JP7814616B2 - Stress measurement device - Google Patents
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Description
本開示は、応力発光体を用いて物体の応力を計測する応力計測装置に関する。 This disclosure relates to a stress measuring device that measures stress in an object using a stress-luminescent material.
計測対象の破壊を予測ないし検知するために、応力を計測することがある。従来の応力の計測方法には、計測対象にひずみゲージを貼り付けてひずみを計測し応力を求める手法、赤外線カメラを用いて発熱作用又は吸熱作用を計測して応力分布を求める手法、計測対象の表面にランダム模様を付与してカメラで撮像し、ひずみの変化から応力を求めるデジタル画像相関法、などがある。Stress is sometimes measured to predict or detect damage to an object. Conventional methods for measuring stress include attaching a strain gauge to the object to measure strain and determine stress, using an infrared camera to measure heat generation or endothermic effects to determine stress distribution, and digital image correlation, which applies a random pattern to the surface of the object, captures an image with a camera, and determines stress from changes in strain.
しかし、ひずみゲージは貼り付けのための手間がかかるとともに計測部位が限られる。また、赤外線カメラを用いる手法は高精度に温度を計測できるカメラが必要であり、測定系のコストが高い。デジタル画像相関法は、事前に表面模様を準備する必要があり、また測定系の位置調整の制約が大きいという問題がある。このため、非接触かつ広範囲に一括で応力計測するために、応力発光体を表面に付与した計測対象からの応力発光を撮像することにより、計測対象の応力分布を非接触で計測する技術が注目されている。応力発光体を応力発光させるためには、あらかじめ応力発光体に励起光を照射して応力発光体の励起状態を飽和状態にしておく必要がある。例えば、特許文献1には、応力発光体に励起光を照射することによって応力発光体の励起状態を飽和状態にし、一定条件で応力発光体を発光させて対象物の表面を撮像する技術が記載されている。However, strain gauges require time-consuming attachment and are limited in the areas that can be measured. Furthermore, methods using infrared cameras require a camera capable of measuring temperature with high accuracy, resulting in high measurement system costs. Digital image correlation methods require the preparation of surface patterns in advance and have significant limitations on the positioning of the measurement system. For this reason, a technology that measures stress distribution in a measurement object without contact by imaging mesoluminescence from a measurement object with a mesoluminescent material applied to its surface has attracted attention for non-contact, wide-area stress measurement. To induce mesoluminescence in a mesoluminescent object, the mesoluminescent object must first be irradiated with excitation light to saturate its excitation state. For example, Patent Document 1 describes a technology that irradiates the mesoluminescent object with excitation light to saturate its excitation state, and then causes the mesoluminescent object to emit light under certain conditions to image the object's surface.
物体にかかる応力には変化が生じない成分である静的成分と変化する成分である動的成分とが含まれ、物体が静止した状態でも静的成分である静的な応力がかかり続ける。このため、例えば、物体の破壊の予測精度を向上させるために、静的な応力を計測可能とする技術の実現が望まれる。特許文献1に記載の手法は、応力が変化した際に発光するという応力発光体の特性を利用して応力を計測しており、静的成分と動的成分とを含む応力を計測することが可能であるが、静的成分である静的な応力を計測することはできないという問題があった。Stress acting on an object includes static components, which do not change, and dynamic components, which change. Even when an object is stationary, static stress continues to act as a static component. For this reason, there is a need for technology that can measure static stress, for example, to improve the accuracy of predicting object destruction. The method described in Patent Document 1 measures stress by utilizing the properties of mechanoluminescent materials, which emit light when stress changes. While this method is capable of measuring stress that includes static and dynamic components, it has the problem of being unable to measure static stress, which is a static component.
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、計測対象で生じている静的な応力を計測可能な応力計測装置を得ることを目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above and aims to provide a stress measuring device capable of measuring static stress occurring in a measurement object.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる応力計測装置は、応力発光体が塗布され、かつ未知の変動応力が生じる計測対象に連続的に励起光を照射して得られる発光強度を計測する計測部と、計測部で計測した発光強度を記憶する記憶部と、記憶部が記憶している発光強度の時間変動波形に基づいて、未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、を備え、変動応力が周期的に変動する応力であり、信号解析部は、時間変動波形の連続する2つの波のピークの強度の比に基づいて静的応力を算出することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the stress measuring device according to the present disclosure comprises a measurement unit that measures the luminescence intensity obtained by continuously irradiating excitation light onto a measurement object coated with a stress-luminescent material and in which an unknown fluctuating stress occurs, a memory unit that stores the luminescence intensity measured by the measurement unit, and a signal analysis unit that calculates static stress, which is the static component of the unknown fluctuating stress, based on the time-varying waveform of the luminescence intensity stored in the memory unit, wherein the fluctuating stress is a stress that fluctuates periodically, and the signal analysis unit calculates the static stress based on the ratio of the intensities of the peaks of two consecutive waves in the time-varying waveform.
本開示によれば、計測対象で生じている静的な応力を計測可能な応力計測装置を得ることができる、という効果を奏する。 The present disclosure has the effect of providing a stress measuring device capable of measuring static stress occurring in a measurement object.
以下に、本開示の実施の形態にかかる応力計測装置を図面に基づいて詳細に説明する。各実施の形態にかかる応力計測装置は、実験室における試験片の応力計測、インフラ設備の力学的負荷状況の点検など、様々な用途における応力計測に使用できる。なお、各実施の形態においては、時間変動する応力を変動応力と称する場合がある。また、変動応力の動的成分を動的応力と称し、変動応力の静的成分を静的応力と称する場合がある。 The stress measuring device according to the embodiments of the present disclosure is described in detail below with reference to the drawings. The stress measuring device according to each embodiment can be used for stress measurement in a variety of applications, such as measuring the stress of test specimens in laboratories and inspecting the mechanical load conditions of infrastructure facilities. Note that in each embodiment, time-varying stress may be referred to as fluctuating stress. Furthermore, the dynamic component of fluctuating stress may be referred to as dynamic stress, and the static component of fluctuating stress may be referred to as static stress.
以下に示す各実施の形態においては、応力発光体を塗布した計測対象に未知の変動応力が作用した際に応力発光体が発する光である応力発光の強度を解析することで、計測対象に作用した応力を評価する計測方法について説明する。 In each of the embodiments shown below, a measurement method is described in which the stress acting on a measurement object is evaluated by analyzing the intensity of mechanoluminescence, which is light emitted by a mechanoluminescent material when an unknown fluctuating stress acts on the measurement object to which the mechanoluminescent material is applied.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかる応力計測装置1の構成例を示す図である。図1では、応力計測装置1が応力を計測する対象である計測対象111も記載している。計測対象111には応力発光体112が塗布されている。また、計測対象111では時間変動する応力121が生じる。
Embodiment 1.
1 is a diagram showing an example of the configuration of a stress measuring apparatus 1 according to a first embodiment. Also shown in FIG. 1 is a measurement object 111, the object of which stress is measured by the stress measuring apparatus 1. A stress-luminescent material 112 is applied to the measurement object 111. Furthermore, a time-varying stress 121 is generated in the measurement object 111.
応力計測装置1は、計測対象111に向けて連続的に励起光101を照射する光照射部11と、応力発光体112の発光強度を計測する計測部12と、計測部12で計測された発光強度を記憶する記憶部13と、記憶部13が記憶している発光強度の時間変動波形を解析する信号解析部14とを備える。 The stress measurement device 1 comprises a light irradiation unit 11 that continuously irradiates excitation light 101 toward the measurement object 111, a measurement unit 12 that measures the emission intensity of the stress-emitting material 112, a memory unit 13 that stores the emission intensity measured by the measurement unit 12, and a signal analysis unit 14 that analyzes the time-varying waveform of the emission intensity stored in the memory unit 13.
計測対象111に塗布される応力発光体112は、励起光を照射されたのちに摩擦、衝撃、圧縮、引っ張り、せん断などの力学的刺激を受けた際に発光する物質である。例えばユウロピウムをドープしたアルミン酸ストロンチウム(SrAl204:Eu)や、遷移金属や希土類をドープした硫化亜鉛(ZnS:Mn)などがあるが、応力に応じた輝度で発光する物質であれば、これらに限定されるものではない。The stress-luminescent material 112 applied to the measurement target 111 is a material that emits light when irradiated with excitation light and then subjected to mechanical stimuli such as friction, impact, compression, tension, or shear. Examples include europium-doped strontium aluminate (SrAl2O4:Eu) and zinc sulfide doped with transition metals or rare earths (ZnS:Mn), but the material is not limited to these, as long as it emits light with a brightness that corresponds to the stress.
励起光101は、時間的に連続して照射される光であって、応力発光体112を励起させられる波長の光である。計測部12は、応力を受けた応力発光体112の応力発光の強度(以下では応力発光強度と称する場合がある)を逐次的に検知するものである。計測部12は応力発光を検出できればよく、例えば、応力発光の発光波長に感度のある光センサーを用いて実現する。光センサーは例えばフォトダイオードを使用できるほか、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)といった二次元イメージセンサを使用した汎用のデジタルカメラやビデオカメラも使用できる。二次元イメージセンサを使用する場合、応力発光強度を計測するのみならず、計測対象の位置ごとの応力発光を画像として計測できる。計測部12は、時間ごとの応力発光強度、連続した静止画、もしくは動画を出力する。記憶部13は、計測部12の出力を記憶する記憶装置である。信号解析部14は、記憶部13に記憶されたデータから応力発光強度を抽出し、応力発光強度の時間変動を解析する解析装置である。The excitation light 101 is irradiated continuously over time and has a wavelength sufficient to excite the stress-luminescent material 112. The measurement unit 12 sequentially detects the intensity of stress-luminescence (hereinafter sometimes referred to as stress-luminescence intensity) of the stress-luminescent material 112. The measurement unit 12 is only required to detect stress-luminescence, and is realized, for example, using an optical sensor sensitive to the emission wavelength of stress-luminescence. The optical sensor can be, for example, a photodiode, or a general-purpose digital camera or video camera using a two-dimensional image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). When a two-dimensional image sensor is used, not only can the stress-luminescence intensity be measured, but also the stress-luminescence at each position of the measurement target can be measured as an image. The measurement unit 12 outputs the stress-luminescence intensity over time, a series of still images, or a video. The memory unit 13 is a storage device that stores the output of the measurement unit 12. The signal analysis unit 14 is an analysis device that extracts the mechanoluminescence intensity from the data stored in the storage unit 13 and analyzes the time variation of the mechanoluminescence intensity.
ここで、応力発光体の発光強度は、応力発光体に作用する応力σと、応力σの変化速度dσ/dtの両方に依存することがすでに知られている。また、応力発光体の発光強度は係数C,D,Eを用いて、以下の式(1)で近似的に示されることが公知である。 It is already known that the luminous intensity of a stress-stimulated luminescent material depends on both the stress σ acting on the material and the rate of change of the stress σ, dσ/dt. It is also known that the luminous intensity of a stress-stimulated luminescent material can be approximately expressed by the following equation (1) using coefficients C, D, and E:
しかし、式(1)は、応力の静的成分および動的成分、すなわち、静的応力および動的応力を考慮したものではないため、応力発光強度から静的応力および動的応力を求めることはできない。応力発光体の応力発光強度から静的応力および動的応力を求めるためには、これらの関係、すなわち、応力発光強度、静的応力および動的応力の対応関係を考慮に入れた構成の式を用いる必要がある。例えば、静的応力をσs、動的応力をσdとし、式(1)のσをσs+σdに置き換え、かつそれぞれの項に個別の係数を設定する。このとき、発光強度式は式(2)の形となる。 However, because Equation (1) does not take into account the static and dynamic components of stress, i.e., static and dynamic stresses, it is not possible to calculate the static and dynamic stresses from the mechanoluminescence intensity. To calculate the static and dynamic stresses from the mechanoluminescence intensity of a mechanoluminescent material, it is necessary to use an equation that takes into account these relationships, i.e., the correspondence between mechanoluminescence intensity, static stress, and dynamic stress. For example, if the static stress is σ s and the dynamic stress is σ d , then σ in Equation (1) can be replaced with σ s + σ d , and individual coefficients can be set for each term. In this case, the luminescence intensity equation takes the form of Equation (2).
さらに、式(2)の右辺のうち、静的応力σsおよび動的応力σdの項である第2項および第3項を、静的応力σsおよび動的応力σdの積の項に置き換えることで、発光強度式は式(3)の形となる。 Furthermore, by replacing the second and third terms on the right side of equation (2), which are the terms for static stress σ s and dynamic stress σ d , with the product term of static stress σ s and dynamic stress σ d , the luminescence intensity equation takes the form of equation (3).
式(3)では、式(2)より少ないパラメータでも同等の精度で、現象論的に静的応力が異なる場合の発光強度を近似できる。パラメータがより少ない式(3)を用いることで計算負荷を下げることができるため、測定時間を短縮したり、より安価な計算機を用いたりすることができる。 Equation (3) can approximate the luminescence intensity when static stress varies phenomenologically with the same accuracy, even with fewer parameters than equation (2). Using equation (3), which has fewer parameters, reduces the computational load, allowing for shorter measurement times and the use of cheaper computers.
図2および図3は、実際の応力発光強度I(t)に合致するように、式(1)および式(2)の係数を調整した結果の比較である。図2は、平均応力が130MPa、応力の振幅が110MPaである場合の比較を示し、図3は、平均応力が400MPa、応力の振幅が110MPaである場合の比較を示す。また、図4および図5は、実際の応力発光強度I(t)に合致するように、式(1)および式(3)の係数を調整した結果の比較である。図4は、平均応力が130MPa、応力の振幅が110MPaである場合の比較を示し、図5は、平均応力が400MPa、応力の振幅が110MPaである場合の比較を示す。このように、式(1)では再現できなかった平均応力が異なる場合の発光強度を、式(2)または式(3)で近似することができる。 Figures 2 and 3 compare the results of adjusting the coefficients in equations (1) and (2) to match the actual stress-luminescence intensity I(t). Figure 2 shows a comparison when the mean stress is 130 MPa and the stress amplitude is 110 MPa, while Figure 3 shows a comparison when the mean stress is 400 MPa and the stress amplitude is 110 MPa. Figures 4 and 5 also compare the results of adjusting the coefficients in equations (1) and (3) to match the actual stress-luminescence intensity I(t). Figure 4 shows a comparison when the mean stress is 130 MPa and the stress amplitude is 110 MPa, while Figure 5 shows a comparison when the mean stress is 400 MPa and the stress amplitude is 110 MPa. In this way, the luminescence intensity for different mean stresses that could not be reproduced using equation (1) can be approximated using equation (2) or equation (3).
以下では、応力発光式として式(3)を採用した場合を例として応力の波形を評価する手順を説明する。計測対象111の応力を評価するためには、式(3)の係数A”~F”を事前に決定する必要がある。そこで、計測対象111の応力を評価する前に、既知の変動応力σを印加した試験体の発光強度を計測することで、事前に係数A”~F”をキャリブレーションする。以下、変化が不規則な一般的な応力の波形を評価する場合の手順の詳細を説明する。 Below, we will explain the procedure for evaluating stress waveforms using equation (3) as an example of a stress-luminescence equation. In order to evaluate the stress of the measurement object 111, the coefficients A" to F" in equation (3) must be determined in advance. Therefore, before evaluating the stress of the measurement object 111, the coefficients A" to F" are calibrated in advance by measuring the luminescence intensity of a test specimen to which a known fluctuating stress σ has been applied. Below, we will explain in detail the procedure for evaluating a general stress waveform that changes irregularly.
図6は、実施の形態1にかかる応力計測装置1が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャートである。この例のフローチャートは、キャリブレーション用の試験体に既知の変動荷重を与えるキャリブレーション用荷重印加ステップ(ステップS11)と、変動荷重印加時の応力発光体の応力発光強度I(t)を記録する記録ステップ(ステップS12)と、式(3)の係数をキャリブレーションするキャリブレーションステップ(ステップS13)と、計測対象111に未知の変動応力σ'(t)を与えた際の応力発光強度I'(t)を記録する計測ステップ(ステップS14)と、式(3)にI'(t)を代入してσ'(t)を求める算出ステップ(ステップS15)と、静的応力を算出する出力ステップ(ステップS16)とを含む。これらの各ステップについて、以下で詳しく説明する。 Figure 6 is a flowchart showing an example of the operation of the stress measuring device 1 according to the first embodiment to evaluate a stress waveform. This flowchart includes a calibration load application step (step S11) for applying a known fluctuating load to a calibration specimen, a recording step (step S12) for recording the mechanoluminescence intensity I(t) of the mechanoluminescent material when the fluctuating load is applied, a calibration step (step S13) for calibrating the coefficients of equation (3), a measurement step (step S14) for recording the mechanoluminescence intensity I'(t) when an unknown fluctuating stress σ'(t) is applied to the measurement object 111, a calculation step (step S15) for substituting I'(t) into equation (3) to obtain σ'(t), and an output step (step S16) for calculating static stress. Each of these steps is described in detail below.
ステップS11~S13では、例えば、図1に示す計測対象111をキャリブレーション用の試験体に置き換えた構成で実施する。 Steps S11 to S13 are performed, for example, in a configuration in which the measurement object 111 shown in Figure 1 is replaced with a calibration test piece.
ステップS11(キャリブレーション用荷重印加ステップ)では、キャリブレーション用の試験体に既知の変動荷重を与える。キャリブレーション用の試験体は、応力発光体を含む樹脂材であってもよいし、応力発光体を含まない材料、例えば金属や樹脂材、セラミックス、ガラス、コンクリートなどの表面に応力発光体を塗布したものであってもよい。また、キャリブレーション用の試験体は、荷重を印加した際に、塗布されている応力発光体に生じる応力の分布が予測できる形状であればよく、好ましくは平板状や柱状などの単純形状である。既知の変動荷重は、印加時にキャリブレーション用の試験体の応力発光体に生じる応力が予測できるものであればよい。好ましくは正弦波状の単軸荷重である。平均荷重、荷重振幅、荷重周波数が異なる複数のパターンの既知の変動荷重を試験体に印加することで、精度の良いキャリブレーションが可能となる。In step S11 (calibration load application step), a known fluctuating load is applied to the calibration specimen. The calibration specimen may be a resin material containing a stress-stimulated luminescent material, or a material not containing a stress-stimulated luminescent material, such as a metal, resin material, ceramic, glass, or concrete, with a stress-stimulated luminescent material applied to its surface. Furthermore, the calibration specimen may have any shape that allows for predicting the distribution of stress generated in the stress-stimulated luminescent material when a load is applied, and preferably has a simple shape such as a flat plate or column. The known fluctuating load may be any shape that allows for predicting the stress generated in the stress-stimulated luminescent material of the calibration specimen when applied. A sinusoidal uniaxial load is preferred. Applying multiple patterns of known fluctuating loads with different average loads, load amplitudes, and load frequencies to the specimen enables highly accurate calibration.
ステップS12(記録ステップ)では、キャリブレーション用の試験体に変動荷重を印加させながら、応力計測装置1が応力発光強度I(t)を記録する。すなわち、変動荷重が印加された試験体の応力発光体に対し、応力計測装置1の光照射部11が励起光101を照射し、計測部12が計測した応力発光体の応力発光強度を記憶部13に記録する。また、同時に試験体の応力発光体に印加された応力σ(t)を記録する。応力発光体に印加された応力σ(t)は、試験体に印加する変動荷重を基に計算で求めてもよいし、試験体のひずみを計測し、計測したひずみを応力発光体の弾性係数で除算することで求めてもよい。印加する平均荷重、荷重振幅および荷重周波数を変えた複数の既知の変動荷重の場合について同様の計測を行い、それぞれの応力σ(t)と応力発光強度I(t)とを記録しておくことが好ましい。In step S12 (recording step), the stress measuring device 1 records the mechanoluminescence intensity I(t) while applying a fluctuating load to the calibration specimen. That is, the light irradiating unit 11 of the stress measuring device 1 irradiates the mechanoluminescent material of the specimen to which the fluctuating load is applied with excitation light 101, and the mechanoluminescence intensity of the mechanoluminescent material measured by the measuring unit 12 is recorded in the memory unit 13. At the same time, the stress σ(t) applied to the mechanoluminescent material of the specimen is recorded. The stress σ(t) applied to the mechanoluminescent material of the specimen may be calculated based on the fluctuating load applied to the specimen, or it may be obtained by measuring the strain of the specimen and dividing the measured strain by the elastic modulus of the mechanoluminescent material. It is preferable to perform similar measurements for multiple known fluctuating loads with different applied average loads, load amplitudes, and load frequencies, and record the stress σ(t) and mechanoluminescence intensity I(t) for each.
ステップS13(キャリブレーションステップ)では、変動荷重印加時にキャリブレーション用の試験体に生じた応力σ(t)と応力発光強度I(t)との変換式である式(3)をキャリブレーションする。具体的には、信号解析部14が、ステップS12で記録された応力発光強度I(t)と応力σ(t)とを記憶部13から読み出し、式(3)に応力σ(t)を代入した際に応力発光強度I(t)が再現されるよう、式(3)の係数を調整する。係数の調整は、例えば、I(t)と式(3)にσ(t)を代入した値の差の二乗和が最小となるように実施する。 In step S13 (calibration step), equation (3), which is the conversion equation between the stress σ(t) generated in the calibration specimen when a fluctuating load is applied and the mechanoluminescence intensity I(t), is calibrated. Specifically, the signal analysis unit 14 reads out the mechanoluminescence intensity I(t) and stress σ(t) recorded in step S12 from the memory unit 13, and adjusts the coefficients of equation (3) so that the mechanoluminescence intensity I(t) is reproduced when the stress σ(t) is substituted into equation (3). The coefficients are adjusted, for example, so that the sum of squares of the difference between I(t) and the value obtained by substituting σ(t) into equation (3) is minimized.
以上のステップS11~S13を実行することにより式(3)の係数A”~F”を調整するためのキャリブレーションが完了し、式(3)と応力発光体の応力発光強度とを用いて未知の変動応力を求めることが可能となる。 By performing the above steps S11 to S13, calibration for adjusting the coefficients A" to F" in equation (3) is completed, and it becomes possible to determine the unknown fluctuating stress using equation (3) and the mechanoluminescence intensity of the mechanoluminescent material.
ステップS14(計測ステップ)では、未知の変動応力121が印加された計測対象111の応力発光強度I'(t)を記録する。未知の変動応力121が印加された計測対象111の例は、流体を通す配管、動力伝達軸、橋梁の橋げた部、締め付けられたボルトなどである。変動応力121は、応力印加部による繰り返し荷重によって生じる。応力印加部とは計測対象111そのものに含まれるか、もしくは計測対象111と不可分な構成である。一例として、計測対象111が流体を通す配管である場合、応力印加部は配管内の流体であり、応力は流体の圧力の変動によって与えられる。他の例として、計測対象111が回転する動力伝達軸である場合、応力は伝達する動力であったり、動力を伝達する過程で生じる振動であったりする。このステップS14では、具体的には、変動応力121が印加された計測対象111の応力発光体112に対し、応力計測装置1の光照射部11が励起光101を照射し、計測部12が応力発光体112の応力発光強度を計測する。この計測部12が計測した応力発光強度を記憶部13が記録する。応力発光強度I'(t)の計測および記録は複数回実行する。 In step S14 (measurement step), the stress-emission intensity I'(t) of the measurement object 111 to which an unknown fluctuating stress 121 is applied is recorded. Examples of measurement objects 111 to which an unknown fluctuating stress 121 is applied include a pipe carrying a fluid, a power transmission shaft, a bridge beam, and a tightened bolt. The fluctuating stress 121 is generated by repeated loading from a stress application unit. The stress application unit is either included in the measurement object 111 itself or is an inseparable component of the measurement object 111. As an example, if the measurement object 111 is a pipe carrying a fluid, the stress application unit is the fluid within the pipe, and the stress is caused by fluctuations in the pressure of the fluid. As another example, if the measurement object 111 is a rotating power transmission shaft, the stress may be the transmitted power or vibrations generated in the process of transmitting the power. In step S14, specifically, the light irradiating unit 11 of the stress measuring device 1 irradiates the excitation light 101 to the stress-luminescent material 112 of the measurement object 111 to which the fluctuating stress 121 is applied, and the measuring unit 12 measures the stress-luminescent intensity of the stress-luminescent material 112. The memory unit 13 records the stress-luminescent intensity measured by the measuring unit 12. The measurement and recording of the stress-luminescent intensity I'(t) are performed multiple times.
ステップS15(算出ステップ)では、ステップS13で係数を調整した式(3)と、ステップS14で記録した応力発光強度I'(t)とを用いて、I'(t)が式(3)にσ'(t)を代入した値となる変動応力σ'(t)を求め、求めたσ'(t)を未知の変動応力の推定値とする。ここで、I'(t)を用いてσ'(t)を求める際は逆問題を解く必要があり、記録したI'(t)を単純に式(3)に代入してσ'(t)を求めることはできない。これに対して、一般的に知られる逆問題の解法を用いることができる。例えばσ'(t)が準周期的であると想定される場合は、σ'(t)をフーリエ変換し、波数空間にてσ'(t)を求めることができる。また、数値的な解法として、逐次的にσ'(t)の推定値を式(3)にσ'(t)を代入し、式(3)にσ'(t)を代入した値とI'(t)との差が最小になるようにσ'(t)を推定してもよい。さらに、ランダムな時間波形をもつσ'(t)を入力、式(3)にσ'(t)を代入した値を出力とするデータセットを事前に学習させた機械学習モデルを用いてσ'(t)を推定してもよい。In step S15 (calculation step), equation (3) with the coefficients adjusted in step S13 and the mechanoluminescence intensity I'(t) recorded in step S14 are used to calculate the fluctuating stress σ'(t) such that I'(t) is the value obtained by substituting σ'(t) into equation (3), and the calculated σ'(t) is used as an estimate of the unknown fluctuating stress. Here, when calculating σ'(t) using I'(t), an inverse problem must be solved; σ'(t) cannot be calculated by simply substituting the recorded I'(t) into equation (3). Instead, commonly known methods for solving inverse problems can be used. For example, if σ'(t) is assumed to be quasi-periodic, σ'(t) can be calculated in wavenumber space by Fourier transforming σ'(t). Alternatively, as a numerical solution, σ'(t) may be estimated by sequentially substituting σ'(t) into equation (3) to minimize the difference between the value obtained by substituting σ'(t) into equation (3) and I'(t). Furthermore, σ'(t) may be estimated using a machine learning model that has previously trained a data set in which σ'(t) having a random time waveform is input and the value obtained by substituting σ'(t) into equation (3) is output.
以上のように、事前に式(3)に含まれる係数を調整することによって、未知の変動応力σ'(t)を精度よく推定することができる。なお、発光強度を近似的に表す式の代表として式(3)を用いたが、応力の静的成分、動的成分および動的成分の時間微分の項を含んでいればよく、式の形は式(2)や式(3)に限定されない。例えば、より高次の項を追加することで、より精度よく発光強度を近似できる。 As described above, by adjusting the coefficients contained in equation (3) in advance, the unknown fluctuating stress σ'(t) can be estimated with high accuracy. Note that while equation (3) was used as a representative equation for approximately expressing the luminous intensity, the form of the equation is not limited to equations (2) and (3), as long as it contains terms for the static component, dynamic component, and time derivative of the dynamic component of the stress. For example, by adding higher-order terms, the luminous intensity can be approximated with higher accuracy.
発光強度式の形によっては、I'(t)に対するσ'(t)が一意に定まらない場合がある。この場合、必要に応じて複数のσ'(t)のうちひとつを選択するステップを追加する。この選択ステップでは、物理的に予測されるもっともらしい解を選択してもよいし、他の判断基準で解を選択してもよい。他の判断基準の例の一つとして、より安全側となるような解を選択する場合を説明する。例えば計測対象111が構造材であって、継続的に変動する応力がかかり続ける状況において計測対象111が破壊しない安全性を検証する場合、複数のσ'(t)のうち最も疲労損傷度が大きくなる解を選択することで、安全側の評価とすることができる。 Depending on the form of the emission intensity formula, σ'(t) may not be uniquely determined for I'(t). In this case, a step of selecting one of multiple σ'(t) is added as necessary. In this selection step, the most plausible solution predicted physically may be selected, or a solution may be selected based on other criteria. As an example of other criteria, we will explain the case of selecting a solution that is on the safer side. For example, if the measurement object 111 is a structural material and you want to verify that the measurement object 111 will not break under conditions where continuously fluctuating stress is applied, you can make a safe evaluation by selecting the solution that results in the greatest degree of fatigue damage from among multiple σ'(t).
他の選択方法として、計測対象111のある一点において応力発光体112を用いずに応力を計測し、計測した応力と合致する解を選択し出力する方法がある。応力発光体112を用いない応力計測手段には、例えばひずみゲージや伸び計などでひずみを求め、応力に変換する手法を用いることができる。これにより、一点のみの応力計測値を参照しつつ、応力発光体112で計測対象111全体の応力分布を評価することができる。 Another selection method is to measure stress at a single point on the measurement object 111 without using the stress-luminescent element 112, and select and output the solution that matches the measured stress. A stress measurement method that does not use the stress-luminescent element 112 can use a method that measures strain using a strain gauge or extensometer, for example, and converts it into stress. This makes it possible to evaluate the stress distribution over the entire measurement object 111 using the stress-luminescent element 112 while referring to the stress measurement value at only one point.
ステップS16(出力ステップ)では、ステップS15で求めた変動応力σ'(t)に含まれる静的応力を計算し、応力計測装置1の外部に出力する。例えば、静的応力を表示装置に表示することで外部に通知する。変動応力σ'(t)も一緒に外部に出力してもよい。静的応力は、ステップS14で記録した複数の発光強度、例えば、I'(t1)およびI'(t2)のそれぞれに対応するσ'(t1)およびσ'(t1)と、発光強度式とを用いて算出する。 In step S16 (output step), the static stress included in the fluctuating stress σ'(t) obtained in step S15 is calculated and output to the outside of the stress measuring device 1. For example, the static stress is notified to the outside by displaying it on a display device. The fluctuating stress σ'(t) may also be output to the outside. The static stress is calculated using the multiple emission intensities recorded in step S14, for example, σ'( t1 ) and σ'( t1 ) corresponding to I'( t1 ) and I'( t2 ), respectively, and an emission intensity formula.
以上説明したように、本実施の形態にかかる応力計測装置1は、計測対象111が有する応力発光体112に作用する応力σと、応力発光体の発光強度Iとの関係を示す発光強度式とを用いて、計測対象111に作用する応力および静的応力を算出する。本実施の形態にかかる応力計測装置1によれば、計測対象111に作用する応力を連続的に計測でき、また、計測した応力から静的応力を求めることができる。As described above, the stress measuring device 1 according to this embodiment calculates the stress and static stress acting on the measurement object 111 using the stress σ acting on the stress-luminescent material 112 possessed by the measurement object 111 and the emission intensity equation showing the relationship between the emission intensity I of the stress-luminescent material. The stress measuring device 1 according to this embodiment can continuously measure the stress acting on the measurement object 111, and can also determine the static stress from the measured stress.
また、応力を計測する対象物に断続的に励起光を照射する場合、励起光の励起状態も断続的となり、応力を連続して計測することができないという課題があるが、本実施の形態にかかる応力計測装置1は計測対象111に対して連続的に励起光101を照射するので、計測対象111に作用する応力を連続して計測することができる。このため、例えば時間的に連続した応力評価が必要な物体や、突発的に予期しない応力が印加される可能性がある物体の応力を高精度に評価することが可能となる。 Furthermore, when excitation light is intermittently irradiated onto an object whose stress is to be measured, the excitation state of the excitation light also becomes intermittent, posing the problem of not being able to measure the stress continuously. However, the stress measuring device 1 according to this embodiment continuously irradiates the measurement object 111 with excitation light 101, so it is possible to continuously measure the stress acting on the measurement object 111. This makes it possible to evaluate with high accuracy the stress of, for example, an object that requires continuous stress evaluation over time, or an object to which unexpected stress may be suddenly applied.
実施の形態2.
つづいて、実施の形態2にかかる応力計測装置について説明する。実施の形態2にかかる応力計測装置の構成は実施の形態1と同様である。本実施の形態では、計測対象111で生じる応力121が周期的に変動する場合の計測方法について説明する。
Embodiment 2.
Next, a stress measuring device according to embodiment 2 will be described. The configuration of the stress measuring device according to embodiment 2 is the same as that of embodiment 1. In this embodiment, a measurement method will be described in which the stress 121 generated in the measurement object 111 fluctuates periodically.
例えば、計測対象111が流体を通す配管であり、流体の圧力の脈動によって応力が生じる場合、応力は周期的に変動する。また、計測対象111が回転する動力伝達軸であり、伝達する動力の脈動によって応力が生じる場合も応力は周期的に変動すると考えられる。このような場合、図7に示すように、応力121は、時間的に変動しないもしくは変動の時間スケールが十分に長い静的成分122と、応力121から静的成分122を差し引いた動的成分123とに分割でき、動的成分123は周期的に変動する。また、静的成分122は、応力121の時間平均に相当する。図7は、実施の形態2にかかる応力計測装置が計測する応力121の一例を示す図である。なお、周期的に変動する応力121について説明したが、周期的ではなくランダムに変動する応力の場合も、応力の静的成分である静的応力は応力の時間平均に相当する。For example, if the measurement object 111 is a pipe through which a fluid passes and stress is generated due to pulsations in the fluid's pressure, the stress will fluctuate periodically. Furthermore, if the measurement object 111 is a rotating power transmission shaft and stress is generated due to pulsations in the transmitted power, the stress is also considered to fluctuate periodically. In such cases, as shown in Figure 7, stress 121 can be divided into a static component 122 that does not fluctuate over time or whose fluctuation time scale is sufficiently long, and a dynamic component 123, which is stress 121 minus static component 122, and the dynamic component 123 fluctuates periodically. Furthermore, static component 122 corresponds to the time average of stress 121. Figure 7 shows an example of stress 121 measured by the stress measuring device according to the second embodiment. While we have described periodically fluctuating stress 121, even in the case of stress that fluctuates randomly rather than periodically, the static component of stress, or static stress, corresponds to the time average of stress.
本実施の形態にかかる応力計測装置1は、信号解析部14の動作が実施の形態1と異なる。光照射部11および計測部12は、実施の形態1で説明した図6のステップS14と同様の処理を実行し、応力発光体112の発光強度を記憶部13に記録する。 The stress measuring device 1 of this embodiment differs from that of embodiment 1 in the operation of the signal analysis unit 14. The light irradiation unit 11 and the measurement unit 12 perform the same processing as step S14 of FIG. 6 described in embodiment 1, and record the luminous intensity of the stress-luminescent material 112 in the memory unit 13.
信号解析部14が記憶部13に記録された応力発光強度を解析して応力121の静的成分122および動的成分123を求める動作について、図8~図12を用いて説明する。図8は、計測対象111で生じる応力121と応力発光体112の応力発光強度との関係を示す第1の図、図9は、計測対象111で生じる応力121と応力発光体112の応力発光強度との関係を示す第2の図、図10は、計測対象111で生じる応力121と応力発光体112の応力発光強度との関係を示す第3の図、図11は、計測対象111で生じる応力121の動的成分123と応力発光体112の発光強度との関係を示す図、図12は、計測対象111で生じる応力121の静的成分122と応力発光体112の発光強度との関係を示す図である。8 to 12, the operation of the signal analysis unit 14 to analyze the stress-luminescence intensity recorded in the memory unit 13 to determine the static component 122 and dynamic component 123 of the stress 121 will be described. FIG. 8 is a first diagram showing the relationship between the stress 121 generated in the measurement object 111 and the stress-luminescence intensity of the stress-luminescent material 112. FIG. 9 is a second diagram showing the relationship between the stress 121 generated in the measurement object 111 and the stress-luminescence intensity of the stress-luminescent material 112. FIG. 10 is a third diagram showing the relationship between the stress 121 generated in the measurement object 111 and the stress-luminescence intensity of the stress-luminescent material 112. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the dynamic component 123 of the stress 121 generated in the measurement object 111 and the emission intensity of the stress-luminescent material 112. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the static component 122 of the stress 121 generated in the measurement object 111 and the emission intensity of the stress-luminescent material 112.
一例として、応力121の動的成分の波形が正弦波である場合について説明する。上述したように、計測対象111に印加される応力121は、時間平均である静的成分122と、応力121から静的成分122を差し引いた動的成分123とに分けることができる。このとき応力発光体112の応力発光強度は、図8~図10に示すように、応力121の動的成分123の一周期あたり二回の頻度でピークが現れる。これは、応力発光強度が応力121の変動速度に依存するためである。以下では、応力121が減少する際に生じる応力発光強度のピークを第一ピーク131、応力121が増加する際に生じる応力発光強度のピークを第二ピーク132と称する。また、第一ピーク131の応力発光強度をP1、第二ピーク132の応力発光強度P2と称する。 As an example, a case where the waveform of the dynamic component of the stress 121 is a sine wave will be described. As described above, the stress 121 applied to the measurement object 111 can be divided into a static component 122, which is a time average, and a dynamic component 123, which is the stress 121 minus the static component 122. In this case, the mechanoluminescence intensity of the mechanoluminescent material 112 exhibits two peaks per cycle of the dynamic component 123 of the stress 121, as shown in FIGS. 8 to 10 . This is because the mechanoluminescence intensity depends on the fluctuation speed of the stress 121. Hereinafter, the peak of the mechanoluminescence intensity occurring when the stress 121 decreases will be referred to as a first peak 131, and the peak of the mechanoluminescence intensity occurring when the stress 121 increases will be referred to as a second peak 132. The mechanoluminescence intensity of the first peak 131 will be referred to as P 1 , and the mechanoluminescence intensity of the second peak 132 will be referred to as P 2 .
P1とP2の比は静的成分122によって変わる。詳細には、図8に示す例のように静的成分122が正の場合はP1の方がP2よりも高くなる。図9に示す例のように静的成分122がゼロの場合はP1とP2は一致する。図10に示す例のように静的成分122が負の場合はP2の方がP1よりも高くなる。また、図11に示すように、P1とP2の平均値は、動的成分123の振幅の二乗に比例し、図12に示すように、P1をP2で除した値は、静的成分122の指数関数に比例する。 The ratio of P1 to P2 varies depending on the static component 122. Specifically, when the static component 122 is positive, as in the example shown in Fig. 8, P1 is higher than P2 . When the static component 122 is zero, as in the example shown in Fig. 9, P1 and P2 are equal. When the static component 122 is negative, as in the example shown in Fig. 10, P2 is higher than P1 . Furthermore, as shown in Fig. 11, the average value of P1 and P2 is proportional to the square of the amplitude of the dynamic component 123, and as shown in Fig. 12, the value obtained by dividing P1 by P2 is proportional to the exponential function of the static component 122.
これらの関係から、応力121の静的成分122および動的成分123は、それぞれ次式(4)を用いて求めることができる。式(4)において、AおよびBは測定系による係数である。 From these relationships, the static component 122 and dynamic component 123 of stress 121 can be calculated using the following equation (4). In equation (4), A and B are coefficients depending on the measurement system.
信号解析部14は、式(4)を用いて、応力発光強度の時間変動から、応力121の静的成分122と動的成分123とを求めて出力する。 The signal analysis unit 14 uses equation (4) to calculate and output the static component 122 and dynamic component 123 of stress 121 from the time variation of the stress-luminescence intensity.
本実施の形態にかかる応力計測装置1は、周期的に変動する応力121を連続的に計測でき、また、応力121の静的成分122を計測できる。 The stress measuring device 1 of this embodiment can continuously measure the periodically fluctuating stress 121 and can also measure the static component 122 of the stress 121.
実施の形態3.
実施の形態1および2では、計測対象111に作用する応力が時間的に変動する場合について説明したが、本実施の形態では、計測対象111に作用する応力が時間的に変動しない場合であっても未知の静的応力を計測することが可能な応力計測装置について説明する。
Embodiment 3.
In the first and second embodiments, we have described the case where the stress acting on the measurement object 111 varies over time. However, in this embodiment, we will describe a stress measuring device that can measure unknown static stress even when the stress acting on the measurement object 111 does not vary over time.
図13は、実施の形態3にかかる応力計測装置1aの構成例を示す図である。応力計測装置1aは、実施の形態2にかかる応力計測装置1に応力印加部15が追加された構成である。応力印加部15は、周期的に変動する応力121を計測対象111に印加する。計測対象111では、応力印加部15による応力121が印加されていない状態のときは、未知の静的応力のみが生じているものとする。 Figure 13 is a diagram showing an example configuration of a stress measuring device 1a according to embodiment 3. The stress measuring device 1a has a configuration in which a stress application unit 15 is added to the stress measuring device 1 according to embodiment 2. The stress application unit 15 applies a periodically fluctuating stress 121 to the measurement object 111. When the stress 121 is not being applied by the stress application unit 15, it is assumed that only an unknown static stress is generated in the measurement object 111.
本実施の形態における未知の静的応力とは、計測対象にかかっている時間的に変動しないもしくは変動の時間スケールが十分に大きい応力であって、例えば自重によってたわんだ状態の橋梁の橋げた部に生じる応力や、締め付けられたボルトにかかる引張応力、線膨張係数が異なる材料が組み合わされた部材に温度変化が生じた際の熱応力、樹脂成型物の成型時に生じる残留応力など、様々な状況で想定される応力である。 In this embodiment, unknown static stress refers to stress acting on the object to be measured that does not fluctuate over time or whose fluctuation time scale is sufficiently large.For example, this is stress that can be expected in various situations, such as the stress that occurs in the bridge beam when it is deflected due to its own weight, the tensile stress that occurs in a tightened bolt, the thermal stress that occurs when a temperature change occurs in a component that combines materials with different linear expansion coefficients, and the residual stress that occurs during the molding of a resin molded product.
一例として、ボルトにかかる引張応力を計測することは、例えば生産工程における異常な組付け状態の点検に用いることができる。従来、組付け状態の点検方法のひとつに、打音検査がある。これは点検対象をハンマーなどで打撃し、その際の音響で正常か異常かを判断するが、例えばボルトが緩んではいないものの軸力が不十分である状況などは判別困難である。これに対し、本実施の形態の手法によれば、応力発光体を頭部に塗布したボルトを用いることで、ハンマーなどで打撃した際の応力発光強度を記録して解析することでボルトの軸力を推定し、従来よりも詳細な点検を実施できる。 As an example, measuring the tensile stress on a bolt can be used to inspect for abnormal assembly conditions during a production process. Conventionally, one method for inspecting assembly conditions is a hammering test. This involves striking the object to be inspected with a hammer or similar tool, and using the sound produced to determine whether the condition is normal or abnormal. However, it is difficult to determine, for example, situations in which the bolt is not loose but has insufficient axial tension. In contrast, the method of this embodiment uses a bolt with a mechanoluminescent material applied to the head, and by recording and analyzing the mechanoluminescence intensity when struck with a hammer or similar tool, the axial tension of the bolt can be estimated, allowing for more detailed inspections than before.
応力計測装置1aの応力印加部15は、既知の変動応力、好ましくは正弦波を計測対象111に印加する。応力印加部15は、例えば、疲労試験機や加振機を使用して実現することが可能である。計測対象111に印加する変動応力121は時間変動する応力であればよく、正弦波以外でも、例えば、三角波、矩形波などを印加することとしてもよい。 The stress application unit 15 of the stress measurement device 1a applies a known fluctuating stress, preferably a sine wave, to the measurement object 111. The stress application unit 15 can be realized using, for example, a fatigue testing machine or a vibration exciter. The fluctuating stress 121 applied to the measurement object 111 may be any time-varying stress, and may be a wave other than a sine wave, such as a triangular wave or a rectangular wave.
応力計測装置1aは、応力印加部15が計測対象111に既知の変動応力121を印加した際の応力発光体112の応力発光強度の波形を実施の形態1と同様の方法で解析することにより、計測対象111で生じている応力の静的成分122を求めて出力する。 The stress measuring device 1a analyzes the waveform of the stress luminescence intensity of the stress luminescent material 112 when the stress application unit 15 applies a known fluctuating stress 121 to the measurement object 111 in a manner similar to that of embodiment 1, thereby determining and outputting the static component 122 of the stress occurring in the measurement object 111.
このように、本実施の形態にかかる応力計測装置1aは、計測対象111に周期的に変動する変動応力121を印加する応力印加部15を備えるため、計測対象111で生じる応力が時間変動しない場合であっても応力の静的成分122を求めることができる。 As such, the stress measuring device 1a of this embodiment is equipped with a stress application unit 15 that applies a periodically fluctuating fluctuating stress 121 to the measurement object 111, and therefore the static component 122 of the stress can be obtained even if the stress generated in the measurement object 111 does not fluctuate over time.
実施の形態4.
応力発光体の応力発光強度は、印加された応力のみならず、応力発光体の濃度分布に依存する。また、応力発光体が塗膜状である場合はその膜厚に依存し、また励起光の強度に依存する。応力発光体の励起状態が飽和していない場合、応力発光強度は応力発光体の濃度、膜厚および励起光強度のそれぞれに比例する。こうした応力発光強度の不定性は、応力を評価する際の誤差要因となる。そこで、本実施の形態では、応力評価の誤差要因となる応力発光強度の不定性を補正する方法について説明する。
Embodiment 4.
The mechanoluminescence intensity of a stress-stimulated luminescent material depends not only on the applied stress but also on the concentration distribution of the mechanoluminescent material. Furthermore, if the mechanoluminescent material is in the form of a coating film, it depends on the film thickness and also on the intensity of the excitation light. When the excitation state of the mechanoluminescent material is not saturated, the mechanoluminescence intensity is proportional to the concentration of the mechanoluminescent material, the film thickness, and the intensity of the excitation light. Such instability in the mechanoluminescence intensity can be a source of errors when evaluating stress. Therefore, in this embodiment, a method for correcting the instability in the mechanoluminescence intensity, which can be a source of errors in stress evaluation, will be described.
上記の不定性を補正する方法では、実施の形態1~3で説明したいずれかの手法で計測対象の変動応力を計測する前もしくは後に、計測対象に変動応力がかかっておらず、かつ励起光を照射した状況で、応力発光体の発光強度を計測する。このとき、応力発光体は応力発光していないが、励起光による蛍光を発している。この発光強度を、以下、補正用蛍光強度と称する。励起光は連続的に照射されるため、補正用蛍光強度も連続的となる。補正用蛍光強度は、応力発光体の励起状態が飽和していない場合、応力発光体の濃度、膜厚、励起光強度それぞれに比例する。したがって、実施の形態1~3で説明した手法で計測した応力発光強度を補正用蛍光強度で除算して補正することで、応力発光体の濃度、膜厚、励起光強度の影響を除去できる。 In a method for correcting the above-mentioned uncertainty, the luminescence intensity of the mechanoluminescent material is measured before or after measuring the fluctuating stress of the measurement object using any of the methods described in embodiments 1 to 3, when the measurement object is not subjected to fluctuating stress and is irradiated with excitation light. At this time, the mechanoluminescent material does not emit mechanoluminescence, but emits fluorescence due to the excitation light. This luminescence intensity is hereinafter referred to as the correction fluorescence intensity. Because the excitation light is irradiated continuously, the correction fluorescence intensity is also continuous. When the excitation state of the mechanoluminescent material is not saturated, the correction fluorescence intensity is proportional to the concentration of the mechanoluminescent material, film thickness, and excitation light intensity. Therefore, by correcting the mechanoluminescent intensity measured using the methods described in embodiments 1 to 3 by the correction fluorescence intensity, the effects of the concentration of the mechanoluminescent material, film thickness, and excitation light intensity can be eliminated.
実施の形態1~3で説明した応力計測装置1,1aの計測部12が撮像系である場合には、画像として補正用蛍光強度の分布を取得できる。実施の形態1~3で説明した手法で計測した応力発光強度の画像を補正用蛍光強度の画像で除算して補正することで、応力発光体の濃度、膜厚、励起光強度の分布の影響を除去できる。 When the measurement unit 12 of the stress measurement device 1, 1a described in embodiments 1 to 3 is an imaging system, the distribution of correction fluorescence intensity can be obtained as an image. By correcting the image of mechanoluminescence intensity measured using the method described in embodiments 1 to 3 by dividing it by the image of correction fluorescence intensity, the effects of the concentration of the mechanoluminescent material, film thickness, and excitation light intensity distribution can be removed.
図14は、実施の形態4にかかる応力計測装置が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態4にかかる応力計測装置の構成は、実施の形態1,2の構成(図1参照)または実施の形態3の構成(図13参照)と同様である。図14では、図6に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理に同一のステップ番号を付している。図6に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理については説明を省略する。 Figure 14 is a flowchart showing an example of the operation of the stress measuring device according to embodiment 4 to evaluate a stress waveform. The configuration of the stress measuring device according to embodiment 4 is the same as that of embodiments 1 and 2 (see Figure 1) or that of embodiment 3 (see Figure 13). In Figure 14, the same step numbers are assigned to processes that are common to those included in the flowchart shown in Figure 6. Explanation of processes that are common to those included in the flowchart shown in Figure 6 will be omitted.
図14のフローチャートが示す動作例では、まず、計測対象111に変動応力121がかかっておらず、かつ励起光101を照射した状態で、応力発光体112の発光強度を計測部12が計測して補正用蛍光強度を取得する(ステップS21)。次に、計測対象111に未知の変動応力σ'(t)を与えた際の応力発光強度I'(t)を記録する(ステップS14)。次に、ステップS14で記録した応力発光強度I'(t)をステップS21で取得した補正用蛍光強度で除算して応力発光強度I'(t)を補正する(ステップS22)。次に、補正後の応力発光強度I'(t)を用いて応力を算出する(ステップS23)。このステップS23では、実施の形態1~3で説明したいずれかの手法で計測対象111の未知の変動応力σ'(t) を算出する。次に、静的応力を算出する(ステップS16)。静的応力の算出は実施の形態1~3で説明したいずれかの手法で行う。In the example of operation shown in the flowchart of FIG. 14, first, the measurement unit 12 measures the emission intensity of the stress-luminescent material 112 to obtain a correction fluorescence intensity when the measurement object 111 is not subjected to fluctuating stress 121 and is irradiated with excitation light 101 (step S21). Next, the stress-luminescent intensity I'(t) obtained when an unknown fluctuating stress σ'(t) is applied to the measurement object 111 is recorded (step S14). Next, the stress-luminescent intensity I'(t) recorded in step S14 is divided by the correction fluorescence intensity obtained in step S21 to correct the stress-luminescent intensity I'(t) (step S22). Next, stress is calculated using the corrected stress-luminescent intensity I'(t) (step S23). In step S23, the unknown fluctuating stress σ'(t) of the measurement object 111 is calculated using one of the methods described in embodiments 1 to 3. Next, static stress is calculated (step S16). The static stress is calculated using one of the methods described in embodiments 1 to 3.
以上説明したように、本実施の形態にかかる応力計測装置は、変動応力がかかっていない状態の計測対象111に励起光101を照射して応力発光体112の発光強度を計測し、これを補正用蛍光強度として使用して、実施の形態1~3で説明したいずれかの手法で計測した変動応力を補正する。これにより、計測対象111の応力の計測値から、応力発光体112の濃度および膜厚と、応力発光体112に照射する励起光101の強度とによる影響を除去することができる。すなわち、応力の計測精度を高めることができる。 As described above, the stress measurement device according to this embodiment irradiates excitation light 101 onto the measurement object 111 in a state where no fluctuating stress is applied, measures the emission intensity of the stress-luminescent material 112, and uses this as a correction fluorescence intensity to correct the fluctuating stress measured by any of the methods described in embodiments 1 to 3. This makes it possible to remove the influence of the concentration and film thickness of the stress-luminescent material 112 and the intensity of the excitation light 101 irradiated onto the stress-luminescent material 112 from the measured value of the stress of the measurement object 111. In other words, the accuracy of stress measurement can be improved.
なお、計測対象111において変動応力を生じさせる応力印加部が計測対象111に含まれるか計測対象111と不可分な構成である場合、応力印加部が応力の印加を開始する前に補正用蛍光強度を取得しておけばよい。例えば、計測対象111が流体を通す配管である場合は流体を通す前に補正用蛍光強度を取得する。計測対象111が回転する動力伝達軸である場合、動力の伝達開始前に補正用蛍光強度を取得する。 If the stress application unit that generates fluctuating stress in the measurement object 111 is included in the measurement object 111 or is an inseparable part of the measurement object 111, the correction fluorescence intensity can be acquired before the stress application unit starts applying stress. For example, if the measurement object 111 is a pipe through which a fluid passes, the correction fluorescence intensity is acquired before the fluid passes. If the measurement object 111 is a rotating power transmission shaft, the correction fluorescence intensity is acquired before the power transmission starts.
実施の形態5.
本実施の形態では、応力計測装置が計測対象に照射する励起光の波長および応力計測装置が備える計測部の感度がある波長を適切に設定することで、応力発光強度を計測する際のノイズを低減し、応力の計測精度を向上する方法を示す。上述した実施の形態1~4にかかる応力計測装置1,1aにおいて、励起光101は応力発光体112を励起できる波長であればよく、また計測部12は応力発光体112の発光波長に感度があればよい。ただし、励起光101の反射光が計測部12で検出されると応力発光強度を評価する際のノイズとなるため、励起光101の波長は計測部12の感度がある波長帯の範囲外とする。
Embodiment 5.
In this embodiment, a method for reducing noise when measuring the stress-luminescence intensity and improving the stress measurement accuracy is shown by appropriately setting the wavelength of the excitation light that the stress measurement device irradiates onto the measurement object and the wavelength to which the measurement unit of the stress measurement device is sensitive. In the stress measurement devices 1 and 1a according to the above-described first to fourth embodiments, the excitation light 101 may have a wavelength that can excite the stress-luminescent material 112, and the measurement unit 12 may be sensitive to the emission wavelength of the stress-luminescent material 112. However, if the reflected light of the excitation light 101 is detected by the measurement unit 12, this will become noise when evaluating the stress-luminescence intensity, so the wavelength of the excitation light 101 is set outside the range of the wavelength band to which the measurement unit 12 is sensitive.
応力発光体112の発光波長は狭い波長帯にピークを持ち、例えばアルミン酸ストロンチウムの場合は365nm付近の強度が最も高い。一方、応力発光以外のノイズとなる光、例えば太陽光や蛍光灯、白熱電球等の光源からの光やそれらの散乱光は、一般的に応力発光以外の波長帯の光を多く含む。したがって、計測部12の前面に応力発光の波長のみを透過するフィルタを追加することで、さらにノイズを低減できる。図15は、実施の形態5にかかる応力計測装置1bの構成例を示す図である。図15では、実施の形態1~4にかかる応力計測装置と共通の構成要素に同一の符号を付している。例えば、図15に示すように、計測部12と計測対象111との間に、応力発光の波長を透過し、他の波長、例えば、励起光101の波長などは透過しないフィルタ16を設ける。これにより、励起光101の反射光など、応力発光にとってノイズとなる波長を検出することがなくなり、応力の計測精度を向上させることができる。The emission wavelength of the stress-stimulated luminescent material 112 peaks in a narrow wavelength band. For example, in the case of strontium aluminate, the intensity is highest around 365 nm. Meanwhile, light that causes noise other than stress-stimulated luminescence, such as light from light sources such as sunlight, fluorescent lamps, and incandescent bulbs, and their scattered light, generally contains a large amount of light in wavelength bands other than stress-stimulated luminescence. Therefore, noise can be further reduced by adding a filter that transmits only stress-stimulated luminescence wavelengths to the front of the measurement unit 12. Figure 15 shows an example configuration of a stress measurement device 1b according to a fifth embodiment. In Figure 15, components common to the stress measurement devices according to the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals. For example, as shown in Figure 15, a filter 16 that transmits stress-stimulated luminescence wavelengths but does not transmit other wavelengths, such as the wavelength of the excitation light 101, can be provided between the measurement unit 12 and the measurement object 111. This prevents detection of wavelengths that cause noise in stress-stimulated luminescence, such as reflected light from the excitation light 101, thereby improving the accuracy of stress measurement.
実施の形態6.
本実施の形態では、画像から負荷方向を求めて応力のテンソル方向の評価精度を向上する応力計測が可能な応力計測装置について説明する。上述した実施の形態1では、不規則に変動する応力の静的応力と変動応力とを評価することが可能な応力計測装置1について説明したが、計測対象111に塗布された応力発光体112にランダムパターン模様等の特徴点が描かれていてもよい。
Embodiment 6.
In this embodiment, a stress measuring device capable of measuring stress by obtaining the load direction from an image to improve the evaluation accuracy of the stress tensor direction will be described. In the above-described first embodiment, the stress measuring device 1 capable of evaluating the static stress and the fluctuating stress of the irregularly fluctuating stress has been described. However, the stress-luminescent material 112 applied to the measurement object 111 may have feature points such as a random pattern drawn on it.
図16は、実施の形態6にかかる応力計測装置による応力計測方法を説明するための図である。本実施の形態にかかる応力計測装置の構成は実施の形態1と同様であるが、計測対象111に塗布された応力発光体113にはランダムパターン模様が描かれている。また、信号解析部14の動作が実施の形態1と異なる。 Figure 16 is a diagram for explaining a stress measurement method using a stress measurement device according to embodiment 6. The configuration of the stress measurement device according to this embodiment is the same as that of embodiment 1, but a random pattern is drawn on the stress-luminescent material 113 applied to the measurement object 111. In addition, the operation of the signal analysis unit 14 differs from that of embodiment 1.
計測対象111には時間変動する未知の負荷が加わり、これに伴い未知の変動応力121が生じている。このため、時間がt1からt2に経過した際、応力発光体113として描かれた模様が、負荷が変動する方向である負荷方向へ変位する。図16では、簡単な例として、時間変動する未知の負荷がy軸方向の負荷のみの場合を示しているが、負荷方向が不明な未知の負荷が加わった場合でも、特徴点の変位量から変位方向を求め、時間変動する負荷による応力のテンソル方向を求めることができる。すなわち、本実施の形態にかかる応力計測装置1の信号解析部14は、時間経過時の画像の特徴点の変位から応力のテンソル方向を求め、また応力発光体の発光強度から応力の絶対値を求めることで、応力が変動する方向と、応力の絶対値とを同時に求めることができる。 An unknown time-varying load is applied to the measurement object 111, generating an unknown fluctuating stress 121. Therefore, as time elapses from t1 to t2 , the pattern depicted as the stress-luminescent body 113 is displaced in the load direction, which is the direction in which the load fluctuates. FIG. 16 shows a simple example in which the only unknown time-varying load is a load in the y-axis direction. However, even if an unknown load with an unknown load direction is applied, the displacement direction can be determined from the displacement amount of the feature point, and the tensor direction of the stress due to the time-varying load can be determined. That is, the signal analysis unit 14 of the stress measuring device 1 according to this embodiment can simultaneously determine the stress tensor direction from the displacement of the feature point in the image over time and the absolute value of the stress from the luminescence intensity of the stress-luminescent body.
図17は、実施の形態6にかかる応力計測装置1が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャートである。なお、図17では、図6に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理に同一のステップ番号を付している。図6に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理については説明を省略する。 Figure 17 is a flowchart showing an example of the operation of the stress measuring device 1 according to the sixth embodiment to evaluate a stress waveform. Note that in Figure 17, the same step numbers are used for processes that are common to those included in the flowchart shown in Figure 6. Explanation of processes that are common to those included in the flowchart shown in Figure 6 will be omitted.
応力計測装置1は、まず、第一荷重状態の画像を取得し(ステップS31)、第二荷重状態の画像を取得する(ステップS32)。具体的には、計測部12が、時間t1に応力発光体113を撮影し、得られた画像を第一荷重状態の画像151として記憶部13に記録し、時間t2に応力発光体113を撮影し、得られた画像を第二荷重状態の画像152として記憶部13に記録する。 The stress measuring device 1 first acquires an image under a first load (step S31) and then acquires an image under a second load (step S32). Specifically, the measuring unit 12 captures an image of the stress-luminescent material 113 at time t1 and stores the image in the storage unit 13 as an image 151 under the first load, and then captures an image of the stress-luminescent material 113 at time t2 and stores the image in the storage unit 13 as an image 152 under the second load.
応力計測装置1は、次に、デジタル画像相関法で変動応力のテンソルを算出する(ステップS33)。具体的には、信号解析部14が、記憶部13から第一荷重状態の画像151および第二荷重状態の画像152を読み出し、デジタル画像相関法を用いて、第一荷重状態の画像151および第二荷重状態の画像152を解析し、変動応力のテンソルを算出する。The stress measuring device 1 then calculates the fluctuating stress tensor using digital image correlation (step S33). Specifically, the signal analysis unit 14 reads the image 151 in the first load state and the image 152 in the second load state from the memory unit 13, analyzes the image 151 in the first load state and the image 152 in the second load state using digital image correlation, and calculates the fluctuating stress tensor.
応力計測装置1は、次に、計測対象111に未知の変動応力σ'(t)を与えた際の応力発光強度I'(t)を記録する(ステップS14)。 The stress measuring device 1 then records the stress luminescence intensity I'(t) when an unknown fluctuating stress σ'(t) is applied to the measurement object 111 (step S14).
応力計測装置1は、次に、静的応力を算出する(ステップS35)。具体的には、信号解析部14が、実施の形態1~5で説明したいずれかの手法を用いて静的応力を算出する。 The stress measuring device 1 then calculates the static stress (step S35). Specifically, the signal analysis unit 14 calculates the static stress using one of the methods described in embodiments 1 to 5.
応力計測装置1は、次に、変動応力のテンソルと静的応力を加算する(ステップS36)。具体的には、信号解析部14が、ステップS33で算出した変動応力のテンソルとステップS35で算出した静的応力を加算する。The stress measuring device 1 then adds the fluctuating stress tensor and the static stress (step S36). Specifically, the signal analysis unit 14 adds the fluctuating stress tensor calculated in step S33 and the static stress calculated in step S35.
応力計測装置1は、最後に、評価結果、すなわち、ステップS36で実行した加算結果を外部に出力する(ステップS37)。応力計測装置1は、例えば、評価結果を表示装置に表示する。 Finally, the stress measuring device 1 outputs the evaluation result, i.e., the addition result performed in step S36, to the outside (step S37). The stress measuring device 1, for example, displays the evaluation result on a display device.
なお、上記のステップS31~S33とステップS14およびS35とを並列に実行してもよい。 In addition, steps S31 to S33 and steps S14 and S35 above may be executed in parallel.
デジタル画像相関法では変形前後の画像を比較してひずみを求めて応力を評価するため、時間的に変動しない応力は評価できない。本手法のようにデジタル画像相関法と応力発光体による応力評価とを同時に実施することで、時間変動の無い静的応力を含めた評価が可能になる。 Digital image correlation evaluates stress by comparing images before and after deformation to determine strain, so it cannot evaluate stress that does not fluctuate over time. By simultaneously performing digital image correlation and stress evaluation using mechanoluminescent materials, as in this method, it is possible to evaluate static stress, which does not fluctuate over time.
計測対象111に塗布する応力発光体113に特徴点を描くにあたっては、応力発光体113にカーボンブラック等の粉体を混ぜて塗布することで描いてもよいし、応力発光体113の表面に特徴点を塗装して描いてもよい。 When drawing feature points on the stress-luminescent material 113 applied to the measurement object 111, the feature points can be drawn by mixing powder such as carbon black into the stress-luminescent material 113 and applying it, or by painting the feature points on the surface of the stress-luminescent material 113.
つづいて、応力計測装置1の各部を実現するハードウェアについて説明する。応力計測装置1の光照射部11は、例えば半導体レーザーで実現することができる。計測部12は、上述したように、フォトダイオード、二次元イメージセンサなどの光センサーで実現することができる。記憶部13は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリー、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の記憶装置で実現することができる。 Next, we will explain the hardware that realizes each part of the stress measurement device 1. The light irradiation unit 11 of the stress measurement device 1 can be realized, for example, by a semiconductor laser. As mentioned above, the measurement unit 12 can be realized by an optical sensor such as a photodiode or a two-dimensional image sensor. The memory unit 13 can be realized by a memory device such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), or an EEPROM (registered trademark) (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).
信号解析部14は、上述したように、解析装置で実現することができる。この解析装置は、例えば、専用のハードウェアである処理回路、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせた処理回路で実現してもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサおよびメモリで構成される制御回路で実現してもよい。図18は、信号解析部14として動作する解析装置をプロセッサおよびメモリで実現する場合の処理回路の構成例を示す図である。プロセッサ201は、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)である。メモリ202は、例えば、RAM、ROM、フラッシュメモリー、EPROM、EEPROM等である。なお、メモリ202には信号解析部14の各部として動作するためのプログラムが格納され、このプログラムをプロセッサ201が読み出して実行することにより信号解析部14が実現される。信号解析部14がプロセッサ201およびメモリ202で実現される場合、メモリ202に格納されるプログラムは、例えば、CD(Compact Disc)-ROM、DVD(Digital Versatile Disc)-ROMなどの記憶媒体に書き込まれた状態でユーザ等に提供される形態であってもよいし、ネットワークを介して提供される形態であってもよい。なお、上記の記憶部13をメモリ202で実現してもよい。As described above, the signal analysis unit 14 can be implemented using an analysis device. This analysis device may be implemented, for example, as a dedicated hardware processing circuit, specifically, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination of these. Alternatively, it may be implemented as a control circuit composed of a processor and memory that executes programs stored in memory. Figure 18 shows an example of the processing circuit configuration when an analysis device operating as the signal analysis unit 14 is implemented using a processor and memory. The processor 201 is a CPU (Central Processing Unit, also known as a central processing unit, processing device, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, or DSP (Digital Signal Processor)). The memory 202 is, for example, RAM, ROM, flash memory, EPROM, EEPROM, etc. The memory 202 stores programs for operating each component of the signal analysis unit 14, and the processor 201 reads and executes these programs to implement the signal analysis unit 14. When the signal analysis unit 14 is realized by the processor 201 and the memory 202, the program stored in the memory 202 may be provided to a user or the like in a state written on a storage medium such as a CD (Compact Disc)-ROM or a DVD (Digital Versatile Disc)-ROM, or may be provided via a network. Note that the storage unit 13 may be realized by the memory 202.
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configurations shown in the above embodiments are merely examples, and may be combined with other known technologies, or different embodiments may be combined with each other. Parts of the configuration may also be omitted or modified without departing from the spirit of the invention.
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 The various aspects of this disclosure are summarized below as appendices.
(付記1)
応力発光体が塗布され、かつ未知の変動応力が生じる計測対象に連続的に励起光を照射して得られる発光強度を計測する計測部と、
前記計測部で計測した前記発光強度を記憶する記憶部と、
前記記憶部が記憶している前記発光強度の時間変動波形に基づいて、前記未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、
を備えることを特徴とする応力計測装置。
(付記2)
前記変動応力が周期的に変動する応力である場合、
前記信号解析部は、前記時間変動波形の連続する2つの波のピークの強度の比に基づいて前記静的応力を算出する、
ことを特徴とする付記1に記載の応力計測装置。
(付記3)
前記計測対象に前記励起光を連続的に照射する光照射部と、
前記計測対象に周期的に変動する応力を印加する応力印加部と、
を備え、
前記光照射部は、前記応力印加部により応力が印加されている状態の前記計測対象に連続的に前記励起光を照射し、
前記計測部は、前記光照射部が前記励起光を照射したときの前記応力発光体の発光強度を計測する、
ことを特徴とする付記1または2に記載の応力計測装置。
(付記4)
前記信号解析部は、
前記応力発光体が塗布された試験体に既知の変動荷重を与えるとともに前記励起光を照射して得られる発光強度に基づいて、前記変動応力と前記発光強度との変換式の係数を調整し、前記係数の調整が終了した前記変換式と、前記記憶部が記憶している前記発光強度とに基づいて前記静的応力を算出する、
ことを特徴とする付記1から3のいずれか一つに記載の応力計測装置。
(付記5)
前記変換式は、応力の静的成分、動的成分および動的成分の時間微分の項を含む、
ことを特徴とする付記4に記載の応力計測装置。
(付記6)
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、物理的に予測されるもっともらしい変動応力を選択する、
ことを特徴とする付記4または5に記載の応力計測装置。
(付記7)
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、前記計測対象がより安全側となる変動応力を選択する、
ことを特徴とする付記4または5に記載の応力計測装置。
(付記8)
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、前記計測対象のある一点において前記応力発光体を使用しない方法で計測した応力との比較結果に基づいて、複数の前記変動応力の中の一つを選択する、
ことを特徴とする付記4または5に記載の応力計測装置。
(付記9)
前記信号解析部は、
前記変動応力が生じていない状態の前記計測対象に前記励起光を照射して得られる発光強度を補正用蛍光強度として取得し、
前記補正用蛍光強度を使用して前記記憶部が記憶している前記発光強度を補正し、
補正後の前記発光強度を使用して静的応力を算出する、
ことを特徴とする付記1から8のいずれか一つに記載の応力計測装置。
(付記10)
前記励起光の波長と前記応力発光体の発光波長とが異なる、
ことを特徴とする付記1から9のいずれか一つに記載の応力計測装置。
(付記11)
前記励起光の照射に伴い前記応力発光体が発する光の波長を透過させ、かつ前記励起光の波長を透過させない特性のフィルタを前記計測対象と前記計測部との間に備える、
ことを特徴とする付記10に記載の応力計測装置。
(付記12)
前記応力発光体の表面に光学的に識別できる特徴点が形成され、
前記信号解析部は、異なる時間に前記特徴点を撮影して得られた複数の画像をデジタル画像相関法により解析して前記変動応力のテンソル方向をさらに算出する、
ことを特徴とする付記1から11のいずれか一つに記載の応力計測装置。
(Appendix 1)
a measuring unit that continuously irradiates excitation light onto a measurement target to which a stress-stimulated luminescent material is applied and to which an unknown fluctuating stress is generated, and measures the luminescence intensity obtained by the irradiation;
a storage unit that stores the emission intensity measured by the measurement unit;
a signal analysis unit that calculates a static stress, which is a static component of the unknown fluctuating stress, based on the time-varying waveform of the emission intensity stored in the storage unit; and
A stress measuring device comprising:
(Appendix 2)
When the fluctuating stress is a periodically fluctuating stress,
the signal analysis unit calculates the static stress based on a ratio of intensities of two successive wave peaks of the time-varying waveform.
2. The stress measuring device according to claim 1,
(Appendix 3)
a light irradiation unit that continuously irradiates the measurement object with the excitation light;
a stress applying unit that applies a periodically varying stress to the measurement object;
Equipped with
the light irradiating unit continuously irradiates the measurement object with the excitation light while the stress is being applied by the stress applying unit;
the measuring unit measures the luminous intensity of the stress-stimulated luminescent material when the light irradiating unit irradiates the stress-stimulated luminescent material with the excitation light.
3. The stress measuring device according to claim 1 or 2.
(Appendix 4)
The signal analysis unit
applying a known fluctuating load to a test piece coated with the stress-luminescent material and irradiating the excitation light to the test piece, adjusting a coefficient of a conversion equation between the fluctuating stress and the emission intensity based on the emission intensity; and calculating the static stress based on the conversion equation after the coefficient adjustment and the emission intensity stored in the storage unit.
4. The stress measuring device according to claim 1, wherein:
(Appendix 5)
The transformation equation includes terms for a static component of stress, a dynamic component, and a time derivative of the dynamic component.
5. The stress measuring device according to claim 4,
(Appendix 6)
the signal analysis unit, when there are a plurality of fluctuating stresses obtained by converting the emission intensity using the conversion formula, selects a fluctuating stress that is physically predicted to be plausible;
6. The stress measuring device according to claim 4 or 5.
(Appendix 7)
the signal analysis unit, when there are a plurality of fluctuating stresses obtained by converting the emission intensity using the conversion formula, selects a fluctuating stress that puts the measurement object on the safer side;
6. The stress measuring device according to claim 4 or 5.
(Appendix 8)
the signal analysis unit, when there are a plurality of fluctuating stresses obtained by converting the emission intensity using the conversion formula, selects one of the fluctuating stresses based on a comparison result with a stress measured at a certain point of the measurement object by a method not using the mechano-luminescent material;
6. The stress measuring device according to claim 4 or 5.
(Appendix 9)
The signal analysis unit
acquiring, as a correction fluorescence intensity, a luminescence intensity obtained by irradiating the measurement object with the excitation light in a state in which the fluctuating stress is not applied;
correcting the luminescence intensity stored in the storage unit using the correction fluorescence intensity;
Calculating static stress using the corrected emission intensity.
9. The stress measuring device according to claim 1,
(Appendix 10)
the wavelength of the excitation light is different from the emission wavelength of the stress-luminescent material;
10. The stress measuring device according to any one of claims 1 to 9.
(Appendix 11)
a filter having a characteristic of transmitting the wavelength of light emitted by the stress-luminescent material in response to irradiation with the excitation light but not transmitting the wavelength of the excitation light is provided between the measurement object and the measurement unit;
11. The stress measuring device according to claim 10.
(Appendix 12)
an optically identifiable feature is formed on the surface of the stress-luminescent material;
The signal analysis unit further calculates the tensor direction of the fluctuating stress by analyzing a plurality of images obtained by photographing the characteristic points at different times using a digital image correlation method.
12. The stress measuring device according to any one of claims 1 to 11.
1,1a,1b 応力計測装置、11 光照射部、12 計測部、13 記憶部、14 信号解析部、15 応力印加部、16 フィルタ、101 励起光、111 計測対象、112,113 応力発光体、121 応力、122 静的成分、123 動的成分、131 第一ピーク、132 第二ピーク、151 第一荷重状態の画像、152 第二荷重状態の画像。 1, 1a, 1b Stress measurement device, 11 Light irradiation unit, 12 Measurement unit, 13 Memory unit, 14 Signal analysis unit, 15 Stress application unit, 16 Filter, 101 Excitation light, 111 Measurement object, 112, 113 Stress-luminescent body, 121 Stress, 122 Static component, 123 Dynamic component, 131 First peak, 132 Second peak, 151 Image of first load state, 152 Image of second load state.
Claims (11)
前記計測部で計測した前記発光強度を記憶する記憶部と、
前記記憶部が記憶している前記発光強度の時間変動波形に基づいて、前記未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、
を備え、
前記変動応力が周期的に変動する応力であり、
前記信号解析部は、前記時間変動波形の連続する2つの波のピークの強度の比に基づいて前記静的応力を算出する、
ことを特徴とする応力計測装置。 a measuring unit that continuously irradiates excitation light onto a measurement target to which a stress-stimulated luminescent material is applied and to which an unknown fluctuating stress is generated, and measures the luminescence intensity obtained by the irradiation;
a storage unit that stores the emission intensity measured by the measurement unit;
a signal analysis unit that calculates a static stress, which is a static component of the unknown fluctuating stress, based on the time-varying waveform of the emission intensity stored in the storage unit; and
Equipped with
The fluctuating stress is a periodically fluctuating stress,
the signal analysis unit calculates the static stress based on a ratio of intensities of two successive wave peaks of the time-varying waveform.
A stress measuring device characterized by:
前記計測部で計測した前記発光強度を記憶する記憶部と、
前記記憶部が記憶している前記発光強度の時間変動波形に基づいて、前記未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、
を備え、
前記信号解析部は、
前記応力発光体が塗布された試験体に既知の変動荷重を与えるとともに前記励起光を照射して得られる発光強度に基づいて、前記変動応力と前記発光強度との変換式の係数を調整し、前記係数の調整が終了した前記変換式と、前記記憶部が記憶している前記発光強度とに基づいて前記静的応力を算出する、
ことを特徴とする応力計測装置。 a measuring unit that continuously irradiates excitation light onto a measurement target to which a stress-stimulated luminescent material is applied and to which an unknown fluctuating stress is generated, and measures the luminescence intensity obtained by the irradiation;
a storage unit that stores the emission intensity measured by the measurement unit;
a signal analysis unit that calculates a static stress, which is a static component of the unknown fluctuating stress, based on the time-varying waveform of the emission intensity stored in the storage unit; and
Equipped with
The signal analysis unit
applying a known fluctuating load to a test piece coated with the stress-luminescent material and irradiating the excitation light to the test piece, adjusting a coefficient of a conversion equation between the fluctuating stress and the emission intensity based on the emission intensity; and calculating the static stress based on the conversion equation after the coefficient adjustment and the emission intensity stored in the storage unit.
A stress measuring device characterized by:
前記計測対象に周期的に変動する応力を印加する応力印加部と、
を備え、
前記光照射部は、前記応力印加部により応力が印加されている状態の前記計測対象に連続的に前記励起光を照射し、
前記計測部は、前記光照射部が前記励起光を照射したときの前記応力発光体の発光強度を計測する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の応力計測装置。 a light irradiation unit that continuously irradiates the measurement object with the excitation light;
a stress applying unit that applies a periodically varying stress to the measurement object;
Equipped with
the light irradiating unit continuously irradiates the measurement object with the excitation light while the stress is being applied by the stress applying unit;
the measuring unit measures the luminous intensity of the stress-stimulated luminescent material when the light irradiating unit irradiates the stress-stimulated luminescent material with the excitation light.
3. The stress measuring device according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項2に記載の応力計測装置。 The transformation equation includes terms for a static component of stress, a dynamic component, and a time derivative of the dynamic component.
3. The stress measuring device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2に記載の応力計測装置。
3. The stress measuring device according to claim 2.
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、変動応力による前記計測対象の疲労損傷度がより大きくなる変動応力を選択する、
ことを特徴とする請求項2に記載の応力計測装置。 The measurement object is a structural material,
the signal analysis unit, when there are a plurality of fluctuating stresses obtained by converting the emission intensity using the conversion formula, selects a fluctuating stress that results in a greater degree of fatigue damage to the measurement object due to the fluctuating stress;
3. The stress measuring device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2に記載の応力計測装置。 the signal analysis unit, when there are a plurality of fluctuating stresses obtained by converting the emission intensity using the conversion formula, selects one of the fluctuating stresses based on a comparison result with a stress measured at a certain point of the measurement object by a method not using the mechano-luminescent material;
3. The stress measuring device according to claim 2.
前記変動応力が生じていない状態の前記計測対象に前記励起光を照射して得られる発光強度を補正用蛍光強度として取得し、
前記補正用蛍光強度を使用して前記記憶部が記憶している前記発光強度を補正し、
補正後の前記発光強度を使用して静的応力を算出する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の応力計測装置。 The signal analysis unit
acquiring, as a correction fluorescence intensity, a luminescence intensity obtained by irradiating the measurement object with the excitation light in a state in which the fluctuating stress is not applied;
correcting the luminescence intensity stored in the storage unit using the correction fluorescence intensity;
Calculating static stress using the corrected emission intensity.
3. The stress measuring device according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の応力計測装置。 the wavelength of the excitation light is different from the emission wavelength of the stress-luminescent material;
3. The stress measuring device according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項9に記載の応力計測装置。 a filter having a characteristic of transmitting the wavelength of light emitted by the stress-luminescent material in response to irradiation with the excitation light but not transmitting the wavelength of the excitation light is provided between the measurement object and the measurement unit;
10. The stress measuring device according to claim 9 .
前記信号解析部は、異なる時間に前記特徴点を撮影して得られた複数の画像をデジタル画像相関法により解析して前記変動応力のテンソル方向をさらに算出する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の応力計測装置。 an optically identifiable feature is formed on the surface of the stress-luminescent material;
The signal analysis unit further calculates the tensor direction of the fluctuating stress by analyzing a plurality of images obtained by photographing the characteristic points at different times using a digital image correlation method.
3. The stress measuring device according to claim 1 or 2.
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