(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁信号が印加される励磁用コイルと、被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとを備えた磁歪センサを用いた応力測定方法において、
被測定材料に対して、磁歪センサの中心軸線周りの回転角θを少なくとも４つの異なる角度にて計測し、これらの計測結果をフーリエ級数に代入またはフーリエ変換してフーリエ級数の１次成分および２次成分を求め、前記フーリエ級数の１次成分に対する２次成分の比が所定値未満である場合は、前記フーリエ級数の１次成分に基づいて、回転角θと検出電圧Ｖとを対応づける式を得、前記フーリエ級数の１次成分に対する２次成分の比が所定値以上である場合は、前記計測をやり直すことを特徴とする応力測定方法。
【請求項２】
中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置され、これら８個のコイルをそれぞれ励磁信号が引加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに切り替える制御部を備えていることを特徴とする磁歪センサ。
【請求項３】
中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置された磁歪センサについて、隣り合うコイルを２個ずつ、励磁信号が印加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに交互に振り分けて応力を計測し、その後、前記振り分けパターンとは磁歪センサの中心軸線周りの回転角θが異なる他の３通りの振り分けパターンにて応力を計測し、得られた計４個の計測結果をフーリエ級数に代入またはフーリエ変換することにより、回転角θと検出電圧Ｖとを対応づける式を得ることを特徴とする応力測定方法。
【請求項４】
中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置され、これら８個のコイルをそれぞれ励磁信号が引加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに切り替える制御部と、少なくとも４つの異なる角度にて計測された前記検出電圧Ｖを得ると、得られた前記検出電圧Ｖをフーリエ級数に代入またはフーリエ変換してフーリエ級数の１次成分および２次成分を求める演算装置と、を備えていることを特徴とする磁歪センサ。
【請求項５】
中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置された磁歪センサについて、隣り合うコイルを２個ずつ、励磁信号が印加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに交互に振り分けて応力を計測し、その後、前記振り分けパターンとは磁歪センサの中心軸線周りの回転角θが異なる他の３通りの振り分けパターンにて応力を計測し、得られた計４個の計測結果をフーリエ級数に代入またはフーリエ変換することにより、前記フーリエ級数を求めることを特徴とする請求項１に記載の応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁や船舶等の鋼構造物に生ずる応力を,磁気を用いて測定する応力測定方法および磁歪センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
橋梁や船舶等の鋼構造物では、応力を歪ゲージなどを用いて測定することが行われている。しかし、歪ゲージを鋼構造物に貼り付ける場合、鋼構造物に防錆用に塗布された塗膜をはがさねばならず、検査作業が繁雑になると共に、鋼構造物にも剥いだ塗膜に相当する塗膜を再び防錆塗料で形成する必要がある。また、鋼構造物に既に初期応力が発生している場合には、歪みケージによる静的応力の測定値は初期応力を控除した応力を測定することになるため、正確な応力の絶対値が測定できない。
【０００３】
そこで、塗膜を剥がさないで済ませると共に、残留応力も含めて応力を測定する方法として磁歪センサによる応力の測定が用いられている。鉄鋼材料などの強磁性体は、磁化されると磁気歪み（磁歪）により結晶がわずかに変形する。逆に、被測定物に応力が作用すると、その被測定物の磁気的性質が変化する。磁歪センサはこの性質を利用したものである。
図５に示したものは、磁歪センサ用プローブの一例を示す構成斜視図である。
このプローブ１は、励磁用コイル１ａ、１ｂと、検出用コイル２ａ、２ｂが互い違いに９０°ずつの角度を隔てて設けられている。
このプローブ１には、交流電流を流して磁性材料である被測定物を励磁するための交流電源７が接続されている。さらに、被測定物の磁化特性に起因してコイルに誘起される起電力を測定するための電圧計８が備えられている。
さて、被測定物に応力を与えると、特定の方向に磁気異方性が生じる。この状態で、被測定物に上記プローブ１の先端を接近させ、交流電源７により励磁用コイル１ａ、１ｂに交流電流を流して被測定物を励磁する。すると、内在応力に応じて検出用コイル２ａ、２ｂに電圧が誘起されて電圧計８により電圧信号が検出される。
上記のように構成された磁歪センサでは、プローブ１を当てた位置における出力値はＶ＝Ａ＋Ｂcos２θで表される。Ａ、Ｂはパラメータであり、θは図１に示すプローブ方向と最大主応力方向のなす角である。プローブ方向とθとが一致したときＶの値は最大となる。Ｖの最大値は主応力差（σ1−σ2）と対応しているため、主応力差を求めるために、プローブ１を回転させてＶが最大となる向きを探し、Ｖの最大出力値とそのときの角度θmaxとをできるだけ正確に測定することが重要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来はＶとθmaxを求めるため、出力値を見ながら手でプローブ１を回して求めるか、モーターなどで回しながら多数のデータをサンプリングして近似により出力電圧の最大値と角度を求める必要があった。しかし、手動でプローブ１を回転させる場合は、Ｖの値をモニタしながらプローブ１の角度を変え、最大のＶを見つける作業を行わなければならず、微妙な角度調整が必要であり作業が煩雑である。また、モーター等で近似により求める場合には、エンコーダー等で角度を検出しながらサーボモータ等で回すか、または、ステッピングモータ等で回転角度を制御しながら回す等の作業が必要である。この場合図６に示すように多数の点についてサンプリングを行い、その中から最大電力を得るという作業の必要があり、煩雑であった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、容易に主応力差を測定することができる応力測定方法及び磁歪センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る応力測定方法は、励磁信号が印加される励磁用コイルと、被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとを備えた磁歪センサを用いた応力測定方法において、被測定材料に対して、磁歪センサの中心軸線周りの回転角θを少なくとも４つの異なる角度にて計測し、これらの計測結果をフーリエ級数に代入またはフーリエ変換してフーリエ級数の１次成分および２次成分を求め、前記フーリエ級数の１次成分に対する２次成分の比が所定値未満である場合は、前記フーリエ級数の１次成分に基づいて、回転角θと検出電圧Ｖとを対応づける式を得、前記フーリエ級数の１次成分に対する２次成分の比が所定値以上である場合は、前記計測をやり直すことを特徴とする。
また本発明に係る磁歪センサは、中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置され、これら８個のコイルをそれぞれ励磁信号が引加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに切り替える制御部と、少なくとも４つの異なる角度にて計測された前記検出電圧Ｖを得ると、得られた前記検出電圧Ｖをフーリエ級数に代入またはフーリエ変換してフーリエ級数の１次成分および２次成分を求める演算装置と、を備えていることを特徴とする。
また本発明に係る応力測定方法は、上述の応力測定方法であって、中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置された磁歪センサについて、隣り合うコイルを２個ずつ、励磁信号が印加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに交互に振り分けて応力を計測し、その後、前記振り分けパターンとは磁歪センサの中心軸線周りの回転角θが異なる他の３通りの振り分けパターンにて応力を計測し、得られた計４個の計測結果をフーリエ級数に代入またはフーリエ変換することにより、前記フーリエ級数を求めることを特徴とする。
【０００７】
上述の応力測定方法の発明においては、多数のデータを測定することなく、少なくとも４個のデータを測定するだけでＶの最大値を得ることができる。また、測定ミスの防止および測定精度の向上が図れる。
また、上述の磁歪センサの発明においては、磁歪センサを回転させて４つの角度にて測定した場合と同じ状態を、磁歪センサを回転させることなく実現することができる。また、測定ミスの防止および測定精度の向上が図れる。
また、応力測定方法の発明においては、磁歪センサを回転させて４つの角度にて測定した場合と同じ状態を、磁歪センサを回転させることなく実現することができる。そしてフーリエ級数またはフーリエ変換を用いることで、多数のデータを測定することなく、少なくとも４個のデータを測定するだけでＶの最大値を得ることができる。また、測定ミスの防止および測定精度の向上が図れる。
【０００８】
請求項２に記載の磁歪センサは、中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置され、これら８個のコイルをそれぞれ励磁信号が引加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに切り替える制御部を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発明においては、隣り合うコイルを２個ずつ励磁用と検出用とに振り分けて応力を計測し、その後、前記振り分けパターンとは磁歪センサの中心軸線周りの回転角が異なる他の３通りの振り分けパターンにて、隣り合うコイルを２個ずつ励磁用と検出用とに設定して応力を計測する。これにより、磁歪センサを回転させて４つの角度にて測定した場合と同じ状態を、磁歪センサを回転させることなく実現することができる。
【００１０】
請求項３に記載の応力測定方法は、中心軸線周りに８個のコイルが環状に配置された磁歪センサについて、隣り合うコイルを２個ずつ、励磁信号が印加される励磁用コイルと被測定材料の応力に応じた検出電圧Ｖが誘起される検出用コイルとに交互に振り分けて応力を計測し、その後、前記振り分けパターンとは磁歪センサの中心軸線周りの回転角θが異なる他の３通りの振り分けパターンにて応力を計測し、得られた計４個の計測結果をフーリエ級数に代入またはフーリエ変換することにより、回転角θと検出電圧Ｖとを対応づける式を得ることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、磁歪センサを回転させて４つの角度にて測定した場合と同じ状態を、磁歪センサを回転させることなく実現することができる。そしてフーリエ級数またはフーリエ変換を用いることで、多数のデータを測定することなく、少なくとも４個のデータを測定するだけでＶの最大値を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示したものは、本願発明の一実施形態として示した磁歪センサのプローブ１０である。この磁歪センサプローブ１は、励磁用コイル１ａ、１ｂと、検出用コイル２ａ、２ｂが互い違いに９０°ずつの角度を隔てて設けられている。
このプローブ１０には、交流電流を流して磁性材料である被測定物を励磁するための交流電源７が接続されている。さらに、被測定物の磁化特性に起因してコイルに誘起される起電力を測定するための電圧計８が備えられている。
電圧計８による検出結果は、演算装置１５に入力されるようになっている。
【００１５】
さて、被測定物に応力を与えると、特定の方向に磁気異方性が生じる。この状態で、被測定物に上記プローブ１０の先端を接近させ、交流電源７により励磁用コイル１ａ、１ｂに交流電流を流して被測定物を励磁する。すると、内在応力に応じて検出用コイル２ａ、２ｂに電圧が誘起されて電圧計８により電圧信号が検出される。この検出結果は演算装置１５に入力される。
上記の電圧信号の検出を、プローブ１０の回転角θを手動で異ならせ、４点検出する。具体的には、θ＝０°、４５°、９０°、１３５°の４点で検出を行う。
この結果、演算装置は図２に示した４点の検出結果を得る。そして、演算装置はこの４点を２次までのフーリエ級数、
Ｖ＝Ａ＋Ｂcos２θ＋Ｂ’cos２・２θ’
に代入するかフーリエ変換することにより、パラメータＡ、Ｂ、Ｂ’、θ、θ’を算出する。この結果の一次成分より図の曲線が得られ、θ＝θmaxのときにＶの最大値Ｖ＝Ｖmaxが算出される。もともと、プローブからの出力値はＶ=Ａ＋Ｂcos２θで表わされるため、成分Ｂが測定値を示し、２次成分Ｂ’は測定誤差を示している。したがって、１次成分Ｂに対する２次成分Ｂ’の比が一定以上（例えば１０％以上）である場合、測定をやり直す。
【００１６】
このように、本例の応力測定方法によれば、多数の点についてサンプリングを行う必要がなく、また、手動で磁歪センサを回転させる際にも、予め決められた角度に合わせればよいので、容易に最大電圧信号と最大出力信号が発生する角度とを検出することができる。
また、フーリエ級数の１次成分に対する２次成分の比が一定以上である場合に測定をやり直すため、測定ミスの防止および測定精度の向上を図ることができる。
【００１７】
なお、プローブ１０を４５°ずつ回転させたが、０°と４５°でそれぞれ励磁用コイル１ａ、１ｂと検出用コイル２ａ、２ｂの配線を入れ替えて測定してもよい。すなわち、０°でコイル１ａ、１ｂを励磁用、コイル２ａ，２ｂを検出用として測定した後、交流電源７および電圧計８との配線を入れ替えてコイル１ａ、１ｂを検出用、コイル２ａ，２ｂを励磁用として測定する。次に、プローブ１０を４５°に回転させて、同様に測定する。
このようにすれば、上記０°、４５°、９０°、１３５°を測定することと等しくなるので、より作業が簡略化する。
【００１８】
次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。
図３に示したものは、本願発明の第２実施形態として示した磁歪センサのプローブ２０である。この磁歪センサのプローブ２０は、２つずつ向かい合わせて対になった４組のコイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂが、それぞれ周方向に等間隔で設けられている。
このプローブ２０には、交流電流を流して磁性材料である被測定物を励磁するための交流電源７が接続されている。さらに、被測定物の磁化特性に起因して誘起される起電力を測定するための電圧計８が備えられている。
各コイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂと、交流電源７および電圧計８との配線は、制御部２５によってコントロールされている。
【００１９】
さて、被測定物に応力を与えると、特定の方向に磁気異方性が生じる。この状態で、被測定物に上記プローブ２０の先端を接近させて応力の測定を行う。以下、その測定手順について説明する。
隣り合うコイルを２個ずつ、励磁用と検出用とに用いる。まず、図４(a)に示すようにコイル１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを励磁用として交流電源７に接続し、コイル１４ａ、１４ｂ、１１ａ、１１ｂを検出用として電圧計８に接続する。そしてこの状態でコイル１４ａ、１４ｂ、１１ａ、１１ｂの励磁電圧を検出する。
次いで、図４(b)に示すようにコイル１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを励磁用とし、コイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを検出用とし、同様に電圧を測定する。
以下、図４(c)に示すようにコイル１４ａ、１４ｂ、１１ａ、１１ｂを励磁用とし、コイル１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを検出用として電圧を測定し、最後に図４(d)に示すようにコイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを励磁用とし、コイル１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを検出用として電圧を測定する。
以上のように、振り分けパターンの回転角θを異ならせ、４点について電圧を測定することで、プローブ自体の角度を０°、４５°、９０°、１３５°に回転させて検出を行ったことと同様の効果が得られる。
【００２０】
この結果、演算装置は図２に示した４点の検出結果を得る。そして、演算装置はこの４点を２次までのフーリエ級数、
Ｖ＝Ａ＋Ｂcos２θ＋Ｂ’cos２・２θ’
に代入するかフーリエ変換することにより、パラメータＡ、Ｂ、Ｂ’、θ、θ’を算出する。この結果の一次成分よりθ＝θmaxのときにＶの最大値Ｖ＝Ｖmaxが算出される。もともと、プローブからの出力値はＶ＝Ａ＋Ｂcos２θで表されるために成分Ｂが測定値を示し、２次成分Ｂ’は測定誤差を示している。したがって、１次成分Ｂに対する２次成分Ｂ’の比が一定以上（例えば１０％以上）である場合、測定をやり直す。
【００２１】
このように、本例においては、多数の点についてサンプリングを行う必要がなく、また、プローブ２０の角度を変える必要がないため、容易に最大電圧信号と最大出力信号が発生する角度を検出することができる。
また、フーリエ級数の１次成分に対する２次成分の比が一定以上である場合に測定をやり直すため、測定ミスの防止および測定精度の向上を図ることができる。
【００２２】
なお、上記各例において、測定角度は０°、４５°、９０°、１３５°としたが、必要な測定点数を満たせばよく、これらの角度に限定されるものではない。
また、上記各例においては、フーリエ級数の２次までを求めることとしたが、３次以上を求めることとしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、多数のデータを測定することなく、少なくとも４個のデータを測定するだけでＶの最大値を得ることができるため、容易に主応力差を測定することができる。
請求項２に記載の発明によれば、振り分けパターンの４つの異なる回転角にて、隣り合うコイルを２個ずつ励磁用と検出用とに設定して応力を計測する。これにより、磁歪センサを回転させて４つの角度にて測定した場合と同じ状態を、磁歪センサを回転させることなく実現することができるため、容易に主応力差を測定することができる。
請求項３に記載の発明によれば、多数のデータを測定することなく、また、手動で磁歪センサの角度を変えることなく、少なくとも４個のデータを測定するだけで容易にＶの最大値を得ることができる。
請求項４に記載の発明によれば、測定ミスの防止および測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態として示した磁歪センサのプローブ斜視図である。
【図２】  本発明に係る磁歪センサにより測定された回転角θと検出電圧Ｖのプロットと、得られた曲線とを示した図である。
【図３】  本発明の第２の実施形態として示した磁歪センサのプローブ斜視図である。
【図４】  同プローブにおいて、励磁用コイルと検出用コイルとの振り分けパターン回転角を示した図である。
【図５】  従来の磁歪センサのプローブを示した斜視図である。
【図６】  同磁歪センサにより得られた、プローブ回転角θと検出電圧Ｖとをプロットした図である。
【符号の説明】
１ａ  励磁用コイル
１ｂ  励磁用コイル
２ａ  検出用コイル
２ｂ  検出用コイル
１０  磁歪センサのプローブ
１１ａ，１１ｂ〜１４ａ，１４ｂ  コイル
２０  磁歪センサのプローブ
２５  制御部
【図１】
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【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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