JP2011227008A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の交流アンプを使用する場合においても、干渉の影響を防止することが可能な材料試験機を提供する。
【解決手段】 基準となる周波数をω０とし、ｎおよびｍを互いに異なる自然数としたときに、ロードセル用アンプのキャリア周波数ωＡは、ｎω０に設定されている。また、変位計用アンプのキャリア周波数ωＢは、ｍω０に設定されている。ロードセル用アンプについてはｎ周期の検波結果の平均値を出力値とし、変位計用アンプについてはｍ周期の検波結果の平均値を出力値とする。
【選択図】 図３

Description

この発明は、試験片に対して試験力を付与することにより材料試験を実行する材料試験機に関し、特に、複数の交流アンプを備えた材料試験機に関する。

このような材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を互いに同期して回転自在に支持するとともに、それらのねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構成を有する。そして、モータの回転により一対のねじ棹を互いに同期して回転させることにより、クロスヘッドを一対のねじ棹に沿って移動させる。クロスヘッドとテーブルとには、それぞれつかみ具などの治具が連結されている。そして、これら一対のつかみ具などの治具により試験片の両端を把持した状態で、クロスヘッドを移動させることにより、試験片に対して試験力を加えるように構成されている。

このような材料試験機においては、試験片に作用する試験力はロードセル等によって検出される。また、試験片における標点間の距離の変位量は、変位計により測定される。変位計により測定された変位量のデータは、サンプリング部によりサンプリングされ、試験片の変位データが試験片に対する試験力などのデータとともに取り込まれる。ここで、変位計は、変位計アンプを介して材料試験機に接続されている（特許文献１参照）。また、同様に、ロードセルもロードセル用のアンプを介して材料試験機に接続されている。これらのアンプとして、交流アンプが使用される場合が多い。

特開２００５−３３１２５６号公報

このように、材料試験機においては、同時に複数の交流アンプが使用される。このように、複数の交流アンプを使用するときには、互いの信号が干渉するのを防止するために、各アンプのキャリア周波数を異なる値に設定することが好ましい。しかしながら、各交流アンプのキャリア周波数をどの程度異ならせればよいかは明確ではない。また、周波数が異なれば、干渉の影響を小さくすることは可能ではあるが、干渉をゼロとすることは不可能である。特に、ＬＶＤＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）式とも呼称される差動トランス式変位計を使用する場合においては、キャリア周波数に起因する磁界が外部に漏れやすいことから、干渉が特に問題となる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、複数の交流アンプを使用する場合においても、干渉の影響を防止することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、複数の交流アンプを備えた材料試験機において、基準となる周波数をω０とし、ｎおよびｍを互いに異なる自然数としたときに、前記複数の交流アンプのうちの一つの交流アンプである第１交流アンプのキャリア周波数ωＡをｎω０とし、前記複数の交流アンプのうちの他の一つの交流アンプである第２交流アンプのキャリア周波数ωＢをｍω０とするとともに、前記第１交流アンプについては、ｎ周期の検波結果の平均値を出力値とし、前記第２交流アンプについては、ｍ周期の検波結果の平均値を出力値とすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１交流アンプの信号に対して、ｎ周期の検波結果の平均値を出力値とする第１検波回路と、前記第２交流アンプの信号に対して、ｍ周期の検波結果の平均値を出力値とする第２検波回路とを備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１検波回路は、前記第１交流アンプの信号に対して当該第１交流アンプのキャリア周波数と同一の周波数の検波信号を乗算する検波信号乗算手段と、この乗算結果をｎ周期分積分する積分手段と、この積分結果に１／ｎを乗算する平均手段とを備えるとともに、前記第２検波回路は、前記第２交流アンプの信号に対して当該第２交流アンプのキャリア周波数と同一の周波数の検波信号を乗算する検波信号乗算手段と、この乗算結果をｍ周期分積分する積分手段と、この積分結果に１／ｍを乗算する平均手段とを備える。

請求項１乃至請求項３に記載の発明によれば、複数の交流アンプを使用する場合においても、干渉の影響を防止することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 ロードセル用アンプユニット２５および変位計用アンプユニット２４の概要図である。 ロードセル用アンプユニット２５におけるアンプコントローラ２９の要部を示すブロック図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１６と、このテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１、１２と、これらのねじ棹１１、１２に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。

クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１、１２に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹１１、１２の下端部には、負荷機構３０におけるウォーム減速機３２、３３が連結されている。このウォーム減速機３２、３３は、負荷機構３０の駆動源であるサーボモータ３１と連結されており、サーボモータ３１の回転がウォーム減速機３２、３３を介して、一対のねじ棹１１、１２に伝達される構成となっている。サーボモータ３１の回転によって、一対のねじ棹１１、１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これらのねじ棹１１、１２に沿って昇降する。

クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１６には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。

このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、ロードセル用アンプユニット２５を介して演算制御部２３に入力される。また、試験片１０における標点間の距離の変位量は、変位計１５により測定され、変位計用アンプユニット２４を介して、演算制御部２３に入力される。

演算制御部２３はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、ロードセル１４および変位計１５からの試験力データおよび変位量データを取り込んでデータ処理を実行する。また、サーボモータ３１は、この演算制御部２３により、フィードバック制御される。

図２は、上述したロードセル用アンプユニット２５および変位計用アンプユニット２４の概要図である。

図２（ａ）に示すロードセル用アンプユニット２５は、ロードセル用アンプ２８と、アンプコントローラ２９とを備える。同様に、図２（ｂ）に示す変位計用アンプユニット２４は、変位計用アンプ２６と、アンプコントローラ２７とを備える。ここで、基準となる周波数をω０とし、ｎおよびｍを互いに異なる自然数としたときに、ロードセル用アンプ２８のキャリア周波数ωＡは、ｎω０に設定されている。また、変位計用アンプ２６のキャリア周波数ωＢは、ｍω０に設定されている。

図３は、上述したロードセル用アンプユニット２５におけるアンプコントローラ２９の要部を示すブロック図である。このアンプコントローラ２９は、検波回路４０と、回転行列回路５０と、キャリブレーション回路６０と、デジタルフィルタ７０とを備える。

検波回路４０は、ロードセル用アンプ２８からの信号を検波、すなわち、復調するためのものである。

この検波回路４０は、ロードセル用アンプ２８のキャリア周波数ωＡを示すアドレス情報が入力されることにより、このキャリア周波数ωＡと同じ周波数の余弦波を検波信号として出力するための波形メモリ４１を備える。ロードセル用アンプ２８からのｘ成分（実数成分）の信号と、この検波信号とは乗算される。この乗算結果は、ｎ周期積分回路４２によりｎ周期分積分される。そして、この積分結果は、１／ｎ平均化回路４３において１／ｎが乗算されることにより平均化される。

また、この検波回路４０は、ロードセル用アンプ２８のキャリア周波数ωＡを示すアドレス情報が入力されることにより、このキャリア周波数ωＡと同じ周波数の正弦波を検波信号として出力するための波形メモリ４４を備える。ロードセル用アンプ２８からのｙ成分（虚数成分）の信号と、この検波信号とは乗算される。この乗算結果は、ｎ周期積分回路４５によりｎ周期分積分される。そして、この積分結果は、１／ｎ平均化回路４６において１／ｎが乗算されることにより平均化される。

回転行列回路５０においては、回転行列定数設定部５１の作用により、検波回路４０により検波されたｘ成分（実数成分）の信号と回転行列定数ａとが乗算されるとともに、回転行列定数設定部５２の作用により、検波回路４０により検波されたｙ成分（虚数成分）の信号と回転行列定数ｂとが乗算された後、これらの信号が加算される。これにより、検出信号と試験片１０の変位の座標系の整合がなされる。なお、この回転行列回路５０については、例えば、特開２００８−７６２９９号公報に開示されている。

しかる後、キャリブレーション回路６０におけるオフセット調整部６１の作用により、オフセットが調整されるとともに、キャリブレーション回路６０におけるゲイン調整部６２の作用により、ゲインが調整された後、デジタルフィルタ７０を介して、図１に示す演算制御部２３に出力信号が出力される。

なお、変位計用アンプユニット２４におけるアンプコントローラ２７は、上述したロードセル用アンプユニット２５におけるアンプコントローラ２９と同様の構成を有する。但し、一対の波形メモリには、変位計用アンプ２６のキャリア周波数ωＢを示すアドレス情報が入力される。また、ｎ周期分の積分を実行するｎ周期積分回路４２、４５にかえて、ｍ周期分の積分を実行するｍ周期積分回路が使用されるとともに、１／ｎを乗算する１／ｎ平均化回路４３、４６にかえて、１／ｍを乗算する１／ｍ平均化回路が使用される。

次に、以上のような構成を有する材料試験機のロードセル用アンプユニット２５および変位計用アンプユニット２４の干渉状態について検討する。

上述したように、ここで、基準となる周波数をω０とし、ｎおよびｍを互いに異なる自然数としたときに、ロードセル用アンプ２８のキャリア周波数ωＡと変位計用アンプ２６のキャリア周波数ωＢとは、下記の数式１で表される。

ここで、干渉がない場合において、ロードセル用アンプ２８において検出される信号は、下記の数式２となる。

この信号をｅ^ｊωｔ で検波する。ｆ（ｔ）のフーリエ変換をＦ（ω）とした場合には、下記の数式３が成立する。

ここで、ｆ（ｔ）の座標を（ｘ，ｙ）とした場合には、下記の数式４が成立する。

さらに演算をすすめると、下記の数式５および数式６が成立する。

次に、干渉が生じた場合について考察する。数式２に示す条件の下、これに変位計用アンプユニット２４の信号が干渉する場合には、ロードセル用アンプ２８において検出される信号は、下記の数式７となる。

この数式７において、フーリエ変換をロードセル用アンプ２８のキャリア周波数ωＡのｎ周期分だけ実行する。すなわち、ロードセル用アンプ２８の出力に対して、ｎ周期の検波結果の平均値を演算する。ロードセル用アンプ２８において検出される信号ｇ（ｔ）のフーリエ変換をＧ（ω）とした場合には、下記の数式８が成立する。

この数式８における（ｘ，ｙ）は、下記の数式９で求められる。

この数式９に、上述した数式１および数式７を代入する。ｘ成分（実数成分）については下記の数式１０が成立し、ｙ成分（虚数成分）については下記の数式１１が成立する。

この数式１０および数式１１に、再度、数式１を代入すると、下記の数式１２となる。

この数式１２は、上述した数式５および数式６の計算結果と同じ値となっている。すなわち、数式１のように、ロードセル用アンプ２８のキャリア周波数ωＡと変位計用アンプ２６のキャリア周波数ωＢとを決定するとともに、ロードセル用アンプ２８についてはｎ周期の検波結果の平均値を出力値とし、変位計用アンプ２６についてはｍ周期の検波結果の平均値を出力値とすることにより、ロードセル用アンプ２８と変位計用アンプ２６との間の相互干渉を完全にキャンセルすることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、ロードセル用アンプ２８と変位計用アンプ２６との２個の交流アンプ間での相互干渉を防止しているが、３個以上の交流アンプ間の相互干渉も同様に防止することができる。この場合においては、各アンプ間において、上述した数式１の関係が成立するようにすればよい。

１０ 試験片
１１ ねじ棹
１２ ねじ棹
１３ クロスヘッド
１４ ロードセル
１５ 変位計
１６ テーブル
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ 演算制御部
２４ 変位計用アンプユニット
２５ ロードセル用アンプユニット
２６ 変位計用アンプ
２７ アンプコントローラ
２８ ロードセル用アンプ
２９ アンプコントローラ
３０ 負荷機構
３１ サーボモータ
４０ 検波回路
４１ 波形メモリ
４２ ｎ周期積分回路
４３ １／ｎ平均化回路
４４ 波形メモリ
４５ ｎ周期積分回路
４６ １／ｎ平均化回路
５０ 回転行列回路
６０ キャリブレーション回路

Claims (3)

1. 複数の交流アンプを備えた材料試験機において、
   基準となる周波数をω０とし、ｎおよびｍを互いに異なる自然数としたときに、
   前記複数の交流アンプのうちの一つの交流アンプである第１交流アンプのキャリア周波数ωＡをｎω０とし、前記複数の交流アンプのうちの他の一つの交流アンプである第２交流アンプのキャリア周波数ωＢをｍω０とするとともに、
   前記第１交流アンプについては、ｎ周期の検波結果の平均値を出力値とし、前記第２交流アンプについては、ｍ周期の検波結果の平均値を出力値とすることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記第１交流アンプの信号に対して、ｎ周期の検波結果の平均値を出力値とする第１検波回路と、
   前記第２交流アンプの信号に対して、ｍ周期の検波結果の平均値を出力値とする第２検波回路と、
   を備える材料試験機。
3. 請求項２に記載の材料試験機において、
   前記第１検波回路は、前記第１交流アンプの信号に対して当該第１交流アンプのキャリア周波数と同一の周波数の検波信号を乗算する検波信号乗算手段と、この乗算結果をｎ周期分積分する積分手段と、この積分結果に１／ｎを乗算する平均手段とを備えるとともに、
   前記第２検波回路は、前記第２交流アンプの信号に対して当該第２交流アンプのキャリア周波数と同一の周波数の検波信号を乗算する検波信号乗算手段と、この乗算結果をｍ周期分積分する積分手段と、この積分結果に１／ｍを乗算する平均手段とを備える材料試験機。