JP2002357486A - 応力監視システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造物に作用する応力の測定を長期間にわた
って容易、安全かつ経済的に行うことができる応力監視
システムを提供する。 【解決手段】 構造物１０に作用する応力を検出する応
力センサ１と、応力センサ１の出力信号を処理して応力
頻度をカウントし、ＲＡＭ２５に保存する測定装置本体
２と、測定装置本体２および応力センサ１に電力を供給
する独立電源３と、保存された測定データを外部からの
指令により取り出す無線通信手段（２６、２７、４２）
とを備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、船舶、橋梁、海洋
構造物、鉄塔、建設機械、クレーン等の構造物に作用す
る応力を構造物から離れた場所にて測定ないし監視する
応力監視システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物に作用する応力の測定には、抵抗
線ひずみゲージによる測定が一般的であり、通常、１０
０Ｖクラスの電源で駆動する計測機器、およびアンプで
構成された測定機器が用いられる。構造物には、自重な
どによる静的な応力のほかに、各種の動的荷重の作用に
よる変動応力が作用しており、それぞれの測定対象に応
じて、測定装置が使い分けられている。いずれの測定の
場合であっても、通常、長期間にわたる測定を行うこと
は稀であるので、測定期間だけ電源ケーブルを敷設して
測定を行っている。

【０００３】上記の抵抗線ひずみゲージによる測定法
は、ひずみゲージの取付配線作業や信号処理・測定作業
などが非常に面倒なため、これらの作業を改善するべ
く、先行技術１（新宅英司、藤本由紀夫、濱田邦裕外、
「圧電素子による簡易応力履歴計測に関する研究」、日
本造船学会論文集、第１８４号、第１８６号）では、応
力センサに圧電材料を使用し、より簡素化された応力測
定方法、および装置が開発されている。この先行技術１
においては、応力測定装置の部品を１つのケースの中に
納めて一体化、小型化し、測定の際は装置を構造物に接
着するだけで取付配線作業が完了し、また、応力の測定
は、予め決められたレベル以上の応力レベルが発生した
回数を計数するという簡素化された応力（頻度）測定法
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、構造物
の長期メンテナンスを行うためには、長期間にわたり応
力の測定が不可欠であるが、従来の方法では、長期間に
わたり電源ケーブルを敷設して測定機器を動作させる必
要があり、また、膨大なデータを蓄積するためには、２
時間〜１日に１回程度の割合で定期的に磁気テープやＤ
ＡＴ等の記憶媒体を交換する必要があった。さらに、構
造物の応力測定を行いたい場所は、一般に人がアクセス
しにくい場所が多く、データ取得のために頻繁にアクセ
スすることは、単に面倒であるばかりか、危険を伴った
り、２４時間体制で計測を行うなどの苦痛を測定員に与
えたり、また他の作業を規制したりすることも必要であ
ったりして、測定作業自体が大変な手間と時間と費用が
発生することであった。

【０００５】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたもので、構造物に作用する応力の測定を長
期間にわたって容易、安全かつ経済的に行うことができ
る応力監視システムを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る応力監視シ
ステムは、構造物に作用する応力を検出する応力センサ
と、前記応力センサの出力信号を処理して応力頻度をカ
ウントし、保存する測定装置本体と、前記測定装置本体
および応力センサに電力を供給する独立電源と、保存さ
れた測定データを外部からの指令により取り出す無線通
信手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００７】本発明の応力監視システムでは、測定デー
タは測定装置本体に保存されるようになっているので、
測定員は応力センサの取付箇所にアクセスすることな
く、対象の構造物から離れた場所にて無線で蓄積された
測定データを取得することができる。測定データはさら
に、遠隔地に伝送され、ここで集中監視される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は本発明の応力監視システムの
全体構成を示すブロック図、図２はその応力センサの構
成図である。図１において、１は応力センサ、２は測定
装置本体、３は測定装置本体２および応力センサ１に電
力を供給する独立電源、４は携帯型コンピュータ、５は
中央コンピュータシステムである。

【０００９】応力センサ１は、図２に示すように、金属
薄板からなる検出板１１に圧電素子１２を接着してなる
ものである。圧電素子はひずみに比例した電荷を発生す
るので、この発生電荷を取り出すために測定ケーブル
（シールドケーブル）１３を圧電素子１２と検出板１１
に配線する。配線部は防湿コーティング１４などで固定
し保護する。また、圧電素子１２の周囲全体は電磁シー
ルド材のカバー１５でシール材１６を介して覆われ、全
体が防水構造となっている。シール材１６はゴムなどの
弾力性部材であり、カバー１５と検出板１１に接着され
ている。１７はカバー１５と検出板１１と同電位にする
ための配線である。上記の測定ケーブル１３は、カバー
１５から防水シールされて引き出され、図１の測定装置
本体２に接続される。したがって、この応力センサ部は
全天候型で、取付の方向性の制限はない。

【００１０】上記のように、圧電素子からなる応力セン
サ１は、小型薄型に形成された防水構造の箱体の中に収
められて一体化され、この一体化された箱体の底面板あ
るいは正面板を検出板１１として、構造物１０の応力を
測定しようとする箇所に接着剤１８で固定する。

【００１１】構造物１０に作用する応力によってひずみ
が発生し、このひずみは構造物１０と接着によって一体
化された検出板１１に伝達され、応力センサ１である圧
電素子１２を機械的に変形させる。これによって、ひず
みに比例した電荷量が圧電素子１２に発生するので、こ
の電荷量を検出し、所定の信号処理を行って応力値、あ
るいは応力頻度を計算する。また、測定箇所が複数にわ
たるときは、複数の応力センサ１を測定装置本体２に接
続する。したがって、圧電素子を用いた応力センサ１
は、従来のひずみゲージを用いたものよりも取付配線作
業がはるかに容易となる。

【００１２】図１に示す応力監視システムにおける応力
センサ１は必ずしも上記ひずみゲージを除外するもので
はないが、圧電素子を用いた応力センサ１によると、後
述するごとく応力測定が容易になるため、ここでは圧電
素子を用いた応力センサ１による測定、応力情報の収
集、並びに応力監視について説明する。

【００１３】図１において、測定装置本体２は、信号整
合器２１、ＡＤ変換器２２、ＣＰＵ（中央演算装置）２
３、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）２４、ＲＡＭ（ラ
ンダムアクセスメモリ）２５、インターフェース２６、
および無線モデム２７を主たる構成要素とするものであ
る。

【００１４】信号整合器２１は、応力センサ１により検
出された電荷量を電圧（あるいは電流）の波形に変換し
増幅したりして調整するためのものである。応力センサ
１が複数あるときには切替スイッチ（図示せず）を介し
て切り替える。信号整合器２１から出力される電圧波形
はＡＤ変換器２２においてアナログ信号からデジタル信
号に変換され、変換されたデジタル信号がＣＰＵ２３に
入力される。

【００１５】ＣＰＵ２３は、ＲＯＭ２４に記憶されてい
る、例えば、頻度計数プログラムに従って、検出された
応力レベルが予め設定された応力レベルを超える回数を
カウントする。この測定方法は、一般にレベルクロスカ
ウント法と呼ばれているものであり、簡易測定法の一種
である。これによって、応力頻度分布が得られる。測定
された応力頻度データはＲＡＭ２５に記憶される。ま
た、より高い精度で応力履歴情報を得るためには、例え
ば、レインフロー法によって処理する。レインフロー法
の演算プログラムは同様にＲＯＭ２４に記憶させておけ
ばよい。レインフロー法は構造物の疲労損傷に関するデ
ータを収集する場合に一般的に使用される方法である。
ＲＡＭ２５に保存蓄積された測定データは、外部からの
無線指令によりインターフェース２６を介し無線モデム
２７を通じて外部に取り出される。

【００１６】測定装置本体２は、電池を内蔵するもので
もよいが、ここでは太陽電池からなる独立電源３を具備
する構成となっている。独立電源３は、太陽電池３１、
蓄電池３２、およびこれらを制御する充放電コントロー
ラ３３からなっており、測定装置本体２とともに構造物
の適宜の位置に設置されている。蓄電池３２に充電され
た電力を、図示のように測定装置本体２および無線モデ
ム２７に連続的に供給するようにしてもよいし、インタ
ーバルタイムスイッチ（図示せず）を介して間欠的に供
給するようにしてもよい。このような独立電源３によっ
て必要な電力が常に確保されているので、長期間にわた
る応力測定が可能である。

【００１７】ＲＡＭ２５に蓄積された測定データを構造
物から離れた場所で取り出すために、測定員は可搬ケー
スの中に内蔵された携帯型コンピュータ４を現地に持ち
込むだけでよい。この携帯型コンピュータ４は、モバイ
ルコンピュータ４１と、無線モデム４２と、蓄電池４３
とから構成されている。無線モデム４２は、測定装置本
体２の無線モデム２７に対し無線で指令を発し、上記Ｒ
ＡＭ２５に蓄積された測定データをモバイルコンピュー
タ４１に取り込む。さらに、モバイルコンピュータ４１
に取り込まれたデータは、携帯電話機やＰＨＳ等を利用
して、オフィス等に設置されているコンピュータ５１の
ディスク５２に、例えば、ＣＶＳ形式のデータファイル
として保存される。オフィス等のコンピュータ５１で
は、市販の表計算プログラム等を用いて上記データファ
イルを表やグラフに展開し、分析、評価等を行う。

【００１８】図３は、圧電素子を用いた応力センサとひ
ずみゲージによりそれぞれ検出された電圧波形の一例を
示したものである。（ａ）図が圧電素子を用いた応力セ
ンサ（「圧電センサ」という）による電圧波形であり、
（ｂ）図がひずみゲージによる電圧波形である。いずれ
も横軸は時間、縦軸は電圧値をあらわす。圧電センサの
場合は、出力電圧信号にフィルタをかけなくても、大小
様々な波形の山が極小さい山も含めて明瞭に検出されて
いる。これに対して、ひずみゲージの場合は、ローパス
フィルタをかけて信号処理したものであるが、それでも
小さい山はノイズの中に埋もれてしまい、判別しにくい
結果となっている。また、両者の測定値の対応関係は正
確にあらわれている。両者の比較から、圧電センサの方
が精度の良い応力測定が可能である。

【００１９】また、図３（ａ）において、横軸に平行に
等間隔に引いた横点線は予め設定した応力レベル１、
２、３、・・・を示すものであり、前記レベルクロスカ
ウント法は、測定電圧値のピーク値が各応力レベルを超
えた回数をカウントする測定法である。この方法によ
り、構造物に作用する応力の頻度が求められ、応力頻度
分布の推移から、その構造物の疲労損傷の状況を知るこ
とができる。応力頻度分布はオフィス等の中央コンピュ
ータシステム５において監視されている。また、前記レ
インフロー法は、予め設定した応力レンジ毎に応力頻度
を計算するもので、レベルクロスカウント法に比べて、
より精密に構造物の疲労損傷の状況を知ることができ
る。

【００２０】以上のように、この応力監視システムによ
れば、測定員が測定の度毎に応力センサ１や測定装置本
体２の設置箇所にアクセスしなくても離れた場所から測
定することができ、測定作業が容易で、かつ安全に行え
る。また、測定された応力データはＲＡＭ２５に保存蓄
積されているので、定期的あるいは必要に応じて随時に
外部からの無線指令により取り出すことができ、さらに
このデータを遠方に伝送することにより、遠隔地にて集
中的に構造物の応力状態を監視することができる。ま
た、ＲＡＭ２５の記憶容量に十分注意していさえすれば
記憶媒体の交換を要しない。レベルクロスカウント法ま
たはレインフロー法を用いることにより、構造物の疲労
損傷状況を簡便に知ることができる。独立電源３を備え
ているので、測定の都度電源ケーブルを敷設する必要は
なく、長期間にわたって応力の測定および監視が可能で
ある。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
構造物に作用する応力を離れた場所から長期間にわたっ
て容易かつ安全に測定することができ、さらに遠隔地で
集中的に監視することができる。また、取付配線や測定
作業が容易なので経済性を満たすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の本発明の応力監視システムの全体構成
を示すブロック図である。

【図２】応力センサの構成図である。

【図３】圧電素子を用いた応力センサとひずみゲージに
よる電圧波形の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 応力センサ ２ 測定装置本体 ３ 独立電源 ４ 携帯型コンピュータ ５ 中央コンピュータシステム １０ 構造物 １１ 検出板 １２ 圧電素子

フロントページの続き (72)発明者 伊藤 久 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 藤本 由紀夫 広島県東広島市西条町下三永354−57 (72)発明者 新宅 英司 広島県東広島市高屋高美が丘８−３−18 Ｆターム(参考） 2G060 AA20 AE26 AF20 EB04 HA01 HC13 HC19 HC21 HE02

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物に作用する応力を検出する応力セ
   ンサと、 前記応力センサの出力信号を処理して応力頻度をカウン
   トし、保存する測定装置本体と、 前記測定装置本体および応力センサに電力を供給する独
   立電源と、 保存された測定データを外部からの指令により取り出す
   無線通信手段と、を備えたことを特徴とする応力監視シ
   ステム。