JP3173365B2 - 磁歪効果を利用した応力測定方法 - Google Patents
磁歪効果を利用した応力測定方法Info
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Description
生じる磁気異方性を利用して鋼構造物や機械部品に負荷
されている応力、特に、短時間に周期的に繰り返し負荷
されている応力を非破壊的に測定する方法に関する。
いる応力を測定する方法として、磁歪効果、すなわち応
力によって磁気的性質が変化する現象を利用した応力測
定方法がある。なかでも、磁歪効果によって生じる磁気
異方性を利用する応力測定方法は、鋼構造物や機械部品
に負荷されている応力を非破壊で、しかも比較的簡便に
測定できる方法として、特開昭62ー121325号公
報、実開平1ー135338号公報、特開平7ー110
270号公報あるいは文献1〔境等:土木学会第50回
年次学術講演会予稿集、P662〜663(1995.
9)〕などに紹介されている。
る。図7に、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用
する応力測定方法の原理図を示す。図7で、1は磁歪セ
ンサー、11は励磁用コイルを巻いたコの字型のヨー
ク、11a、11bはヨーク11の開口端、12は検出
用コイルを巻いたコの字型のヨーク、12a、12bは
ヨーク12の開口端、13は交流電源、14は電圧計、
20は被測定物(磁性材料)、30は磁束の流れる方向
を表す。ここで、磁歪センサー1とはヨーク11、ヨー
ク12、交流電源13、電圧計14の総体を指す。ま
た、ヨーク11とヨーク12は互いにヨーク鞍部の中央
部で直交している。
σX が作用すると、磁性材料である被測定物20のX、
Y軸方向の透磁率μX 、μY には、磁歪効果により下記
の式(5)の関係、すなわち磁気異方性が生じる μX >μY ・・・(5)
センサー1を接近させ、この磁歪センサー1のヨーク1
1に巻かれた励磁用コイルに交流電流を流して被測定物
20を励磁すると、ヨーク11の開口端11aから出た
磁束の大部分は直接ヨーク11の開口端11bへ向かう
が、被測定物20には引張応力σX により式(5)のよ
うな磁気異方性が生じているため、磁束の一部はヨーク
12を経由してヨーク11の開口端11bへ流れる。そ
のため、ヨーク12に巻かれた検出用コイルには下記の
式(6)に示す起電力Vが誘起される。 V=M0 ・(μX −μY )・COS[2・(θ−π/4)]・・・(6) ここで、Vは検出用コイルに誘起される交流起電力の整
流値、M0 は励磁条件、コイルの条件、被測定物20の
磁気的特性などにより定まる定数、COS[2・(θ−π/
4)]は余弦関数、θはヨーク12の開口端12aと12
bを結ぶ直線とX軸のなす角である。
X −σY )に比例するので、式(6)は下記の式(7)
のように書換えできる。 V=M・(σX −σY )・COS[2・(θ−π/4)]・・・(7) ここで、Mは励磁条件、コイルの条件、被測定物20の
磁気的特性などにより定まる定数である。
測定物に負荷されている応力を求めることができる。
し応力を負荷したときの応力付加時と除去時に得られる
磁歪センサーの起電力と付加応力の関係を示す。
の付加側と除去側で同一の応力に対して同一の起電力を
示さない、いわゆる履歴曲線を形成している。したがっ
て、応力が繰り返し負荷される場合は、測定される磁歪
センサーの起電力から一義的に応力を求めることができ
ない。
定時に材料に蓄積される残留磁化による。実公平5ー1
0337号公報には、交流脱磁処理法によりこの被測定
物の残留磁化を消去してから応力測定する方法が提案さ
れている。
理法を示す。図9の符号は、図7の符号と同じものを表
す。
定物20に励磁コイルを巻いたヨーク11をあて、この
ヨーク11に交流電源13により交流電流をその振幅を
除々に減衰させながら流し、被測定物20の残留磁化を
消去する。
歪センサーの起電力の関係を示す。交流脱磁処理を行う
ことにより履歴曲線を示さず、測定される磁歪センサー
の起電力から一義的に応力を求められる。
5ー10337号公報に記載の方法は、1回の脱磁処理
が数秒の時間を要するため、繰り返し負荷される応力の
周期が脱磁処理時間より長い場合には問題なく適用でき
るが、疲労試験などのようにこの周期が脱磁処理時間よ
り短い場合は、以下に示すように適用できない。
の範囲に1Hzの周期で変化する負荷応力を与え、上記
の脱磁処理を併用した校正曲線を用いて測定される磁歪
センサーの起電力から応力を求めた結果を示す。
合は、歪みゲージで測定した実際の負荷応力とは著しく
異なり、脱磁処理が有効でないことがわかる。
なされたもので、繰り返し負荷される応力の周期が短時
間でも、正確な応力測定が可能な磁歪効果を利用した応
力測定方法を提供することを目的とする。
ルを巻いたコの字型のヨークと検出用コイルを巻いたコ
の字型のヨークを互いにヨーク鞍部の中央部で直交する
ように配置し、前記コの字型のヨークの開口端側を被測
定物に接近させ、前記励磁用コイルに交流電流を流して
前記被測定物を励磁し、前記検出用コイルに誘起される
起電力を測定して前記被測定物の負荷応力を測定可能な
磁歪センサーを用いた磁歪効果を利用した応力測定方法
において、下記の手法により周期的負荷応力を測定する
ことを特徴とする磁歪効果を利用した応力測定方法。
応力については、予め求めておいた前記磁歪センサーの
起電力と応力の校正曲線から求める。
応力については、 i)前記磁歪センサーで測定される起電力Vx を下記の
式(4)に代入して、規格化したVs を求め、 ii)前記Vx に対応した負荷応力σx を下記の式
(3)で規格化したσs と前記Vs の関係を下記のn次
の多項式(1)で表したときの係数Ck を、前記磁歪セ
ンサーにより測定される最大負荷応力σmax を前記Ck
と前記σmax の関係を表した下記のn次の多項式(2)
に代入して求め、 iii)前記Vs と前記式(1)からσs を求め、 iv)前記σs と前記式(3)からσx を算出する。
で測定される最大起電力、V minは磁歪センサーで測定
される最小起電力、Gk は式(2)の係数である。
変えて周期的な応力を負荷したときの負荷応力と磁歪セ
ンサーの起電力の関係を示す。
ても、また、その負荷応力の最大値を変えても、負荷応
力と磁歪センサーの起電力の関係は一つの曲線で表され
る。したがって、これを校正曲線に用いれば測定される
磁歪センサーの起電力から一義的に負荷応力を求めるこ
とができる。
なる履歴曲線を形成するため、測定される磁歪センサー
の起電力から一義的に負荷応力を求めることができな
い。また、この履歴曲線は最大負荷応力によっても異な
っている。したがって、最大負荷応力に対応した応力徐
去側における曲線を何らかの方法で決定できれば、それ
を校正曲線に用いることにより測定される磁歪センサー
の起電力から負荷応力を一義的に求めることができる。
以下にその手法を説明する。
力除去側における負荷応力σx と磁歪センサーで測定さ
れる交流起電力の整流値Vx を上記の式(3)、式
(4)のように規格化する。
がって規格化した応力と起電力を用いて書き換えた図を
示す。
サーの起電力は無次元化される。図3の応力除去側の曲
線を上記のn次の多項式(1)で表す。
負荷応力σmax を変化させて最大起電力V maxを測定
し、式(1)の係数Ck と最大負荷応力σmax の関係を
表す上記のn次の多項式(2)を求めておく。
ーの起電力から最大負荷応力σmaxを測定し、このσ
max を式(2)へ代入しCk を求め、式(1)を決定す
る。
電力Vx を式(4)により規格化してVs を求め、この
Vs を式(1)へ代入して規格化された応力σs を求め
る。
り、応力徐去時に測定される磁歪センサーの起電力Vx
に対応した負荷応力σx を算出することができる。
多項式の次数nは、大きいほど測定精度が向上するので
好ましいが、n=3であれば鋼構造物や機械部品に負荷
されている応力の評価には充分である。
れるCk と最大負荷応力σmax の関係を図4(C3 )、
図5(C2 )、図6(C1 )にそれぞれ示す。ただし、
C0は充分小さいので省略してある。
定される最大負荷応力σmax より3次の多項式(1)が
決定され、応力除去側の曲線が求まる。したがって、応
力除去側においても測定される磁歪センサーの起電力か
ら一義的に負荷応力を算出できることになる。
zの周期で変化する負荷応力を与え、その応力を歪みゲ
ージと本発明方法により測定した。
な負荷応力を示す。本発明方法により算出した負荷応力
は歪みゲージで測定される実際の応力とほぼ一致してい
ることがわかる。
いるので、繰り返し負荷される応力の周期が短時間で
も、正確な応力測定が可能な磁歪効果を利用した応力測
定方法を提供できる。
示す図である。
に応力負荷したときの負荷応力と磁歪センサーの起電力
の関係を示す図である。
換えた図である。
る。
る。
る。
応力測定方法の原理図である。
去時に得られる磁歪センサーの起電力と負荷応力の関係
を示す図である。
磁処理法の説明図である。
起電力の関係を示す図である。
処理を併用した校正曲線を用いた応力測定結果を示す図
である。
Claims (1)
- 【請求項1】 励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク
と検出用コイルを巻いたコの字型のヨークを互いにヨー
ク鞍部の中央部で直交するように配置し、前記コの字型
のヨークの開口端側を被測定物に接近させ、前記励磁用
コイルに交流電流を流して前記被測定物を励磁し、前記
検出用コイルに誘起される起電力を測定して前記被測定
物の負荷応力を測定可能な磁歪センサーを用いた磁歪効
果を利用した応力測定方法において、下記の手法により
周期的負荷応力を測定することを特徴とする磁歪効果を
利用した応力測定方法。 (イ)前記周期的負荷応力の応力付加側の応力について
は、予め求めておいた前記磁歪センサーの起電力と応力
の校正曲線から求める。 (ロ)前記周期的負荷応力の応力除去側の応力について
は、 i)前記磁歪センサーで測定される起電力Vx を下記の
式(4)に代入して、規格化したVs を求め、 ii)前記Vx に対応した負荷応力σx を下記の式
(3)で規格化したσs と前記Vs の関係を下記のn次
の多項式(1)で表したときの係数Ck を、前記磁歪セ
ンサーにより測定される最大負荷応力σmax を前記Ck
と前記σmax の関係を表した下記のn次の多項式(2)
に代入して求め、 iii)前記Vs と前記式(1)からσs を求め、 iv)前記σs と前記式(3)からσx を算出する。 Vs =Σ(Ck ・σk s )・・・(1) Ck =Σ(Gk ・σk max )・・・(2) ただし、 k=0 、1、2・・・・・n σs =σx /(σ max−σ min)・・・(3) Vs =Vx /(V max−V min)・・・(4) ここで、 σ minは最小負荷応力、 V maxは磁歪センサーで測定される最大起電力、 V minは磁歪センサーで測定される最小起電力、 Gk は式(2)の係数である。
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