JP2012018045A

JP2012018045A - Sensor failure diagnosis device and sensor system

Info

Publication number: JP2012018045A
Application number: JP2010154807A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Furukawa; 洋之古川; Hajime Ora; 肇大浦; Makoto Shimamura; 誠島村; Osamu Suzuki; 修鈴木; Yosuke Masui; 洋介増井
Original assignee: Azbil Corp; East Japan Railway Co
Current assignee: Azbil Corp; East Japan Railway Co
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-26

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor failure diagnosis device that determines failure of an inclination sensor without requiring a worker to go to the sensor-installed site.SOLUTION: A sensor failure diagnosis device includes a determination part 32 that determines whether or not failure occurs to an inclination sensor 10 based on the ratio of an inclination angle output by the inclination sensor 10 to acceleration output by an acceleration sensor 20 diagnosed as normal operating by a self-diagnosis part 23.

Description

この発明は、センサの異常を診断するセンサ異常診断装置、及び自己診断用のセンサ異常診断機能を有するセンサシステムに関するものである。 The present invention relates to a sensor abnormality diagnosis device that diagnoses a sensor abnormality and a sensor system having a sensor abnormality diagnosis function for self-diagnosis.

従来、構造物にセンサを設置して微動観測を行い、構造物の安全性や健全性を診断している（例えば、特許文献１参照）。例えば橋梁の健全度を評価する場合、橋脚に加速度センサを設置して、列車、自動車の交通による振動、地震による振動、河川の水流による振動等に起因する橋脚の振動を観測すると共に、傾斜センサを設置してその傾斜を観測する。 Conventionally, a sensor is installed in a structure and fine movement observation is performed to diagnose the safety and soundness of the structure (see, for example, Patent Document 1). For example, when evaluating the soundness of a bridge, an acceleration sensor is installed on the pier, and the vibration of the pier caused by vibrations caused by trains, automobile traffic, earthquakes, rivers, etc. And observe the inclination.

構造物の健全性診断の前提としてセンサ類の計測値が正常であることを確認する必要がある。そこで、特許文献２では、振子の変位量を検出して加速度に換算する振子式の加速度センサについて、その自己診断方法が提案されている。この方法では、加速度センサが、振子に駆動力を与える自己診断用の駆動部を備え、この駆動部が振子に駆動力を与えてもその変位量が検出できないときに該センサが異常であると判定する。
これに対して傾斜センサは自己診断方法がなく、傾斜センサの計測値が正常であることの確認を行うためには、センサ設置現場で実際に傾けて診断を行う必要があった。 It is necessary to confirm that the measured values of the sensors are normal as a premise for soundness diagnosis of the structure. Therefore, Patent Document 2 proposes a self-diagnosis method for a pendulum type acceleration sensor that detects the amount of displacement of the pendulum and converts it into acceleration. In this method, the acceleration sensor includes a self-diagnosis driving unit that applies a driving force to the pendulum, and the sensor is abnormal when the displacement amount cannot be detected even when the driving unit applies the driving force to the pendulum. judge.
On the other hand, there is no self-diagnosis method for the tilt sensor, and in order to confirm that the measured value of the tilt sensor is normal, it is necessary to actually tilt and perform diagnosis at the sensor installation site.

特開２００２−２５７６７１号公報JP 2002-257671 A 特開２００５−３００２３１号公報JP-A-2005-300231

従来の傾斜センサの診断は作業者が現場で行う必要があるので、センサ点検から次の点検までの間に故障が発生して計測値に異常が生じても、計測値が固定値の場合にはその固定値がセンサ異常による異常値なのか、又は実際に構造物が傾斜している真値なのか判定することが難しく、センサ異常を検知することができないという課題があった。傾斜センサの異常を検知できなければ、実際に構造物が傾いて危険な状態となっていても、その危険を検出できなくなるおそれがある。 The conventional tilt sensor must be diagnosed on site by the operator, so if the measured value is a fixed value even if a failure occurs due to a failure between the sensor inspection and the next inspection, Has a problem that it is difficult to determine whether the fixed value is an abnormal value due to a sensor abnormality or a true value where the structure is actually tilted, and the sensor abnormality cannot be detected. If an abnormality of the tilt sensor cannot be detected, there is a risk that the danger cannot be detected even if the structure is actually tilted and is in a dangerous state.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、作業者がセンサ設置現場におもむかなくとも傾斜センサの異常を判定することを可能としたセンサ異常診断装置及びセンサシステムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a sensor abnormality diagnosis device and a sensor system that allow an operator to determine an abnormality of a tilt sensor without going to the sensor installation site. The purpose is to do.

請求項１の発明に係るセンサ異常診断装置は、構造物に設置された第１のセンサが計測する第１の物理量と、第１のセンサと異なる物理量を測定する目的で設置されたものであって、構造物に設置された第２のセンサが計測する第２の物理量とを用いて、第１の物理量と第２の物理量とを比較し、当該比較の結果に基づいて第１のセンサ又は第２のセンサに異常が生じたことを判定する判定部とを備えるようにしたものである。 The sensor abnormality diagnosis device according to the first aspect of the invention is installed for the purpose of measuring a first physical quantity measured by a first sensor installed in a structure and a physical quantity different from the first sensor. Then, using the second physical quantity measured by the second sensor installed in the structure, the first physical quantity and the second physical quantity are compared, and based on the result of the comparison, the first sensor or And a determination unit that determines that an abnormality has occurred in the second sensor.

請求項２の発明に係るセンサ異常診断装置は、判定部が、所定期間における第１の物理量の最大値と第２の物理量の最大値の比が所定の判定範囲内を超えると、第１のセンサ又は第２のセンサに異常が生じたと判定するようにしたものである。 In the sensor abnormality diagnosis device according to the invention of claim 2, when the determination unit has a ratio between the maximum value of the first physical quantity and the maximum value of the second physical quantity in a predetermined period exceeding the predetermined determination range, It is determined that an abnormality has occurred in the sensor or the second sensor.

請求項３の発明に係るセンサ異常診断装置は、判定部が、所定期間、同一周波数における第１の物理量のスペクトルと第２の物理量のスペクトルの比が所定の判定範囲内を超えると、第１のセンサ又は第２のセンサに異常が生じたと判定するようにしたものである。 In the sensor abnormality diagnosis device according to the invention of claim 3, when the determination unit exceeds a predetermined determination range within a predetermined determination range, the ratio of the spectrum of the first physical quantity and the spectrum of the second physical quantity at the same frequency for a predetermined period. It is determined that an abnormality has occurred in the second sensor or the second sensor.

請求項４の発明に係るセンサ異常診断装置は、第２のセンサを加速度センサにし、判定部が、所定期間における加速度から求めた特定固有周期の最大速度応答と、第１の物理量から求めた同一固有周期の最大速度応答に対応する値との比が所定の判定範囲内を超えると、第１のセンサ又は加速度センサに異常が生じたと判定するようにしたものである。 In the sensor abnormality diagnosis device according to the invention of claim 4, the second sensor is an acceleration sensor, and the determination unit is the same as the maximum speed response of the specific natural period obtained from the acceleration in the predetermined period and the first physical quantity. When the ratio of the natural period to the value corresponding to the maximum speed response exceeds a predetermined determination range, it is determined that an abnormality has occurred in the first sensor or the acceleration sensor.

請求項５の発明に係るセンサ異常診断装置は、第１のセンサを傾斜センサ、第２のセンサを加速度センサにしたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a sensor abnormality diagnosis apparatus in which a first sensor is an inclination sensor and a second sensor is an acceleration sensor.

請求項６の発明に係るセンサ異常診断装置は、加速度センサは内部に自己診断機能を有し、判定部は、傾斜センサが計測する傾斜角と、加速度センサが計測する自己診断された加速度とを用いて、傾斜センサに異常が生じたことを判定するようにしたものである。 In the sensor abnormality diagnosis device according to the invention of claim 6, the acceleration sensor has a self-diagnosis function inside, and the determination unit determines the inclination angle measured by the inclination sensor and the self-diagnosis acceleration measured by the acceleration sensor. It is used to determine that an abnormality has occurred in the tilt sensor.

請求項７の発明に係るセンサシステムは、内部に自己診断機能を有する加速度センサと、傾斜角を計測する傾斜センサと、傾斜センサが計測する傾斜角と、加速度センサが計測する自己診断された加速度とを比較し、当該比較の結果に基づいて傾斜センサに異常が生じたことを判定する判定部とを備えるようにしたものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a sensor system including an acceleration sensor having a self-diagnosis function therein, a tilt sensor that measures a tilt angle, a tilt angle that is measured by the tilt sensor, and a self-diagnosed acceleration that is measured by the acceleration sensor. And a determination unit that determines that an abnormality has occurred in the tilt sensor based on the result of the comparison.

請求項１〜３の発明によれば、第１の物理量と第２の物理量とを比較し、比較の結果に基づいて第１のセンサ又は第２のセンサに異常が生じたことを判定するようにしたので、作業者がセンサ設置現場におもむかなくともセンサの異常を判定することができる。 According to the first to third aspects of the invention, the first physical quantity is compared with the second physical quantity, and it is determined that an abnormality has occurred in the first sensor or the second sensor based on the comparison result. Therefore, the abnormality of the sensor can be determined even if the operator does not go to the sensor installation site.

請求項４の発明によれば、両センサにおいて同一の固有周期における最大速度応答を比較するようにしたので、ある程度の幅を持った周波数特性の比較を行うことができ、異常診断の安定性を向上させることができる。 According to the invention of claim 4, since the maximum speed response in the same natural period is compared in both sensors, the frequency characteristics having a certain range can be compared, and the stability of abnormality diagnosis can be improved. Can be improved.

請求項５の発明によれば、第１のセンサを傾斜センサ、第２のセンサを加速度センサにしたので、従来から橋梁等に用いられていたセンサ類を用いて傾斜角と加速度を測定、比較することにより傾斜センサ又は加速度センサに異常が生じたことを判定することができる。 According to the invention of claim 5, since the first sensor is an inclination sensor and the second sensor is an acceleration sensor, the inclination angle and acceleration are measured and compared using sensors conventionally used for bridges and the like. By doing so, it can be determined that an abnormality has occurred in the tilt sensor or the acceleration sensor.

請求項６の発明によれば、傾斜センサが計測する傾斜角と、加速度センサが計測する自己診断された加速度とを用いるようにしたので、傾斜センサに異常が生じたことを判定することができる。 According to the sixth aspect of the invention, since the inclination angle measured by the inclination sensor and the self-diagnosis acceleration measured by the acceleration sensor are used, it can be determined that an abnormality has occurred in the inclination sensor. .

請求項７の発明によれば、内部に自己診断機能を有する加速度検出部と、傾斜角を計測する傾斜検出部と、傾斜検出部が計測する傾斜角と加速度検出部が計測する自己診断された加速度とを比較する判定部とを備える傾斜センサとしたので、傾斜検出部に異常が生じたことを自己診断可能な傾斜センサとすることができる。 According to the invention of claim 7, the acceleration detection unit having a self-diagnosis function therein, the inclination detection unit that measures the inclination angle, the inclination angle measured by the inclination detection unit and the self-diagnosis that the acceleration detection unit measures Since the inclination sensor includes the determination unit that compares the acceleration, it is possible to provide an inclination sensor capable of self-diagnosis that abnormality has occurred in the inclination detection unit.

この発明の実施の形態１に係るセンサ異常診断装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the sensor abnormality diagnostic apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 実施の形態１に係るセンサ異常診断装置の計測値の一例を示すグラフであり、加速度（Ｘ軸）を図２（ａ）に、傾斜角（Ｘ軸）を図２（ｂ）に、傾斜角（Ｙ軸）を図２（ｃ）に示す。It is a graph which shows an example of the measured value of the sensor abnormality diagnostic apparatus which concerns on Embodiment 1, an acceleration (X-axis) is shown to Fig.2 (a), an inclination angle (X-axis) is shown to FIG.2 (b), and an inclination angle is shown. (Y axis) is shown in FIG. 図２に示す計測値をＦＦＴ処理したパワースペクトルのグラフであり、加速度（Ｘ軸）のパワースペクトルを図３（ａ）に、傾斜角（Ｘ軸）のパワースペクトルを図３（ｂ）に示す。FIG. 3 is a graph of a power spectrum obtained by performing FFT processing on the measured value shown in FIG. 2. FIG. 3A shows a power spectrum of acceleration (X axis), and FIG. 3B shows a power spectrum of tilt angle (X axis). . 実施の形態１に係るセンサ異常診断装置の最大速度応答算出方法を説明する図であり、図４（ａ）に物理モデルを、図４（ｂ）に加速度のグラフを、図４（ｃ）に速度応答とその最大速度応答のグラフを示す。It is a figure explaining the maximum speed response calculation method of the sensor abnormality diagnosis apparatus concerning Embodiment 1, FIG.4 (a) shows a physical model, FIG.4 (b) shows the graph of acceleration, and FIG.4 (c). A graph of the speed response and its maximum speed response is shown. 複数の固有周期における正弦波入力時の各最大速度応答を示すグラフである。It is a graph which shows each maximum speed response at the time of the sine wave input in a some natural period.

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るセンサ異常診断装置３０の構成を示すブロック図である。図に示すセンサ異常診断装置３０は、傾斜角（第１の物理量）を検出する傾斜センサ（第１のセンサ）１０と、加速度（第２の物理量）を検出する加速度センサ（第２のセンサ）２０とを接続して、各センサ１０，２０の計測値をアナログ／デジタル変換するＡＤ変換部３１と、傾斜角と加速度を用いて傾斜センサ１０の異常を判定する判定部３２と、異常判定結果を通信回線等を介して外部出力する出力部３３とを備える。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sensor abnormality diagnosis device 30 according to Embodiment 1 of the present invention. The sensor abnormality diagnosis device 30 shown in the figure includes an inclination sensor (first sensor) 10 that detects an inclination angle (first physical quantity) and an acceleration sensor (second sensor) that detects acceleration (second physical quantity). 20, an AD conversion unit 31 that performs analog / digital conversion of the measurement values of the sensors 10 and 20, a determination unit 32 that determines an abnormality of the tilt sensor 10 using an inclination angle and acceleration, and an abnormality determination result Is output to the outside via a communication line or the like.

本実施の形態１では、傾斜センサ１０として電位差式の傾斜センサを用いる。この傾斜センサ１０は、密閉容器内に電解液を封入して形成された気泡の位置を電極間の電位差として出力する傾斜検出デバイス１１と、電極間の電位差の比を傾斜角のアナログ信号として出力する傾斜検出回路１２とからなる。 In the first embodiment, a potential difference type inclination sensor is used as the inclination sensor 10. The tilt sensor 10 outputs a position of a bubble formed by enclosing an electrolyte in a sealed container as a potential difference between electrodes, and outputs a ratio of the potential difference between electrodes as an analog signal of a tilt angle. And an inclination detection circuit 12 that performs the above.

また、本実施の形態１では、加速度センサ２０として、先立って説明した自己診断可能な振子式の加速度センサを用いる。この加速度センサ２０は、振子の変位量を出力する傾斜検出回路１２と、この変位量を加速度のアナログ信号として出力する加速度検出回路２２と、加速度検出デバイス２１の異常を判定する自己診断部２３とからなる。この自己診断部２３は、例えば特許文献２に記載されているような自己診断用の駆動部を備えて、この駆動部が振子に駆動力を与えてもその変位量が検出できないときに加速度検出デバイス２１又は加速度検出回路２２に異常が発生していると判定し、それ以外の場合には計測値は正常であると判定する。加速度センサ２０が自己診断部２３を備えているため、以下では加速度センサ２０が出力する計測値を正常な値とみなす。 Further, in the first embodiment, the pendulum type acceleration sensor capable of self-diagnosis described above is used as the acceleration sensor 20. The acceleration sensor 20 includes an inclination detection circuit 12 that outputs the displacement amount of the pendulum, an acceleration detection circuit 22 that outputs the displacement amount as an analog signal of acceleration, and a self-diagnosis unit 23 that determines abnormality of the acceleration detection device 21. Consists of. This self-diagnosis unit 23 includes a drive unit for self-diagnosis as described in Patent Document 2, for example, and when the drive unit applies a driving force to the pendulum, the amount of displacement cannot be detected. It is determined that an abnormality has occurred in the device 21 or the acceleration detection circuit 22, and in other cases, it is determined that the measured value is normal. Since the acceleration sensor 20 includes the self-diagnosis unit 23, the measurement value output from the acceleration sensor 20 is regarded as a normal value below.

センサ異常診断装置３０内部のＡＤ変換部３１は、傾斜センサ１０及び加速度センサ２０から出力される計測値のアナログ信号をアナログ／デジタル変換して、傾斜角及び加速度のデジタル信号を出力する。なお、図１のように傾斜センサ１０と加速度センサ２０が１つのＡＤ変換部３１を兼用してもよいし、傾斜センサ１０と加速度センサ２０がそれぞれＡＤ変換部３１を備えるようにしてもよい。 The AD conversion unit 31 in the sensor abnormality diagnosis device 30 performs analog / digital conversion of analog signals of measurement values output from the tilt sensor 10 and the acceleration sensor 20 and outputs digital signals of tilt angle and acceleration. As shown in FIG. 1, the tilt sensor 10 and the acceleration sensor 20 may serve as one AD conversion unit 31, or the tilt sensor 10 and the acceleration sensor 20 may each include the AD conversion unit 31.

判定部３２は、ＡＤ変換部３１から出力される自己診断部２３で正常に計測が行われていることを確認された加速度の計測値を用いて、傾斜センサ１０の異常を判定する。本実施の形態１では、異常判定方法の例として（１）出力最大値比較、（２）パワースペクトル比較の２例を説明する。 The determination unit 32 determines an abnormality of the tilt sensor 10 using the acceleration measurement value that is confirmed to be normally measured by the self-diagnosis unit 23 output from the AD conversion unit 31. In the first embodiment, two examples of (1) output maximum value comparison and (2) power spectrum comparison will be described as examples of the abnormality determination method.

（１）出力最大値比較
図２は、計測値の一例を示すグラフであり、加速度センサ２０の加速度（Ｘ軸）を図２（ａ）に、傾斜センサ１０の傾斜角（Ｘ軸）を図２（ｂ）に、傾斜角（Ｙ軸）を図２（ｃ）に示す。図２（ａ）は縦軸に加速度、横軸に時間を示す。また、図２（ｂ），（ｃ）は縦軸に傾斜角、横軸に時間を示す。なお、図２（ａ）〜（ｃ）において横軸の時間は同一時刻である。ここでは、加速度が所定閾値を超えると「構造物振動中」とみなし、所定閾値を超えた構造物振動開始時点から所定期間（例えば１２０秒）の加速度及び傾斜角の計測値を異常判定のために用いる。 (1) Comparison of Maximum Output Values FIG. 2 is a graph showing an example of measured values. FIG. 2A shows the acceleration (X axis) of the acceleration sensor 20, and FIG. 2 shows the inclination angle (X axis) of the tilt sensor 10. FIG. 2C shows the tilt angle (Y axis) in FIG. FIG. 2A shows acceleration on the vertical axis and time on the horizontal axis. 2B and 2C, the vertical axis indicates the tilt angle and the horizontal axis indicates time. 2A to 2C, the time on the horizontal axis is the same time. Here, if the acceleration exceeds a predetermined threshold value, it is regarded as “structure vibration in progress”, and the measured values of acceleration and inclination angle for a predetermined period (for example, 120 seconds) from the start point of the structure vibration exceeding the predetermined threshold value are determined for abnormality. Used for.

判定部３２は、構造物振動中の加速度センサ２０のＸ軸の出力最大値をＡｘ_ｍａｘ、傾斜センサ１０のＸ軸の出力最大値をＳｘ_ｍａｘとして、出力最大値の比Ｓｘ_ｍａｘ／Ａｘ_ｍａｘを算出する。加速度センサ２０の計測値は正常とみなすことができるため、もう一方の傾斜センサ１０の計測値も正常であれば出力最大値の比Ｓｘ_ｍａｘ／Ａｘ_ｍａｘも所定範囲内となる。そこで、判定部３２は、期待値で正規化した正常値の比に対して、出力最大値の比Ｓｘ_ｍａｘ／Ａｘ_ｍａｘが所定の判定範囲（例えば±２０％）を超えた場合に、傾斜センサ１０の計測値が異常値であると判定し、さらに傾斜検出デバイス１１又は傾斜検出回路１２に異常が発生しているものと判定する。ここで、１回の異常判定のみでセンサの正常／異常を判断するのではなく、例えば異常値であるという判定部３２の判定が所定回数（例えば１０回）連続したとき、あるいは累積したときにはじめて傾斜検出デバイス１１又は傾斜検出回路１２に異常が生じているとする発報（詳細は後述）を行うよう構成してもよい。なお、判定範囲の値は適宜設定すればよい。 The determination unit 32 uses the maximum output value of the X axis of the acceleration sensor 20 during vibration of the structure as Ax _max and the maximum output value of the X axis of the tilt sensor 10 as Sx _max , and the ratio Sx _max / Ax _max of the maximum output values calculate. Since the measurement value of the acceleration sensor 20 can be regarded as normal, the ratio Sx _max / Ax _{max of the} maximum output value is within a predetermined range if the measurement value of the other tilt sensor 10 is also normal. Accordingly, the determination unit 32 determines the inclination sensor when the ratio Sx _max / Ax _{max of} the output maximum value exceeds a predetermined determination range (for example, ± 20%) with respect to the ratio of the normal value normalized by the expected value. 10 is determined to be an abnormal value, and it is further determined that an abnormality has occurred in the tilt detection device 11 or the tilt detection circuit 12. Here, instead of determining whether the sensor is normal / abnormal only by one abnormality determination, for example, when the determination unit 32 determines that the value is an abnormal value, for example, when a predetermined number of times (for example, 10 times) continues or accumulates. You may comprise so that the alerting | reporting (it mentions later for details) that abnormality has arisen in the inclination detection device 11 or the inclination detection circuit 12 for the first time. Note that the value of the determination range may be set as appropriate.

なお、傾斜センサ１０が２軸以上の傾斜角を検出している場合には、判定部３２は各軸の出力最大値を利用して異常を判定してもよい。傾斜センサ１０が図２（ｃ）に示すようなＹ軸の傾斜角も検出しているなら、判定部３２がこのＹ軸の出力最大値Ｓｙ_ｍａｘを用いて出力最大値の比Ｓｙ_ｍａｘ／Ａｘ_ｍａｘを算出し、所定の判定範囲と比較する。なお、判定範囲の値は、比算出に用いる軸に応じて適宜変更すればよい。
同様に、加速度センサ２０が２軸以上の加速度を検出しているなら、判定部３２は傾斜センサ１０の任意の軸と加速度センサ２０の任意の軸の出力最大値を利用して異常判定することもできる。 In addition, when the inclination sensor 10 detects an inclination angle of two or more axes, the determination unit 32 may determine an abnormality using the maximum output value of each axis. If the tilt sensor 10 also detects the tilt angle of the Y axis as shown in FIG. 2C, the determination unit 32 uses the maximum output value Sy _max of the Y axis and uses the maximum output value ratio Sy _max / Ax. _max is calculated and compared with a predetermined determination range. In addition, what is necessary is just to change suitably the value of the determination range according to the axis | shaft used for ratio calculation.
Similarly, if the acceleration sensor 20 detects acceleration of two or more axes, the determination unit 32 makes an abnormality determination using an arbitrary axis of the tilt sensor 10 and an output maximum value of an arbitrary axis of the acceleration sensor 20. You can also.

（２）パワースペクトル比較
判定部３２は、構造物振動中の加速度センサ２０のＸ軸の加速度波形をＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）処理して、特定周波数（例えば５Ｈｚ）のパワースペクトルをＡｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}とする。同様に、判定部３２は、構造物振動中の傾斜センサ１０のＸ軸の傾斜角波形をＦＦＴ処理して、同一の特定周波数（例えば５Ｈｚ）のパワースペクトルをＳｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}とする。加速度センサ２０の計測値は正常とみなすことができるため、もう一方の傾斜センサ１０の計測値も正常であればパワースペクトルの比Ｓｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}／Ａｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}も所定範囲内となる。そこで、判定部３２は、期待値で正規化した正常値の比に対して、パワースペクトルの比Ｓｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}／Ａｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}が所定の判定範囲（例えば±２０％）を超えた場合に、傾斜センサ１０の計測値が異常値であると判定し、さらに傾斜検出デバイス１１又は傾斜検出回路１２に異常が発生しているものと判定する。 (2) Power Spectrum Comparison The determination unit 32 performs FFT (Fast Fourier Transform) processing on the X-axis acceleration waveform of the acceleration sensor 20 during structure vibration, and _sets the power spectrum at a specific frequency (for example, 5 Hz) as Ax power. . Similarly, the determination unit 32 performs FFT processing on the X-axis tilt angle waveform of the tilt sensor 10 during structure vibration, and _sets the power spectrum of the same specific frequency (for example, 5 Hz) as Sx power. For measurement of the acceleration sensor 20 can be regarded as normal, also falls within a predetermined range ratio _{_Sx fpower} _{/ Ax} _fpower power spectrum if even a normal measurement value of the other of the inclination sensor 10. Therefore, the determination unit 32 determines the inclination sensor 10 when the power spectrum ratio Sx _fpower / Ax _fpower exceeds a predetermined determination range (for example, ± 20%) with respect to the normal value ratio normalized by the expected value. Is determined to be an abnormal value, and it is further determined that an abnormality has occurred in the tilt detection device 11 or the tilt detection circuit 12.

なお、特定周波数及び判定範囲の値は適宜設定すればよい。ただし、特定周波数については、サンプリングの周期を考慮して決定することが好ましい。例えばサンプリングが毎秒１回（１Ｈｚ）で行われていた場合、上記特定周波数（５Ｈｚ）の値は±１Ｈｚの範囲で誤差を含むこととなるため、４〜６Ｈｚの範囲における適宜な値を設定する、あるいは４〜６Ｈｚの範囲におけるパワースペクトルの最大値を上記Ｓｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}，Ａｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}とすることが考えられる。 In addition, what is necessary is just to set the value of a specific frequency and the determination range suitably. However, the specific frequency is preferably determined in consideration of the sampling period. For example, when sampling is performed once per second (1 Hz), the value of the specific frequency (5 Hz) includes an error in the range of ± 1 Hz, so an appropriate value in the range of 4 to 6 Hz is set. Alternatively, it is conceivable that the maximum value of the power spectrum in the range of 4 to 6 Hz is the above Sx _power and Ax _power .

図３は、図２に示す計測値をＦＦＴ処理したパワースペクトルのグラフであり、加速度センサ２０の加速度（Ｘ軸）のパワースペクトルを図３（ａ）に、傾斜センサ１０の傾斜角（Ｘ軸）のパワースペクトルを図３（ｂ）に示す。図３の例のようにピークが複数ある場合、判定部３２は、加速度のパワースペクトルのうちの最大ピークを示す周波数（図３（ａ）では４．５Ｈｚ）を特定周波数に設定し、この４．５Ｈｚにおけるパワースペクトルの比Ｓｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}／Ａｘ_{ｆｐｏｗｅｒ}を用いて傾斜センサ１０の異常判定を行ってもよい。 3 is a graph of a power spectrum obtained by performing FFT processing on the measurement values shown in FIG. 2. FIG. 3A shows the power spectrum of the acceleration (X axis) of the acceleration sensor 20, and FIG. ) Is shown in FIG. When there are a plurality of peaks as in the example of FIG. 3, the determination unit 32 sets a frequency (4.5 Hz in FIG. 3A) indicating the maximum peak in the power spectrum of acceleration to a specific frequency, and this 4 it may perform an abnormality determination of the inclination sensor 10 using a ratio _{_Sx fpower} _{/ Ax} _fpower power spectrum in .5Hz.

なお、傾斜センサ１０が２軸以上の傾斜角を検出している場合には、上記（１）の異常判定方法と同様に、判定部３２は、各軸のパワースペクトルを利用して異常を判定してもよい。さらに、傾斜センサ１０及び加速度センサ２０がそれぞれ２軸以上の計測値を検出している場合には、上記（１）の異常判定方法と同様に、判定部３２は、傾斜センサ１０の任意の軸と加速度センサ２０の任意の軸のパワースペクトルを利用して異常判定することもできる。 When the inclination sensor 10 detects an inclination angle of two or more axes, the determination unit 32 determines an abnormality using the power spectrum of each axis as in the abnormality determination method of (1) above. May be. Further, when the inclination sensor 10 and the acceleration sensor 20 detect measurement values of two or more axes, respectively, the determination unit 32 is configured to select an arbitrary axis of the inclination sensor 10 in the same manner as the abnormality determination method (1). It is also possible to determine abnormality using the power spectrum of any axis of the acceleration sensor 20.

（３）最大速度応答比較
図４（ａ）は、構造物を単純化した、１質点減衰系の物理モデルを示す説明図である。図において、構造物は、運動方向は矢印で示す１方向で固有周期Ｔも１つだけとしたとき、減衰定数ｈで振動するおもりで模擬した１自由度１質点減衰系で表現できる。この固有周期Ｔの物理モデルを用いて、地盤の加速度ｙ（ｔ）の入力に対する固有周期Ｔの速度応答ｖ（ｔ）を求め、さらに、固有周期Ｔの速度応答ｖ（ｔ）の最大値Ｓｖを求めることができる。
最大速度応答Ｓｖの算出方法は、例えば「インテリジェント地震センサの開発、古川ら、ＳａｖｅｍａｔｉｏｎＲｅｖｉｅｗ、株式会社山武、１９９９年８月」に記載された既知の方法を用いればよいため、ここでの詳細な説明は省略する。
地盤の加速度ｙ（ｔ）の一例を図４（ｂ）に示し、この入力に対する固有周期Ｔの速度応答ｖ（ｔ）とその最大速度応答Ｓｖのグラフを図４（ｃ）に示す。また、図５は、固有周期Ｔ（ここでは周波数で表す）＝２，３，５，７Ｈｚの各物理モデルに入力周波数ｆの加速度（正弦波を仮定）を入力した場合の各最大速度応答Ｓｖを示すグラフである。 (3) Maximum Speed Response Comparison FIG. 4A is an explanatory diagram showing a physical model of a one-mass point attenuation system in which a structure is simplified. In the figure, the structure can be represented by a one-degree-of-freedom one-mass point damping system simulated by a weight that vibrates with a damping constant h when the direction of motion is one direction indicated by an arrow and only one natural period T. Using the physical model of the natural period T, the speed response v (t) of the natural period T with respect to the input of the ground acceleration y (t) is obtained, and the maximum value Sv of the speed response v (t) of the natural period T is obtained. Can be requested.
The maximum speed response Sv can be calculated by using a known method described in, for example, “Development of Intelligent Seismic Sensor, Furukawa et al., Save Review, Yamatake Corporation, August 1999”. Description is omitted.
An example of the ground acceleration y (t) is shown in FIG. 4B, and a graph of the speed response v (t) of the natural period T and the maximum speed response Sv with respect to this input is shown in FIG. 4C. Further, FIG. 5 shows each maximum speed response Sv when an acceleration of an input frequency f (assuming a sine wave) is input to each physical model having a natural period T (represented by frequency here) = 2, 3, 5, and 7 Hz. It is a graph which shows.

判定部３２は、構造物振動中の加速度センサ２０のＸ軸の出力波形から、所定の固有周期Ｔにおける速度応答ｖ（ｔ）を求め、最大値を最大速度応答Ａｘ_Ｓｖとする。このとき用いた所定の固有周期Ｔを特定固有周期とする。同様に、判定部３２は、構造物振動中の傾斜センサ１０のＸ軸の出力波形から、特定固有周期と同一の値である固有周期Ｔ（即ち、同一固有周期）の速度応答ｖ（ｔ）を求め、その最大値を最大速度応答Ｓｘ_Ｓｖ（最大速度応答に対応する値）とする。加速度センサ２０の計測値は正常とみなすことができるため、もう一方の傾斜センサ１０の計測値も正常であれば最大速度応答の比Ｓｘ_Ｓｖ／Ａｘ_Ｓｖも所定の判定範囲内となる。そこで、判定部３２は、入力周波数ｆ（例えば５Ｈｚ）における最大速度応答の比Ｓｘ_Ｓｖ／Ａｘ_Ｓｖが所定範囲（例えば±２０％）を超えた場合に、傾斜センサ１０の計測値が異常値であると判定し、さらに傾斜検出デバイス１１又は傾斜検出回路１２に異常が発生しているものと判定する。
ただし、一般に傾斜センサ１０よりも加速度センサ２０の測定精度が高いため、加速度センサ２０の出力波形が小さい値の場合にはそもそも異常判定を行わない構成にして、誤判定を防止するようにしてもよい。 The determination unit 32 obtains the speed response v (t) in a predetermined natural period T from the X-axis output waveform of the acceleration sensor 20 during vibration of the structure, and sets the maximum value as the maximum speed response Ax _Sv . The predetermined natural period T used at this time is defined as a specific natural period. Similarly, the determination unit 32 determines the velocity response v (t) of the natural period T (that is, the same natural period), which is the same value as the specific natural period, from the X-axis output waveform of the tilt sensor 10 during structure vibration. And the maximum value is defined as the maximum speed response Sx _Sv (value corresponding to the maximum speed response). Since the measured value of the acceleration sensor 20 can be regarded as normal, if the measured value of the other tilt sensor 10 is also normal, the maximum speed response ratio Sx _Sv / Ax _Sv is within the predetermined determination range. Therefore, the determination unit 32 determines that the measured value of the tilt sensor 10 is an abnormal value when the ratio Sx _Sv / Ax _Sv of the maximum speed response at the input frequency f (for example, 5 Hz) exceeds a predetermined range (for example, ± 20%). It is determined that there is an abnormality, and it is further determined that an abnormality has occurred in the inclination detection device 11 or the inclination detection circuit 12.
However, since the measurement accuracy of the acceleration sensor 20 is generally higher than that of the inclination sensor 10, when the output waveform of the acceleration sensor 20 is a small value, an abnormality determination is not performed in the first place so as to prevent an erroneous determination. Good.

なお、特定固有周期Ｔ、入力周波数ｆ及び判定範囲の値は適宜設定すればよい。特に特定固有周期Ｔを定めるにあたっては、構造物の構造及び材質等によって適切な固有周期が異なることから、図５に例示したように入力周波数と最大速度応答との関係が顕著となる周期を実験的に求めたうえで決定することが望ましい。また、入力周波数ｆを複数設定してもよく、例えばｆ＝１，３，５，７，１０Ｈｚにおける最大速度応答Ａｘ_Ｓｖ，Ｓｘ_Ｓｖの比をそれぞれ求め、各入力周波数ｆにおける最大速度応答の比Ａｘ_Ｓｖ／Ｓｘ_Ｓｖがそれぞれ判定範囲内であれば、傾斜センサ１０の計測値は正常であると判定するようにしてもよい。 Note that the values of the specific natural period T, the input frequency f, and the determination range may be set as appropriate. In particular, when determining the specific natural period T, since the appropriate natural period varies depending on the structure and material of the structure, the period in which the relationship between the input frequency and the maximum speed response becomes significant as illustrated in FIG. 5 is tested. It is desirable to make a decision after obtaining it. Further, a plurality of input frequencies f may be set. For example, the ratios of the maximum speed responses Ax _Sv and Sx _Sv at f = 1, 3, 5, 7, and 10 Hz are obtained, and the ratio of the maximum speed responses at each input frequency f. If Ax _Sv / Sx _Sv is within the determination range, the measurement value of the tilt sensor 10 may be determined to be normal.

なお、傾斜センサ１０が２軸以上の傾斜角を検出している場合には、上記（１），（２）の異常判定方法と同様に、判定部３２は、各軸の最大速度応答を利用して異常を判定してもよい。さらに、傾斜センサ１０及び加速度センサ２０がそれぞれ２軸以上の計測値を検出している場合には、上記（１），（２）の異常判定方法と同様に、判定部３２は、傾斜センサ１０の任意の軸と加速度センサ２０の任意の軸の最大速度応答を利用して異常判定することもできる。 When the inclination sensor 10 detects an inclination angle of two or more axes, the determination unit 32 uses the maximum speed response of each axis as in the abnormality determination methods (1) and (2) above. Then, the abnormality may be determined. Further, when each of the tilt sensor 10 and the acceleration sensor 20 detects a measurement value of two or more axes, the determination unit 32 is similar to the abnormality determination method (1) and (2) described above. It is also possible to make an abnormality determination using the maximum speed response of any axis of the acceleration sensor 20 and any axis of the acceleration sensor 20.

上記（１）の最大値比較では計測値の周波数を考慮せずに時間軸上の最大値を比較し、また、上記（２）のパワースペクトル比較では１つの特定周波数におけるスペクトルを比較する。これに対して、上記（３）の最大速度応答比較では、図５に示すように、固有周期Ｔの速度応答ｖが、最大速度応答Ｓｖを頂点にして両側にある程度の幅を持つグラフになるため、最大速度応答Ｓｘ_Ｓｖ，Ａｘ_Ｓｖの比較も、ある程度の幅を持った周波数特性の比較となる。従って、加速度と傾斜角の計測値の周波数のずれを吸収してロバストな比較が可能となり、異常診断の安定性を高めることができる。また、上記（２）に比べ、上記（３）の場合の演算負荷が少ない。 In the maximum value comparison in (1), the maximum values on the time axis are compared without considering the frequency of the measurement value, and in the power spectrum comparison in (2), the spectra at one specific frequency are compared. On the other hand, in the maximum speed response comparison of (3) above, as shown in FIG. 5, the speed response v of the natural period T is a graph having a certain width on both sides with the maximum speed response Sv as a vertex. _Therefore , the comparison of the maximum speed responses Sx _Sv and Ax _Sv is also a comparison of frequency characteristics having a certain width. Therefore, it is possible to make a robust comparison by absorbing the frequency difference between the measured values of the acceleration and the tilt angle, and to improve the stability of the abnormality diagnosis. Further, the calculation load in the case (3) is smaller than that in the above (2).

なお、上記（１）〜（３）の異常判定方法では、加速度センサ２０が正常値を出力していることを前提にして傾斜センサ１０の異常判定を実施する構成としたが、加速度センサ２０に自己診断部２３がない場合には加速度が正常値とは限らないため、傾斜センサ１０と加速度センサ２０のどちらに異常が発生しているか特定することができない。その場合には、判定部３２において、出力最大値の比、パワースペクトルの比、又は最大速度応答の比が所定の判定範囲を超えると、傾斜センサ１０又は加速度センサ２０に異常が発生しているものと判定するようにすればよい。
ただし、加速度センサ２０に自己診断部２３がない場合であっても、傾斜角と加速度の計測値が複数軸分あれば、任意の軸の傾斜角と任意の軸の加速度を組み合わせた比同士を比較して異常な値を示す軸を特定し、どちらのセンサに異常が発生しているかを判定することも可能となる。 In the abnormality determination methods (1) to (3) described above, the abnormality determination of the tilt sensor 10 is performed on the assumption that the acceleration sensor 20 outputs a normal value. When the self-diagnosis unit 23 is not provided, the acceleration is not always a normal value, and thus it cannot be specified which of the tilt sensor 10 and the acceleration sensor 20 is abnormal. In that case, when the ratio of the maximum output value, the ratio of the power spectrum, or the ratio of the maximum speed response exceeds the predetermined determination range in the determination unit 32, an abnormality has occurred in the tilt sensor 10 or the acceleration sensor 20. What is necessary is just to determine with a thing.
However, even if the acceleration sensor 20 does not have the self-diagnosis unit 23, if the measured values of the tilt angle and the acceleration are for a plurality of axes, the ratio of the tilt angle of any axis and the acceleration of the arbitrary axis can be calculated. It is also possible to identify an axis showing an abnormal value by comparison and determine which sensor has an abnormality.

センサ異常診断装置３０において、異常判定が所定条件（例えば、上述のように異常判定が１０回連続した場合）を満たすとき、異常判定結果を出力部３３からネットワーク経由でホストコンピュータ（例えば遠隔にある社屋内のコンピュータ）に送信（発報）すれば、管理者は当該送信されたデータを確認することで異常判定結果を知ることができる。 In the sensor abnormality diagnosis device 30, when the abnormality determination satisfies a predetermined condition (for example, when the abnormality determination is repeated ten times as described above), the abnormality determination result is sent from the output unit 33 to the host computer (for example, remotely) via the network. If it is transmitted (reported) to the computer in the company), the administrator can know the abnormality determination result by confirming the transmitted data.

図１に示すセンサ異常診断装置３０をコンピュータで構成する場合には、判定部３２の処理内容を記述している異常判定プログラムをコンピュータのメモリに格納し、傾斜センサ１０及び加速度センサ２０の計測値を入力データに用いて、コンピュータのＣＰＵがメモリに格納されている異常判定プログラムを実行する。 When the sensor abnormality diagnosis device 30 shown in FIG. 1 is configured by a computer, an abnormality determination program describing the processing contents of the determination unit 32 is stored in the memory of the computer, and the measured values of the inclination sensor 10 and the acceleration sensor 20 are stored. Is used as input data, and the CPU of the computer executes the abnormality determination program stored in the memory.

以上より、実施の形態１によれば、傾斜センサ１０が出力する傾斜角と、自己診断部２３によって正常に動作していることが診断されている加速度センサ２０が出力する加速度とを用いて、判定部３２がこれら傾斜角と加速度の比に基づいて傾斜センサ１０に異常が生じたことを判定するように構成した。このため、作業者がセンサ設置現場におもむかなくとも傾斜センサ１０の異常を判定することができる。 As described above, according to the first embodiment, the inclination angle output from the inclination sensor 10 and the acceleration output from the acceleration sensor 20 that has been diagnosed as operating normally by the self-diagnosis unit 23 are used. The determination unit 32 is configured to determine that an abnormality has occurred in the tilt sensor 10 based on the ratio between the tilt angle and the acceleration. For this reason, even if an operator does not go to the sensor installation site, the abnormality of the inclination sensor 10 can be determined.

また、自己診断部２３を有さない加速度センサ２０を用いた場合でも、判定部３２は傾斜センサ１０又は加速度センサ２０に異常が発生していることを判定することができる。この構成の場合には、加速度センサ２０として自己診断機能を有さない安価な加速度センサを用いることができ、また、作業者がセンサ設置現場におもむかなくとも傾斜センサ１０に異常が発生している可能性を判定することができる。 Even when the acceleration sensor 20 that does not have the self-diagnosis unit 23 is used, the determination unit 32 can determine that an abnormality has occurred in the tilt sensor 10 or the acceleration sensor 20. In the case of this configuration, an inexpensive acceleration sensor that does not have a self-diagnosis function can be used as the acceleration sensor 20, and an abnormality has occurred in the tilt sensor 10 even if the operator does not visit the sensor installation site. The possibility can be determined.

なお、上記実施の形態１では、傾斜センサ１０及び加速度センサ２０を、センサ異常診断装置３０とは別体に構成したが、これらを一体に構成して判定部３２の自己診断機能を有するセンサシステムにしてもよい。 In the first embodiment, the tilt sensor 10 and the acceleration sensor 20 are configured separately from the sensor abnormality diagnosis device 30. However, the sensor system having the self-diagnosis function of the determination unit 32 by integrally configuring them. It may be.

また、上記実施の形態１では、橋梁の健全度評価に用いられる傾斜センサと加速度センサの組み合わせを例に挙げて、自己診断機能を有する一方のセンサの計測値を利用して自己診断機能のない他方のセンサの異常を判定する方法を説明したが、センサの組み合わせはこれに限定されるものではなく、加速度センサ２０に代えて角速度センサ、速度センサ、変位センサ等、種々のセンサを利用する構成にしてもよい。あるいは、加速度センサに代えて、傾斜センサ１０が測定する傾斜方向（例えばＸ軸方向の傾斜を測定するよう傾斜センサ１０を設置する）とは異なる方向（例えばＹ軸方向）の傾斜を測定する傾斜センサを別途設けるようにしてもよい。 In the first embodiment, a combination of an inclination sensor and an acceleration sensor used for evaluation of bridge soundness is taken as an example, and there is no self-diagnosis function using a measured value of one sensor having a self-diagnosis function. Although the method for determining the abnormality of the other sensor has been described, the combination of the sensors is not limited to this, and a configuration using various sensors such as an angular velocity sensor, a velocity sensor, a displacement sensor, etc., instead of the acceleration sensor 20. It may be. Alternatively, instead of the acceleration sensor, an inclination that measures an inclination in a direction (for example, the Y-axis direction) different from an inclination direction measured by the inclination sensor 10 (for example, the inclination sensor 10 is installed so as to measure an inclination in the X-axis direction). A sensor may be provided separately.

１０傾斜センサ
１１傾斜検出デバイス
１２傾斜検出回路
２０加速度センサ
２１加速度検出デバイス
２２加速度検出回路
２３自己診断部
３０センサ異常診断装置
３１ＡＤ変換部
３２判定部
３３出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Inclination sensor 11 Inclination detection device 12 Inclination detection circuit 20 Acceleration sensor 21 Acceleration detection device 22 Acceleration detection circuit 23 Self-diagnosis part 30 Sensor abnormality diagnosis apparatus 31 AD conversion part 32 Determination part 33 Output part

Claims

A first physical quantity measured by a first sensor installed in the structure;
The second sensor is installed for the purpose of measuring a physical quantity different from that of the first sensor, and is measured by a second sensor installed in the structure.
A sensor abnormality comprising: a determination unit that compares the first physical quantity with the second physical quantity and determines that an abnormality has occurred in the first sensor or the second sensor based on a result of the comparison Diagnostic device.

The determination unit determines that an abnormality has occurred in the first sensor or the second sensor when a ratio between the maximum value of the first physical quantity and the maximum value of the second physical quantity in a predetermined period exceeds a predetermined determination range. The sensor abnormality diagnosis device according to claim 1.

When the ratio between the spectrum of the first physical quantity in the predetermined period and the spectrum of the second physical quantity at the same frequency as the spectrum of the first physical quantity exceeds the predetermined determination range, the determination unit The sensor abnormality diagnosis device according to claim 1, wherein it is determined that an abnormality has occurred in the second sensor.

The second sensor is an acceleration sensor, and the second physical quantity is an acceleration of the structure detected by the acceleration sensor,
The determination unit obtains a maximum speed response of a specific natural period from the acceleration detected by the acceleration sensor in a predetermined period, and the maximum speed of the same natural period as the specific natural period from the first physical quantity in the predetermined period A value corresponding to the response is obtained, and when the ratio between the maximum speed response and the value corresponding to the maximum speed response exceeds a predetermined determination range, it is determined that an abnormality has occurred in the first sensor or the acceleration sensor. The sensor abnormality diagnosis device according to claim 1.

The first sensor is an inclination sensor, the second sensor is an acceleration sensor, the first physical quantity is an inclination angle of the structure detected by the inclination sensor, and the second physical quantity is obtained by the acceleration sensor. The sensor abnormality diagnosis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the acceleration of the structure to be detected is detected.

The acceleration sensor has a self-diagnosis function inside,
The determination unit determines that an abnormality has occurred in the tilt sensor using the tilt angle measured by the tilt sensor and the self-diagnosed acceleration measured by the acceleration sensor. Sensor abnormality diagnosis device.

An acceleration sensor having a self-diagnosis function inside;
A tilt sensor for measuring the tilt angle;
A determination unit that compares the inclination angle measured by the inclination sensor with the self-diagnosis acceleration measured by the acceleration sensor and determines that an abnormality has occurred in the inclination sensor based on the comparison result; Sensor system.