JPS5842919Y2 - 応力測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は超音波を利用した応力測定装置に関する。

機械的部品等の応力を測定する手段として、たとえば測
定対象物がボルトなどの場合には締付はトルクを測定す
ることによって応力を推定する手段があるが摩擦抵抗の
影響が著しいため正しい応力を求めることは殆んど不可
能である。

またストレンゲージを用いて歪量を測定するようにした
ものにおいてはゲージ装着部の歪量しか検出し得ないの
で、内部応力を正しく検出するためには多数のゲージを
用いたりあるいは被検材の加工を要するなどの難点があ
る。

さらに光弾性または放射線等を利用するものにあっては
、被検材表面における結晶歪を測定するので内部応力を
直接的に検出し得ないことは上述同様であり、かつ装置
が著しく高価である。

一方、超音波を利用した従来の応力測定装置としては、
たとえば被検材中におけるパルス波の伝播速度または連
続波の共振周波数を、単一モードの超音波を用いて測定
し、これを応力がＯの状態における値と比較することに
より応力を測定するようにしたものがある。

しかるに上記のものは被検材の超音波伝播方向における
長さのバラツキによる影響を受ける上、応力がＯの状態
の値を測定時の条件下においてその都度求める必要があ
るため、負荷状態の被検材たとえば締付けられた状態に
あるボルトの応力を、そのままの状態で測定することが
できない難点があった。

また超音波を利用した他の応力測定装置として二つの周
波数域におけるそれぞれの共振周波数の差異を検出する
ようにした共振方式のものがある。

この装置においては応力がＯの状態における値と比較し
なくとも測定可能なので、たとえば締付けられた状態に
あるボルトの応力をその李まの状態で測定することがで
きる。

しかし乍ら上記のものは、被検材の長さｔが長い場合に
は共振波の次数ｎ、ｍが大きくなり、基本周波数Ｃ／２
ｔＣＣ：音速）が相対的に小さくなるため、応力の大き
さにより次数がシフトし誤差を生ずる欠点がある。

この点につき具体的に説明する。

たとえば被検材の長さｔが１００ｗｍの鋼である場合、
基本共振周波数ｆＬ。

は である。

今、使用超音波の周波数が５ＭＨｚであるとすると、次
数は１６９．５次となる。

そこで１６９次の共振を使用したとき応力による周波数
変化率が つまり５．９％以上になると、次の次数は１７０次以上
となる。

その結果１６９次からの変化なのか１７０次からの変化
なのか識別できなくなる。

したがって上記共振方式のものは、原理的には被検材の
長さが１００ｗｍ程度以下のものにしか使用することが
できないという問題があった。

本考案はこのような事情に基いてなされたものであり、
その目的は被検材の超音波伝播方向における長さのバラ
ツキによる影響がなく、シかも被検材の初期条件や周囲
条件の変動による影響を排除でき負荷状態における被検
材の応力をそのままの状態で正確に測定することができ
る上、被検材の長さｔが長い場合においても支障なく応
力測定を行なえる超音波式の応力測定装置を提供するこ
とにある。

本考案は上記目的を達成するために次の如く構成したこ
とを特徴としている。

すなわち被検材に縦波および横波モードのパルス状超音
波を入射し、上記二つのモードのパルス状超音波の各伝
播時間の比または各伝播速度の比を求め、上記比の値か
ら応力を測定するようにしたことを特徴としている。

以下本考案の詳細を図面に示す実施例によって明らかに
する。

第１図は本考案の一実施例の構成を示すブロック図であ
り、サフィックスａ、ｂはそれぞれ縦波および横波に対
応する部分を示す。

第１図において、イは被検材であって、たとえば部品口
、八を締付けるためのボルトを例示し、締付は力に対応
する引張応力が発生している。

１ａ、１ｂは超音波振動子であって、適宜の接触媒質（
図示時）を介して被検材イに対し、交互に当接される。

必要かつ可能であれば振動子１ａ 、１ｂを共に被検材
イに常時当接させてもよい。

２ａ、２ｂは同軸ケーブル、３は切換スイッチ回路、４
は送受信器、５は伝播速度検出部、６は切換スイッチ回
路、７ａ、７ｂは記憶部、８は論理演算回路、９は表示
部である。

送受信器４は振動子１ａ、１ｂに対し切換スイッチ回路
３を介して駆動パルスを選択的に供給すると共に、被検
材イの端面における反射波によるいわゆる底面エコーを
受信する。

検出部５は上記駆動パルスの送出時点から上記底面エコ
ーに対応するエコー信号の受信時点までの時間を検出す
る。

記憶部７ａ、７ｂは、スイッチ回路６を介して上記時間
を選択的に記憶する。

論理演算回路８は、上記時間の比から応力を演算する。

表示部９は上記演算の結果を表示する。

上記送受信器４および検出部５は、通常の超音波探傷器
や超音波厚み測定器等におけるものと実質的に同様なも
のであってよい。

上記振動子１ａを用い縦波について測定するときには、
１つのパルス波を入射すると被検材の両端面において複
数回反射され、送受信器４の受信部に入力される受信信
号は、第２図Ａに例示するように複数のパルスＴ１ 、
Ｂ１ 、Ｂ２ 、・・・ＢＮを含んでいる。

第１のパルスＴ１は被検材の入射面における反射パルス
であり、Ｂ１〜ＢＮは底面における反射パルスである。

同様に振動子１ｂを用い横波について測定するときには
同図Ｂに示すようにｔｒ／ 、Ｂ、／ 、・・・Ｂ
Ｍ′の反射パルスが入力される。

そこで検出部５において副時ゲートを設け、縦波および
横波にそれぞれ対応するＮ個およびＭ個の底面反射パル
スが入力されるまでの時間ｔおよびｔ′を検出する。

このｔ、ｔ’は、ｔ＝（２ｔ／Ｃ）Ｎ 、ｔ’ −（２
１／Ｃ’ ）Ｍであるから、これらの時間ｔ、ｔ’の比
ｔ’／ｌを用いて論理演算回路８により演算処理するこ
とにより被検材の応力σを求めることができる。

すなわち応力σはひずみに対し弾性限界まで比例し、そ
の比例係数がヤング率などの弾性係数である。

そこで縦波および横波でそれぞれ測定した伝播時間ｔと
ｔ′の比ｔ’ ／ｌを求めると、応力によるひずみ量（
長さｔの変化量）は同じであるから、上記ひずみ量はキ
ャンセルされる。

一方音速ＣとＣ′は共に次式で示すように弾性定数の関
数である。

ｃ＝；＝Ｅ、１−２−− ρ （１＋λ）（１−２λ） Ｃ′−７′−二１こフ７］− ここでＥはヤング率、ρは密度、λはポアッソン比であ
る。

したがって伝播時間ｔ、ｔ’の比を求めることによって
音速ＣとＣ′の比を求めることは応力による弾性定数の
変化を求めることであり、ある応力下のｃ 、ｃ’の比
を求めることによってそのときの応力を知ることができ
る。

ここで応力の変化に対する音速Ｃの変化量と音速Ｃ′の
変化量とは互いに異なっており、しかも周囲条件等によ
ってその絶対値は若干変化する。

したがって縦波または横波の一方のみで応力測定を行な
うものとすると、同じ条件下で応力が００状態の値と比
較する必要が生じる。

しかるに本装置においては縦波および横波の二つのモー
ドによる伝播時間の比を求めるようにしているので、周
囲条件等の影響をキャンセルでき、しかも前述のように
被検材の長さｔとは関係のない応力の変化分に応じたデ
ータを得ることができる。

その結果、材質等が同一の同一種るいの被検材について
あらかじめ求めた較正曲線に基いて応力がＯの値と比較
することなしに応力を求めることができる。

かくして負荷状態の被検材たとえば締付状態にあるボル
ト等の応力をそのままの状態で測定することができる。

一方、共振周波数を検出するようにした共振方式のもの
に比べると、共振方式のものでは被検材の長さｔが長い
場合には、共振波の次数ｎ、ｍが大きくなり、基本周波
数Ｃ／２ｔが相対的に小さくなるので、応力の大きさに
より次数がシフトし誤差を生ずることがあるが、本装置
のようにパルス方式を用いたものでは上記誤差を生じな
い利点がある。

したがって超音波の伝播が可能ならば長さｔが１〜２ｍ
程度の被検材まで測定可能であり、たとえば被検材がブ
ルドーザ部材のように大形で長尺な場合等においても何
ら支障なく応力測定を行ない得、極めて有用なものとな
る。

さらに光弾性や放射線方式のものに比し格段に安価に製
作できる上、再現性にすぐれ実用性に富んだものとなる
。

なお、本考案は上述した一実施例に限定されるものでは
ない。

たとえば検出部として時間検出のみを行なうものを例示
したが、伝播速度をも検出するものを用いてもよい。

また周知の温度補償手段を検出部等に設けてもよい。

以上説明したように、本考案によれば被検材に縦波およ
び横波モードのパルス状超音波を入射し、それぞれの伝
播時間または速度の比を検出することによって被検材の
応力に対応したデータを得るようにしたので、被検材の
超音波伝播方向における長さのバラツキによる影響がな
く、シかも被検材の初期条件や周囲条件の変動等による
影響を排除でき、負荷状態における被検材の応力をその
ままの状態で正確に測定できる上、被検材の長さｔが長
い場合においても支障なく応力測定を行なえる超音波式
の応力測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案の一実施例を示し、第１図は本装置の基本
構成を示すブロック図、第２図は動作説明用の波形図で
ある。 Ｉａ、１ｂ・・・・・・振動子、４・・・・・・送受信
器、５・・・・・・検出部、７ａ、７ｂ・・・・・・記
憶部、８・・・・・・論理演算回路、９・・・・・・表
示部。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 被検材に対し縦波および横波モードのパルス状超音波を
   入射可能に当接される一対の超音波振動子と、これら一
   対の超音波振動子を前記各モードごとに励振する駆動パ
   ルスを送出すると共にこの駆動パルスに応じて前記被検
   材から反射される反射波に対応するエコー信号を受信す
   る送受信部と、前記駆動パルスの送出時点から上記エコ
   ー信号の受信時点までの時間に対応する信号を前記各モ
   ードごとに検出して出力する検出部と、この検出部の出
   力信号を前記各モードごとに記憶する記憶部と、この記
   憶部に記憶された内容を読み出して二つの超音波の伝播
   時間比または伝播速度比の少なくとも一方の演算を行な
   うことにより前記被検材の応力に対応する信号を得る手
   段とを具備したことを特徴とする応力測定装置。