JPH11218484A - Method and device for viscoelasticity measurement - Google Patents

Method and device for viscoelasticity measurement

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JPH11218484A
JPH11218484A JP2250098A JP2250098A JPH11218484A JP H11218484 A JPH11218484 A JP H11218484A JP 2250098 A JP2250098 A JP 2250098A JP 2250098 A JP2250098 A JP 2250098A JP H11218484 A JPH11218484 A JP H11218484A
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JP
Japan
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signal
displacement
load
zero
digital
Prior art date
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Application number
JP2250098A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigeki Ono
茂喜 小野
Akira Yamada
山田  晃
Kiyoshi Watanabe
潔 渡辺
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NIPPON APPLIED TECHNOLOGY KK
Bridgestone Corp
Original Assignee
NIPPON APPLIED TECHNOLOGY KK
Bridgestone Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH11218484A publication Critical patent/JPH11218484A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately and highly stably measure the viscoelastic characteristics of a viscoelastic body by sampling a displacement signal and a load signal simultaneously at a sampling period and converting them to each digital signal, and then executing processing after the conversion by computer software. SOLUTION: The both terminal parts of an elastic body test piece 11 are chucked by an upper chuck 12 and a lower chuck 13, the upper chuck 12 is positioned at a position corresponding to a load zero point-setting value, and at the same time a vibration rod 22 is vibrated in a vertical direction with an amplitude corresponding to a displacement amplitude setting value with a displacement point position as a center and at the same time a rod signal and a displacement signal outputted from a load cell amplifier 31 and a linearizer 42 are converted to a digital signal at a specific sampling section by A/D converters 32 and 43 in synchronization with a synchronization signal from a sinusoidal wave oscillator 56. A phase difference angle is directly measured on a time axis by an operation control circuit 33 based on the output of the A/D converters 32 and 43. The measurement result is outputted to an outputting device 71.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、粘弾性体、例え
ば加硫ゴム、の粘弾性特性を引っ張り振動あるいは曲げ
振動方式の非共振強制振動法によって測定する方法およ
び装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for measuring the viscoelastic properties of a viscoelastic body, for example, a vulcanized rubber, by a non-resonant forced vibration method of a tensile vibration or bending vibration method.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、自動車タイヤにおいては、近
年、タイヤの摩耗、疲労・破壊等の耐久性に加えて、操
縦性、安定性、振動乗心地性、低燃費性等の多種多様の
性能が要求されている。このような性能を所期した通り
に実現するためには、ゴム材料の粘弾性特性を高い精度
で測定することが必要となる。
2. Description of the Related Art For example, in recent years, a variety of performances such as maneuverability, stability, vibration riding comfort, and low fuel consumption have been recently developed in automobile tires in addition to durability such as tire wear, fatigue and destruction. Has been requested. In order to achieve such performance as expected, it is necessary to measure the viscoelastic properties of the rubber material with high accuracy.

【0003】そこで、従来は、スペクトロメータ等の粘
弾性測定装置を用い、そのチャック手段に、例えば加硫
ゴムからなる短冊状の弾性体試験片、一般的には幅4m
m、厚さ2mm、長さ40mmの試験片の両端部分を把持し
て、その一端に例えば引っ張りによる正弦波状の変形を
与え、そのときに試験片に生じるひずみを例えば変位セ
ンサの出力に基づいて検出すると共に、応力を例えばロ
ードセルの出力に基づいて検出し、それらの検出信号波
形を処理して動的貯蔵弾性率(E′)、動的損失弾性率
(E″)および損失係数( tanδ)を求めるようにして
いる。
Therefore, conventionally, a viscoelasticity measuring device such as a spectrometer has been used, and a strip-shaped elastic test piece made of, for example, vulcanized rubber, generally having a width of 4 m
m, a thickness of 2 mm, a length of 40 mm of the test piece is gripped at both ends, and one end of the test piece is subjected to, for example, a sine wave-like deformation by pulling. At the same time, the stress is detected based on, for example, the output of the load cell, and the waveforms of the detected signals are processed to obtain a dynamic storage modulus (E ′), a dynamic loss modulus (E ″), and a loss coefficient (tan δ). I want to ask.

【0004】ここで、E′は、ひずみ(正弦波)を基準
に考えたとき、応力(正弦波)の、ひずみと同位相の成
分とひずみとから計算される弾性率であり、E″は、同
じく応力のひずみより90°位相が進んだ成分とひずみ
とから計算される弾性率であり、tan δは、粘弾性体の
弾性体としての性質、粘性体としての性質の度合いを表
すもので、これらE′,E″および tanδ間には、 tanδ=E″/E′ ・・・(1) の関係があり、δはひずみと応力の位相差角を表してい
る(JIS K7198参照)。
[0004] Here, E 'is an elastic modulus calculated from the component of the stress (sine wave) in phase with the strain and the strain when considering the strain (sine wave), and E "is , Is the elastic modulus calculated from the component and the strain whose phase is advanced by 90 ° from the stress strain, and tan δ represents the degree of the viscoelastic material as an elastic material and the viscous material. , Tanδ = E ″ / E ′ (1), where δ represents the phase difference angle between strain and stress (see JIS K7198).

【0005】さらに、E′,E″は、それぞれ複素弾性
率(E* )の実数成分,虚数成分であり、これらの各パ
ラメータの間には、以下のような関係がある。 E′=|E* | cosδ ・・・(2) E″=|E* | sinδ ・・・(3) |E* 2 =E′2 +E″2 ・・・(4)
Further, E 'and E "are a real component and an imaginary component of the complex elastic modulus (E * ), respectively, and these parameters have the following relationship: E' = | E * | cosδ ··· (2) E "= | E * | sinδ ··· (3) | E * | 2 = E '2 + E" 2 ··· (4)

【0006】上述したパラメータのうち、特に tanδ
は、物質の粘弾性的性質を端的に示す数値であって、そ
の測定精度は、測定装置本体の機構上の優劣に左右され
る他、測定方式によって大きく影響される。この tanδ
の測定方法としては、従来、(1)ひずみ信号波形およ
び応力信号波形から直接 tanδを測定する方法、(2)
E′,E″を測定して tanδを求める方法、(3)応力
波形とひずみ波形との位相差角δを直接計測する方法が
提案されている。
Among the above-mentioned parameters, in particular, tanδ
Is a numerical value indicating the viscoelastic property of a substance, and its measurement accuracy is greatly affected by the mechanical strength of the measurement device main body and is greatly affected by the measurement method. This tanδ
Conventionally, (1) a method of directly measuring tan δ from a strain signal waveform and a stress signal waveform, (2)
A method has been proposed in which E 'and E "are measured to determine tan δ, and (3) a method for directly measuring the phase difference angle δ between the stress waveform and the strain waveform.

【0007】上記(1)の方法は、図5に示すように、
例えばロードセルの出力に基づいて検出される応力信号
σ(t) と、例えば変位センサの出力に基づいて検出され
るひずみ信号ε(t) とを乗算器1に供給してアナログ乗
算し、この乗算器1の出力をローパスフィルタ2に供給
して交流成分を除去する、いわゆるロックインアンプに
より cosδに比例した信号を得、このローパスフィルタ
2の出力に基づいてtanδを求めるものである。
[0007] The method of the above (1), as shown in FIG.
For example, the stress signal σ (t) detected based on the output of the load cell and the strain signal ε (t) detected based on the output of the displacement sensor are supplied to the multiplier 1 for analog multiplication. A signal proportional to cos δ is obtained by a so-called lock-in amplifier that supplies an output of the filter 1 to a low-pass filter 2 to remove an AC component, and tan δ is obtained based on the output of the low-pass filter 2.

【0008】すなわち、図6(a)に示すようなσ(t)
と図6(b)に示すようなε(t) とを乗算器1で乗算す
ると、 σ(t) ・ε(t) =σ0sinωt ・ε0cos(ωt −δ) =σ0 ・ε0cosδ/2−{σ0 ・ε0cos(2ωt −δ)/2 } ・・・(5) ここで、σ0 ;動的最大応力 ω=2πf(ただし、fは振動周波数) ε0 ;動的最大ひずみ となり、図6(c)に示すような2倍の振動周波数で、
cosδに比例したオフセットのある波形が得られる。こ
こで、(5)式の第1項は直流成分であり、第2項は純
粋な交流成分であるので、ローパスフィルタ2のカット
オフ周波数を2fとして、第2項の交流成分を除去し
て、 cosδに比例した信号を得、それに基づいて tanδ
を求めるものである。
That is, σ (t) as shown in FIG.
And when, as shown in FIG. 6 (b) epsilon and (t) is multiplied by the multiplier 1, σ (t) · ε (t) = σ 0 sinωt · ε 0 cos (ωt -δ) = σ 0 · ε 0 cosδ / 2− {σ 0 · ε 0 cos (2ωt−δ) / 2 ・ ・ ・ (5) where σ 0 ; dynamic maximum stress ω = 2πf (where f is the vibration frequency) ε 0 ; The dynamic maximum strain becomes as follows, and the vibration frequency is doubled as shown in FIG.
A waveform with an offset proportional to cos δ is obtained. Here, since the first term of the equation (5) is a DC component and the second term is a pure AC component, the cutoff frequency of the low-pass filter 2 is set to 2f, and the AC component of the second term is removed. , And obtain a signal proportional to cosδ, based on which tanδ
Is what you want.

【0009】上記(2)の方法は、E′,E″の定義通
りの計測方法で、従来の各種の粘弾性測定装置に最も一
般的に採用されているものである。この方法では、図7
に示すように、応力信号σ(t) を位相検波器5および6
にそれぞれ供給し、ひずみ信号ε(t) は位相検波器5に
供給すると共に、90°移相器7を経て位相検波器6に
供給する。このようにして、位相検波器5において、ひ
ずみ信号ε(t) を基準に応力信号σ(t) を位相検波し
て、ひずみと同位相の応力波形成分(E′に比例した出
力)を得、位相検波器6において、ひずみ信号ε(t) を
90°移相させた正弦波信号ε90(t) を基準に応力信号
σ(t) を位相検波して、ひずみと90°位相がずれた応
力波形成分(E″に比例した出力)を得て、これら位相
検波器5,6の出力信号の比から tanδを求めるもので
ある。
The method (2) is a measurement method as defined by E 'and E "and is most generally employed in various conventional viscoelasticity measuring apparatuses. 7
As shown in the figure, the stress signal σ (t) is
, And the distortion signal ε (t) is supplied to the phase detector 5 and to the phase detector 6 via the 90 ° phase shifter 7. In this way, the phase detector 5 detects the phase of the stress signal σ (t) based on the strain signal ε (t), and obtains a stress waveform component in phase with the strain (output proportional to E ′). In the phase detector 6, the phase of the stress signal σ (t) is detected based on a sine wave signal ε 90 (t) obtained by shifting the phase of the distortion signal ε (t) by 90 °. Then, a stress waveform component (output proportional to E ″) is obtained, and tan δ is obtained from the ratio of the output signals of the phase detectors 5 and 6.

【0010】上記(3)の方法は、応力信号σ(t) とひ
ずみ信号ε(t) とのそれぞれの動的成分を抽出し、両信
号の波形が同位相になる点(最大値、最小値またはゼロ
点)の時間差に基づいて、位相差角δを直接測定して t
anδを求めるものである。このため、かかる測定方法を
採用する装置では、図8(a)に示すような応力信号σ
(t) 、および図8(b)に示すようなひずみ信号ε(t)
を、例えばゲインの大きい増幅器でそれぞれ増幅するこ
とにより、図8(c)および図8(d)に示すような矩
形波に変換し、これら信号を例えば排他的論理和回路に
供給して図8(e)に示すような信号を得たのち、この
信号を積分器で積分してδに比例した出力を得るもので
ある。
In the above method (3), the dynamic components of the stress signal σ (t) and the strain signal ε (t) are extracted, and the points where the waveforms of both signals have the same phase (maximum value, minimum value). Value or zero point), the phase difference angle δ is directly measured and t
is to calculate anδ. For this reason, in an apparatus adopting such a measuring method, a stress signal σ as shown in FIG.
(t) and the distortion signal ε (t) as shown in FIG.
Are converted into rectangular waves as shown in FIGS. 8C and 8D, for example, by amplifying the signals by, for example, amplifiers having large gains. After obtaining the signal as shown in (e), this signal is integrated by an integrator to obtain an output proportional to δ.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】ところで、粘弾性の測
定では、一般に、動的な変位(ひずみ)の振幅が、20
μm程度から数百μmと極めて微小であり、また、ロー
ドセルによって測定する荷重(応力)は、数gfの微小
な力から、温度スペクトルにおけるTg点(ゴムの低温
におけるガラス転移点)付近の数千gfまでと、非常に
広範囲である。このような厳しい条件下で、新しい材料
の開発が進むにつれ、より高い精度の測定、例えば tan
δで0.001の精度、あるいはそれ以上の高精度の測
定が要求されている。
In the measurement of viscoelasticity, generally, the amplitude of a dynamic displacement (strain) is 20
The load (stress) measured by the load cell is as small as several gf to a few thousand near the Tg point (glass transition point of rubber at a low temperature) in a temperature spectrum. It is very wide, up to gf. Under these harsh conditions, as new materials are developed, more accurate measurements, such as tan
Accurate measurement of 0.001 or more in δ is required.

【0012】しかしながら、上述した従来の測定方法に
あっては、いずれも、応力信号およびひずみ信号を、そ
れぞれの測定方法に応じた機能を有する電子回路(ハー
ドウエア)により信号処理して tanδを測定するように
しているため、以下の理由から、精度を十分向上できな
いという問題がある。すなわち、ひずみおよび応力を広
いダイナミックレンジに亘って高精度かつ高安定度で測
定するには、直線性のみならず、回路のドリフト等によ
る限界があり、特に tanδについては、ひずみと応力と
の位相差を測定するものでありながら、電子回路自体に
よる位相遅れが生じてしまう。このため、特に上記
(2)の測定方法のように、E′,E″から間接的に t
anδを計測する場合には、E″の値がE′の値よりも2
桁以上小さくなる損失の少ない材料の場合には、E″の
測定限界によって tanδの測定精度の限界が決まってし
まうという問題がある。
However, in the above-described conventional measuring methods, both the stress signal and the strain signal are subjected to signal processing by an electronic circuit (hardware) having a function corresponding to each measuring method to measure tan δ. Therefore, there is a problem that the accuracy cannot be sufficiently improved for the following reasons. In other words, to measure strain and stress with high accuracy and high stability over a wide dynamic range, there are limitations not only due to linearity but also due to circuit drift and the like. Although the phase difference is measured, a phase delay occurs due to the electronic circuit itself. Therefore, in particular, as in the measurement method (2), t ′ is indirectly derived from E ′, E ″.
When measuring anδ, the value of E ″ is two times greater than the value of E ′.
In the case of a low-loss material that is smaller than an order of magnitude, there is a problem in that the measurement accuracy limit of tan δ is determined by the measurement limit of E ″.

【0013】また、一般に、ハードウエアによって測定
精度を若干なりとも向上させるためには、相当高価な測
定回路が必要となり、大幅なコストアップを招くという
問題がある。なお、上述した種々の問題は、引っ張り振
動方式に限らず、曲げ振動方式によって粘弾性特性を測
定する場合にも、同様に生じるものである。
In general, in order to improve the measurement accuracy to some extent by hardware, a considerably expensive measurement circuit is required, which causes a problem that the cost is greatly increased. The various problems described above occur not only in the case of the tensile vibration method but also in the case where the viscoelastic characteristics are measured by the bending vibration method.

【0014】この発明は、上述した従来の問題点に着目
してなされたもので、その第1の目的は、粘弾性体の粘
弾性特性を常に高精度かつ高安定度で測定できる粘弾性
測定方法を提供しようとするものである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and a first object of the present invention is to provide a viscoelasticity measurement capable of always measuring the viscoelasticity characteristics of a viscoelastic body with high accuracy and high stability. It seeks to provide a way.

【0015】さらに、この発明の第2の目的は、上記の
測定方法を簡単かつ安価な構成で実施できるようにした
粘弾性測定装置を提供しようとするものである。
Further, a second object of the present invention is to provide a viscoelasticity measuring apparatus capable of implementing the above measuring method with a simple and inexpensive configuration.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成す
るため、この発明に係る粘弾性測定方法では、弾性体試
験片を一定の振動周波数で非共振強制振動させながら、
その振動による変位量および前記弾性体試験片に作用す
る荷重をそれぞれ変位センサおよびロードセルで検出
し、これら変位センサからの変位信号およびロードセル
からの荷重信号に基づいて前記弾性体試験片の粘弾性特
性を測定するにあたり、前記変位信号および前記荷重信
号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリングして
それぞれデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変
換工程と、前記変位信号のデジタル信号に基づいて、該
変位信号のゼロ・クロス点を検出すると共に、前記荷重
信号のデジタル信号に基づいて、該荷重信号のゼロ・ク
ロス点を検出するゼロ・クロス点検出工程と、このゼロ
・クロス点検出工程で検出した前記変位信号のゼロ・ク
ロス点と、前記荷重信号のゼロ・クロス点との差を演算
して、該ゼロ・クロス点の差、前記サンプリング周期お
よび前記振動周波数に基づいて、前記変位信号および前
記荷重信号の位相差角を演算する演算工程とを含むこと
を特徴とするものである。
In order to achieve the first object, in the viscoelasticity measuring method according to the present invention, the elastic body test piece is subjected to non-resonant forcible vibration at a constant vibration frequency.
A displacement amount due to the vibration and a load acting on the elastic body test piece are detected by a displacement sensor and a load cell, respectively. Based on the displacement signal from the displacement sensor and the load signal from the load cell, the viscoelastic characteristics of the elastic body test piece are measured. In measuring the displacement signal, an analog / digital conversion step of simultaneously sampling the displacement signal and the load signal at a predetermined sampling cycle and converting them into digital signals, respectively, based on the digital signal of the displacement signal, A zero cross point detecting step of detecting a cross point and detecting a zero cross point of the load signal based on the digital signal of the load signal; and the displacement signal detected in the zero cross point detecting step. The difference between the zero crossing point of the load signal and the zero crossing point of the load signal is calculated, and the zero crossing point is calculated. The difference of the point, on the basis of the sampling period and the vibration frequency and is characterized in that it comprises a calculation step of calculating a phase difference angle of the displacement signal and the load signal.

【0017】この発明の一実施形態においては、前記ゼ
ロ・クロス点検出工程は、前記変位信号のデジタル信号
および前記荷重信号のデジタル信号の各々について、ノ
イズ成分を除去する平滑化処理と、この平滑化処理され
たデジタル信号の最大値および最小値を求めて、それら
の平均値をゼロ点として検出するゼロ点検出処理と、そ
の検出されたゼロ点に関して符号が変化する前後数点の
デジタル信号をそれぞれ抽出して、前記デジタル信号を
補間する補間処理とを行い、この補間処理されたデジタ
ル信号から対応するゼロ・クロス点を検出するようにす
る。
In one embodiment of the present invention, the zero crossing point detecting step includes a smoothing process for removing a noise component from each of the digital signal of the displacement signal and the digital signal of the load signal, and the smoothing process. The maximum value and the minimum value of the digitized digital signal are obtained, a zero point detection process of detecting the average value thereof as a zero point, and digital signals of several points before and after the sign changes with respect to the detected zero point are obtained. Each of the extracted digital signals is subjected to interpolation processing for interpolating the digital signal, and a corresponding zero-cross point is detected from the interpolated digital signal.

【0018】このようにすれば、各ゼロ・クロス点をよ
り正確に検出することができ、したがって位相差角をよ
り精度良く求めることが可能となる。
In this way, each zero-cross point can be detected more accurately, and therefore, the phase difference angle can be determined more accurately.

【0019】さらに、上記第2の目的を達成するため、
この発明は、弾性体試験片を加振器により一定の振動周
波数で非共振強制振動させながら、その振動による変位
量および前記弾性体試験片に作用する荷重をそれぞれ変
位センサおよびロードセルで検出し、これら変位センサ
からの変位信号およびロードセルからの荷重信号に基づ
いて前記弾性体試験片の粘弾性特性を測定する粘弾性測
定装置において、前記変位信号をサンプリングしてデジ
タル信号に変換する第1のアナログ/デジタル変換手段
と、前記荷重信号をサンプリングしてデジタル信号に変
換する第2のアナログ/デジタル変換手段と、前記加振
器、前記第1のアナログ/デジタル変換手段および前記
第2のアナログ/デジタル変換手段の動作をそれぞれ制
御すると共に、前記前記第1のアナログ/デジタル変換
手段および前記第2のアナログ/デジタル変換手段から
のそれぞれのデジタル信号に基づいて前記変位信号およ
び前記荷重信号の位相差角を演算する演算制御手段とを
有し、この演算制御手段により、前記変位信号および前
記荷重信号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリ
ングしてそれぞれデジタル信号に変換するように、前記
第1のアナログ/デジタル変換手段および前記第2のア
ナログ/デジタル変換手段の動作を制御して、第1のア
ナログ/デジタル変換手段からのデジタル信号に基づい
て、前記変位信号のゼロ・クロス点を検出すると共に、
前記第2のアナログ/デジタル変換手段からのデジタル
信号に基づいて、前記荷重信号のゼロ・クロス点を検出
し、これら検出した前記変位信号のゼロ・クロス点と前
記荷重信号のゼロ・クロス点との差、前記サンプリング
周期および前記振動周波数に基づいて、前記位相差角を
演算するよう構成したことを特徴とするものである。
Further, in order to achieve the second object,
According to the present invention, the elastic body test piece is subjected to non-resonant forced vibration at a constant vibration frequency by a vibrator, and a displacement amount due to the vibration and a load acting on the elastic body test piece are detected by a displacement sensor and a load cell, respectively. In a viscoelasticity measuring device for measuring a viscoelastic characteristic of the elastic test piece based on a displacement signal from the displacement sensor and a load signal from a load cell, a first analog for sampling the displacement signal and converting it into a digital signal / Digital conversion means, second analog / digital conversion means for sampling the load signal and converting it into a digital signal, the vibrator, the first analog / digital conversion means, and the second analog / digital Controlling the operation of each of the conversion means, the first analog / digital conversion means and the second Calculation control means for calculating the phase difference angle between the displacement signal and the load signal based on each digital signal from the analog / digital conversion means, and the displacement control signal and the load signal are calculated by the calculation control means. Are controlled by controlling the operations of the first analog / digital conversion means and the second analog / digital conversion means so that the signals are simultaneously sampled at predetermined sampling periods and converted into digital signals. Based on the digital signal from the digital conversion means, while detecting the zero cross point of the displacement signal,
A zero cross point of the load signal is detected based on a digital signal from the second analog / digital conversion means, and a zero cross point of the detected displacement signal and a zero cross point of the load signal are detected. The phase difference angle is calculated on the basis of the difference between the phase difference, the sampling period, and the vibration frequency.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、この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、この発明に係
る粘弾性測定方法を実施する粘弾性測定装置の一実施形
態の要部の構成を示すものである。この粘弾性測定装置
は、弾性体試験片11の両端部をそれぞれ着脱自在にチ
ャッキングする上チャック12および下チャック13を
有する。上チャック12は、垂直方向に移動可能な円筒
状のスライドネジ14の内部に延在して設けたロッド1
5を介して、スライドネジ14の上部に設けたロードセ
ル16に連結する。スライドネジ14にはギア17を螺
合し、このギア17にパルスモータ18の出力軸に取り
付けたギア19を噛合して、パルスモータ18の駆動に
よりギア19を介してギア17を正逆方向に回転させる
ことにより、スライドネジ14と一体に上チャック1
2、ロッド15およびロードセル16を上下方向に移動
させるようにする。また、スライドネジ14の移動通路
近傍には、上チャック12を弾性体試験片11のチャッ
キング位置に位置決めするために、スライドネジ14の
下限位置を検出する下限センサ20を設ける。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a main part of an embodiment of a viscoelasticity measuring device for performing a viscoelasticity measuring method according to the present invention. This viscoelasticity measuring device has an upper chuck 12 and a lower chuck 13 for detachably chucking both ends of an elastic body test piece 11 respectively. The upper chuck 12 is provided with a rod 1 extending inside a cylindrical slide screw 14 movable in a vertical direction.
5 is connected to a load cell 16 provided above the slide screw 14. A gear 17 is screwed into the slide screw 14, and a gear 19 attached to an output shaft of a pulse motor 18 is meshed with the gear 17, and the gear 17 is driven in the forward and reverse directions through the gear 19 by driving the pulse motor 18. By rotating, the upper chuck 1 is integrated with the slide screw 14.
2. The rod 15 and the load cell 16 are moved vertically. In addition, a lower limit sensor 20 for detecting the lower limit position of the slide screw 14 is provided near the movement path of the slide screw 14 in order to position the upper chuck 12 at the chucking position of the elastic test piece 11.

【0021】一方、下チャック13は、加振器21の加
振ロッド22に連結する。加振器21は、この実施形態
では、加振ロッド22を所定の中立位置(変位ゼロ点位
置)に保持するための保持コイル23と、その変位ゼロ
点位置を中心に上下方向に振動させる加振コイル24と
を有し、その加振ロッド22の変位を変位センサプロー
ブ25で検出するようにする。変位センサプローブ25
は、この実施形態では光源26、光ファイバ27、受光
素子(図示せず)およびプリアンプ28を有する光ファ
イバセンサを用い、光源26からの光を光ファイバ27
を経て加振ロッド22の下端面に投射し、その反射光を
光ファイバ27を経て受光素子で受光して、その出力を
プリアンプ28に供給するようにする。なお、加振ロッ
ド22の下端面には、好適には反射処理を施しておく。
On the other hand, the lower chuck 13 is connected to a vibrating rod 22 of a vibrator 21. In this embodiment, the vibrator 21 has a holding coil 23 for holding the vibrating rod 22 at a predetermined neutral position (zero displacement point position), and a vibrating device for vertically vibrating around the zero displacement position. A vibration coil 24, and the displacement of the vibration rod 22 is detected by a displacement sensor probe 25. Displacement sensor probe 25
Uses an optical fiber sensor having a light source 26, an optical fiber 27, a light receiving element (not shown) and a preamplifier 28 in this embodiment, and transmits the light from the light source 26 to the optical fiber 27.
The light is projected on the lower end surface of the vibrating rod 22 via the optical fiber 27, the reflected light is received by the light receiving element via the optical fiber 27, and the output is supplied to the preamplifier 28. The lower end surface of the vibrating rod 22 is preferably subjected to reflection processing.

【0022】ロードセル16の出力(荷重信号)は、ロ
ードセルアンプ31で増幅した後、A/D変換器32
で、例えば12ビット以上のデジタル信号に変換して演
算制御回路33に供給する。パルスモータ18は、パル
スモータドライバ35により正逆方向に選択的に駆動す
る。このため、パルスモータドライバ35には、パルス
発振器36からの正回転用パルス(CW)および逆回転
用パルス(CCW)を、それぞれスイッチ回路37およ
び38を介して選択的に供給するようにする。スイッチ
回路37は、演算制御回路33からの荷重ゼロ点設定値
(Fmin、例えば160gf)と、ロードセルアンプ31
からの荷重信号とを入力とする差動アンプ39の出力に
基づいて制御し、スイッチ回路38は下限センサ20の
出力に基づいて制御するようにする。なお、この実施形
態では、差動アンプ39の出力に基づいて、レンジ切替
え回路40を介してロードセルアンプ31のレンジを切
り換えるようにする。
The output (load signal) of the load cell 16 is amplified by a load cell amplifier 31 and then amplified by an A / D converter 32.
Then, the signal is converted into a digital signal of, for example, 12 bits or more and supplied to the arithmetic and control circuit 33. The pulse motor 18 is selectively driven in forward and reverse directions by a pulse motor driver 35. For this reason, the forward rotation pulse (CW) and the reverse rotation pulse (CCW) from the pulse oscillator 36 are selectively supplied to the pulse motor driver 35 via the switch circuits 37 and 38, respectively. The switch circuit 37 receives the load zero point set value (Fmin, for example, 160 gf) from the arithmetic control circuit 33 and the load cell amplifier 31.
The control is performed on the basis of the output of the differential amplifier 39 which receives the load signal from the lower limit sensor 20 as an input, and the switch circuit 38 controls based on the output of the lower limit sensor 20. In this embodiment, the range of the load cell amplifier 31 is switched via the range switching circuit 40 based on the output of the differential amplifier 39.

【0023】また、変位センサプローブ25のプリアン
プ28の出力(変位信号)は、変位センサアンプ41
で、例えば図2(a)に示すように増幅し、その出力を
リニアライザ42で、例えば図2(b)に示すように、
変位量と出力とが比例するように変換した後、A/D変
換器43で、例えば12ビット以上のデジタル信号に変
換して演算制御回路33に供給する。なお、A/D変換
器32による荷重信号のサンプリングおよびA/D変換
器43による変位信号のサンプリングは、加振器21の
加振コイル24を駆動する後述する正弦波発振器からの
同期信号に同期して、所定のサンプリング区間におい
て、演算制御回路33からのΔδ/2πf(ただし、Δ
δは測定すべきδの精度、fは正弦波発振器の出力周波
数)以下の一定周期のサンプリングパルスにより同時に
行う。
The output (displacement signal) of the preamplifier 28 of the displacement sensor probe 25 is
Then, for example, as shown in FIG. 2A, the signal is amplified, and the output is amplified by the linearizer 42, for example, as shown in FIG.
After converting the displacement amount and the output so as to be proportional, the A / D converter 43 converts the displacement into a digital signal of, for example, 12 bits or more, and supplies the digital signal to the arithmetic control circuit 33. Note that the sampling of the load signal by the A / D converter 32 and the sampling of the displacement signal by the A / D converter 43 are synchronized with a synchronizing signal from a sine wave oscillator described later that drives the excitation coil 24 of the exciter 21. Then, in a predetermined sampling interval, Δδ / 2πf (where Δδ / 2πf
.delta. is the accuracy of .delta. to be measured, and f is a sampling pulse of a constant cycle equal to or less than the output frequency of the sine wave oscillator).

【0024】次に、加振器21の駆動系について説明す
る。保持コイル23には、演算制御回路33からの変位
ゼロ点設定値(例えば、400μm)に基づいて直流電
力増幅器51から直流電流を供給して、加振ロッド22
を所定の変位ゼロ点位置に保持するようにする。このた
め、演算制御回路33からの所定の変位ゼロ点設定値お
よびリニアライザ42からの変位信号は、差動アンプ5
2に供給し、この差動アンプ52の出力を直流電力増幅
器51に供給して、加振ロッド22を所定の変位ゼロ点
位置に保持するようにフィードバック制御する。
Next, the drive system of the vibrator 21 will be described. A DC current is supplied from the DC power amplifier 51 to the holding coil 23 based on the zero displacement set value (for example, 400 μm) from the arithmetic and control circuit 33, and the vibration rod 22
At a predetermined zero displacement position. For this reason, the predetermined displacement zero point set value from the arithmetic control circuit 33 and the displacement signal from the linearizer 42 are supplied to the differential amplifier 5
2, the output of the differential amplifier 52 is supplied to the DC power amplifier 51, and the feedback control is performed so that the vibration rod 22 is maintained at the predetermined displacement zero point position.

【0025】また、加振コイル24には、直流電力増幅
器55から振幅が正弦波状に変化する直流電流を供給し
て、加振ロッド22を変位ゼロ点位置を中心に所定の周
波数および振幅で往復振動させるようにする。このた
め、直流電力増幅器55には、正弦波発振器56から振
幅が正弦波状に変化する直流信号(正弦波信号)をスイ
ッチ回路57を経て供給するようにし、この正弦波発振
器56の出力の周波数および振幅を、演算制御回路33
からの周波数設定値(例えば、1〜100Hz)および
変位振幅設定値(例えば、20〜400μm)に基づい
てそれぞれ制御するようにする。なお、正弦波発振器5
6からの正弦波信号の振幅は、差動アンプ58にリニア
ライザ42からの変位信号をフィードバックして演算制
御回路33からの変位ゼロ点設定値の振幅との差を検出
し、その検出した振幅を振幅/電圧変換器59で電圧信
号に変換して、差動アンプ60により演算制御回路33
からの変位振幅設定値との差を検出し、その差がゼロと
なるように、すなわち実際の振幅が変位振幅設定値に対
応する振幅となるように制御する。また、この正弦波発
振器56からは、A/D変換器32および43のサンプ
リングパルスを生成するため、演算制御回路33に同期
信号を供給する。
A DC current whose amplitude changes in a sinusoidal manner is supplied from the DC power amplifier 55 to the excitation coil 24 to reciprocate the excitation rod 22 at a predetermined frequency and amplitude around the zero displacement position. Make it vibrate. Therefore, a DC signal (sine wave signal) whose amplitude changes in a sine wave form is supplied to the DC power amplifier 55 from the sine wave oscillator 56 via the switch circuit 57, and the frequency of the output of the sine wave oscillator 56 and The amplitude is calculated by the arithmetic control circuit 33.
Are controlled based on the frequency setting value (for example, 1 to 100 Hz) and the displacement amplitude setting value (for example, 20 to 400 μm). The sine wave oscillator 5
The amplitude of the sine wave signal from 6 is fed back to the differential amplifier 58 by the feedback of the displacement signal from the linearizer 42 to detect the difference from the amplitude of the displacement zero point set value from the arithmetic and control circuit 33. The signal is converted into a voltage signal by the amplitude / voltage converter 59, and the operation control circuit 33 is
Is detected, and control is performed so that the difference becomes zero, that is, the actual amplitude becomes an amplitude corresponding to the displacement amplitude set value. The sine wave oscillator 56 supplies a synchronization signal to the arithmetic control circuit 33 in order to generate sampling pulses for the A / D converters 32 and 43.

【0026】上記の正弦波発振器56は、サイクルカウ
ンタ61の制御のもとに、その起動および停止を制御す
るようにする。このサイクルカウンタ61は、差動アン
プ58の出力に基づいて加振コイル24の振動の測定サ
イクル(周期)を計数するもので、ここには演算制御回
路33から測定サイクル設定値(例えば、1〜10サイ
クル)を供給し、正弦波発振器56の起動開始後、測定
サイクルの計数値が設定値に達した時点で、正弦波発振
器56の駆動を停止させるようにする。
The above-described sine wave oscillator 56 is controlled to start and stop under the control of the cycle counter 61. The cycle counter 61 counts the measurement cycle (cycle) of the vibration of the excitation coil 24 based on the output of the differential amplifier 58. 10 cycles), and after the start of the sine wave oscillator 56, the drive of the sine wave oscillator 56 is stopped when the count value of the measurement cycle reaches the set value.

【0027】また、ロードセル16の出力が演算制御回
路33からの荷重ゼロ点設定値となるように上チャック
12を位置決めするため、差動アンプ65により演算制
御回路33からの変位ゼロ点設定値と、リニアライザ4
2からの変位信号との差を検出し、その差信号と演算制
御回路33からの変位振幅設定値との差を差動アンプ6
6で検出して、この差動アンプ66の出力をスイッチ回
路57を経て直流電力増幅器55に供給し、これにより
加振コイル24を駆動して、加振ロッド22を変位ゼロ
点位置から変位振幅設定値に対応する上死点位置に位置
決めするようにする。
Also, in order to position the upper chuck 12 so that the output of the load cell 16 becomes the load zero point set value from the operation control circuit 33, the differential amplifier 65 sets the displacement zero point set value from the operation control circuit 33 to the position. , Linearizer 4
2 is detected, and the difference between the difference signal and the displacement amplitude set value from the arithmetic and control circuit 33 is detected by the differential amplifier 6.
6, the output of the differential amplifier 66 is supplied to the DC power amplifier 55 through the switch circuit 57, thereby driving the exciting coil 24 and moving the exciting rod 22 from the zero displacement position to the displacement amplitude. Position at the top dead center position corresponding to the set value.

【0028】以上の構成により、弾性体試験片11の両
端部を上チャック12および下チャック13にチャッキ
ングし、上チャック12を荷重ゼロ点設定値に対応する
位置に位置決めすると共に、加振ロッド22を変位ゼロ
点設定値に対応する位置に位置決めし、その状態で加振
ロッド22を変位ゼロ点位置を中心に、変位振幅設定値
に対応する振幅で垂直方向に振動させながら、ロードセ
ルアンプ31から出力される荷重信号およびリニアライ
ザ42から出力される変位信号を、それぞれA/D変換
器32および43で正弦波発振器56からの同期信号に
同期して、所定のサンプリング区間において一定のサン
プリング周期で同時にサンプリングしてデジタル信号に
変換し、これらA/D変換器32,43の出力に基づい
て演算制御回路33で位相差角δを時間軸上で直接測定
して、その測定結果をディスプレイやプリンタ等の出力
装置71に出力する。
With the above structure, both ends of the elastic body test piece 11 are chucked to the upper chuck 12 and the lower chuck 13, and the upper chuck 12 is positioned at a position corresponding to the set value of the load zero point, and the vibrating rod is set. 22 is positioned at a position corresponding to the displacement zero point set value, and in this state, the load cell amplifier 31 is vibrated in the vertical direction with the amplitude corresponding to the displacement amplitude set value centering on the displacement zero point position. And the displacement signal output from the linearizer 42 are synchronized by the A / D converters 32 and 43 with the synchronizing signal from the sine wave oscillator 56 at predetermined sampling intervals in a predetermined sampling interval. At the same time, the signals are sampled and converted into digital signals, and the arithmetic and control circuit 3 In directly measured the phase difference angle δ on the time axis, and outputs the measurement result to the output device 71 such as a display or a printer.

【0029】以下、この実施形態の動作を説明する。測
定開始前においては、スイッチ回路37はオフ状態、ス
イッチ回路38はオン状態にあり、スイッチ回路57は
差動アンプ66側に接続されているものとする。先ず、
パルス発振器36からのCCWパルスによりパルスモー
タドライバ35を介してパルスモータ18を逆回転さ
せ、スライドネジ14を下降させる。その後、下限セン
サ20がスライドネジ14を検出した時点でスイッチ回
路38をオフとして、上チャック12をチャッキング位
置に位置決めする。この状態で、サンプルの弾性体試験
片11の両端部を上チャック12および下チャック13
にチャッキングする。
The operation of this embodiment will be described below. Before starting the measurement, it is assumed that the switch circuit 37 is off and the switch circuit 38 is on, and the switch circuit 57 is connected to the differential amplifier 66 side. First,
The pulse motor 18 is rotated in reverse by the CCW pulse from the pulse oscillator 36 via the pulse motor driver 35, and the slide screw 14 is lowered. Thereafter, when the lower limit sensor 20 detects the slide screw 14, the switch circuit 38 is turned off, and the upper chuck 12 is positioned at the chucking position. In this state, both ends of the sample elastic body test piece 11 are
Chucking.

【0030】その後、差動アンプ65および66の出力
に基づいて、加振ロッド22を変位ゼロ点位置から変位
振幅設定値に対応する上死点位置に位置決めし、その状
態でスイッチ回路37をオンとして、パルス発振器36
からのCWパルスによりパルスモータドライバ35を介
してパルスモータ18を正回転させ、スライドネジ14
を、差動アンプ39において荷重ゼロ点設定値とロード
セルアンプ31からの荷重信号とが等しくなるまで上昇
させて、スイッチ回路37をオフとする。これにより、
弾性体試験片11に、荷重ゼロ点設定値の一定の静的荷
重(張力)または静的伸びを与えて、弾性体試験片11
に動的伸び変形を加えたときにバックリング(弛み)が
生じないようにする。なお、ロードセルアンプ31のレ
ンジは、レンジ切替え回路40により、上記の荷重ゼロ
点位置決め動作時には狭く、その後の測定時では広くな
るように切り換えるようにする。
After that, based on the outputs of the differential amplifiers 65 and 66, the vibrating rod 22 is positioned from the zero displacement position to the top dead center position corresponding to the displacement amplitude set value, and in that state the switch circuit 37 is turned on. The pulse oscillator 36
The pulse motor 18 is rotated forward through the pulse motor driver 35 by the CW pulse from the
In the differential amplifier 39 until the load zero point set value and the load signal from the load cell amplifier 31 become equal, and the switch circuit 37 is turned off. This allows
A constant static load (tensile force) or static elongation at a set value of zero load point is applied to the elastic body test piece 11 so that the elastic body test piece 11
Buckling (slack) does not occur when dynamic elongation deformation is applied to Note that the range of the load cell amplifier 31 is switched by the range switching circuit 40 so as to be narrow during the above-mentioned zero load point positioning operation and wide during the subsequent measurement.

【0031】以上により、ロードセル16の荷重ゼロ点
位置への位置決めが終了したら、スイッチ回路57を正
弦波発振器56側に接続し、その状態で演算制御回路3
3の制御のもとにサイクルカウンタ61により正弦波発
振器56を起動して直流電力増幅器55から加振コイル
24に設定周波数および設定振幅の正弦波の直流電流を
供給して加振ロッド22を振動ながら、A/D変換器3
2,43の出力を演算制御回路33に取込んで位相差角
δの測定を行う。なお、この測定期間中は、差動アンプ
52により変位ゼロ点設定値とリニアライザ42からの
変位信号との差を検出し、その差がゼロとなるように直
流電力増幅器51を介して加振器21の保持コイル23
に直流電流を供給して、加振ロッド22を設定された変
位ゼロ点位置に保持するように制御すると共に、差動ア
ンプ58、振幅/電圧変換器59および差動アンプ60
により、弾性体試験片11が設定された振幅で振動する
ように、正弦波発振器56の出力振幅を制御する。その
後、サイクルカウンタ61が、設定された測定サイクル
数を計数したら、正弦波発振器56の駆動を停止させ
て、当該弾性体試験片11の測定を終了して、次の弾性
体試験片の測定に備える。
After the positioning of the load cell 16 to the zero load position is completed, the switch circuit 57 is connected to the sine wave oscillator 56, and the operation control circuit 3
Under the control of 3, the sine wave oscillator 56 is started by the cycle counter 61, and a sine wave DC current having a set frequency and a set amplitude is supplied from the DC power amplifier 55 to the exciting coil 24 to oscillate the exciting rod 22. While the A / D converter 3
2 and 43 are taken into the arithmetic and control circuit 33 to measure the phase difference angle δ. During this measurement period, the difference between the set value of the displacement zero point and the displacement signal from the linearizer 42 is detected by the differential amplifier 52, and the shaker is applied via the DC power amplifier 51 so that the difference becomes zero. 21 holding coils 23
To control the vibrating rod 22 to be maintained at the set displacement zero point position, as well as the differential amplifier 58, the amplitude / voltage converter 59, and the differential amplifier 60.
Thus, the output amplitude of the sine wave oscillator 56 is controlled so that the elastic body test piece 11 vibrates at the set amplitude. Thereafter, when the cycle counter 61 counts the set number of measurement cycles, the driving of the sine wave oscillator 56 is stopped, the measurement of the elastic body test piece 11 is completed, and the measurement of the next elastic body test piece is performed. Prepare.

【0032】なお、図1では、パルス発振器36、スイ
ッチ回路37,38,57、差動アンプ39,52,5
8,60,65,66、リニアライザ42、振幅/電圧
変換器59、およびサイクルカウンタ61を、便宜上、
演算制御回路33から分離して示したが、それらの機能
は演算制御回路33内においてソフトウェアで実現す
る。
In FIG. 1, the pulse oscillator 36, the switch circuits 37, 38, 57 and the differential amplifiers 39, 52, 5
8, 60, 65, 66, linearizer 42, amplitude / voltage converter 59, and cycle counter 61, for convenience,
Although shown separately from the arithmetic control circuit 33, those functions are realized by software in the arithmetic control circuit 33.

【0033】次に、A/D変換器32,43の出力に基
づく演算制御回路33での位相差角δの測定処理につい
て、図3に示すフローチャートを参照しながら説明す
る。先ず、ステップS1において、A/D変換器32,
43により、所定のサンプリング区間において一定のサ
ンプリング周期で同時にサンプリングされてデジタル信
号に変換された荷重信号および変位信号を読み込む。こ
こで、ロードセルアンプ31からは、図4(a)に示す
ような荷重信号(F)が出力され、リニアライザ42か
らは、図4(b)に示すような変位信号(L)が出力さ
れるので、この実施形態では、正弦波発振器56からの
同期信号に基づいて、各信号の1サイクルのなかに、平
均値を含む区間t(F0)+ , t(F0)- , t(L0)+ , t(L0)
- 、最大値Fmax,Lmax を含む区間、および最小値Fmi
n,Lmin を含む区間のサンプリング区間Tをそれぞれ設
定し、その各サンプリング区間Tにおいて、荷重信号
(F)および変位信号(L)を一定のサンプリング周期
で同時にサンプリングしてA/D変換する。
Next, the measurement processing of the phase difference angle δ in the arithmetic and control circuit 33 based on the outputs of the A / D converters 32 and 43 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, in step S1, the A / D converter 32,
At 43, a load signal and a displacement signal which are simultaneously sampled at a predetermined sampling period in a predetermined sampling section and converted into digital signals are read. Here, a load signal (F) as shown in FIG. 4A is output from the load cell amplifier 31, and a displacement signal (L) as shown in FIG. 4B is output from the linearizer 42. Therefore, in this embodiment, the sections t (F 0 ) + , t (F 0 ) , t (L) including the average value are included in one cycle of each signal based on the synchronization signal from the sine wave oscillator 56. 0 ) + , t (L 0 )
- a section that contains the maximum value Fmax, the Lmax, and the minimum value Fmi
A sampling section T including sections n and Lmin is set, and in each of the sampling sections T, the load signal (F) and the displacement signal (L) are simultaneously sampled at a constant sampling cycle and A / D converted.

【0034】その後、ステップS2において、各信号を
1周期分以上読み込んだのを確認したら、ステップS3
において、読み込んだ荷重信号および変位信号にそれぞ
れフィルタ処理を施して平滑化し、ノイズ成分を除去す
る。このフィルタ処理は、例えば、各サンプリング区間
Tにおいて、2〜4次の多項式適合法(Savitzky Golay
法)によるコンボリューション演算により、平滑化と各
点の数値検出とを同時に行う。
After that, in step S2, when it is confirmed that each signal has been read for one cycle or more, step S3
In the above, the read load signal and displacement signal are respectively subjected to filter processing for smoothing to remove noise components. This filtering process is performed, for example, in each sampling interval T by using a 2-4th order polynomial fitting method (Savitzky Golay
), Smoothing and numerical detection of each point are performed simultaneously.

【0035】その後、ステップS4において、各信号波
形の最大値、最小値および平均値を求める。ここで、最
大値(Fmax,Lmax )および最小値(Fmin,Lmin )
は、各信号波形を一次微分し、それを平滑化した信号か
らゼロ・クロス点を検出して求める。また、平均値(F
0,L0 )は、検出した最大値および最小値から、 F0 =(Fmax +Fmin )/2 L0 =(Lmax +Lmin )/2 をそれぞれ演算して求める。これらの平均値は、それぞ
れ各信号波形のゼロ点とする。
Thereafter, in step S4, the maximum value, minimum value and average value of each signal waveform are obtained. Here, the maximum value (Fmax, Lmax) and the minimum value (Fmin, Lmin)
Is obtained by first-differentiating each signal waveform and detecting a zero-crossing point from a signal obtained by smoothing the signal. The average value (F
0 , L 0 ) is obtained by calculating F 0 = (Fmax + Fmin) / 2 L 0 = (Lmax + Lmin) / 2 from the detected maximum value and minimum value. These average values are each set to the zero point of each signal waveform.

【0036】次に、ステップS5において、位相差角δ
を時間軸上で、時間軸に対する変化率が最も大きいゼロ
点で精度良く検出するために、サンプリング開始点を起
点に各信号のサンプリング値を順にスキャンして、上記
のゼロ点に関して符号が変わる点をそれぞれ検出する。
Next, in step S5, the phase difference angle δ
On the time axis, in order to accurately detect at the zero point having the largest change rate with respect to the time axis, the sampling value of each signal is sequentially scanned starting from the sampling start point, and the point at which the sign changes with respect to the above-mentioned zero point Are respectively detected.

【0037】その後、ステップS6において、ゼロ・ク
ロス点を厳密に求めるために、各信号波形について検出
したゼロ点の前後数点づつのサンプリング値を抽出し、
それらの測定点を一次回帰分析してサンプリング周期の
間を補間して、ゼロ・クロス点を正確に求める。
Thereafter, in step S6, in order to exactly determine the zero crossing point, sampling values of several points before and after the zero point detected for each signal waveform are extracted.
These measurement points are linearly regression-analyzed and interpolated between sampling periods to accurately determine a zero crossing point.

【0038】次に、ステップS7において、ステップS
6で求めた各信号波形のゼロ・クロス点の差を求めた
後、その差とサンプリング周期とに基づいて位相差角δ
に相当する時間(Δt)を演算する。
Next, in step S7, step S
After calculating the difference between the zero cross points of the respective signal waveforms determined in step 6, the phase difference angle δ is calculated based on the difference and the sampling period.
Is calculated (Δt).

【0039】その後、ステップS8において、ステップ
S7で求めたΔtと、正弦波発振器56の周波数設定値
fとに基づいて、 δ=2πf・Δt により位相差角δを演算して、出力装置71に出力す
る。
Thereafter, in step S8, based on Δt obtained in step S7 and the frequency set value f of the sine wave oscillator 56, the phase difference angle δ is calculated by δ = 2πf · Δt, Output.

【0040】なお、この発明は、上述した実施形態にの
み限定されるものではなく、幾多の変更または変形が可
能である。例えば、上述した実施形態では、図3のステ
ップS4で各信号波形の最大値および最小値を求めるの
で、それらの値と、弾性体試験片11の幅(w)、厚さ
(d)および荷重ゼロ点における上下チャック12,1
3間の距離(l0 )とに基づいて、 σ0 ={(Fmax +Fmin )/2}/(w×d) ε0 ={(Lmax +Lmin )/2}/l0 により動的最大応力σ0 および動的最大ひずみε0 を演
算し、これらσ0 およびε0 に基づいて、 |E* |=σ0 /ε0 により複素弾性率の絶対値を求め、その複素弾性率に基
づいて、上記(1),(2)および(3)式から、 tan
δ,E′およびE″を求めることもできる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and that various changes or modifications are possible. For example, in the above-described embodiment, since the maximum value and the minimum value of each signal waveform are obtained in step S4 in FIG. 3, the values, the width (w), the thickness (d), and the load of the elastic test piece 11 are determined. Upper and lower chucks 12, 1 at zero point
Based on the distance between the 3 (l 0), σ 0 = {(Fmax + Fmin) / 2} / (w × d) ε 0 = {(Lmax + Lmin) / 2} / l dynamic maximum stress by 0 sigma 0 and the dynamic maximum strain ε 0 , and based on these σ 0 and ε 0 , the absolute value of the complex elastic modulus is obtained by | E * | = σ 0 / ε 0 , and based on the complex elastic modulus, From the above equations (1), (2) and (3), tan
δ, E ′ and E ″ can also be determined.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上のように、請求項1に係る粘弾性測
定方法によれば、変位信号および荷重信号を所定のサン
プリング周期で同時にサンプリングしてそれぞれデジタ
ル信号に変換し、それらのデジタル信号に基づいてそれ
ぞれのゼロ・クロス点を検出して、両ゼロ・クロス点の
差、サンプリング周期および振動周波数に基づいて位相
差角を演算するようにしたので、変位信号および荷重信
号をそれぞれデジタル信号に変換した後の処理をコンピ
ュータのソフトウェアによって実行して位相差角を時間
軸上で直接演算することができる。したがって、粘弾性
体の粘弾性特性を常に高精度かつ高安定度で測定するこ
とができる。
As described above, according to the viscoelasticity measuring method according to the first aspect, the displacement signal and the load signal are simultaneously sampled at a predetermined sampling cycle, converted into digital signals, and converted into digital signals. Each zero-cross point is detected based on the difference, and the phase difference angle is calculated based on the difference between the two zero-cross points, the sampling period, and the vibration frequency. The processing after the conversion can be executed by software of a computer to directly calculate the phase difference angle on the time axis. Therefore, the viscoelastic properties of the viscoelastic body can always be measured with high accuracy and high stability.

【0042】また、請求項2に係る粘弾性測定方法によ
れば、ゼロ・クロス点を検出するにあたって、変位信号
および荷重信号のそれぞれのデジタル信号を平滑化して
ノイズ成分を除去し、その平滑化されたそれぞれのデジ
タル信号の最大値および最小値に基づいてそれらの平均
値をゼロ点としてそれぞれ検出し、さらに、それらのゼ
ロ点に関して符号が変化する前後数点のデジタル信号を
それぞれ抽出して補間処理を行って、それぞれ対応する
ゼロ・クロス点を検出するようにしたので、各ゼロ・ク
ロス点をより正確に検出することができ、位相差角をよ
り精度良く求めることができる。
According to the viscoelasticity measuring method of the present invention, when detecting the zero-cross point, the digital signals of the displacement signal and the load signal are smoothed to remove noise components, and the smoothing is performed. Based on the maximum value and the minimum value of each digital signal obtained, their average value is detected as a zero point, and further, digital signals of several points before and after the sign changing with respect to those zero points are extracted and interpolated, respectively. Since the processing is performed to detect the corresponding zero-cross points, the respective zero-cross points can be detected more accurately, and the phase difference angle can be obtained more accurately.

【0043】さらに、請求項3に係る粘弾性測定装置に
よれば、変位信号および荷重信号をそれぞれデジタル信
号に変換する第1および第2のアナログ/デジタル変換
手段と、これら第1および第2のアナログ/デジタル変
換手段からのデジタル信号を処理する演算制御手段とを
有し、この演算制御手段により、第1および第2のアナ
ログ/デジタル変換手段を制御して変位信号および荷重
信号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリングし
てそれぞれデジタル信号に変換し、それらのデジタル信
号に基づいてそれぞれのゼロ・クロス点を検出して、両
ゼロ・クロス点の差、サンプリング周期および振動周波
数に基づいて位相差角を演算するようにしたので、変位
信号および荷重信号をそれぞれデジタル信号に変換した
後の処理をコンピュータのソフトウェアによって実行し
て位相差角を時間軸上で直接演算することができる。し
たがって、簡単かつ安価な構成で、回路のドリフトや回
路自体の位相遅れ等の問題を生じることなく、粘弾性体
の粘弾性特性を常に高精度かつ高安定度で測定すること
ができる。
Furthermore, according to the viscoelasticity measuring device of the third aspect, the first and second analog / digital conversion means for converting the displacement signal and the load signal into digital signals, respectively, and the first and second analog / digital conversion means. Arithmetic and control means for processing a digital signal from the analog / digital conversion means, wherein the arithmetic and control means controls the first and second analog / digital conversion means to sample the displacement signal and the load signal by predetermined sampling. Sampling at the same time at the same time, converting them into digital signals, detecting the respective zero-cross points based on the digital signals, and calculating the phase difference angle based on the difference between the two zero-cross points, the sampling period, and the vibration frequency. The processing after converting the displacement signal and the load signal into digital signals, respectively, is performed. It can be calculated directly the phase difference angle on the time axis by performing the software over data. Therefore, the viscoelastic properties of the viscoelastic body can always be measured with high accuracy and high stability with a simple and inexpensive configuration without causing problems such as circuit drift and phase delay of the circuit itself.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明に係る粘弾性測定方法を実施する粘弾
性測定装置の一実施形態の要部の構成を示すものであ
る。
FIG. 1 shows a configuration of a main part of an embodiment of a viscoelasticity measuring apparatus for performing a viscoelasticity measuring method according to the present invention.

【図2】図1に示す変位センサアンプおよびリニアライ
ザの動作を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining operations of a displacement sensor amplifier and a linearizer shown in FIG.

【図3】図1に示す演算制御回路での位相差角δの測定
処理を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing a process of measuring a phase difference angle δ in the arithmetic and control circuit shown in FIG. 1;

【図4】図1に示すロードセルアンプおよびリニアライ
ザからそれぞれ出力される荷重信号および変位信号を示
す波形図である。
FIG. 4 is a waveform diagram showing a load signal and a displacement signal output from the load cell amplifier and the linearizer shown in FIG. 1, respectively.

【図5】従来の粘弾性測定装置の一例を示すブロック図
である。
FIG. 5 is a block diagram showing an example of a conventional viscoelasticity measuring device.

【図6】その動作を説明するための信号波形図である。FIG. 6 is a signal waveform diagram for explaining the operation.

【図7】従来の粘弾性測定装置の他の例を示すブロック
図である。
FIG. 7 is a block diagram showing another example of a conventional viscoelasticity measuring device.

【図8】従来の粘弾性測定装置のさらに他の例を説明す
るための信号波形図である。
FIG. 8 is a signal waveform diagram for explaining still another example of the conventional viscoelasticity measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 弾性体試験片 12 上チャック 13 下チャック 16 ロードセル 18 パルスモータ 20 下限センサ 21 加振器 22 加振ロッド 23 保持コイル 24 加振コイル 25 変位センサプローブ 31 ロードセルアンプ 32,43 A/D変換器 33 演算制御回路 35 パルスモータドライバ 41 変位センサアンプ 51,55 直流電力増幅器 56 正弦波発振器 71 出力装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Elastic body test piece 12 Upper chuck 13 Lower chuck 16 Load cell 18 Pulse motor 20 Lower limit sensor 21 Vibrator 22 Vibrating rod 23 Holding coil 24 Vibrating coil 25 Displacement sensor probe 31 Load cell amplifier 32, 43 A / D converter 33 Operation control circuit 35 Pulse motor driver 41 Displacement sensor amplifier 51, 55 DC power amplifier 56 Sine wave oscillator 71 Output device

フロントページの続き (72)発明者 渡辺 潔 東京都国立市谷保1053−1 株式会社日本 アプライドテクノロジ内Continued on the front page (72) Inventor Kiyoshi Watanabe Japan

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 弾性体試験片を一定の振動周波数で非共
振強制振動させながら、その振動による変位量および前
記弾性体試験片に作用する荷重をそれぞれ変位センサお
よびロードセルで検出し、これら変位センサからの変位
信号およびロードセルからの荷重信号に基づいて前記弾
性体試験片の粘弾性特性を測定するにあたり、 前記変位信号および前記荷重信号を所定のサンプリング
周期で同時にサンプリングしてそれぞれデジタル信号に
変換するアナログ/デジタル変換工程と、 前記変位信号のデジタル信号に基づいて、該変位信号の
ゼロ・クロス点を検出すると共に、前記荷重信号のデジ
タル信号に基づいて、該荷重信号のゼロ・クロス点を検
出するゼロ・クロス点検出工程と、 このゼロ・クロス点検出工程で検出した前記変位信号の
ゼロ・クロス点と、前記荷重信号のゼロ・クロス点との
差を演算して、該ゼロ・クロス点の差、前記サンプリン
グ周期および前記振動周波数に基づいて、前記変位信号
および前記荷重信号の位相差角を演算する演算工程とを
含むことを特徴とする粘弾性測定方法。
1. A displacement sensor and a load cell respectively detect a displacement amount due to the vibration and a load acting on the elastic body test piece while non-resonantly forcibly vibrating the elastic body test piece at a constant vibration frequency. In measuring the viscoelastic characteristics of the elastic test piece based on the displacement signal from the load cell and the load signal from the load cell, the displacement signal and the load signal are simultaneously sampled at a predetermined sampling cycle and converted into digital signals, respectively. An analog / digital conversion step; detecting a zero cross point of the displacement signal based on the digital signal of the displacement signal, and detecting a zero cross point of the load signal based on the digital signal of the load signal A zero-crossing point detection step to be performed, and zero of the displacement signal detected in the zero-crossing point detection step. Calculating the difference between the cross point and the zero cross point of the load signal, and calculating the phase difference between the displacement signal and the load signal based on the difference between the zero cross points, the sampling period and the vibration frequency; A calculating step of calculating an angle.
【請求項2】 請求項1記載の粘弾性測定方法におい
て、 前記ゼロ・クロス点検出工程は、 前記変位信号のデジタル信号および前記荷重信号のデジ
タル信号の各々について、 ノイズ成分を除去する平滑化処理と、 この平滑化処理されたデジタル信号の最大値および最小
値を求めて、それらの平均値をゼロ点として検出するゼ
ロ点検出処理と、 その検出されたゼロ点に関して符号が変化する前後数点
のデジタル信号をそれぞれ抽出して、前記デジタル信号
を補間する補間処理とを行い、 この補間処理されたデジタル信号から対応するゼロ・ク
ロス点を検出することを特徴とする粘弾性測定方法。
2. The viscoelasticity measuring method according to claim 1, wherein the zero-cross point detecting step is a smoothing process for removing a noise component from each of the digital signal of the displacement signal and the digital signal of the load signal. And zero point detection processing for obtaining the maximum value and the minimum value of the digital signal subjected to the smoothing processing and detecting the average value thereof as a zero point, and several points before and after the sign changes with respect to the detected zero point. And performing an interpolation process for interpolating the digital signal, and detecting a corresponding zero-cross point from the interpolated digital signal.
【請求項3】 弾性体試験片を加振器により一定の振動
周波数で非共振強制振動させながら、その振動による変
位量および前記弾性体試験片に作用する荷重をそれぞれ
変位センサおよびロードセルで検出し、これら変位セン
サからの変位信号およびロードセルからの荷重信号に基
づいて前記弾性体試験片の粘弾性特性を測定する粘弾性
測定装置において、 前記変位信号をサンプリングしてデジタル信号に変換す
る第1のアナログ/デジタル変換手段と、 前記荷重信号をサンプリングしてデジタル信号に変換す
る第2のアナログ/デジタル変換手段と、 前記加振器、前記第1のアナログ/デジタル変換手段お
よび前記第2のアナログ/デジタル変換手段の動作をそ
れぞれ制御すると共に、前記第1のアナログ/デジタル
変換手段および前記第2のアナログ/デジタル変換手段
からのそれぞれのデジタル信号に基づいて前記変位信号
および前記荷重信号の位相差角を演算する演算制御手段
とを有し、 この演算制御手段により、前記変位信号および前記荷重
信号を所定のサンプリング周期で同時にサンプリングし
てそれぞれデジタル信号に変換するように、前記第1の
アナログ/デジタル変換手段および前記第2のアナログ
/デジタル変換手段の動作を制御して、第1のアナログ
/デジタル変換手段からのデジタル信号に基づいて、前
記変位信号のゼロ・クロス点を検出すると共に、前記第
2のアナログ/デジタル変換手段からのデジタル信号に
基づいて、前記荷重信号のゼロ・クロス点を検出し、こ
れら検出した前記変位信号のゼロ・クロス点と前記荷重
信号のゼロ・クロス点との差、前記サンプリング周期お
よび前記振動周波数に基づいて、前記位相差角を演算す
るよう構成したことを特徴とする粘弾性測定装置。
3. A displacement sensor and a load cell respectively detect a displacement amount due to the vibration and a load acting on the elastic body test piece while the elastic body test piece is non-resonantly forcibly vibrated at a constant vibration frequency by a vibrator. A viscoelasticity measuring device for measuring a viscoelastic characteristic of the elastic test piece based on a displacement signal from the displacement sensor and a load signal from a load cell, wherein the displacement signal is sampled and converted into a digital signal; Analog / digital conversion means; second analog / digital conversion means for sampling the load signal to convert it into a digital signal; the vibrator, the first analog / digital conversion means, and the second analog / digital conversion means The operation of each of the digital conversion means is controlled, and the first analog / digital conversion means and the second Calculation control means for calculating the phase difference angle between the displacement signal and the load signal based on each digital signal from the analog / digital conversion means. The calculation control means allows the displacement signal and the load signal to be calculated. Are controlled by controlling the operations of the first analog / digital conversion means and the second analog / digital conversion means so that the signals are simultaneously sampled at predetermined sampling periods and converted into digital signals. A zero cross point of the displacement signal is detected based on a digital signal from the digital conversion means, and a zero cross point of the load signal is detected based on a digital signal from the second analog / digital conversion means. The difference between the zero cross point of the detected displacement signal and the zero cross point of the load signal, The viscoelasticity measuring device is configured to calculate the phase difference angle based on the sampling cycle and the vibration frequency.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016521625A (en) * 2013-06-10 2016-07-25 メイヨ フォンデーシヨン フォー メディカル エジュケーション アンド リサーチ System and method for acoustic radiation force creep-recovery and shear wave propagation for elastic imaging

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