JP7637611B2

JP7637611B2 - Displacement measurement system, displacement measurement method, and program

Info

Publication number: JP7637611B2
Application number: JP2021194300A
Authority: JP
Inventors: 英雄野上; 基至原田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2025-02-28
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: JP2023080786A

Description

本開示は、変位計測システム、変位計測方法、及びプログラムに関する。 This disclosure relates to a displacement measurement system, a displacement measurement method, and a program.

変位を検出するセンサとして渦電流型変位センサが知られている。例えば、特許文献１には、コイルを含む検出部と、検出部に交流信号を供給する発振回路と、検出部に接続される外付回路と、検出部及び外付回路のインピーダンスの位相変動量に基づいて変位を検出する変位検出手段と、を備える変位センサが開示されている。 Eddy current displacement sensors are known as sensors that detect displacement. For example, Patent Document 1 discloses a displacement sensor that includes a detection unit that includes a coil, an oscillation circuit that supplies an AC signal to the detection unit, an external circuit that is connected to the detection unit, and a displacement detection means that detects displacement based on the amount of phase change in the impedance of the detection unit and the external circuit.

特開２００６－３８８４９号公報JP 2006-38849 A

このような変位センサを－１９６℃以下のような極低温環境下において使用した場合、計測対象物の変位に対する変位センサの出力電圧が大きくなり、計測対象物の変位が大きいと出力電圧が計測可能範囲を超えてしまい、正確に計測対象物の変位を計測できないという課題があった。また、温度変動が大きいと変位センサの温度と、その温度を計測する温度センサの温度に差が生じ、変位センサの温度補正を行う場合に不都合が生じるという課題があった。 When such a displacement sensor is used in an extremely low-temperature environment of -196°C or below, the output voltage of the displacement sensor increases in response to the displacement of the object being measured, and if the displacement of the object being measured is large, the output voltage exceeds the measurable range, making it impossible to accurately measure the displacement of the object being measured. In addition, if the temperature fluctuation is large, a difference occurs between the temperature of the displacement sensor and the temperature of the temperature sensor that measures that temperature, causing problems when performing temperature correction for the displacement sensor.

本開示は上記課題を鑑み、極低温環境下において変位を適切に計測可能な変位計測システム、変位計測方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present disclosure aims to provide a displacement measurement system, a displacement measurement method, and a program that can appropriately measure displacement in an extremely low temperature environment.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る変位計測システムは、コイルを有する変位検出部と、前記コイルの温度を計測する温度検出部と、前記変位検出部に交流電圧を印加する発振回路と、前記温度検出部が計測した前記コイルの温度に基づいて変位算出処理を実行する信号処理部と、前記発振回路が出力する交流電圧の振幅を、前記温度検出部が計測した前記コイルの温度に基づいて制御する振幅制御部と、を備える。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the displacement measurement system according to the present disclosure includes a displacement detection unit having a coil, a temperature detection unit that measures the temperature of the coil, an oscillation circuit that applies an AC voltage to the displacement detection unit, a signal processing unit that executes a displacement calculation process based on the temperature of the coil measured by the temperature detection unit, and an amplitude control unit that controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit based on the temperature of the coil measured by the temperature detection unit.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る変位計測方法は、変位検出部のコイルの温度を取得するステップと、取得したコイルの温度に基づいて、発振回路に出力させる交流電圧の振幅を決定するステップと、決定された交流電圧を発振回路に出力させるステップと、変位検出部の出力信号を取得するステップと、コイルの温度に基づいて変位を算出するステップと、を含む。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the displacement measurement method according to the present disclosure includes the steps of acquiring the temperature of the coil of the displacement detection unit, determining the amplitude of the AC voltage to be output from the oscillation circuit based on the acquired coil temperature, outputting the determined AC voltage to the oscillation circuit, acquiring an output signal of the displacement detection unit, and calculating the displacement based on the coil temperature.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るプログラムは、変位検出部のコイルの温度を取得するステップと、取得したコイルの温度に基づいて、発振回路に出力させる交流電圧の振幅を決定するステップと、決定された交流電圧を発振回路に出力させるステップと、変位検出部の出力信号を取得するステップと、コイルの温度に基づいて変位を算出するステップと、をコンピュータに実行させる。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the program disclosed herein causes a computer to execute the steps of acquiring the temperature of the coil of the displacement detection unit, determining the amplitude of the AC voltage to be output to the oscillation circuit based on the acquired coil temperature, outputting the determined AC voltage to the oscillation circuit, acquiring an output signal from the displacement detection unit, and calculating the displacement based on the coil temperature.

本発明によれば、極低温環境下において変位を適切に計測可能な変位計測システム、変位計測方法、及びプログラムを提供することができる。 The present invention provides a displacement measurement system, a displacement measurement method, and a program that can appropriately measure displacement in an extremely low temperature environment.

図１は、本開示に係る変位計測システムの構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating an example configuration of a displacement measuring system according to the present disclosure. 図２は、本開示に係るセンサ部の構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a sensor unit according to the present disclosure. 図３は、本開示に係る変位計測方法を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart illustrating a displacement measurement method according to the present disclosure. 図４は、本開示に係る交流電圧振幅制御の第１例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a first example of AC voltage amplitude control according to the present disclosure. 図５は、本開示に係る交流電圧振幅制御の第２例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a second example of AC voltage amplitude control according to the present disclosure. 図６は、本開示に係るセンサ部の構成の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of a sensor unit according to the present disclosure. 図７は、本開示に係る変位検出部温度と温度検出部温度の時間変化の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of the change over time in the displacement detection unit temperature and the temperature detection unit temperature according to the present disclosure. 図８は、本開示に係るセンサ部の構成の他の例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing another example of the configuration of the sensor unit according to the present disclosure.

以下に、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本開示が限定されるものではない。 Embodiments of the present disclosure are described in detail below with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments described below.

図１は、本開示に係る変位計測システムの構成例を示すブロック図である。図２は、本開示に係るセンサ部の構成の一例を示す図である。図１に示すように、本開示に係る変位計測システム１００は、センサ部１１０と、発振回路１２０と、振幅制御部１３０と、信号処理部１４０と、を備える。なお、振幅制御部１３０と、信号処理部１４０は、回路要素によってハードウェアとして構成されてよいが、各回路の機能をコンピュータに実行させるプログラムにより記述して、このプログラムをＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の演算処理装置に実行させることによりソフトウェアとして構成してもよい。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a displacement measurement system according to the present disclosure. FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a sensor unit according to the present disclosure. As shown in FIG. 1, a displacement measurement system 100 according to the present disclosure includes a sensor unit 110, an oscillator circuit 120, an amplitude control unit 130, and a signal processing unit 140. Note that the amplitude control unit 130 and the signal processing unit 140 may be configured as hardware using circuit elements, but may also be configured as software by describing the functions of each circuit using a program that causes a computer to execute the program, and having an arithmetic processing device such as a CPU (Central Processing Unit) execute the program.

センサ部１１０は、計測対象物に対面して配置され、測定対象物との距離を検出することで、測定対象物との変位を計測する。図２に示すように、センサ部１１０は、変位検出部１１１と、温度検出部１１２と、外筒１１３と、を備える。 The sensor unit 110 is disposed facing the object to be measured, and measures the displacement of the object to be measured by detecting the distance from the object to be measured. As shown in FIG. 2, the sensor unit 110 includes a displacement detection unit 111, a temperature detection unit 112, and an outer cylinder 113.

変位検出部１１１は、測定対象物と対面して配置され、測定対象物に対して非接触で、測定対象物との距離（ギャップ）を検出する。変位検出部１１１は、金属等の導電性材料を用いて形成され、交流電圧が印加された場合に計測対象物の変位によってインピーダンスが変化するコイル１３１を備える。変位検出部１１１は、コイル１３１の端部に導線１３２が接続され、発振回路１２０に接続されている。コイル１３１の形状は、螺旋状に形成されるソレノイドコイルであってよい。また、コイル１３１は空芯であってよい。コイル１３１は、発振回路１２０が印加する交流信号（交流電圧）が印加される。 The displacement detection unit 111 is disposed facing the object to be measured, and detects the distance (gap) to the object to be measured without contacting the object to be measured. The displacement detection unit 111 is formed using a conductive material such as metal, and includes a coil 131 whose impedance changes depending on the displacement of the object to be measured when an AC voltage is applied. The displacement detection unit 111 has a conductor 132 connected to an end of the coil 131, and is connected to the oscillation circuit 120. The coil 131 may be a solenoid coil formed in a spiral shape. The coil 131 may also be an air core. The AC signal (AC voltage) applied by the oscillation circuit 120 is applied to the coil 131.

コイル１３１は、発振回路１２０によって印加された交流電圧に応じて高周波電流が流れ、高周波磁界を発生させる。この磁界内に計測対象物が位置していると、磁界の電磁誘導作用により計測対象物の表面を通過する磁束の周りに渦電流が流れて、コイル１３１のインピーダンスが変化する。コイル１３１のインピーダンスは、コイル１３１と計測対象物との距離によって変化する為、コイル１３１のインピーダンスの変化によるコイル１３１の出力電圧の変化を計測することで、計測対象物の変位を計測することができる。 A high-frequency current flows through coil 131 in response to the AC voltage applied by oscillator circuit 120, generating a high-frequency magnetic field. When an object to be measured is located within this magnetic field, eddy currents flow around the magnetic flux passing through the surface of the object to be measured due to the electromagnetic induction effect of the magnetic field, causing the impedance of coil 131 to change. Since the impedance of coil 131 changes depending on the distance between coil 131 and the object to be measured, the displacement of the object to be measured can be measured by measuring the change in the output voltage of coil 131 due to the change in impedance of coil 131.

温度検出部１１２は、変位検出部１１１が有するコイル１３１の温度を計測する。温度検出部１１２は、センサ部１１０の内部に配置される。温度検出部１１２は、先端部がコイル１３１に接触してもよい。温度検出部１１２は、－１９６℃以下の低温域の温度を検出可能なセンサである。温度検出部１１２は、熱電対を用いることができる。熱電対は、例えば、クロメル（登録商標）－アルメル（登録商標）熱電対（ＪＩＳＣ１６０２に規定される熱電対の種類の記号Ｋ）、クロメル（登録商標）－コンスタンタン熱電対（ＪＩＳＣ１６０２に規定される熱電対の種類の記号Ｅ）、ナイクロシル－ナイシル熱電対（ＪＩＳＣ１６０２に規定される熱電対の種類の記号Ｎ）、銅－コンスタンタン熱電対（ＪＩＳＣ１６０２に規定される熱電対の種類の記号Ｔ）などであってよい。 The temperature detection unit 112 measures the temperature of the coil 131 of the displacement detection unit 111. The temperature detection unit 112 is disposed inside the sensor unit 110. The tip of the temperature detection unit 112 may be in contact with the coil 131. The temperature detection unit 112 is a sensor capable of detecting temperatures in the low temperature range of -196°C or lower. The temperature detection unit 112 may use a thermocouple. The thermocouple may be, for example, a chromel (registered trademark)-alumel (registered trademark) thermocouple (symbol K of the thermocouple type specified in JIS C 1602), a chromel (registered trademark)-constantan thermocouple (symbol E of the thermocouple type specified in JIS C 1602), a nicrosil-nisil thermocouple (symbol N of the thermocouple type specified in JIS C 1602), or a copper-constantan thermocouple (symbol T of the thermocouple type specified in JIS C 1602).

外筒１１３は、変位検出部１１１と温度検出部１１２を内部に収容する収納容器である。外筒１１３の形状は例えば、一方が開口した中空有底円筒状の形状であってよい。また、外筒１１３の材料には例えば、樹脂やセラミックなどの非導電性材料を用いてよい。 The outer cylinder 113 is a storage container that houses the displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112 inside. The shape of the outer cylinder 113 may be, for example, a hollow cylindrical shape with one end open and a bottom. The material of the outer cylinder 113 may be, for example, a non-conductive material such as resin or ceramic.

発振回路１２０は、変位検出部１１１のコイル１３１に交流電圧を印加する。発振回路１２０は、変位検出部１１１が有するコイル１３１のインダクタンスに対応した周波数の交流電圧を出力する。発振回路１２０は、例えば、高周波発振回路であるＬＣ発振回路によって構成される。なお、発振回路１２０の構成は特に限定されない。ＬＣ発振回路は、ハートレー型、コルピッツ型、コレクタ同調型、ベース同調型、エミッタ同調型などの方式によって構成されてよい。 The oscillator circuit 120 applies an AC voltage to the coil 131 of the displacement detection unit 111. The oscillator circuit 120 outputs an AC voltage with a frequency corresponding to the inductance of the coil 131 of the displacement detection unit 111. The oscillator circuit 120 is configured, for example, by an LC oscillator circuit, which is a high-frequency oscillator circuit. Note that the configuration of the oscillator circuit 120 is not particularly limited. The LC oscillator circuit may be configured by a method such as a Hartley type, a Colpitts type, a collector-tuned type, a base-tuned type, or an emitter-tuned type.

振幅制御部１３０は、発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅、つまり、電圧値を、温度検出部１１２が計測したコイル１３１の温度に基づいて制御する。振幅制御部１３０は、発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を、低温側から高温側に向かって、コイル１３１の温度の変化に対して連続的に増加させて制御する。振幅制御部１３０は、例えば、予め変位検出部１１１の温度特性を取得しておき、これを記憶して補正処理を実行してよい。また、予め計測した校正データを用いた回帰式を用いて変換してもよい。 The amplitude control unit 130 controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120, i.e., the voltage value, based on the temperature of the coil 131 measured by the temperature detection unit 112. The amplitude control unit 130 controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120 by continuously increasing it from the low temperature side to the high temperature side in response to changes in the temperature of the coil 131. The amplitude control unit 130 may, for example, acquire the temperature characteristics of the displacement detection unit 111 in advance, store this, and perform correction processing. Also, conversion may be performed using a regression equation that uses calibration data measured in advance.

信号処理部１４０は、変位検出部１１１の出力信号と温度検出部が計測したコイル１３１の温度とに基づいて変位算出処理を実行する。信号処理部１４０は、ＣＰＵ等の演算装置と、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置を有する演算処理装置である。信号処理部１４０は、プログラムが記憶され、ブログラムに基づいて各部の処理を制御し、計測対象物との距離を算出する。 The signal processing unit 140 executes a displacement calculation process based on the output signal of the displacement detection unit 111 and the temperature of the coil 131 measured by the temperature detection unit. The signal processing unit 140 is a calculation processing device having a calculation device such as a CPU and storage devices such as a ROM and RAM. The signal processing unit 140 stores a program, controls the processing of each unit based on the program, and calculates the distance to the measurement object.

信号処理部１４０は、温度検出部１１２で検出した温度の検出結果に基づいて、交流電圧の振幅を決定し、振幅制御部１３０と発振回路１２０を制御して、決定した振幅の交流電圧をコイル１３１に入力させて、変位検出部１１１で検出した信号を取得する。信号処理部１４０は、検出した信号を入力信号の条件と、温度の検出結果に基づいて、処理して検出対象物との距離を算出する。信号処理部１４０は、距離の変化に基づいて変位を検出することができる。 The signal processing unit 140 determines the amplitude of the AC voltage based on the temperature detection result detected by the temperature detection unit 112, and controls the amplitude control unit 130 and the oscillator circuit 120 to input the AC voltage of the determined amplitude to the coil 131, thereby acquiring the signal detected by the displacement detection unit 111. The signal processing unit 140 processes the detected signal based on the conditions of the input signal and the temperature detection result to calculate the distance to the detection target. The signal processing unit 140 can detect displacement based on the change in distance.

次に、図３を用いて、変位計測方法について説明する。図３は、本開示に係る変位計測方法を示すフローチャートである。図３に示すように、本開示に係る変位計測方法は、以下に説明する５つのステップにより構成される。まず、変位検出部１１１が有するコイル１３１の温度を取得する（ステップＳ１００）。続いて、取得したコイル１３１の温度に基づいて、発振回路１２０に出力させる交流電圧の振幅を決定する（ステップＳ１１０）。続いて、決定された振幅で交流電圧を発振回路１２０に出力させる（ステップＳ１２０）。続いて、変位検出部１１１の出力信号を取得する（ステップＳ１３０）。続いて、コイル１３１の温度に基づいて変位を算出する（ステップＳ１４０）。 Next, the displacement measurement method will be described with reference to FIG. 3. FIG. 3 is a flowchart showing the displacement measurement method according to the present disclosure. As shown in FIG. 3, the displacement measurement method according to the present disclosure is composed of five steps described below. First, the temperature of the coil 131 of the displacement detection unit 111 is acquired (step S100). Next, the amplitude of the AC voltage to be output from the oscillation circuit 120 is determined based on the acquired temperature of the coil 131 (step S110). Next, the AC voltage with the determined amplitude is output from the oscillation circuit 120 (step S120). Next, the output signal of the displacement detection unit 111 is acquired (step S130). Next, the displacement is calculated based on the temperature of the coil 131 (step S140).

これにより、変位計測システム１００は、変位検出部１１１の温度を検出し、検出した温度に基づいて、計測時の交流電圧の振幅を調整することで、極低温領域などの計測対象物の変位に対する出力信号の感度が大きくなる温度範囲であっても、正確に計測対象物の変位を算出することが可能となる。 As a result, the displacement measurement system 100 detects the temperature of the displacement detection unit 111 and adjusts the amplitude of the AC voltage during measurement based on the detected temperature, making it possible to accurately calculate the displacement of the measurement object even in a temperature range where the sensitivity of the output signal to the displacement of the measurement object is high, such as in an extremely low temperature region.

図４は、本開示に係る交流電圧振幅制御の一例を示す図である。図４は、横軸がセンサ温度、つまり変位検出部１１１の温度である。温度Ｔ１、Ｔ２は、極低温領域の温度である。ここで、極低温領域とは例えば－１９６℃以下の温度である。例えば、Ｔ１は、－２５３℃、Ｔ２は、－１９６℃である。図４に示すように、振幅制御部１３０は、コイル１３１の温度に対して低温側から高温側に向かって連続的に増加するように交流電圧振幅を制御する。図４に示すように、変位検出部１１１は、センサの温度が低下するほど、センサ感度が高くなる。特に、極低温領域においては、計測対象物の変位に対するコイル１３１の出力電圧の変化が大きくなり、センサ感度が大きくなる。コイル１３１は、温度が下がるとコイル１３１の抵抗が下がることからコイル１３１のインピーダンスが減少して、コイル１３１に交流電流が流れやすくなる影響等と考えられる。 Figure 4 is a diagram showing an example of AC voltage amplitude control according to the present disclosure. In Figure 4, the horizontal axis is the sensor temperature, that is, the temperature of the displacement detection unit 111. Temperatures T1 and T2 are temperatures in the extremely low temperature region. Here, the extremely low temperature region is, for example, a temperature below -196°C. For example, T1 is -253°C, and T2 is -196°C. As shown in Figure 4, the amplitude control unit 130 controls the AC voltage amplitude so that the temperature of the coil 131 increases continuously from the low temperature side to the high temperature side. As shown in Figure 4, the displacement detection unit 111 has a higher sensor sensitivity as the temperature of the sensor decreases. In particular, in the extremely low temperature region, the change in the output voltage of the coil 131 with respect to the displacement of the measurement object becomes larger, and the sensor sensitivity becomes higher. When the temperature of the coil 131 decreases, the resistance of the coil 131 decreases, so the impedance of the coil 131 decreases, which is thought to be an effect of making it easier for an AC current to flow through the coil 131.

本実施形態に係る振幅制御部１３０は、交流電圧振幅で示すようにセンサ温度に対して連続的に振幅を変化させる。具体的には、振幅制御部１３０は、極低温領域において発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を常温領域と比較して小さく設定することによって、コイル１３１に印加する交流電圧を常温領域と比較して小さくすることで、極低温領域のコイル１３１の出力電圧の振幅を小さくする。すなわち、振幅制御部１３０は発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を変位検出部１１１の出力信号の振幅が計測可能範囲に含まれるように低温側の交流電圧の振幅を小さく制御する。そのため、極低温領域のコイル１３１の出力電圧の振幅を信号処理部１４０の出力電圧の計測可能範囲に収めることが可能となる。したがって、振幅制御部１３０が上述のように発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を制御することによって、極低温領域においても適切に計測対象物の変位を計測することが可能となる。例えば、温度に基づいて出力された信号を補正すると、変位検出部１１１の出力信号の振幅が信号処理部１４０の出力電圧の計測可能範囲を超えて変位が計測できない温度変化が生じた場合でも、変位を計測することができる。また、ごく低温領域に対応するために、感度を低く設定し、感度が低い温度域、例えば、Ｔ２よりも高い温度で変位の計測精度が低下することも抑制できる。 The amplitude control unit 130 according to this embodiment continuously changes the amplitude with respect to the sensor temperature as shown by the AC voltage amplitude. Specifically, the amplitude control unit 130 sets the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120 in the cryogenic temperature region to be smaller than that in the normal temperature region, thereby reducing the amplitude of the output voltage of the coil 131 in the cryogenic temperature region by reducing the AC voltage applied to the coil 131 compared to that in the normal temperature region. That is, the amplitude control unit 130 controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120 to be smaller on the low temperature side so that the amplitude of the output signal of the displacement detection unit 111 is included in the measurable range. Therefore, it is possible to keep the amplitude of the output voltage of the coil 131 in the cryogenic temperature region within the measurable range of the output voltage of the signal processing unit 140. Therefore, by the amplitude control unit 130 controlling the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120 as described above, it is possible to appropriately measure the displacement of the measurement object even in the cryogenic temperature region. For example, by correcting the output signal based on temperature, it is possible to measure the displacement even when a temperature change occurs in which the amplitude of the output signal from the displacement detection unit 111 exceeds the measurable range of the output voltage of the signal processing unit 140 and the displacement cannot be measured. In addition, in order to accommodate very low temperature regions, the sensitivity can be set low, and the decrease in the accuracy of the displacement measurement can be suppressed in a temperature range with low sensitivity, for example, at temperatures higher than T2.

図５は、本開示に係る交流電圧振幅制御の他の例を示す図である。振幅制御部１３０は、図５に示すように、コイル１３１の温度を複数の範囲に分割し、コイル１３１の温度が特定の範囲に含まれる場合に、発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を特定の振幅に設定してもよい。図５には、センサ温度の温度Ｔ１からＴ２までの温度範囲を２分割している。この場合、分割した温度範囲のうち、センサ温度が低温側の温度範囲では、交流電圧の振幅が高温側の温度範囲と比較して小さくなるように制御する。また、振幅制御部１３０は、センサ温度の温度Ｔ１からＴ２までの温度範囲を２分割した温度の範囲のうち、センサ温度が高温側の温度範囲に含まれる場合、交流電圧の振幅を低温側の温度範囲と比較して大きくなるように制御する。ここで、交流電圧の振幅は、変位検出部１１１の出力信号の振幅が計測可能範囲に含まれるように設定することが好ましい。なお、振幅制御部１３０が交流電圧の振幅を段階的に変化させて制御する温度範囲は、例えば、特にセンサ感度の変化が大きい－２５３℃（２０Ｋ）から－１９６℃（７７Ｋ）の温度範囲であってよい。また、コイル１３１の温度を分割する数は２分割に限定されるものではなく、その他の任意の数に分割してよい。 5 is a diagram showing another example of the AC voltage amplitude control according to the present disclosure. As shown in FIG. 5, the amplitude control unit 130 may divide the temperature of the coil 131 into a plurality of ranges, and set the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120 to a specific amplitude when the temperature of the coil 131 is included in a specific range. In FIG. 5, the temperature range of the sensor temperature from temperature T1 to T2 is divided into two. In this case, the amplitude of the AC voltage is controlled to be smaller in the temperature range where the sensor temperature is on the lower side than in the temperature range on the higher side among the divided temperature ranges. In addition, the amplitude control unit 130 controls the amplitude of the AC voltage to be larger than in the temperature range on the lower side when the sensor temperature is included in the temperature range obtained by dividing the temperature range of the sensor temperature from temperature T1 to T2 into two. Here, it is preferable to set the amplitude of the AC voltage so that the amplitude of the output signal of the displacement detection unit 111 is included in the measurable range. The temperature range over which the amplitude control unit 130 controls the amplitude of the AC voltage by gradually changing it may be, for example, a temperature range from -253°C (20K) to -196°C (77K), in which the change in sensor sensitivity is particularly large. Also, the number of divisions into which the temperature of the coil 131 is divided is not limited to two, and may be any other number of divisions.

これにより、簡易な制御方式によって低コストで発振回路１２０が出力する交流電圧を制御することができる。そのため、極低温領域においても信号処理部１４０の計測可能範囲を超える出力信号が発せられることを抑制することで、計測対象物の変位を計測可能とすることが可能となる。 This allows the AC voltage output by the oscillator circuit 120 to be controlled at low cost using a simple control method. Therefore, by preventing the output signal from exceeding the measurable range of the signal processing unit 140 even in an extremely low temperature region, it becomes possible to measure the displacement of the object to be measured.

ここで、振幅制御部１３０は、２７℃の振幅に対する－２５３℃の振幅の変化率が、２７℃の振幅に対する－１９６℃の振幅の変化率の、１．６倍以上であることが好ましい。これにより、極低温領域よりも高温領域での変位を計測可能な状態にしつつ、極低温領域で高い感度で変位を検出することができる。 Here, it is preferable that the amplitude control unit 130 has a rate of change of the amplitude at -253°C relative to the amplitude at 27°C that is 1.6 times or more the rate of change of the amplitude at -196°C relative to the amplitude at 27°C. This makes it possible to detect displacement with high sensitivity in the cryogenic temperature region while making it possible to measure displacement in high temperature regions rather than in the cryogenic temperature region.

図６は、本開示に係るセンサ部の構成の一例を示す図である。図６に示す変位計測システムのセンサ部１１０ａは、変位検出部１１１と、温度検出部１１２と、外筒１１３と、真空層部１１４と、を有する。変位検出部１１１と、温度検出部１１２は、第１実施形態に係る変位計測システム１００の変位検出部１１１、温度検出部１１２と同じであるから説明を省略する。 Figure 6 is a diagram showing an example of the configuration of a sensor unit according to the present disclosure. The sensor unit 110a of the displacement measurement system shown in Figure 6 has a displacement detection unit 111, a temperature detection unit 112, an outer cylinder 113, and a vacuum layer unit 114. The displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112 are the same as the displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112 of the displacement measurement system 100 according to the first embodiment, and therefore a description thereof will be omitted.

真空層部１１４は、変位検出部１１１を覆う外筒１１３、又は変位検出部１１１の周囲に設けられ、変位検出部１１１への熱の流入を抑制する。 The vacuum layer 114 is provided on the outer tube 113 that covers the displacement detection unit 111 or around the displacement detection unit 111, and suppresses the inflow of heat into the displacement detection unit 111.

真空層部１１４は、内部の気圧が極端に低く抑えられた断熱層である。真空層部１１４の真空度は、外筒１１３の先端から変位検出部１１１のコイル１３１の先端の位置までの間隔の制約から１０^－２Ｐａ以下とすることが好ましい。真空層部１１４の真空度は低いほど熱伝導率が低下するため好ましいが、製造上の制約などにより１０^－４Ｐａ以上の真空度であってもよい。これにより、変位検出部１１１への熱量の流入が抑制される為、変位検出部１１１の温度変動が低減される。そのため、極低温領域などの温度変動が過酷な環境下においても、変位検出部１１１の出力信号を周囲環境の温度変動に対して安定させることができる。 The vacuum layer 114 is a heat insulating layer in which the internal air pressure is kept extremely low. The degree of vacuum of the vacuum layer 114 is preferably 10 ⁻² Pa or less due to the constraint of the distance from the tip of the outer tube 113 to the tip of the coil 131 of the displacement detection unit 111. The lower the degree of vacuum of the vacuum layer 114, the lower the thermal conductivity, which is preferable, but the degree of vacuum may be 10 ⁻⁴ Pa or more due to manufacturing constraints, etc. This suppresses the inflow of heat into the displacement detection unit 111, thereby reducing temperature fluctuations of the displacement detection unit 111. Therefore, even in an environment with severe temperature fluctuations such as an extremely low temperature region, the output signal of the displacement detection unit 111 can be stabilized against temperature fluctuations in the surrounding environment.

図７は、変位検出部温度と温度検出部温度の時間変化の一例を示す図である。図７に示すように極低温領域などの時間に対する温度変動が大きい環境下では、変位検出部温度と温度検出部温度の温度変化に時間遅れが生じることが想定される。この場合、変位検出部温度と温度検出部温度との間に、例えば図７に示す温度差ΔＴ１のような温度差が生じる。センサ感度の変化が急激な極低温領域においては、僅かな温度差によって変位検出部１１１の出力電圧から求められる変位が大きくずれる可能性がある。センサ部１１０ａは、真空層部１１４を設け、変位検出部１１１の温度変動を小さくすることによって、変位検出部１１１と温度検出部１１２との間の温度差を小さくすることができる。したがって、極低温領域において適切に計測対象物の変位を計測することが可能となる。 Figure 7 is a diagram showing an example of the change in temperature of the displacement detection unit and the temperature detection unit over time. As shown in Figure 7, in an environment where the temperature changes over time are large, such as an extremely low temperature region, it is expected that a time delay will occur in the temperature change of the displacement detection unit and the temperature detection unit. In this case, a temperature difference such as the temperature difference ΔT1 shown in Figure 7 will occur between the displacement detection unit temperature and the temperature detection unit temperature. In an extremely low temperature region where the sensor sensitivity changes rapidly, a slight temperature difference may cause the displacement obtained from the output voltage of the displacement detection unit 111 to deviate significantly. The sensor unit 110a is provided with a vacuum layer portion 114, which reduces the temperature fluctuation of the displacement detection unit 111, thereby reducing the temperature difference between the displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112. Therefore, it is possible to properly measure the displacement of the measurement object in an extremely low temperature region.

図８は、本開示に係るセンサ部の構成の他の例を示す図である。図８に示す変位計測システムのセンサ部１１０ｂは、変位検出部１１１と、温度検出部１１２と、外筒１１３と、伝熱部１１５と、を有する。変位検出部１１１と、温度検出部１１２は、センサ部１１０の変位検出部１１１と、温度検出部１１２と同じであるから説明を省略する。 Figure 8 is a diagram showing another example of the configuration of a sensor unit according to the present disclosure. The sensor unit 110b of the displacement measurement system shown in Figure 8 has a displacement detection unit 111, a temperature detection unit 112, an outer cylinder 113, and a heat transfer unit 115. The displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112 are the same as the displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112 of the sensor unit 110, and therefore a description thereof will be omitted.

伝熱部１１５は、変位検出部１１１と温度検出部１１２との間に設けられ、変位検出部１１１と温度検出部１１２との間の熱量の移動を促進する。伝熱部１１５は、液体水素、液体ヘリウム、ネオンなどの流体を変位検出部１１１と温度検出部１１２との間において循環させる構成としてよい。これにより、当該流体と変位検出部１１１と温度検出部１１２との間において強制対流熱伝達を発生させることができるため、変位検出部１１１と温度検出部１１２との間における温度差を縮小することができる。 The heat transfer section 115 is provided between the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112, and promotes the transfer of heat between the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112. The heat transfer section 115 may be configured to circulate a fluid such as liquid hydrogen, liquid helium, or neon between the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112. This allows forced convection heat transfer to occur between the fluid and the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112, thereby reducing the temperature difference between the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112.

したがって、信号処理部１４０における変位算出処理において、温度検出部１１２の温度計測値を変位検出部１１１の温度と同じとみなしてよく、変位検出部１１１の温度を正確に反映して、計測対象物の変位を算出することが可能となる。そのため、極低温領域などの温度変動が大きい環境であっても、計測対象物の変位を正確に計測することが可能となる。 Therefore, in the displacement calculation process in the signal processing unit 140, the temperature measurement value of the temperature detection unit 112 can be regarded as the same as the temperature of the displacement detection unit 111, and it is possible to calculate the displacement of the measurement object by accurately reflecting the temperature of the displacement detection unit 111. Therefore, it is possible to accurately measure the displacement of the measurement object even in an environment with large temperature fluctuations, such as an extremely low temperature region.

（構成と効果）
本開示に係る変位計測システム１００は、コイル１３１を有する変位検出部１１１と、コイル１３１の温度を計測する温度検出部１１２と、変位検出部１１１に交流電圧を印加する発振回路１２０と、温度検出部１１２が計測したコイル１３１の温度に基づいて変位算出処理を実行する信号処理部１４０と、発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を、温度検出部１１２が計測したコイル１３１の温度に基づいて制御する振幅制御部１３０と、を備える。 (Composition and Effects)
The displacement measurement system 100 according to the present disclosure comprises a displacement detection unit 111 having a coil 131, a temperature detection unit 112 that measures the temperature of the coil 131, an oscillation circuit 120 that applies an AC voltage to the displacement detection unit 111, a signal processing unit 140 that executes a displacement calculation process based on the temperature of the coil 131 measured by the temperature detection unit 112, and an amplitude control unit 130 that controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit 120 based on the temperature of the coil 131 measured by the temperature detection unit 112.

この構成によれば、温度によるコイル１３１の抵抗変化による変位検出部１１１の変位に対する出力信号のセンサ感度への影響を発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅に反映することができる。そのため、温度による変位検出部１１１の出力信号の変化を考慮して、計測対象物の変位を算出することが可能となる。 With this configuration, the effect on the sensor sensitivity of the output signal for the displacement of the displacement detection unit 111 due to the temperature-induced change in resistance of the coil 131 can be reflected in the amplitude of the AC voltage output by the oscillator circuit 120. Therefore, it is possible to calculate the displacement of the object to be measured by taking into account the change in the output signal of the displacement detection unit 111 due to temperature.

本開示に係る変位計測システム１００の信号処理部１４０は、さらに変位検出部１１１の出力信号にも基づいて変位算出処理を実行する。 The signal processing unit 140 of the displacement measurement system 100 according to the present disclosure further performs a displacement calculation process based on the output signal of the displacement detection unit 111.

本開示に係る変位計測システム１００の振幅制御部１３０は、発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を、低温側から高温側に向かって、コイル１３１の温度の変化に対して連続的に増加するように変化させて制御することが好ましい。 It is preferable that the amplitude control unit 130 of the displacement measurement system 100 according to the present disclosure controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillator circuit 120 by changing it so that it increases continuously from the low temperature side to the high temperature side in response to the change in temperature of the coil 131.

この構成によれば、極低温領域などの計測対象物の変位に対する変位検出部１１１の出力信号のセンサ感度が大きくなる温度範囲であっても、変位検出部１１１の出力信号の振幅が計測可能範囲を超えることを抑制することができる。そのため、極低温環境下であっても正確に計測対象物の変位を算出することが可能となる。 With this configuration, even in a temperature range where the sensor sensitivity of the output signal of the displacement detection unit 111 to the displacement of the measurement object is high, such as in an extremely low temperature region, the amplitude of the output signal of the displacement detection unit 111 can be prevented from exceeding the measurable range. Therefore, it is possible to accurately calculate the displacement of the measurement object even in an extremely low temperature environment.

本開示に係る変位計測システム１００の振幅制御部１３０は、コイル１３１の温度を複数の区間に分割し、コイル１３１の温度が特定の区間に含まれる場合に、発振回路１２０が特定の交流電圧の振幅を出力するように制御し、かつ、低温側から高温側に向かって、交流電圧の振幅を段階的に増加させるように制御することが好ましい。 The amplitude control unit 130 of the displacement measurement system 100 according to the present disclosure preferably divides the temperature of the coil 131 into a plurality of sections, controls the oscillation circuit 120 to output a specific AC voltage amplitude when the temperature of the coil 131 falls within a specific section, and controls the amplitude of the AC voltage to be increased stepwise from the low temperature side to the high temperature side.

この構成によれば、簡易な制御方式によって低コストで発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅を制御することができる。また、極低温領域などの計測対象物の変位に対する変位検出部１１１の出力信号の感度が大きくなる温度範囲であっても、変位検出部１１１の出力信号の振幅が計測可能範囲を超えることを抑制することができる。そのため、極低温環境下であっても正確に計測対象物の変位を算出することが可能となる。 With this configuration, the amplitude of the AC voltage output by the oscillator circuit 120 can be controlled at low cost using a simple control method. Furthermore, even in a temperature range where the sensitivity of the output signal of the displacement detection unit 111 to the displacement of the measurement object becomes high, such as in an extremely low temperature region, the amplitude of the output signal of the displacement detection unit 111 can be prevented from exceeding the measurable range. Therefore, it is possible to accurately calculate the displacement of the measurement object even in an extremely low temperature environment.

変位検出部１１１を覆う外筒１１３、又は変位検出部１１１の周囲に設けられ、変位検出部１１１への熱量の流入を妨げる真空層部１１４と、を備えることが好ましい。 It is preferable to have an outer cylinder 113 that covers the displacement detection unit 111, or a vacuum layer 114 that is provided around the displacement detection unit 111 and prevents heat from entering the displacement detection unit 111.

この構成によれば、変位検出部１１１の温度変動を抑制することが可能となる為、温度による変位検出部１１１の変位に対する出力信号の感度の変化を緩和することが可能となる。そのため、極低温領域などの計測対象物の変位に対する変位検出部１１１の出力信号の感度が大きくなる温度範囲であっても、正確に計測対象物の変位を算出することが可能となる。 This configuration makes it possible to suppress temperature fluctuations in the displacement detection unit 111, thereby mitigating changes in the sensitivity of the output signal of the displacement detection unit 111 to the displacement due to temperature. Therefore, even in a temperature range where the sensitivity of the output signal of the displacement detection unit 111 to the displacement of the measurement object becomes high, such as in an extremely low temperature region, it becomes possible to accurately calculate the displacement of the measurement object.

変位検出部１１１と温度検出部１１２との間に設けられ、変位検出部１１１と温度検出部１１２との間の熱量の移動を促進する伝熱部１１５と、を備えることが好ましい。 It is preferable to have a heat transfer section 115 provided between the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112 to promote the transfer of heat between the displacement detection section 111 and the temperature detection section 112.

この構成によれば、変位検出部１１１と温度検出部１１２の温度差を抑制することが可能となる。そのため、極低温領域における変位計測などの時間による温度変動が大きい場合であっても、正確に計測対象物の変位を算出することが可能となる。 This configuration makes it possible to suppress the temperature difference between the displacement detection unit 111 and the temperature detection unit 112. Therefore, even when there is a large temperature fluctuation over time, such as in displacement measurement in an extremely low temperature region, it is possible to accurately calculate the displacement of the measurement object.

本開示に係る変位計測方法は、変位検出部１１１が有するコイル１３１の温度を取得するステップと、取得したコイル１３１の温度に基づいて、発振回路１２０に出力させる交流電圧の振幅を決定するステップと、決定された振幅で交流電圧を発振回路１２０に出力させるステップと、変位検出部１１１の出力信号を取得するステップと、コイル１３１の温度に基づいて変位を算出するステップと、を含む。 The displacement measurement method according to the present disclosure includes the steps of acquiring the temperature of the coil 131 of the displacement detection unit 111, determining the amplitude of the AC voltage to be output from the oscillation circuit 120 based on the acquired temperature of the coil 131, causing the oscillation circuit 120 to output the AC voltage with the determined amplitude, acquiring an output signal from the displacement detection unit 111, and calculating the displacement based on the temperature of the coil 131.

この構成によれば、この構成によれば、温度によるコイル１３１の抵抗変化による変位検出部１１１の変位に対する出力信号のセンサ感度への影響を発振回路１２０が出力する交流電圧の振幅に反映することができる。そのため、温度による変位検出部１１１の出力信号の変化を考慮して、計測対象物の変位を算出することが可能となる。 With this configuration, the effect of temperature-induced resistance changes in the coil 131 on the sensor sensitivity of the output signal relative to the displacement of the displacement detection unit 111 can be reflected in the amplitude of the AC voltage output by the oscillator circuit 120. Therefore, it is possible to calculate the displacement of the object to be measured by taking into account the change in the output signal of the displacement detection unit 111 due to temperature.

本開示に係るプログラムは、変位検出部１１１が有するコイル１３１の温度を取得するステップと、取得したコイル１３１の温度に基づいて、発振回路１２０に出力させる交流電圧の振幅を決定するステップと、決定された振幅で交流電圧を発振回路１２０に出力させるステップと、変位検出部１１１の出力信号を取得するステップと、コイル１３１の温度に基づいて変位を算出するステップと、をコンピュータに実行させる。 The program according to the present disclosure causes a computer to execute the steps of acquiring the temperature of the coil 131 of the displacement detection unit 111, determining the amplitude of the AC voltage to be output from the oscillation circuit 120 based on the acquired temperature of the coil 131, causing the oscillation circuit 120 to output the AC voltage with the determined amplitude, acquiring the output signal of the displacement detection unit 111, and calculating the displacement based on the temperature of the coil 131.

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment is not limited to the contents of this embodiment. The above-mentioned components include those that a person skilled in the art can easily imagine, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range. Furthermore, the above-mentioned components can be combined as appropriate. Furthermore, various omissions, substitutions, or modifications of the components can be made without departing from the spirit of the above-mentioned embodiment.

１００変位計測システム
１１０、１１０ａ、１１０ｂセンサ部
１１１変位検出部
１１２温度検出部
１１３外筒
１１４真空層部
１１５伝熱部
１２０発振回路
１３０振幅制御部
１４０信号処理部
REFERENCE SIGNS LIST 100 Displacement measurement system 110, 110a, 110b Sensor section 111 Displacement detection section 112 Temperature detection section 113 Outer cylinder 114 Vacuum layer section 115 Heat transfer section 120 Oscillation circuit 130 Amplitude control section 140 Signal processing section

Claims

A displacement detection unit having a coil;
A temperature detection unit that measures the temperature of the coil;
an oscillator circuit that applies an AC voltage having a frequency corresponding to the inductance of the coil to the displacement detection unit;
a signal processing unit that executes a displacement calculation process based on the temperature of the coil measured by the temperature detection unit;
an amplitude control unit that controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit based on the temperature of the coil measured by the temperature detection unit ;
The amplitude control section is configured such that a rate of change of the amplitude at −253° C. relative to the amplitude at 27° C. is 1.6 times or more of a rate of change of the amplitude at −196° C. relative to the amplitude at 27° C.
Displacement measurement system.

The signal processing unit further executes a displacement calculation process based on the output signal of the displacement detection unit.
The displacement measurement system according to claim 1 .

The amplitude control unit controls the amplitude of the AC voltage output by the oscillation circuit by continuously increasing the amplitude from a low temperature side to a high temperature side with respect to the temperature of the coil.
The displacement measuring system according to claim 1 or 2.

The amplitude control unit divides the temperature of the coil into a plurality of sections, and when the temperature of the coil is included in a specific section, controls the oscillation circuit to output a specific AC voltage amplitude, and controls the amplitude of the AC voltage to be increased stepwise from the low temperature side to the high temperature side.
The displacement measuring system according to claim 1 or 2.

An outer cylinder covering the displacement detection unit, or a vacuum layer portion provided around the displacement detection unit to prevent heat from flowing into the displacement detection unit.
The displacement measuring system according to any one of claims 1 to 4.

a heat transfer section provided between the displacement detection section and the temperature detection section, and promoting transfer of heat between the displacement detection section and the temperature detection section.
The displacement measuring system according to any one of claims 1 to 5.

acquiring a temperature of a coil of a displacement detection unit;
determining an amplitude of an AC voltage to be output from the oscillator circuit based on the obtained coil temperature;
A step of outputting an AC voltage having a determined amplitude and a frequency corresponding to the inductance of the coil to an oscillator circuit;
acquiring an output signal of a displacement detection unit;
and calculating the displacement based on the temperature of the coil ;
In the step of determining the amplitude, a rate of change of the amplitude at −253° C. relative to the amplitude at 27° C. is determined to be 1.6 times or more of a rate of change of the amplitude at −196° C. relative to the amplitude at 27° C.
Displacement measurement method.

acquiring a temperature of a coil of a displacement detection unit;
determining an amplitude of an AC voltage to be output from the oscillator circuit based on the obtained coil temperature;
A step of outputting an AC voltage having a determined amplitude and a frequency corresponding to the inductance of the coil to an oscillator circuit;
acquiring an output signal of a displacement detection unit;
calculating the displacement based on the temperature of the coil ;
In the step of determining the amplitude, a rate of change of the amplitude at −253° C. relative to the amplitude at 27° C. is determined to be 1.6 times or more of a rate of change of the amplitude at −196° C. relative to the amplitude at 27° C.
A program that causes a computer to execute the following.