加重変換器１８は、アクチュエータ１６と圧力センサ２０との間に配置され、圧力センサ２０と所定の接触面積で接触させることが可能な形状を有していればよい。好ましくは、加重変換器１８は、圧力センサ２０または測定用筐体と接触させるための平面を有するものとする。

以上の手順で圧力センサ２０のセンサ受波感度を測定した後、図６に示されるように、海水中や他の媒質中で使用するために、圧力センサ２０は、音響的に減衰の少ないゴム材やプラスチック樹脂等によって形成された筐体３８に収納される。筐体３８は、例えば、圧力センサ２０をプラスチック樹脂等でモールドして密封したものとする。図６に示される例では、筐体３８は、変換器底面３６に接するセンサ上面４０およびセンサ台２２に接するセンサ底面４２を有する。なお、筐体３８が、加重変換器１８からの振動を低損失で圧電材料２６に伝達する構造を有している場合には、圧電センサ２０を筐体３８に収納した後において、上記の方法でセンサ受波感度を測定してもよい。

１０ 信号生成器、１２ 増幅器、１４ 加振器、１６ アクチュエータ、１８ 加重変換器、２０ 圧力センサ、２２ センサ台、２４ 解析器、２６ 圧電材料、２８Ａ，２８Ｂ 電極、３０Ａ，３０Ｂ，３４Ａ，３４Ｂ 導線、３２ 加重突起部、３６ 変換器底面、３８ 筐体、４０ センサ上面、４２ センサ底面。

Claims (4)

1. 圧力センサに与えられた音圧の大きさと、当該圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する、センサ受波感度測定方法において、
   加振器によって振動を発生し、振動の大きさを検出する加重変換器に振動を与え、当該加重変換器を介して前記圧力センサに振動を与えるステップと、
   前記圧力センサによる検出値を示す情報、および前記加重変換器による検出値を示す情報を、解析器がセンサ受波感度測定用の情報として表示または記憶するステップと、
   を含むことを特徴とするセンサ受波感度測定方法。
2. 圧力センサに与えられた音圧の大きさと、当該圧力センサによる検出値との関係を示すセンサ受波感度を測定する、センサ受波感度測定システムにおいて、
   振動を発生する加振器と、
   前記加振器から発せられた振動を前記圧力センサに与えると共に、その振動の大きさを検出する加重変換器と、
   前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に基づいて、前記センサ受波感度を測定する解析器と、
   を備えることを特徴とするセンサ受波感度測定システム。
3. 請求項２に記載のセンサ受波感度測定システムにおいて、
   前記加重変換器による検出値は力の単位を有し、
   前記解析器は、
   前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値の他、前記加重変換器と前記圧力センサとの接触面積に基づいて、前記センサ受波感度を測定することを特徴とするセンサ受波感度測定システム。
4. 請求項２または請求項３に記載のセンサ受波感度測定システムにおいて、
   前記加振器は、
   白色雑音の特性を有する振動を発生し、
   前記解析器は、
   前記圧力センサによる検出値、および前記加重変換器による検出値に対する周波数解析を行う周波数解析部と、
   前記センサ受波感度の周波数特性を、前記周波数解析に基づいて測定する周波数特性測定部と、
   を備えることを特徴とするセンサ受波感度測定システム。

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