(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の軸部からなる第１のコア、および該第１のコアの配列方向に直交して配置された同じく一対の軸部からなる第２のコアを一体化したセンサ本体に、前記第１のコアに第１の導線を巻回して励磁用コイルを構成し、前記第２のコアには第２の導線を巻回して検出用コイルを構成した磁歪センサを使って被測定物に作用する応力を測定する応力の測定方法であって、
応力が作用している前記被測定物に前記磁歪センサを近接させ、
前記励磁用コイルに通電して前記被測定物を励磁し、
通電によって前記励磁用コイルに発生する電圧、および励磁によって前記検出用コイルに誘起される出力電圧を検出し、
前記磁歪センサに前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と前記励磁用コイルに発生した電圧とからインピーダンスを算出し、
被測定物またはこれと同材質の試料を励磁するべく前記磁歪用コイルに通電した励磁電流および前記励磁用コイルに発生した電圧から算出されるインピーダンスと、励磁によって前記検出用コイルに誘起される出力電圧および前記被測定物またはこれと同材質の試料に作用させた応力から算出される応力感度と、に基づいてあらかじめ求められた、前記被測定物に関するインピーダンスと応力感度との関係を参照して、前記算出されたインピーダンスに対応する応力感度を推定し、
該推定された応力感度と前記出力電圧とをもとに前記被測定物に作用する応力の大きさを算出することを特徴とする応力の測定方法。
【請求項２】
前記被測定物またはこれと同材質の試料を対象として、該対象に任意の応力を作用させながら前記磁歪センサと前記被測定物との間隔を段階的に変化させ、各段階において前記励磁用コイルに通電して前記被測定物を励磁し、前記励磁用コイルに発生する電圧を検出し、前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と前記励磁用コイルに発生した電圧とから各段階におけるインピーダンスを算出し、各段階におけるインピーダンスと前記間隔との関係、ならびに該間隔と応力感度との関係を求め、さらにこれらの関係から前記被測定物に関する前記インピーダンスと前記応力感度との関係をあらかじめ求めておくことを特徴とする請求項１記載の応力の測定方法。
【請求項３】
一対の軸部からなる第１のコア、および該第１のコアの配列方向に直交して配置された同じく一対の軸部からなる第２のコアを一体化したセンサ本体に、前記第１のコアに第１の導線を巻回して励磁用コイルを構成し、前記第２のコアには第２の導線を巻回して検出用コイルを構成した磁歪センサと、
被測定物またはこれと同材質の試料を励磁するべく前記磁歪用コイルに通電した励磁電流および前記励磁用コイルに発生した電圧から算出されるインピーダンスと、励磁によって前記検出用コイルに誘起される出力電圧および前記被測定物またはこれと同材質の試料に作用させた応力から算出される応力感度と、に基づいてあらかじめ求められた、前記被測定物に関するインピーダンスと応力感度との関係を記憶する記憶手段と、
前記磁歪センサに前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と通電によって前記励磁用コイルに発生した電圧とからインピーダンスを算出し、該算出されたインピーダンスに対応する応力感度を、前記記憶手段に記憶されたインピーダンスと応力感度との関係を参照して推定し、該推定された応力感度と励磁によって前記検出用コイルに誘起された出力電圧とをもとに前記被測定物に作用する応力の大きさを算出する演算手段とを備えることを特徴とする応力測定装置。
【請求項４】
前記被測定物またはこれと同材質の試料を対象として、該対象に任意の応力を作用させながら前記磁歪センサと前記被測定物との間隔を段階的に変化させ、各段階において前記励磁用コイルに通電して前記被測定物を励磁し、前記励磁用コイルに発生する電圧を検出し、前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と前記励磁用コイルに発生した電圧とから各段階におけるインピーダンスを算出し、各段階におけるインピーダンスと前記間隔との関係、ならびに該間隔と応力感度との関係を求め、さらにこれらの関係から前記被測定物に関する前記インピーダンスと前記応力感度との関係をあらかじめ求め、該関係を前記記憶手段に記憶させておくことを特徴とする請求項３記載の応力測定装置。
【請求項５】
前記第１のコアに、前記励磁に際して通電される第３の導線が巻回されていることを特徴とする請求項３または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、橋梁等の構造物を構成する鋼材にどの程度の応力が作用しているかを現場において測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、橋梁等の構造物を構成している鋼材について、その鋼材にどの程度の内在応力が作用しているかを定量的に測定することは、該構造物の安全性を評価するうえで重要なことである。
【０００３】
内在応力を測定する方法のひとつに磁歪による応力の測定方法が挙げられる。この応力測定方法は、例えば特開平5-231961号公報に開示されているように、強磁性体である鋼材に荷重が作用すると磁化特性に異方向性が生じる（荷重の作用方向に磁化されやすくなり、荷重の作用方向に垂直な方向に磁化されにくくなる）という現象を利用し、両方向の磁化特性の差を磁歪センサによって検出して、鋼材に作用する内在応力の方向とその大きさとを測定するというものである。
【０００４】
上記のような応力測定方法を高精度に実施するためには、鋼材の応力感度を可能な限り正確に承知しておくことが重要であるが、既設の構造物、つまり実構造物の鋼材については応力感度が不明である場合がほとんどである。
【０００５】
応力感度は、被測定物である鋼材と磁歪センサとの間隔（これを"リフトオフ"という）に影響を受けて変化する。一般に、実構造物には防錆、防蝕のために塗装が施されるが、この塗膜の厚さは一定ではなくばらつきを生じている。そのため応力感度を正確に認知しようとすれば、測定個所の塗膜を剥がしてリフトオフを測定するか、塗膜の上から膜厚を計測できる膜厚計を使用する必要がある。
【０００６】
しかしながら、塗膜を剥がしてリフトオフを測定する場合は塗膜の除去作業を手作業で行わなければならず、作業量が増大する。応力測定を複数箇所にわたって実施する場合はなおさらである（複数箇所に実施する場合、１箇所の塗膜だけ除去してリフトオフを測定し、他の測定個所については除去作業を行わずに当該リフトオフ量を流用したとしても、上記のように膜厚は一定ではないため、正確ではない）。
【０００７】
また、膜厚計（例えば超音波パルス式距離計）を使用する場合は塗膜を除去する必要はないが、この場合も膜厚計を使って測定作業を行わなければならず、作業量は少なからず増大する。
【０００８】
このような、塗膜のばらつきに起因してリフトオフを確定し難いという事情を考慮して、リフトオフによる影響を受けることなく被測定物に作用する応力を測定する方法が特開平05-231960号、特開平06-307948号、特願2000-02600号の各公報に開示されている。この応力測定方法においては、あらかじめ被測定物について、リフトオフに対するリフトオフ電圧（励磁によって誘起される起電力）の関係、ならびにリフトオフと磁歪感度との関係を求め、さらにこれらの関係からリフトオフ電圧と磁歪感度との関係を求めておく。
【０００９】
被測定物に作用している応力の測定時には、磁歪センサによってリフトオフ電圧を測定し、あらかじめ求めておいたリフトオフ電圧と磁歪感度との関係をもとに測定電圧値に対応する磁歪感度を求める。そして、測定電圧値および磁歪感度をもとに応力を算出するというものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の応力測定方法においては、励磁用コイルを巻いたコの字型の励磁用ヨークと、検出用コイルを巻いたコの字型の検出用ヨークとを互いにヨーク鞍部の中央で直交するように接合した構造の磁歪センサを使用している。
【００１１】
この磁歪センサにおいては、励磁用ヨークと検出用ヨークとを別体に構成して両者を接合する構造を採用しているため、励磁用ヨークの先端と検出用ヨークの先端との配置が狂い易い。当該の配置が少しでも狂うと、励磁によって誘起される起電力が大きく変化してしまい、正確な応力測定を行うことができなくなる。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、磁歪センサにおける測定誤差を少なくして正確に応力測定を行うことができる応力測定方法および応力測定装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の応力の測定方法および応力測定装置を採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載の応力の測定方法は、一対の軸部からなる第１のコア、および該第１のコアの配列方向に直交して配置された同じく一対の軸部からなる第２のコアを一体化したセンサ本体に、前記第１のコアに第１の導線を巻回して励磁用コイルを構成し、前記第２のコアには第２の導線を巻回して検出用コイルを構成した磁歪センサを使って被測定物に作用する応力を測定する応力の測定方法であって、応力が作用している前記被測定物に前記磁歪センサを近接させ、前記励磁用コイルに通電して前記被測定物を励磁し、通電によって前記励磁用コイルに発生する電圧、および励磁によって前記検出用コイルに誘起される出力電圧を検出し、前記磁歪センサに前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と前記励磁用コイルに発生した電圧とからインピーダンスを算出し、被測定物またはこれと同材質の試料を励磁するべく前記磁歪用コイルに通電した励磁電流および前記励磁用コイルに発生した電圧から算出されるインピーダンスと、励磁によって前記検出用コイルに誘起される出力電圧および前記被測定物またはこれと同材質の試料に作用させた応力から算出される応力感度と、に基づいてあらかじめ求められた、前記被測定物に関するインピーダンスと応力感度との関係を参照して、前記算出されたインピーダンスに対応する応力感度を推定し、該推定された応力感度と前記出力電圧とをもとに前記被測定物に作用する応力の大きさを算出することを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の応力の測定方法は、請求項１記載の応力の測定方法において、前記被測定物またはこれと同材質の試料を対象として、該対象に任意の応力を作用させながら前記磁歪センサと前記被測定物との間隔を段階的に変化させ、各段階において前記励磁用コイルに通電して前記被測定物を励磁し、前記励磁用コイルに発生する電圧を検出し、前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と前記励磁用コイルに発生した電圧とから各段階におけるインピーダンスを算出し、各段階におけるインピーダンスと前記間隔との関係、ならびに該間隔と応力感度との関係を求め、さらにこれらの関係から前記被測定物に関する前記インピーダンスと前記応力感度との関係をあらかじめ求めておくことを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の応力測定装置は、一対の軸部からなる第１のコア、および該第１のコアの配列方向に直交して配置された同じく一対の軸部からなる第２のコアを一体化したセンサ本体に、前記第１のコアに第１の導線を巻回して励磁用コイルを構成し、前記第２のコアには第２の導線を巻回して検出用コイルを構成した磁歪センサと、被測定物またはこれと同材質の試料を励磁するべく前記磁歪用コイルに通電した励磁電流および前記励磁用コイルに発生した電圧から算出されるインピーダンスと、励磁によって前記検出用コイルに誘起される出力電圧および前記被測定物またはこれと同材質の試料に作用させた応力から算出される応力感度と、に基づいてあらかじめ求められた、前記被測定物に関するインピーダンスと応力感度との関係を記憶する記憶手段と、前記磁歪センサに前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と通電によって前記励磁用コイルに発生した電圧とからインピーダンスを算出し、該算出されたインピーダンスに対応する応力感度を、前記記憶手段に記憶されたインピーダンスと応力感度との関係を参照して推定し、該推定された応力感度と励磁によって前記検出用コイルに誘起された出力電圧とをもとに前記被測定物に作用する応力の大きさを算出する演算手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の応力測定装置は、請求項３記載の応力測定装置において、前記被測定物またはこれと同材質の試料を対象として、該対象に任意の応力を作用させながら前記磁歪センサと前記被測定物との間隔を段階的に変化させ、各段階において前記励磁用コイルに通電して前記被測定物を励磁し、前記励磁用コイルに発生する電圧を検出し、前記被測定物を励磁するべく通電した励磁電流と前記励磁用コイルに発生した電圧とから各段階におけるインピーダンスを算出し、各段階におけるインピーダンスと前記間隔との関係、ならびに該間隔と応力感度との関係を求め、さらにこれらの関係から前記被測定物に関する前記インピーダンスと前記応力感度との関係をあらかじめ求め、該関係を前記記憶手段に記憶させておくことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の応力測定装置は、請求項３または４記載の応力測定装置において、前記第１のコアに、前記励磁に際して通電される第３の導線が巻回されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、被測定物またはこれと同材質の試料を使って被測定物に関するインピーダンスと応力感度との関係を事前に取得しておき、実際の測定に際してこの関係を利用して被測定物の応力感度を特定することにより、リフトオフが不明のままでも、被測定物に実際に作用している応力を測定することが可能である。
【００１９】
さらに、磁歪センサに、励磁用コイルのコアと検出用コイルのコアとを一体化した構造を採用したことにより、励磁用コイルを構成する一対の軸部と検出用コイルを構成する一対の軸部との配置が狂うことがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る応力の測定方法および応力測定装置の実施形態を図１ないし図６に示して説明する。
図１には本発明に係る応力測定装置を示しており、符号１は既設の橋梁を構成している鋼材（被測定物）、２は磁歪センサ、３は出力信号を処理する解析用コンピュータである。磁歪センサ２は鋼材１に近接して配置されている。
【００２１】
磁歪センサ２は、図２に示すように、一対の軸部２１ａ，２１ｂからなるコア（第１のコア）２１、およびコア２１の配列方向に直交して配置された同じく一対の軸部２２ａ，２２ｂからなるコア（第２のコア）２２を一体化したセンサ本体２３に、コア２１に導線（第１の導線）２４を巻回して励磁用コイルを構成し、コア２２には導線（第２の導線）２５を巻回して検出用コイルを構成したものである。
【００２２】
センサ本体２３には、円柱状の基部２６に、軸部２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂが基部２６の中心軸線を取り囲むように立設されている。センサ本体２３は、円柱状の基体の一方の端面に中心軸線方向から十字に切り込みを入れることによって形成される。
【００２３】
励磁用コイルを構成するコア２１の一方の軸部２１ａには、導線２４とは独立して導線（第３の導線）２７が巻回されてリフトオフ検出用コイルが構成されている。磁歪センサ２を被測定物に近接させて励磁用コイルに通電すると、被測定物が磁化されることによって検出用コイルにはリフトオフと励磁電流とに見合った起電力が発生するが、これと同時にリフトオフ検出用コイルにもリフトオフと励磁電流とに見合った起電力（これを"リフトオフ電圧"という）が発生するようになっている。
【００２４】
解析用コンピュータ３には、あらかじめ求めておいた鋼材１に関するインピーダンスと応力感度との関係を記憶する記憶手段３１と、鋼材１を励磁するべく磁歪センサ２に通電した励磁電流と電圧値、励磁によって誘起される出力電圧値、ならびに記憶手段３１に記憶された情報をもとに鋼材１に作用する応力の大きさを算出する演算手段３２とが設けられている。
【００２５】
記憶手段３１に記憶される情報、すなわち鋼材１に関するインピーダンスと応力感度との関係はあらかじめ次のようにして求められる。
まず、鋼材１またはこれと同材質の試料を対象として、該対象に任意の応力を作用させながら磁歪センサ２と鋼材１とのリフトオフを段階的に変化させ、各段階において励磁用コイルに通電し、通電によって励磁用コイルに発生する励磁電圧と電流、および励磁によって検出用コイルに誘起される出力電圧を検出する。これをもとに、まず、リフトオフの各段階における出力電圧と応力との関係を求める。図３はリフトオフを２．０３ｍｍ(◆)、０．６７ｍｍ(△)、０．２５ｍｍ(□)、０．０５ｍｍ(●)の４段階に変化させたときの出力電圧と応力との関係を示すグラフである。
【００２６】
次に、図３に示す出力電圧と応力との関係から、リフトオフの各段階におけるインピーダンスとリフトオフとの関係、ならびにリフトオフと応力感度との関係を求める。図４、図５はこれらの関係を示すグラフである。なお、この場合のインピーダンスとは、励磁コイルにかけられた励磁電圧を励磁電流で除した値であり、応力感度とは出力電圧を対象物に作用させた応力で除した値である。
【００２７】
さらに、図４に示すインピーダンスとリフトオフとの関係、ならびに図５に示すリフトオフと応力感度との関係から、鋼材１に関するインピーダンスと応力感度との関係を求める。図６はこれらの関係を示すグラフであり、記憶手段３１には、図６のようなインピーダンスと応力感度との対応関係を表す情報が記憶されている。
【００２８】
続いて、上記のように構成された応力検出装置を用い、既設の橋梁を構成する鋼材１に実際に作用している内在応力を測定する方法について説明する。
まず、鋼材１の測定個所に、磁歪センサ２をリフトオフ不明のままで近接させ、励磁用コイルに通電して鋼材１を励磁し、通電した励磁電流(Ｉ)と通電によって励磁用コイルに発生する励磁電圧(Ｖc)、および励磁によって検出用コイルに誘起される出力電圧(Ｖ)を検出する。
次に、磁歪センサ２に通電した励磁電流値(Ｉ)と通電によって発生する励磁電圧とからインピーダンス値(Ｒ＝Ｖc／Ｉ)を算出する。
続いて、記憶手段３１に記憶させたインピーダンスと応力感度との関係を参照してインピーダンス値に対応する応力感度(Ｓe)を抽出し、これをもとに鋼材１に作用する内在応力の大きさを算出する。鋼材１に作用する内在応力は出力電圧(Ｖ)を応力感度で除した値として与えられるから、実際に鋼材１に作用している内在応力の大きさは(Ｖ／Ｓe)ということになる。
【００２９】
上記のような応力の測定方法においては、鋼材１またはこれと同材質の試料を使って鋼材１に関するインピーダンスと応力感度との関係を事前に取得しておき、実際の測定に際してこの関係を利用して応力感度を特定することにより、リフトオフが不明のままでも、既設の橋梁を構成する鋼材１に実際に作用している内在応力を測定することができる。
【００３０】
また、上記応力測定に使用する磁歪センサ２は、励磁用コイルのコア２１と検出用コイルのコア２２とを一体化した構造を備えるから、励磁用コイルを構成する一対の軸部２１ａ，２１ｂと検出用コイルを構成する一対の軸部２２ａ，２２ｂとの配置が狂うことがない。これにより、磁歪センサ２における測定誤差を少なくして正確に応力測定を行うことができる。
【００３１】
なお、本実施形態においては励磁用コイルに別個にリフトオフ検出用コイルを設けた構成としたが、励磁電流の通電によって励磁用コイルに発生する電圧値が検出可能である場合、例えば励磁電流の周波数を極端に早くすることによって励磁用コイルにより大きな電圧が発生する場合等には、特にリフトオフ検出用コイルを設ける必要はない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る応力の測定方法および応力測定装置によれば、被測定物またはこれと同材質の試料を使って被測定物に関するインピーダンスと応力感度との関係を事前に取得しておき、実際の測定に際してこの関係を利用して被測定物の応力感度を特定することにより、リフトオフが不明のままでも、被測定物に実際に作用している応力を測定することができる。
【００３３】
さらに、磁歪センサに、励磁用コイルのコアと検出用コイルのコアとを一体化した構造を採用したことにより、励磁用コイルを構成する一対の軸部と検出用コイルを構成する一対の軸部との配置が狂うことがない。これにより、磁歪センサにおける測定誤差を少なくして正確に応力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る応力測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】  応力測定装置を構成する磁歪センサの構造を示す斜視図である。
【図３】  リフトオフの各段階におけるリフトオフ電圧と応力との関係を示すグラフである。
【図４】  インピーダンスとリフトオフとの関係を示すグラフである。
【図５】  リフトオフと応力感度との関係との関係を示すグラフである。
【図６】  インピーダンスと応力感度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１      鋼材（被測定物）
２      磁歪センサ
３      解析用コンピュータ
２１    コア（第１のコア）
２２    コア（第２のコア）
２３    センサ本体
２４    導線（第１の導線）
２５    導線（第２の導線）
２７    導線（第３の導線）
３１    記憶手段
３２    演算手段
【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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