JPS6140932B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被検試料に加わる応力値又は応力分布
を短時間で正確に取得することのできる新規な応
力測定装置に関するものである。

機械部品等を作成するにあたつては荷重による
応力が特定部位に集中しない様に注意を払う必要
がある。そこで特に耐久性を重視する用途などで
は実物又は実物に近い模型に実際に荷重を印加
し、各部の応力を測定することが行われている
が、実際の測定は被測定体の各部に多数の歪ゲー
ジを取付け、各ゲージらの出力をモニタするため
大がかりで長時間を要するものとなつていた。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、
荷重変化に基づく温度変化を求めることにより応
力を測定すると共に単一の歪検出素子を被検試料
を取付け、該検出素子からの信号に基づく補正を
行うことにより正確な測定を行うことのできる応
力測定装置を提供することを目的とするものであ
る。以下図面を用いて本発明を詳説する。

被検試料に繰返し圧縮荷重及び引張り荷重を印
加した時の該被検試料表面の温度を測定したとこ
ろ、本発明者は応力の集中する部位では表面温度
が単に上昇するのではなく、荷重印加に同期して
周囲温度（正確には荷重零での試料温度）よりも
上昇する期間と周囲よりも下降する期間とが交互
に繰返されることを見出した。即ち第１図ａに示
す様な正弦波形の荷重を試料に印加したところ、
該試料の応力集中部位の表面温度は同図ｂに示す
様に荷重印加に同期した正弦波形で周囲温度より
も高温になる期間と周囲温度より低温になる期間
とが交互に繰返される結果となつている。

これは圧縮力が加えられている期間応力集中部
位で発熱作用が現われ、引張り力が加えられてい
る期間は吸熱作用が現われ、この発熱が比較的短
い周期で繰返されるため、周囲への熱の拡散或い
は周囲からの熱の流入が断たれた断熱状態で上記
応力集中部位の表面温度が変化するものである。
このことは例えば第１図ｃに示す様に圧縮力のみ
を矩形波形で印加すると同図ｄの様にそれに同期
した矩形波形の温度上昇のみが発生し、同図ｅの
様に引張り力のみを印加すると同図ｆの様に温度
低下のみが発生することからも確認された。

そして諸条件を種々変えて実験を繰返し検討を
重ねた結果、温度変化量と応力変化（正確には応
力による変位量）との間には比例関係があること
が判明した。第２図ａ，ｂは実際に実験で求めた
荷重−温度変化及び周囲温度−温度変化の比例関
係を示す図である。

この関係から被測定体に異なつた荷重を順次印
加し、その時の特定部位の表面温度変化巾を検出
すれば該部位にかかつた応力を知ることができ、
しかもその測定部位を徐々に水平走査すればその
走査線に沿つた応力分布を知ることができるし、
加えて該走査線位置を徐々に垂直方向に移動させ
れば走査領域における２次元的な応力分布を測定
することが可能である。

更に赤外線カメラを用いて異なつた荷重印加時
の被検試料の温度分布像の取得（映像信号の形
で）し、２つの像の差のパターン即ち温度変化の
度合を示すパターンを求めれば、このパターンが
試料各点における温度変化巾を示すものとなり、
応力分布を極めて短時間で取得することができ
る。

本発明はこの様な新規な応力測定装置におい
て、試料上の１点に歪ゲージ等の歪検出素子を取
付け、該検出素子から得られる検出信号に基づい
て上記方法での測定結果を補正することを特徴と
している。第３図は本発明の一実施例の構成を示
し、同図において１は加振機である。該加振機１
は油圧駆動されるピストン２，３と該ピストンの
間に被検試料４を固定するための保持機構５，６
とを備えている。

７は試料４上の特定点の温度を検出するための
放射温度計であり、該温度計は集束レンズ８、赤
外線検出器９、モータ１０によつて回転されるチ
ヨツパ１１、検出器９から得られる検出信号を増
巾する増巾器１２、検出信号を前記チヨツパ１１
によるチヨツピングと同期して検波する同期検波
回路１３、該検波回路１３からの検波出力が温度
とリニアな関係を持つ温度信号になる様に補正す
るリニアライザ１４から構成される。

該リニアライザ１４から得られる温度信号はフ
イルタ又はレベルシフト回路等の直流分除去回路
１５を介して交流成分のみが取出され、該交流成
分は前記加振機１から発生する荷重印加に同期し
た同期信号１６が供給される同期検波回路１７へ
送られる。該検波回路１７の出力信号はスイツチ
１８により演算回路１９又は演算回路２０へ選択
的に送られる。該演算回路１９の他方の入力端子
には前記試料４の所定位置に取付けられた歪ゲー
ジ等の歪検出素子２１からの検出信号に基づいて
該所定位置の応力値を求める検出回路２２の出力
が供給されている。そして該演算回路１９の演算
出力はホールド回路２３を介して前記演算回路２
０へ送られる。２４，２５は該演算回路２０の出
力値を表示するためのメータ及び数字表示器であ
る。

上記の如き構成において、被検試料４にはピス
トン２，３によつて第４図ａの様に圧縮荷重と引
張り荷重が矩形波形で交互に印加されているとす
ると、試料各部の表面温度は先に述べた如く各部
分に加わてつている圧縮荷重及び引張り荷重に応
じた巾で周囲温度を中心に例えば第４図ｂに示す
様に変化する。従つて試料上の特定点Ｐの温度変
化を測定した温度計７の出力も同図ｂに対応した
波形変化を示し、該出力中の変化分（交流信号）
が除去回路１５を介して第４図ｃの様に取出され
る。そして被検回路１７は該交流信号を加振機１
から発生する同期信号（第４図ｄ）に基づいて同
期検波するため、その出力としては第４図ｅに示
す様に交流信号の振巾に対応した直流信号Apが
得られる。該直流信号は観測点における温度変化
巾即ちその点にかかる応力値に対応したものであ
ることは先に述べた通りである。

ところがこの直流信号値は応力値が同一でも、
試料の放射率や材質によつて異なり、又回路系の
利得が経時変化、電圧変化等によつて変動すると
それに応じて変化し、誤差が発生してしまう。そ
こで本発明では温度計７による観測点Ｐと同一場
所にかかる正しい応力値を歪検出素子２１及び検
出器２２を用いて検出し、得られた検出信号Bp
と温度計７を用いて取得した応力に対応する直流
信号Apとの比即ち補正係数を演算回路１９にお
いて求め、得られた係数により他の部位の測定値
を補正するようにしている。

即ち測定に先立つてスイツチ１８が演算回路１
９側へ倒されると共に、温度計７の観測点は歪検
出素子２１の取付位置又はその極く近傍の位置に
設定される。演算回路１９からはスイツチ１８を
介して送られる検出信号Apと検出器２２を介し
て送られる検出信号Bpとの比Ｋ＝Bp／Apが求め
られ、該比Ｋは補正係数としてホールド回路２３
によつて保持される。

そして補正係数が保持された後、スイツチ１８
を切換えると共に温度計７の観測点を試料４上の
所望位置へ移動させれば、該所望位置に関する検
出信号Ａは演算回路２０へ送られ、該演算回路２
０において信号Ａに補正係数Ｋが掛け合わされ
Ａ・Ｋという正しい測定値が得られる。得られた
正しい測定値はメータ２４又は表示器２５に送ら
れて表示される。

この様にして任意の点における応力値が補正さ
れた正しい値として得られるが、温度計７の前面
に２次元又は１次元的な光学的走査機構２６を設
け温度計の観測点を徐々に移動走査すると共に、
それに伴なつて演算回路２０から得られる測定値
を上記走査と同期した表示装置２７へ輝度変調信
号又はＹ方向変調信号として導入すれば、応力値
に応じた輝度を持つ応力分布像又は応力分布波形
を表示することができることは言うまでもない。

ところで、上述の如く試料表面上の異なつた位
置の点では各点における応力値に応じた巾で温度
変化をしているのであるから、第１図ａの様な操
返し荷重が印加されているうちの圧縮荷重の半周
期Ｔ１には、試料表面の各点は各点における応力
値に応じた温度上昇（周囲温度からの）を示し、
引張り荷重の半周期Ｔ２には各点における応力値
に応じた温度低下（周囲温度からの）を示すはず
である。従つてＴ１の間に試料表面の温度上昇し
た温度分布像を取得し、Ｔ２の間に同一面の温度
低下した温度分布像を取得し、２つの温度分布像
の差のパターンを求めれば、該パターンは試料上
の各点における期間Ｔ１の時とＴ２の時の温度差
即ち応力に応じたものとなり、極めて短時間Ｔ１
＋Ｔ２で応力分布パターンを取得することができ
る。

第５図はこの様な考え方に基づく本発明の他の
実施例の構成を示す。同図において２８は試料４
から発生する赤外線を走査検出し、該試料の温度
分布像を撮影するための赤外線カメラであり、該
カメラは加振機１から発生する同期信号２９に基
づいて間歇的に１画面ずつ撮影を行う。撮影に伴
なつて得られる１画面分のビデオ信号（温度信
号）はＡ−Ｄ変換器３０によつてデジタル信号に
変換された後、前記同期信号２９に基づいて切換
えられるスイツチ３１により書込制御回路３２又
は引算回路３３へ選択的に供給される。該書込制
御回路は供給された１画面分の温度信号を前記カ
メラ２８の走査同期信号３４に基づいてメモリ３
５へ格納する。

そして格納された温度信号は次の１画面撮影の
際走査同期信号３４に基づいて作動する読出し制
御回路３６によつて読出されて引算回路３３へ送
られると共にレベル判別回路３８に送られる。該
引算回路３３の出力信号はスイツチ３７を介して
レベル判別回路３８からの指令パルスに基づいて
作動するサンプルホールド回路３９、又は演算回
路４０へ選択的に供給される。

４１は該サンプルホールド回路３９の出力Ａと
Ａ−Ｄ変換器４２を介して送られる検出回路２２
からの検出信号Ｂの比を求める演算回路であり、
該演算回路４１の出力はホールド回路４２を介し
て前記演算回路４０へ送られる。そして該演算回
路４０の出力は前記走査同期信号３４に基づいて
作動する陰極線管（CRT）表示装置４５へＤ−
Ａ変換器４４を介して輝度変調信号として供給さ
れる。

上述の如き構成において、加振機１は試料４に
例えば第６図ａに示す様な矩形波形の荷重を２秒
の繰返し周期で印加するものとする。該加振機１
からは荷重印加に同期した同期信号２９（第６図
ｂ）が発生し、該同期信号２９に基づいてカメラ
２８は第６図ｃに示す様なタイミングで圧縮荷重
期間Ｔ１及び引張り荷重期間Ｔ２内に１回ずつ１
画面走査を行う。

この時スイツチ３１は第６図ｄに示す様に荷重
印加に同期して切換えられるため、Ｔ１における
１画面走査に伴なつて得られる温度信号Ｚ１は書
込み制御回路３２を介して一旦メモリ３５へ記憶
され、Ｔ２における１画面走査に伴なつて得られ
る温度信号Ｚ２は引算回路３３へ送られる。この
Ｔ２の期間読出し制御回路３６はカメラ２８によ
る１画面走査と同期してＴ１の期間に得られた温
度信号Ｚ１を読出し、引算回路３３へ送るため、
該引算回路３３の出力としてはＺ１とＺ２の差信
号が得られる。即ちＴ１の期間の温度とＴ２の期
間の温度との温度差（温度変化）に対応する差信
号が１画面を構成する各画素毎に得られることに
なる。この温度差信号が各画素に対応する試料上
の微小点にかかる応力を示していることは先に述
べた通りであり、該信号をCRT表示装置４５へ
送れば応力に応じた輝度が与えられた応力分布像
が得られることになる。

ところがこの差信号も歪値が同一でも被写体の
放射率、材質によつて異つた値を示し、又回路系
の利得が経時変化、電圧変化等によつて変動する
とそれに応じて変化し、誤差が発生してしまう。
そこで本実施例では赤外線カメラ２８の視野内の
試料上に歪検出素子２１を取付け、該素子２１及
び検出回路２２により取付け場所における正しい
応力値を検出し、得られた検出信号Ｂと赤外線カ
メラ２８を用いて取得した上記取付け場所の応力
に対応する信号Ａとの比即ち補正係数を求め、得
られた補正係数により他の部位の測定値を補正す
るようにしている。

即ち歪検出素子２１の外側表面は例えば鏡面仕
上等が施され放射率が周囲に比べ極端に小さく、
殆んど零にされており、そのためＺ１，Ｚ２とも
該歪検出素子２１の表面を走査している期間は信
号レベルがその前後に比べ極端に低下し、その結
果読出し制御回路３６の出力信号もその期間信号
レベルが極端に低下したものとなる。そこで荷重
印加の最初の１周期の間スイツチ３７を接点ａ側
に倒し、その期間に得られる読出し制御回路３６
の出力信号のレベルを判別回路３８で監視し、信
号レベルが極端に低下する期間（換言すれば歪検
出素子を検出している期間）の直前又は直後のタ
イミングで該判別回路３８からの指令パルスを発
生させ、その信号レベルが極端に低下する期間の
直前又は直後の引算回路３３の出力信号をホール
ド回路３９においてサンプルホールドすれば、該
サンプルホールドされた出力信号値Ａは歪検出素
子２１の極く近傍即ち実質的に該素子の取付け位
置の応力値に対応したものとなる。

そして演算回路４１からは上記取付け位置の応
力値の正しい測定値Ｂと、赤外線カメラ２８によ
る測定値Ａとの比Ｋ＝Ｂ／Ａが求められ、該比Ｋ
は補正係数としてホールド回路４３によつてホー
ルドされる。

この様にして補正係数が保持された後、第６図
ｅに示す様に荷重印加の２番目の周期からスイツ
チ３７を接点ｂ側へ切換えると、引算回路３３の
出力信号は演算回路４０へ送られ、該演算回路４
０において該出力信号に補正係数Ｋが掛け合わさ
れた正しい信号が得られる。該信号はＤ−Ａ変換
器４４を介してCRT表示装置４５へ輝度信号と
して送られるため、該表示装置の画面には補正に
より正しい輝度が与えられた応力分布像が得られ
ることになる。表示方法としては上記の様な輝度
変調法だけではなく、例えば輝度信号を一定と
し、前記演算回路４０の出力信号をCRTの垂直
方向偏向信号に重畳させる所謂偏向変調法を用い
ても良いし、他の表示方法を用いても良いことは
言うまでもない。

尚印加荷重の波形も上記例の様に矩形波形に限
らず正弦波形でも良いし、又荷重の方向も第１図
ｃ又はｅの様に圧縮方向又は引張方向のみ印加す
る様にしても良く、更には一定荷重に変動分が重
畳された様なものでも良い。

又赤外線カメラとしては光学的走査を行うもの
でも、赤外線ビジコンの様に電子的走査を行うも
のでもよい。

更に又、上記実施例は加振器による加重印加が
一定振幅で行われる場合であつたが、振幅が変化
する場合は歪検出素子による測定点以外の補正係
数をその振幅変化に応じて変化させるようにすれ
ば良い。

以上詳述した如く本発明によれば従来に比べ桁
違いに短い時間で、補正された精密な応力分布像
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するための波形
図、第２図は荷重と温度変化及び周囲温度と温度
変化の関係を示す図、第３図及び第５図は本発明
の一実施例の構成を示す図、第４図及び第６図は
その動作を説明するための波形図である。 １：加振機、４：被検試料、７：放射温度計、
１５：直流分除去回路、１７：同期検波回路、１
８，３１，３７：スイツチ、１９，２０，４０，
４１：演算回路、２１：歪検出素子、２２：検出
回路、２３，４３：ホールド回路、２４：メー
タ、２５：表示器、２６：光学的走査手段、２
７，４５：CRT表示装置、２８：赤外線カメ
ラ、３０，４２：Ａ−Ｄ変換器、３２：書込み制
御回路、３３：引算回路、３５：メモリ、３６：
読出し制御回路、３８：レベル判別回路、３９：
サンプルホールド回路、４４：Ｄ−Ａ変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 異なつた荷重が順次印加される被検試料から
   発生する赤外線に基づき荷重変化に同期した試料
   における温度変化を検出する手段と、上記試料に
   取付けられた歪検出素子と、該検出素子の出力と
   該検出素子の取付位置と同一位置に関する前記温
   度変化検出手段の出力との比を求める演算手段
   と、該比の値に基づいて前記温度変化検出手段の
   出力を補正する手段と、該補正手段の出力が供給
   される表示又は記録手段とを備えたことを特徴と
   する応力測定装置。 ２ 前記温度変化検出手段は試料温度を測定する
   放射温度計と、該放射温度計の出力信号から交流
   信号を取出す回路と、該交流信号の振巾を検出す
   る回路とから構成される特許請求の範囲第１項記
   載の応力測定装置。 ３ 前記温度変化検出手段は２種の異なつた荷重
   が順次印加される被検試料を撮影するための赤外
   線カメラと、一方の荷重印加時に該赤外線カメラ
   から得られる１画面分の温度信号を記憶する記憶
   手段と、他方の荷重印加時に前記赤外線カメラか
   ら得られる１画面分の温度信号と前記記憶手段に
   記憶されている温度信号との差を求める引算回路
   とから構成される特許請求の範囲第１項記載の応
   力測定装置。 ４ 前記異なつた荷重の一方は圧縮荷重であり他
   方は引張荷重である特許請求の範囲第１項乃至第
   ３項のいずれかに記載の応力測定装置。 ５ 前記異なつた荷重のうち一方は零である特許
   請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の
   応力測定装置。