JP2019529886A - 湾曲された平面に対して溶接固定可能なひずみセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみセンサについて、湾曲した表面においても適用可能な、できる限りわずかなエラーの確率を有する信頼性の高い固定技術を提供する。【解決手段】溶接固定可能なひずみセンサであって、以下の特徴：測定信号を伝達するための信号ライン３ａ，３ｂに信号技術的に接続されている２つの端部分を有するひずみセンサと、ひずみセンサに固結されているセンサ支持部と、ひずみセンサの範囲で狭く、かつ、平坦に形成されているとともに、ひずみセンサとの信号ライン３ａ，３ｂの接続箇所の範囲において、ひずみセンサの範囲における幅の少なくとも２倍の幅及びひずみセンサの範囲における高さの少なくとも２倍の高さである、保護カバーとを有し、センサ支持部の端部分がスリットを有しており、その結果、舌部７が形成されており、該舌部が互いに向かい合うように向けられている。

Description

本発明は、溶接固定可能なひずみセンサ、特に、湾曲された平面に適した、溶接固定可能なひずみセンサに関するものである。

材料表面のひずみは、例えば、表面に固定されているひずみセンサによって測定されることが可能である。表面が伸張されるか、又は圧縮されると、これによりひずみセンサも影響を受け、測定信号が生成される。

溶接固定可能なひずみセンサは従来技術から知られている。これについて、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４が例として挙げられる。

多くの場合には、ひずみセンサとして、接着剤で固定される、いわゆるひずみ測定ゲージが用いられる。接着剤は良好に処理され得るものの、所定の周囲条件の下では欠点となり得る特性も有している。この不都合な周囲条件は、大きく変動するか、又は高い空気湿度及び特に大きな温度差である。更に以下の問題がある：接着剤は、いわゆる室温においてのみ最適に処理可能である。例えば鉄道橋の鋼支持部又は天然ガス管路にひずみセンサを固定すべき場合、周囲温度が例えば０°未満では原則的にこれは不可能である。原則的に測定箇所を加熱することも不可能である。なぜなら、これにより、温度による材料の延びが生じ、この箇所での測定値が大きく誤ったものとなり得るためである。

ひずみ測定ゲージは、本質的に支持材料及びひずみセンサ自体で構成されている。ひずみセンサは、支持材料に固結されている。接着剤を用いて固定される支持材料は、多くの場合薄く、したがって非常にフレキシブルな合成樹脂シートである。溶接固定可能な支持材料は、多くの場合、検査されるべき表面に点溶接結合により固定される鋼板である。

接着可能なひずみ測定ゲージと溶結可能なひずみセンサの間の重要な違いは、いわゆるアプリケーションにおける作業ステップの数である。ひずみセンサのアプリケーションは、専門家によって行われる必要がある。なぜなら、不適切に行われる作業ステップにより、測定箇所の短期的な、又は中期的な損失につながり得るためである。したがって、例えば鉄道橋又は天然ガス管路のようなアクセス困難な測定箇所には、測定箇所の修繕時にかなりの労力が必要となる。アプリケーションステップの数の増大に伴いエラーの確率も上昇することが知られている。例えば１つのアプリケーションに対して１０の作業ステップが必要であり、これら作業ステップのうち１つのみが規定どおりに行われない場合、欠陥のあるアプリケーション、すなわち許容でないほど大きな測定エラー又は大きな損失確率を有する測定箇所が生じる。しかし、１つのアプリケーションに対してよりわずかな作業ステップが必要であれば、エラーの確率も低下する。

過去には、アプリケーション箇所は、多くの場合、更に、湿気及び機械的な損傷に対するいわゆる保護カバーを備えていた。しかしながら、この保護カバーの取付も、やはりアプリケーションステップの数ひいては不適切に行われるアプリケーションステップの確率を上昇させるものである。

したがって、できる限りわずかなエラーの確率をもった固定技術を提供することが望ましい。ひずみセンサは、製造時にあらかじめカプセル化されるため、溶接固定自体はわずかな手間を可能とする。しかしながら、これらカプセルは、機械的に剛直であり、湾曲した表面に固定されることはできない。この問題の解決手段は、カプセルがあらかじめワークピース表面の半径をあらかじめ有するカプセル化されたひずみセンサを製造し、ひずみセンサをワークピース表面に溶接するというものである。ただし、この場合、ワークピース表面の各半径について特別なひずみセンサを製造する必要がある。したがって、この技術は、現場では価値を認められていない。

独国特許発明第２６５８３２４号明細書 特開２００３−０９０７７２号公報 特許第４５１９７０３号公報 特許第５３７８７７８号公報

本発明の課題は、ひずみセンサについて、湾曲した表面においても適用可能な、できる限りわずかなエラーの確率を有する信頼性の高い固定技術を提供することにある。

上記課題は、以下の特徴を有する請求項１に記載の溶接固定可能なひずみセンサによって解決される。

ａ．測定信号を伝達するための信号ラインに信号技術的に接続されている２つの端部分を有するひずみセンサと、
ｂ．前記ひずみセンサの方向に延在し、該ひずみセンサに固結されており、点溶接によって固定可能な薄板であるセンサ支持部と、
ｃ．前記ひずみセンサ及び接続部を前記信号ラインへ一体的に包囲し、前記センサ支持部に固結されている、丈夫な合成樹脂から成る保護カバーと、を有している。

保護カバーが湾曲された表面へのセンサ支持部の固定時に破壊しないように、保護カバーが、センサの範囲で狭く、かつ、平坦に形成されている。前記信号ラインの接続箇所の範囲、すなわち前記信号ラインがひずみセンサに接続される箇所では、センサの範囲における幅の少なくとも２倍の幅及びセンサの範囲における高さの少なくとも２倍の高さである。

ｄ．丈夫な合成樹脂によって包囲されていないセンサ支持部の２つの端部分は、両側でスリットを有しており、その結果、舌部が形成されている。対状に配置された舌部の端部は、互いに対向するように向けられている。

以下に、舌部の機能について説明する。

カバーは、センサ範囲においてのみ狭く、平坦であり、そのためフレキシブルに形成されている。したがって、センサ支持部のこの部分を、ひずみが測定されるべき管の湾曲された表面に、当該箇所でカバーが破壊することなく、又はひずみセンサに影響を与え、これにより測定結果が誤ったものとなることなく、固定することが可能である。センサ範囲では、カバーは狭く、かつ、平坦に形成されることができる。なぜなら、ひずみセンサ自体が薄いためである。これに対して、ひずみセンサの両端では、比較的厚い接続ラインが固定されている。ひずみセンサのカバーが例えば雪及び氷に対する強固な保護を提供するように、カバーは、丈夫な合成樹脂で構成されている。それゆえ、接続ラインの範囲におけるカバーは、ひずみセンサのカバーよりもかなり体積が大きく、したがってかなり強固である。センサ支持部のこの強固な端部分も湾曲された表面に確実に固定することが必須であり、できる限りわずかな追加の作業ステップが必要であるべきである。舌部によって、この課題が解決される。なぜなら、溶接点が舌部端部の範囲に配置されると、舌部が表面までたわむためである。これら舌部は、溶接電極を用いて湾曲された表面へ押圧され、舌部端部における点溶接によって湾曲された表面へ結合される。したがって、本質的な更なる手間なしに確実な固定が可能であり、すなわち、いくつかの追加的な溶接点のみが設定され得る。

溶接結合部の強度についての要求に応じて、及び表面形状に依存して、請求項２〜４に記載の舌部は異なる大きさ及び形状を有することができる。

請求項５によれば、センサ支持部の両端部分には、好ましくはそれぞれ２〜５の舌部対が配置され、各舌部対の舌部端部は互いに対向している。この対称な構成形態は、管に特に適したものである。

請求項６に記載の別の形成においては、舌部が異なる長さを有しており、舌部の長さがひずみセンサの方向へ小さくなっており、請求項７に記載の形成においては、舌部が異なる幅を有しており、舌部の幅がひずみセンサの方向へ大きくなっている。

これは、以下の利点を有している。溶接点の設定が、手のみによって操作される点溶接機器によってなされる。舌部長さによって決定されるできる限り大きなバネストロークが提供されるように、溶接点は、舌部端部と舌部中央の間の範囲にのみ設定される。異なる長さ又は異なる幅の舌部を形成することで、湾曲された舌部のバネ力を、異なる変形にもかかわらずほぼ同一の大きさに維持することができる。

請求項８によれば、ひずみセンサはＦＢＧひずみセンサである。本発明は、ブラッグ格子を有する光学的なひずみセンサに特に適している。

測定箇所の場所により決定される空間的な特性に応じて、センサ支持部が様々な形状を有し得ることは当業者にとって明らかであり、同様に、舌部の形状もセンサ支持部内で異なることが可能である。溶接時に許容できないほど大きな押圧力が必要となることなく、信号ラインの範囲におけるカバーの強固な端部分の固定が可能であるよう常に舌部が形成されていることが、本発明の技術的な示唆を実行するのに決定的である。

以下に、本発明を概略的な図面に基づいて詳細に説明する。

溶接固定可能なひずみセンサ１の斜視図である。 溶接点を有するひずみセンサの平面図である。 溶接点を有するひずみセンサの平面図である。 溶接点を有するひずみセンサの平面図である。 管に部分的に溶接固定されたひずみセンサの斜視図である。 図３により管に部分的に溶接固定されたひずみセンサの正面図である。 管に完全に溶接固定されたひずみセンサの斜視図である。 異なるように偏向され、管に固定された舌部の拡大図である。 異なる長さの舌部を示す図である。 異なる幅の舌部を示す図である。

図１には、湾曲した面に溶接固定可能なひずみセンサ１が斜視図で示されている。ＦＢＧひずみセンサ２（覆われている）は、その両端部分において、測定信号を伝達するための信号ライン３ａ，３ｂに機械的に固結されているとともに、信号技術的に接続されている。ＦＢＧひずみセンサ２は、鋼板から成るセンサ支持部４に接着されている。この実施例では、鋼板は、０．１ｍｍの厚さ及び８８４Ｎ／ｍｍ^２の引張強さを有している。

ＦＢＧひずみセンサ２及びこれに接続された信号ライン３ａ，３ｂは、丈夫な合成樹脂から成る保護カバー５によって完全に覆われている。本実施例では、エポキシ樹脂が用いられる。なぜなら、エポキシ樹脂は、特に丈夫であり、経年耐久性を有するためである。保護カバー５は、センサ支持部４に固結されている。保護カバーがほぼ薄い鋼板４のようにフレキシブルであるように、ＦＢＧセンサ２の範囲には、保護カバー５が狭く、かつ、平坦に形成されている。本実施例では、保護カバー５の幅は、ＦＢＧひずみセンサ２の範囲において２ｍｍであり、厚さは０．５ｍｍである。これにより、湾曲された面でのセンサ支持部４の溶接固定時に、比較的固い保護カバー５が破壊しないことが達成される。同様に、センサ支持部４は、この範囲において、やはりその端部分より狭く形成されている。本実施例では、センサ支持部の端部分の幅は２３ｍｍであり、その間の部分は１１ｍｍの幅である。

接続箇所の範囲、すなわち信号ライン３ａ，３ｂがＦＢＧセンサ２の橋部分と機械的及び信号技術的に接続されている箇所では、保護カバー５は、ひずみセンサ２の範囲における幅の少なくとも２倍の幅及び少なくとも３倍の高さとなっている。本実施例では、保護カバー４は、この範囲で１０ｍｍの幅、１８ｍｍの長さ及び５ｍｍの高さとなっている。

センサ支持部４の端部分の自由面はスリット６を有しており、その結果、端部が対向する舌部７が形成されている。

図２ａ〜図２ｃには、ひずみセンサの平面図及び溶接点８の設定時の順序が示されている。図２ａ及び図２ｂには、溶接点８がセンサ中央から始まって外方へ設定されることが示されている。つづいて、舌部７が溶接固定され、これも、内方から外方へなされる。

図３には、管に部分的に溶接固定された、図２ｂにおける図示によるひずみセンサ２が斜視図で示されている。舌部７はまだ溶接固定されていない。

図４から分かるように、端部分３ａ，３ｂの厚く、したがって非常に剛直なカバーは、管湾曲に従っていない。

図５ａには、完全に溶接固定されたひずみセンサ１が示されている。図５ｂには、舌部７の機能が拡大図で示されている。舌部７は、管表面へのその固定後に異なるように偏向されていることが見て取れる。

したがって、これら舌部により、１つの作業過程でひずみセンサ全体を固定することが可能となる。それゆえ、ひずみセンサ１の厚く、剛直な端部分の固定のために、別の固定技術は不要である。覆うために用いられる、エポキシ樹脂の等級に基づく合成樹脂は様々な希少影響に対して非常に対抗性を有しているため、ひずみセンサの追加的なカバーを省略することができ、これにより、アプリケーションステップの数も同様に低減される。

図６には異なる長さの舌部７が示されており、最も長い舌部がセンサ端部に位置している。なぜなら、そこでは管表面に対する距離が最も大きいためである。

図７には異なる幅の舌部７が示されており、最も狭い舌部がセンサ端部に位置している。なぜなら、そこでは管表面に対する距離が最も大きいとともに、狭い舌部によって変形力が小さく保持され得るためである。

センサ支持部の各端部分における異なる長さ又は異なる幅の舌部によって、点溶接に必要な押圧力をほぼ一定に維持することが可能である。

１ 溶接固定可能なひずみセンサ
２ ＦＢＧひずみセンサ
３ａ，３ｂ 信号ライン
４ センサ支持部
５ 保護カバー
６ スリット
７ 舌部
８ 溶接点

Claims (8)

1. 溶接固定可能なひずみセンサ（１）であって、以下の特徴：
   ａ．測定信号を伝達するための信号ライン（３ａ，３ｂ）に信号技術的に接続されている２つの端部分を有するひずみセンサ（２）と、
   ｂ．前記ひずみセンサ（２）の方向に延在し、該ひずみセンサに固結されているセンサ支持部（４）と、
   ｃ．前記ひずみセンサ（２）及び前記信号ライン（３ａ，３ｂ）の前記端部分を一体的に包囲し、前記センサ支持部（４）に固結されている、丈夫な合成樹脂から成る保護カバー（５）であって、
   −当該保護カバー（５）が前記ひずみセンサ（２）の範囲で狭く、かつ、平坦に形成されているとともに、前記ひずみセンサ（２）との前記信号ライン（３ａ，３ｂ）の接続箇所の範囲において、前記ひずみセンサ（２）の範囲における幅の少なくとも２倍の幅及び前記ひずみセンサの範囲における高さの少なくとも２倍の高さである、前記保護カバーとを有し、
   ｄ．前記センサ支持部（４）の前記端部分がスリット（６）を有しており、その結果、舌部（７）が形成されており、該舌部の端部が互いに向かい合うように向けられている
   ことを特徴とする溶接固定可能なひずみセンサ。
2. 前記舌部（７）が台形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。
3. 前記舌部（７）が長方形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。
4. 前記舌部（７）が半円状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。
5. 前記センサ支持部（４）の前記両端部分のそれぞれにおいて、両側で、対状に互いに対向する２〜５個の舌部（７）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。
6. 前記舌部（７）が異なる長さを有しており、舌部の長さが前記ひずみセンサの方向へ小さくなっていることを特徴とする請求項５に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。
7. 前記舌部（７）が異なる幅を有しており、舌部の幅が前記ひずみセンサの方向へ大きくなっていることを特徴とする請求項５に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。
8. 前記ひずみセンサ（２）が、ブラッグ格子を有するガラス繊維又は合成樹脂繊維であることを特徴とする請求項１に記載の溶接固定可能なひずみセンサ。

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