JP3644628B2 - Stress measuring method and apparatus using magnetic anisotropy sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鉄道レール等の鉄鋼製構造物あるいは鉄鋼製機械部品における応力を非破壊的に測定する方法及び装置に関する。特には、被測定物内の残留応力や、被測定物表面の塗料や被覆物、錆等の存在とは無関係に、より正確な応力測定を行うことができる磁気異方性センサを用いた応力測定方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
鉄鋼製品の応力測定においては、従来から磁気異方性センサ(Magnetic Anisotropy Sensor;略称MAS)を用いる方法が知られている。この方法は、短時間で測定できるとか、測定装置が小型で安価であるとか、測定自由度が大きい等、多くの利点を有する。しかしその反面、被測定物の表面に塗料や被覆物、錆等があると、測定値がリフトオフに左右され易いという短所もある。なお、ここにいうリフトオフとは、センサの磁芯から被測定物までの距離をいう。
【0003】
この種の応力測定装置の従来例としては、例えば本発明者による特公平6―95052号公報を挙げることができる。この公報に開示された応力測定装置は、塗料や被覆物、錆等の有無にかかわらず、リフトオフと無関係に応力の測定を行えるものである。
【0004】
上記公報の応力測定装置は、互いに直交する2つのコの字型磁芯を有する磁気異方性センサを備えている。同センサの一方の磁芯には励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイルが巻かれており、他方の磁芯には磁位差検出用コイルが巻かれている。励磁用コイルは、発振器に接続されている。この発振器からは、励磁用コイルに定常電流が供給される。リフトオフ検出用コイルは、増幅器を介して整流器に接続されている。一方、磁位差検出用コイルは、増幅器を介して同期整流器に接続されている。この同期整流器では、磁位差検出用コイルの出力電圧を発振器の信号と同期して整流する。同期整流器及び整流器は、演算器に接続されている。この演算器では、同期整流器の出力電圧V1(δ,σ)と、整流器の出力電圧V2(δ)と、測定対象のない場合の整流器の出力電圧V2(∞)とから、出力比V1(δ,σ)/{V2(δ)−V2(∞)}を演算する。ここで、δはリフトオフを表し、σは応力を表す。この演算器に接続されている表示器に、演算器の出力が表示される。
【0005】
この応力測定装置の磁気異方性センサによれば、励磁用コイル及びリフトオフ検出用コイルが巻かれた磁芯の先端と、磁位差検出用コイルが巻かれた磁芯の先端とのリフトオフの差を調節することができる。これにより、リフトオフ検出用コイルの出力と、磁位差検出用コイルの出力とにおいて、リフトオフ特性を一致させることができる。すなわち、リフトオフの差を調節することにより、演算器により演算される出力比V1(δ,σ)/{V2(δ)−V2(∞)}の値を、リフトオフに依存しないようにすることができる。
【0006】
測定値(センサ出力値)Vと被測定物の応力σとの関係は、一般に非線形であり、グラフに描くと曲線になる。Vとσとの関係が曲線であると、曲線の各部位において応力感度χ(=dV/dσ)が異なる。未知の残留応力が存在する被測定物に外力が作用している場合には、応力感度χが定まらないため、外力による応力σapが正確に測れない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁気異方性センサを用いた応力測定において、残留応力及びリフトオフの影響を排除して、より正確な応力測定を行うことができる応力測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る応力測定方法は、(a)被測定物に対し第1の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、(b)センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第1の測定値を得るステップと、(c)上記被測定物に対し第1の方向と直交する第2の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、(d)上記センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第2の測定値を得るステップと、(e)第1の測定値と第2の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求めるステップとを具備する。
【0008】
本発明によれば、第1の測定値と第2の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力値が広い範囲で直線になる。このため、応力感度χが一定になり、残留応力の存在にかかわらず外力による応力σapを求めることができる。また、リフトオフδの項が消去されるので、リフトオフの影響も排除することができる。
【0009】
上記応力測定方法においては、上記ステップ(b)は、上記被測定物に対し第1の及び第2の方向と異なる第3の方向に交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定するステップを含み、上記ステップ(d)は、上記被測定物に対し第3の方向に所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定するステップを含むことが好ましい。
【0010】
また、本発明に係る応力測定装置は、被測定物に対し互いに直交する第1の方向と第2の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するための消磁器と、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定するためのセンサと、上記消磁器に電流を供給して減衰交流磁界を発生させ、上記センサに電流を供給して所定の交流磁界を発生させる1つ又は複数の発振器と、上記被測定物を第1の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第1の測定値を得るとともに、上記被測定物を第2の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定することにより第1の方向における第2の測定値を得るように、少なくとも上記発振器を制御する制御回路と、第1の測定値と第2の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める演算器とを具備する。
【0011】
上記応力測定装置においては、上記センサの出力を増幅して、所定の交流磁界を発生させる電流に対して同期整流するための手段をさらに具備することが好ましい。この同期整流するための手段により、一軸応力の正負(引張り・圧縮)を判別することができる。
【0012】
また、上記応力測定装置においては、上記センサが、上記被測定物に対し第1及び第2の方向と異なる第3の方向に所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る応力測定装置の測定器を示す図であり、(A)は斜視図、(B)は下側から見た図である。
図1(A)に示すように、測定器1は、消磁器2及び磁気異方性センサ(MAS)3を含む。消磁器2は、例えば積層珪素鋼板やフェライト等からなる上下2つのコの字型磁芯5、6を備えている。上磁芯5と下磁芯6とは、第1及び第2の方向において互いに直交している。両磁芯5、6には、それぞれ消磁用コイル5A、6Aが巻かれている。MAS3は、消磁器2の中心位置に配置されている。MAS3には、図1(B)に示すように、第1の方向と45°の角度をなすX方向に設けられた励磁用の磁芯4Aと、Y方向に設けられた検出用の磁芯4Bとが埋め込まれている。両磁芯4A、4Bには、それぞれ励磁用コイルと検出用コイルが巻かれている。これら消磁器2及びMAS3は、測定器1のケーシング(図示されず)内に一体にモールドされている。
【0014】
ここで、図2を参照しながら、MASの測定原理について説明する。図2に示すように、主応力σ1、σ2の作用している測定対象上に四脚のMASが置かれているとき、励磁用磁芯4AのE1から出た磁束は測定対象の表層を広がってE2に向かう。その内の一部は、透磁率の大きい検出用磁芯4Bを通る経路(実線と破線の矢印で示す)を通ってE2に向かう。σ1>σ2のとき、σ1方向の透磁率がσ2方向の透磁率より大きくなり、実線で示す磁束が破線で示す磁束よりも大きくなる。検出用磁芯中を通る磁束は、両磁束の差となる。MASの出力に基づいて、主応力差σ1−σ2を測定することができる。
【0015】
次に、図3を参照しつつ応力測定装置の全体の構成を説明する。
図3は、応力測定装置の全体構成を示すブロック図である。
この応力測定装置は、大別して以下の各構成要素からなる。
(1)消磁器2に接続された発振器12
この発振器12は、消磁器2の2つのコイル5A、6Aに、それぞれ所定の電流I1とI2を供給する。この発振器12からの電流の供給により、消磁器2は、被測定物10に対して、互いに直交する第1の方向(上磁芯5により生じる磁界の方向)と第2の方向(下磁芯6により生じる磁界の方向)とに、順番に減衰交流磁界をかけて消磁する。
【0016】
(2)MAS3に接続された発振器13
この発振器13は、MAS3の励磁用コイルに所定の電流を供給する。この発振器13からの電流の供給により、MAS3は、被測定物10が各方向に消磁された後で、被測定物10に対し第1及び第2の方向と異なる第3の方向(図1(B)及び図2におけるX方向)に所定の交流磁界をかけて、検出用コイルにより第1の方向における磁化の強さを測定する。
【0017】
(3)発振器12、13に接続された制御回路15
この制御回路15では、発振器12から消磁器2に供給される電流を制御することにより、被測定物10を第1の方向(上磁芯5により生じる磁界の方向)に消磁した後で、この被測定物10に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定し、第1の測定値を得る。また、被測定物10を第2の方向(下磁芯6により生じる磁界の方向)に消磁した後で、この被測定物10に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定し、第2の測定値を得る。また、制御回路15は、発振器13からMAS3に供給される電流を制御する。MAS3は、被測定物10に対し第1の及び第2の方向と異なる第3の方向(図1(B)及び図2のX方向)に交流磁界をかけて、第1の方向における磁化の強さを測定する。そして、これらの測定値を演算器18に出力する。
【0018】
(4)MAS3に増幅器16を介して接続された同期整流器17
MAS3の出力は、増幅器16により増幅された後、同期整流器17において、発振器13からMAS3に供給される励磁電流を基準として同期整流される。同期整流を行うことにより、一軸応力の正負(引張り・圧縮)を判別することができる。
【0019】
(5)同期整流器17に接続された演算器18及び表示器19
演算器18は、制御回路15において得られた第1の測定値と第2の測定値に基づき、これらの値の平均値から所定値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める。演算器18の演算結果は、表示器19において表示される。
【0020】
次に、上記の構成からなる応力測定装置を用いた応力測定方法について説明する。
図4(A)は、MAS出力と応力の関係を表す図であり、図4(B)は、消磁方向によるMAS出力の差を表す図である。
まず、残留応力のない鉄鋼試験片に対しては、MASの出力Vと、負荷による一軸応力σapとの関係は、消磁方向θをパラメータとして、図4(A)に示すような曲線になる。さらに、図4(A)におけるθ=0の場合の出力V1とθ=π/2の場合の出力V2とに注目すると、これら両曲線の出力差は、応力の絶対値の小さいところでは大きく、大きいところでは小さい。これは、図4(B)に示すような分布曲線となる。残留応力のない鉄鋼試験片でこのようなV−σap曲線を求めておくと、同一の鉄鋼材料における未知の残留応力σrを含む全応力σ=σap+σrをMASで測定できる。
【0021】
ところで、実際の鉄道レールは、輪重や横圧力等の繰り返し荷重を受け、応力履歴効果が存在する。鉄道レールの一軸応力を測定するような場合には、レールのウェブ(腹部)にMASを当てて行うが、レールの長手方向の各箇所で残留応力σrが異なるため、レールの一軸応力σapを正確に求めることが困難になる。
【0022】
このことをさらに詳しく説明すると、鉄道レールのような残留応力σrが存在する被測定物に対して、外力による応力σapを加えると、図4(A)の曲線の原点をずらしたものになる。この場合の二軸圧縮のグラフを図5(A)に、一軸圧縮のグラフを図5(B)に示す。図4(A)と図5とを比べると、同一の大きさの応力σapを加えたとき、図4(A)の出力Vよりも図5(A)及び(B)の出力Vの方が小さくなる。これは、Vとσapの関係が曲線であるため、曲線の各部位で応力感度χ(=dV/dσ;すなわち接線の傾き)が異なるからである。外力による応力σapも残留応力σrも共に応力であるため、MAS3はこれらを区別して測定することができず、これらの和である全応力σ=σap+σrを測定してしまう。したがって、外力による応力σapを求める際には、残留応力σrが異なると、正確な測定値を得ることができない。
【0023】
そこで、本発明に係る応力測定では、応力に対応するMAS出力値を広い範囲において直線にすることで、応力感度χを一定にし、残留応力の存在にかかわらず外力による応力をより正確に求めることを実現する。
これについて、図3及び図6を参照しながら説明する。まず、被測定物10に測定器1を当てて、電源スイッチ(図示されず)をONにする。そして、図6に示すように、最初のステップ(a)で、発振器12から上磁芯5に電流を供給し、被測定物10に対し上磁芯5により生じる磁界の方向(第1の方向)に減衰交流磁界をかけて消磁する。次に、ステップ(b)で、発振器13からMASの励磁用コイルに電流を供給し、被測定物10に対し図1(B)のX方向(第3の方向)に交流磁界をかけて、第1の方向における磁化の強さを測定する。これらステップ(a)及び(b)に要する時間は約1秒程度である。
【0024】
次いで、ステップ(c)では、発振器12から下磁芯6に電流を供給し、被測定物10に対し下磁芯6により生じる磁界の方向(第2の方向)に減衰交流磁界をかけて消磁する。次に、ステップ(d)で、発振器13からMASの励磁用コイルに電流を供給し、被測定物10に対し図1(B)のX方向に交流磁界をかけて、第1の方向における磁化の強さを測定する。
そして、ステップ(b)及び(d)で得られた磁化の強さを、増幅器16を介して同期整流器17に出力し、さらに演算器18に出力する。ここで、同期整流器17においては、発振器13からMASに供給される電流(MASにおいて交流磁界を発生させる電流)に対して、MASからの出力を同期整流する。これにより、一軸応力の正負(引張り・圧縮)を判別できる。
【0025】
次いで、ステップ(e)で、演算器18により以下の演算処理を行う。
まず、消磁方向をθ、応力をσ、MASの出力をV(θ,σ)とすると、θ=0の場合の出力V1とθ=π/2の場合の出力V2との平均値V(=(V1+V2)/2)は次式で与えられる。
【数1】
ここでは、上磁芯5による出力を消磁方向θ=0としてV(0,σ)と表し、下磁芯6による出力を消磁方向θ=π/2としてV(π/2,σ)と表している。
【0026】
ところが、実際のMASの出力V(θ,σ)は、本来の応力による出力Vsに、被測定物の形状に依存する見掛けの出力Vcが加えられている。したがって、Vは次式で与えられる。
【数2】
さらに、本来の応力による出力Vsは、リフトオフの距離δにも依存するため、ある測定方向における応力をA(σ)とすると、次式で表される。
【数3】
ここに、Δは無視できる程度の定数(δの1/10以下)を表す。
【0027】
ここで、被測定物10の測定部位がMASの寸法に比べて十分広い(約3倍以上)平面でない場合は、MASの出力Vには、測定部位の曲率や測定部位近傍の端部の形状等により、見掛けの出力Vcが含まれる。ところが、この見掛けの出力Vcはリフトオフの距離δには鈍感であり、逆に本来の応力による出力Vsはリフトオフの距離δに極めて敏感である。そこで、実際の測定の際にリフトオフの距離δを大きくとると(MASを被測定物10から少し離すようにする)、本来の応力による出力Vsは無視できるほど小さくなり、図7に示すように、見掛けの出力Vcのみが測定できる。したがって、MASの出力Vから見掛けの出力Vcを差し引くと、本来の応力による出力Vsが得られる。
【0028】
したがって、上述した消磁方向θ、応力σ及びリフトオフの距離δを考慮すると、一般的なMASの出力は、これらθ、σ及びδの関数として次式で表される。
【数4】
なお、この式において、見掛けの出力VcはV(θ,σ,∞)を意味する。
【0029】
そこで、演算器18では、リフトオフの距離δの影響をなくすために、第1の測定値V(0,σ,δ)と第2の測定値V(π/2,σ,δ)との平均値から見掛けの出力Vc=V(θ,σ,∞)を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差{V(0,σ,δ)−V(π/2,σ,δ)}で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力Uを演算する。
【数5】
【0030】
上式からわかるように、出力Uはリフトオフの距離δには依存しないことがわかる。これにより、MASの出力は、図8に示すような直線化されたものとなる。すなわち、図4(A)における消磁方向θ=0とθ=π/2に注目すると、これら両曲線の出力差は、図4(B)に示すように応力の小さいところでは大きく、大きいところでは小さい。そこで、これら両曲線の平均、すなわち中央の曲線で表される出力を各応力において出力差で割ることにより、図8に示すような広い範囲で直線化された関係を得ることができる。このため、応力感度χが一定になり、残留応力の存在にかかわらず外力による応力σapを求めることができる。
【0031】
このMASの演算結果は、図6に示すステップ(f)において表示器19で表示する。なお、測定器1を当てて電源をONにしてから、ステップ(a)〜(f)を終了するまでのトータルの所要時間は、約2秒程度である。
【0032】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第1の測定値と第2の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、被測定物における応力に対応する出力値が広い範囲で直線になって、応力感度χが一定になるので、残留応力や、被測定物表面の塗料や被覆物、錆等の存在とは無関係に、より正確な応力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る応力測定装置の測定器を示す図であり、(A)は斜視図、(B)は下側から見た図である。
【図2】MASを用いた応力測定の原理を説明するための図である。
【図3】同応力測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図4】図4(A)は、MAS出力と応力の関係を表す図であり、図4(B)は、消磁方向によるMAS出力の差を表す図である。
【図5】図5(A)は、二軸圧縮の場合のMAS出力と応力の関係を表す図であり、図5(B)は、一軸圧縮の場合のMAS出力と応力の関係を表す図である。
【図6】本実施形態に係る応力測定方法の測定手順を説明するための説明図である。
【図7】MAS出力とリフトオフの関係を表す図である。
【図8】本発明を適用した場合のMAS出力と応力の関係を表す図である。
【符号の説明】
1 測定器 2 消磁器
3 磁気異方性センサ(MAS) 4A、4B 磁芯
5、6 磁芯 5A、6A 消磁用コイル
10 被測定物
12、13 発振器 15 制御回路
16 増幅器 17 同期整流器
18 演算器 19 表示器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for non-destructively measuring stress in steel structures such as railroad rails or steel machine parts. In particular, stress using a magnetic anisotropy sensor that can perform more accurate stress measurement regardless of the residual stress in the object to be measured and the presence of paint, coating, rust, etc. on the surface of the object to be measured. The present invention relates to a measurement method and apparatus.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
In the stress measurement of steel products, a method using a magnetic anisotropy sensor (abbreviated as MAS) has been conventionally known. This method has many advantages such as being able to measure in a short time, measuring apparatus being small and inexpensive, and having a high degree of freedom in measurement. However, on the other hand, if the surface of the object to be measured has paint, coating, rust, etc., there is a disadvantage that the measured value is easily influenced by lift-off. In addition, the lift-off here means the distance from the magnetic core of the sensor to the object to be measured.
[0003]
As a conventional example of this type of stress measuring apparatus, for example, Japanese Patent Publication No. 6-95052 by the present inventor can be cited. The stress measuring device disclosed in this publication can measure stress irrespective of lift-off regardless of the presence or absence of paint, coating, rust, and the like.
[0004]
The stress measuring device of the above publication includes a magnetic anisotropy sensor having two U-shaped magnetic cores orthogonal to each other. An excitation coil and a lift-off detection coil are wound around one magnetic core of the sensor, and a magnetic potential difference detection coil is wound around the other magnetic core. The exciting coil is connected to an oscillator. From this oscillator, a steady current is supplied to the exciting coil. The lift-off detection coil is connected to the rectifier through an amplifier. On the other hand, the magnetic potential difference detection coil is connected to a synchronous rectifier through an amplifier. In this synchronous rectifier, the output voltage of the magnetic potential difference detection coil is rectified in synchronization with the signal of the oscillator. The synchronous rectifier and the rectifier are connected to the arithmetic unit. In this computing unit, the output ratio V 1 (δ, σ) of the synchronous rectifier, the output voltage V 2 (δ) of the rectifier, and the output voltage V 2 (∞) of the rectifier when there is no measurement object are output ratios. V 1 (δ, σ) / {V 2 (δ) −V 2 (∞)} is calculated. Here, δ represents lift-off, and σ represents stress. The output of the computing unit is displayed on the display unit connected to the computing unit.
[0005]
According to the magnetic anisotropy sensor of this stress measuring apparatus, the lift-off between the tip of the magnetic core wound with the excitation coil and the lift-off detection coil and the tip of the magnetic core wound with the magnetic potential difference detection coil is detected. The difference can be adjusted. Thereby, the lift-off characteristics can be matched between the output of the lift-off detection coil and the output of the magnetic potential difference detection coil. That is, by adjusting the difference in lift-off, the value of the output ratio V 1 (δ, σ) / {V 2 (δ) −V 2 (∞)} calculated by the calculator is made independent of lift-off. can do.
[0006]
The relationship between the measured value (sensor output value) V and the stress σ of the object to be measured is generally non-linear and becomes a curve when drawn on a graph. If the relationship between V and σ is a curve, the stress sensitivity χ (= dV / dσ) differs at each part of the curve. When an external force is acting on an object having unknown residual stress, the stress sensitivity χ ap is not determined, so the stress σ ap due to the external force cannot be measured accurately.
The present invention has been made in view of the above, and in stress measurement using a magnetic anisotropy sensor, stress measurement capable of performing more accurate stress measurement by eliminating the effects of residual stress and lift-off It is an object to provide a method and apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a stress measurement method according to the present invention includes (a) a step of demagnetizing an object to be measured by applying a damped alternating magnetic field in a first direction, and (b) the object to be measured using a sensor. Obtaining a first measurement value by applying a predetermined alternating magnetic field to the object and measuring the magnetization intensity in the first direction; and (c) orthogonal to the first direction with respect to the object to be measured. Demagnetizing by applying a damped alternating magnetic field in the second direction; and (d) measuring a magnetization intensity in the first direction by applying a predetermined alternating magnetic field to the object to be measured using the sensor. And (e) measuring the strength of magnetization by separating the sensor from the object to be measured from the average value of the first measurement value and the second measurement value. by subtracting the obtained value, the resulting first measurement and the second By dividing the difference between the value comprises a step of obtaining a value corresponding to the stress in the measurement object.
[0008]
According to the present invention, the value obtained by measuring the magnetization intensity by separating the sensor from the object to be measured is subtracted from the average value of the first measurement value and the second measurement value. By dividing the result by the difference between the first measurement value and the second measurement value, the output value corresponding to the stress in the object to be measured becomes a straight line in a wide range. Therefore, the stress sensitivity χ becomes constant, and the stress σ ap due to the external force can be obtained regardless of the presence of the residual stress. Further, since the lift-off δ term is eliminated, the influence of lift-off can be eliminated.
[0009]
In the stress measurement method, in the step (b), an alternating magnetic field is applied to the object to be measured in a third direction different from the first and second directions, and the intensity of magnetization in the first direction is determined. Preferably, the step (d) includes a step of applying a predetermined alternating magnetic field to the device under test in a third direction to measure the strength of magnetization in the first direction.
[0010]
The stress measuring device according to the present invention includes a demagnetizer for demagnetizing the device under test by applying a decaying AC magnetic field in a first direction and a second direction orthogonal to each other, and a predetermined amount for the device under test. A sensor for measuring the strength of magnetization by applying an alternating magnetic field, a current to the demagnetizer to generate a damped alternating magnetic field, and a current to the sensor to generate a predetermined alternating magnetic field 1 and one or more Oscillator, after degauss the measuring object in a first direction, measuring the intensity of magnetization in a first direction by applying a predetermined AC magnetic field to the measurement object To obtain a first measurement value, and after demagnetizing the object to be measured in the second direction, a predetermined alternating magnetic field is applied to the object to be measured to measure the strength of magnetization . so as to obtain a second measurement in the direction, control at least the Oscillator A control circuit for, from the average value of the first measurement value and second measurement value, the sensor by subtracting a value obtained by measuring the intensity of magnetization away from the measurement object, An arithmetic unit for obtaining a value corresponding to the stress in the measured object by dividing the result by the difference between the first measured value and the second measured value.
[0011]
The stress measuring device preferably further includes means for amplifying the output of the sensor and synchronously rectifying the current that generates a predetermined alternating magnetic field. With this means for synchronous rectification, it is possible to determine whether the uniaxial stress is positive or negative (tensile / compressed).
[0012]
Further, in the stress measuring apparatus, the sensor applies a predetermined alternating magnetic field to the object to be measured in a third direction different from the first and second directions, and obtains the strength of magnetization in the first direction. Can be measured.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are diagrams showing a measuring instrument of a stress measuring device according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG.
As shown in FIG. 1A, the measuring instrument 1 includes a
[0014]
Here, the measurement principle of MAS will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, when a quadruped MAS is placed on a measurement object on which main stresses σ 1 and σ 2 are applied, the magnetic flux emitted from E 1 of the
[0015]
Next, the overall configuration of the stress measuring device will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the stress measuring apparatus.
This stress measuring device is roughly divided into the following components.
(1)
The
[0016]
(2)
The
[0017]
(3)
The
[0018]
(4)
The output of the MAS 3 is amplified by the
[0019]
(5) An
The
[0020]
Next, a stress measurement method using the stress measurement apparatus having the above configuration will be described.
FIG. 4A is a diagram illustrating the relationship between the MAS output and stress, and FIG. 4B is a diagram illustrating the difference in the MAS output depending on the demagnetization direction.
First, for a steel specimen having no residual stress, the relationship between the output V of the MAS and the uniaxial stress σ ap due to the load is a curve as shown in FIG. . Moreover, focusing on the output V 2 in the case of FIG. 4 outputs V 1 and θ = π / 2 in the case of theta = 0 in (A), these output difference between the two curves, where small absolute value of the stress Big and small at large places. This is a distribution curve as shown in FIG. If such a V-σ ap curve is obtained from a steel specimen having no residual stress, the total stress σ = σ ap + σ r including the unknown residual stress σ r in the same steel material can be measured by MAS.
[0021]
By the way, an actual railway rail is subjected to repeated loads such as wheel load and lateral pressure, and has a stress history effect. If such measures the uniaxial stress railway rails is carried out by applying a MAS in the web (abdomen) of the rail, the residual stress sigma r at each location in the longitudinal direction of the rail are different uniaxial stresses of rail sigma ap It is difficult to accurately determine
[0022]
This will be explained in more detail. When a stress σ ap due to an external force is applied to an object having a residual stress σ r such as a railroad rail, the origin of the curve in FIG. Become. A graph of biaxial compression in this case is shown in FIG. 5A, and a graph of uniaxial compression is shown in FIG. 5B. Comparing FIG. 4A and FIG. 5, when the same amount of stress σ ap is applied, the output V of FIGS. 5A and 5B is more than the output V of FIG. 4A. Becomes smaller. This is because since the relationship between V and σ ap is a curve, the stress sensitivity χ (= dV / dσ; that is, the slope of the tangent line) is different in each part of the curve. Since both the stress σ ap due to the external force and the residual stress σ r are stresses, the MAS 3 cannot distinguish between them and measure the total stress σ = σ ap + σ r which is the sum of them. Therefore, when the stress σ ap due to the external force is obtained, if the residual stress σ r is different, an accurate measurement value cannot be obtained.
[0023]
Therefore, in the stress measurement according to the present invention, the MAS output value corresponding to the stress is linearized over a wide range, thereby making the stress sensitivity χ constant and more accurately obtaining the stress due to external force regardless of the presence of residual stress. Is realized.
This will be described with reference to FIGS. First, the measuring instrument 1 is applied to the object to be measured 10, and a power switch (not shown) is turned ON. Then, as shown in FIG. 6, in the first step (a), a current is supplied from the
[0024]
Next, in step (c), a current is supplied from the
Then, the magnetization strength obtained in steps (b) and (d) is output to the
[0025]
Next, in step (e), the
First, assuming that the demagnetization direction is θ, the stress is σ, and the output of MAS is V (θ, σ), the average value V of the output V 1 when θ = 0 and the output V 2 when θ = π / 2. (= (V 1 + V 2 ) / 2) is given by the following equation.
[Expression 1]
Here, the output from the upper
[0026]
However, the actual output V (θ, σ) of the MAS is obtained by adding the apparent output Vc depending on the shape of the object to be measured to the output Vs due to the original stress. Therefore, V is given by
[Expression 2]
Furthermore, since the output Vs due to the original stress also depends on the lift-off distance δ, when the stress in a certain measurement direction is A (σ), it is expressed by the following equation.
[Equation 3]
Here, Δ represents a constant that can be ignored (1/10 or less of δ).
[0027]
Here, when the measurement site of the
[0028]
Therefore, in consideration of the demagnetization direction θ, stress σ, and lift-off distance δ described above, a general MAS output is expressed by the following equation as a function of θ, σ, and δ.
[Expression 4]
In this equation, the apparent output Vc means V (θ, σ , ∞).
[0029]
Therefore, the
[Equation 5]
[0030]
As can be seen from the above equation, the output U does not depend on the lift-off distance δ. As a result, the output of the MAS is linearized as shown in FIG. That is, paying attention to the demagnetization directions θ = 0 and θ = π / 2 in FIG. 4A, the output difference between these two curves is large when the stress is small as shown in FIG. small. Therefore, by dividing the average of these two curves, that is, the output represented by the central curve by the output difference at each stress, a linearized relationship as shown in FIG. 8 can be obtained. Therefore, the stress sensitivity χ is constant, and the stress σ ap due to the external force can be obtained regardless of the presence of the residual stress.
[0031]
The calculation result of MAS is displayed on the
[0032]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, from the average value of the first measurement value and the second measurement value, the strength of the magnetization is measured by separating the sensor from the object to be measured. By subtracting the value obtained from the above and dividing the result by the difference between the first measurement value and the second measurement value, the output value corresponding to the stress in the object to be measured becomes a straight line in a wide range. Since the stress sensitivity χ becomes constant , more accurate stress measurement can be performed regardless of the residual stress, the presence of paint, coating, rust, etc. on the surface of the object to be measured.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a measuring instrument of a stress measuring device according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG.
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of stress measurement using MAS.
FIG. 3 is a block diagram showing an overall configuration of the stress measuring apparatus.
FIG. 4A is a diagram showing the relationship between MAS output and stress, and FIG. 4B is a diagram showing the difference in MAS output depending on the demagnetization direction.
FIG. 5A is a diagram showing the relationship between MAS output and stress in the case of biaxial compression, and FIG. 5B is a diagram showing the relationship between MAS output and stress in the case of uniaxial compression. It is.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a measurement procedure of the stress measurement method according to the embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between MAS output and lift-off.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between MAS output and stress when the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
(b)センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第1の測定値を得るステップと、
(c)上記被測定物に対し第1の方向と直交する第2の方向に減衰交流磁界をかけて消磁するステップと、
(d)上記センサを用いて上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第2の測定値を得るステップと、
(e)第1の測定値と第2の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求めるステップと、
を具備することを特徴とする応力測定方法。(A) demagnetizing the device under test by applying a damped alternating magnetic field in the first direction;
(B) applying a predetermined alternating magnetic field to the object to be measured using a sensor to measure the magnetization intensity in the first direction, and obtaining a first measurement value;
(C) demagnetizing the device under test by applying a damped alternating magnetic field in a second direction orthogonal to the first direction;
(D) obtaining a second measurement value by applying a predetermined alternating magnetic field to the object to be measured using the sensor and measuring the magnetization intensity in the first direction ;
(E) The result obtained by subtracting the value obtained by measuring the strength of magnetization by separating the sensor from the object to be measured from the average value of the first measured value and the second measured value. Dividing the value by the difference between the first measured value and the second measured value to obtain a value corresponding to the stress in the measured object;
A stress measurement method comprising:
上記ステップ(d)は、上記被測定物に対し第3の方向に所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の応力測定方法。The step (b) includes the step of measuring the strength of magnetization in the first direction by applying an AC magnetic field to the device under test in a third direction different from the first and second directions,
The step (d) includes a step of applying a predetermined alternating magnetic field in a third direction to the object to be measured to measure the strength of magnetization in the first direction. Stress measurement method.
上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて磁化の強さを測定するためのセンサと、
上記消磁器に電流を供給して減衰交流磁界を発生させ、上記センサに電流を供給して所定の交流磁界を発生させる1つ又は複数の発振器と、
上記被測定物を第1の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第1の測定値を得るとともに、上記被測定物を第2の方向に消磁した後で、上記被測定物に対し所定の交流磁界をかけて第1の方向における磁化の強さを測定することにより第2の測定値を得るように、少なくとも上記発振器を制御する制御回路と、
第1の測定値と第2の測定値との平均値から、上記センサを上記被測定物から離して磁化の強さを測定することにより得られた値を引き算して、その結果を第1の測定値と第2の測定値との差で割ることにより、上記被測定物における応力に対応する値を求める演算器と、
を具備することを特徴とする応力測定装置。A demagnetizer for demagnetizing the device under test by applying a damped AC magnetic field in a first direction and a second direction orthogonal to each other;
A sensor for measuring a magnetization intensity by applying a predetermined alternating magnetic field to the object to be measured;
The degaussing circuit current to generate a damping AC magnetic field by supplying to, one or more of an oscillator to generate a predetermined alternating magnetic field by supplying a current to the sensor,
After demagnetizing the object to be measured in the first direction, a predetermined AC magnetic field is applied to the object to be measured to measure the strength of magnetization in the first direction, thereby obtaining a first measured value. Then, after demagnetizing the object to be measured in the second direction, a predetermined AC magnetic field is applied to the object to be measured to measure the strength of magnetization in the first direction, thereby obtaining a second measured value. as a control circuit for controlling at least the oscillation unit,
A value obtained by measuring the strength of magnetization by separating the sensor from the object to be measured is subtracted from the average value of the first measurement value and the second measurement value, and the result is calculated as the first value. An arithmetic unit for obtaining a value corresponding to the stress in the measured object by dividing by the difference between the measured value and the second measured value;
A stress measuring device comprising:
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