(57)【要約】【課題】磁気異方性センサを用いた応力測定において、残留応力及びリフトオフの影響を排除しつつ、磁気異方性センサから出力される測定値と被測定物の応力との関係をさらに線形に近付けて、より正確な応力測定を行うことができる応力測定方法及び装置を提供する。【解決手段】この応力測定装置は、消磁器２と、被測定物に交流磁界をかけるための励磁用コイルとリフトオフを検出するためのリフトオフ検出用コイルとが巻かれた磁芯及び被測定物における磁化の強さを測定するための磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯を有する磁気異方性センサ３と、各部を制御する制御回路１５と、演算器１３とを含む。演算器１３は、消磁方向を変えて得られた第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値を引いた値で割ることにより、被測定物における応力に対応する値を求める。【選択図】  図４
2004294139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に対して交流磁界をかけるための励磁用コイルとリフトオフを検出するためのリフトオフ検出用コイルとが巻かれた磁芯、及び、前記被測定物における磁化の強さを測定するための磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯を有する磁気異方性センサを用いた応力測定方法であって、
前記被測定物に対して第１の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップ（ａ）と、
前記励磁用コイルにより前記被測定物に対して所定の方向に交流磁界をかけて前記磁位差検出用コイル及び前記リフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値をそれぞれ得るステップ（ｂ）と、
前記被測定物に対して第１の方向と直交する第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップ（ｃ）と、
前記励磁用コイルにより前記被測定物に対して所定の方向に交流磁界をかけて前記磁位差検出用コイル及び前記リフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値をそれぞれ得るステップ（ｄ）と、
少なくとも第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値に基づいて第１の算出値を得ると共に、少なくとも第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値に基づいて第２の算出値を得るステップ（ｅ）と、
第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値を引いた値で割ることにより、前記被測定物における応力に対応する値を求めるステップ（ｆ）と、
を具備する応力測定方法。
【請求項２】
ステップ（ｂ）が、前記被測定物に対して第１及び第２の方向と異なる第３の方向に交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することを含み、
ステップ（ｄ）が、前記被測定物に対して第３の方向に交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定することを含む、
請求項１記載の応力測定方法。
【請求項３】
磁気異方性センサを用いた応力測定装置であって、
被測定物に対して互いに直交する第１の方向と第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するための消磁手段と、
前記被測定物に対して所定の方向に交流磁界をかけるための励磁用コイルとリフトオフを検出するためのリフトオフ検出用コイルとが巻かれた磁芯、及び、前記被測定物における磁化の強さを測定するための磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯を有する磁気異方性センサと、
前記消磁手段に電流を供給して減衰交流磁界を発生させ、前記励磁用コイルに電流を供給して交流磁界を発生させる発振手段と、
前記磁気異方性センサの前記磁位差検出用コイル及び前記リフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出する検出手段と、
前記被測定物を第１の方向に消磁した後で、前記励磁用コイルにより前記被測定物に対して交流磁界をかけて前記磁位差検出用コイル及び前記リフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値をそれぞれ得ると共に、前記被測定物を第２の方向に消磁した後で、前記励磁用コイルにより前記被測定物に対して交流磁界をかけて前記磁位差検出用コイル及び前記リフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値をそれぞれ得るように、各部を制御する制御手段と、
少なくとも第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値に基づいて第１の算出値を得ると共に、少なくとも第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値に基づいて第２の算出値を得て、第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値を引いた値で割ることにより、前記被測定物における応力に対応する値を求める演算手段と、
を具備する応力測定装置。
【請求項４】
前記検出手段が、
前記第１の検出用コイルから出力される電圧を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器から出力される電圧を整流する第１の整流器と、
前記第２の検出用コイルから出力される電圧を増幅する第２の増幅器と、
前記第２の増幅器から出力される電圧を、前記励磁用コイルに供給する電流に対して同期整流する第２の整流器と、
を含む、請求項３記載の応力測定装置。
【請求項５】
前記磁気異方性センサが、前記被測定物に対して第１及び第２の方向と異なる第３の方向に交流磁界をかけて第１の方向における磁化の強さを測定する、請求項３又は４記載の応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気異方性センサ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  Ｓｅｎｓｏｒ：ＭＡＳ）を用いて、鉄道レール等の鉄鋼製構造物あるいは鉄鋼製機械部品における応力を非破壊的に測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼製品の応力測定においては、従来から磁気異方性センサを用いる方法が知られている。この方法は、短時間で測定でき、測定装置が小型で安価であり、測定自由度が大きい等、多くの利点を有する。
【０００３】
しかしながら、その反面、被測定物の表面に塗料や被覆物、錆等が存在する場合には、測定値がリフトオフに左右され易いという短所もある。なお、ここにいうリフトオフとは、センサの磁芯から被測定物までの距離をいう。
【０００４】
そこで、下記の特許文献１には、本発明者により開発されたリフトオフの影響を受けない電磁式応力測定装置が開示されている。この電磁式応力測定装置は、塗料や被覆物、錆等の有無にかかわらず、リフトオフと無関係に応力の測定を行えるものである。
【０００５】
特許文献１に開示されている電磁式応力測定装置は、互いに直交する２つのコの字型磁芯を有する磁気異方性センサを備えている。磁気異方性センサの一方の磁芯には励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイルが巻かれており、他方の磁芯には磁位差検出用コイルが巻かれている。励磁用コイルは、発振器に接続されており、この発振器から励磁用コイルに定常電流が供給される。リフトオフ検出用コイルは、増幅器を介して整流器に接続されている。
【０００６】
磁位差検出用コイルは、増幅器を介して同期整流器に接続されている。同期整流器は、磁位差検出用コイルの出力電圧を発振器の信号に同期して整流する。同期整流器及び整流器は、演算器に接続されている。演算器は、同期整流器の出力電圧Ｖ１（δ，σ）と、整流器の出力電圧Ｖ２（δ）と、測定対象のない場合の整流器の出力電圧Ｖ２（∞）とから、出力比Ｖ１（δ，σ）／｛Ｖ２（δ）−Ｖ２（∞）｝を演算する。ここで、δはリフトオフを表し、σは応力を表す。この演算器に接続されている表示器に、演算器の出力が表示される。
【０００７】
この電磁式応力測定装置の磁気異方性センサにおいては、励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイルが巻かれた磁芯の先端と、磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯の先端とのリフトオフの差を調節することができる。これにより、リフトオフ検出用コイルの出力と、磁位差検出用コイルの出力とにおいて、リフトオフ特性を一致させることができる。即ち、リフトオフの差を調節することにより、演算器により演算される出力比Ｖ１（δ，σ）／｛Ｖ２（δ）−Ｖ２（∞）｝の値を、リフトオフに依存しないようにすることができる。
【０００８】
ところで、磁気異方性センサから出力される測定値Ｖと被測定物の応力σとの関係は、一般に非線形であり、グラフに描くと曲線になる。Ｖとσとの関係が曲線であると、曲線の各部位において応力感度χ（＝ｄＶ／ｄσ）が異なる。未知の残留応力が存在する被測定物に外力が作用している場合には、応力感度χが定まらないため、外力による応力σａｐが正確に測定できない。
【０００９】
そこで、下記の特許文献２には、本発明者により開発された残留応力及びリフトオフの影響を受けない応力測定装置が開示されている。この応力測定装置は、消磁器と、磁気異方性センサと、演算器等を含んでいる。演算器は、消磁方向を変えて得られた第１の測定値と第２の測定値に基づき、これらの値の平均値から、被測定物の寸法・形状で定まる見かけの値を引き算して、その結果を第１の測定値と第２の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める。これにより、残留応力及びリフトオフの影響が排除される。
【００１０】
【特許文献１】
特公平６―９５０５２号公報  （第２−３頁、第１図及び第２図）
【特許文献２】
特開２００１−２８１０７３号公報  （第１頁、図８）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような応力測定をさらに改良するためになされたものであって、磁気異方性センサを用いた応力測定において、残留応力及びリフトオフの影響を排除しつつ、磁気異方性センサから出力される測定値と被測定物の応力との関係をさらに線形に近付けて、より正確な応力測定を行うことができる応力測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る応力測定方法は、被測定物に対して交流磁界をかけるための励磁用コイルとリフトオフを検出するためのリフトオフ検出用コイルとが巻かれた磁芯、及び、被測定物における磁化の強さを測定するための磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯を有する磁気異方性センサを用いた応力測定方法であって、被測定物に対して第１の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップ（ａ）と、励磁用コイルにより被測定物に対して所定の方向に交流磁界をかけて磁位差検出用コイル及びリフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値をそれぞれ得るステップ（ｂ）と、被測定物に対して第１の方向と直交する第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップ（ｃ）と、励磁用コイルにより被測定物に対して所定の方向に交流磁界をかけて磁位差検出用コイル及びリフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値をそれぞれ得るステップ（ｄ）と、少なくとも第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値に基づいて第１の算出値を得ると共に、少なくとも第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値に基づいて第２の算出値を得るステップ（ｅ）と、第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値を引いた値で割ることにより、被測定物における応力に対応する値を求めるステップ（ｆ）とを具備する。
【００１３】
また、本発明に係る応力測定装置は、磁気異方性センサを用いた応力測定装置であって、被測定物に対して互いに直交する第１の方向と第２の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するための消磁手段と、被測定物に対して所定の方向に交流磁界をかけるための励磁用コイルとリフトオフを検出するためのリフトオフ検出用コイルとが巻かれた磁芯、及び、被測定物における磁化の強さを測定するための磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯を有する磁気異方性センサと、消磁手段に電流を供給して減衰交流磁界を発生させ、励磁用コイルに電流を供給して交流磁界を発生させる発振手段と、磁気異方性センサの磁位差検出用コイル及びリフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出する検出手段と、被測定物を第１の方向に消磁した後で、励磁用コイルにより被測定物に対して交流磁界をかけて磁位差検出用コイル及びリフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値をそれぞれ得ると共に、被測定物を第２の方向に消磁した後で、励磁用コイルにより被測定物に対して交流磁界をかけて磁位差検出用コイル及びリフトオフ検出用コイルから出力される電圧を検出して第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値をそれぞれ得るように、各部を制御する制御手段と、少なくとも第１の測定値及び第１のリフトオフ検出値に基づいて第１の算出値を得ると共に、少なくとも第２の測定値及び第２のリフトオフ検出値に基づいて第２の算出値を得て、第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値を引いた値で割ることにより、被測定物における応力に対応する値を求める演算手段とを具備する。
【００１４】
本発明によれば、消磁方向を変えて得られた第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値を引いた値で割ることにより、被測定物における応力に対応する値を求めるので、残留応力及びリフトオフの影響を排除しつつ、被測定物における応力に対応する出力値の直線性がさらに改善される。このため、応力感度χが一定に近くなり、残留応力の存在にかかわらず外力による応力σａｐを求めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る応力測定装置のセンサを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は下側から見た図である。
図１の（Ａ）に示すように、センサ１は、消磁器２と、磁気異方性センサ（ＭＡＳ）３とを含んでいる。これらの消磁器２及びＭＡＳ３は、センサ１のケーシング（図示せず）内に格納されている。
【００１６】
消磁器２は、例えば積層珪素鋼板やフェライト等からなる上下２つのコの字型の消磁用磁芯５、６を備えている。消磁用磁芯５と消磁用磁芯６とは、第１及び第２の方向において互いに直交している。消磁用磁芯５、６には、それぞれ消磁用コイル５Ａ、６Ａが巻かれている。ＭＡＳ３は、消磁器２の中心位置に配置されている。
【００１７】
図１の（Ｂ）に示すように、ＭＡＳ３は、第１の方向と４５°の角度をなすＸ方向（第３の方向）に設けられた励磁用磁芯４Ａと、Ｙ方向に設けられた検出用磁芯４Ｂとを備えている。励磁用磁芯４Ａには、励磁用コイルとリフトオフ検出用コイルが巻かれている。検出用磁芯４Ｂには、磁位差検出用コイルが巻かれている。
【００１８】
図２は、図１に示すＭＡＳの構造を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は下側から見た図である。図２の（Ａ）に示すように、ＭＡＳ３の励磁用磁芯４Ａは、スペーサ４Ｃに直接接しているが、検出用磁芯４Ｂは、スペーサ４Ｃから距離ａの位置に設置されている。この距離ａが、励磁用磁芯４Ａと検出用磁芯４Ｂとの間のリフトオフの差になる。後で説明するように、この距離ａを調節することにより、磁位差検出用コイルから出力される磁位差検出信号とリフトオフ検出用コイルから出力されるリフトオフ検出信号とにおけるリフトオフ特性を一致させ、リフトオフの影響を排除することができる。
【００１９】
ここで、図３を参照しながら、ＭＡＳの測定原理について説明する。図３に示すように、主応力σ１、σ２の作用している測定対象上に四脚のＭＡＳが置かれているとき、励磁用磁芯４Ａの端部Ｅ１から出た磁束は、測定対象の表層を広がって端部Ｅ２に向かう。その内の一部は、透磁率の大きい検出用磁芯４Ｂ中を通る経路（実線と破線の矢印で示す）を介して端部Ｅ２に向かう。σ１＞σ２のときには、σ１方向の透磁率がσ２方向の透磁率よりも大きくなるので、実線で示す磁束が破線で示す磁束よりも大きくなる。検出用磁芯４Ｂ中を通る磁束は、実線で示す磁束と破線で示す磁束との差になる。ＭＡＳの出力に基づいて、主応力差（σ１−σ２）を測定することができる。
【００２０】
次に、図４を参照しながら、本実施形態に係る応力測定装置の全体の構成を説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る応力測定装置の全体構成を示すブロック図である。この応力測定装置は、大別して以下の構成要素からなる。
（１）消磁器２に接続された発振器８
発振器８は、消磁器２の２つの消磁用コイル５Ａ及び６Ａに、消磁電流Ｉ１及びＩ２をそれぞれ供給する。この発振器８からの消磁電流の供給により、消磁器２は、被測定物に対して、互いに直交する第１の方向（消磁用磁芯５により生じる磁界の方向）と第２の方向（消磁用磁芯６により生じる磁界の方向）とに、順番に減衰交流磁界をかけて消磁する。
【００２１】
（２）ＭＡＳ３に接続された発振器７
発振器７は、ＭＡＳ３の励磁用コイルに励磁電流を供給する。この発振器７からの励磁電流の供給により、ＭＡＳ３は、被測定物が各方向に消磁された後で、被測定物に対し第１及び第２の方向と異なる第３の方向（図１（Ｂ）及び図３におけるＸ方向）に所定の交流磁界をかけて、磁位差検出用コイルにより第１の方向における磁化の強さを測定する。
【００２２】
（３）同期整流器１１
ＭＡＳ３の磁位差検出用コイルから出力される磁位差検出信号は、増幅器９により増幅された後、同期整流器１１において、発振器７からＭＡＳ３に供給される励磁電流を基準として同期整流され、測定値が得られる。同期整流を行うことにより、一軸応力の正負（引張り・圧縮）を判別することができる。
【００２３】
（４）整流器１２
ＭＡＳ３のリフトオフ検出用コイルから出力されるリフトオフ検出信号は、増幅器１０により増幅された後、整流器１２において整流され、リフトオフ検出値が得られる。
【００２４】
（５）制御回路１５
制御回路１５は、発振器８から消磁器２に供給される消磁電流Ｉ１を制御することにより、被測定物を第１の方向（消磁用磁芯５により生じる磁界の方向）に消磁した後で、発振器７からＭＡＳ３に供給される励磁電流を制御することにより、この被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定して第１の測定値が得られるようにする。その際に、第１のリフトオフ検出値も得られる。
【００２５】
また、制御回路１５は、発振器８から消磁器２に供給される消磁電流Ｉ２を制御することにより、被測定物を第２の方向（消磁用磁芯６により生じる磁界の方向）に消磁した後で、発振器７からＭＡＳ３に供給される励磁電流を制御することにより、この被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定して第２の測定値が得られるようにする。その際に、第２のリフトオフ検出値も得られる。
【００２６】
（６）演算器１３及び表示器１４
演算器１３は、同期整流器１１において得られた第１の測定値と、整流器１２において得られた第１のリフトオフ検出値とに基づいて、リフトオフの影響が排除された第１の算出値を求めると共に、同期整流器１１において得られた第２の測定値と、整流器１２において得られた第２のリフトオフ検出値とに基づいて、リフトオフの影響が排除された第１の算出値を求める。第１及び第２の算出値の平均値を、第１及び第２の算出値の差から所定値を引き算して得た第３の算出値で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める。演算器１３の演算結果は、表示器１４において表示される。
【００２７】
上記の応力測定装置を用いた応力測定方法について、以下に説明する。
まず、測定値からリフトオフの影響を排除する方法について説明する。
図４に示す同期整流器１１において得られた測定電圧を、Ｖ１（δ，σ）とする。ただし、σは応力を表しており、δはリフトオフ、即ち、磁芯の端部から測定対象の金属までの距離を表している。
【００２８】
一方、整流器１２において得られたリフトオフ検出電圧を、Ｖ２（δ）とする。測定対象が無い場合のリフトオフ検出電圧を、一定値Ｖ２（∞）で表す。この値は、毎回測定する必要はなく、１回測定して求めた値を記憶しておき、次の応力測定に利用するようにしても良い。図４に示す演算器１３において、出力比の算出値Ｕ＝Ｖ１（δ，σ）／（Ｖ２（δ）−Ｖ２（∞））の演算が行われ、出力比の算出値が表示器１４に表示される。
【００２９】
ここで、図５に示すような簡単な磁気回路のモデルによって、リフトオフの影響を排除する原理について説明する。励磁用磁芯４Ａを通る磁束をΦ（δ）、励磁用磁芯４Ａ及び検出用磁芯４Ｂの断面積をＳ（空気中の磁路の断面積も簡単のためにＳとする）、測定対象の磁路の有効断面積をＳ’、励磁用磁芯４Ａ及び検出用磁芯４Ｂの端部間の距離をｒ、励磁用磁芯４Ａの高さをｈ１、検出用磁芯４Ｂの高さをｈ２、測定対象に応力σが作用することによって生じる磁位差をΔΦ（σ）、励磁用コイルの巻数をＮ１、磁位差検出用コイルの巻数をＮ２、リフトオフ検出用コイルの巻数をＮ３、励磁電流をＩ、励磁電流の角周波数をω、磁芯の透磁率をμ、測定対象の透磁率をμ’、空気中の透磁率をμ０とすれば、磁位差検出信号及びリフトオフ検出信号の電圧は、次式（１）〜（３）で表される。
【数１】
2004294139.tif 000003
【数２】
2004294139.tif 000004
【数３】
2004294139.tif 000005
【００３０】
ここで、次のようにおく。
【数４】
2004294139.tif 000006
Ｂ＝ωＮ１Ｎ３ＩＳμ０／２
ｂ＝（２ｈ１＋ｒ）μ０／２μ＋ｒμ０Ｓ／２μ’Ｓ’
ｃ＝（２ｈ２＋ｒ）μ０／２μ
すると、式（１）及び（３）は、次式（４）及び（５）のように表される。
【数５】
2004294139.tif 000007
【数６】
2004294139.tif 000008
【００３１】
ここで、図２の（Ａ）に示す距離ａを考慮してδを（δ＋ａ）に変更し、さらに、ｂ＞ｃであるから距離ａを調節すればｂ＝ａ＋ｃとすることができるので、式（４）は、次のように変形される。
【数７】
2004294139.tif 000009
【００３２】
実際には、上記のような簡単なモデルに対して補正が必要となり、センサ及び装置によって定まる補正定数ｋを用いることにより、次式（６）のように表される。
【数８】
2004294139.tif 000010
【００３３】
ここで、距離ａを調節することによってｋａ＋ｃ＝ｂとすることができ、式（６）を式（５）で除せば、次式（７）が得られる。
【数９】
2004294139.tif 000011
上式においては、リストオフδが消去されている。これにより、出力比の算出値Ｕ＝Ｖ１（δ，σ）／（Ｖ２（δ）−Ｖ２（∞））は、リストオフδに依存せず、応力σのみの関数となる。
【００３４】
上記のようなリフトオフの影響を排除する方法について、実際の応力測定結果の例を示す。この例においては、図５に示すＭＡＳの磁芯４Ａ及び４Ｂを、端部間の距離ｒが１０．９ｍｍとなるように、積層ケイ素鋼鈑で作製した。測定対象である構造用の炭素鋼については、ｂ−ｃ＝０．０５ｍｍであったので、図５に示す距離ａを調節して０．０１７ｍｍとすることによって、ｋａ＋ｃ＝ｂとすることができた。
【００３５】
このＭＡＳを用いて、周波数１００Ｈｚでリフトオフを変えながらＳＳ４００材の応力測定を実施した結果を図６に示す。図６に示すように、出力比の算出値は、リフトオフに依存せず、応力のみの関数となることが実証された。
【００３６】
次に、応力測定における直線性を高める方法について説明する。
図７の（Ａ）は、ＭＡＳの出力から式（７）を用いてリフトオフを除去した算出値と応力との関係を表す図であり、図７の（Ｂ）は、消磁方向による算出値の差の変化を表す図である。
【００３７】
まず、残留応力のない鉄鋼試験片に対しては、算出値Ｕと、負荷による一軸応力σａｐとの関係は、消磁方向θをパラメータとして、図７の（Ａ）に示すような曲線になる。さらに、図７の（Ａ）に示すθ＝０の場合の算出値Ｕ１とθ＝π／２の場合の算出値Ｕ２に注目すると、これら両曲線の差は、応力の絶対値の小さいところでは大きく、大きいところでは小さい。これは、図７の（Ｂ）に示すような分布曲線となる。残留応力のない鉄鋼試験片でこのようなＵ−σａｐ曲線を求めておくと、同一の鉄鋼材料における未知の残留応力σｒを含む全応力σ＝σａｐ＋σｒを測定することが可能となる。
【００３８】
ところで、実際の鉄道レールは、輪重・横圧や熱膨張収縮による軸力等の荷重を受け、応力履歴効果が存在する。鉄道レールの一軸応力を測定するような場合には、レールのウェブ（腹部）にＭＡＳを当てて行うが、レールの長手方向の各箇所で残留応力σｒが異なるため、レールの一軸応力σａｐを正確に求めることが困難になる。
【００３９】
このことをさらに詳しく説明すると、鉄道レールのような残留応力σｒが存在する被測定物に対して、外力による応力σａｐを加えると、図７の（Ａ）に示す曲線の原点をずらしたものになる。この場合の二軸圧縮のグラフを図８の（Ａ）に、一軸圧縮のグラフを図８の（Ｂ）に示す。
【００４０】
図７の（Ａ）と図８とを比べると、同一の大きさの応力σａｐを加えたときに、図７の（Ａ）に示す算出値Ｕよりも図８の（Ａ）又は（Ｂ）に示す算出値Ｕの方が小さくなる。これは、Ｕとσａｐとの関係が曲線であるため、曲線の各部において応力感度χ（＝ｄＵ／ｄσ；即ち接線の傾き）が異なるからである。外力による応力σａｐも残留応力σｒも共に応力であるため、ＭＡＳはこれらを区別して測定することができず、これらの和である全応力σ＝σａｐ＋σｒを測定してしまう。従って、外力による応力σａｐを求める際には、残留応力σｒが異なると、正確な測定値を得ることができない。
【００４１】
そこで、本発明に係る応力測定においては、応力に対応する出力値を広い範囲で直線にすることにより応力感度χを一定化し、残留応力の存在にかかわらず外力による応力をより正確に求めることを可能とする。
【００４２】
これについて、図４及び図９を参照しながら説明する。まず、被測定物にセンサ１を当てて、電源スイッチ（図示せず）をＯＮにする。そして、図９に示すように、ステップ（ａ）において、発振器８から消磁用磁芯５のコイルに電流を供給することにより、被測定物に対して、消磁用磁芯５により生じる磁界の方向（第１の方向）に減衰交流磁界をかけて消磁する。
【００４３】
次に、ステップ（ｂ）において、発振器７からＭＡＳの励磁用コイルに電流を供給し、被測定物に対して、図１の（Ｂ）に示すＸ方向（第３の方向）に交流磁界をかけて、第１の方向における磁化の強さをＭＡＳで測定する。これらのステップ（ａ）及び（ｂ）に要する時間は、約１秒程度である。
【００４４】
さらに、ステップ（ｃ）において、発振器８から消磁用磁芯６のコイルに電流を供給することにより、被測定物に対して、消磁用磁芯６により生じる磁界の方向（第２の方向）に減衰交流磁界をかけて消磁する。
【００４５】
次に、ステップ（ｄ）において、発振器７からＭＡＳの励磁用コイルに電流を供給し、被測定物に対して、図１（Ｂ）のＸ方向に交流磁界をかけて、第１の方向における磁化の強さをＭＡＳで測定する。
【００４６】
ステップ（ｂ）及び（ｄ）において得られた磁位差検出信号を、増幅器９を介して同期整流器１１に入力することにより測定値を求める。ここで、同期整流器１１においては、発振器７からＭＡＳに供給される電流（ＭＡＳにおいて交流磁界を発生させる電流）に対して、ＭＡＳからの出力を同期整流する。これにより、一軸応力の正負（引張り・圧縮）を判別できる。同様に、ステップ（ｂ）及び（ｄ）において得られたリフトオフ検出信号を、増幅器１０を介して整流器１２に入力することによりリフトオフ検出値を求める。さらに、これらの測定値及びリフトオフ検出信号を演算器１３に入力する。
【００４７】
ステップ（ｅ）において、演算器１３により以下の演算処理を行う。
まず、測定値及びリフトオフ検出値に基づいて、式（７）を用いてリフトオフを除去した算出値Ｕ（θ，σ）を求める。ここで、消磁方向をθ、応力をσとする。これにより、消磁用磁芯５を用いて消磁方向θ＝０に消磁した場合における第１の算出値Ｕ（０，σ）と、消磁用磁芯６を用いて消磁方向θ＝π／２に消磁した場合における第２の算出値Ｕ（π／２，σ）とが得られる。
【００４８】
演算器１３は、第１の算出値と第２の算出値との平均値を、第１の算出値と第２の算出値との差から所定の値ΔＵ０を引いた第３の算出値で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力値Ｗを演算する。
【数１０】
2004294139.tif 000012
【００４９】
これにより得られる出力値Ｗは、図１０に示すように直線化されたものとなる。即ち、図７の（Ａ）における消磁方向θ＝０とθ＝π／２とに注目すると、これら両曲線の差は、図７の（Ｂ）に示すように応力の小さいところでは大きく、大きいところでは小さい。そこで、これら両曲線の平均、即ち中央の曲線で表される出力を、両曲線の差から所定の値ΔＵ０を引いた結果で割ることにより、図１０に示すような広い範囲で直線化された関係を得ることができる。
【００５０】
ここで、図７の（Ｂ）に示す所定の値ΔＵ０よりも大きい値ΔＵ＋を用いた場合には、図１０に示す出力値Ｗ＋のように、一軸応力σａｐの絶対値が増加すると応力感度χが増加する傾向となる。一方、図７の（Ｂ）に示す所定の値ΔＵ０よりも小さい値ΔＵ−を用いた場合には、図１０に示す出力値Ｗ−のように、一軸応力σａｐの絶対値が増加すると応力感度χが減少する傾向となる。従って、残留応力のない鉄鋼試験片を用いて、負荷による一軸応力に対して出力値Ｗが直線となるように所定の値ΔＵ０を求めておけば、応力感度χが一定となり、残留応力の存在にかかわらず外力による応力σａｐを求めることができる。
【００５１】
この出力値の演算結果は、図９に示すステップ（ｆ）において、表示器１４に表示される。なお、センサ１を当てて電源をＯＮにしてから、ステップ（ａ）〜（ｆ）を終了するまでのトータルの所要時間は、約２秒程度である。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、残留応力及びリフトオフの影響を排除しつつ、被測定物における応力に対応する出力値の直線性がさらに改善される。その結果、残留応力、及び、被測定物表面の塗料や被覆物、錆等が存在しても、より正確な応力測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る応力測定装置のセンサを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は下側から見た図である。
【図２】図１に示すＭＡＳの構造を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は下側から見た図である。
【図３】ＭＡＳを用いた応力測定の原理を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る応力測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態においてリフトオフの影響を排除する原理について説明するための簡単な磁気回路のモデルを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態においてリフトオフの影響を排除した応力測定結果を示す図である。
【図７】（Ａ）は、ＭＡＳの出力からリフトオフを除去した算出値と応力との関係を表す図であり、（Ｂ）は、消磁方向による算出値の差の変化を表す図である。
【図８】（Ａ）は、二軸圧縮の場合の算出値と応力との関係を表す図であり、（Ｂ）は、一軸圧縮の場合の算出値と応力との関係を表す図である。
【図９】本実施形態に係る応力測定方法における測定手順を説明するための図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る応力測定装置の出力値と応力との関係を表す図である。
【符号の説明】
１  センサ
２  消磁器
３  磁気異方性センサ（ＭＡＳ）
４Ａ  励磁用磁芯
４Ｂ  検出用磁芯
５、６  消磁用磁芯
５Ａ、６Ａ  消磁用コイル
７、８  発振器
９、１０  増幅器
１１  同期整流器
１２  整流器
１３  演算器
１４  表示器
１５  制御回路
【図１】
2004294139.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004294139.tif 000022