(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０Ｈｚ以下の特定周波数による交流励磁信号を印加して、表面がブラスト処理された鋼材である被測定材料を励磁する励磁用コイルと、励磁された前記被測定材料の磁束から前記特定周波数を検出して応力に応じた信号を出力する検出用コイルとを有し、前記被測定材料から所定の間隔を保って配置される磁歪センサ用プローブと、
前記検出用コイルの出力信号を所定のタイミングでサンプリングしてデジタル化するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
該アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の出力信号を処理する出力信号処理部とを具備してなる応力測定装置。
【請求項２】
前記交流励磁信号を、２０Ｈｚ以下の周波数の信号としたことを特徴とする請求項１記載の応力測定装置。
【請求項３】
前記出力信号処理部は、前記アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の検出信号の半周期分の出力デジタル値を積算する処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力測定装置。
【請求項４】
前記出力信号処理部は、前記アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の出力のサンプリングしたデジタル値をフーリエ変換し、前記交流励磁信号の周期と一致する周期成分の振幅を求める処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に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】
この発明は、橋梁や船舶等の鋼構造物の疲労照査に適当な応力測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
橋梁や船舶等の鋼構造物では、車両の移動や波浪によって応力を受け、疲労による劣化で割れ等を生じることがある。そこで、この応力を歪ゲージなどを用いる非破壊検査によって測定することが行なわれている。
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剥がさねばならず、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、歪ゲージによる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、塗膜を剥がないで済ませると共に、圧延・製作・据え付け時の残留応力も含めた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行われている。
図５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。磁歪センサ用プローブ（以下、プローブと略称する）３０は、対称に配置された磁性体による４本の足を有している。対角に向き合った足▲１▼，▲２▼には励磁用コイル３２が巻かれ、交流の励磁電流を流す。対角に向き合った足▲３▼，▲４▼には検出用コイル３４が巻かれている。
【０００４】
図６は従来の技術による磁歪センサ用プローブを用いた残留応力測定回路の回路図である。信号発生器１０は励磁信号を発生するもので、励磁信号の周波数は通常２００Ｈｚから１ｋＨｚを選定する。増幅器２０は信号発生器１０の励磁信号を所定のレベルの励磁電流に増幅するものである。プローブ３０は、被測定材料である鋼構造物の応力に応じた検出信号を出力するもので、励磁用コイル３２に励磁信号が印加され、検出用コイル３４から検出信号が出力される。同期整流器４０は、信号発生器１０の励磁信号とプローブ３０の検出信号を同期整流して、信号成分を抽出する。
【０００５】
励磁信号の周波数として１ｋＨｚを使用したとき、励磁用コイル３２に印加する励磁電圧の例を図７に示し、検出用コイル３４から取り出される出力電圧を図８に示す。励磁電圧が正弦波電圧であるのに対して出力電圧はひずみを含んだ波形となり、位相は約３０°遅れている。
検出用コイル３４から取り出された電圧信号は、同期整流器４０によって整流して図９に示す直流出力電圧を得ることにより残留応力を測定することができる。
【０００６】
次に、このような残留応力測定回路の動作原理について説明する。
励磁用コイル３２に加えた電圧に同期して、検出用コイル３４に誘起された電圧を検波すると、誘起された電圧の位相が弁別され、誘起された電圧の平均出力電圧ｖは次式で表わされる。
ｖ＝k(σ1−σ2)cos2φ
ここで、σ1、σ2は鋼鈑に作用している主応力であり、φは主応力σ1とプローブ方向のなす角度である。プローブ方向は、足▲１▼，▲４▼と足▲３▼，▲２▼の間のスリット方向（図５参照）として定義されるもので、主応力σ1の方向に一致した時出力電圧が最大となる。ｋは磁気ひずみ感度で、応力と出力電圧を関係付ける係数で、材料によって特有の値をとるため、予め鋼構造材に用いられる材料について応力と出力電圧の関係を示す換算テーブルを作成しておく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
被測定材料である鋼材の表面は、鉄や砂の粒を噴射するショットブラストやサンドブラスト等の処理が施され、０．２ｍｍから０．３ｍｍの深さで表面が荒れている場合があり、これらの表面処理が施されていると上述の測定方式では、応力の検出感度が低下してしまう。
ところが塗装が施された状態では鋼材表面の処理状況は確認できず、たとえ塗装膜を除去したとしても表面処理状況を確認することは困難であり、検出電圧から応力を測定するとき測定誤差を生じてしまうという課題があった。
【０００８】
図１０に励磁信号の周波数を１ｋＨｚとしたときの表面処理の違いによる測定値の違いを示す。検出用コイルの出力電圧が２Ｖの点に着目すると、表面処理が行われていない「黒皮」であったときの応力は約７３ＭＰａであり、「黒皮＋サンドブラスト」であったときの応力は約１１０ＭＰａであり、「黒皮＋ショットブラスト」であったときの応力は約１３７ＭＰａである。
このように表面処理の違いによって同一出力電圧に対して７３ＭＰａから１３７ＭＰａと、大きな測定誤差が出てしまうのは、励磁信号の周波数が１ｋＨｚであると、励磁による浸透深さが浅くなってしまい、サンドブラストまたはショットブラストの表面処理を行ったときの表面が荒れている０．２ｍｍから０．３ｍｍの深さを超えて励磁信号を充分に浸透させることができないためである。
【０００９】
図１１および図１２に励磁信号の周波数と浸透深さの関係を示す。図１２は、図１１の横軸の２００Ｈｚ以下の範囲を拡大した図である。浸透深さＳは、鋼材の比抵抗をＰ（１×１０-7Ω・ｃｍ）、励磁信号の周波数をｆ（Ｈｚ）、透磁率をμ（４π×５００×１０-7Ｈ／ｍ）とすると、
Ｓ＝（Ｐ／π・ｆ・μ）1/2
で与えられる。
【００１０】
これらの図からわかるように、励磁信号の周波数が２００Ｈｚのときの浸透深さは約０．５ｍｍであり、１０００Ｈｚのときの浸透深さは約０．２ｍｍである。このため、励磁信号の周波数を２００Ｈｚ以上とすると、サンドブラストまたはショットブラストの表面処理を行ったときの表面が荒れている０．２ｍｍから０．３ｍｍの深さを超えて励磁信号を充分に浸透させることができず、測定誤差がでてしまう。
【００１１】
本発明はこのような背景の下になされたもので、励磁信号の周波数を下げることにより浸透深さを大きくし、検出信号をデジタル処理することによって表面処理の如何によって測定誤差の出にくい測定を行うことができる応力測定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】
５０Ｈｚ以下の特定周波数による交流励磁信号を印加して、表面がブラスト処理された鋼材である被測定材料を励磁する励磁用コイルと、励磁された前記被測定材料の磁束から前記特定周波数を検出して応力に応じた信号を出力する検出用コイルとを有し、前記被測定材料から所定の間隔を保って配置される磁歪センサ用プローブと、
前記検出用コイルの出力信号を所定のタイミングでサンプリングしてデジタル化するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
該アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の出力信号を処理する出力信号処理部とを具備してなる応力測定装置を提供する。
【００１３】
この発明によれば、検出出力をデジタル化して処理するので整流回路の時定数による制約を受けることがなく、高い周波数で応力が変化する場合でも追従可能となるとともに、励磁用コイルに流す電流の周波数による制約もなくなる。したがって、低い周波数の励磁を行うことができるので励磁の浸透深さを大きくすることができ、被測定材料の表面処理の違いによる測定誤差を小さくすることができる。
【００１５】
また、図１２からわかるように被測定材料に対する励磁の浸透深さを約１ｍｍ以上とすることができ、検出出力のデジタル処理と相俟ってサンドブラストまたはショットブラストの表面処理を行ったときの０．２ｍｍから０．３ｍｍの表面荒さによる影響を小さくすることができ、応力の測定を高精度で行うことができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の応力測定装置において、
前記交流励磁信号は、２０Ｈｚ以下の周波数の信号としたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、図１２からわかるように被測定材料に対する励磁の浸透深さを約１．５ｍｍ以上とすることができ、検出出力のデジタル処理と相俟ってサンドブラストまたはショットブラストの表面処理を行ったときの０．２ｍｍから０．３ｍｍの表面荒さによる影響をさらに小さくすることができ、応力の測定を高精度で行うことができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の応力測定装置において、
前記出力信号処理部は、前記アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の検出信号の半周期分の出力デジタル値を積算する処理を行うことを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、検出信号の半周期分のデジタル値の積算を行って応力を算定するので、アナログ処理で問題となる整流回路の平滑時定数に基づく制約がなく、測定時間を短縮することができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の応力測定装置において、
前記出力信号処理部は、前記アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の出力のサンプリングしたデジタル値をフーリエ変換し、前記交流励磁信号の周期と一致する周期成分の振幅を求める処理を行うことを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、サンプリングしたデジタル値をフーリエ変換し、励磁信号の周期と一致する周期成分の振幅を求めて応力を算定するので、一次成分以外のノイズ成分をカットすることができ、アナログ処理で問題となる整流回路の平滑時定数に基づく制約がなく、測定時間を短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による応力測定装置の構成ブロック図である。この図において、磁歪センサ用プローブ（以下、プローブと略称する）３０は塗膜等による所定のリフトオフをもって鋼構造物に接している。このプローブ３０の構造は、前出の図５に示したものと同一である。
プローブ３０の検出用コイル３４の出力はアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）７０によってデジタル化され、このデジタル信号を出力信号処理部８０において信号処理を行う。
信号処理の方法は、ＡＤＣ７０の出力の半周期分のデジタル値を積算する方法と、サンプリングしたデジタル値をフーリエ変換し、励磁電圧の周期と一致する周期成分の振幅を求める方法とがある。
【００２３】
図２は、プローブ３０の励磁用コイル３２に印加する正弦波の励磁電圧の例であり、周波数を１０Ｈｚとしてある。また図３は、プローブ３０の励磁用コイル３２に印加された正弦波電圧によって検出用コイル３４から出力される電圧とサンプリングを示す図である。図３の電圧が歪んでいるのは、磁化された鋼構造物から誘導された電圧のためであり、位相が約３０°遅れている。
【００２４】
検出用コイル３４から出力された電圧は、図３に黒丸で示す所定のサンプリングタイミング毎に、その時の瞬時電圧値をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）７０に取り込み、デジタル信号に変換して出力する。
このデジタル信号は、出力信号処理部８０においてデータを処理し、データ校正テーブルを介して応力を求める。
これらのデジタル信号処理によって検出信号の処理が容易になるとともにフィルタ類が不要となり、フーリエ変換を行出力を求めれば一次成分以外のノイズ等を除去することができ、平滑化の時間遅れがなくなるので、測定時間を短縮することができる。
【００２５】
次に、図４および前出の図１２を参照して浸透深さを約２ｍｍとするために励磁信号の周波数を１４Ｈｚとしたときの表面処理の影響について説明する。
図１０に示したデータとの比較を容易にするために、検出用コイル３４の出力電圧が３Ｖの点に着目すると、表面処理が行われていない「黒皮」であったときの応力は約８７ＭＰａであり、「黒皮＋サンドブラスト」であったときの応力は約１００ＭＰａであり、「黒皮＋ショットブラスト」であったときの応力は約１１０ＭＰａである。
【００２６】
このように励磁信号の周波数を１４Ｈｚとしたことによって、表面処理の違いによる測定誤差を小さくできることが分かる。
励磁信号の周波数を低くしても検出出力信号をデジタル処理しているので、アナログ処理時に問題となる整流回路の平滑時の時定数による応答遅れなどの問題もなくなる。また、デジタル信号をフーリエ変換して応力を測定する方式では、一次以外の次数によるノイズの影響を除去することができる。
【００２７】
以上、本発明の一実施の形態の動作を図面を参照して詳述してきたが、本発明はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００２８】
【発明の効果】
これまでに説明したように、この発明によれば以下に示す効果を得ることができる。
請求項１の発明によれば、検出出力をデジタル化して処理するので整流回路の時定数による制約を受けることがなく、高い周波数で応力が変化する場合でも追従可能となるとともに、励磁用コイルに流す電流の周波数による制約もなくなる。したがって、低い周波数の励磁を行うことができるので励磁の浸透深さを大きくすることができ、被測定材料の表面処理の違いによる測定誤差を小さくすることができる。
【００２９】
また、被測定材料に対する励磁の浸透深さを約１ｍｍ以上とすることができ、検出出力のデジタル処理と相俟ってサンドブラストまたはショットブラストの表面処理を行ったときの０．２ｍｍから０．３ｍｍの表面荒さによる影響を小さくすることができ、応力の測定を高精度で行うことができる。
【００３０】
請求項２の発明によれば、被測定材料に対する励磁の浸透深さを約１．５ｍｍ以上とすることができ、検出出力のデジタル処理と相俟ってサンドブラストまたはショットブラストの表面処理を行ったときの０．２ｍｍから０．３ｍｍの表面荒さによる影響をさらに小さくすることができ、応力の測定を高精度で行うことができる。
【００３１】
請求項３の発明によれば、検出信号の半周期分のデジタル値の積算を行って応力を算定するので、アナログ処理で問題となる整流回路の平滑時定数に基づく制約がなく、測定時間を短縮することができる。
【００３２】
請求項４の発明によれば、サンプリングしたデジタル値をフーリエ変換し、励磁信号の周期と一致する周期成分の振幅を求めて応力を算定するので、一次成分以外のノイズ成分をカットすることができ、アナログ処理で問題となる整流回路の平滑時定数に基づく制約がなく、測定時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による応力測定装置の構成を示すブロック図。
【図２】  プローブ３０の励磁用コイル３２に印加する正弦波の励磁電圧の例を示す図。
【図３】  プローブ３０の励磁用コイル３２に印加された正弦波電圧によって検出用コイル３４から出力される電圧とサンプリングを示す図。
【図４】  励磁信号の周波数を１４Ｈｚとしたときの表面処理の違いによる応力測定値の違いを示す図。
【図５】  磁歪センサ用プローブの一例を示す構成斜視図。
【図６】  磁歪センサ用プローブを用いた従来の技術による残留応力測定回路の回路図。
【図７】  励磁用コイル３２に印加する励磁電圧の例を示す図。
【図８】  検出用コイル３４から取り出される出力電圧を示す図。
【図９】  同期整流器４０によって整流して得られる直流出力電圧を示す図。
【図１０】  励磁信号の周波数を１ｋＨｚとしたときの表面処理の違いによる応力測定値の違いを示す図。
【図１１】  励磁信号の周波数と浸透深さの関係を示す図。
【図１２】  図１１の横軸の２００Ｈｚ以下の範囲を拡大した図。
【符号の説明】
１０  信号発生器
２０  増幅器
３０  磁歪センサ用プローブ（プローブ）
３２  励磁用コイル
３４  検出用コイル
４０  同期整流器
５０  測定器本体
７０  アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
８０  出力信号処理部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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