JPH05164631A - Method and apparatus for measuring stress - Google Patents
Method and apparatus for measuring stressInfo
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- JPH05164631A JPH05164631A JP3352321A JP35232191A JPH05164631A JP H05164631 A JPH05164631 A JP H05164631A JP 3352321 A JP3352321 A JP 3352321A JP 35232191 A JP35232191 A JP 35232191A JP H05164631 A JPH05164631 A JP H05164631A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、応力測定方法及びその
装置に係り、とくに、金属,樹脂その他の超音波の伝搬
する材料で作られた細い棒あるいはワイヤに作用する引
張応力等の計測用として好適な応力測定方法及びその装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stress measuring method and apparatus, and more particularly, to measuring tensile stress acting on a thin rod or wire made of metal, resin or other material capable of transmitting ultrasonic waves. The present invention relates to a stress measuring method and a device suitable therefor.
【0002】[0002]
【背景技術】従来、ワイヤ等に作用する引張応力の計測
は、人間の勘にたよっている場合が多く、ワイヤ等に作
用する応力を精密に測定することはあまりなされていな
いが、実際にこの応力を計測する方法としては、ワイヤ
にひずみゲージ等を張り付け、歪ゲージの出力によりワ
イヤに作用する引張応力の計測を行なう方法があった。BACKGROUND ART Conventionally, the measurement of tensile stress acting on a wire or the like is often performed by human intuition, and the stress acting on the wire or the like is not precisely measured, but in practice, As a method of measuring the stress, there is a method of attaching a strain gauge or the like to the wire and measuring the tensile stress acting on the wire by the output of the strain gauge.
【0003】この他、ボルト等に作用する軸方向応力の
測定には、図4に示すような超音波応力測定装置が用い
られている。この図に示す超音波応力測定装置は、時間
計測スタート信号を受け超音波トランスデューサ駆動用
パルスを出力するパルサ回路51と、このパルサ回路5
1から出力されたパルスを電気音響変換し縦波超音波と
して出力するとともにこの超音波が測定対称物であるボ
ルト60内を図中矢印Eで示すように伝播後に受信して
電気信号に再変換する送受信用の超音波トランスデュー
サ(超音波センサ)52と、この超音波トランスデュー
サ52からの受信信号を十分な振幅に増幅する広帯域増
幅器53と、この広帯域増幅器53で増幅された受信信
号を方形波パルスに波形整形するコンパレータ54と、
このコンパレータ54から方形波パルスを入力するとと
もに時間計測スタート信号出力から当該方形波パルス入
力までの時間を計測する時間計測部55と、時間計測部
55からの出力信号を受け所定の演算を行なってボルト
60に作用する応力を算出するコンピュータ56と、こ
のコンピュータ56に検出温度に応じた信号をA/D変
換器57を介して送出する温度センサ59とを備えてい
る。コンピュータ56には、計測結果表示用の表示部5
8が併設されている。In addition, an ultrasonic stress measuring device as shown in FIG. 4 is used for measuring the axial stress acting on the bolt and the like. The ultrasonic stress measuring device shown in this figure includes a pulsar circuit 51 which receives a time measurement start signal and outputs ultrasonic transducer driving pulses, and a pulsar circuit 5
The pulse output from 1 is electroacoustically converted and output as a longitudinal ultrasonic wave, and this ultrasonic wave is received in the bolt 60, which is a symmetrical object of measurement, after propagating as shown by an arrow E in the figure and reconverted into an electric signal. A transmitting / receiving ultrasonic transducer (ultrasonic sensor) 52, a wide band amplifier 53 for amplifying a received signal from the ultrasonic transducer 52 to a sufficient amplitude, and a square wave pulse for the received signal amplified by the wide band amplifier 53. A comparator 54 that shapes the waveform into
A square wave pulse is input from the comparator 54, and a time measurement unit 55 that measures the time from the time measurement start signal output to the square wave pulse input and an output signal from the time measurement unit 55 are received to perform a predetermined calculation. A computer 56 for calculating the stress acting on the bolt 60 and a temperature sensor 59 for sending a signal according to the detected temperature to the computer 56 via the A / D converter 57 are provided. The computer 56 has a display unit 5 for displaying measurement results.
8 are installed side by side.
【0004】次に、この図4に示す応力測定装置による
ボルト軸力測定時の動作を説明する。計測開始に先立
ち、温度センサ58を測定対称物であるボルト60の一
部に接触させる。この状態で、ボルト軸力の計測を開始
すると、時刻t1 で時間計測部55から時間計測スター
ト信号がパルサ回路51に出力され、パルサ回路51で
は、この時間計測スタート信号の入力により超音波トラ
ンスデューサ駆動用パルスを発生する。この駆動用パル
スが超音波トランスデューサ52に送られ、当該超音波
トランスデューサ52では、パルサ回路51から出力さ
れたパルスを電気音響変換し縦波超音波として出力す
る。この縦波超音波が図中符号Eで示すように伝播し再
び超音波トランスデューサ52に入力し、電気信号に再
変換される。次いで、この受信信号が、広帯域増幅器5
3で十分な振幅に増幅された後、コンパレータ54にて
所定の基準電圧と比較され方形波パルスに波形整形され
て後、時刻t2 に時間計測部55に入力する。時間計測
部55では、t1 からt2 までの時間Δt=t2−t1
を測定し、その結果をコンピュータ56に送る。Next, the operation of the stress measuring device shown in FIG. 4 when measuring the bolt axial force will be described. Prior to the start of measurement, the temperature sensor 58 is brought into contact with part of the bolt 60, which is a symmetrical object of measurement. When the measurement of the bolt axial force is started in this state, a time measurement start signal is output from the time measurement unit 55 to the pulsar circuit 51 at the time t 1 , and the pulsar circuit 51 receives the time measurement start signal to input the ultrasonic transducer. Generates drive pulses. This drive pulse is sent to the ultrasonic transducer 52, and the ultrasonic transducer 52 electro-acoustic converts the pulse output from the pulser circuit 51 and outputs it as a longitudinal ultrasonic wave. This longitudinal ultrasonic wave propagates as indicated by reference numeral E in the figure, is input again to the ultrasonic transducer 52, and is converted into an electric signal again. Then, this received signal is converted into a wide band amplifier 5
After being amplified to a sufficient amplitude at 3, the comparator 54 compares it with a predetermined reference voltage to shape it into a square wave pulse, and then inputs it to the time measuring section 55 at time t 2 . In the time measuring unit 55, the time Δt = t 2 −t 1 from t 1 to t 2.
Is measured and the result is sent to the computer 56.
【0005】ところで、上記Δtの中には、電気信号が
電気回路中を伝播するのに要する時間te が誤差として
含まれているので、これを差し引いて正味の超音波の伝
播時間Δtu を求める必要がある。By the way, since the time t e required for the electric signal to propagate through the electric circuit is included as an error in the Δt, the net ultrasonic wave propagation time Δt u is subtracted from the error. Need to ask.
【0006】 Δtu =Δt−te =t2 −t1 −te ………………Δt u = Δt−t e = t 2 −t 1 −t e ………………
【0007】また、超音波を用いて応力の測定を行なう
場合、超音波の伝播時間は音弾性効果と測定対称物の応
力方向の縦歪との双方の影響により変化し、この変化量
が応力に比例することが知られている。このため、応力
が作用しない場合の超音波の伝播時間Δtubと応力が作
用した状態の超音波の伝播時間Δtuaとの差Δtudを求
めれば、このΔtudは応力に比例する。このため、Δt
udに予め実験等によって求められた比例係数kを掛ける
ことによって、応力uが求められることになる。Further, when the stress is measured using ultrasonic waves, the propagation time of ultrasonic waves changes due to both the acoustic elasticity effect and the longitudinal strain in the stress direction of the object to be measured, and this change amount is the stress. It is known to be proportional to. Therefore, if the difference Δt ud between the propagation time Δt ub of the ultrasonic wave when no stress is applied and the propagation time Δt ua of the ultrasonic wave when the stress is applied, this Δt ud is proportional to the stress. Therefore, Δt
The stress u can be obtained by multiplying ud by a proportional coefficient k previously obtained by experiments or the like.
【0008】 u=k・Δtud=k(Δtua−Δtub) ………………U = k · Δt ud = k (Δt ua −Δt ub ) ...
【0009】上記式中の比例係数kは、温度による影
響を受けるので、予め実験によって求めた温度係数αを
用いると、次式のようにあらわせる。Since the proportional coefficient k in the above equation is affected by temperature, it can be expressed as in the following equation by using the temperature coefficient α obtained in advance by experiment.
【0010】 k=k25{1+α(T−25)} ………………K = k 25 {1 + α (T-25)} ………………
【0011】ここで、Tは測定対象物の温度〔℃〕,k
25は25℃における比例係数である。Here, T is the temperature [° C.] of the object to be measured, k
25 is a proportional coefficient at 25 ° C.
【0012】以上より最終的に応力uは、次式により計
算される。From the above, the stress u is finally calculated by the following equation.
【0013】 u=k(Δtua−Δtub )=k25{1+α(T−25)}(Δtua−Δtub )……………………U = k (Δt ua −Δt ub ) = k 25 {1 + α (T-25)} (Δt ua −Δt ub ) ...
【0014】従って、コンピュータ56では、予めボル
ト60に応力が作用しない状態で式によりΔtubを求
めてこれをメモリ内に記憶し、応力測定時にΔt=t2
−t1 が時間計測部55から送られて来た時に式によ
りΔtuaを求めて、式により最終的に、ボルト60に
作用する軸力を算出し、この結果を表示部58に送出す
る。Therefore, in the computer 56, Δt ub is obtained by an equation in advance in a state where no stress acts on the bolt 60, and this is stored in the memory, and Δt = t 2 at the time of stress measurement.
When −t 1 is sent from the time measuring unit 55, Δt ua is obtained by an equation, and finally the axial force acting on the bolt 60 is calculated by the equation, and the result is sent to the display unit 58.
【0015】なお、受信専用の超音波トランスデューサ
を別個に設ける場合には、図4のA点に切替スイッチを
設けるとともに、その切替スイッチに受信専用の超音波
トランスデューサを接続し、切替スイッチにより超音波
トランスデューサ52を広帯域増幅器53から切り離
し、新たに設けた受信専用の超音波トランスデューサの
出力を広帯域増幅器53に接続すれことにより、同様に
して測定を行なうことができる。When a separate ultrasonic transducer dedicated to reception is provided, a changeover switch is provided at point A in FIG. 4, and an ultrasonic transducer dedicated to reception is connected to the changeover switch, and the ultrasonic wave is changed by the changeover switch. The same measurement can be performed by disconnecting the transducer 52 from the wide band amplifier 53 and connecting the output of a newly provided ultrasonic transducer exclusively for reception to the wide band amplifier 53.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】上述した歪ゲージ方式
にあっては、歪ゲージを接着剤を用いてワイヤ等の測定
対象物に接着しなければならず、面倒で手間が掛かると
いう不都合があった。また、上述した超音波方式にあっ
ては、測定対象物がボルト等の場合には、超音波トラン
スデューサをカプラント剤(水,油,グリセリン等)を
介して測定対象物に接触させるだけで良く、手軽に応力
の測定ができるが、ワイヤ等の引張応力を測定しようと
する場合には、応力が加わっているワイヤの端面に超音
波トランスデューサを取り付けることが事実上不可能で
あり、このため超音波トランスデューサを用いてワイヤ
等の引張応力を測定することはできないという問題点が
あった。In the strain gauge system described above, the strain gauge has to be adhered to an object to be measured such as a wire by using an adhesive, which is inconvenient and troublesome. It was Further, in the above-described ultrasonic method, when the measurement object is a bolt or the like, it is sufficient to bring the ultrasonic transducer into contact with the measurement object via a couplant agent (water, oil, glycerin, etc.), Although stress can be easily measured, it is virtually impossible to attach an ultrasonic transducer to the end face of the wire under stress when trying to measure the tensile stress of the wire. There is a problem that the tensile stress of the wire or the like cannot be measured using the transducer.
【0017】[0017]
【発明の目的】本発明は、かかる従来技術の有する問題
点に鑑みてなされたもので、その目的は、超音波を用い
てワイヤ等の引張応力を手軽に且正確に測定し得る応力
測定方法及びその装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object thereof is a stress measuring method capable of easily and accurately measuring the tensile stress of a wire or the like by using ultrasonic waves. And to provide the device.
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る応力測定方法では、送信側超音波トラ
ンスデューサを構成する圧電素子から臨界角以上の所定
の入射角で測定対象物の側面に樹脂部を介して縦波超音
波を出力し、樹脂部と測定対象物との境界面で超音波の
伝播モードを変換せしめて表面波を発生させ、この表面
波が測定対象物の側面の表面に沿って軸方向に伝播後に
当該表面波の伝播方向先に送信側超音波トランスデュー
サと所定距離を隔てて配置された受信側超音波トランス
デューサを構成する樹脂部と測定対象物の境界面で超音
波の伝播モードを再変換して縦波超音波とし、この縦波
超音波を樹脂部を介して圧電素子で受信し、送信側の圧
電素子が縦波超音波を出力してから受信側の圧電素子が
縦波超音波を受信するまでの超音波伝播時間を計測し、
この計測された超音波伝播時間から既知の電気回路内を
超音波が伝播する時間と既知の基準温度における超音波
の伝播時間及びその温度特性に基づき温度補正された前
記樹脂部内を縦波超音波が伝播する時間との合計時間を
差し引いて表面波の伝播時間を求め、このような手順を
繰り返して測定対称物に応力が作用しない場合と応力が
作用する場合の各場合について表面波の伝播時間を求
め、当該両伝播時間の差に予め実験等で求めた温度計数
により温度補正された所定の比例係数を乗じて測定対称
物の応力を算出する。In order to achieve the above object, in a stress measuring method according to the present invention, a side surface of an object to be measured at a predetermined incident angle of a critical angle or more from a piezoelectric element constituting a transmitting ultrasonic transducer. Longitudinal wave ultrasonic wave is output through the resin part to generate a surface wave by converting the propagation mode of the ultrasonic wave at the boundary surface between the resin part and the measurement object, and this surface wave is generated on the side surface of the measurement object. After propagating along the surface in the axial direction, the ultrasonic wave on the boundary surface of the object to be measured and the resin portion constituting the ultrasonic transducer on the receiving side, which is arranged at a predetermined distance from the ultrasonic transducer on the transmitting side, in the propagation direction of the surface wave. The sound wave propagation mode is reconverted into longitudinal ultrasonic waves, and the longitudinal ultrasonic waves are received by the piezoelectric element via the resin section. Piezoelectric element receives longitudinal ultrasonic waves The ultrasonic wave propagation time of up to measurement,
From the measured ultrasonic wave propagation time, the ultrasonic wave propagates in a known electric circuit, the ultrasonic wave propagation time at a known reference temperature, and longitudinal ultrasonic waves in the resin portion whose temperature is corrected based on the temperature characteristics. The propagation time of the surface wave is calculated by subtracting the total propagation time of the surface wave and the propagation time of the surface wave. Then, the stress of the measured symmetric object is calculated by multiplying the difference between the two propagation times by a predetermined proportional coefficient that has been temperature-corrected by temperature counting previously obtained by an experiment or the like.
【0019】また、本発明の応力測定装置は、時間計測
スタート信号を受け超音波トランスデューサ駆動用パル
スを出力するパルス発生手段と、このパルス発生手段か
らのパルスを電気音響変換し超音波として出力する送信
側超音波トランスデューサと、この送信側超音波トラン
スデューサに対応して設けられ超音波を受信してパルス
信号に変換する受信側超音波トランスデューサと、この
パルス信号を入力するとともに前記時間計測スタート信
号出力から当該パルス信号入力までの時間を計測する時
間計測部と、時間計測部からの出力信号を受け所定の演
算を行なって測定対象物に作用する応力を算出する演算
手段と、この演算手段に検出温度に応じた信号を送出す
る温度センサとを備えている。そして、両超音波トラン
スデューサが、樹脂部と、この樹脂部に一定の取り付け
角度をもって取り付けられ,その法線が当該樹脂部の底
面に直交する軸に対して成す角が該樹脂部と測定対象物
との境界面に表面波が生じる場合の超音波の入射角と一
致する圧電素子とをそれぞれ含んで構成されている。ま
た、両超音波トランスデューサのいずれか一方には、温
度センサが設けられている。更に、該両超音波トランス
デューサが、それぞれの樹脂部の底面が同一平面上に位
置するように一定距離を隔てて且それぞれの圧電素子の
法線が一点で交差するようにして配置されるとともに、
フレームにより一体化されている。このような構成によ
って、前述した目的を達成しようとするものである。Further, the stress measuring apparatus of the present invention receives a time measurement start signal and outputs a pulse for ultrasonic transducer driving, and a pulse generating means, and the pulse from this pulse generating means is electroacoustic converted and output as an ultrasonic wave. An ultrasonic transducer on the transmitting side, an ultrasonic transducer on the receiving side which is provided corresponding to the ultrasonic transducer on the transmitting side and receives ultrasonic waves and converts it into a pulse signal, and inputs the pulse signal and outputs the time measurement start signal To the input of the pulse signal, a time measuring unit, a calculating unit that receives an output signal from the time measuring unit and performs a predetermined calculation to calculate the stress acting on the measurement object, and the calculating unit detects the stress. And a temperature sensor that sends a signal according to the temperature. Then, both ultrasonic transducers are attached to the resin portion and a fixed attachment angle to the resin portion, and the angle formed by the normal line with respect to the axis orthogonal to the bottom surface of the resin portion is the resin portion and the object to be measured. And a piezoelectric element that coincides with the incident angle of the ultrasonic wave when a surface wave is generated at the boundary surface between and. Further, a temperature sensor is provided on either one of the two ultrasonic transducers. Further, the ultrasonic transducers are arranged at a constant distance so that the bottom surfaces of the respective resin parts are located on the same plane, and the normal lines of the respective piezoelectric elements intersect at one point,
It is integrated by the frame. With such a configuration, the above-described object is to be achieved.
【0020】[0020]
【作用】本発明に係る応力測定方法では、送信側と受信
側の超音波トランスデューサを一定距離を隔てて、ワイ
ヤ等の測定対象物の側面に相互に対向して配置し、温度
センサを測定対象物の表面に接触させるだけで、超音波
の伝播時間からコンピュータにより、正味の表面波の伝
播時間を求め、この表面波の伝播時間を用いて測定対象
物に作用する応力を算出し、この際に、温度センサの検
出温度に基づき温度補正を行ない正確な応力を算出する
ことができる。In the stress measuring method according to the present invention, the ultrasonic transducers on the transmitting side and the receiving side are arranged facing each other on the side surface of the measuring object such as a wire with a constant distance therebetween, and the temperature sensor is measured. By simply contacting the surface of the object, the computer calculates the net propagation time of the surface wave from the propagation time of the ultrasonic wave, and the propagation time of this surface wave is used to calculate the stress acting on the measurement object. Moreover, the temperature can be corrected based on the temperature detected by the temperature sensor, and the accurate stress can be calculated.
【0021】また、本発明の応力測定装置では、フレー
ムにより一体化された送信側と受信側の超音波トランス
デューサをそれぞれの樹脂部の底面が測定対象物の側面
に当接するように配置し、計測を開始すると、時刻t1
で時間計測部から時間計測スタート信号がパルサ回路に
出力され、パルサ回路では、この時間計測スタート信号
の入力により超音波トランスデューサ駆動用パルスを発
生する。この超音波トランスデューサ駆動用パルスが送
信側超音波トランスデューサに送られ、当該送信側超音
波トランスデューサでは、このパルサ回路から出力され
たパルスを圧電素子で電気音響変換し縦波超音波として
出力する。そして、この出力された縦波超音波が樹脂部
を介して測定対象物に向かって伝播し、樹脂部と測定対
象物の境界面で伝播モードが変換されて、表面波が発生
する。この表面波が、測定対象物の表面に沿って伝播後
受信側トランスデューサを構成する樹脂部と測定対象物
との境界面で再び伝播モードが変換され縦波超音波とな
り、この縦波超音波が樹脂部を介して圧電素子により受
信され電気信号に変換される。この電気信号が、時刻t
2 に時間計測部に入力する。時間計測部では、t1 から
t2 までの時間Δtを測定し、その結果を演算手段に送
る。演算手段では、この時間Δtに基づき所定の演算を
行なって、測定対象物に作用する応力を算出する。この
応力を算出する際に、演算手段では、温度センサの検出
温度に基づき所定の温度補正を行ない正確な応力を算出
する。Further, in the stress measuring apparatus of the present invention, the ultrasonic transducers on the transmitting side and the receiving side, which are integrated by the frame, are arranged so that the bottom surfaces of the respective resin portions are in contact with the side surfaces of the object to be measured, and the measurement is performed. Starts at time t 1
A time measurement start signal is output from the time measurement unit to the pulser circuit, and the pulser circuit generates an ultrasonic transducer driving pulse by inputting the time measurement start signal. This ultrasonic transducer driving pulse is sent to the transmitting ultrasonic transducer, and in the transmitting ultrasonic transducer, the pulse output from the pulser circuit is electroacoustically converted by the piezoelectric element and output as a longitudinal ultrasonic wave. Then, the output longitudinal ultrasonic wave propagates toward the measurement object via the resin portion, the propagation mode is converted at the boundary surface between the resin portion and the measurement object, and a surface wave is generated. After this surface wave propagates along the surface of the measurement object, the propagation mode is converted again at the boundary surface between the resin portion that constitutes the reception side transducer and the measurement object to become a longitudinal ultrasonic wave. It is received by the piezoelectric element via the resin portion and converted into an electric signal. This electric signal is time t
Input into the time measurement section in 2 . The time measuring unit measures the time Δt from t 1 to t 2 and sends the result to the calculating means. The calculation means performs a predetermined calculation based on this time Δt to calculate the stress acting on the measurement object. When calculating this stress, the calculation means performs a predetermined temperature correction based on the temperature detected by the temperature sensor to calculate an accurate stress.
【0022】[0022]
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図1ないし図
3に基づいて説明する。ここで、前述した図4の従来例
と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を
付すと共に、その説明を簡略にしあるいは省略するもの
とする。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. Here, the same reference numerals will be given to the same or equivalent components as those of the conventional example of FIG. 4 described above, and the description thereof will be simplified or omitted.
【0023】図1には、本発明の一実施例の構成が示さ
れている。この図1の実施例は、前述した図4の従来に
おける送受信用の超音波トランスデューサ(以下、ここ
での説明では「トランスデューサ」と略述する。)52
に代えて送信側トランスデューサ1と受信側トランスデ
ューサ2が設けられている点に特徴を有する。これらの
送信側トランスデューサ1と受信側トランスデューサ2
は、実際には、図2に示すように、樹脂部1A,2Aと
この樹脂部1A,2Aにその法線が当該樹脂部1A,2
Aの底面に直交する軸に対して一定角度θ(これについ
ては、後述する。)を成すように取り付けられた圧電素
子1B,2Bとをそれぞれ含んで構成されている。ま
た、送信側の樹脂部1Aの図2における底面の左端部
(この部分は、圧電素子1Bで発生する超音波が伝播し
ない部分である。)には、温度センサ59が一体的に固
定されている。そして、両トランスデューサ1,2は、
それぞれの樹脂部1A,2Aの底面が同一平面上に位置
するように一定距離を隔てて配置され、且それぞれの圧
電素子1B,2Bの法線が一点Oで交差するように対向
して配置され、更に図2に示すフレーム3により一体化
され、特殊な超音波送受波器10が構成されている。フ
レーム3の中央部には、長孔状の切り欠き3Aが形成さ
れており、この切り欠き3Aに指をかけて超音波送受波
器10の全体を容易に持ち運びできるようになってい
る。図2において、符号4は測定対称物としてのワイヤ
を示し、また符号1C,2Cは、樹脂部1A,2Aとワ
イヤ4との境界面で反射した余計な縦波超音波を吸収す
るための吸音材を示す。図1において、その他の部分の
構成は、図4の従来例とほぼ同様になっている。FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 1, an ultrasonic transducer for transmission / reception (hereinafter, abbreviated as “transducer”) 52 in the related art shown in FIG. 4 is used.
It is characterized in that a transmitting side transducer 1 and a receiving side transducer 2 are provided instead. These transmitting side transducer 1 and receiving side transducer 2
Actually, as shown in FIG. 2, the resin parts 1A and 2A and the resin parts 1A and 2A are
The piezoelectric elements 1B and 2B are attached so as to form a constant angle θ (which will be described later) with respect to the axis orthogonal to the bottom surface of A. A temperature sensor 59 is integrally fixed to the left end portion of the bottom surface of the resin portion 1A on the transmission side in FIG. 2 (this portion is a portion where ultrasonic waves generated in the piezoelectric element 1B do not propagate). There is. And both transducers 1 and 2 are
The bottom surfaces of the respective resin portions 1A and 2A are arranged at a constant distance so as to be located on the same plane, and the normal lines of the respective piezoelectric elements 1B and 2B are arranged so as to face each other at a point O. Further, a special ultrasonic wave transmitter / receiver 10 is configured by being integrated with the frame 3 shown in FIG. An elongated hole-shaped cutout 3A is formed in the center of the frame 3, and the entire ultrasonic wave transmitter / receiver 10 can be easily carried by putting a finger on the cutout 3A. In FIG. 2, reference numeral 4 represents a wire as a measurement object, and reference numerals 1C and 2C are sound absorptions for absorbing extra longitudinal ultrasonic waves reflected at the boundary surface between the resin portions 1A and 2A and the wire 4. Indicates the material. In FIG. 1, the configuration of the other parts is almost the same as the conventional example of FIG.
【0024】図2において、送信側の圧電素子1Bから
縦波超音波が出力されると(図2中符号B参照)、この
縦波超音波は、樹脂部1A中を伝播し、ワイヤ4との境
界面において反射,屈折,超音波の伝播モードの変換が
行なわれる。In FIG. 2, when a longitudinal ultrasonic wave is output from the piezoelectric element 1B on the transmission side (see reference numeral B in FIG. 2), this longitudinal ultrasonic wave propagates in the resin portion 1A and becomes a wire 4. At the boundary surface of, the reflection, refraction, and conversion of the ultrasonic propagation mode are performed.
【0025】ここで、一般的な物質Xと物質Yの境界面
における超音波の動作特性を図3に基づいて説明するこ
とにする。超音波がある入射角θi をもって物質Xと物
質Yの境界面に入射した場合、その一部は境界面で反射
角θr で反射し、残りは屈折角θt をもって物質Yに伝
播する。この時、入射角θi に対する反射角θr 及び屈
折角θt は、スネルの法則により、それぞれの超音波の
音速Ci ,Cr 及びCt との間に次式のような関係を満
足する。Here, the operating characteristics of ultrasonic waves at the general interface between the substance X and the substance Y will be described with reference to FIG. When an ultrasonic wave is incident on the interface between the substance X and the substance Y at a certain incident angle θ i , a part of the ultrasonic wave is reflected at the interface at the reflection angle θ r , and the rest propagates to the substance Y at the refraction angle θ t . At this time, the reflection angle θ r and the refraction angle θ t with respect to the incident angle θ i satisfy the following equations with the sound velocities C i , C r and C t of the ultrasonic waves according to Snell's law. To do.
【0026】 sinθi /Ci =sinθr /Cr =sinθt /Ct ……………Sin θ i / C i = sin θ r / C r = sin θ t / C t
【0027】ここで、物質Yの音速Ct が物質Xの音速
Ci よりも大きい場合、次式の関係を満足する入射角θ
i が必ず存在する。Here, when the sound velocity C t of the substance Y is higher than the sound velocity C i of the substance X, the incident angle θ satisfying the relation of the following equation:
i always exists.
【0028】 sinθi =Ci /Ct ・sinθt =Ci /Ct ……………Sin θ i = C i / C t · sin θ t = C i / C t ……………
【0029】即ち、sinθt =1〔θt =90度(d
eg)〕となるθi が存在し、θiがこれ以上では物質
Yへの透過波の発生がなくなり、このθi を臨界角とい
う。ここで、物質Xとして樹脂材料であるポリスチロー
ルを使用し、物質Yとして金属材料であるアルミニウム
あるいは鋼を使用すると、それぞれ音速は2340m/
s,6300m/s,5900m/sであるから、各材
料の臨界角は、それぞれ、θCAl =21.80deg,
θCFe =23.37degとなる。これ以上の入射角で
は、物質Yには縦波は発生せず、横波のみが発生する。That is, sin θ t = 1 [θ t = 90 degrees (d
eg i )] exists, and when θ i is more than this, the transmission wave to the substance Y is not generated, and this θ i is called a critical angle. Here, if polystyrene is used as the substance X and resin is used as the substance Y, and aluminum or steel is used as the substance Y, the sonic velocity is 2340 m /
s, 6300 m / s, 5900 m / s, the critical angles of the respective materials are θ CAl = 21.80 deg,
θ CFe = 23.37 deg. At an incident angle larger than this, longitudinal waves are not generated in the substance Y, and only transverse waves are generated.
【0030】次に、θi を更に大きくし、発生する横波
(表面波)の屈折角が90degになるようにすること
によって表面波(図2中符号C参照)が得られる。ここ
で、軟鋼,アルミニウムの表面波の音速は、それぞれ2
980m/s,2975m/sであるから、物質Xが樹
脂材料であるポリスチロールであれば、入射角θi =s
in-1(2340/2980)≒sin-1(2340/
2975)≒51degの時、表面波が発生することに
なる。従って、本実施例においても、ワイヤ4が鋼製
で、樹脂部1A,2Aがポリスチロールで形成されてい
るものとすれば、上述した圧電素子1B,2Bの取り付
け角度(圧電素子1B,2Bの法線が樹脂部1A,2A
の底面に直交する軸に対して成す一定角度)θは51d
egに予め設定される。(他の材質のものを使用する場
合には、それぞれの材質における音速に応じて圧電素子
の取り付け角度を定めれば良い。)Next, by further increasing θ i so that the transverse wave (surface wave) generated has a refraction angle of 90 deg, a surface wave (see symbol C in FIG. 2) is obtained. Here, the speed of sound of surface waves of mild steel and aluminum is 2 respectively.
Since the material X is 980 m / s and 2975 m / s, if the substance X is polystyrene, which is a resin material, the incident angle θ i = s
in −1 (2340/2980) ≈ sin −1 (2340 /
When 2975) ≈51 deg, a surface wave is generated. Therefore, also in the present embodiment, assuming that the wire 4 is made of steel and the resin portions 1A and 2A are made of polystyrene, the attachment angle of the piezoelectric elements 1B and 2B described above (the piezoelectric elements 1B and 2B are Normal parts are resin parts 1A, 2A
Angle is 50d.
It is preset to eg. (When using other materials, the mounting angle of the piezoelectric element may be determined according to the sound velocity of each material.)
【0031】次に、上述のようにして構成された本実施
例の装置を用いて、ワイヤ4の軸方向の引張応力を測定
する場合の動作について説明する。Next, the operation in the case of measuring the tensile stress in the axial direction of the wire 4 by using the apparatus of this embodiment constructed as described above will be described.
【0032】まず、操作者(測定者)は、測定に先立
ち、超音波送受波器10のフレーム3部分を前述したよ
うにして持ちワイヤ4の表面に当接させる(図2参
照)。そして、測定を開始し、時刻t1 で時間計測部5
5から時間計測スタート信号がパルス発生手段としての
パルサ回路51に出力されると、前述した従来例の項で
説明したのと同様にして、送信側トランスデューサ1の
圧電素子1Bでは、縦波超音波(図2中符号B参照)を
出力する。そして、この出力された縦波超音波は樹脂部
1Aを伝播後、ワイヤ4との境界面で、その一部は反射
されて吸音材1Cに吸収され、残りは伝播モードが変換
されて横波である表面波(図2中符号C参照)となる。
そして、この表面波がワイヤ4の表面に沿って図2中矢
印F方向に伝播後、受信側の樹脂部2Aとワイヤ4との
境界面で伝播モードが再変換されて縦波超音波(図2中
符号D参照)として受信側トランスデューサ2の樹脂部
2Aを介して圧電素子2Bにより受信され、パルス信号
に変換される。このパルス信号がコンパレータ54によ
り方形波に波形整形されて時刻t2 に時間計測部55に
入力する。時間計測部55では、t1 からt2 までの時
間Δtを測定し、その結果を演算手段としてのコンピュ
ータ56に送る。コンピュータ56では、この時間Δt
に基づき次式の演算を行なって正味の表面波の伝播時間
を算出する。First, the operator (measuring person) brings the frame 3 portion of the ultrasonic wave transmitter / receiver 10 into contact with the surface of the holding wire 4 as described above (see FIG. 2) prior to the measurement. Then, the measurement is started, and at time t 1 , the time measuring unit 5
When the time measurement start signal is output from 5 to the pulser circuit 51 as the pulse generating means, the piezoelectric element 1B of the transmitting side transducer 1 is subjected to the longitudinal ultrasonic wave in the same manner as described in the section of the conventional example. (See reference numeral B in FIG. 2) is output. Then, the outputted longitudinal ultrasonic wave propagates through the resin portion 1A, and then, at the boundary surface with the wire 4, a part of the ultrasonic wave is reflected and absorbed by the sound absorbing material 1C, and the rest is converted into a propagation mode by a transverse wave. It becomes a certain surface wave (see symbol C in FIG. 2).
Then, after the surface wave propagates along the surface of the wire 4 in the direction of arrow F in FIG. 2, the propagation mode is reconverted at the boundary surface between the resin portion 2A on the receiving side and the wire 4 and the longitudinal ultrasonic wave (FIG. 2 (reference numeral D in FIG. 2) is received by the piezoelectric element 2B via the resin portion 2A of the receiving side transducer 2 and converted into a pulse signal. This pulse signal is shaped into a square wave by the comparator 54 and input to the time measuring unit 55 at time t 2 . The time measuring unit 55 measures the time Δt from t 1 to t 2 and sends the result to the computer 56 as a calculation means. In the computer 56, this time Δt
Based on, the following equation is calculated to calculate the net propagation time of the surface wave.
【0033】 Δtu =Δt−te −tp =t2 −t1 −te −tp ………………[0033] Δt u = Δt-t e -t p = t 2 -t 1 -t e -t p ..................
【0034】ここで、tp は、温度補正された樹脂中の
縦波超音波の伝播時間であり、コンピュータ56では、
実験等で予め求められた基準温度における樹脂中の縦波
超音波の伝播時間及びその温度特性をマップとしてメモ
リに記憶しており、これに基づいて温度センサ59の検
出温度に応じてtp の値を算出する。なお、マップの変
わりに温度特性を示す近似式を用いてtp の値を算出す
るようにしてもよい。Here, t p is the propagation time of the longitudinal ultrasonic wave in the resin whose temperature is corrected, and in the computer 56,
The propagation time of the longitudinal ultrasonic wave in the resin at the reference temperature previously obtained in the experiment or the like and its temperature characteristic are stored in the memory as a map, and based on this, t p of the temperature detected by the temperature sensor 59 is determined. Calculate the value. Note that the value of t p may be calculated using an approximate expression indicating the temperature characteristic instead of the map.
【0035】そして、コンピュータ56では、従来例と
同様に、ワイヤ4に応力が作用しない場合の表面波の伝
播時間Δtubと応力が作用した状態の表面波の伝播時間
Δtuaとを式により算出し、予め実験等で求められ,
メモリに記憶された前述した式中の比例係数k,これ
に対応する式中の25℃における比例係数k25,温度
係数αを、用いて前述した式によりワイヤ4に作用す
る引張応力uを算出し、その結果を表示部58に出力す
る。Then, in the computer 56, similarly to the conventional example, the propagation time Δt ub of the surface wave when the stress is not applied to the wire 4 and the propagation time Δt ua of the surface wave when the stress is applied are calculated by the formulas. However, it is obtained in advance by experiments,
Calculating proportional coefficient k in the equation mentioned above is stored in the memory, the proportionality factor k 25 at 25 ° C. in the formulas corresponding thereto, the temperature coefficient alpha, the equations described above with reference to tensile stress u acting on the wire 4 Then, the result is output to the display unit 58.
【0036】本実施例の場合も、コンピュータ56で
は、予めワイヤ4に応力が作用しない状態で式により
Δtubを求めてこれをメモリ内に記憶し、応力測定時に
Δt=t2 −t1 が時間計測部55から送られて来た時
に式によりΔtuaを求めて、式により最終的に、ワ
イヤ4に作用する軸方向の引張応力uを算出すること
は、従来例の場合と同様である。Also in the case of this embodiment, in the computer 56, Δt ub is obtained by an equation in advance in a state where no stress acts on the wire 4, and this is stored in the memory, and Δt = t 2 −t 1 is obtained when the stress is measured. It is the same as in the case of the conventional example that Δt ua is obtained by the equation when it is sent from the time measuring unit 55, and finally the axial tensile stress u acting on the wire 4 is calculated by the equation. ..
【0037】以上説明したように、本実施例によると、
送信側トランスデューサ1及び受信側トランスデューサ
2及び温度センサ59が一体化された図2に示す超音波
送受波器10を手で持ってワイヤ4の側面に当接せしめ
るだけで、表面波の伝播時間によりワイヤ4に作用する
引張応力の測定を簡単に行なうことができ、表面波の伝
播速度は縦波に比べ半分あるいはそれ以下であるため、
伝播時間が多くかかり、時間計測分解能が同一とすれ
ば、応力計測の分解能は、縦波超音波を用いるボルト軸
力の計測等の場合に比較して向上する。As described above, according to this embodiment,
The ultrasonic wave transducer 10 shown in FIG. 2 in which the transducer 1 on the transmission side, the transducer 2 on the reception side, and the temperature sensor 59 are integrated is held by hand and brought into contact with the side surface of the wire 4, and Since the tensile stress acting on the wire 4 can be easily measured and the propagation velocity of the surface wave is half or less than that of the longitudinal wave,
If the propagation time is long and the time measurement resolution is the same, the resolution of stress measurement is improved as compared with the case of measuring bolt axial force using longitudinal ultrasonic waves.
【0038】[0038]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
応力測定に表面波を使用するので、超音波トランスデュ
ーサをワイヤ等の測定対象物の側面に当接させることに
より、これらに作用する応力を超音波を用いて容易に測
定することが可能となり、表面波の伝播速度は縦波超音
波に比し半分あるいはそれ以下であるので、時間計測分
解能が同一であれば応力計測の分解能を向上せしめるこ
とができる。従って、超音波を用いてワイヤ等の引張応
力を手軽に且正確に測定することができるという従来に
ない優れた応力測定方法及びその装置を提供することが
できる。As described above, according to the present invention,
Since surface waves are used for stress measurement, it is possible to easily measure the stress acting on these by using ultrasonic waves by bringing the ultrasonic transducer into contact with the side surface of the measurement object such as a wire. Since the wave propagation speed is half or less than that of longitudinal ultrasonic waves, the stress measurement resolution can be improved if the time measurement resolution is the same. Therefore, it is possible to provide an unprecedented excellent stress measuring method and apparatus capable of easily and accurately measuring the tensile stress of a wire or the like using ultrasonic waves.
【0039】なお、本発明の応力測定方法及びその装置
は、従来超音波による応力計測が困難であった金属・樹
脂その他の超音波の伝播する材料で作られた細い棒の張
力の測定,具体的には、オートバイ,自転車等のスポー
クの張力,架空電線,架空ワイヤ等の張力測定,ラケッ
トガットのテンション測定,クレーン等に使用されるワ
イヤの張力測定等非常に広範な範囲に適用できる。The stress measuring method and apparatus according to the present invention are used to measure the tension of a thin rod made of a material such as metal, resin, or other ultrasonic wave that has been difficult to measure stress by ultrasonic waves. Specifically, it can be applied to a very wide range such as the tension of spokes of motorcycles and bicycles, the tension measurement of overhead wires and overhead wires, the tension measurement of racket guts, the tension measurement of wires used in cranes and the like.
【図1】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention.
【図2】図1の送信側トランスデューサと受信側トラン
スデューサとを含む超音波送受波器の構成を説明するた
めの図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of an ultrasonic transducer including the transmitter transducer and the receiver transducer shown in FIG.
【図3】物質XとYの境界面における超音波の動作特性
を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining operating characteristics of ultrasonic waves at a boundary surface between substances X and Y.
【図4】ボルト軸力等の計測に用いられる従来の応力測
定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional stress measuring device used for measuring bolt axial force and the like.
1 送信側超音波トランスデューサ 1A 送信側の樹脂部 1B 送信側の圧電素子 2 受信側超音波トランスデューサ 2A 受信側の樹脂部 2B 受信側の圧電素子 3 フレーム 51 パルス発生手段としてのパルサ回路 55 時間計測部 56 演算手段としてのコンピュータ 59 温度センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmitting side ultrasonic transducer 1A Transmitting side resin part 1B Transmitting side piezoelectric element 2 Receiving side ultrasonic transducer 2A Receiving side resin part 2B Receiving side piezoelectric element 3 Frame 51 Pulser circuit as pulse generating means 55 Time measuring part 56 Computer as computing means 59 Temperature sensor
Claims (2)
る圧電素子から臨界角以上の所定の入射角で測定対象物
の側面に樹脂部を介して縦波超音波を出力し、前記樹脂
部と測定対象物との境界面で超音波の伝播モードを変換
せしめて表面波を発生させ、この表面波が前記測定対象
物の側面の表面に沿って軸方向に伝播後に当該表面波の
伝播方向先に前記送信側超音波トランスデューサと所定
距離を隔てて配置された受信側超音波トランスデューサ
を構成する樹脂部と測定対象物との境界面で超音波の伝
播モードを再変換して縦波超音波とし、この縦波超音波
を樹脂部を介して圧電素子で受信し、前記送信側の圧電
素子が縦波超音波を出力してから受信側の圧電素子が縦
波超音波を受信するまでの超音波伝播時間を計測し、こ
の計測された超音波伝播時間から既知の電気回路内を超
音波が伝播する時間と既知の基準温度における超音波の
伝播時間及びその温度特性に基づき温度補正された前記
樹脂部内を縦波超音波が伝播する時間との合計時間を差
し引いて前記表面波の伝播時間を求め、このような手順
を繰り返して前記測定対称物に応力が作用しない場合と
応力が作用する場合の各場合について前記表面波の伝播
時間を求め、当該両伝播時間の差に予め実験等で求めた
温度計数により温度補正された所定の比例係数を乗じて
前記測定対称物の軸方向応力を算出することを特徴とし
た応力測定方法。1. A longitudinal ultrasonic wave is output from a piezoelectric element forming a transmitting-side ultrasonic transducer to a side surface of an object to be measured through a resin portion at a predetermined incident angle of a critical angle or more, and the resin portion and the object to be measured. The surface wave is generated by converting the propagation mode of the ultrasonic wave at the boundary surface with the object, and the surface wave is propagated in the axial direction along the surface of the side surface of the measurement target, and then the propagation direction of the surface wave is further forward. Longitudinal ultrasonic waves are reconverted by changing the propagation mode of ultrasonic waves at the boundary surface between the resin part and the measurement object that make up the receiving ultrasonic transducers arranged at a predetermined distance from the transmitting ultrasonic transducers. The ultrasonic wave is propagated from the time when the piezoelectric element on the transmission side outputs the longitudinal wave ultrasonic wave to the time when the piezoelectric element on the reception side receives the longitudinal wave ultrasonic wave. Time is measured and this measured ultrasonic wave From the propagation time, the time it takes for the ultrasonic wave to propagate in the known electric circuit and the time for the ultrasonic wave to propagate in the resin portion that has been temperature-corrected based on the propagation time of the ultrasonic wave at a known reference temperature and its temperature characteristics. Obtain the propagation time of the surface wave by subtracting the total time, determine the propagation time of the surface wave for each case when stress does not act on the measurement symmetric object and stress acts by repeating such a procedure, A stress measuring method, characterized in that the stress in the axial direction of the object to be measured is calculated by multiplying the difference between the two propagation times by a predetermined proportional coefficient which has been temperature-corrected by a temperature coefficient previously obtained by an experiment or the like.
ンスデューサ駆動用パルスを出力するパルス発生手段
と、このパルス発生手段からのパルスを電気音響変換し
超音波として出力する送信側超音波トランスデューサ
と、この送信側超音波トランスデューサに対応して設け
られ超音波を受信してパルス信号に変換する受信側超音
波トランスデューサと、このパルス信号を入力するとと
もに前記時間計測スタート信号出力から当該パルス信号
入力までの時間を計測する時間計測部と、時間計測部か
らの出力信号を受け所定の演算を行なって測定対象物に
作用する応力を算出する演算手段と、この演算手段に検
出温度に応じた信号を送出する温度センサとを備えた応
力測定装置において、前記両超音波トランスデューサ
が、樹脂部と、この樹脂部に一定の取り付け角度をもっ
て取り付けられ,その法線が当該樹脂部の底面に直交す
る軸に対して成す角が該樹脂部と測定対象物との境界面
に表面波が生じる場合の超音波の入射角と一致する圧電
素子とをそれぞれ含んで構成され、前記両超音波トラン
スデューサのいずれか一方に前記温度センサが設けら
れ、該両超音波トランスデューサが、それぞれの樹脂部
の底面が同一平面上に位置するように一定距離を隔てて
且それぞれの圧電素子の法線が一点で交差するようにし
て配置されるとともに,フレームにより一体化されてい
ることを特徴とした応力測定装置。2. A pulse generating means for receiving an ultrasonic transducer driving pulse upon receiving a time measurement start signal, a transmission side ultrasonic transducer for electroacoustically converting the pulse from this pulse generating means and outputting it as an ultrasonic wave, The ultrasonic transducer on the receiving side that is provided corresponding to the ultrasonic transducer on the transmitting side and receives the ultrasonic wave and converts it into a pulse signal, and the time from the output of the time measurement start signal to the input of the pulse signal while inputting this pulse signal For measuring the stress, a calculation means for calculating a stress acting on the measurement object by performing a predetermined calculation upon receiving an output signal from the time measurement portion, and sending a signal according to the detected temperature to the calculation means. In a stress measuring device equipped with a temperature sensor, both ultrasonic transducers include a resin portion and the resin portion. When a surface wave is generated at the boundary surface between the resin part and the object to be measured, the angle of the normal line to the axis orthogonal to the bottom surface of the resin part Each of the ultrasonic transducers is provided with the temperature sensor, and the bottom surface of each resin portion is located on the same plane. As described above, the stress measuring device is characterized in that the piezoelectric elements are arranged at a fixed distance and the normals of the respective piezoelectric elements intersect at one point, and are integrated by a frame.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3352321A JPH05164631A (en) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | Method and apparatus for measuring stress |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3352321A JPH05164631A (en) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | Method and apparatus for measuring stress |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05164631A true JPH05164631A (en) | 1993-06-29 |
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ID=18423266
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3352321A Pending JPH05164631A (en) | 1991-12-13 | 1991-12-13 | Method and apparatus for measuring stress |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05164631A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2649220C2 (en) * | 2013-02-28 | 2018-03-30 | Арефа Гмбх | Method for detecting temporally varying thermomechanical stresses and/or stress gradients over the wall thickness of metal bodies |
CN111337171A (en) * | 2020-04-03 | 2020-06-26 | 北京工商大学 | Acoustic time difference measuring method applied to critical refraction longitudinal wave stress detection |
KR20210086111A (en) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 한국과학기술원 | Method and System for Evaluating Tensile Stress of Structure Using Ultrasound |
CN114279607A (en) * | 2021-12-27 | 2022-04-05 | 四川大学 | Cable joint interface pressure monitoring method and device based on acoustic elastic effect |
-
1991
- 1991-12-13 JP JP3352321A patent/JPH05164631A/en active Pending
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