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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

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JP3173365B2
JP3173365B2 JP06271996A JP6271996A JP3173365B2 JP 3173365 B2 JP3173365 B2 JP 3173365B2 JP 06271996 A JP06271996 A JP 06271996A JP 6271996 A JP6271996 A JP 6271996A JP 3173365 B2 JP3173365 B2 JP 3173365B2
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Japan
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stress
measured
magnetostrictive sensor
max
electromotive force
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禎明 境
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JFE Engineering Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪効果によって
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。
【0002】
【従来の技術】鉄鋼材料などの強磁性材料に負荷されて
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。
【0003】この方法は次のような原理に基づいてい
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。
【0004】いま、被測定物20のX軸方向に引張応力
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)
【0005】このような状態にある被測定物20に磁歪
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。
【0006】透磁率の差(μX −μY )は応力の差(σ
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。
【0007】式(7)より、Vを測定することにより被
測定物に負荷されている応力を求めることができる。
【0008】図8に、ある被測定物の同一箇所に繰り返
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。
【0009】負荷応力と磁歪センサーの起電力は、応力
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。
【0010】この履歴曲線が生じる原因は、繰り返し測
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。
【0011】図9に、前記特許公報に記載の交流脱磁処
理法を示す。図9の符号は、図7の符号と同じものを表
す。
【0012】被測定物20の応力測定を行う前に、被測
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。
【0013】図10に、交流脱磁処理後の負荷応力と磁
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。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実公平
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。
【0015】図11に、鋼材に10±5kgf/mm2
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。
【0016】このように短い周期で応力が負荷される場
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。
【0017】本発明はこのような課題を解決するために
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。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記課題は、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。
【0019】(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。
【0020】(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。
【0021】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。
【0022】図2に、脱磁処理を行わず最大負荷応力を
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。
【0023】応力付加側では、繰り返しの応力を負荷し
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。
【0024】一方、応力徐去側では、応力付加側とは異
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。
【0025】まず、数学的処理を容易にするために、応
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。
【0026】図3に、図2を式(3)、式(4)にした
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。
【0027】規格化することにより負荷応力と磁歪セン
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。
【0028】予め被測定物を構成する材料を用い、最大
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。
【0029】応力付加側の校正曲線を用い、磁歪センサ
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。
【0030】応力徐去時に測定される磁歪センサーの起
電力Vx を式(4)により規格化してVs を求め、この
s を式(1)へ代入して規格化された応力σs を求め
る。
【0031】このσs を式(3)に代入することによ
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。
【0032】
【発明の実施の形態】上記の式(1)および式(2)の
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。
【0033】図3のデータをもとにn=3のときに得ら
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、
0は充分小さいので省略してある。
【0034】この関係に基づき、磁歪センサーにより測
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。
【0035】
【実施例】鋼材に10±5kgf/mm2 の範囲に1H
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。
【0036】図1に、本発明方法により算出した周期的
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。
【0037】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法により算出した周期的な負荷応力を
示す図である。
【図2】脱磁処理を行わず最大負荷応力を変えて周期的
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。
【図3】図2を、規格化した応力と起電力を用いて書き
換えた図である。
【図4】C3 と最大負荷応力σmax の関係を示す図であ
る。
【図5】C2 と最大負荷応力σmax の関係を示す図であ
る。
【図6】C1 と最大負荷応力σmax の関係を示す図であ
る。
【図7】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である。
【図8】繰り返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負荷応力の関係
を示す図である。
【図9】実公平5ー10337号公報に示された交流脱
磁処理法の説明図である。
【図10】交流脱磁処理後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。
【図11】短い周期の応力を負荷したときの従来の脱磁
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。
【符号の説明】
1 磁歪センサー 11 励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク 11a ヨーク11の開口端 11b ヨーク11の開口端 12 検出用コイルを巻いたコの字型のヨーク 12a ヨーク12の開口端 12b ヨーク12の開口端 13 交流電源 14 電圧計 20 被測定物 30 磁束の流れる方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 1/00 G01L 1/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  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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