JPH042936A - 超音波ボルト軸力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波ボルト軸力測定装置に関し、詳しく
は、ボルト締付は作業において、部材と部材とを締結し
たボルトが適正な軸力となっているか否かをより正確に
測定することができるような超音波ボルト軸力測定装置
に関する。

［従来の技術］ 超音波を用いて計測を行う超音波測定装置では、超音波
のエコーを検出して欠陥の有無、欠陥までの距離（ある
いは位置）、板厚の測定などが行われる。また、このよ
うな超音波測定の特徴を利用してボルトの軸力測定（ト
ルクの測定）も行われている。それは、超音波の伝播時
間がボルトの軸力に応じて変化することを利用するもの
であって、例えば、超音波探触子（以下プローブ）から
得られる受信エコー信号をデイスプレィの画面上に表示
し、その底面エコーの位置が僅かに変化するのを読取る
ことなどで行われる。

この種の超音波を用いたボルト軸力測定においては、計
測すべきエコー（通常、ボルトの先端側から得られる底
面エコー）を確実に捕らえるために、次のような方法を
用いている。

（１）測定ボルトに対応して別途入力したボルトの長さ
の情報から適正な時間位置を算出して、そこにゲートを
かけて底面エコーＥ３　　（第４図参照）に対応する受
信エコー信号を抽出し、それにスレッシュホールドＴＨ
１をかけ、スレッシュホールドＴＨ１を越えた信号の最
大ピーク位置を測定してボルトの底部までの時間計測を
行う方法。

これは、第４図の（ａ）、（ｂ）にそのＡスコープ像を
ボルト２１との関係で示すようにゲートＧ１を底部エコ
ーの受信信号の時間位置を跨ぐように底面エコーの発生
する範囲に設定するものである。なお、Ｅｌは、ボルト
の首部分の受信エコー信号であって％Ｅ２は、その軸の
ねじが切られた端部からの受信エコー信号、そして、Ｅ
３は、ボルト２１の先端部側に当たる底面からの受信エ
コー信号である。なお、２２は、プローブである。

（２）測定ボルトに対応して別途入力したボルトの長さ
の情報から疑似エコーが発生し易い時間位置を算出して
、その位置をマスクしてスレッシュホールドを越えた信
号の最大ピーク位置を測定してボルトの底部までの時間
計測を行う方法。

これは、第４図の（Ｃ）にそのＡスコープ像を示すよう
に、マスクＭが首部分の受信エコー信号Ｅｌ　と、その
軸のねじか切られた端部からの受信エコー４Ｍ号Ｅ２を
無効にするようにかけられ、底面エコーの受信信号Ｅ３
の時間位置の受信エコー信号を有効にするように設定す
るものである。

［解決しようとする課題］ しかし、ボルト軸力測定でゲートをかけて採取する底面
エコーは、実際には、１つのピークではなく、後述する
第２図（ａ）に示すようにい（つものピークが含まれた
信号となる。それは、第４図（ｂ）に示すように、直接
反射波Ｅａによる底面エコーＥ３のほかにボルトの側面
で反射する側面反射波Ｅｂによる遅れエコーＥｄ（第２
図（ａ）参照）等が発生することによるものであって、
それが正常な底面エコーＥ３に隣接して現れる。特に、
内部に欠陥Ｆ（第４図（ｂ）参照）等があるような場合
には、第２図（ａ）に示すように、正常な底面エコーＥ
３よりもこの側面反射波Ｅｂによる遅れエコーＥｄの方
が高いピークを示すことがある。このようなときには、
前記の（１）の方法では遅れエコーＥｄを測定してしま
うことになり、正確な軸力測定ができない。

そこで、このようなことを回避するために、単に所定の
スレッシュホールドを越えた位置において最初の底面エ
コーの位置として時間を計測する方法もあるが、この場
合には、本来のピーク位置の手前となり、また、ゲイン
の変化により底面エコーの位置が変わってしまう問題が
ある。

遅れエコーを排除して本来の底面エコーだけにゲートを
かけることも考えられるが、それには、ゲート幅を狭く
しなければならないうえにボルト長自体にばらつきがあ
るためためにそのタイミングを選択することが実際には
なかなか難しい。

この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決
するものであって、軸力測定をより正確に行える超音波
ボルト軸力測定装置を提供することになる。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するための第１の発明の超音波ボ
ルト軸力測定装置の特徴は、底面エコーが発生する範囲
においてボルトから底面エコーを採取し、採取した底面
エコーのうち底面エコーを検出する所定のスレッシュホ
ールドを越えたエコーレベルの位置を基準にここから送
信超音波の時間幅に相当する位置までにおける最大ピー
ク位置を検出し、この最大ピーク位置までの時間値を底
面エコーの時間値とするものである。

［作用］ ところで、直接反射波の底面エコーは、側面反射波より
も路程が短いので遅れエコーよりも必ず手前に発生する
。そこで、底面エコーの発生範囲において所定のレベル
のスレッシュホールドを設定して底面エコーを検出する
と、直接反射波に対応する最初の底面エコーがまず採取
できる。しかも、１つの底面エコーの幅は、送信超音波
の幅に対応する幅を単位として生じる。

この点に着目し、前記の構成のように採取した底面エコ
ーのうち所定のスレッシュホールドを越えたエコーレベ
ルの位置から送信超音波の幅に相一 ＝６− 当する範囲までにおいて最大ピーク位置を検出するよう
にすれば、それが直接反射波の本来の底面エコーの位置
であって、これを検出することで遅れエコーを排除する
ことができる。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は、この発明を適用した超音波ボルト軸力測定装
置のブロック図、第２図（ａＬ　　（ｂ）は、ボルトを
測定したとき得られる底面エコーの波形と検出されるピ
ークとの関係の説明図、第２図（ｃ）は、超音波送信波
の波形の説明図、第３図は、その軸力測定処理の流れ図
である。

第１図において、２０は、超音波ボルト軸力測定装置で
あり、プローブ４が接続された超音波探傷部６を有して
いる。プローブ４は、図示するように、締付は締結する
部材２，３に挿入された被測定ボルト（以下ボルト）■
の頭部に当接される。

超音波探傷部６は、プローブ４に送信パルス信号を送出
し、これから超音波エコーの受信信号（受信エコー信号
）を受ける。これは、いわゆるパルサ・レシーバ（レシ
ーバは増幅器、検波回路を含む）を内蔵するエコー受信
信号検出部であって、受信したエコー信号を増幅又は減
衰して検波し、第４図に示すようなＡスコープ像の信号
を発生してそれをＡ／Ｄ変換回路７へと送出する。

Ａ／Ｄ変換回路７は、Ａスコープ像の信号をデジタル値
に変換して、測定データ処理装置１６に送出する。

測定データ処理装置１６は、マイクロプロセッサ（以下
ＣＰＵ）９及び、キーボード（又は操作パネル、以下キ
ーボード）ＩＯ、インタフェース１２、画像メモリ１３
、メインメモリ１４、そして、ＬＣＤ（液晶）デイスプ
レィ１５等を備えていて、これらがバス１１により相互
に接続されている。また、前記Ａ／Ｄ変換回路７、そし
て、超音波探傷部６もインタフェース１２を介してバス
１１に接続され、ＣＰＵ９により制御される。

ＣＰＵ９は、Ａ　／　Ｄ変換回路７から得られるＡスコ
ープ像の信号をメモリ１４の測定データ領域１４ｆに一
旦記憶する。そして、このデータに対してメモリ１４に
格納された種々の処理プログラムに従って後述する処理
を実行し、その結果を画像メモリ１３に記憶して測定結
果をデイスプレィ１５に表示する処理をする。

ここで、メインメモリ１４には、底面エコー位置検出φ
時間算出プログラム１４ａと、軸力算出処理プログラム
１４ｂ１軸力判定処理プログラム１４ｃ１そして、測定
データ表示処理プログラム１４ｄ等が格納され、底面エ
コーデータ領域１４ｅには、測定データ領域１４ｆの測
定データのうちから第２図（ａ）のゲートＧの範囲に対
応する底面エコーのデータが測定データから抽出されて
転送される。

第２図（ｂ）は、超音波探傷部６において得られるエコ
ー受信信号のうち、第２図（ａ）のゲートＧに相当する
範囲の底面エコ一部分の拡大説明図であって、Ｇがその
ゲート幅である。図示するように、直接反射波Ｅａによ
る底面エコーＥ３のほかに遅れエコーＥｄが隣接してそ
の後に発生している。測定処理がマイクロプロセッサ９
により開始されると、測定データ領域１４ｆには、これ
らの底面エコーの信号データを含む、第２図（ａ）に示
すボルトの首部分の受信エコー信号Ｅｌ　とその軸のね
じが切られた端部からの受信エコー信号Ｅ２、そして、
欠陥Ｋｆがあるときには欠陥エコーＥｆ等の信号データ
がマイクロプロセッサ９の処理により採取されて記憶さ
れている。

このような測定データの採取が終了すると、マイクロプ
ロセッサ９は、底面エコー位置検出・時間算出プログラ
ム１４ａを起動して、まず、設定されたボルト寸法とＡ
／Ｄ変換回路７のサンプリング周期との関係で決定され
るゲート位置データ（ゲートＧの位置と幅とを示すデー
タ）を参照して測定データ領域１４ｆのうちから底面エ
コーが含まれるゲートＧの位置にあるデータを底面エコ
ーデータ領域１４ｅに転送して記憶する。

次、に、そこから第２図（ｂ）に示すスレッシュホール
ドＴＨを越える位置の時間にして一番手前の最初のデー
タの検出を行い、そのデータ位置Ｑを検出する。このデ
ータ位置Ｑから第２図（Ｃ）に示す送信パルスにより発
生する送信超音波Ｔａの幅Ｗに相当する幅の範囲で最大
ピークＰを検出する。なお、スレッシュホールドＴＨは
、ノイズよりレベルが高く、底面エコーを検出できる範
囲の比較的低いレベルに設定されているものとする。

こうして検出した最大ピークＰの位置を底面エコー　Ｅ
　３の検出位置としてその最大ピークＰまでの時間ｔを
測定データ領域１４ｆに記憶されたデータに基づき、例
えば、送信パルスあるいは表面エコーを基準として算出
し、それを最大ピークＰまでの時間ｔとして求め、これ
を底面エコーＥ３までの時間としてメモリ１４に記憶す
る。

ところで、ボルト１に軸力が印加されると、ボルト１の
各部で反射したエコー信号の伝播時間は、発生軸力及び
各部の寸法に関係し、これらに応じて増加する。そこで
、ボルトの底面エコーの伝播時間の増加量を測定するこ
とによって、ボルト１に印加された軸力を算出すること
ができる。

そこで、軸力の測定は、前記のピークＰまでの時間ｔを
ボルト締め付は前に測定し、かつ、それと締め付は後時
間ｔとの変化量を計算することでなされる。すなわち、
軸力測定を開始するに当たって、マイクロプロセッサ９
は、軸力算出処理プログラム１４ｂを起動し、これを実
行して、ボルト１（これは、ボルト１に対応する基準ボ
ルトを測定することでもよい）のボルト締付は前の底面
エコー伝播時間値ｔｓ（第２図（ａ）参照）を前記の時
間ｔとして算出し、これをメモリ１４に記憶する。そし
て、測定状態に入ったときに軸力算出処理プログラム１
４ｂが前記の底面エコー位置検出・時間算出プログラム
１４ａの処理終了後にこれに続いて起動されて実行され
、マイクロプロセッサ９は、底面エコー位置検出・時間
算出プログラム１４ａの処理により得られたボルト締付
は状態における底面エコー伝播時間値としてピークＰま
での時間値ｔを得て、これと先の１）；１記憶面エコー
伝播時間値ｔｓとによりΔｔ＝ｔ−ｔｓを算出し、締付
は軸力Ｆを計算する。

つづいて行われる軸力の判定は、この後に起動される軸
力判定処理プログラム１４ｃによす行ワれ、その判定は
、軸力算出処理プログラム１４ｂの実行により算出され
た軸力Ｆとあらかじめメモリ１４の所定のデータ記憶領
域に記憶されている適正軸力としての締付は基準となる
軸力Ｆｓとが比較されることで行われる。

その結果、軸力Ｆが軸力Ｆｓ以上となっているときには
、マイクロプロセッサ９は、締付は完了を示すフラグを
所定の記憶領域に記憶する。そして、測定データ表示処
理プログラム１４ｄが次に起動される。

マイクロプロセッサ９は、測定データ表示処理プログラ
ム１４ｄの実行により底面エコーデータ領域１４ｅに記
憶された軸力Ｆとそれが適正値か否かを示すフラグを読
出して、画像メモリ１３に転送してボルトの軸力、そし
てそれが目標値に達したか否かをデイスプレィ１５に表
示する処理をする。そして、この表示処理の後に再び測
定状態に戻り、同様なボルト軸力測定が測定周期（送信
パルスがプローブ４に加えられるごと）あるいは測定周
期の整数倍の周期に対応して行われ、その後に行われた
軸力測定とそれが適正か否かが順次表示される。

次に、その全体的な測定動作について第３図の処理の流
れ図に従って説明する。

第３図のステップ■において、ボルトの寸法（全長或は
全長と径）をキーボード１０から入力する。次のステッ
プ■において、この入力情報を受けて測定するボルト１
の底面エコーの発生時間位置にゲートが設定されるよう
にゲートデータが算出され、算出されたゲートデータが
メモリ１４に記憶される。

次のステップ■においては、ボルト締付は前の底面エコ
ーまでの時間値測定か否かをあらかじめ入力された機能
キー等により判定する。ボルト締付は前の底面エコーま
での時間値測定のときには、ステップ■にて、部材に挿
入されていない状態（あるいはボルト締付は前）のボル
ト１に対して底面エコーＥ３の時間値の測定を行い、前
述したごとく、第２図（ａ）のピークＰの検出を幅Ｗに
亙って行い、このとき得られる時間値ｔを締め付は前の
時間位置ｔｓとしてメモリに記憶する。また、ボルト締
付は前の測定でないときには、その待ちループに入る。

なお、この場合、締め付は前の時間位置ｔｓは、後述す
るステップ■において測定開始時点の最初のピークＰの
時間位置ｔをそのまま適用してもよい。

次のステップ■ではボルト締付は状態における軸力の測
定か否かの判定に入る。この判定もキーボード１０から
入力された機能キーに基づいて行われる。他のキーが入
力されてボルト軸力測定でないと判定されたときには、
入カキ−に応じて待ちループとなるか、ここで、処理を
終了するか、他の処理へと移る。なお、処理をここで終
了したり、他の処理へ移ったときには、次にキーボード
１０からボルト締付は状態の測定に対応する機能キーが
入力されたときに、この判定処理のステップ■に戻る。

ステップ■の判定の結果、ボルト締付は状態における軸
力測定であるときには測定データが採取された後に、ス
テップ■において、底面エコー位置検出・時間算出プロ
グラム１４ａが起動され、前述したスレッシュホールド
ＴＨによるデータ検出位置（データ位置Ｑ）から幅Ｗの
範囲で第２図（ｂ）に示す底面エコーＥ３の位置のピー
クＰが検出され、それまでの時間位置ｔが算出される。

次にステップ■で軸力算出処理プログラム１４ｂが起動
されて締め付は前の時間位置ｔｓと現在の時間位置ｔと
から変化量Δｔが算出され、それにより軸力Ｆとが算出
される。

次のステップ■では、軸力判定処理プログラム１４ｃが
起動されて、算出された軸力Ｆが基準値Ｆｓ以ドである
か否かの判定が行われ、そのそれぞれの結果がメモリ１
４に記憶される。

ステップ■では、メモリ１４に記憶された測定結果が表
示される処理が行われ、ステップ［相］で測定処理が終
了か否かの判定が終了キー人力の有無によりなされる。

そして、測定処理が終了していないときには、ステップ
■へと戻り、同様な測定が繰り返される。

以−１−説明してきたが、第２図（ｂ）に示す底面エコ
ーＥ３のピークＰの位置やそれまでの時間値（路程）ｔ
の測定は、超音波探傷部６に設けられたアナログ回路と
カウンタ等により行うことでもよい。この場合には、第
２図（ａ）のゲートＧの範囲の時間タイミングでスレッ
シュホールドＴＨを基準値とするコンパレータによりス
レッシュホールドＴＨを越えるタイミング（Ｑの位置）
を検出し、そこから新たに送信超音波の幅Ｗに相当する
パルスをゲートパルスとして発生させて、これによりエ
コー受信信号を抽出し、そのエコー受信信号の最大ピー
ク（ピークＰに対応）を検出してそこまでの時間ｔをカ
ウンタによりクロックをカウントすることで計測すれば
よい。したがって、この発明は、Ａスコープ像（検波後
のビデオ信号であっても、あるいは検波前のＲＦ信号で
あっても可）を直接Ａ／Ｄ変換して測定するものに限定
されるものではない。

［発明の効果］ このように、この発明にあっては、採取した底面エコー
のうち所定のスレッシュホールドを越えたエコーレベル
の位置から送信超音波の幅に相当する範囲までにおいて
最大ピーク位置を検出するようにすれば、それが直接反
射波の本来の底面エコーの位置であって、これを検出す
ることで遅れエコーを排除することができる。

その結果、超音波探傷装置のゲインや測定ボルトの長さ
のばらつき、そして内部の欠陥等の状態に影響されずに
、正確に底面エコーまでの時間測定ができ、正確なボル
ト軸力測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を適用した超音波ボルト軸力測定装
置のブロック図、第２図（ａＬ　　（ｂ）は、ボルトを
測定したとき得られる底面エコーの波形と検出されるピ
ークとの関係の説明図、第２図（ｃ）は、超音波送信波
の波形の説明図、第３図・は、その軸力測定処理の流れ
図、第４図は、ボルトを測定したときの従来のＡスコー
プ像とゲート位置との関係を示す説明図である。 ■・・・被測定ボルト、２，３・・・締付は締結する部
材、４・・・超音波探触子（プローブ）、６・・・超音
波探傷部、７・・・ピーク検出・路程測定部、８ａ・・
・Ａ／Ｄ変換回路、８ｂ・・・時間計測回路、９・・・
マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、１０・・・キーボード
、１１・・・バス、１３・・・画像メモリ、１４・・・
メインメモリ、１４ａ・・・底面エコー位置検出・時間
算出プログラム、１４ｂ・・・軸力算出処理プログラム
、１４ｃ・・・ゲート位置更新処理プログラム、１４ｃ
・・・軸力判定処理プログラム、１４ｄ・・・測定デー
タ表示処理プログラム、１４ｅ・・・データ記憶領域、 １６・・・測定データ処理装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ボルト締付け前のボルトの先端側から得られる底
   面エコーまでの時間値とボルト締付け状態における前記
   底面エコーまでの時間値との変化量を算出してこの変化
   量に基づきボルトの軸力を算出する超音波ボルト軸力測
   定装置において、前記底面エコーが発生する範囲におい
   て前記ボルトから底面エコーを採取し、採取した底面エ
   コーのうち底面エコーを検出する所定のスレッシュホー
   ルドを越えたエコーレベルの位置を基準にここから送信
   超音波の時間幅に相当する位置までにおける最大ピーク
   位置を検出し、この最大ピーク位置までの時間値を前記
   底面エコーの時間値とすることを特徴とする超音波ボル
   ト軸力測定装置。