JPH03111735A - ヤング率自動測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は製材の機械的強度等級区分の規格や非破壊検査
方法に利用できる木材用ヤング率自動測定器に関するも
のである。

本発明のヤング率自動測定器は下記のような産業上多く
の利用分野がある。

（１）各種棒状材料のヤング率測定一般（２）木質系材
料・その他材料のヤング率に基づく非破壊的強度予測試
験 （３）建築・その他の構造材料の剛性測定（４）各種棒
状材料の音速測定 （従来の技術） 従来の木材用ヤング率の自動測定器の原理は、棒状の試
験体の一端を打撃すると固有振動が励起される。その際
に発生する音、または機械的振動をもちいて材料の縦共
振の基本振動周期を測定し、同時に試験体の重量を測定
する。この二つの物理量と試験体の寸法から、−次元の
縦共振の振動理論によって、ヤング率を計算しこの過程
をコンピュータを用いて自動計測する。

この原理の検証のために用いた装置は、第７図のとおり
であり、装置の構成と機能は、次のとおりである。

２１は棒状の試験体であり、２２は棒状の試験体１の他
端に対向して設けた試験体１の固有振動を検出するマイ
クロフォンであり、２３はマイクロフォンに接続した打
撃音の基本振動成分を弁別するフィルタであり、棒状の
試験体１を打撃すると、基本振動のみならず高次振動も
励起される。このために計測に必要な基本振動のみを弁
別するために、適当な遮断特性を持つフィルタを用いる
。２４は前記弁別フィルタ３に接続した固有振動の周期
を計測するカウンタである。２５は前記カウンタ４とコ
ンピュータ１２とを結ぶインターフェースである。

２６は試験体１の下方に試験体の重量を計るために設け
た荷重センサである。２７は荷重センサ６に接続した静
荷重を弁別するフィルタである。２８は前記静荷重弁別
フィルタフに接続したひずみ増幅器である。２９は前記
ひずみ増幅器８に接続したＡ／Ｄ変換器でひずみ増幅器
１８の出力をディジタル化する。３０はＡ／Ｄｉ換器９
とコンピュータ１２とを結ぶインターフェースである。

３１はコンピュータ１２に接続した、その結果を表示す
るブラウン管ＣＲＴである。３２はコンピュータで装置
全体の制御を行なう制御回路である。

以上の如き、従来の装置においては、棒状の試験体２１
の一端を木槌で打撃するこにより励起して生じた固有振
動を音波としてマイクロン２２により検知し、打撃音の
基本振動成分を弁別フィルタ２３で弁別し、固有振動の
周期をカウンタ２４で計測し、インターフェース２５を
介してコンピュータ３２に送る共振周波数成分をコンピ
ュータ１２に入力する回路系統と、試験体１の重量を荷
重センサ２６により検知し、次のフィルタ２７で静荷重
成分を弁別し、これをひずみ増幅器２８により静荷重成
分を増幅し、これをＡ／Ｄ変換器２９によりアナログ信
号をディジタル信号に変換しインターフェース３０を介
して静荷重成分をディジタル信号としてコンピュータ３
２に印加する回路系統とよりなるものである。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来のヤング率の測定装置は、次のような問題
点がある。

（１）　　この原理によるヤング率の測定では計測に必
要な基本振動以外の高次振動成分を取り除くことが極め
て重要である。そのためにフィルタを用いている。しか
し、試験体の種類、寸法によって固有振動数が変化する
ので、その都度、人が判断してフィルタの遮断特性を適
切に調整しなければならない。

（２）カウンタによる振動周期の測定に関しては、計測
する波の数が固定化しているので、振動の減衰が速い材
料ではカウンタが停止して測定できない場合がある。測
定器の汎用性を高めるには、計測する波の数を調整でき
る機能が必要である。また、平均化する波の数が固定し
ている実用上、 と、振動の周波数によって周期の測定精度が不十分であ
ったり、過度であったりするなどの不都合が生じる。

（３）またノイズの多い場所での誤動作がある。

（課題を解決するための手段） 本発明は上述の従来のヤング率り測定装置の欠点を除去
するために、フィルタの遮断周波数の自動設定手段と、
カウンタ回路の機能の高度化手段とを設けることにより
、試験体の種類、寸法の変化によって固有振動数が変化
しても、コンピュータにより適切に判断し、自動的にフ
ィルタの遮断周波数の自動設定するようにし、ノイズの
多い場所でも誤動作を生ぜず高精度でヤング率が自動測
定できるようにしたものである。

本発明は、棒状試験体の打撃音を検知し増幅しローパス
フィルタとカウターとを介して縦共振周波数を検知する
振動センサ系と、前記試験体の重量を検知する荷重セン
サ系と、両系統の信号を受けて前記ローパスフィルタの
遮断周波数の自動決定を行う機能を少くとももったコン
ピュータ制御系とより成り、前記振動センサ系は、棒状
試験体の打撃音を検知する振動センサと、振動センサか
らの入力信号の感度を調整する増幅回路と、入力波形の
基本振動成分のみを弁別するローパスフィルタと、レベ
ル値が調整できるコンパレータの機能をもったＡ／Ｄ変
換回路と、基本振動の固有振動数を計測するカウンタ回
路と、カウンタに供給する基準時間パルス発生回路とよ
り成り、前記荷重センサ系は試験体の重量を計測する荷
重センサと、そのアナログ信号を増幅する増幅器と、Ａ
／Ｄ変換器により成り、前記制御系は振動センサ系と荷
重センサ系の入力よりローパスフィルタの遮断周波数を
自動決定する機能と、試験体打撃音の固有振動周期の測
定終了を検知する機能と、ヤング率、密度、音速の計算
機能とをもったコンピュータ演算素子と、コンピュータ
で自動的に決定した遮断周波数信号をローパスフィルタ
とカウンタユニットに送る制御回路とより成ることを特
徴とするヤング率自動測定器である。

本発明の前記ローパスフィルタは入力振動より基本振動
以外の高次振動成分を取り除き基本振動周波数成分のみ
を弁別し、その遮断周波数はコンピュータにより自動設
定され、インターフェースを介してローパスフィルタに
送られるよう構成されることを特徴とする。

本発明の前記カウンタユニットは基準時間パルス源と、
Ａ／Ｄ変換回路を介してローパスフィルタに接続される
と共にコンピュータに接続され、ローパスフィルタより
の出力波形より得られるゲート信号により時間パルスを
ゲートし単位時間当りの振動波形の波数を計数するよう
構成されることを特徴とする。

（実施例） 本発明のヤング率自動測定器の構成を以下図面について
説明する。第１図は本発明の測定器の概略構成を示すも
ので、試験体１を支持する荷重センサＡと振動センサＢ
と制御装置Ｃとに大別される。荷重センサＡによる試験
体の支持は電気式荷重計を介して試験体を支持する。振
動の検出センサＢは試験体の打撃によって生ずる振動を
検出する。

本発明のヤング率自動測定器の詳細回路構成は第２図に
示す通りである。第２図において、１は棒状の試験体で
、この試験体１は木質材料・鉄・コンクリート・複合材
料・セラミックスなどの各種棒状試験体である。ＩＡは
試験体１の一端を打撃する木槌を示す。２は試験体の振
動を検出するセンサであって、試験体１の他端に対向し
て設けられる。試験体ｌの一端を上述の木槌ＩＡで軽く
打撃した時に発生する音または機械的振動を、音圧を電
圧に変換するマイクロフォンや試料とセンサの間のイン
ダクタンスまたは静電容量の変化を検出して電圧に変換
する非接触センサ、または機械的振動を電圧に変換する
加速度センサ或いは導電型速度センサを利用して検出す
る。３は振動検出センサ２に接続した増幅回路であり、
異なった材料に対して、センサ２からの入力信号の感度
を調整する増幅回路である。４は前記増幅回路３に接続
したローパスフィルタで、入力波形の基本振動成分のみ
を弁別するローパスフィルタであって、その遮断周波数
は、コンピュータ１２によって自動設定サレる。５はロ
ーパスフィルタ４とコンピュータ１２とのディジタル信
号を受は渡しするよう接続したインターフェース回路で
ある。６はローノでスフィルタ４の出力端に接続したＡ
／Ｄ変換器で、アナログ信号がディジタル信号に変換す
るとともにノイズに対して試験機の誤動作を防ぐ、レベ
ル値が調整できるコンパレータの機能をもったＡ／Ｄ変
換回路である。７はＡ／Ｄ変換回路６に接続した基本振
動の固有振動数を計測するカウンタ回路であってインタ
ーフェース機能をもったカウンタＩＣを用い、第３図に
示すように内部カウンタユニットすなわち、基準時間パ
ルス源８と接続されたパルス分周回路ユニツｌ−７ｕ−
１、Ａ／Ｄ変換回路の出力（すなわち振動波形）を受け
るよう接続された波数計数回路ユニ・ン）　７　ｕ　−
２、振動波形の単位数（例えば１００個）が何秒で通過
したかを時間パルスにより振動波形をゲートして波数計
数スるＡＮＤ回路回路ユニットフコの３つのユニットよ
り成る。８は前記のカウンタ回路７に接続したカウンタ
に基準時間パルスを供給する基準時間パルス発生回路で
ある。９は試験体１を支持するよう取付けた試験体の重
量を計測する荷重センサである。１０は荷重センサ９に
接続した荷重センサのアナログ信号を増幅する増幅器で
ある。１１は増幅器１０のアナログ信号をディジタル信
号に変換し、コンピュータ１２とのデータの受は渡しを
するインターフェース機能付きのＡ／Ｄ変換回路である
。１２はコンピュータ回路であり、カウンタ回路７より
の振動センサ系で計測した共振周波数とＡ／Ｄ変換器１
１よりの荷重センサ系の荷重成分信号のデータより、コ
ンピュータ１２が縦振動方程式によってヤング率を計算
する。同時に、試験体の音速、密度もこのコンピュータ
１２で計算される。

１３はコンピュータの測定結果を表示し、記録する外部
プリンタである。

第３図に示すカウンタユニット７においては上述の３つ
のカウンタユニット７ｕ−１，７ｕ−２゜７ｕ−３より
なる。これら各カウンタユニットは下記の作用をする。

（Ａ）カウンタユニット７ｕ−１は、基準時間パルスを
適当に分割し、固有振動数の異なった材料に一定の測定
精度で固有振動数が測定できるように、パルスの分周回
路として使用する。

（Ｂ）カウンタ回路ッｌ−７ｕ−２は、振動周期を求め
るために計測する入力信号パルスの数を調整するプリセ
ットカウンタ回路として使用する。

材料によって異なる振動の減衰特性に合わせて、計測パ
ルス数を調整する。

（Ｃ）カウンタユニット７ｕ−３は、カウンタユニット
７ｕ−２の信号をゲート信号として、ゲートが開いてい
る間のカウンタユニット７ｕ１の出力（周波数が既知の
パルス）の数を数え、固有振動の振動周期を求める。

コンピュータ１２はカウンタユニット７ｕ−２の信号を
監視し、計測の終了を判断してカウンタユニット７ｕ−
３の内容をインターフェースを介して読み込む。なお、
（Ａ）〜（Ｃ）の条件設定は、すべてコンピュータ１２
で制御する。１３はコンピュータ１２の測定結果を記録
し、表示する外部プリンタである。

第４図はコンピュータプログラムのフローチャート図で
ある。

キーボードを押してスタートさせ、棒状の試験体の材料
の種類及び寸法の入力を行う。上記の材料の種類及び寸
法が入力されると、フィルタの遮断周波数決定を自動決
定を行い、参照信号をインターフェース５を通じてロー
パスフィルタ４に送り、ローパスフィルタの遮断周波数
の自動決定を行う。コンピュータ１２において、フィル
タの遮断周波数の自動決定がされると、コンピュータの
機械語プログラムに遮断周波数を書き込む。

次にインターフェース５の初期設定即ち機械語プログラ
ムの実行を行う段階で準備ＯＫがＹＥＳかＮＯかを判定
する段階で、この答がＮｏのときは元に戻り、この答が
ＹＥＳのとき試験体の打撃に際し測定準備完了したこと
を示す状態となる。

準備ＯＫがＹＥＳのとき試験体打撃を行う。カウンタユ
ニット７よりの信号で周期測定終了がＹＥＳかＮｏかを
検知し、これがＹＥＳのときは測定した振動の周期の読
み込みをコンピュータのメモリーに行う。また重量セン
サ系（９，１０，１１）よりの重量計測信号により重量
読み込みを行ない、共振周波数の周期読み込み成分と、
重量読み込み成分とよりヤング率を計算し、その他試験
体の密度及び音速を計算し、その結果の表示を外部プリ
ンタ１３に行い、プリンタＯＵＴする。以上でコンピュ
ータ１２のプログラムが終了する。

（作　用） 本発明装置を用いると、棒状の試験体のヤング率、音速
、密度などが自動で測定できる。

本発明のヤング率測定器の操作法は次のとおりである。

試験体の支持方法の例を第５図に示す。

まず、試験体の種類と寸法をコンピュータ１２に入力す
る。コンピュータ１２に組み込まれたプログラムにした
がって、自動的にローパスフィルタ４の遮断周波数が設
定される。次に試験体１の一端を木槌等で軽く打撃する
と、カウンタ７の内部トリガ回路が作動して試験機は材
料の固有振動の周期と重量を順次計測し、コンピュータ
がこれらのデータから、ヤング率、音速、密度を計算し
て、結果をプリンタに出力する。

試験体の一端を打撃すると、試験体の固有振動が励起さ
れる。この際に発生する音または機械的振動を用いて材
料の縦共振の基本振動周期を測定し、同時に試験体の重
量を測定する。この２つの物理量と試験体の寸法から一
次元の縦共振の振動理論によって、ヤング率をコンピュ
ータで計算するのである。

第３図に示すローパスフィルタ４の遮断周波数の自動設
定法は高調波を含んだ波形から基本振動成分を選り分け
るために、ローパスフィルタの遮断周波数を材料の種類
と試験体長さを指定することにより自動的に定める方法
である。

棒状試験体の固有振動数ｆｒは、次式で与えられる。

Ｅは材料の種類によって定まるヤング率、２は試験体の
長さ、ρは密度である。

ここで、ヤング率Ｅと密度ρは、本来計測の対照となる
もので未知であるが、材料の種類が決まれば、従来のデ
ータからおよその平均値を知ることができる。これらの
値を用いれば、試験体のおよその基本振動の固有振動数
を知ることができる。

ここで、試験体の長さｉは、計測のつと変化することが
考えられるので、その都度入力が必要である。すなわち
、この固有振動数にローパスフィルタの遮断周波数を設
定すれば、２次共振以上の高次の振動を遮断することが
できる。

しかし、試験体のヤング率Ｅは統計的バラツキを示すの
で、ヤング率Ｅが平均値より小さい場合に高次振動の遮
断が不十分となる可能性があるので、材料のヤング率Ｅ
の分布を考慮し、その統計的下限値から、次のように遮
断周波数ｆＯを定める。

すなわち、ヤング率分布の９５％下側信頼限界における
ヤング率値と平均的な密度および試験体長さを（１）式
に代入すると遮断周波数ｆｏが得られる。

あらかじめ計測対照となる材料の平均的なデータを記憶
させ、上記の操作をコンピュータプログラムに組み込み
、演算の結果を機械語プログラムに自動的に書き込み、
ローパスフィルタの遮断周波数を自動設定する。

第６図に、打撃音の原波形とローパスフィルタ通過後の
波形の例を示す。第６図（ａ）は打撃音の原波形を示し
、第６図（ｂ）はローパスフィルタで弁別した基本振動
音の波形を示し、カットオフ周波数はＩＫＨｚである。

本発明によるヤング率、音速、密度の計算法は次の通り
である。

ヤング率Ｅは、次式によって計算される。

Ｅ＝４・１２・ρ・Ｔ　−”　　　　　　（２）ここで
、ｌは試験体の長さ、Ｔは固有振動の振動周期で固有振
動数の逆数である。ρは密度で次式で計算される。

ρ＝Ｗ／　（１−Ａ）　　　　　　（３）ここで、Ｗは
試験体の重量、Ａは試験体の断面積である。音速Ｃは、
次式で計算される。

Ｃ＝２ｆｆｉ−Ｔ−’　　　　　　　　（４）（発明の
効果） 本発明の新規特徴は下記の点にある。

（１）フィルタの遮断周波数の自動設定本発明は、試験
体の種類や寸法に応じて自動的にフィルタの遮断周波数
を設定する機能をコンピュータに取り入れであるので、
材料のヤング率の分布を考慮して、その統計的下限値と
振動理論式からフィルタの遮断周波数を決定し、コンビ
エータを介してローパスフィルタの遮断周波数を自動設
定する方法を採用したことにより、計測にあたり知識が
ない未熟者でも容易に取り扱うことができる。

（２）カウンタ回路の機能の高度化 振動の減衰特性に応じて、計測する振動の波の数を調整
できるカウンタ回路を用いたので、減衰特性の異なる多
種の材料への適用が容易になる。また、計測精度を任意
に調整することができる利点がある。

（３）環境ノイズに対する装置の信頼性を向上させるこ
とができる。即ち、ノイズ対策として、トリガレベルの
調整できる回路を挿入したので、一定値以下の入力に対
してカウンタが作動しないようにすることができる。

（４）機能化、自動化度を高めることの効果■　必要最
小限の機能を集約してコンパクトにし、屋外の作業場で
の利用や、持運びを容易にする。

■　また、予備知識を必要とする測定装置の条件設定を
自動化し、取り扱いを容易にする。

本発明は従来の技術に比べ、次の点が改善される。

（１）多種の材料への適用が容易となり、ヤング率測定
器としての汎用性が拡大される。

（２）測定条件の設定が自動化され、試験機の取扱いが
飛躍的に簡単となる。

（３）新しいカウンタ回路７の構成により、測定精度の
調整の幅が拡大される。

（４）ノイズによる試験機の誤動作に対する対策がなさ
れる。

（５）必要最少かつ十分な要素の構成によってコンパク
トとなり、持運びが容易となり、フィールドにおける適
用ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定装置の概略構成を示す回路系統図
、 第２図は本発明測定装置の詳細構成を示す回路系統図、 第３図は本発明測定装置のカウンタ回路の測定原理説明
用回路配置図、 第４図は本発明測定装置のコンピュータブーログラムの
フローチャートを示す図、 第５図は本発明における試験体支持方法の一例を示す説
明図、 第６図は打撃音の原波形とフィルタで弁別した基本振動
の波形の一例を示す波形図、 第７図は従来のヤング率測定器の回路系統図である。 １・・・棒状試験体　　　　２・・・振動検出センサ３
・・・増幅回路 ４・・・入力波形の基本振動成分のみを弁別するローパ
スフィルタ ５・・・インターフェース ６・・・レベル値が調整できるコンパレータの機能をも
ったＡ／Ｄ変換回路 ７・・・基本振動の固有振動数を計測するカウンタ回路 ７ｕ−１・・・パルス分周回路 ７ｕ−２・・・波数計数回路ユニット ７ｕ−３・・・波数計数ＡＮＤ回路ユニット８・・・基
準時間パルス発生回路 ９・・・荷重センサ　　　　−０・・・増幅器１１・・
・ＣＲＴプリンタ　　−２・・・コンピュータ２１・・
・棒状試験体　　　　２２・・・マイクロフォン２３・
・・基本振動成分を弁別するフィルタ２４・・・固有振
動の周期を計測するカウンタ２５・・・インターフェー
ス　２６・・・荷重センサ２７・・・静荷重弁別フィル
タ ２８・・・ひずみ増幅器　　　２９・・・Ａ／Ｄ変換器
３０・・・インターフェース　３１・・・ＣＲＴプリン
タ３２・・・コンピュータ 同

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、棒状試験体の打撃音を検知し増幅しローパスフィル
   タとカウターとを介して縦共振周波数を検知する振動セ
   ンサ系と、前記試験体の重量を検知する荷重センサ系と
   、両系統の信号を受けて前記ローパスフィルタの遮断周
   波数の自動決定を行う機能を少くとももったコンピュー
   タ制御系とより成り、前記振動センサ系は、棒状試験体
   の打撃音を検知する振動センサと、振動センサからの入
   力信号の感度を調整する増幅回路と、入力波形の基本振
   動成分のみを弁別するローパスフィルタと、レベル値が
   調整できるコンパレータの機能をもったＡ／Ｄ変換回路
   と、基本振動の固有振動数を計測するカウンタ回路と、
   カウンタに供給する基準時間パルス発生回路とより成り
   、前記荷重センサ系は試験体の重量を計測する荷重セン
   サと、そのアナログ信号を増幅する増幅器と、Ａ／Ｄ変
   換器とより成り、前記制御系は振動センサ系と荷重セン
   サ系の入力よりローパスフィルタの遮断周波数を自動決
   定する機能と、試験体打撃音の固有振動周期の測定終了
   を検知する機能と、ヤング率、密度、音速の計算機能と
   をもったコンピュータ演算素子と、コンピュータで自動
   的に決定した遮断周波数信号をローパスフィルタに送る
   制御回路とより成ることを特徴とするヤング率自動測定
   器。 ２、前記ローパスフィルタは入力振動より基本振動以外
   の高次振動成分を取り除き基本振動周波数成分のみを弁
   別し、その遮断周波数はコンピュータにより自動設定さ
   れ、インターフェースを介してローパスフィルタに送ら
   れる請求項１に記載のヤング率自動測定器。３、前記カ
   ウンタユニットは基準時間パルス源と、Ａ／Ｄ変換回路
   を介してローパスフィルタに接続されると共にコンピュ
   ータに接続され、ローパスフィルタよりの出力波形がＡ
   ／Ｄ変換された振動波形より得られるゲート信号により
   時間パルスをゲートし単位時間当りの振動波形の波数を
   計数する請求項１記載のヤング率自動測定器。