(57)【要約】〔技術分野〕本発明は、技術的診断および物質の非破壊制御制御に関し、測定装置、より詳細には、機械的応力センサの構築および操作に使用され得る。〔本発明の開示〕本発明によって成し遂げられる技術的成果は、部分的な機械的負荷によって生じる信号の測定を可能にすること、および、例えば、引っ張り、圧縮およびねじりなどの様々なタイプの機械的負荷を検知することによってセンサの機能性を増すことばかりではなく、ノイズの影響を低減し、かつ感度を増すことである。上記技術的結果は、次のようにして達成される。ここに開示される機械的応力センサは、ポリマー材料の長方形板を備える。長方形板の上面は、検知器が設置される、中心対称である空洞の形状のシートを有する。上記長方形板の本体の内部には、中心の長軸に沿って、かつ長方形板の上面および下面と平行に、予備引張アモルファス強磁性微細ワイヤに基づく感磁素子がある。上記感磁素子は、差動測定コイルの内部に配置され、かつ印刷導体を通して第１の対の接触パッドに接続される。上記差動測定コイルは、印刷導体を通して、第２の対の接触パッドに接続される。さらに、両方の対の接触パッドは、空洞の内部に配置され、かつ上記検知器に接続される。上記検知器は、交流電源、直流電源および測定コイル信号増幅器を備える。交流電源は、磁場源に接続される。直流電源は、第１の対の接触パッドに接続される。測定コイル信号増幅器の入力は、第２の対の接触パッドに接続され、かつ測定コイル信号増幅器の出力は、パーソナルコンピュータに連結されているアナログ−デジタル変換機に接続される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー材料の長方形板を備えており、
上記長方形板の上面は、検知器が配置される、中心対称である空洞の形状のシートを有しており、
上記長方形板の本体内部には、中心の長軸に沿って、かつ上記長方形板の上面および下面と平行に、差動測定コイルの内部に配置され、印刷導体を通して第１の対の接触パッドに接続される、予備引張アモルファス強磁性微細ワイヤの形状の感磁素子が存在しており、
上記差動測定コイルは、印刷導体を通して、第２の対の接触パッドに接続されており、
さらに、両方の対の接触パッドは、上記シートの内部に配置されるとともに、上記検知器に接続されており、
上記検知器は、
上記磁場源に接続された交流電源と、
上記第１の対の接触パッドに接続された直流電源と、
測定コイル信号増幅器と、を備え、
上記測定コイル信号増幅器の入力は、上記第２の対の接触パッドに接続され、当該測定コイル信号増幅器の出力は、パーソナルコンピュータに連結されているアナログ−デジタル変換器に接続される
ことを特徴とする機械的応力センサ。
【請求項２】
上記ポリマー材料の板は、メタクリルポリマーを基にして作られる
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
上記シートは、中心対称である長方形の空洞の形状である
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
上記交流電源は、１０Ｈｚ−１０ｋＨｚの範囲の周波数を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、Ｃｏ６７Ｆｅ３．８５Ｎｉ１．４５Ｂ１１．５Ｓｉ１４．５Ｍｏ１．７またはＣｏ７１．８Ｆｅ４．９Ｎｂ０.８Ｓｉ７．５Ｂ１５の組成を有する、コバルトリッチ合金から作られる
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、円状の磁気異方性またはヘリカル状の弱磁気異方性を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、２０ｍｍ以内の長さを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、ガラス外囲器の内部に設置される
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
上記差動測定コイルは、直径０．５ｍｍ以下で、かつそれぞれ７ｍｍ以下の長さの、２つの差動的に接続されるソレノイドの形状であり、直径５０ｕｍ以下の銅線の巻線から作られている
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
上記差動測定コイルは、２層の薄膜平面ソレノイドの形状である
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１１】
上記マトリクスの底面上の上記コンタクト層は、糊テープである
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、技術的診断および物質の非破壊制御に関し、測定装置、より詳細には、機械的応力センサの構築および操作に使用され得る。
【０００２】
〔先行技術〕
電導性非磁性体から作られる筐体を備える強磁性体における、機械的応力を測定するための磁気弾性センサ（ロシア特許公報第２４９２４５９号、２０１３年９月１０日公開）が、知られている。筐体は、該筐体に取り付けられた２つの磁心を有している：ここで、主磁心および補助磁心は、２つのＵ字型の磁性伝導体の形状である。補助磁心は、補助磁心の面が、主磁心の面に対して直角になるように、主磁心の極の間に対称に取り付けられている。主磁心は、順に接続される２つの巻線を有する。一方の巻線は、励磁巻線であり、もう一方の巻線は、励磁制御巻線である。補助磁心は、測定巻線を有する。後者は、制御区域の切り替えによって生じるバルクハウゼンジャンプによって発生する磁性ノイズを測定する。ノイズの大きさは、機械的応力を評価するための基準である。
【０００３】
本装置は、センサの寸法が大きく、そして強磁性体における機械的応力の測定にのみ適合している点で、不利である。
【０００４】
物理的パラメータを測定するための方法および装置が知られている（国際公開公報第２００７１１６２１８号、２００７年１０月１８日公開）。物理的パラメータを測定するための装置は、正の磁気歪み定数を有するアモルファス強磁性体に基づくセンサ、交流磁場源、センサの切り替えによって生じる非常に大きなバルクハウゼンジャンプによって発生するパルス信号の形で示される起電力の検知器を備えている。磁性ノイズの大きさは、印加される機械的応力に比例すると想定される。加えられた機械的負荷を検知するために、上記センサは、予備的に応力を加えられたアモルファス強磁性微細ワイヤの形状である。
【０００５】
本装置は、センサ特性が大きく分散し、そして本装置の操作において外部の磁場の著しい影響を受ける点で、不利である。
【０００６】
本発明の原型は、複合センサである（国際公開公報第２０１００５５２８２号、２０１０年５月２０日公開）。上記複合応力センサは、ポリマーマトリクスおよび補強要素から作られる。ポリマーマトリクス配列は、少なくとも１つの導電性構造の層を備える。上記層は、少なくとも１つの、磁気的にやわらかいアモルファス強磁性微細ワイヤを備えている。上記微細ワイヤは、電流を導電し、微細ワイヤ上の対応する電圧が、測定される。機械的負荷が物質に加えられる場合、微細ワイヤのインピーダンスは、巨大な磁気インピーダンスの効果および巨大な応力／インピーダンス効果によって変化する。強磁性微細ワイヤのインピーダンスの変化は、読み取られる電圧の変化をもたらす。
【０００７】
上記装置は、上記センサが細長い形状を有し、かつアモルファス強磁性微細ワイヤの全長で作用するすべての機械的負荷に比例する信号を測定するがゆえに、部分的な機械的応力の測定が複雑である点で、不利である。さらに、巨大な磁気インピーダンスの影響により、上記複合センサは、加えられた機械的負荷の正味の効果を歪曲する、印加された外部の磁場に反応する可能性がある。
【０００８】
〔本発明の開示〕
本発明によって成し遂げられる技術的成果は、部分的な機械的負荷によって生じる信号の測定を可能にすること、および、例えば、引っ張り、圧縮およびねじりなどの様々なタイプの機械的負荷を検知することによってセンサの機能性を増すことばかりではなく、ノイズの影響を低減し、かつ感度を増すことである。
【０００９】
上記技術的結果は、次のようにして達成される。
【００１０】
ここに開示される機械的応力センサは、ポリマー材料の長方形板を備える。長方形板の上面は、検知器が設置される、中心対称である空洞の形状のシートを有する。
【００１１】
上記長方形板の本体の内部には、中心の長軸に沿って、かつ長方形板の上面および下面と平行に、予備引張(preliminary tensile)アモルファス強磁性微細ワイヤに基づく感磁素子がある。
【００１２】
上記感磁素子は、差動測定(differential measuring)コイルの内部に配置され、かつ印刷導体(printed conductor)を通して第１の対の接触パッドに接続される。
【００１３】
上記差動測定コイルは、印刷導体を通して、第２の対の接触パッドに接続される。さらに、両方の対の接触パッドは、空洞の内部に配置され、かつ上記検知器に接続される。
【００１４】
上記検知器は、交流電源、直流電源および測定コイル信号増幅器を備える。交流電源は、磁場源に接続される。直流電源は、第１の対の接触パッドに接続される。測定コイル信号増幅器の入力は、第２の対の接触パッドに接続され、かつ測定コイル信号増幅器の出力は、パーソナルコンピュータに連結されているアナログ−デジタル変換機に接続される。
【００１５】
特定の場合において、上記長方形板は、メタクリルポリマー系材料から作られる。
【００１６】
さらに、上記シートは、中心対称である長方形の空洞の形状である。
【００１７】
上記交流電源は、１０Ｈｚ−１０ｋＨｚの範囲の周波数を有する。
【００１８】
特定の場合において、上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、例えば、Ｃｏ６７Ｆｅ３．８５Ｎｉ１．４５Ｂ１１．５Ｓｉ１４．５Ｍｏ１．７、または Ｃｏ７１．８Ｆｅ４．９Ｎｂ０．８Ｓｉ７．５Ｂ１５といった組成を有する、コバルトリッチ合金から作られる。
【００１９】
さらに、上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、円状の磁気異方性または、ヘリカル状の弱磁気異方性を有しても良い。
【００２０】
また、上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、２０ｍｍ以内の長さを有しても良い。
【００２１】
これに加えて、上記アモルファス強磁性微細ワイヤは、ガラス外囲器に設置され得る。
【００２２】
さらに、上記測定コイルは、直径０．５ｍｍ以下で、それぞれ７ｍｍ以下の長さの、２つの差動的に接続されるソレノイドの形状であり、直径５０ｕｍ以下の銅線の巻線から作られている。
【００２３】
あるいは、上記測定コイルは、２層の薄膜平面ソレノイドから作られ得る。
【００２４】
特定の場合において、マトリクスの底面上のコンタクト層は、糊テープである。
【００２５】
特許請求の範囲にかかるセンサの機能性は、センサの設計の以下の特性によって広げられる：
−原型において使用されている微細ワイヤのインピーダンス測定とは対照的に、例えば、引っ張り、圧縮およびねじりなどの、様々なタイプの機械的負荷を検知する性能は、円状の磁気異方性を有するアモルファス強磁性微細ワイヤ、磁場源を使用した信号検知の磁気法、および測定コイルの形状である、感磁素子によって達成される。
−部分的な機械的負荷は、例えば２０ｍｍ以下の微小な大きさであるアモルファス強磁性微細ワイヤによって測定され得る。
【００２６】
上記センサの磁気ノイズに対する感度は、上記測定コイルの差動的な接続、および例えば２０ｍｍ以下の微小な大きさであるアモルファス強磁性微細ワイヤよって低減される。
【００２７】
上記センサの感度は、小さな異方性磁場およびほぼ線形の磁化曲線を有する円状またはヘリカル状の弱磁気異方性を有するアモルファス強磁性微細ワイヤの選択および使用によって上がるばかりでなく、上記微細ワイヤの円状の磁気構造を安定させる、付加的な直流電源の使用によっても上がる。
【００２８】
〔本発明の実施形態〕
本発明は、次の図によって説明される：
図１は、センサの断面図を示す。図２は、センサ構造の上面図を示す。図３は、検知器へ接続されたセンサの電気回路図を示す。図４は、引っ張り応力に対する磁化曲線を示す。図５は、ねじり応力に対するヒステリシスループを示す。
【００２９】
図１、図２および図３は、長方形板１、シート２、アモルファス強磁性微細ワイヤ３、差動測定コイル４、第１の対の接触パッド５、第２の対の接触パッド６、コンタクト層７、検知器８、交流電源９、磁場源１０、直流電源１１および増幅器１２を示す。
【００３０】
図４および図５は、プロットを示しており、Ｘ軸は、数エルステッドである磁場を示しており、Ｙ軸は、アモルファス強磁性微細ワイヤの低減された磁化を示している。
【００３１】
図４の曲線１３は、無負荷時のアモルファス強磁性微細ワイヤの磁化曲線であり、曲線１４は、引っ張り応力下のアモルファス強磁性微細ワイヤの磁化曲線である。
【００３２】
図５の曲線１５は、ねじり応力下の上記アモルファス強磁性微細ワイヤのヒステリシスループである。
【００３３】
機械的応力センサは、メタクリルポリマー系の長方形板１を備える。この部類のポリマーの選択は、天然ゴムおよびプラスティック、高い可塑性および衝撃靱性、３００℃以下の操作温度、９０％以下の光伝達、化学物質への耐食性、押し出し加工によるリサイクルの可能性、鋳造および空圧式成形だけでなく、構成要素の所望の形状に対する機械的処理の各範囲を含む、機械的応力センサの広範囲の機械パラメータによって決定される。
【００３４】
長方形板１は、１０×２０×２．５ｍｍの大きさを有してもよい。長方形板１の上面は、中心対称である空洞の形状のシート２を有する。シート２は、６×１６×０．５ｍｍの大きさを有してもよい。シート２は、感磁素子に対して対称に配置される。
【００３５】
シート２は、検知器８を収容する。検知器８は、交流電源９、磁場源１０、直流電源１１、電力を供給される微細ワイヤ３および差動測定コイル４の信号の増幅器１２を備える。１０Ｈｚ−１０ｋＨｚの範囲の周波数を有する交流電源９は、感磁素子に沿って方向づけられた均一の磁場を発生させる磁場源１０に接続されている。増幅器１２の入力は、測定コイル４の第２の対の接触パッド６に接続されており、増幅器１２の出力は、アナログ−デジタル変換器に接続されている。アナログ−デジタル変換器は、パーソナルコンピュータに連結されている。
【００３６】
上記長方形板１の本体内部に、中心の長軸に沿って、かつ長方形板の上面および下面に対して平行に、感磁素子が存在する。感磁素子は、差動測定コイル４の内部に配置されている微細ワイヤ３の形状である。微細ワイヤ３は、印刷導体を通して第１の対の接触パッド５に接続されている。第１の対の接触パッド５は、シート２の内部に配置されており、かつ検知器８の直流電源１１に接続されている。
【００３７】
ガラス被覆された微細ワイヤ３は、Ｃｏ６７Ｆｅ３．８５Ｎｉ１．４５Ｂ１１．５Ｓｉ１４．５Ｍｏ１．７合金から作られる。微細ワイヤの選択は、加えられる機械的応力に対する、微細ワイヤの特定のタイプの磁気異方性および固有の感度による。予備的な引っ張り応力が、圧縮応力の登録に役立つ微細ワイヤに加えられてもよい。
【００３８】
小さいマイナスの磁気歪み定数を有するコバルトリッチガラス被覆アモルファス強磁性微細ワイヤにおいて、残留焼入応力が、円状の磁気異方性および基底状態にある微細ワイヤの円状の磁化を生み出すことは、よく知られている。円状の磁気異方性を有する微細ワイヤは、水平磁場においてほぼ線形の磁化曲線を有し、かつほぼヒステリシスがなく、低い異方性磁場を示している。そのような微細ワイヤへの引っ張り応力の印加は、磁化曲線の比例した伸張をもたらす。微細ワイヤへの引っ張り応力の印加は、異方性磁場を増大させ、かつそれゆえに磁化曲線の急峻度を低減する。この影響は、図４の曲線１３および１４の動きによって説明されている。
【００３９】
そのような微細ワイヤへのねじり応力の印加は、スイッチング曲線のヒステリシスをもたらし、微細ワイヤの保磁力を変化させる。この影響は、図５の曲線１５および１６の動きによって説明されている。
【００４０】
実際のコバルトリッチガラス被覆アモルファス強磁性微細ワイヤにおいて、円状の異方性は、弱いヘリカル状の異方性を伴い得る。後者は、微細ワイヤの磁化曲線の小ヒステリシスを生じさせ、微細ワイヤの磁化曲線の直線性に影響を及ぼす。この影響は、微細ワイヤ３に電力を供給する直流電源１２を用いて、微細ワイヤを通る直流電流による、さらなる円状の磁場を生み出すことにより、除去または低減される。
【００４１】
差動測定コイル４は、直径０．５ｍｍ以下かつそれぞれ７ｍｍ以下の長さであり、直径５０ｕｍ以下の銅線の巻線から作られている、２つの差動的に接続されているソレノイドの形状である。差動測定コイル４は、印刷導体を通して、第２の対の接触パッド６に接続される。接触パッド６は、シート２の内部に配置され、かつ検知器９の増幅器１３に接続される。
【００４２】
コンタクト層７は、板１の底面上に貼り付けられる。コンタクト層７は、例えば、Ｓｃｏｔｃｈ社の９４８５／９４８２粘着テープの形状である。
【００４３】
センサは、接着層７を備えていなくてもよい。この場合、検知器は、ＳＳ−３３Ａ接着剤を用いて、対象物の表面上に備え付けられる。
【００４４】
センサは、以下のように動作する。
【００４５】
機械的応力センサは、底に貼り付けられた層７を用いて対象物の表面上に備え付けられる。
【００４６】
図４および図５に説明されているように、例えば、引っ張り、圧縮またはねじりなどの機械的応力が対象物に印加される場合、予備引張アモルファス強磁性微細ワイヤはまた、張られ、アモルファス強磁性微細ワイヤの磁化曲線は変化する。磁化曲線における変化を検知するために、微細ワイヤ３は、交流電源１０および磁場源１１によって発生する交流磁場にさらされる。
【００４７】
１０Ｈｚ−１０ｋＨｚの範囲の周波数と、ほぼ微細ワイヤ３の異方性磁場に対する交流磁場程度の振幅とを有する交流磁場は、微細ワイヤ３の領域においては不変であり、かつその軸に沿って向けられる。印加される磁場は、微細ワイヤ３の磁化を切り替え、かつ差動測定コイル４上に起電力の信号を生み出す。
【００４８】
機械的応力がない場合は、コイル４上の起電力の振幅は、固定される。圧縮応力の印加は、コイル４における起電力の信号の振幅を増大させる。引っ張り応力の印加は、磁化曲線の傾斜を減少させるため、コイル４における起電力の信号を減少させる。ねじり応力の印加は、磁化曲線の形状を変化させるため、コイル４における起電力の波形の変化につながる。
【００４９】
提案した構成において、磁場源１１の磁場は、微細ワイヤ３の磁化を切り替え、かつ一方で、差動測定コイル４に直接影響を及ぼす。差動測定コイル４の２つの対向するソレノイドにおいて、磁場源１１によって発生する信号は、起電力を生み出す均一の磁場である。これらの信号は、ソレノイドそれぞれにおいて同一の符号を有するようになる。それゆえ、ソレノイドの対向接続のため、これらの信号は、互いに減算し合う。しかしながら、この状況は、微細ワイヤ３によって生み出される切り替え信号とは異なる。それぞれのコイルは、微細ワイヤ３の特定の部分にさらされ、それゆえ、それぞれの部分は、自身の信号を誘導するようになる。これらの信号は、コイルにおいて、対向する符号を有するようになる。そのため、ソレノイドの対向接続のために、これらの信号が追加される。
【００５０】
対象物の大きな表面積に対する測定に対しては、機械的応力センサは、検査される表面の所望の地点に配置される。
【００５１】
本願のセンサは、微細ワイヤを通して流れる直流電流による、アモルファス強磁性微細ワイヤの形状である感磁素子の改善されたパラメータ、および微細ワイヤの軸に沿って印加される水平の交流磁場にさらされることによる、感磁素子の最適化された励磁を有する。その上、アモルファス強磁性微細ワイヤの反応の検知は、差動測定コイルを用いて得られる。
【００５２】
さらに、センサは、微小感磁素子の使用および測定コイルの差動的な接続により、部分的な応力測定を提供し、かつノイズ測定の保護を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】センサの断面図を示す。
【図２】センサ構造の上面図を示す。
【図３】検知器へ接続されたセンサの電気回路図を示す。
【図４】引っ張り応力に対する磁化曲線を示す。
【図５】ねじり応力に対するヒステリシスループを示す。
【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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【国際調査報告】
2016540983.tif 000007