JPS6236526B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被測定体に加わる応力の分布を容易に
測定することのできる方法に関する。

各種の機械や構造物の各部分に生ずる応力の大
きさを測定することは、機械や構造物を設計する
際の各部分の形状、使用材料の寸法、材質等を選
択して安全でしかも経済的な設計を可能にするた
めに極めて重要である。従つて、応力分布を測定
するために種々の方法が発達してきている。従来
の主な方法としては、例えば被測定体に抵抗線等
を接着し、該抵抗線の抵抗値の変化から被測定体
に生ずる歪を検出して応力を測定しようとするも
のや、光学的測定が容易な透明な樹脂によつて、
実物に近い模型を作り、この模型に実際に荷重を
印加し、応力分布を測定する等の方法がある。

しかしながら、前者の方法は抵抗線を被測定体
に接着する作業に専門的技能を必要とするばかり
でなく面倒でもある。従つて、被測定体の多数箇
所に抵抗線を接着して応力分布を測定しようとす
るには、相当の労力と設備を必要とする。

又、後者の方法は被測定体に近い模型を作らね
ばならず、簡単に応力の分布を測定することはで
きない。

本発明はこのような従来の応力測定方法の欠点
を解決し、時間的に変化する荷重が印加される被
測定体の応力の分布を非接触で迅速且つ簡単に測
定することのできる新規な方法を提供するもの
で、以下図面を用いて本発明を詳述する。

被検試料から放射される赤外線を検出して被検
試料の温度を測定する装置には放射温度計や、サ
ーモグラフイー装置、赤外線ビジコン等がある
が、発明者はサーモグラフイー装置を用いて被検
試料に繰返し圧縮荷重及び引張り荷重を印荷した
時の時被検試料表面の温度を測定した。尚、該被
検試料としてはその放射率εが１に極めて近いよ
うな被検試料を選びサーモグラフイー装置の出力
信号が、被検試料の温度に正確に比例するように
した。

その結果、被検試料の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
同期して荷重が印加されていない時の温度よりも
上昇する期間と、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に示すような正弦波形の荷重を
試料に印加したところ、試料の特定部位の表面温
度は同図ｂに示す様に荷重印加に同期した正弦波
形で荷重が印加されてない時の温度よりも高温に
なる期間と低温になる期間とが交互に繰り返され
る結果となつた。

このような現象は、測温されたこの部位が被検
試料内部の他の部分や被検試料を取りまく周囲と
熱の授受をするのに要する時間よりも充分速い速
度で印加される荷重が切り換えられるため、断熱
過程と見なし得るような過程において、この部分
が圧縮されたり膨張せしめられたりする結果、温
度の上昇と降下を繰り返すためであると考えられ
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のようにそ
れと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。

そして印加荷重のみを変えて実験を繰り返し検
討を重ねた結果、温度変化量と応力の変化量との
間には第２図ａに示すような実験結果から比例関
係があることが判明した。更に又被測定体の温度
を種々変えて実験を繰り返した結果、第２図ｂに
示すような実験結果が得られ、温度変化量と被測
定体の温度との間にも比例関係があることが判明
した。即ち、応力の変化量は以下のような関係を
有する。

△Ｐ＝Ａ・△Ｔ／Ｔ_０ ……(1) 但し△Ｔは測定点の温度変化量であり、T₀は
被検試料に荷重を印加しない場合の温度、△Ｐは
被測定体の応力変化量、Ａは物質に関連した定数
である。従つて被測定体に時間的に変化する荷重
（望ましくは繰返し荷重）を印加し、その際の被
測定体の特定部位の温度変化量△Ｔを測定し、
又、被測定体に荷重が印加されていない場合の該
特定部位の表面温度T₀を測定し、更に△ＴをT₀
で除せば被測定体のこの部位に生じた応力の変化
量を測定することができる。更に、この特定部位
を除去に水平走査すればその走査線に沿つた応力
変化量の分布を知ることができ、更に該走査線の
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。

このような原理を応用した本発明の実施例を以
下図面に基づき説明する。

第３図は一実施例の概略図であり、図中１は加
振器であり、該加振器１は図示していないが、モ
ータ等によつて駆動される油圧機構等によつて周
期的に往復運動されるピストン２，３と被測定体
を固定する機構５，６を有している。被測定体４
には該加振器１によつて例えば第４図ａに示す如
き荷重が印加される。但し、同図において０レベ
ルより大きな部分は圧縮荷重を表しており、０レ
ベルより小さな部分は引張り荷重を表している。
７は同期信号作成回路であり、該同期信号作成回
路７には例えば加振器１のピストンの移動や、モ
ータの回転を検出することによつて得られる信
号、或は被測定体に接着されたストレインゲージ
等よりの信号が供給されており、該回路７はこの
ような信号に基づいて被測定体に印加される圧縮
荷重がピークになる瞬間と、引張り荷重がピーク
になる瞬間と、荷重が０になる瞬間に同期した第
４図ｂに示す如き、小時間幅ｔを有する同期パル
スを発生する。該同期信号作成回路７よりの同期
パルスは光学的走査機構８に供給される。該光学
的走査機構８は走査ミラーと、その駆動源とを主
な構成要素とし、第４図ｂに示した小時間幅を有
する同期信号に基づいてミラーを揺振し、赤外線
検出器９の像を被測定体４の例えばラインＨ上に
第４図ｃに示す如く走査する。但し、第４図ｃに
おいて縦軸はラインＨ上の走査開始点からの距離
を表わしており、横軸は時間を表わしている。該
赤外線検出器９よりの出力信号は増幅器１０を介
してリニアリテイー補正回路１１に供給される。
該リニアリテイー補正回路１１により赤外線検出
器よりの信号は被測定体の検出点の温度に比例し
た信号に補正される。該リニアリテイー補正回路
１１の出力信号はＡ／Ｄ変換器１２によつてデジ
タル信号に変換される。該Ａ／Ｄ変換器１２の出
力端は、第１、第２、第３の加算回路１３ａ，１
３ｂ，１３ｃの一方の入力端に接続されている。
該加算回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々は第
１、第２、第３のメモリー１４ａ，１４ｂ，１４
ｃに接続されている。メモリー１４ａ，１４ｂの
出力端は引算回路１５に接続され、メモリー１４
ｃの出力端は割算回路１６の一方の入力端に接続
されている。これらメモリー１４ａ，１４ｂ，１
４ｃの出力端は前記加算回路１３ａ，１３ｂ，１
３ｃの他方の入力端に接続されている。更に引算
回路１５の出力端は割算回路１６の他方の入力端
に接続され、該引算された信号はメモリー１４ｃ
の出力信号により割算される。該割算回路１６の
出力信号はＤ／Ａ変換器１７、増幅器１８を介し
て陰極線管１９の垂直偏向コイル２０Ｙに供給さ
れる。一方、同期信号作成回路７よりの同期信号
はコントローラ２１に供給されている。該コント
ローラ２１は、供給される同期信号に基づいてメ
モリー１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各々に夫々第４
図ｄ，ｅ，ｆで示される制御信号を供給して、こ
れらメモリー１４ａ，１４ｂ，１４ｃへの信号の
書き込みと、既に記憶されていた信号の読み出し
を行うように制御する。更に該コントローラ２１
はこれらメモリー１４ａ，１４ｂ，１４ｃにおけ
る信号の積算が終了した時点で、これらメモリー
１４ａ，１４ｂ，１４ｃに周期的な読み出し指令
信号を送ると共に、該信号の供給に同期した周期
的な信号を走査信号作成回路２２に供給する。走
査信号作成回路２２においては、コントローラ２
１よりの信号により増幅器１８よりの信号を陰極
線管面上に振幅（偏向）変調表示するための走査
信号を発生する。

上述した構成の装置を用いて、被測定体４に加
振器１より第４図ａに示すような荷重を印加した
とすると、同期信号作成回路７よりの同期信号に
より光学的走査機構８は第４図ｃに示すように被
測定体４のラインＨ上を走査する。その結果、ラ
インＨ上の各点より放射される赤外線は光学的走
査機構８を介して順次赤外線検出器９に導かれ
る。その結果第４図ｃにおいてＡで示すような最
も大きな圧縮荷重が印加されている期間に行なわ
れる走査によつて例えば第５図ａに示す如き温度
信号が、又第４図ｃにおいてＣで示すような荷重
が印加されていない期間の走査によつて第５図ｃ
に示す如き温度信号が、又第４図ｃにおいてＢで
示すような最も大きな荷重が印加されている期間
の走査によつて第５図ｂに示す如き温度信号が検
出される。第４図ｃにおいてＡで示すような走査
を行うときには、コントローラ２１は第４図ｄに
示すような制御信号をメモリー１４ａに送り、該
走査に同期して供給される第５図ａに示すような
検出信号をメモリー１４ａに記憶する。このとき
同時にメモリー１４ａに既に記憶されていた信号
も該走査に同期して読み出され、加算回路１３ａ
に供給されるため、リニアリテイー補正回路１１
を介して新たに供給される信号は前回までの走査
によつて記憶されていた信号と加算されてメモリ
ー１４ａに記憶される。従つてメモリー１４ａに
は第４図ｃにおいてＡで示す走査によつて得られ
る検出信号が複数回積算され記憶される。全く同
様にメモリー１４ｂ，１４ｃには各々第４図ｅ、
第４図ｆに示すようなコントローラ２１よりの制
御信号が供給され、各々第４図ｃにおいてＢ，Ｃ
で示す走査によつて得られる検出信号が供給され
る期間に信号の書き込みが行なわれる。従つてメ
モリー１４ｂ，１４ｃには各々第５図ｂ，ｃで示
すような検出信号が複数回積算され記憶される。
印加荷重の一定の周期にわたる前記走査を終了し
た後、コントローラ２１より同一の周期的な読み
出し指令信号をメモリー１４ａ，１４ｂ，１４ｃ
に供給すると共に、該読み出し指令信号に同期し
た信号を走査信号作成回路２２に供給する。その
結果、引算回路１５には第５図ａで示した信号を
複数回積算した信号と第５図ｂで示した信号を複
数回積算した信号とが供給されるため、該引算回
路１５より両積算信号を差し引いた第５図ｄに示
す如き信号（正確にはこの信号の積算回数倍の信
号）が出力され割算回路１６に供給される。一方
メモリー１４ｃに記憶されていた信号が同時に読
み出されるため割算回路１６には第５図ｃに示し
た信号を複数回積算した信号が供給される。その
結果、該割算回路１６より引算回路１５の出力信
号をメモリー１４ｃの出力信号で割つた第５図ｅ
に示す如き信号（正確には該信号の略積算回数倍
の信号）が出力される。該信号はＤ／Ａ変換器１
７においてアナログ信号に変換された後、増幅器
１８を介して陰極線管１９の垂直偏向コイル２０
Ｙに供給される。このような陰極線管１９への信
号の周期的な供給に同期して、走査信号作成回路
２２よりの周期的な走査信号が水平偏向コイル２
０Ｘに供給されるため、該陰極線管面上には第６
図のような被測定体４の表面温度の影響が除去さ
れたラインＨの応力変化量の大きさを表わすプロ
フアイルが表示される。

被測定体に例えば曲げ応力が加わつた場合には
被測定体の一方の側では圧縮力が加わり、他方の
側では引張り応力が加わる場合があるが、圧縮応
力が加わつた部分及び引張り応力が加わつた部分
は表示画面の０レベル０より上の波形及び下の波
形で表わされる。従つてこの波形を観察すること
により被測定体４に加わつた応力の変化量の分布
をその種類をも含めて、正確に測定することがで
きる。

上述した実施例は本発明の一実施例に過ぎず実
施にあたつては他の態様もとり得る。例えば上述
した実施例においては、被測定体に繰返し荷重を
印加した際に、被測定体に印加される荷重が０に
なるタイミングに同期してラインＨを走査し、荷
重が印加されていない場合のラインＨに沿う温度
を検出したが、被測定体に繰返し荷重を印加する
以前又は以後にラインＨを走査して、該ラインＨ
に沿う温度を検出して記憶し、該記憶された信号
を割算回路１６に導くようにしても良い。

又、上述した実施例では被測定体４に荷重が印
加されていない場合の温度をラインＨに沿つて全
て測定するようにした。このようにすれば、被測
定体４の一端が加熱されているため、荷重が印加
されていない場合のラインＨに沿うベースとなる
温度が大きく異なるような場合にも、ラインＨに
沿う応力変化量の分布を極めて正確に測定するこ
とができる。しかしながら、もし被測定体のベー
スとなる温度が略一様ならば、被測定体の代表的
な一点を温度について測定し、該信号を用いて引
算回路１５の出力信号を除すだけで充分である。

又、代表点だけの温度を測定するには赤外線を
検出して測定することに代えて、サーミスタ等の
接触型の検出手段を用いても良い。

又、上述した実施例においてはＳ／Ｎ比を向上
させるために信号の積算を行つたが、走査を１回
ずつにして積算を行うことなく実施することもで
きる。

又、被測定体の一次元的な応力の変化量の分布
を測定したが、測定部は、被測定体の任意な一点
又は複数点であつても良く、更には走査ラインＨ
を垂直方向にも走査すれば二次元的な分布も測定
できる。又、そのようにした場合、増幅器１８よ
りの信号を輝度変調表示しても良い。

又、第３図における実施例においては第４図ｂ
に示した時間幅ｔ（このｔは被測定体に印加され
る荷重の変化が無視できるような短い時間に選ば
れている）の間に１水平ラインの走査しか行なわ
なかつたが、二次元的な分布を測定する際にはこ
の時間幅ｔ内に１フイールド走査するようにして
も良い。

又、上述した実施例においては、荷重が変化し
た場合の温度変化幅を求めるため、異つた荷重が
印加された際の２通りの温度信号を引算回路によ
つて引算したが他の方法も取り得る。

例えば、印加される荷重が周期的で第７図ａに
示す如きものである場合、第８図に示すように被
測定体４の測定点Ｐからの放射赤外線に基づく検
出器９よりの信号を前記荷重に同期した第７図ｂ
に示す如き同期信号が供給されている同期検波回
路２３に導いて、検波すれば該検波された信号の
振幅は温度差を表わしているため、このような方
法も取り得る。この際該検波器よりの信号を被測
定体に荷重が印加されていない場合の温度信号に
応じて増幅率が自動的に変更されるような増幅器
２４を通過させれば、ベースとなる被写体温度
T₀で温度幅△Ｔを除した値に比例した信号を得
ることができる。

又、印加荷重が複数周期繰り返される期間にお
ける点Ｐの移動が無視できるような速度で測定点
Ｐが移動されるように光学的走査機構８で走査を
行なえば、上述した如き同期検波信号を用いて、
被測定体の応力変化量の一次元的、更には二次元
的分布を表示することもできる。

又、荷重の方向については第１図ｃ又はｄのよ
うに圧縮方向又は引張り方向のみ印加するように
しても良いし、一定荷重に変動分が重畳される様
なものでも良い。

又、荷重の波形は正弦波形的なものに限らず矩
形波形のものでも良い。

又、作業中の機械の一部のように加振器によつ
て繰り返し荷重を印加しなくとも、繰り返し荷重
が印加されているような被測定体に対しても全く
同様に本発明は適用できる。

更に又、上述した実施例においては被測定体に
繰り返し荷重が印加されるような実施例について
述べたが、被測定体に印加される荷重が速い速度
で変化するだけで繰り返し変化しない場合にも、
被測定体の同一ラインを異つた荷重が印加されて
いる短期間に少くとも１回ずつ走査し、該走査に
基づく２通りの検出信号の差信号を得ることによ
り被測定体の応力変化量の分布を測定することが
できる。更には上記表示装置に代えて、記録計を
用いても全く同様な結果が得られる。

尚、サーモグラフイー装置等の赤外線検出信号
は、被検試料が完全黒体に近い理想的なものな
ら、リニアライザー等によつて信号を補正した結
果、被測定部位の温度Ｔに比例した信号KT（Ｋ
は比例定数）が得られるようになつているが、被
検試料が理想的なものでない場合、実際に得られ
る信号は Ｉ＝ＫεＴ＋Ｋ（１−ε）Ta ……(2) （但し、Taは周囲物体の温度、εは被測定部位の
放射率、０ε１）となる。

(2)式より、被測定部位の温度が△Ｔだけ変化し
た際の信号量変化△ＩはＫε△Ｔとなるため、I₀
を被測定体に荷重が印加されていない時の被測定
部位の温度T₀を検出して得た信号であるとする
と、前述した式は実際の検出信号の上では、以下
のように誤差を含んで与えられてしまう。即ち △Ｐ＝Ａ・Ｋε△Ｔ／Ｉ_０ ＝Ａ・Ｋε△Ｔ／ＫεＴ_０＋Ｋ（１−Ｋε）Ｔａ ＝Ａ・△Ｔ／Ｔ_０（１／ε−１）Ｔａ ……(3) しかしながらこの式より明らかなようにT₀≫
Taの場合には、検出信号に特別な放射率補正を
施すことなく放射率が１に近くない被測定体に対
しても殆んど誤差なく応力変化量を測定すること
ができる。

上述したように本発明により、被測定体の所望
部分の応力変化量を非接触にて迅速且つ簡単に測
定できる。

【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との関係及び周囲温
度と温度変化との関係を示すための図、第３図は
本発明を実施するための装置の一例を示すための
概略図、第４図は印加される荷重と光学的走査機
構による走査タイミング及びメモリーへの信号の
書き込み読み出しタイミング等の関連を説明する
ための図、第５図は温度波形を説明するための
図、第６図は陰極線管面上の表示波形を例示する
ための図、第７図は他の実施例における荷重波形
と同期信号との関係を示すための図、第８図は本
発明を実施するための装置の他の例を示すための
図である。 １：加振器、２，３：ピストン、４：被測定
体、５，６：固定機構、７：同期信号作成回路、
８：光学的走査機構、９：赤外線検出器、１０，
１８，２４：増幅器、１１：リニアリテイー補正
回路、１２：Ａ／Ｄ変換器、１３ａ，１３ｂ，１
３ｃ：加算回路、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：メモ
リー、１５：引算回路、１６：割算回路、１７：
Ｄ／Ａ変換器、１９：陰極線管、２１：コントロ
ーラ、２２：走査信号作成回路、２３：同期検波
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 時間的に変化する荷重が印加された被測定体
   の同一部分或は略々同一部分から放射される赤外
   線を異つた荷重が印加される少くとも２通りのタ
   イミングで検出し、該異なつた荷重が印加された
   際の前記部分の温度変化幅に対応した信号を得、
   該信号に基づいて該信号を荷重が印加されていな
   い時の前記部分の温度に比例した信号で実質的に
   割算した信号を得、該得られた信号を表示又は記
   録するようにした応力測定方法。 ２ 前記被測定体の同一部分は点状であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の応力測定
   方法。 ３ 前記被測定体の同一部分は線状であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の応力測定
   方法。 ４ 前記被測定体の同一部分は面状であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の応力測定
   方法。 ５ 前記得られた信号は振幅変調信号として表示
   又は記録されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第４項記載の応力測定方法。 ６ 前記得られた信号は輝度変調信号として表示
   又は記録されることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載の応力測定方法。 ７ 前記時間的に変化する荷重は繰り返し変化す
   る荷重であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第６項記載の応力測定方法。 ８ 前記時間的に変化する荷重は圧縮荷重及び若
   しくは引張り荷重であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第７項記載の応力測定方法。 ９ 前記時間的に変化する荷重は一定荷重に変動
   分を重畳した荷重であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第７項記載の応力測定方法。