JP2003294565A - 歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法及び計測装置 - Google Patents

歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法及び計測装置

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JP2003294565A
JP2003294565A JP2002097187A JP2002097187A JP2003294565A JP 2003294565 A JP2003294565 A JP 2003294565A JP 2002097187 A JP2002097187 A JP 2002097187A JP 2002097187 A JP2002097187 A JP 2002097187A JP 2003294565 A JP2003294565 A JP 2003294565A
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Akira Umeda
章 梅田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 歪ゲージを用いた振動や衝撃の計測に際し
て、歪ゲージの動的線形性が保証されていないため、信
頼性の高い測定ができなかった。 【解決手段】 金属棒３に評価対象となる歪ゲージ４を
貼り、金属棒３の第１端面６に内側発射管７から第１の
飛翔体１を衝突させることによって発生した弾性波パル
スが、前記第１端面と反対側の第２端面８に到達したと
きに生じる第２端面８の運動速度を干渉計により、また
加速度を加速度センサにより、更に変位を非接触変位セ
ンサによって計測し、その結果から導かれる各々の歪と
弾性波の伝播理論を用い、第１の飛翔体１により歪ゲー
ジ４への入力信号として作用した動的歪ε１(t)とゲー
ジの出力εout,1(t)を求める。同様に外側発射管９から
発射される第２の飛翔体２を衝突させ、更に第１の飛翔
体１と第２の飛翔体を同時、または微小な時間差で衝突
させ、同様の演算を行い、センサの動的線形性を計測す
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、構造物の振動解
析、動的応力解析実験あるいはセンサ内部の主要部品な
ど、産業計測分野で広く用いられている歪ゲージの動的
応答特性の線形性の計測方法とそれを実施するための計
測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】歪ゲージは極めて広い産業計測分野で用
いられている。具体的には構造物の動的応力解析実験、
振動解析実験、車両の衝突実験あるいは歪ゲージを内臓
する加速度センサなどである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような振動や衝撃
の計測では、歪ゲージの動的応答特性の線形性が保証さ
れていないと信頼性の高い測定は不可能であるにもかか
わらず、従来は適切な方法がなかったためにゲージは正
しい結果を与えているとの仮定にたって計測が行われて
おり、ゲージの貼り方や動的応答特性の線形性などにつ
いて理論的に検討されることはほとんどなかった。
【０００４】歪ゲージの動的特性の計測方法について
は、周波数特性の計測方法に関して本発明者により特許
出願を行い、既に特許が成立しているが、周波数特性の
導出では線形性が仮定されるにもかかわらず、その動的
線形性の測定方法とその装置については、十分な検討が
なされていなかった。
【０００５】したがって本発明は、歪ゲージの動的応答
特性の線形性を評価する計測方法およびその方法を実施
するための装置を提案し、歪ゲージを用いた計測技術の
信頼性を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、請求項１に係る発明は、金属棒に計測対象で
ある歪ゲージを貼り、第１の飛翔体のみ、及び第２の飛
翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に
或いは微小時間差をもって前記金属棒の第１端面に衝突
させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させ、前記各衝
突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１端面の反
対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の速度
を各々計測し、前記各計測において弾性波パルスの伝播
理論と、計測した速度の信号を用いて歪ゲージへの入力
信号としての過渡歪み信号を求め、同時に前記各衝突時
に得られる歪ゲージの出力信号を求め、前記過渡歪み信
号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時間領域または周
波数領域で比較することにより、歪ゲージ動特性の動的
線形性を推定することを特徴とする歪ゲージの動的応答
特性の線形性計測方法。
【０００７】また、請求項２に係る発明は、前記第２端
面の速度をレーザ光による計測手段によって計測するこ
とを特徴とする請求項１記載の歪ゲージの動的応答特性
の線形性計測方法としたものである。
【０００８】また、請求項３に係る発明は、前記レーザ
光による計測手段はレーザ干渉計であることを特徴とす
る請求項２記載の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測
方法としたものである。
【０００９】また、請求項４に係る発明は、金属棒に計
測対象である歪ゲージを貼り、第１の飛翔体のみ、及び
第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体
を同時に或いは微小時間差をもって前記金属棒の第１端
面に衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させ、
前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
面の加速度を各々計測し、前記各計測において弾性波パ
ルスの伝播理論と、計測した加速度の信号を用いて歪ゲ
ージへの入力信号としての過渡歪み信号を求め、同時に
前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求め、前
記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時間
領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲージ
動特性の動的線形性を推定することを特徴とする歪ゲー
ジの動的応答特性の線形性計測方法。
【００１０】また、請求項５に係る発明は、金属棒に計
測対象である歪ゲージを貼り、第１の飛翔体のみ、及び
第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体
を同時に或いは微小時間差をもって前記金属棒の第１端
面に衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させ、
前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
面の動的変位を各々計測し、前記各計測において弾性波
パルスの伝播理論と、計測した速度の信号を用いて歪ゲ
ージへの入力信号としての過渡歪み信号を求め、同時に
前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求め、前
記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時間
領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲージ
動特性の動的線形性を推定することを特徴とする歪ゲー
ジの動的応答特性の線形性計測方法としたものである。
【００１１】また、請求項６に係る発明は、前記第２端
面の動的変位を非接触変位センサにより計測することを
特徴とする請求項５記載の歪ゲージの動的応答特性の線
形性計測方法としたものである。
【００１２】また、請求項７に係る発明は、前記飛翔体
の先端部に飛翔体本体と異なる材料の部材を設けて飛翔
体を積層構造とし、前記飛翔体が衝突する金属棒内部に
発生する弾性波パルスの周波数帯域を調整することを特
徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の
歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法としたもので
ある。
【００１３】また、請求項８に係る発明は、前記第１の
飛翔体及び第２の飛翔体を、飛翔体発射管の中心空間及
びその周囲に摺動自在に配置することを特徴とする請求
項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の歪ゲージの動
的応答特性の線形性計測方法としたものである。
【００１４】また、請求項９に係る発明は、前記第１の
飛翔体及び第２の飛翔体それぞれを多重化して多重発射
管から発射できるようにし、多重飛翔体の発射の位相を
制御することによって金属棒内部に発生する弾性波の周
波数帯域を狭帯域化することを特徴とする請求項１乃至
請求項６のいずれか一つに記載の歪ゲージの動的応答特
性の線形性計測方法としたものである。
【００１５】また、請求項１０に係る発明は、弾性波伝
播の理論であるスカラクの解析解によって端面に入射す
る弾性波パルスの歪から、歪ゲージへの入力となる過渡
歪信号を求める際に、スカラクの解析解の少なくとも１
次の項、さらに精度をあげるために高次の項までをも用
いることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか
一つに記載の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法
としたものである。
【００１６】また、請求項１１に係る発明は、前記第１
の飛翔体と第２の飛翔体２の金属棒に対する衝突時刻の
差を、第１の飛翔体が金属棒に衝突したときに発生した
歪ゲージへの入力過渡歪信号と、前記第２の飛翔体が金
属棒に衝突したときに発生した歪ゲージへの入力過渡歪
信号とが、第１の飛翔体と第２の飛翔体が同時に発射し
たときに発生した歪ゲージへの入力過渡歪信号を最も適
合するパラメータとして求め、前記衝突時刻の差を考慮
して、第１の飛翔体及び第２の飛翔体をそれぞれ単独で
発射した場合に得られる歪ゲージの出力信号、微小時間
差をもって第１の飛翔体と第２の飛翔体をほぼ同時に発
射した時に得られる歪ゲージの出力信号から歪ゲージの
動的線形性を計測することを特徴とする請求項１乃至請
求項６のいずれか一つに記載の歪ゲージの動的応答特性
の線形性計測方法としたものである。
【００１７】また、請求項１２に係る発明は、請求項１
乃至請求項１１のいずれか一つの歪ゲージの動的応答特
性の線形性計測方法で明らかになった該歪ゲージのゲイ
ンおよび位相に関する動的線形性が成立する周波数領域
において、金属棒端面の運動速度計測、運動加速度計
測、動的変位計測結果と波動伝播理論から導かれる歪ゲ
ージ入力過渡歪信号と歪ゲージの出力信号を周波数領域
で比較することにより、歪ゲージの周波数応答特性を求
めることを特徴とする歪ゲージの動的応答特性の線形性
計測方法としたものである。
【００１８】また、請求項１３に係る発明は、歪ゲージ
を貼った金属棒と、第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔
体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或
いは微小時間差をもって前記金属棒の第１端面に衝突さ
せて金属棒内部に弾性波パルスを発生させる飛翔体発射
手段と、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属
棒の第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じ
る第２端面の速度を各々計測し、前記各計測において弾
性波パルスの伝播理論と、計測した速度の信号を用いて
歪ゲージへの入力信号としての過渡歪み信号を求め、同
時に前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求
め、前記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号と
を、時間領域または周波数領域で比較することにより、
歪ゲージ動特性の動的線形性を推定する動的線形性推定
手段とを備えたことを特徴とする歪ゲージの動的応答特
性の線形性計測装置としたものである。
【００１９】また、請求項１４に係る発明は、前記第２
端面の速度をレーザ光による計測装置によって計測した
ことを特徴とする請求項１３記載の歪ゲージの動的応答
特性の線形性計測装置としたものである。
【００２０】また、請求項１５に係る発明は、前記レー
ザ光による計測手段はレーザ干渉計であることを特徴と
する請求項１４記載の歪ゲージの動的応答特性の線形性
計測装置としたものである。
【００２１】また、請求項１６に係る発明は、歪ゲージ
を貼った金属棒と、第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔
体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或
いは微小時間差をもって前記金属棒の第１端面に衝突さ
せて金属棒内部に弾性波パルスを発生させる飛翔体発射
手段と、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属
棒の第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じ
る第２端面の加速度を各々計測し、前記各計測において
弾性波パルスの伝播理論と、計測した加速度の信号を用
いて歪ゲージへの入力信号としての過渡歪み信号を求
め、同時に前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号
を求め、前記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号
とを、時間領域または周波数領域で比較することによ
り、歪ゲージ動特性の動的線形性を推定する動的線形性
推定手段とを備えたことを特徴とする歪ゲージの動的応
答特性の線形性計測装置としたものである。
【００２２】また、請求項１７に係る発明は、歪ゲージ
を貼った金属棒と、第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔
体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或
いは微小時間差をもって前記金属棒の第１端面に衝突さ
せて金属棒内部に弾性波パルスを発生させる飛翔体発射
手段と、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属
棒の第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じ
る第２端面の動的変位を各々計測し、前記各計測におい
て弾性波パルスの伝播理論と、計測した速度の信号を用
いて歪ゲージへの入力信号としての過渡歪み信号を求
め、同時に前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号
を求め、前記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号
とを、時間領域または周波数領域で比較することによ
り、歪ゲージ動特性の動的線形性を推定する動的線形性
推定手段とを備えたことを特徴とする歪ゲージの動的応
答特性の線形性計測装置としたものである。
【００２３】また、請求項１８に係る発明は、前記第２
端面の動的変位を非接触変位センサにより計測すること
を特徴とする請求項１７記載の歪ゲージの動的応答特性
の線形性計測装置としたものである。
【００２４】また、請求項１９に係る発明は、前記飛翔
体の先端部に飛翔体本体と異なる材料の部材を設けて飛
翔体を積層構造とし、前記飛翔体が衝突する金属棒内部
に発生する弾性波パルスの周波数帯域を調整することを
特徴とする請求項１３乃至請求項１８のいずれか一つに
記載の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測装置とした
ものである。
【００２５】また、請求項２０に係る発明は、前記第１
の飛翔体及び第２の飛翔体を、中心空間及びその周囲に
摺動自在に配置する飛翔体発射管を備えたことを特徴と
する請求項１３乃至請求項１８のいずれか一つに記載の
歪ゲージの動的応答特性の線形性計測装置としたもので
ある。
【００２６】また、請求項２１に係る発明は、前記飛翔
体発射管を中心管とその周囲の管との二重管により形成
し、前記第１の飛翔体及び第２の飛翔体を、中心管の中
心空間、及び中心管とその周囲の管との空間に摺動自在
に配置したことを特徴とする請求項２０に記載の歪ゲー
ジの動的応答特性の線形性計測装置としたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】各種の計測に際しては線形性が成
り立たなければ、正確な計測は困難である。動的計測に
おいても線形性は重要であるが、ゲインおよび位相に関
して動的線形性を検証するとは一般に容易ではない。
【００２８】この点に関し、一般的定義としては、動的
線形性は、入力信号ｘ(t)に対する出力信号をＸ(t)とし
て、入力信号ｙ(t)に対する出力信号をＹ(t)とすると
き、任意定数ａ,ｂを用いて、入力信号ａ・ｘ(t)+ｂ・ｙ
(t)に対する出力信号がａ・Ｘ(t)＋ｂ・Ｙ(t)となれば、
動的線形性が成立しているということができる。
【００２９】この考え方を元に、図１に示すように金属
棒３に評価対象となる測定対象の歪ゲージ４を貼り、金
属棒３の第１端面６に内側発射管７から発射される第１
の飛翔体１を衝突させることによって発生した弾性波パ
ルスが、前記第１端面と反対側の第２端面８に到達した
ときに生じる第２端面８の運動速度を計測し、その結果
から導かれる歪と弾性波の伝播理論を用いて、第１の飛
翔体１により歪ゲージ４への入力信号として作用した動
的歪ε１(t)とゲージの出力εout,1(t)を求める。
【００３０】なお、金属棒３の前記第２端面８の運動速
度の計測に際しては、図１に示すものは干渉計１０から
のレーザ光を第２端面８に照射し反射光を検出すること
により干渉計１０で第２端面８の速度変化として計測
し、その計測データをパソコン等の計算機１１に出力
し、歪ゲージ４からの信号と比較することにより後述す
るような計算式を用いて歪ゲージ４の動的応答特性の線
形特性を演算する。また図２（ａ）の実施例においては
加速度センサ１２を用いることにより第２端面８の加速
度の変化を計測し、更に図２（ｂ）の実施例においては
非接触変位センサ１３を用いることにより第２端面の変
位を計測する例を示しており、これらにおいても図１に
示すような計算機１１を用い、後述するような計算式を
用いて歪ゲージ４の動的応答性の線形特性を演算する。
【００３１】次に、金属棒３の第１端面６に外側発射管
９から発射される第２の飛翔体２を衝突させることによ
って発生した弾性波パルスが第２端面８に到達したとき
に生じるこの第２端面８の運動速度を計測し、その結果
から導かれる歪と弾性波の伝播理論を用いて、第２の飛
翔体２によりゲージへの入力信号として作用した動的歪
ε２(t)とゲージの出力εout,2(t)を求める。
【００３２】最後に第１の飛翔体１と第２の飛翔体２を
同時に金属棒３の第１端面６に衝突させた時に、歪ゲー
ジ４への入力信号として作用する歪信号は、弾性波の線
形性から、ε１(t)＋ε２(t)となる。この時にゲージの
出力信号をεout(t)とする。線形性が成立するとすれ
ば、出力信号は、εout,1(t)+εout,2(t) となるはず
であるから、この信号と、εout(t)を周波数領域あるい
は時間領域で比較することによって、歪ゲージの動的線
形性をゲイン、位相に関して計測する。
【００３３】上記のような基本思想と、それを実施する
上記のような装置によって本発明を実施することができ
るものであるが、以下、本発明における上記の基本思想
を実際の計測に適用するための理論について順に説明す
る。即ち、本発明は以下に示す理論解析により実施可能
となったものであり、この理論が本発明による計測法お
よび計測装置を実施する裏付けとなっている。
【００３４】直径に対して十分長い金属棒の端面に飛翔
体（材料、構造を問わない）を衝突させるなどの方法に
より衝撃を加えると、金属棒内部に弾性波パルスが発生
する。この弾性波パルスがもう一方の端面に到達した時
点では平面弾性波パルスになっており、端面で反射する
過程において棒内部の縦波弾性波（C）と歪速度
【数１】 の積の２倍の加速度（ａ(t)）が発生する。
【数２】 （１） ここで、ε(t)は端面に入射する弾性波パルスの歪であ
り、・は時間微分項を表す。（１）式より、端面の運動
速度をｖ(t)、端面の動的変位をｄ(t)とすると（１）式
より以下の（２）、（３）式が成立する。
【数３】 （２）
【数４】 （３）
【００３５】実際に、測定対象となる歪ゲージを金像棒
の端面と側面の境界面に貼ることは不可能なので、飛翔
体との衝突端面から ＬＢ だけ離れた位置に歪ゲージを貼ったとすると、ゲージで
観測される歪と端面の運動加速度、運動速度、動的変位
との関係について、（４）、（５）、（６）式が成立す
る。式中の・は時間微分を表す。
【数５】 （４）
【数６】 （５）
【数７】 （６）
【００３６】前記（４）式から計算される端面の運動加
速度が、加速度センサへの入力信号となる。（５）式で
計算される運動速度が、レーザ干渉計への入力信号とな
る。（６）式で計算される動的変位が非接触変位センサ
への入力信号となる。
【００３７】動的線形性を計測する歪ゲージで観測され
る過渡的信号は図３で示される。時間区間[tc − td]の
波形は、弾性波パルスが棒端面で反射してできる引張り
応力波パルスであり、飛翔体が衝突する端面の方向に伝
播するので、レーザ干渉計、加速度センサ、非接触変位
センサへの入力信号となる加速度、速度、動的変位を発
生させることには寄与しない。（４）式によって加速度
センサへの入力信号となる加速度信号を発生させる歪、
（５）式によってレーザ干渉計（振動計）への入力信号
となる速度信号を発生させる歪、（６）式によって非接
触変位計への入力信号となる動的変位信号を発生させる
歪は、すべて図３の中の時間区間[ta −tb]に現れる歪
信号である。
【００３８】前記（１）式より加速度センサの出力信号
から求められる端面に入射する弾性波パルスの歪（εＡ
(t)）は下記の（７）式で、（２）式より干渉計の出力
信号から求められる端面に入射する弾性波パルスの歪
（εＶ(t)）は（８）式で、（３）式より非接触変位セ
ンサ、変位測定装置から求められる端面に入射する弾性
波パルスの歪（εＤ(t)）は（９）式で表される。
（９）式における・は時間微分を表す。
【数８】 （７）
【数９】 （８）
【数１０】 （９）
【００３９】また、金属丸棒中における波動の伝播は、
以下の（１０）式で表される。
【数１１】 （１０）ただしここで、 t：時刻 lp：飛翔体の長さ Ｃｐ：飛翔体の中の縦波弾性波の伝播速度 εｔ(t,z)：スカラクの解析解の一次の項
【数１２】
【数１３】
【数１４】 ただしここで、 Ｖ１：飛翔体の衝突速度 t：衝突後の経過時間 ν：ポアソン比 Ｄａ：金属棒の直径 ｚ：金属棒の軸方向の座標
【００４０】前記（７）式と（１０）式から棒端面の運
動加速度を加速度センサで計測した結果を用いての歪ゲ
ージへの入力信号としての歪信号（εｉ Ａ(t)）が得ら
れる。（８）式と（１０）式とから棒端面の運動速度を
レーザ干渉計で計測した結果を用いての歪ゲージへの入
力信号としての歪信号（εｉ ｖ(t)）が得られる。
（９）式と（１０）式とから棒端面の動的変位を非接触
変位センサなどで計測した結果を用いての歪ゲージへの
入力信号としての歪信号（εｉ Ｄ(t)）が得られる。
【００４１】第１の飛翔体１、第２の飛翔体２につい
て、以下の表のように記号を定義する。 表１：
【００４２】上記のような理論に基づく計測技術を用い
て実際に計測を行う際には、第１の飛翔体と第２の飛翔
体の衝突時間差を考慮しない場合と、それを考慮する場
合により、またそれらの各場合において、時間領域にお
ける比較に際して加速度センサで計測する場合とレーザ
干渉計で計測する場合と非接触変位センサで計測する場
合とに応じて下記の評価関数を用いて計算し、更にそれ
らの各場合において、周波数領域における比較を下記の
計算式を用いて計算を行うことにより実施することがで
きる。以下、これらについて順に説明する。
【００４３】１．衝突時間差を考慮しない場合。 １）時間領域における比較 １−１）加速度センサで計測する場合の評価関数の一
例：
【数１５】 （信号の存在する区間［t１，t２］で積分する）
【００４４】１−２）レーザ干渉計で計測する場合の評
価関数の一例：
【数１６】 （信号の存在する区間［t１，t２］で積分する）
【００４５】１−３）非接触変位センサで計測する場合
の評価関数の一例：
【数１７】 （信号の存在する区間［t１，t２］で積分する）
【００４６】２）周波数領域における比較 ２−１）加速度センサで計測する場合は、一例として、
【数１８】 を計算し、絶対値が１の許容値から外れた周波数を、ゲ
インに関する動的線形性の成立限界周波数とする。また
位相に関しては、計算結果の位相がゼロの許容値から外
れた周波数と、位相に関する動的線形性の成立限界周波
数とする。
【００４７】２−２）レーザ干渉計で計測する場合は、
一例として、
【数１９】 を計算し、絶対値が１の許容値から外れた周波数を、ゲ
インに関する動的線形性の成立限界周波数とする。また
位相に関しては、計算結果の位相がゼロの許容値から外
れた周波数と、位相に関する動的線形性の成立限界周波
数とする。
【００４８】２−３）非接触変位センサで計測する場合
は、一例として、
【数２０】 を計算し、絶対値が１の許容値から外れた周波数を、ゲ
インに関する動的線形性の成立限界周波数とする。また
位相に関しては、計算結果の位相がゼロの許容値から外
れた周波数と、位相に関する動的線形性の成立限界周波
数とする。
【００４９】２．衝突時間差を考慮する場合 第１の飛翔体１、第２の飛翔体２が金属棒に厳密に同時
に衝突するような制御が簡単ではない場合には、時間差
をΔtとし、加速度センサを用いて端面の運動加速度か
らゲージの入力過渡歪信号を求める場合には、εｉ１ Ａ
(t)＋εｉ２ Ａ(t−Δt)がεｉ１２ Ａ(t)にもっとも良く
一致するようにΔtをパラメータとして求める。レーザ
干渉計から端面の運動加速度からゲージの入力過渡歪信
号を求める場合には、εｉ１ Ｖ(t)＋εｉ２ Ｖ(t−Δt)
がεｉ１２ Ｖ(t)に最も良く一致するようにΔtをパラメ
ータとして求める。非接触動的変位センサから端面の運
動加速度からゲージの入力過渡歪信号を求める場合に
は、εｉ１ Ｄ(t)＋εｉ２ Ｄ(t−Δt)がεｉ１２ Ｄ(t)に
もっとも良く一致するようにΔtをパラメータとして求
める。このようにして求められたΔtを上記「１．衝突
時間差を考慮する場合」における１）の各式及び２）の
各式に適用することによって得られる。
【００５０】本発明は更に種々の態様で実施することが
でき、例えば、先端部に高分子材料、プラスティックス
などを取り付けることにより、飛翔体本体部が金属、高
分子材料、あるいはプラスティックスなど、各種異なる
材料との積層構造を備えた飛翔体を用い、この飛翔体の
衝突による金属棒内部に発生する弾性波パルスの周波数
帯域を適宜調整することもできる。
【００５１】また、前記実施例においては内外二重管型
の発射により第１の飛翔体と第２の飛翔体を発射する例
を示したが、例えば１本の管によって内側面で第１の飛
翔体を案内し、外側面で第２の飛翔体を案内することも
可能である。また、内側発射管、外側発射管を多重に
し、多重内側発射管、多重外側発射管各々から発射され
る複数の飛翔体の発射の位相を制御することによって、
金属棒内部に発生する弾性波の周波数帯域を狭帯域化す
る手法を採用しても良い。
【００５２】更に、弾性波伝播の理論であるスカラクの
解析解によって端面に入射する弾性波パルスの歪から、
歪ゲージへの入力となる過渡歪信号を求める際に、スカ
ラクの解析解の少なくとも１次の項、さらに精度をあげ
るためにはスカラクの解析解の高次の項までをも用いる
ような、歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法及び
それを実施する装置としてもよい。
【００５３】また、上記手法で明らかになった歪ゲージ
のゲインおよび位相に関する動的線形性が成立する周波
数領域において、金属棒端面の運動加速度計測、運動速
度計測、動的変位計測結果と波動伝播理論から導かれる
ゲージ入力過渡歪信号と歪ゲージの出力信号（増幅器を
含む場合、含まない場合の両方）を周波数領域で比較す
ることにより、歪ゲージの周波数応答特性を求めても良
い。
【００５４】
【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、動
的線形性が保証された信頼性の高い歪ゲージを得ること
ができ、この歪ゲージを用いるすべての計測の信頼性を
向上させることがででる。したがって、この歪ゲージを
使用する、例えば構造物の静的強度の計測、構造物の動
的強度の計測の信頼性が向上し、更にこのような計測の
信頼性の向上により建築構造物、橋梁、道路、車両、セ
ンサなどあらゆる製品の動的歪計測の信頼性が向上す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において、干渉計を用いて歪ゲージの動
的線形性を計測する装置の実施例を示す図である。
【図２】本発明において、加速度センサを用いて歪ゲー
ジの動的線形性を計測する装置の実施例を示す図であ
る。
【図３】本発明において歪ゲージで観測される波形の例
を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の飛翔体 ２ 第２の飛翔体 ３ 金属棒 ４ 歪ゲージ ６ 第１端面 ７ 内側発射管 ８ 第２端面 ９ 外側発射管 １０ 干渉計 １１ 計算機

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属棒に計測対象である歪ゲージを貼
    り、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記
    第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をも
    って前記金属棒の第１端面に衝突させて金属棒内部に弾
    性波パルスを発生させ、 前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
    端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
    面の速度を各々計測し、 前記各計測において弾性波パルスの伝播理論と、計測し
    た速度の信号を用いて歪ゲージへの入力信号としての過
    渡歪み信号を求め、 同時に前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求
    め、 前記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時
    間領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲー
    ジ動特性の動的線形性を推定することを特徴とする歪ゲ
    ージの動的応答特性の線形性計測方法。
  2. 【請求項２】 前記第２端面の速度をレーザ光による計
    測手段によって計測することを特徴とする請求項１記載
    の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法。
  3. 【請求項３】 前記レーザ光による計測手段はレーザ干
    渉計であることを特徴とする請求項２記載の歪ゲージの
    動的応答特性の線形性計測方法。
  4. 【請求項４】 金属棒に計測対象である歪ゲージを貼
    り、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記
    第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をも
    って前記金属棒の第１端面に衝突させて金属棒内部に弾
    性波パルスを発生させ、 前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
    端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
    面の加速度を各々計測し、 前記各計測において弾性波パルスの伝播理論と、計測し
    た加速度の信号を用いて歪ゲージへの入力信号としての
    過渡歪み信号を求め、 同時に前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求
    め、 前記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時
    間領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲー
    ジ動特性の動的線形性を推定することを特徴とする歪ゲ
    ージの動的応答特性の線形性計測方法。
  5. 【請求項５】 金属棒に計測対象である歪ゲージを貼
    り、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記
    第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をも
    って前記金属棒の第１端面に衝突させて金属棒内部に弾
    性波パルスを発生させ、 前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
    端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
    面の動的変位を各々計測し、 前記各計測において弾性波パルスの伝播理論と、計測し
    た速度の信号を用いて歪ゲージへの入力信号としての過
    渡歪み信号を求め、 同時に前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求
    め、 前記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時
    間領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲー
    ジ動特性の動的線形性を推定することを特徴とする歪ゲ
    ージの動的応答特性の線形性計測方法。
  6. 【請求項６】 前記第２端面の動的変位を非接触変位セ
    ンサにより計測することを特徴とする請求項５記載の歪
    ゲージの動的応答特性の線形性計測方法。
  7. 【請求項７】 前記飛翔体の先端部に飛翔体本体と異な
    る材料の部材を設けて飛翔体を積層構造とし、前記飛翔
    体が衝突する金属棒内部に発生する弾性波パルスの周波
    数帯域を調整することを特徴とする請求項１乃至請求項
    ６のいずれか一つに記載の歪ゲージの動的応答特性の線
    形性計測方法。
  8. 【請求項８】 前記第１の飛翔体及び第２の飛翔体を、
    飛翔体発射管の中心空間及びその周囲に摺動自在に配置
    することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか
    一つに記載の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方
    法。
  9. 【請求項９】 前記第１の飛翔体及び第２の飛翔体それ
    ぞれを多重化して多重発射管から発射できるようにし、
    多重飛翔体の発射の位相を制御することによって金属棒
    内部に発生する弾性波の周波数帯域を狭帯域化すること
    を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記
    載の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法。
  10. 【請求項１０】 弾性波伝播の理論であるスカラクの解
    析解によって端面に入射する弾性波パルスの歪から、歪
    ゲージへの入力となる過渡歪信号を求める際に、スカラ
    クの解析解の少なくとも１次の項、さらに精度をあげる
    ために高次の項までをも用いることを特徴とする請求項
    １乃至請求項６のいずれか一つに記載の歪ゲージの動的
    応答特性の線形性計測方法。
  11. 【請求項１１】 前記第１の飛翔体と第２の飛翔体の金
    属棒に対する衝突時刻の差を、第１の飛翔体が金属棒に
    衝突したときに発生した歪ゲージへの入力過渡歪信号
    と、前記第２の飛翔体が金属棒に衝突したときに発生し
    た歪ゲージへの入力過渡歪信号とが、第１の飛翔体と第
    ２の飛翔体が同時に発射したときに発生した歪ゲージへ
    の入力過渡歪信号を最も適合するパラメータとして求
    め、 前記衝突時刻の差を考慮して、第１の飛翔体及び第２の
    飛翔体をそれぞれ単独で発射した場合に得られる歪ゲー
    ジの出力信号、微小時間差をもって第１の飛翔体と第２
    の飛翔体をほぼ同時に発射した時に得られる歪ゲージの
    出力信号から歪ゲージの動的線形性を計測することを特
    徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の
    歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項１１のいずれか一
    つの歪ゲージの動的応答特性の線形性計測方法で明らか
    になった該歪ゲージのゲインおよび位相に関する動的線
    形性が成立する周波数領域において、運動速度計測、金
    属棒端面の運動加速度計測、動的変位計測結果と波動伝
    播理論から導かれる歪ゲージ入力過渡歪信号と歪ゲージ
    の出力信号を周波数領域で比較することにより、歪ゲー
    ジの周波数応答特性を求めることを特徴とする歪ゲージ
    の動的応答特性の線形性計測方法。
  13. 【請求項１３】 歪ゲージを貼った金属棒と、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記
    第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をも
    って前記金属棒の第１端面に衝突させて金属棒内部に弾
    性波パルスを発生させる飛翔体発射手段と、 前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
    端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
    面の速度を各々計測し、前記各計測において弾性波パル
    スの伝播理論と、計測した速度の信号を用いて歪ゲージ
    への入力信号としての過渡歪み信号を求め、同時に前記
    各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求め、前記過
    渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時間領域
    または周波数領域で比較することにより、歪ゲージ動特
    性の動的線形性を推定する動的線形性推定手段とを備え
    たことを特徴とする歪ゲージの動的応答特性の線形性計
    測装置。
  14. 【請求項１４】 前記第２端面の速度をレーザ光による
    計測装置によって計測したことを特徴とする請求項１３
    記載の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測装置。
  15. 【請求項１５】 前記レーザ光による計測手段はレーザ
    干渉計であることを特徴とする請求項１４記載の歪ゲー
    ジの動的応答特性の線形性計測装置。
  16. 【請求項１６】 歪ゲージを貼った金属棒と、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記
    第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をも
    って前記金属棒の第１端面に衝突させて金属棒内部に弾
    性波パルスを発生させる飛翔体発射手段と、 前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
    端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
    面の加速度を各々計測し、前記各計測において弾性波パ
    ルスの伝播理論と、計測した加速度の信号を用いて歪ゲ
    ージへの入力信号としての過渡歪み信号を求め、同時に
    前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求め、前
    記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時間
    領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲージ
    動特性の動的線形性を推定する動的線形性推定手段とを
    備えたことを特徴とする歪ゲージの動的応答特性の線形
    性計測装置。
  17. 【請求項１７】 歪ゲージを貼った金属棒と、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記
    第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をも
    って前記金属棒の第１端面に衝突させて金属棒内部に弾
    性波パルスを発生させる飛翔体発射手段と、 前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の第１
    端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端
    面の動的変位を各々計測し、前記各計測において弾性波
    パルスの伝播理論と、計測した速度の信号を用いて歪ゲ
    ージへの入力信号としての過渡歪み信号を求め、同時に
    前記各衝突時に得られる歪ゲージの出力信号を求め、前
    記過渡歪み信号と、前記歪ゲージの出力信号とを、時間
    領域または周波数領域で比較することにより、歪ゲージ
    動特性の動的線形性を推定する動的線形性推定手段とを
    備えたことを特徴とする歪ゲージの動的応答特性の線形
    性計測装置。
  18. 【請求項１８】 前記第２端面の動的変位を非接触変位
    センサにより計測することを特徴とする請求項１７記載
    の歪ゲージの動的応答特性の線形性計測装置。
  19. 【請求項１９】 前記飛翔体の先端部に飛翔体本体と異
    なる材料の部材を設けて飛翔体を積層構造とし、前記飛
    翔体が衝突する金属棒内部に発生する弾性波パルスの周
    波数帯域を調整することを特徴とする請求項１３乃至請
    求項１８のいずれか一つに記載の歪ゲージの動的応答特
    性の線形性計測装置。
  20. 【請求項２０】 前記第１の飛翔体及び第２の飛翔体
    を、中心空間及びその周囲に摺動自在に配置する飛翔体
    発射管を備えたことを特徴とする請求項１３乃至請求項
    １８のいずれか一つに記載の歪ゲージの動的応答特性の
    線形性計測装置。
  21. 【請求項２１】 前記飛翔体発射管を中心管とその周囲
    の管との二重管により形成し、 前記第１の飛翔体及び第２の飛翔体を、中心管の中心空
    間、及び中心管とその周囲の管との空間に摺動自在に配
    置したことを特徴とする請求項２０に記載の歪ゲージの
    動的応答特性の線形性計測装置。
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