JPH0810181B2 - 材料試験機における広帯域計測増幅器 - Google Patents

材料試験機における広帯域計測増幅器

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JPH0810181B2
JPH0810181B2 JP62244736A JP24473687A JPH0810181B2 JP H0810181 B2 JPH0810181 B2 JP H0810181B2 JP 62244736 A JP62244736 A JP 62244736A JP 24473687 A JP24473687 A JP 24473687A JP H0810181 B2 JPH0810181 B2 JP H0810181B2
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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この発明は、材料試験機における広帯域計測増幅器、
特にストレーンゲージ等から得られる直流分を含む微小
信号を良好に増幅できるように周波数帯域を広くする技
術に関する。
B.従来技術 従来の材料試験機における計測増幅器は、直流増幅
器、もしくは、変調/復調方式の交流増幅器のいずれ
か一方を使用して構成されていた。
C.発明が解決しようとする問題点 しかしながら、いずれの方式においても次のような問
題点を有している。
直流増幅方式におけるノイズレベルと周波数帯域の
問題 ノイズレベルを抑制すると周波数帯域を広くすること
ができず、逆に、周波数帯域を広くするとノイズレベル
が上昇するという互いに矛盾する問題がある。材料試験
機においては周波数帯域を広くする要求が強いので結
局、周波数帯域を広くとることになるが、ノイズレベル
やドリフト特性に問題が残る。
交流増幅方式における変調周波数と周波数帯域の問
題 変調するのに交流信号すなわち搬送波を使用して増幅
するため、その搬送波の周波数よりも高い周波数成分を
増幅することはできない。つまり、ノイズレベルやドリ
フト特性は良いが、周波数帯域を広くすることができな
い。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので
あって、直流分を含む微小信号をローノイズ、ロードリ
フトの状態で広く周波数帯域にわたって増幅することが
できるようにすることを目的とする。
D.問題点を解決するための手段 この発明は、このような目的を達成するために、次の
ような構成をとる。
すなわち、この発明の材料試験機における広帯域計測
増幅器は、微小信号の入力端子に接続された直流増幅器
と、この直流増幅器の次段に接続されたローパスフィル
タと、前記入力端子に接続された交流増幅器と、この交
流増幅器の次段に接続されたハイパスフィルタと、前記
ローパスフィルタからの出力信号と前記ハイパスフィル
タからの出力信号とを加算する加算器とを備え、前記直
流増幅器と交流増幅器とは同一利得をもつものに構成さ
れ、前記ローパスフィルタとハイパスフィルタとは、両
者の出力信号の周波数特性が同一の減衰勾配をもち、か
つ、同一のカットオフ周波数でクロスオーバーするよう
に構成されていることを特徴とするものである。
E.作 用 この発明の構成による作用は、次のとおりである。
入力端子からの微小信号は直流増幅器によって直流増
幅され、ローパスフィルタによって高周波ノイズが除去
されて直流成分のみが加算器に出力される。一方、入力
端子からの微小信号は交流増幅器によって交流増幅さ
れ、ハイパスフィルタによって直流的なドリフト成分が
除去され、交流成分のみが加算器に出力される。そし
て、前記の直流成分と交流成分とが加算器においてアナ
ログ的に加算される。
この場合、直流増幅器と交流増幅器とが同一利得をも
ち、かつ、ローパスフィルタの周波数特性におけるスロ
ープとハイパスフィルタの周波数特性におけるスロープ
とが同一の減衰勾配をもち、かつ、同一のカットオフ周
波数でクロスオーバーするように構成されているから、
ローパスフィルタの出力信号とハイパスフィルタの出力
信号とを加算すると、広い周波数帯域にわたって利得が
平坦な出力信号が得られる。
F.実施例 以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。
第4図はこの発明の一実施例に係る広帯域計測増幅器
を荷重検出部の増幅に適用した場合の材料試験機の機械
系と電気系とを示す概略構成図である。
第4図において、1は試験機本体、2は試験機本体1
に内蔵されたサーボモータ、3はサーボモータ2に連動
連結された減速機構、4はそれぞれ試験機本体1から立
設された支柱、5は両支柱4の上端間に架設された固定
クロスヘッド、6はそれぞれ縦姿勢で試験機本体1と固
定クロスヘッド5との間に架設され、減速機構3に連動
連結されたネジ棒、7は両ネジ棒6に螺合された可動ク
ロスヘッドである。
8aは固定クロスヘッド5に取り付けられた上部チャッ
ク、8bは可動クロスヘッド7に取り付けられた下部チャ
ックで、上下両チャック8a,8bで試験片Mの両端を掴む
チャック機構8を構成している。
固定クロスヘッド5には試験片Mに与えられる荷重を
上部チャック8aを介して検出しその荷重を電気量に変換
するロードセル等の荷重検出部9が設けられている。
なお、サーボモータ2,減速機構3,固定クロスヘッド5,
ネジ棒6,可動クロスヘッド7によって、試験片Mに対し
荷重を与える負荷機構10が構成されている。
Aは荷重アンプとして適用された広帯域計測増幅器で
あり、試験片Mにかかる荷重が引張荷重のときはプラス
電圧が出力され、圧縮荷重のときはマイナス電圧が出力
されるように構成されている。この広帯域計測増幅器A
の具体的構成については後述する。
11は所望の条件でサーボモータ2を制御するコントロ
ーラ、12はサーボモータ2の駆動制御を直接に司るモー
タドライブ回路(サーボアンプ)である。
コントローラ11のUP端子からは可動クロスヘッド7を
上昇させる方向にサーボモータ2を回転するアップ信号
がモータドライブ回路12のU端子に出力され、DOWN端子
からは可動クロスヘッド7を下降させる方向にサーボモ
ータ2を回転するダウン信号がモータドライブ回路12の
D端子に出力され、CLOCK端子からはサーボモータ2の
回転速度を指令するクロック信号がモータドライブ回路
12のC端子に出力されるように構成されている。
なお、広帯域計測増幅器Aの出力信号はコントローラ
11にフィードバックされているとともに、図示しないレ
コーダに送信されるようになっている。
広帯域計測増幅器Aの具体的な回路構成を第1図に示
す。
第1図において、INは荷重検出部9からの微小信号を
入力する入力端子であり、この入力端子INには直流増幅
器21に入力端子と交流増幅器22の入力端子とが共通に接
続されている。直流増幅器21の利得と交流増幅器22の利
得とは互いに等しいものに構成されている。
直流増幅器21の次段には一次特性のローパスフィルタ
23が接続され、交流増幅器22の次段には一次特性のハイ
パスフィルタ24が接続されている。
ローパスフィルタ23の出力信号Saの周波数特性とハイ
パスフィルタ24の出力信号Sbの周波数特性、また、両者
の同一カットオフ周波数f0との関係は第2図に示すよう
な関係となるように構成されている。
すなわち、ローパスフィルタ23の出力信号Saの特性曲
線aにおけるスロープa1の減衰勾配と、ハイパスフィル
タ24の出力信号Sbの特性曲線bにおけるスロープb1の減
衰勾配とは互いに等しくなるように構成されている。ま
た、同一カットオフ周波数f0で両スロープa1,b1がクロ
スオーバーするものに構成されている。
そして、ローパスフィルタ23の出力端子とハイパスフ
ィルタ24の出力端子とはともにアナログの加算器25の2
入力端子に接続され、この加算器25の出力端子が広帯域
計測増幅器Aの出力端子OUTとなっている。
次に、この実施例の動作を説明する。
最初に材料試験の動作について説明する。試験片Mの
両端を上部チャック8aと下部チャック8bとで掴む。圧縮
試験を行うときには、コントローラ11に対して図示しな
いキーボードから圧縮試験に関する各種のデータを入力
しておく。その主なものが、サーボモータ2の回転方向
と回転速度である。
スタートスイッチをONすることにより、コントローラ
11からモータドライブ回路12を介してサーボモータ2に
アップ信号とクロック信号とを出力する。アップ信号に
よってサーボモータ2の回転方向が正転方向に決めら
れ、クロス信号の周波数によってサーボモータ2の回転
速度が決定される。サーボモータ2が正転すると、減速
機構3を介して両ネジ棒6を時計方向に回転するため、
可動クロスヘッド7が上昇し試験片Mに圧縮荷重を与え
る。
逆に、引張試験を行うときには、コントローラ11から
サーボモータ2にダウン信号とクロック信号とを出力す
る。サーボモータ2が逆転し、減速機構3を介して両ネ
ジ棒6を反時計方向に回転するため、可動クロスヘッド
7が下降し試験片Mに引張荷重を与える。
圧縮荷重または引張荷重は荷重検出部9によって検出
され、広帯域計測増幅器Aを介してコントローラ11にフ
ィードバックされ、制御量と目標値との偏差によってサ
ーボモータ2の駆動を継続する。偏差がゼロになった時
点でサーボモータ2を停止する。
荷重検出部9から広帯域計測増幅器Aの入力端子INに
入力される荷重検出信号は微小電圧(例えば、10mV)で
ある。この微小電圧信号は直流増幅器21と交流増幅器22
とに入力される。
直流増幅器21に入力された微小信号は直流増幅され、
ローパスフィルタ23によって高周波ノイズが除去され、
直流成分のみが加算器25に出力される。
また、交流増幅器22に入力された微小信号は交流増幅
され、ハイパスフィルタ24によって直流的なドリフト成
分が除去され、交流成分のみが加算器25に出力される。
加算器25では、ローパスフィルタ23からの直流成分と
ハイパスフィルタ24からの交流成分とが加算される。
ローパスフィルタ23の出力信号Saの周波数特性曲線a
とハイパスフィルタ24の出力信号Sbの周波数特性曲線b
との関係は第2図に示すような関係となっているから、
加算器25からの出力信号Scの特性曲線cは第3図に示す
ようにスロープa1,b1の部分が平坦化され、直流から高
い周波数領域までの広い周波数帯域にわたって利得が平
坦な出力信号Scが得られる。
したがって、直流増幅器21としては、ロードリフト特
性を重視したものであればよく、周波数特性は広帯域を
要求しないものですむ。また、交流増幅器22としては、
ローノイズで周波数特性が広帯域であることを重視した
ものであればよく、ロードリフト特性を要求しないです
む。
なお、上記実施例では、ローパスフィルタ23,ハイパ
スフィルタ24が一次フィルタで構成されていたが、高次
のフィルタを用いてもよい。ただし、その場合、加算器
25で合成した際に、周波数特性が広い帯域にわたって平
坦になるように回路定数を設定する必要がある。
また、上記実施例では、広帯域計測増幅器Aが処理す
る微小信号として荷重検出部9からの荷重信号を例にと
って説明したが、これに限定するものではなく、伸び,
歪み,変位その他の微小信号を処理するものとして広帯
域計測増幅器Aを適用してもよいことはいうまでもな
い。
G.発明の効果 この発明によれば、次の効果が発揮される。
すなわち、直流増幅した信号をローパスフィルタを通
すことによって高周波ノイズを除去する一方、交流増幅
した信号をハイパスフィルタを通すことによって直流的
なドリフト成分を除去することができる。また、ノイズ
除去後の直流成分とドリフト成分除去後の交流成分とを
加算するから、直流分を含む微小信号を入力するにもか
かわらず、ローノイズ、ロードリフトの状態で広い周波
数帯域にわたって利得の平坦な出力信号を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第4図はこの発明の一実施例に係り、第1
図は広帯域計測増幅器を示すブロック回路図、第2図は
ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの出力信号の
周波数特性図、第3図は加算信号の周波数特性図、第4
図は広帯域計測増幅器を荷重検出部の増幅に適用した場
合の材料試験機の機械系と電気系とを示す概略構成図で
ある。 A……広帯域計測増幅器 IN……入力端子 OUT……出力端子 21……直流増幅器 22……交流増幅器 23……ローパスフィルタ 24……ハイパスフィルタ 25……加算器 f0……カットオフ周波数 Sa……ローパスフィルタの出力信号 a……出力信号Saの特性曲線 a1……出力信号aのスロープ Sb……ハイパスフィルタの出力信号 b……出力信号Sbの特性曲線 b1……出力信号bのスロープ Sc……広帯域計測増幅器の出力信号 c……出力信号Scの特性曲線

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】微小信号の入力端子に接続された直流増幅
    器と、この直流増幅器の次段に接続されたローパスフィ
    ルタと、前記入力端子に接続された交流増幅器と、この
    交流増幅器の次段に接続されたハイパスフィルタと、前
    記ローパスフィルタからの出力信号と前記ハイパスフィ
    ルタからの出力信号とを加算する加算器とを備え、前記
    直流増幅器と交流増幅器とは同一利得をもつものに構成
    され、前記ローパスフィルタとハイパスフィルタとは、
    両者の出力信号の周波数特性が同一の減衰勾配をもち、
    かつ、同一のカットオフ周波数でクロスオーバーするよ
    うに構成されていることを特徴とする材料試験機におけ
    る広帯域計測増幅器。
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JP5353808B2 (ja) * 2010-04-23 2013-11-27 株式会社島津製作所 疲労試験機
JP5333335B2 (ja) * 2010-04-23 2013-11-06 株式会社島津製作所 材料試験機
JP2020205546A (ja) * 2019-06-18 2020-12-24 東芝テック株式会社 増幅装置
JP2025086057A (ja) * 2023-11-27 2025-06-06 Tdk株式会社 信号処理回路及びセンサユニット

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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