JP4647836B2

JP4647836B2 - 高サイクル疲労寿命試験の方法及び装置

Info

Publication number: JP4647836B2
Application number: JP2001151786A
Authority: JP
Inventors: アーサー・デヴォル・オステンドルフ; ジョセフ・ヘンリー・ホプスター
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: EP1158284A3; RU2265818C2; IL143190A0; IL143190A; JP2002116136A; US6431000B1; EP1158284A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に寿命試験に関し、特に、高サイクル疲労閉ループ制御のために周波数及び変位を測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
寿命試験は、通常、広い範囲で変化する温度及び振動振幅にさらされるような用途で使用される部品に関連して利用される。寿命試験の高サイクル疲労（ＨＣＦ）部分は、部品の周波数と変位を制御するために閉ループ制御を使用する。試験すべき部品を試験スタンドに設置し、発振器によって開ループモードで振動させる。キャパシタンスプローブをスタンドに隣接して配置し、振動を継続させながら部品の周波数と振動振幅を測定する。すなわち、キャパシタンスプローブは、電荷と２つの面の間の電位差との関係を通して存在するキャパシタンスを判定することにより、プローブとターゲット材料との離間を測定する。
【０００３】
試験中、部品が疲労するにつれて、部品の固有共振周波数と振幅は変化し、キャパシタンスプローブはそのような変化を表す信号を発生する。キャパシタンスプローブにより発生された信号はシェーカの閉ループ制御部に供給され、部品の疲労が進むにつれて、シェーカの閉ループ制御部は部品の振動振幅をあらかじめ設定された振幅に維持するように動作する。
【０００４】
周知のキャパシタンスプローブは内部発振器と、受信器回路とを含む。様々に異なる部品を試験するので、内部発振器は、多くの場合、様々な周波数を送信できる非安定マルチバイブレータ回路である。しかし、発振器が非安定回路であるために、試験中、発振器により送信される周波数は、キャパシタンスプローブと試験すべき部品との接近距離に応じてドリフトすることがある。更に、受信器回路の感度によって、発振器により送信される又は試験中に発生する望ましくない雑音やその他の信号が受信器回路で受信されてしまい、試験に悪影響を及ぼすことも考えられる。
【０００５】
更に、キャパシタンスプローブと部品との接近距離に応じて周波数がドリフトするため、キャパシタンスプローブと部品との接近距離に応じて直流電圧偏移が起こる。そのような電圧偏移はキャパシタンスプローブの出力電圧のダイナミックレンジを制限し、受信器の広い帯域幅と感度によって、電気的雑音が受信されるべき周波数の中で優位を占めるような状況になることもある。
【０００６】
【発明の概要】
一実施例では、試験方法により、部品の高サイクル疲労寿命試験のために周波数及び変位を正確に測定できる。すなわち、一実施例においては、キャパシタンスプローブは、閉ループ制御による試験中、部品の周波数及び振幅の変化を正確に検出し、測定し且つ追跡する。プローブは内部発振器と、受信器回路と、プロダクト検出器と、１対の利得増幅器とを含む。発振器は、調整自在の受信器回路により受信される単一制御周波数出力を発生する。受信器回路はキャパシタンスブリッジを含み、また、キャパシタンスブリッジを有効に無効化する直流電圧偏移を発生させるために調整自在である。プロダクト検出器は発振器及び受信器回路の振幅変調プロダクトを検出し、プロダクト検出器からの信号を中継する前に望ましくない周波数を除去する。利得増幅器は直流電圧偏移を検出し、キャパシタンス効果を容易に無効化することができる。また、利得増幅器は、キャパシタンスプローブの出力の過剰駆動又は過剰増幅を防止するために調整自在である。
【０００７】
部品の寿命試験の高サイクル疲労部分の間、キャパシタンスプローブは部品に隣接して配置され、部品の周波数及び振幅の変化を検出し且つ追跡するために使用される。試験中、部品が疲労し、固有共振周波数が減少するにつれて、キャパシタンスプローブは振幅の変化をシェーカの閉ルーブ制御部へ伝送する。試験中に発生する電気的雑音はプロダクト検出器の使用によって排除され、利得増幅器は、キャパシタンス効果を無効化し且つキャパシタンスプローブの閉ループが安定するように出力信号のダイナミックレンジを増大し、その中心位置を調整できるようにするために調整される。その結果、キャパシタンスプローブは高サイクル疲労試験中の部品の周波数と変位の正確な測定値を、周知のキャパシタンスプローブと比較してより正確で、コスト有効性にすぐれた方法で提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、部品（図示せず）の高サイクル疲労寿命試験に際して周波数及び変位を測定するために使用されるキャパシタンスプローブ１０のブロック線図である。一実施例では、キャパシタンスプローブ１０はガスタービンエンジンのブレード（図示せず）の高サイクル疲労寿命試験のために周波数及び変位を測定する。キャパシタンスプローブ１０は閉ループ制御で動作し、発振器１４と、受信器回路１６と、プロダクト検出器１８と、複数の利得増幅器２０とを含むプリント回路基板（図示せず）を含む。一実施例では、プリント回路基板は、回路基板に誘導される雑音を最小限に抑えるために接地平面（図示せず）を含む。
【０００９】
発振器１４は、一定である単一制御周波数出力を発生する結晶（図示せず）を含む。従って、発振器１４は非安定マルチバイブレータ回路ではないので、キャパシタンスプローブ１０を疲労試験すべき部品に物理的に接離するように移動させるにつれて、発振器１４からの周波数出力がドリフトすることはない。一実施例では、発振器１４はペンシルベニア州マルバーンのVishay Intertechnology,Inc.より入手可能な５ＭＨｚのＨＳ−１００Ｐである。
【００１０】
受信器回路１６は、少なくとも１つの調整自在のコンデンサ２６を含む同調キャパシタンスブリッジ又はホイートストンブリッジ２４を含む。キャパシタンスプローブ１０はホイートストンブリッジ２６の第４のコンデンサとして機能する。キャパシタンスブリッジ２４を有効に無効化する直流電圧偏移を発生させるために、調整自在のコンデンサ２６によりキャパシタンス効果を調整し、その平衡を保持することができる。一実施例では、同調キャパシタンスブリッジ２４は２つの３０ｐｆコンデンサ２８を更に含み、調整自在のコンデンサ２６はニュージャージー州ブーントンのJohanson Manufacturing Corporationより入手可能な５−２５ｐｆ調整自在コンデンサである。
【００１１】
プロダクト検出器１８は受信器回路１６から出力を受信し、発振器１４の振幅変調プロダクトを検出する。また、プロダクト検出器１８は、プロダクト検出器１８からの信号を中継する前に望ましくない周波数を除去する。一実施例では、プロダクト検出器１８はテキサス州オースチンのMotorola, Inc.より入手可能なＭＣ１４９６平衡変調器／復調器である。
【００１２】
回路基板には２つの利得増幅器２０が装着されている。第１の利得増幅器４０は５０：１利得増幅器であり、プロダクト検出器１８の出力を受信する。第１の利得増幅器４０は、検出される直流電圧のうちで第１の利得増幅器４０の出力からの偏移を視覚的に表示するために使用される２つの発光素子ＬＥＤ（図示せず）を含む。それらのＬＥＤが動作されて点灯したとき、オペレータはキャパシタンスを無効化するためにキャパシタンスブリッジ２４を調整し、有効に調整されれば、２つのＬＥＤは動作を停止し、その光は消える。キャパシタンス効果が除去された後、キャパシタンスプローブの出力端子を試験すべき部品に隣接させても、直流電圧偏移は起こらない。
【００１３】
第２の利得増幅器４２は２００：１利得増幅器であり、第１の利得増幅器４０の出力を受信する。第２の利得増幅器４２は結合利得増幅器であり、キャパシタンスプローブの出力を過剰駆動又は過剰増幅するのを防止するために調整自在である。一実施例では、第１の利得増幅器４０及び第２の利得増幅器４２は、それぞれ、カリフォルニア州サンタクララのNational Semiconductorより入手可能なＬＦ３５６増幅器を含む。
【００１４】
部品の寿命試験の高サイクル疲労部分の間、部品をシェーカスタンド（図示せず）に設置し、発振器（図示せず）を使用して、部品を開ループモードで固有周波数で振動させる。キャパシタンスプローブ１０を部品に隣接して配置し、閉ループ制御モードで部品の周波数及び振幅の変化を追跡する。プローブ１０は、底部を重くしたスタンド（図示せず）に固着され、寿命試験中、そのスタンドによって所定の位置に保持される。試験中、部品が疲労し、固有共振周波数が減少するにつれて、キャパシタンスプローブ１０は振幅の変化をシェーカ発振器へ伝送する。試験中に発生する部品の電磁誘導熱、ＥＭＩ、雑音はプロダクト検出器１８の使用によって排除される。更に、利得増幅器４０及び４２によって、出力信号のダイナミックレンジを増大させ且つその中心位置を調整しつつ、キャパシタンス効果を調整して無効化することができる。利得増幅器４０及び４２により出力信号のダイナミックレンジの中心位置を調整することにより、キャパシタンスプローブの閉ループは確実に安定する。その結果、プローブ１０を試験部品に隣接して配置することが可能になり、キャパシタンスブリッジ２４が無効化された後、疲労寿命試験中の直流電圧偏移は減少する。
【００１５】
別の部品（図示せず）を疲労試験するときには、第１の部品をシェーカスタンドから取り外し、新たな部品を設置する。新たな試験部品を試験スタンドに設置した後、キャパシタンスプローブ１０を新たな部品に隣接して配置し、ＬＥＤの動作が停止する箇所に到達するまで、部品から離間するようにゆっくりと移動させる。ナルポイントとして知られるその箇所に達したとき、キャパシタンスプローブ１０は今回の疲労試験中の新たな部品から、先の第１の部品の疲労試験の間にキャパシタンスプローブ１０があったのと同じ距離に位置している。出力の振幅はプローブと部品との距離によって決まる。２回の試験を通してその距離は同じであり、容易に再現できるので、多数の部品を試験する場合にも再校正又は変位調整の必要はなく、従って、部品試験ごとのダイナミックレンジの特性振幅は確実に等しくなる。
【００１６】
図２は、図１に示すキャパシタンスプローブ１０のようなキャパシタンスプローブ（図２には図示せず）を使用して部品（図示せず）の高サイクル疲労部分について周波数及び変位を測定するために使用される方法６０のフローチャートである。まず、部品が試験スタンドに取り付けられた後、キャパシタンスプローブは単一周波数を送信する（７０）。一実施例では、キャパシタンスプローブは、制御周波数出力を発生する結晶（図示せず）を含む発振器（図示せず）を含む。一実施例では、発振器は５ＭＨｚクロックである。
【００１７】
送信された単一周波数（７０）を受信するために、キャパシタンスブリッジ（図示せず）を調整する（８０）。周波数を受信するためにキャパシタンスブリッジを調整する（８０）ことにより、第１段増幅器（図示せず）の直流電圧偏移が無効化されるようにキャパシタンス効果も調整される。一実施例では、５ＭＨｚの周波数でキャパシタンスの変化を受信するためにキャパシタンスブリッジが調整される（８０）。
【００１８】
送信された単一周波数（７０）を受信するためにキャパシタンスブリッジが調整された（８０）後、プロダクト検出器（図２には図示せず）によって発振器の振幅変調プロダクトを検出する（９０）。また、プロダクト検出器は信号を中継する前に望ましくない周波数を除去する（９２）。一実施例では、プロダクト検出器は５ＭＨｚの振幅変調のみを検出する（９０）。
【００１９】
プロダクト検出器は信号を第１の利得増幅器（図２には図示せず）へ中継し、第１の利得増幅器は第１の利得増幅器の出力からの直流電圧の偏移を検出する（１００）。一実施例では、第１の利得増幅器は、第１の利得増幅器で直流電圧偏移が検出された（１００）ときに点灯する１対のＬＥＤを含む。第１の利得増幅器で直流電圧偏移が検出された（１００）場合、オペレータは、信号がプロダクト検出器へ中継される前にキャパシタンス効果を無効化するために、キャパシタンスブリッジを調整できる（８０）。更に、キャパシタンス効果を無効化するためにキャパシタンスブリッジを調整する（８０）ことにより、出力信号のダイナミックレンジの中心位置が調整されて、閉ループが安定する。その結果、キャパシタンスプローブの出力を試験部品に隣接して配置することができ、キャパシタンス効果を無効化するためにブリッジが調整された（８０）後、直流電圧偏移は減少する。
【００２０】
方法６０の最終段は、キャパシタンスプローブの過剰駆動又は過剰増幅を防止するために調整される（１１０）第２の利得増幅器（図２には図示せず）を含む。キャパシタンスプローブの出力の振幅はキャパシタンスプローブと部品との距離によって決まるので、部品試験ごとに再校正を行う必要はない。その結果、様々な部品を試験している間もダイナミックレンジの特性振幅は一定であり、キャパシタンスプローブの変位調整の回数は減る。
【００２１】
以上説明した、部品の寿命試験の高サイクル疲労部分のために周波数及び変位を測定する方法はコスト有効性に優れ且つ信頼性も高い。この方法を実施するために使用されるキャパシタンスプローブは、試験すべき部品の周波数と変位を正確に測定する。更に、キャパシタンスプローブは望ましくない雑音を除去するために調整自在であるので、損傷を引き起こすおそれのある直流電圧偏移は減少し、従って、高サイクル疲労試験中に部品の周波数と変位を正確に測定するために、部品に隣接してキャパシタンスプローブを配置できる。
【００２２】
本発明を様々な特定の実施例に関して説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で本発明を変形を伴って実施できることは当業者には認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャパシタンスプローブのブロック線図。
【図２】図１に示すキャパシタンスプローブを使用して部品の高サイクル疲労領域について周波数及び変位を測定する方法のフローチャート。
【符号の説明】
１０キャパシタンスプローブ
１４発振器
１６受信器回路
１８プロダクト検出器
２０利得増幅器
２４ホイートストンブリッジ（キャパシタンスブリッジ）
２６調整自在のコンデンサ
４０第１の利得増幅器
４２第２の利得増幅器

Claims

キャパシタンスプローブ（１０）を使用して部品の寿命試験の高サイクル疲労部分のために周波数及び変位を測定する方法（６０）において、
制御周波数出力を発生するように構成された結晶を含む発振器によって単一周波数を前記部品に送信する過程（７０）と、
前記部品に隣接して配置した前記キャパシタンスプローブ（１０）及び調整自在のコンデンサ（２６）を含むキャパシタンスブリッジから前記部品の振幅変調信号を検出する過程（９０）と、
前記キャパシタンスブリッジが平衡を保持するように前記調整自在のコンデンサ（２６）を調整する過程（８０）と、
を含む方法。
前記キャパシタンスプローブ（１０）と前記部品との接近距離に応じて生じた直流電圧偏移を検出する過程（１００）と、
検出された前記直流電圧偏移を無効化する直流電圧偏移を発生させるように前記調整自在のコンデンサ（２６）を調整する過程（８０）と、
次いで、前記部品の振幅と共振周波数の変化を追跡する過程（９０）と、
を含む請求項１記載の方法（６０）。
第１及び第２の利得増幅器により前記振幅変調信号から望ましくない周波数を除去し、前記振幅変調信号を増幅する過程と、
前記第１の利得増幅器により前記キャパシタンスプローブ（１０）と前記部品との接近距離に応じて生じた直流電圧偏移を検出する過程（１００）と、
前記キャパシタンスプローブの過剰駆動又は過剰増幅を防止するために前記第２の利得増幅器を調整する過程（１１０）を更に含む請求項１又は２記載の方法（６０）。
前記部品をシェーカスタンドに設置する過程と、
シェーカ発振器を使用して前記部品を固有周波数で振動させる過程と、
を更に含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法（６０）。
部品の寿命試験の高サイクル疲労部分のために周波数及び変位を測定する装置において、
前記部品に向けて単一制御周波数出力を発生するように構成された結晶を具備する発振器（１４）と、
前記部品に隣接して配置したキャパシタンスプローブ（１０）と、調整自在のコンデンサ（２６）とを含むキャパシタンスブリッジ（２４）を有する受信器回路（１６）と、
前記キャパシタンスブリッジから前記部品の振幅変調信号を検出する（９０）ように構成された検出器（１８）と、
を有し、
前記キャパシタンスブリッジ（２４）が平衡を保持するように前記調整自在のコンデンサ（２６）が調整される、
受信器回路と、を具備する装置。
前記振幅変調信号から望ましくない周波数を除去し、前記振幅変調信号を増幅する第１及び第２の利得増幅器を有する請求項５記載の装置。
前記第１の利得増幅器が、前記キャパシタンスプローブ（１０）と前記部品との接近距離に応じて生じた直流電圧偏移を検出する請求項６記載の装置。
前記第１の利得増幅器（４０）は、該第１の利得増幅器（４０）から出力される直流電圧の偏移を視覚的に表示するために使用されるＬＥＤを含み、
前記ＬＥＤが動作されて点灯したとき、オペレータに前記調整自在のコンデンサ（２６）を調整することを促し、
前記キャパシタンスブリッジ（２４）が平衡を保持したときに前記ＬＥＤは動作を停止する、請求項７記載の装置。
前記第２の利得増幅器が、前記キャパシタンスプローブの過剰駆動又は過剰増幅を防止するために調整される請求項６乃至８のいずれかに記載の装置。（６０）。
前記調整自在のコンデンサ（２６）は前記キャパシタンスプローブ（１０）と前記部品との接近距離に応じて生じた直流電圧偏移を無効化する直流電圧偏移を発生させるように構成されている請求項５乃至９のいずれかに記載の装置。