JP7349132B2 - 応力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管杭や橋梁などの被応力測定物を励磁させた際に検出される検出電圧によって作用している応力を測定する応力測定装置に関するものである。

鋼管杭や橋梁などの鋼構造物が応力を受けている状態を測定する方法として、磁歪法が知られている（特許文献１－３など参照）。磁歪法では、磁歪センサ用のプローブを鋼構造物の表面に当てて、非破壊で残留応力を含む全応力を測定する。

磁歪法は、引張応力が作用すると引張方向の透磁率が大きくなり、圧縮応力が作用すると圧縮方向の透磁率が小さくなるという鋼材の磁気異方性が生じる性質を利用した応力測定方法である。磁歪センサ用のプローブは、コイルを励磁して磁場を形成することで鋼構造物の表層部に磁束を流すための励磁用コイルと、磁束の流れを測定する検出用コイルとを備えている。

このように磁歪法では鋼構造物の表層部を励磁させることで応力測定を行うため、特許文献２に記載されているように、応力測定前に消磁工程を実施することで測定精度を高める必要がある。

また、特許文献３に記載されているように、プローブの方向と鋼構造物に作用している主応力の方向とが一致したときの最大主応力を測定するためには、プローブを回転させることで４つの異なる角度で測定を行う必要がある。すなわち、４つの回転角の状態における測定結果をフーリエ変換することで、回転角と検出電圧とを対応させた式が求められ、検出電圧の最大値を得ることができるようになる。

特開２００３－１３０７３８号公報 特開２００３－２１５６３号公報 特開２００３－２８７３３号公報

しかしながらプローブを正確に４つの方向に手動で回転させる作業は、鋼構造物とモニタの両方を見ながらの微妙な角度調整作業となり煩雑である。一方、特許文献３には、手動で回転をさせなくても４つの角度の測定が行える特殊な形状のプローブが開示されている。

これに対して本発明は、一般的なプローブが使用できるうえに、簡単な構成で消磁や精度の高い測定が行えるようになる応力測定装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の応力測定装置は、被応力測定物を励磁させた際に検出される検出電圧によって作用している応力を測定する応力測定装置であって、対角に配置されて導線が巻き付けられた一対の軸部を有する第１コイルと、前記第１コイルの配列方向に直交して配列される前記第１コイルと同様の構成の第２コイルと、励磁された前記被応力測定物に流れる磁束を前記第１コイルに検出させるための第１スイッチ機構と、励磁された前記被応力測定物に流れる磁束を前記第２コイルに検出させるための第２スイッチ機構と、前記第１コイルに交流電流を流して前記被応力測定物を励磁させるための第３スイッチ機構と、前記第２コイルに交流電流を流して前記被応力測定物を励磁させるための第４スイッチ機構と、前記第１スイッチ機構及び前記第２スイッチ機構に接続されるアナログ／デジタル変換器と、前記第３スイッチ機構に接続される第１デジタル／アナログ変換器と、前記第４スイッチ機構に接続される第２デジタル／アナログ変換器と、前記アナログ／デジタル変換器、前記第１デジタル／アナログ変換器及び前記第２デジタル／アナログ変換器を制御する演算処理部とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記演算処理部は、前記被応力測定物に作用している応力の測定を開始する測定開始信号が入力されたときに動作する測定制御部を備え、前記測定制御部では、前記第１スイッチ機構及び前記第３スイッチ機構をオンにして、かつ前記第２スイッチ機構及び前記第４スイッチ機構をオフにした状態で第１測定を行うとともに、前記第１測定終了後に、前記第１スイッチ機構及び前記第３スイッチ機構をオフにして、かつ前記第２スイッチ機構及び前記第４スイッチ機構をオンに切り替えた状態で第２測定を行う構成とすることができる。

また、前記演算処理部は、検出電圧と応力との関係を調整するためのキャリブレーション部を備え、前記キャリブレーション部では、基準試験片に対して引張方向で前記第１測定及び前記第２測定を行った測定結果と、前記引張方向から時計回りに９０°回した圧縮方向で前記第１測定及び前記第２測定を行った測定結果とに基づいて算出された校正係数を設定する構成とすることができる。

このように構成された本発明の応力測定装置は、第１コイルと第２コイルの機能を切り替えるための４つのスイッチ機構を備えている。また、交流電流の流れを制御するための２つのスイッチ機構には、それぞれデジタル／アナログ変換器が接続されている。

このように４つのスイッチ機構によって第１コイルと第２コイルとを励磁用コイルと検出用コイルとに切り替えることができれば、一般的なプローブを使用しても、応力測定時にプローブを回転させる回数を２回に減らすことができる。また、２つのデジタル／アナログ変換器を第３スイッチ機構と第４スイッチ機構とにそれぞれ接続させることで、消磁用の回路を設けない簡単な構成であっても、被応力測定物やプローブを測定前に消磁させて、精度の高い測定が行えるようになる。

さらに、第１コイルと第２コイルの機能の切り替えは、４つのスイッチ機構のオン、オフの制御で簡単に行うことができる。すなわち、第１コイルを励磁用コイル、第２コイルを検出用コイルとして第１測定を行った後に、第２コイルを励磁用コイル、第１コイルを検出用コイルとして第２測定を行うことで、プローブを９０°回転させたときと同じ測定を連続して行うことができるようになる。

また、演算処理部がキャリブレーション部を備えていれば、鋼構造物などの被応力測定物の応力測定を行う前に基準試験片を使って校正係数を自動的に設定することができるようになる。さらに、校正係数を設定することによって、第１コイルと第２コイルの機能を切り替えても、同等の測定結果として扱うことができるようになる。

本発明の実施の形態の応力測定装置の全体構成を説明するブロック図である。 プローブの構成を模式的に示して説明するための斜視図である。 鋼構造物に作用している応力とプローブの向きとの関係を説明する図であって、（ａ）は鋼構造物に作用している引張方向と圧縮方向の応力分布の概念図、（ｂ）は左図の状態のときのプローブの向きと磁束の通り道について説明する図である。 プローブの回転角と検出電圧との関係を応力の作用方向と併せて説明する図である。 本実施の形態の応力測定装置を使った応力測定方法の流れを説明するフローチャートである。 応力測定装置を自動キャリブレーションする際の処理の流れを説明するフローチャートである。 基準試験片を使った測定結果を説明する図であって、（ａ）はプローブの回転角と検出電圧との関係を示した図、（ｂ）は校正曲線を説明する図である。 校正曲線の弾性領域を使用する際の説明図である。 自動キャリブレーションの測定結果を説明する図であって、（ａ）はプローブの回転角が０°のときの測定値を示した説明図、（ｂ）はプローブの回転角が９０°のときの測定値を示した説明図である。 校正係数の算出方法を説明するための図であって、（ａ）は状態１の測定値をまとめて示した説明図、（ｂ）は状態２の測定値をまとめて示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の応力測定装置１の全体構成を示した説明図である。この応力測定装置１の測定対象となる被応力測定物は、鋼管杭や橋梁などの鋼構造物Ｍなどである。

本実施の形態の応力測定装置１は、磁歪法による非破壊試験装置である。鋼構造物Ｍに生じている残留応力を含む全応力を、鋼構造物Ｍの表面にプローブ２を当てることで測定することができる。

すなわち応力測定装置１は、プローブ２と、プローブ２を接続させる装置本体部１１とによって構成される。装置本体部１１は、プローブ２に接続されるスイッチ機構３と、各種増幅器（４１，５１１，５２１）と、各種アナログ／デジタル変換器（４，５）と、マイクロコンピュータなどによって構成される演算処理部６と、ディスプレイ１２と、測定結果などを記憶させる記憶部１３とによって主に構成される。

ここで、ディスプレイ１２は、ボックス状の外観を呈する装置本体部１１の上面や側面などに設けられる。例えば、タッチパネル式の液晶画面が使用できる。ディスプレイ１２には、各種操作用のタッチボタン、プローブ２によって測定された測定結果となる数値やグラフ、各種モードやステータスを示す表示部などが設けられる。

また、記憶部１３としては、ＳＤメモリーカードやＵＳＢメモリなどのフラッシュメモリや超小型のハードディスなどが使用できる。さらに、装置本体部１１には、電源スイッチ、測定モードを選択するための選択スイッチ、測定を開始させるためのスタートスイッチなどのメカニカルスイッチがコントロールスイッチ１４として設けられる。

そして、このような装置本体部１１に組み込まれたマイクロコンピュータやアンプやディスプレイ１２や記憶部１３などは、同じく装置本体部１１に搭載されたバッテリ１５によって動作する。バッテリ１５には、例えば充電式のニッケル水素バッテリが使用できる。

演算処理部６には、測定モードの選択スイッチやスタートスイッチを操作することによって応力の測定を開始するための測定開始信号が入力されると動作する測定制御部や、後述するキャリブレーションを行う際に動作するキャリブレーション部などが設けられる。

また、演算処理部６では、プローブ２に電流を印加させるための波形データなどの各種信号の生成や制御が行われる。例えば、プローブ２に交流電流を流すための正弦波データは、演算処理部６で生成されて電流出力側変換器５にデジタルデータとして送られる。

電流出力側変換器５は、２つのデジタル／アナログ変換器を備えていて、第１デジタル／アナログ変換器を第１Ｄ／Ａ変換器５１と呼び、第２デジタル／アナログ変換器を第２Ｄ／Ａ変換器５２と呼ぶこととする。

第１Ｄ／Ａ変換器５１でデジタルデータからアナログデータに変換された電流信号（正弦波アナログ信号）は、第１電流出力アンプ５１１で増幅される。また、第２Ｄ／Ａ変換器５２でデジタルデータからアナログデータに変換された電流信号（正弦波アナログ信号）は、第２電流出力アンプ５２１で増幅される。

一方、プローブ２によって検出された検出値は、信号増幅アンプ４１によって電流から電圧に変換されるとともに増幅されて、アナログ／デジタル変換器であるＡ／Ｄ変換器４でアナログデータからデジタルデータに変換される。

Ａ／Ｄ変換器４を通過した後のデータに対して演算処理部６では、プローブ２によって検出された検出電圧の信号の同期整流処理が行われる。同期整流処理として、フーリエ変換処理を行った後に、振幅値と位相値とを用いた不要な信号のフィルタリングが行われる。例えば位相成分の－１５０°から＋１５０°を有効成分とし、－１８０°から－１５１°と＋１５１°から＋１８０°を不要成分とするフィルタリングを行う。不要成分では振幅成分をゼロにする。この不要成分は、主に装置本体部１１とプローブ２とを接続するケーブルの干渉（励磁信号から検出信号への干渉）と、プローブ２自身の干渉（励磁信号から検出信号への干渉）に起因するものである。

同期整流処理されたデータは、プローブ２の測定値として各種演算処理が行われることになる。例えば、後述する校正係数で補正された値が測定された検出電圧としてディスプレイ１２に表示される。また、測定値や補正された検出電圧は、自動又はボタン操作などによって記憶部１３に記録される。

このような演算処理部６とプローブ２との間に介在されるスイッチ機構３は、断続器（開閉器）となるスイッチやＦＥＴなどによって構成される。このスイッチ機構３には、第１スイッチ機構となる第１スイッチＳＷ１と、第２スイッチ機構となる第２スイッチＳＷ２と、第３スイッチ機構となる第３スイッチＳＷ３と、第４スイッチ機構となる第４スイッチＳＷ４という４つのスイッチが設けられる。

一方、プローブ２には、第１コイル２１と、第２コイル２２とが設けられる。図２は、磁歪法で使用される一般的なプローブ２を、模式的に示した説明図である。第１コイル２１は、対角に配置されて基端部２ａ側で繋がる一対の軸部２１１，２１２と、軸部２１１，２１２のそれぞれに螺旋状に巻き付けられる導線２３とによって構成される。また、第２コイル２２も、対角に配置されて基端部２ａ側で繋がる一対の軸部２２１，２２２と、軸部２２１，２２２のそれぞれに螺旋状に巻き付けられる導線２３とによって構成される。

さらに、第１コイル２１と第２コイル２２とは、図３（ｂ）に示すように、配列方向が直交するように配列される。そして、交流電流が印加される側が励磁用コイルとなり、誘起された電流を検出する側が検出用コイルとなる。

ここで図３は、鋼構造物Ｍに作用している応力とプローブの向きとの関係を説明する図である。図３（ａ）は、鋼構造物Ｍの上下方向に引張力を加えた際に発生する引張方向の応力分布と、左右方向に発生する圧縮方向の応力分布の概念図を示している。そして、図３（ｂ）は、このような応力分布状態の鋼構造物Ｍの表面にプローブ２を配置したときの磁束の通り道を示している。

詳細には、第１コイル２１を励磁用コイルとする場合に、応力の引張方向に対して反時計回りで４５°の配列方向となるように第１コイル２１を設置すると、第２コイル２２は、引張方向に対して時計回りで４５°の配列方向となる。

この状態で第１コイル２１に交流電流を印加すると、磁性材料である鋼構造物Ｍが励磁されて正弦波磁束が発生することになる。ここで、鋼材の性質として、引張応力が作用すると引張方向に透磁率が大きくなり、圧縮応力が作用すると圧縮方向に透磁率が小さくなるという磁気異方性があるので、プローブ２が無ければ磁束の通り道は引張方向と一致することになる。

しかしながらプローブ２には、第１コイル２１と直交する第２コイル２２が配列されているので、磁気抵抗の低い（透磁率の高い）第２コイル２２の軸部２２１，２２２を磁束が通ることになる。

第２コイル２２の軸部２２１，２２２を磁束が通ると、巻き付けられた導線２３によって誘起された起電力が第２コイル２２によって検出されることになる。図４は、プローブ方向２０（図２参照）を表すプローブ２の回転角θと検出電圧との関係を、応力の作用方向と併せて説明する図である。

引張方向とプローブ２の回転角θの０°とを一致させた場合、プローブ２で検出される磁束の強さを示す検出電圧は最大となる。また、プローブ方向２０を時計回りに９０°回転させると、引張方向と直交する圧縮方向（図３参照）と一致することになり、検出電圧は最小となる。そして、回転角θが４５°と１３５°のときには、検出電圧は０となる。このようにプローブ方向２０を回転させることで、応力方向に応じた検出電圧が検出されることになる。

ところで図４は、応力方向とプローブ方向２０（プローブ２の回転角θ）との関係が分かっている場合の図である。鋼構造物Ｍの応力測定を行う場合は、通常は引張方向や圧縮方向といった応力方向が分かっていないが、４つの回転角θでプローブ２による測定を行うことで、最大及び最小の検出電圧を求めることができる。

要するに、０°、４５°、９０°、１３５°という４つの回転角θの磁束の強さが測定できれば、その１周期分の正弦波の分布をフーリエ変換で近似することで、応力の方向とピークレベル（最大値・最小値）を算出することができる（特許文献３など参照）。

本実施の形態の応力測定装置１では、第１コイル２１と第２コイル２２の機能を４つのスイッチで切り替えることができる。要するにスイッチ機構３のスイッチのオンとオフの組み合わせにより、第１コイル２１又は第２コイル２２を励磁用コイルにしたり検出用コイルにしたりすることができる。

詳細には、第１コイル２１を励磁用コイルにして第２コイル２２を検出用コイルとする場合には、第３スイッチＳＷ３と第１スイッチＳＷ１をオン（ＯＮ）にし、第４スイッチＳＷ４と第２スイッチＳＷ２をオフ（ＯＦＦ）にする。この組み合わせとすることで、演算処理部６から送り出された波形データが第１Ｄ／Ａ変換器５１でアナログデータに変換されて、第１電流出力アンプ５１１で増幅され、第３スイッチＳＷ３を通って第１コイル２１に交流電流が送られることによって励磁用コイルとなる。

そして、第１コイル２１によって励磁された鋼構造物Ｍによる磁束の流れが検出用コイルとなる第２コイル２２によって検出され、第１スイッチＳＷ１を通って信号増幅アンプ４１に送られ、Ａ／Ｄ変換器４でデジタルデータに変換されて、演算処理部６を介してディスプレイ１２に表示されたり、記憶部１３に記録されたりする。このような回路の状態を「状態１」と呼ぶこととする。

これに対して、第１コイル２１を検出用コイルにして第２コイル２２を励磁用コイルとする場合には、第３スイッチＳＷ３と第１スイッチＳＷ１をオフ（ＯＦＦ）にし、第４スイッチＳＷ４と第２スイッチＳＷ２をオン（ＯＮ）にする。この組み合わせとすることで、演算処理部６から送り出された波形データが第２Ｄ／Ａ変換器５２でアナログデータに変換されて、第２電流出力アンプ５２１で増幅され、第４スイッチＳＷ４を通って第２コイル２２に交流電流が送られることによって励磁用コイルとなる。

そして、第２コイル２２によって励磁された鋼構造物Ｍによる磁束の流れが検出用コイルとなる第１コイル２１によって検出され、第２スイッチＳＷ２を通って信号増幅アンプ４１に送られ、Ａ／Ｄ変換器４でデジタルデータに変換されて、演算処理部６を介してディスプレイ１２に表示されたり、記憶部１３に記録されたりする。このような回路の状態を「状態２」と呼ぶこととする。

このようにプローブ方向２０を回転させなくても、スイッチ機構３の制御だけで状態１と状態２の切り替えを行うことができる。要するに状態１と状態２との切り替えは、プローブ方向２０を９０°回転させることと同じ状態を作り出すことになるので、０°と４５°の２回の測定を行うだけで、１周期分の正弦波の分布を得るための４つの回転角θの測定を行ったことにできる。

磁歪法は、鋼構造物Ｍの表層部をプローブ２で励磁させることによって応力測定を行うため、応力測定前に消磁工程を実施することで測定精度を高めることができる。本実施の形態の応力測定装置１では、電流出力側変換器５の２つのＤ／Ａ変換器（５１，５２）を使って、消磁工程を実施することができる。

消磁工程を実施するには、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４をオン（ＯＮ）にして、第１Ｄ／Ａ変換器５１と第１コイル２１とを導通させるとともに、第２Ｄ／Ａ変換器５２と第２コイル２２とを導通させる。

続いて、演算処理部６から消磁用の電流波形データとして、位相が９０°異なる２種類の交流電流の波形データを第１Ｄ／Ａ変換器５１と第２Ｄ／Ａ変換器５２とにそれぞれ送り、第１コイル２１と第２コイル２２とに２種類の交流電流を流す。

これらの２種類の交流電流によって、プローブ２の中心軸まわりに回転する磁界が第１コイル２１と第２コイル２２とに発生することになる。これによって鋼構造物Ｍは磁化の方向を撹拌されながら励磁され、磁化の方向性はほとんどなくなって消磁されることになる。このような消磁工程は、プローブ２自身の消磁を行う際にも実施できる。

次に、本実施の形態の応力測定装置１を使った応力測定方法の流れを、図５のフローチャートを参照しながら説明する。
応力測定を行う場合は、まず上述した消磁工程を、プローブ２自身や被応力測定物となる鋼構造物Ｍに対して行う。

応力測定を開始するに際しては、プローブ２を鋼構造物Ｍの表面に近付けて、任意の方向に対してプローブ方向２０を合わせて、この方向を回転角θ＝０°として１回目の測定（第１測定）をスタートさせる（ステップＳ１）。

コントロールスイッチ１４のスタートスイッチを押すと、応力測定装置１の回路は上述した状態１（ＳＷ３：ＯＮ、ＳＷ１：ＯＮ、ＳＷ４：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＦＦ）の状態になる（ステップＳ２）。この状態１の回路により、第１コイル２１は励磁用コイルとなり、第２コイル２２は検出用コイルとなる（ステップＳ３）。そして、第２コイル２２の検出値に基づく検出電圧は、ディスプレイ１２に表示されたり、記憶部１３に記録されたりする。

状態１による電圧の検出が所定の時間、行われると、自動的に状態２（ＳＷ３：ＯＦＦ、ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ４：ＯＮ、ＳＷ２：ＯＮ）の状態に切り替わる（ステップＳ４）。この状態２の回路により、第２コイル２２が励磁用コイルとなり、第１コイル２１が検出用コイルとなる（ステップＳ５）。すなわち、回転角θを９０°にした状態に、プローブ２を回転させることなく切り替えることができる。そして、第１コイル２１の検出値に基づく検出電圧は、ディスプレイ１２に表示されたり、記憶部１３に記録されたりする。

応力分布の測定は４つの回転角θで行う必要があるが、ここまでの１回目の測定では２つの回転角θ（０°、９０°）の測定結果しか得られていない。そこでステップＳ６では、１回目の測定か否かを判定して、１回目の測定であればステップＳ７に移行して、鋼構造物Ｍの表面上でプローブ方向２０を時計回りに４５°回転させて、回転角θ＝４５°の２回目の測定（第２測定）をスタートさせる。

２回目の測定でも、ステップＳ２からステップＳ５の処理が行われて、残りの２つの回転角θ（４５°、１３５°）の測定結果が得られることになる。２回の測定が終了すると、ステップＳ８に移行して、検出電圧から応力を算出する演算処理や記憶部１３への保存処理などが行われる。なお、後述する校正係数による補正や記憶部１３への保存などは、ステップＳ８で行ってもよいし、測定中に逐次、行ってもよい。

次に、本実施の形態の応力測定装置１をキャリブレーションする方法について、図６から図１０を参照しながら説明する。図６は、応力測定装置１を自動キャリブレーションする際の処理の流れを説明するフローチャートである。

応力測定装置１は、プローブ２の製作上の寸法精度の狂いや、プローブ２と装置本体部１１とを接続するケーブルの長さや、種類特性の違いなどによって、励磁用コイルの磁界の強さと検出用コイルの感度とが影響を受けて、感度にばらつきが生じる。そのばらつきを補正するために、キャリブレーションを応力測定の前に行う必要がある。

キャリブレーション処理によって、予め基準とする基準試験片と被応力測定物となる鋼管杭や橋梁などの鋼構造物Ｍとの出力差を求めておくことで、測定結果にその差をかけることで直接応力を算出することができるようになる。

キャリブレーションを行うには、強磁性体である基準試験片を引張試験で一方向に引っ張った状態（図３（ａ）参照）にし、引張方向と圧縮方向に合わせてそれぞれプローブ２による測定を行い、応力との関係が既知の状態の検出電圧に基づく校正曲線を取得する。

図７は、一方向に引っ張られた基準試験片を使ったプローブ２による測定結果を説明する図である。図７（ａ）には、引張方向と回転角θ＝０°とを一致させて測定したときに得られた検出電圧と、時計回りに９０°回した回転角θ＝９０°と圧縮方向とを一致させて測定したときに得られた検出電圧とをプロットしている。

このような基準試験片の測定結果から、図７（ｂ）に示すような検出電圧と応力との関係を示す校正曲線が得られる。ここで、基準試験片に作用している応力は、引張試験で測定されているので既知である。この図に示すように、校正曲線には弾性領域と塑性領域とが現れるとともに、応力のゼロと検出電圧のゼロとのズレを示すオフセット項が現れる。このオフセット項は、プローブ２の個体差や励磁電流を発生させる電流出力アンプ（５１１，５２１）やＤ／Ａ変換器（５１，５２）の誤差によるズレを示している。

そして図８に示したように、校正曲線の弾性領域の線形部分を使用することとして、任意の応力のときに測定される検出電圧（測定値Ｘ）を補正するための関係式を設定する。この関係式は、補正電圧をＹ、ゲイン項をＡ、オフセット項をＢとすると、Ｙ＝ＡＸ＋Ｂで表される。

本実施の形態の応力測定装置１では、上述した考え方に基づいた処理によって、校正係数となるゲイン値とオフセット値とを自動で求める。この校正係数を求めて設定する処理の制御は、演算処理部６のキャリブレーション部によって行われる。

自動キャリブレーションを行う際に使用する基準試験片は、載荷試験装置によって一方向に引張力を与えて、塑性変形させた状態にしておく（ステップＳ１１）。この基準試験片を使ったキャリブレーションは、応力に関係なく安定した検出電圧を得るために行われる。

まずステップＳ１２では、載荷試験装置にセットされた引張応力が作用した状態の基準試験片にプローブ２を当てて、基準試験片の引張方向とプローブ２のプローブ方向２０（回転角θ＝０°）とを合わせて、コントロールスイッチ１４のスタートスイッチを押して測定を開始する。

自動キャリブレーションの処理が開始されると、応力測定装置１の回路は状態１（ＳＷ３：ＯＮ、ＳＷ１：ＯＮ、ＳＷ４：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＦＦ）の状態になる（ステップＳ１３）。この状態１の回路により、第１コイル２１は励磁用コイルとなり、検出用コイルとなった第２コイル２２により電圧が検出される（ステップＳ１４）。

状態１による電圧の検出後は、自動的に状態２（ＳＷ３：ＯＦＦ、ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ４：ＯＮ、ＳＷ２：ＯＮ）の状態に切り替わる（ステップＳ１５）。この状態２の回路により、第２コイル２２が励磁用コイルとなり、検出用コイルとなった第１コイル２１により電圧が検出される（ステップＳ１６）。

自動キャリブレーションのための測定は圧縮方向についても行う必要があるので、ここまでの測定が引張方向の測定か否かをステップＳ１７で判定して、引張方向の測定であった場合は、ステップＳ１８に移行して、鋼構造物Ｍの表面上でプローブ方向２０を時計回りに９０°回転させて、圧縮方向の測定を開始させる。

圧縮方向の測定でも、ステップＳ１３からステップＳ１６の処理が行われ、圧縮方向の測定が終了すると、ステップＳ１９に移行して校正係数の算出処理が行われる。図９は、自動キャリブレーションの測定結果を説明するための図である。図９（ａ）は、プローブの回転角θが０°の引張方向の測定を行ったときの測定値を示している。また、図９（ｂ）は、プローブの回転角が９０°の圧縮方向の測定を行ったときの測定値を示している。

図９（ａ）に示したように、引張方向の状態１のときの測定値ＭＢ１と状態２のときの測定値ＭＡ２は、それぞれ対応する応力が既知であるため、図に示したような直線を引くことができる。また、図９（ｂ）に示したように、圧縮方向の状態１のときの測定値ＭＢ２と状態２のときの測定値ＭＡ１は、それぞれ対応する応力が既知であるため、図に示したような直線を引くことができる。

続いて、上記した引張方向の測定結果と圧縮方向の測定結果とを整理して、図１０に示すように状態１の測定値と状態２の測定値とにまとめたグラフにする。そして、上述した関係式を状態１と状態２のそれぞれで作成すると、以下のようになる。
（状態１の関係式）Ｙ１＝Ａ１・Ｘ１＋Ｂ１
（状態２の関係式）Ｙ２＝Ａ２・Ｘ２＋Ｂ２
ここで、Ｙ１，Ｙ２は基準とした既知の応力に対応する基準出力電圧で固定値となる。そして、このＹ１，Ｙ２は、校正係数が設定されたキャリブレーション後には補正電圧となる。また、Ａ１，Ａ２は状態１と状態２のそれぞれのゲイン項、Ｂ１，Ｂ２は状態１と状態２のそれぞれのオフセット項となる。

オフセット項Ｂ１は、状態１の測定値ＭＢ１，ＭＢ２から、Ｂ１＝（ＭＢ１＋ＭＢ２）／２で求めることができる。また、オフセット項Ｂ２は、状態２の測定値ＭＡ１，ＭＡ２から、Ｂ２＝（ＭＡ１＋ＭＡ２）／２で求めることができる。そして、ゲイン項Ａ１は、基準出力電圧Ｙ１と測定値Ｘ１とからＡ１＝Ｙ１／Ｘ１で算出でき、ゲイン項Ａ２は、基準出力電圧Ｙ２と測定値Ｘ２とからＡ２＝Ｙ２／Ｘ２で算出できる。

このようにして算出された校正係数（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）は、ステップＳ２０で自動入力によって応力測定装置１に設定されて、メモリに記憶される。このようにして校正係数が設定されていれば、プローブ２の個体差などの影響を受けることなく、検出電圧を応力を示す測定結果として扱うことができる。

また、基準試験片の基準出力電圧Ｙ１，Ｙ２に対応する鋼構造物Ｍの応力が判明すれば、ゲイン項Ａ１，Ａ２のみで、測定によって検出された検出電圧から応力を算出することができるようになる。さらに、鋼構造物Ｍの種類ごとのゲイン項Ａ１，Ａ２を応力測定装置１のメモリに記憶させておくこともできるので、ディスプレイ１２で鋼構造物Ｍの種類を選択することで、被応力測定物の種類に適した応力を直接表示させることもできるようになる。

次に、本実施の形態の応力測定装置１の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の応力測定装置１は、第１コイル２１と第２コイル２２の機能を切り替えるための４つのスイッチを有するスイッチ機構３を備えている。また、交流電流の流れを制御するための２つのスイッチ（ＳＷ３，ＳＷ４）には、それぞれＤ／Ａ変換器（５１，５２）が接続されている。

このようにスイッチ機構３の４つのスイッチによって第１コイル２１と第２コイル２２とを励磁用コイルと検出用コイルとに切り替えることができれば、一般的なプローブ２を使用しても、応力測定時にプローブ２を回転させる回数を２回に減らすことができる。プローブ２を回転させて測定する作業が４回から２回に減れば、測定時間や操作ミスが起きる可能性を低減することができる。

また、２つのＤ／Ａ変換器（５１，５２）を第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４とにそれぞれ接続させることで、消磁用の回路を設けない簡単な構成であっても、鋼構造物Ｍやプローブ２を測定前に消磁させて、精度の高い測定が行えるようになる。

さらに、正弦波信号をＤ／Ａ変換器（５１，５２）で発生させる構成としたことで、信号発生回路を設ける場合と比べて大幅な小型化が図れるようになる。また、同期整流（検波）回路に代えてＡ／Ｄ変換器４としたことでも、大幅に小型化できる。そして、小型化された応力測定装置１は、バッテリ１５を搭載させることで、応力測定の現場に容易に持ち運び可能なコンパクトなハンディタイプにすることができる。

また、第１コイル２１と第２コイル２２の機能の切り替えは、４つのスイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）のオン、オフの制御で簡単に行うことができる。すなわち、第１コイル２１を励磁用コイル、第２コイル２２を検出用コイルとして第１測定を行った後に、第２コイル２２を励磁用コイル、第１コイル２１を検出用コイルとして第２測定を行うことで、プローブ２を９０°回転させたときと同じ測定を連続して行うことができる。

また、演算処理部６がキャリブレーション部を備えているので、鋼構造物Ｍの応力測定を行う前に基準試験片を使って校正係数を自動的に設定することができる。さらに、校正係数を設定することによって、第１コイル２１と第２コイル２２の機能を切り替えても、同等の測定結果として扱うことができるようになる。すなわち、第１コイル２１と第２コイル２２とがいずれの機能のコイルになったとしても、校正係数で補正された値はその影響を受けることがないので、同じように扱うことでプローブ２を回す回数を減らすことができるようになる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、一般的な構造のプローブ２を例に説明したが、これに限定されるものではなく、第１コイルとそれに直交する第２コイルとが形成されたプローブであれば本発明を適用することができる。

１ ：応力測定装置
２１ ：第１コイル
２１１，２１２：軸部
２２ ：第２コイル
２２１，２２２：軸部
２３ ：導線
３ ：スイッチ機構
ＳＷ１ ：第１スイッチ
ＳＷ２ ：第２スイッチ
ＳＷ３ ：第３スイッチ
ＳＷ４ ：第４スイッチ
４ ：Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）
５１ ：第１Ｄ／Ａ変換器（第１デジタル／アナログ変換器）
５２ ：第２Ｄ／Ａ変換器（第２デジタル／アナログ変換器）
６ ：演算処理部
Ｍ ：鋼構造物（被応力測定物）

Claims (1)

1. 被応力測定物を励磁させた際に検出される検出電圧によって作用している応力を測定する応力測定装置であって、
   対角に配置されて導線が巻き付けられた一対の軸部を有する第１コイルと、
   前記第１コイルの配列方向に直交して配列される前記第１コイルと同様の構成の第２コイルと、
   励磁された前記被応力測定物に流れる磁束を前記第１コイルに検出させるための第１スイッチ機構と、
   励磁された前記被応力測定物に流れる磁束を前記第２コイルに検出させるための第２スイッチ機構と、
   前記第１コイルに交流電流を流して前記被応力測定物を励磁させるための第３スイッチ機構と、
   前記第２コイルに交流電流を流して前記被応力測定物を励磁させるための第４スイッチ機構と、
   前記第１スイッチ機構及び前記第２スイッチ機構に接続されるアナログ／デジタル変換器と、
   前記第３スイッチ機構に接続される第１デジタル／アナログ変換器と、
   前記第４スイッチ機構に接続される第２デジタル／アナログ変換器と、
   前記アナログ／デジタル変換器、前記第１デジタル／アナログ変換器及び前記第２デジタル／アナログ変換器を制御する演算処理部とを備え、
   前記演算処理部は、前記被応力測定物に作用している応力の測定を開始する測定開始信号が入力されたときに動作する測定制御部と、検出電圧と応力との関係を調整するためのキャリブレーション部とを備え、
   前記測定制御部では、前記第１スイッチ機構及び前記第３スイッチ機構をオンにして、かつ前記第２スイッチ機構及び前記第４スイッチ機構をオフにした状態で第１測定を行うとともに、
   前記第１測定終了後に、前記第１スイッチ機構及び前記第３スイッチ機構をオフにして、かつ前記第２スイッチ機構及び前記第４スイッチ機構をオンに切り替えた状態で第２測定を行うものであって、
   前記キャリブレーション部では、基準試験片に対して引張方向で前記第１測定及び前記第２測定を行った測定結果と、前記引張方向から時計回りに９０°回した圧縮方向で前記第１測定及び前記第２測定を行った測定結果とに基づいて算出された校正係数を設定することを特徴とする応力測定装置。