JP2008102160A - Ultrasonic measuring system - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を用いて、計測対象の媒質の厚さ、深さ方向の相変化の境界位置、深さ方向の組成状態を計測する超音波計測装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measurement device that uses ultrasonic waves to measure the thickness of a medium to be measured, the boundary position of a phase change in the depth direction, and the composition state in the depth direction.
一般に、計測対象の深さ方向の情報を計測する計測手法としては、図15に示すような超音波エコー法が知られている。この超音波エコー法では、以下のようにして計測対象の深さ方向の情報が計測される。簡単のためここでは計測対象1が固体である場合について説明する。
In general, an ultrasonic echo method as shown in FIG. 15 is known as a measurement method for measuring information in the depth direction of a measurement target. In this ultrasonic echo method, information in the depth direction of the measurement target is measured as follows. For simplicity, the case where the
まず、計測対象1に対してカプラント2を介して超音波探触子3を接触させる。この状態で送信器4から電気信号を超音波探触子3に印加し、超音波探触子3から計測対象1中に超音波5を送信する。送信された超音波5は計測対象1中を伝播し、裏面で反射されて再び超音波探触子3の近傍に反射してくる。この反射波は超音波探触子3で受信され、送信の逆作用によって電気信号に変換されて信号検出器6に入力される。信号検出器6には送信器4からの送信信号も入力されており、信号検出器6における送信信号の受信時刻と受信信号の受信時刻との時間差Δt、つまり計測対象1中を超音波5が伝播した時間が計測される。
First, the
ここで、信号検出器6には予め計測対象1中を伝わる超音波の伝播速度vsが入力されており、計測した時間差Δtと超音波の伝播速度vsとから、計測対象1の厚さdが(1)式の関係から算出される。
Here, the propagation velocity vs of the ultrasonic wave transmitted through the
d=vs・Δt/2 …(1)
図15の例では、計測対象1は一様な固相であることを仮定したが、計測対象1の一部が融解し液相7を呈している場合には、図16に示すように、固相8と液相7との境界領域で発生する反射波9と、液相表面すなわち計測対象1の裏面で発生する反射波10との双方について計測することになる。
d = vs · Δt / 2 (1)
In the example of FIG. 15, it is assumed that the
一方、非接触の超音波送信手法としては、例えばレーザー光を用いた技術がある。これは短パルス高エネルギーのレーザー光をある制御対象1に照射すると、照射点付近にレーザーエネルギーの吸収による熱応力あるいは気化(アブレーション)圧縮力が発生し、その作用による歪みが超音波となって対象中を伝播するという手法である。この手法はJ.D.Aussel("Generation Acoustic Waves by Laser: Theoretical and Experimental Study of the Emission Source," Ultrasonics, vol.24(1988), 246-255)らによって理論的かつ実験的に明らかにされている。
On the other hand, as a non-contact ultrasonic transmission method, for example, there is a technique using laser light. This is because when a short pulse high energy laser beam is irradiated onto a
また、レーザー光によって発生した超音波の伝播方向(指向性)を制御する手法としては、例えば光ファイバーを用いる方法がJ.Jarzynski("The Use of Optical Fibers to Enhance the Laser Generation of Ultrasonic Waves," Journalof the Acoustical Society of America, Vol.85(1989), 158-162)らによって、またブラッグ回折を用いる方法がR.F.Ing("Focusing and Beamsteering of Laser Generated Ultrasound," IEEE-1989 Ultrasonics Symposium, 539-544)らによって明らかにされている。 As a method for controlling the propagation direction (directivity) of ultrasonic waves generated by laser light, for example, a method using an optical fiber is described in J. Jarzynski ("The Use of Optical Fibers to Enhance the Laser Generation of Ultrasonic Waves," Journalof The Acoustical Society of America, Vol. 85 (1989), 158-162) et al., and RFIng ("Focusing and Beamsteering of Laser Generated Ultrasound," IEEE-1989 Ultrasonics Symposium, 539-544) Et al.
また、非接触の超音波受信手段としても、例えばレーザー光を用いた技術がある。これは超音波が計測対象のある面に到達すると発生する微小振動を、レーザー光の進行方向の変化(偏向)や反射光の位相差、周波数遷移量などから計測するものであり、例えば山脇("レーザ超音波と非接触材料評価," 溶接学会誌, 第64巻(1995), 104-108)によって解説されている。また、計測対象1内部の組成状態、例えば、固体試料中の粒界寸法の分布状況などは、現在では試料を破壊し、その断面をエッチング処理して顕微観察している。
Further, as a non-contact ultrasonic receiving means, for example, there is a technique using laser light. This is to measure the minute vibration that occurs when the ultrasonic wave reaches the surface to be measured from the change (deflection) of the traveling direction of the laser light, the phase difference of the reflected light, the frequency transition amount, etc. "Laser ultrasonic and non-contact material evaluation," explained by Journal of the Japan Welding Society, Vol. 64 (1995), 104-108). In addition, the composition state inside the
ところが、上記の超音波探触子3を用いた計測手法は、簡便な深さ方向の情報計測手段であり通常の計測対象に対しては有効であるが、超音波探触子3を設置する際にはカプラントの塗布が必要であり、これは作業工程の増加につながる。また、計測対象1が小型であったり狭隘部にある場合には、超音波探触子3を設置することが困難である。
However, the above-described measurement method using the
さらに、計測対象1が溶接中の金属など高温の場合には、カプラント2の蒸発や超音波探触子3の温度による損傷を防止する特殊な機構が必要となる上、媒質の温度あるいは温度勾配によって超音波の伝播速度が変化し、正確な測定が困難になる。また、上記の破壊法による計測対象1内部の組成状態計測手法は、手法上、使用中の機器に対しては実施することができない。
Further, when the
本発明の目的は、計測対象が小型であったり狭隘部にある場合や溶接中の金属など高温の場合であっても、計測対象の厚さ、相変化の位置、組成変化の状態を精度良く計測できる超音波計測装置を提供することである。 The object of the present invention is to accurately measure the thickness of the measurement object, the position of the phase change, and the state of the composition change even when the measurement object is small or in a narrow part or at a high temperature such as a metal being welded. It is to provide an ultrasonic measurement device capable of measuring.
請求項1の発明に係わる超音波計測装置は、計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記超音波送信手段で前記超音波を送信した送信時刻と前記超音波受信手段が前記超音波を受信した受信時刻の時間差から前記超音波の伝播時間を測定する伝播時間計測手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記伝播時間計測手段で計測した伝播時間と前記速度校正手段で求められる伝播速度とから前記超音波の伝播経路長を算出する伝播経路長測定手段とを具備したものである。
The ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項1の発明に係わる超音波計測装置では、計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、伝播時間計測手段では、超音波送信手段から超音波を送信した送信時刻と超音波受信手段が超音波を受信した受信時刻との時間差から超音波の伝播時間を測定する。速度校正手段では、温度測定手段で測定した測定対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を校正し、伝播経路長測定手段では、伝播時間計測手段で計測した伝播時間と速度校正手段で求められる伝播速度とから超音波の伝播経路長を算出する。これにより、測定対象の厚さを検出する。 In the ultrasonic measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, ultrasonic waves are excited from the ultrasonic transmission means in a non-contact manner to a certain part of the measurement target, and the ultrasonic waves propagated in the measurement target are contactlessly transmitted by the ultrasonic reception means. To detect. Then, the propagation time measuring means measures the propagation time of the ultrasonic wave from the time difference between the transmission time when the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting means and the reception time when the ultrasonic wave receiving means receives the ultrasonic wave. The velocity calibration means calibrates the ultrasonic propagation velocity in the measurement object from the temperature or temperature distribution of the measurement object measured by the temperature measurement means, and the propagation path length measurement means calibrates the propagation time and velocity measured by the propagation time measurement means. The propagation path length of the ultrasonic wave is calculated from the propagation speed obtained by the calibration means. Thereby, the thickness of the measuring object is detected.
請求項2の発明に係わる超音波計測装置は、計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記超音波送信手段で前記超音波を送信した送信時刻と前記超音波受信手段が前記反射波を受信した受信時刻との時間差から前記超音波の伝播時間を測定する伝播時間計測手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記伝播時間計測手段で計測した伝播時間と前記速度校正手段で求められる伝播速度とから前記超音波の伝播経路長を算出する伝播経路長測定手段とを具備したものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a second aspect of the present invention includes an ultrasonic transmission unit that excites an ultrasonic wave in a non-contact manner on a portion of a measurement target, and an acoustic characteristic of the ultrasonic wave that has propagated through the measurement target on a propagation path. Ultrasonic wave receiving means for detecting a reflected wave generated by being reflected by a change area in a non-contact manner, a transmission time when the ultrasonic wave is transmitted by the ultrasonic wave transmitting means, and a reception time when the ultrasonic wave receiving means receives the reflected wave Propagation time measuring means for measuring the propagation time of the ultrasonic wave from the time difference with time, temperature measuring means for measuring the temperature or temperature distribution of the measurement object, and surface temperature or surface temperature distribution measured by the temperature measuring means A temperature distribution estimator for estimating the internal temperature distribution of the measurement target along the propagation direction of the ultrasonic wave from, and the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the measurement target from the temperature distribution estimated by the temperature distribution estimation unit Speed calibration means for calibrating, and propagation path length measurement means for calculating the propagation path length of the ultrasonic wave from the propagation time measured by the propagation time measurement means and the propagation speed obtained by the speed calibration means. is there.
請求項2の発明に係わる超音波計測装置では、計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、伝播時間計測手段では、超音波送信手段で超音波を送信した送信時刻と超音波受信手段が反射波を受信した受信時刻の時間差から超音波の伝播時間を測定し、速度校正手段では、温度測定手段で測定した計測対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を校正する。伝播経路長測定手段は、伝播時間計測手段で計測した伝播時間と速度校正手段で求められる伝播速度とから超音波の伝播経路長を算出する。これにより、音響特性変化領域の厚さを検出する。 In the ultrasonic measuring apparatus according to the second aspect of the present invention, the ultrasonic wave is excited from the ultrasonic wave transmitting means in a non-contact manner on a portion of the measurement target, and the ultrasonic wave propagating through the measurement target is an acoustic characteristic changing region on the propagation path. The reflected wave generated by the reflection is detected by the ultrasonic wave receiving means in a non-contact manner. The propagation time measuring means measures the propagation time of the ultrasonic wave from the time difference between the transmission time when the ultrasonic wave is transmitted by the ultrasonic wave transmitting means and the reception time when the ultrasonic wave receiving means receives the reflected wave. The propagation speed of the ultrasonic wave in the measuring object is calibrated from the temperature or temperature distribution of the measuring object measured by the temperature measuring means. The propagation path length measurement means calculates the propagation path length of the ultrasonic wave from the propagation time measured by the propagation time measurement means and the propagation speed obtained by the speed calibration means. Thereby, the thickness of the acoustic characteristic changing region is detected.
請求項3の発明に係わる超音波計測装置は、請求項1または請求項2に記載の超音波計測装置において、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段と、計測対象中を伝播した超音波または反射波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段と、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力され各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a third aspect of the invention is the ultrasonic measurement apparatus according to the first or second aspect, wherein the ultrasonic wave is excited with respect to the measurement object by the ultrasonic transmission means or the ultrasonic wave is advanced. Transmission position scanning means for arbitrarily driving the direction, reception position scanning means for arbitrarily driving the detection position of the ultrasonic wave or reflected wave ultrasonic wave propagation means through the measurement object, and transmission position scanning Recording means for inputting the position information from the receiving means and the receiving position scanning means and recording the output signal of the propagation path length measuring means in each positional relationship in association with the position information, and the number of information recorded in the recording means Alternatively, display means for displaying as a graph or an image is provided.
請求項3の発明に係わる超音波計測装置では、請求項1または請求項2に記載の超音波計測装置の作用に加え、送信位置走査手段は、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動し、受信位置走査手段は、計測対象中を伝播した超音波または反射波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動する。そして、記録手段は、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する。また、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。 In the ultrasonic measuring apparatus according to the third aspect of the invention, in addition to the operation of the ultrasonic measuring apparatus according to the first or second aspect, the transmission position scanning means is an ultrasonic transmission means for the measurement object. The reception position scanning unit arbitrarily drives the detection position of the ultrasonic wave or reflected wave that has propagated through the measurement object. Then, the recording means inputs the position information from the transmission position scanning means and the reception position scanning means, and records the output signal of the propagation path length measuring means in each positional relationship in association with the position information. The display means displays the information recorded in the recording means as a numerical table, a graph, or an image.
請求項4の発明に係わる超音波計測装置は、請求項1または請求項2に記載の超音波計測装置において、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動するための計測対象位置走査手段と、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力され、各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the ultrasonic measurement apparatus according to the first or second aspect, wherein the measurement object is for driving the position of the measurement object relative to the ultrasonic transmission means and the ultrasonic reception means. The position information is input from the position scanning means, the measurement target position scanning means, and the output signal of the propagation path length measuring means in each positional relationship is recorded in association with the position information, and recorded in the recording means And display means for displaying information as a numerical table, a graph, or an image.
請求項4の発明に係わる超音波計測装置では、請求項1または請求項2に記載の超音波計測装置の作用に加え、計測対象位置走査手段は、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動し、記録手段は、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路長測定手段の出力信号を位置情報と対応づけて記録する。また、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。
In the ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項5の発明に係わる超音波計測装置は、計測対象のある部分に非接触で超音波を励起する超音波送信手段と、前記計測対象中を伝播した前記超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射または散乱または回折または透過された超音波を非接触で検出する超音波受信手段と、前記計測対象の温度または温度分布を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した表面温度または表面の温度分布から超音波の伝播方向に沿った前記測定対象の内部の温度分布を推定する温度分布推定部と、前記温度分布推定部で推定した温度分布から前記測定対象中を伝播する超音波の伝播速度を校正する速度校正手段と、前記速度校正手段で求められる伝播速度を考慮して前記超音波受信手段で受信した信号を予め用意したリファレンス信号と比較する信号波形評価手段と、前記信号波形評価手段の評価結果から前記超音波の伝播経路の状態を診断する伝播経路診断手段とを具備したものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a fifth aspect of the present invention includes an ultrasonic transmission unit that excites an ultrasonic wave in a non-contact manner on a portion of the measurement target, and an acoustic characteristic on the propagation path of the ultrasonic wave that has propagated through the measurement target. Ultrasonic wave receiving means for detecting non-contact ultrasonic waves reflected, scattered, diffracted or transmitted in the change region, temperature measuring means for measuring the temperature or temperature distribution of the measurement object, and the surface measured by the temperature measuring means A temperature distribution estimation unit that estimates the temperature distribution inside the measurement target along the propagation direction of the ultrasonic wave from the temperature or surface temperature distribution, and propagates through the measurement target from the temperature distribution estimated by the temperature distribution estimation unit. A speed calibration means for calibrating the propagation speed of ultrasonic waves and a signal received by the ultrasonic reception means in consideration of the propagation speed required by the speed calibration means are compared with a reference signal prepared in advance. A signal waveform evaluation unit that is obtained by including a propagation path diagnosing section for diagnosing the state of the ultrasonic wave propagation path from the evaluation results of the signal waveform evaluation unit.
請求項5の発明に係わる超音波計測装置では、計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射または散乱または回折または透過された超音波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、温度測定手段で測定した計測対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を速度校正手段で校正し、信号波評価手段では、速度校正手段で求められる伝播速度を考慮して超音波受信手段で受信した信号を予め用意したリファレンス信号と比較し、伝播経路診断手段では、信号波形評価手段の評価結果から超音波の伝播経路の状態を診断する。
In the ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項6の発明に係わる超音波計測装置は、請求項5に記載の超音波計測装置において、信号波形評価手段においてリファレンス信号と受信信号との間で比較される物理量は、信号のレベルまたは周波数スペクトルまたは位相またはパルス幅または伝播時間または減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせとしたものである。 The ultrasonic measurement apparatus according to a sixth aspect of the invention is the ultrasonic measurement apparatus according to the fifth aspect, wherein the physical quantity to be compared between the reference signal and the reception signal in the signal waveform evaluation means is a signal level or frequency. The spectrum or phase or pulse width or propagation time or decay rate, or a combination of these physical quantities.
請求項6の発明に係わる超音波計測装置では、請求項5に記載の超音波計測装置の作用に加え、信号波形評価手段では、信号のレベルまたは周波数スペクトルまたは位相またはパルス幅または伝播時間または減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせについて、リファレンス信号と比較する。
In the ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項7の発明に係わる超音波計測装置は、請求項5または請求項6に記載の超音波計測装置において、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段と、計測対象中を伝播した超音波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段と、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力され各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a seventh aspect of the invention is the ultrasonic measurement apparatus according to the fifth or sixth aspect, wherein a position at which an ultrasonic wave is excited by an ultrasonic wave transmission means with respect to a measurement object or the progress of the ultrasonic wave Transmission position scanning means for arbitrarily driving the direction, reception position scanning means for arbitrarily driving the detection position of the ultrasonic wave propagating through the measurement object, transmission position scanning means and reception Recording means for inputting the position information from the position scanning means and recording the output information of the propagation path diagnosis means in each positional relationship in association with the position information, and the information recorded in the recording means as a numerical table, graph or image As a display means.
請求項7の発明に係わる超音波計測装置では、請求項5または請求項6に記載の超音波計測装置の作用に加え、送信位置走査手段は、計測対象に対して超音波送信手段で超音波を励起する位置または超音波の進行方向を任意に駆動し、受信位置走査手段は、計測対象中を伝播した超音波の超音波受信手段によるその検出位置を任意に駆動する。そして、記録手段は、送信位置走査手段と受信位置走査手段とからその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録し、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。 In the ultrasonic measuring apparatus according to the seventh aspect of the invention, in addition to the operation of the ultrasonic measuring apparatus according to the fifth or sixth aspect, the transmission position scanning means is an ultrasonic transmission means for the measurement object. The receiving position scanning unit arbitrarily drives the detection position of the ultrasonic wave propagating through the measurement target by the ultrasonic wave receiving unit. The recording means inputs the position information from the transmission position scanning means and the reception position scanning means, records the output information of the propagation path diagnosis means in each positional relationship in association with the position information, and the display means records The information recorded in the means is displayed as a numerical table, a graph or an image.
請求項8の発明に係わる超音波計測装置は、請求項5または請求項6に記載の超音波計測装置において、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動するための計測対象位置走査手段と、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力され各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録する記録手段と、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段とを具備したものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to an eighth aspect of the present invention is the ultrasonic measurement apparatus according to the fifth or sixth aspect, wherein the measurement target is for driving the position of the measurement target relative to the ultrasonic transmission means and the ultrasonic reception means. The position scanning means, the recording means for inputting the position information from the measurement target position scanning means and recording the output information of the propagation path diagnosis means in each positional relationship in association with the position information, and the information recorded in the recording means And display means for displaying as a numerical table, a graph, or an image.
請求項8の発明に係わる超音波計測装置では、請求項5または請求項6に記載の超音波計測装置の作用に加え、計測位置走査手段は、計測対象の超音波送信手段および超音波受信手段に対する位置を駆動し、記録手段は、計測対象位置走査手段からその位置情報を入力し各々の位置関係における伝播経路診断手段の出力情報を位置情報と対応づけて記録し、表示手段は、記録手段に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する。
In the ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項9の発明に係わる超音波計測装置は、請求項1乃至請求項4に記載の超音波計測装置において、超音波送信手段は、時間的に間欠的または変調波的なレーザー光であって、計測対象表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度まで空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されたレーザー光を用いるようにしたものである。 An ultrasonic measuring apparatus according to a ninth aspect of the present invention is the ultrasonic measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the ultrasonic transmitting means is laser light that is intermittent or modulated in time. A laser focused spatially in the form of dots, circles, ellipses, lines, concentric circles, dots, or grids up to the energy density necessary and sufficient to generate thermal strain or ablation on the surface to be measured It uses light.
請求項9の発明に係わる超音波計測装置では、請求項1乃至請求項4に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波送信手段からは、時間的に間欠的または変調波的なレーザー光が送信される。また、このレーザー光は、計測対象表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度を有し、空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されて照射される。 In the ultrasonic measuring apparatus according to the ninth aspect of the invention, in addition to the action of the ultrasonic measuring apparatus according to the first to fourth aspects, the ultrasonic transmitting means may be a temporally intermittent or modulated wave laser. Light is transmitted. In addition, this laser beam has an energy density necessary and sufficient to generate thermal strain or ablation on the surface to be measured, and is spatially dotted, circular, elliptical, linear, concentric, or dotted. Alternatively, the light is condensed and irradiated in a lattice shape.
請求項10の発明に係わる超音波計測装置は、請求項9に記載の超音波計測装置において、超音波送信手段として使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の照射位置近傍まで導かれるようにしたものである。
The ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項10の発明に係わる超音波計測装置では、請求項9に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波送信手段からのレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の照射位置近傍まで導かれる。
In the ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項11の発明に係わる超音波計測装置は、請求項1乃至請求項4に記載の超音波計測装置において、超音波受信手段における超音波の検出は、レーザー光の干渉現象または偏向現象を用いるようにしたものである。
The ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項11の発明に係わる超音波計測装置では、請求項1乃至請求項4に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波受信手段は、レーザー光の干渉現象または偏向現象を用いて超音波の検出を行う。
In the ultrasonic measuring apparatus according to the invention of
請求項12の発明に係わる超音波計測装置は、請求項11に記載の超音波計測装置において、超音波受信手段として使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の検出照射位置近傍まで導かれ、かつその反射光が同一または別の光ファイバーによって干渉機構または偏向検知機構まで導かれるようにしたものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a twelfth aspect of the present invention is the ultrasonic measurement apparatus according to the eleventh aspect, wherein the laser beam used as the ultrasonic wave receiving means is guided from the light source to the vicinity of the detection irradiation position on the measurement object by an optical fiber. In addition, the reflected light is guided to the interference mechanism or the deflection detection mechanism by the same or different optical fiber.
請求項12の発明に係わる超音波計測装置では、請求項11に記載の超音波計測装置の作用に加え、超音波受信手段で使われるレーザー光は、光ファイバーによって光源から計測対象上の検出照射位置近傍まで導かれ、かつその反射光が同一または別の光ファイバーによって干渉機構または偏向検知機構まで導かれる。
In the ultrasonic measurement apparatus according to the invention of
請求項13の発明に係わる超音波計測装置は、請求項9乃至請求項12に記載の超音波計測装置において、超音波送信手段のレーザー光による超音波送信点と、超音波受信手段のレーザー光による超音波受信点との間に遮蔽板を設けたものである。 An ultrasonic measurement apparatus according to a thirteenth aspect of the present invention is the ultrasonic measurement apparatus according to any one of the ninth to twelfth aspects, wherein the ultrasonic transmission point by the laser light of the ultrasonic transmission means and the laser light of the ultrasonic reception means. Is provided with a shielding plate between the ultrasonic wave receiving points.
請求項13の発明に係わる超音波計測装置では、請求項9乃至請求項12に記載の超音波計測装置の作用に加え、遮蔽板により計測対象の表面で発生する反射光や散乱光による外乱を防止できる。 In the ultrasonic measuring apparatus according to the thirteenth aspect of the invention, in addition to the action of the ultrasonic measuring apparatus according to the ninth to twelfth aspects, disturbance due to reflected light or scattered light generated on the surface of the measurement object by the shielding plate is prevented. Can be prevented.
以上述べたように、本発明によれば、カプラントの塗布や超音波探触子の接触設置という作業工程の簡略化が可能で、しかも計測対象が小型であったり狭隘部にある場合や計測対象が溶接中金属など高温の場合でも、媒質の温度あるいは温度勾配による超音波の伝播速度の変化を補正でき、計測対象の厚さ、相変化の位置計測、組成変化の状態計測を精度よく実施することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to simplify the work process of application of coplanar and contact installation of an ultrasonic probe, and the measurement target is small or in a narrow part or the measurement target. Even when the temperature is high, such as during welding, it is possible to correct changes in the propagation speed of the ultrasonic wave due to the temperature of the medium or temperature gradient, and accurately measure the thickness of the measurement target, the position of the phase change, and the state of the composition change. It becomes possible.
すなわち、超音波を用いてある媒質の厚さあるいは深さ方向の相変化の境界位置あるいは深さ方向の組成状態を計測する場合に、媒質の温度または温度分布情報を用いて校正を加えるので、その測定精度を向上できる。また、小型あるいは高温あるいは狭隘部など接触やアクセスが困難な計測対象の板厚測定、あるいは溶接施工中の金属母材と溶加材の3次元的な溶け込み形状、あるいは溶接後の金属内部の熱影響部の分布状況を、非接触かつ非破壊で高精度に検出できる。 In other words, when measuring the thickness of a medium or the boundary position of a phase change in the depth direction or the composition state in the depth direction using ultrasonic waves, calibration is performed using the temperature or temperature distribution information of the medium. The measurement accuracy can be improved. It is also possible to measure the thickness of objects to be measured that are difficult to contact or access, such as small or high temperature or narrow areas, or the three-dimensional penetration shape of the metal base material and filler metal during welding, or the heat inside the metal after welding. The distribution of the affected part can be detected with high accuracy without contact and without destruction.
以下、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。 Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention.
第1の実施の形態に係わる超音波計測装置は、計測対象1のある面に非接触で超音波5を励起する超音波送信手段11と、計測対象1中を伝播した超音波5が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波9、10を非接触で検出する超音波受信手段12と、超音波送信手段11で超音波5を送信した送信時刻t0と、超音波受信手段12が反射波9および10を受信した受信時刻trの差から超音波5の伝播時間Δtを測定する伝播時間計測手段13と、計測対象1の超音波励起面またはその裏面の温度、あるいはその両方の温度を測定する温度測定手段14と、温度測定手段14で測定した温度Tから測定対象1中の超音波の伝播速度vs(T)を校正する速度校正手段15と、伝播時間計測手段13で計測した伝播時間Δtと速度校正手段15で求められる伝播速度vs(T)から超音波5の伝播経路長out1を算出する伝播経路長測定手段16とから構成されている。
The ultrasonic measurement apparatus according to the first embodiment includes an
図1において、計測対象1に対して超音波送信手段11から非接触で、しかも計測対象1の深さ方向に指向性を持って超音波5は送信される。送信された超音波5は計測対象1中を伝播し、計測対象1中の固相8と液相7との境界領域、および液相表面すなわち計測対象1の裏面で反射され、各々の位置から反射波9および反射波10が発生する。これらの反射波9、10は、超音波検出手段12によって非接触で検出される。
In FIG. 1, the
ここで、超音波送信手段11からは、時間的に間欠的または変調波的に照射されるレーザー光が出力される。そして、計測対象1の表面に熱歪みまたはアブレーションを発生させるのに必要かつ十分なエネルギー密度まで、空間的に点状または円状または楕円状または線状または同心円状または点線状または格子状に集光されたレーザー光が出力される。また、超音波受信手段12における超音波の検出には、レーザー光の干渉現象を用いたり、レーザー光の偏向現象を用いて行う。
Here, the ultrasonic transmission means 11 outputs laser light that is irradiated intermittently or in a modulated wave with respect to time. Then, up to the energy density necessary and sufficient to generate thermal strain or ablation on the surface of the measuring
非接触の超音波送信手段11および超音波受信手段12にレーザー光を用いた場合の検出波形の1例を図2に示す。図2において、時刻t0は送信用レーザー光の発振時刻、時刻tr9は固相8と液相7との境界から反射されてきた超音波9の受信時刻、時刻tr10は計測対象裏面から反射されてきた超音波10の受信時刻である。
An example of a detection waveform when laser light is used for the non-contact
超音波送受信がレーザー光を用いて行われた場合、光の伝播速度は超音波の伝播速度に比べて極めて早いことから、超音波送信手段11内でレーザー光が発振した時刻t0がすなわち超音波5が計測対象1表面に励起された時刻、超音波受信手段12内のレーザー干渉計またはレーザー偏向計が超音波を検出した時刻trがすなわち反射波9および10が計測対象1の表面に到達した時刻と扱うことができる。
When ultrasonic transmission / reception is performed using laser light, the propagation speed of the light is extremely high compared to the propagation speed of the ultrasonic wave. Therefore, the time t0 when the laser light oscillates in the ultrasonic transmission means 11 is the ultrasonic wave. The time when 5 is excited on the surface of the
伝播時間計測手段13では時刻t0と時刻tr9および時刻tr10の時間差Δt9および時刻Δt10が計測される。ここで、固相8を伝わる超音波の伝播速度vsおよび液相7伝播速度vLが既知であれば、(1)式の関係を用いて計測対象1中の固相8の厚さdsおよび液相7の厚さdLを各々求めることができる。ここで、伝播時間計測手段13は、予め用意した反射された基本超音波波形を各々の反射波9、10に関して発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に変換する信号変換機能と、この信号変換機能によって超音波受信手段12の受信信号が反射波の数だけの発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に変換された変換信号から各々の反射波の受信時刻を測定する受信時刻測定機能と、送信時刻t0と受信時刻tr9、tr10との時間差を検出する時間差検出機能とを備えている。これらの機能により伝播時間を求める。
The propagation time measuring means 13 measures a time difference Δt9 and a time Δt10 between the time t0, the time tr9, and the time tr10. Here, if the ultrasonic wave propagation velocity vs and the
次に、媒質中の超音波の速度は、その媒質の温度に依存することが知られている。1例としてアームコ鉄中の超音波の伝播速度の温度依存性を示したグラフを図3に示す。図3に示した通り、超音波の音速vsおよび音速vLは媒質の温度によって大きく変わり、これを考慮しないと厚み測定上の誤差となって測定精度が劣化する。そこで計測対象1の表面および裏面の温度を温度測定手段14で測定し、予め図3のごとく求めておいた温度―伝播速度の関係から伝播速度を校正することで、厚み測定精度を向上させる。
Next, it is known that the speed of ultrasonic waves in a medium depends on the temperature of the medium. As an example, a graph showing the temperature dependence of the propagation speed of ultrasonic waves in Armco iron is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the sound velocity vs and the sound velocity vL of the ultrasonic wave greatly vary depending on the temperature of the medium. If this is not taken into account, the measurement accuracy is deteriorated due to an error in thickness measurement. Therefore, the thickness measurement accuracy is improved by measuring the temperature of the front and back surfaces of the measuring
なお、超音波送信手段11による超音波の送信位置peと、超音波受信手段12による超音波の受信位置prとの間の距離Lが、計測対象1の厚さdに比べて十分小さい場合には、厚さdは音速の温度依存性を考慮した(1)式で求められるが、Lがdに比べて無視できない場合には、図4に示す通り、下記の(2)式によって厚さdを求める。
When the distance L between the ultrasonic transmission position pe by the ultrasonic transmission means 11 and the ultrasonic reception position pr by the ultrasonic reception means 12 is sufficiently smaller than the thickness d of the
このような場合には、超音波送信手段11内において、従来の技術で述べたように光ファイバーやブラッグ回折効果を用いて送信する超音波5に所望の角度θの伝播指向性を付け、また超音波受信手段12内に検出できる超音波レベルが最大となる計測地点を探索する機能を設けると、より信号検出が簡単になる。
In such a case, in the ultrasonic transmission means 11, as described in the prior art, a propagation directivity of a desired angle θ is given to the
また、図5に示すように、液相7と固相8など相変化がない場合(単純な計測対象1の厚さを計測する場合)には、超音波送信手段11と超音波受信手段12とを互いに逆面に配置し、透過超音波5を計測することになる。
As shown in FIG. 5, when there is no phase change such as the
以上述べたように、第1の実施の形態によれば、レーザー光などを用いた非接触の超音波送信手段11および超音波受信手段12を設け、作業工程の短縮と計測媒質の寸法や配置に依らない計測を可能とするとともに、温度測定手段14からの媒質の温度または温度分布情報から速度校正手段15で媒質中の超音波の伝播速度を校正し、測定値の精度を向上させることが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the non-contact
ここで、以上の説明では、計測対象1中を伝播した超音波5または液相7や液相と固相8との相変化の境界箇所で反射した反射波9、10を非接触で検出しそれらの厚さを検出するようにしているが、計測対象1中を伝播した超音波が伝播経路上の音響特性変化領域で反射されて発生する反射波を非接触で検出し、計測対象1の厚さ(音響特性変化領域)を検出するようにしても良い。
Here, in the above description, the reflected
すなわち、溶接中あるいは溶接後の金属では、溶解に伴う金属結晶粒の大きさの変化などが発生し、音響インピーダンスなど音響特性が変化することが知られているので、このような音響特性変化領域を非接触で検出しそれらの厚さを検出する。この場合も、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。 That is, it is known that the metal characteristics during the welding or after the welding changes in the size of the metal crystal grains due to melting, and the acoustic characteristics such as acoustic impedance change. Are detected without contact and their thickness is detected. In this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。図6は本発明の第2の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、計測対象1に対する超音波送信手段11で超音波5を励起する深さ方向を含まない2次元的な位置または超音波5の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段17と、計測対象1中を伝播した超音波5または反射波9、10の超音波受信手段12によるその深さ方向を含まない2次元的な検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段18と、送信位置走査手段17と受信位置走査手段18とからその位置情報out2を入力され各々の位置関係における伝播経路長測定手段16の出力信号out1を位置情報out2と対応づけて記録する記録手段19と、記録手段19に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段20とを追加して設けたものである。これにより、液相7の分布形状を測定する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a configuration diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the second embodiment of the present invention. This second embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in a two-dimensional position that does not include the depth direction in which the ultrasonic wave transmission means 11 for the
また、送信位置走査手段17および受信位置走査手段18における超音波の送信位置および受信位置は固定のまま、計測対象1をその深さ方向を含まない2次元的に走査する機構、すなわち計測対象位置走査手段を設けることでも、同様に液相7の分布形状を測定できる。
Further, a mechanism for two-dimensionally scanning the
図6において、送信位置走査手段17を設け超音波送信手段11による超音波5の送信位置peを任意に決定可能とし、受信位置走査手段18を設け超音波受信送信手段12による超音波5の受信位置prを任意に決定可能としている。これにより、各々の位置における厚さ情報dsおよびdLを求める。従って、固相8と液相7との境界位置の2次元的な分布、あるいは固相8および液相7の各々の3次元的な形状を計測することが可能となる。これにより、液相7や固相8の厚さが一様でない場合に、その液相7や固相8の厚さの分布形状の計測が可能となる。
In FIG. 6, a transmission position scanning means 17 is provided to allow the ultrasonic transmission means 11 to arbitrarily determine the transmission position pe of the
以上述べたように、第2の実施の形態によれば、非接触の超音波送信手段11および超音波受信手段12を用い、また送信位置走査手段17および受信位置走査手段18を用いることで、計測対象1の媒質に対する相対的な超音波の送信位置あるいは送信方向、超音波の受信位置、その両方を2次元的に走査するので、媒質あるいは相変化領域の形状を3次元的に再構成できる。
As described above, according to the second embodiment, the non-contact
次に、本発明の第3の実施の形態を説明する。図7は本発明の第3の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第3の実施の形態は、超音波の伝播経路上の音響特性変化領域21の状態、例えば、溶解や熱影響の発生部位の厚さ、その程度を計測できるようにしたものである。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a configuration diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the state of the acoustic
第3の実施の形態に係わる超音波計測装置は、計測対象1のある面に非接触で超音波5を励起する超音波送信手段11と、計測対象1中を伝播した超音波5および超音波5が伝播経路上の音響特性変化領域21で反射、散乱、回折、透過した超音波22、23を非接触で検出する超音波受信手段12と、計測対象1の温度を測定する温度測定手段14と、温度測定手段14で測定した温度Tから測定対象1中の超音波の伝播速度vs(T)を校正する速度校正手段15と、超音波受信手段12で受信した信号を速度校正手段15で求められる伝播速度を考慮して予めデータベース24に用意したリファレンス信号と比較する信号波形評価手段25と、信号波形評価手段25の評価結果から超音波の伝播経路の状態out3を診断する伝播経路診断手段26とから構成される。これにより、伝播経路上の音響特性変化領域21の状態を計測する。
The ultrasonic measurement apparatus according to the third embodiment includes an
図7において、計測対象1に対して超音波送信手段11から非接触で、しかも計測対象1の深さ方向に指向性を持って超音波が送信される。送信された超音波5は計測対象1中を伝播し、計測対象1中の音響特性変化領域21に到達する。例えば、溶接中あるいは溶接後の金属では、溶解に伴う金属結晶粒の大きさの変化などが発生し、音響インピーダンスなど音響特性が変化することが知られている。この領域における超音波5の振舞いは以下のようになる。
In FIG. 7, ultrasonic waves are transmitted to the
すなわち、溶接前金属のように、結晶粒のスケールが超音波5の波長に比べ十分小さい(音響特性に変化がない)場合には、超音波5と結晶粒は相互作用せず、超音波5は直進透過する。一方、結晶粒のスケールが超音波5の波長に比べ無視できない(音響特性に変化がある)場合には、超音波5と結晶粒は相互作用し、超音波5の反射、散乱、回折などの現象が生じる。前者の場合、送信した超音波はほぼその波形形状をとどめたまま伝播し、検出されるのに対し、後者の場合には伝播経路各点の粒界面における微小反射、金属粒界による小角度散乱や回折などにより、送信超音波はその伝播経路上でレベルの減衰、パルス幅の増加、位相の遅れ、周波数スペクトルのブロード化、伝播時間の増加などの影響を受け、異なる波形形状で検出される。
That is, when the crystal grain scale is sufficiently smaller than the wavelength of the ultrasonic wave 5 (such as a metal before welding) (acoustic characteristics are not changed), the
これらの超音波22、23は、超音波検出手段12によって非接触で時系列信号の変化として検出される。また、試料の表面および裏面の温度を温度測定手段14で測定し、その伝播速度を校正した計測波形は信号波形評価手段25に入力される。信号波形評価手段25では、測定波形と予め記録されている波形データ(リファレンス信号)とが比較され、溶解または熱影響の発生部位の厚さやその程度に関する情報として伝播経路診断手段26から出力される。
These
ここで、音響特性変化領域21を通過していない波形データは予めデータベース24に記録されている。この波形データは、例えば、溶接前の同じ試料に対して同じ装置で予め測定を行って採取しておくことも可能であるし、また溶接中あるいは溶接後に、溶接による熱影響や溶解が発生しない部分で同じあるいは別の装置を用いて採取してもよい。または送信波形そのものを何らかの手法で波形データとして記録しておいてもよい。つまり、データベース24には、信号のレベル、周波数スペクトル、位相、パルス幅、伝播時間、減衰率、あるいはそれら物理量の複数個の組み合わせのリファレンス信号が記憶されている。
Here, the waveform data not passing through the acoustic
以上述べたように、第3の実施の形態によれば、ある媒質の深さ方向の組成状態を、その領域を伝播した超音波の時系列信号の変化から計測することで、非破壊で媒質内部の組成状態を評価できる。 As described above, according to the third embodiment, the composition state in the depth direction of a certain medium is measured from the change in the time-series signal of the ultrasonic wave that has propagated through the region. The internal composition state can be evaluated.
次に、本発明の第4の実施の形態を説明する。図8は本発明の第4の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第4の実施の形態は、図7に示した第3の実施の形態に対し、音響特性変化領域21の分布形状を測定するようにしたものである。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, the distribution shape of the acoustic
すなわち、計測対象1に対する超音波送信手段11で超音波5を励起する深さ方向を含まない2次元的な位置または超音波5の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段17と、計測対象1中を伝播した超音波5、22、23の超音波受信手段12によるその深さ方向を含まない2次元的な検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段18と、送信位置走査手段17と受信位置走査手段18からその位置情報out2を入力され各々の位置関係における伝播経路診断手段26の出力信号out3を位置情報out2と対応づけて記録する記録手段19と、記録手段19に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段20とを追加して設けたものである。これにより、音響特性変化領域21の分布形状を測定する。つまり、音響特性変化領域21の厚さが一様でない場合に、その音響特性変化領域21の厚さの分布形状の計測が可能となる。
That is, a transmission
また、送信位置走査手段17および受信位置走査手段18における超音波の送信位置および受信位置は固定のまま、計測対象1をその深さ方向を含まない2次元的に走査する計測対象位置走査手段を設けることでも、同様に音響特性変化領域21の分布形状を測定できる。
Further, a measurement target position scanning unit that scans the
図8において、送信位置走査手段17を設け超音波送信手段11による超音波5の送信位置peを任意に決定可能とし、受信位置走査手段18を設け超音波受信送信手段12による超音波5の受信位置prを任意に決定可能としている。これにより、各々の位置における伝播経路の情報を求める。従って、音響特性変化領域21の2次元的な分布、あるいは3次元的な形状を計測することが可能となり、音響特性変化領域21の厚さが一様でない場合に、その音響特性変化領域21の厚さの分布形状の計測が可能となる。
In FIG. 8, the transmission position scanning means 17 is provided to allow the ultrasonic transmission means 11 to arbitrarily determine the transmission position pe of the
以上述べたように、第4の実施の形態によれば、非接触の超音波送信手段11および超音波受信手段12を用い、また送信位置走査手段17および受信位置走査手段18を用いることで、計測対象1の媒質に対する相対的な超音波の送信位置あるいは送信方向、超音波の受信位置、その両方を2次元的に走査するので、媒質内部の組成状態を3次元的に再構成できる。
As described above, according to the fourth embodiment, by using the non-contact
次に、本発明の第5の実施の形態を説明する。図9は本発明の第9の実施の形態に係わる超音波計測装置の説明図である。この第5の実施の形態は、計測対象1中の相変化7(あるいは音響特性変化領域21)に関する厚さ方向の情報をその温度分布から計測するようにしたものである。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is an explanatory diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the ninth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, information in the thickness direction related to the phase change 7 (or acoustic characteristic change region 21) in the
図9において、計測対象1のある面に非接触で超音波5を励起する超音波送信手段11と、計測対象1中を伝播した超音波5が伝播経路上の液相7(あるいは音響特性変化領域21)で反射された超音波9、10、または散乱、回折、透過された超音波22、23を非接触で検出する超音波受信手段12と、超音波送信手段11で超音波5を送信した送信時刻t0と超音波受信手段12が反射波9、10(あるいは超音波22、23)を受信した受信時刻trとの時間差から超音波の伝播時間Δtを測定する伝播時間計測手段13と、計測対象1の温度を測定する温度測定手段14と、温度測定手段14で測定した温度と伝播時間計測手段13で計測した伝播時間Δtと予めデータベース27に用意した計測対象1の厚さデータとから計測対象1内部の超音波5の伝播経路に沿った温度分布状態out4を推定する温度分布推定手段28とから構成される。これにより、計測対象1中の相変化7(あるいは音響特性変化領域21)に関する厚さ方向の情報を、その温度分布から計測する。
In FIG. 9, the ultrasonic transmission means 11 that excites the
計測対象1のある面に超音波送信手段11によって非接触で超音波5を励起すると、超音波5は計測対象1中を伝播し、伝播経路上の液相7(あるいは音響特性変化領域21)で反射(または散乱、回折、透過)される。ここでは簡単のため、伝播経路上に液相7が存在するとする。反射された超音波9、10は、超音波受信手段12によって非接触で検出される。
When the ultrasonic wave transmission means 11 excites the
ここで、伝播時間計測手段13において、超音波送信手段11で超音波5を送信した送信時刻t0と、超音波受信手段12が反射波9、10を受信した受信時刻trの差から、超音波の伝播時間Δtが測定される。一方、計測対象1の表面および裏面の温度は温度測定手段14によって計測される。
Here, in the propagation
すなわち、伝播時間計測手段13は、予め用意した反射または散乱または回折または透過された基本超音波波形を各々の反射波に関して発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に変換する信号変換機能と、超音波受信手段の受信信号が信号変換機能によって超音波受信手段12からの受信信号に含まれる反射または散乱または回折または透過された超音波の数だけの発生時刻の特定が可能な任意の信号波形に、信号変換機能によって変換された変換信号から各々の反射波の受信時刻を測定する受信時刻測定機能と、送信時刻t0と受信時刻tr9、tr10(tr22、tr23)との時間差を検出する時間差検出機能とを備えている。
That is, the propagation
いま、図10(a)に示すように、固相8の厚さをds、液相7の厚さをdLとし、超音波の励起検出面の温度をTs、裏面の温度をTr、固相8と液相7の境界面の温度をTbとする。ここで、温度Tsと温度Trは温度測定手段14によって測定される量であり、温度Tbは計測対象1の融点であるから、計測対象の物性値として既知である。従って、この3個所の温度と計測対象1の固相8と液相7における熱伝導率がわかれば、図10(b)に示すように、測定すべき量ds、dLを未知数として超音波5の伝播経路に沿った温度分布を仮定することができる。
As shown in FIG. 10 (a), the thickness of the
ここで、計測対象1の厚さdを予め測定しておき、液相7の発生による膨張が、dに比べて十分小さいとすると、厚さdは下記(3)式で示される。そこで、計測対象1の厚さdを予めデータベース27に用意しておけば未知数をdsまたはdLのどちらかいずれか1つに減らすことができる。
Here, if the thickness d of the
d=ds+dL …(3)
次に、未知数dsまたはdLのいずれかが含まれる温度分布T(x)の温度場を、厚さd(往復の場合2d)だけ超音波が伝播する際に要する時間として、伝播時間計測手段13においてΔtが求められているから、これらの量から、温度分布推定手段28において未知数dsまたはdLが求められる。
d = ds + dL (3)
Next, the propagation time measuring means 13 is defined as a time required for the ultrasonic wave to propagate the temperature field of the temperature distribution T (x) including either the unknown ds or dL by the thickness d (2d in the case of reciprocation). Since Δt is obtained at, the unknown quantity ds or dL is obtained by the temperature distribution estimating means 28 from these quantities.
このように、第5の実施の形態では、超音波の伝播情報と媒質の温度または温度分布情報から媒質内部の温度分布状態を推定し、媒質の厚さあるいは深さ方向の相変化の境界位置あるいは深さ方向の組成状態を計測する。 Thus, in the fifth embodiment, the temperature distribution state inside the medium is estimated from the propagation information of the ultrasonic wave and the temperature or temperature distribution information of the medium, and the boundary position of the phase change in the thickness or depth direction of the medium. Alternatively, the composition state in the depth direction is measured.
次に、本発明の第6の実施の形態を説明する。図11は本発明の第6の実施の形態に係わる超音波計測装置の構成図である。この第6の実施の形態は、図9に示した第5の実施の形態に対し、計測対象1に対する超音波送信手段11で超音波5を励起する深さ方向を含まない2次元的な位置または超音波5の進行方向を任意に駆動するための送信位置走査手段17と、計測対象1中を伝播した超音波5または反射波9、10(または超音波21、22)の超音波受信手段12によるその深さ方向を含まない2次元的な検出位置を任意に駆動するための受信位置走査手段18と、送信位置走査手段17と受信位置走査手段18とからその位置情報out2を入力され各々の位置関係における温度分布推定手段28の出力信号out4を位置情報out2と対応づけて記録する記録手段19と、記録手段19に記録された情報を数表またはグラフまたは画像として表示する表示手段20とを追加して設けたものである。これにより、液相7(または音響特性変化領域21)の分布形状を測定する。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a configuration diagram of an ultrasonic measurement apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. This sixth embodiment differs from the fifth embodiment shown in FIG. 9 in a two-dimensional position that does not include the depth direction in which the
また、送信位置走査手段17および受信位置走査手段18における超音波の送信位置および受信位置は固定のまま、計測対象1をその深さ方向を含まない2次元的に走査する計測対象位置走査手段を設けることでも、同様に液相7(または音響特性変化領域21)の分布形状を測定できる。
Further, a measurement target position scanning unit that scans the
送信位置走査手段17を設け超音波送信手段11による超音波5の送信位置peを任意に決定可能とし、受信位置走査手段18を設け超音波受信送信手段12による超音波5の受信位置prを任意に決定可能としている。これにより、各々の位置における伝播経路の温度分布を求める。従って、相変化位置あるいは音響特性変化領域の2次元的な分布、あるいは3次元的な形状を計測することが可能となる。
A transmission
このように、第6の実施の形態では、非接触の超音波送信手段11および超音波受信手段12を用いることで、計測対象1の媒質に対する相対的な超音波の送信位置あるいは送信方向、超音波の受信位置、その両方を2次元的に走査し、媒質、あるいは相変化領域、あるいは組成状態分布を3次元的に再構成する。
As described above, in the sixth embodiment, by using the non-contact
以下、本発明の実施例を説明する。図12は、本発明の第1の実施例の構成図であり、図1に示した第1の実施の形態に関する実施例である。超音波送信手段11は、Nd:YAGレーザー光源31、照射用光学系32、アナログ・デジタル変換器40bで構成され、超音波受信手段12は、He-Neレーザー光源35、マイケルソン干渉計36、シグナルアベレージャ37、信号増幅器38、バンドパスフィルター39、アナログ・デジタル変換器40aで構成され、温度測定手段14aは、熱電対42a、アナログ・デジタル変換器40cで構成され、温度測定手段4bは、熱電対42b、アナログ・デジタル変換器40dで構成される。そして、デジタル計算機41は、伝播時間計測手段13、速度校正手段15、伝播経路長測定手段16を達成する機能を有している。
Examples of the present invention will be described below. FIG. 12 is a block diagram of the first embodiment of the present invention, and is an embodiment relating to the first embodiment shown in FIG. The
図12において、まず計測対象1は、角度φで既知の寸法を持つ開先形状であり、その斜面がトーチ29によって添加材30ともども溶解される系である。計測対象1の上面のある点peに、QスイッチNd:YAGレーザー光源31から短パルス高エネルギーのレーザー光を照射用光学系32を介して照射する。このようにすると、照射点peを音源とした超音波5が計測対象1の内部に伝播する。
In FIG. 12, first, the
ここで、超音波5の指向性をある角度θに決める手法は種々あるが、この機構は照射用光学系32に含まれており、今超音波5の伝播指向性はφ<θの関係になっているとする。またレーザー光源はNd:YAGを媒質としたもの以外、赤外域で発振するCO2レーザー、紫外域で発振するエキシマレーザー、小型な半導体レーザーなども使用可能である。
Here, there are various methods for determining the directivity of the
また、計測対象1の寸法形状から適切に選んだ照射点peから指向角度θで入射された超音波5は、計測対象1中を伝播して計測対象1斜面の母材金属33と溶融金属34の境界面に到達する。境界面に到達した超音波5は反射の法則で決定される方位に反射され、幾何学的に決まる計測対象上面のある点prに到達する。この点prには、He-Neレーザー光源35からマイケルソン干渉計36を介してレーザー光が照射されている。点prにおいて反射された照射レーザー光は、再びマイケルソン干渉計36へと戻るが、この際、もし点prが超音波の到達によって微小振動すると、戻り光の位相に時間的な差が生じ、マイケルソン干渉計36の出力信号に時間変化として現れる。
Further, the
ここで、計測用のレーザー光源は半導体レーザーや半導体励起固体レーザーなども使用可能であり、また微小振動の計測は、偏向方位検出計(ナイフエッジ法)、時間差干渉計、ヘテロダイン干渉計、透過型あるいは反射型のファブリペロー干渉計などでも代替可能である。マイケルソン干渉計36にて検出された超音波信号は、シグナルアベレージャ37にてNd:YAGレーザー光源31の発振タイミングを基準時間として平均化処理され、信号増幅器38、バンドパスフィルター39アナログ・デジタル変換器40aを介してデジタル計算機41に入力される。
Here, a semiconductor laser or a semiconductor-excited solid laser can be used as a laser light source for measurement, and a micro-vibration measurement includes a deflection direction detector (knife edge method), a time difference interferometer, a heterodyne interferometer, and a transmission type. Alternatively, a reflective Fabry-Perot interferometer can be used instead. The ultrasonic signal detected by the
デジタル計算機41には、同様にアナログ・デジタル変換器40bを介してNd:YAGレーザー光源31の発振タイミング信号も入力されている。また、計測対象1の表面および裏面には熱電対42a、42bが設置され、各々の設置点の温度を計測している。これらの測定値もアナログ・デジタル変換器40c、40dを介してデジタル計算機41に入力されている。計測対象1の温度測定器としては、放射温度計や赤外線カメラなど非接触の温度計も使用可能である。
Similarly, an oscillation timing signal of the Nd: YAG
さて、デジタル計算機41は3つの機能を有している。すなわち、入力されたNd:YAGレーザー光源31の発振タイミング信号と検出された超音波信号の時間差Δtを求める伝播時間計測機能(伝播時間計測手段13)と、入力された温度測定値と予め用意されていた計測対象1の厚さや熱伝導率などのデータから温度分布を推定し、これも予め用意されていた温度―音速関係を示すデータから音速を校正する速度校正機能(速度校正手段15)と、伝播時間計測機能と速度校正機能の出力信号から伝播経路長を算出し、予め用意されていた計測対象1の寸法形状データと比較して、母材金属33と溶解金属34の境界面、すなわち溶解金属の溶け込み深さを計測する伝播経路長測定機能(伝播経路長測定手段16)である。従って、従来、高温・高電気ノイズなどの影響で測定が困難であった溶接施工中の溶融金属の溶け込み深さを計測することが可能となる。
The
次に、図13は、本発明の第2の実施例の構成図であり、図6に示した第2の実施の形態に関する実施例である。この本発明の第2の実施例は、図12に示した第1の実施例に対し、送信位置走査手段17として、2次元ガルバノミラー45、センサ47a、アナログ・デジタル変換器40eを追加して設け、受信位置走査手段18として、2次元ガルバノミラー46、センサ47b、アナログ・デジタル変換器40fを追加して設けたものである。これにより、溶融金属の溶け込み深さを分布として測定可能としたものである。
Next, FIG. 13 is a block diagram of the second embodiment of the present invention, and is an embodiment relating to the second embodiment shown in FIG. In the second embodiment of the present invention, a two-
図13において、計測対象1の上面のQスイッチNd:YAGレーザー光源31から短パルス高エネルギーのレーザー光が照射用光学系32を介して照射される点peを走査するための2次元ガルバノミラー45が設置される。また、それに伴って、He-Neレーザー光源35からマイケルソン干渉計36を介してレーザー光が照射される点prを走査するための2次元ガルバノミラー46が設置される。
In FIG. 13, a two-
これら2次元ガルバノミラー45、46は、2次元ポリゴンミラー、2次元音響光学偏向子などでも代替可能であり、また2次元ガルバノミラー45に関しては、照射点peの走査でなく、照射点は同位置とし、入射する超音波5の指向角度θを走査することでも置き換えることができる。これら2次元ガルバノミラー45、46には、その照射点あるいは照射角度を検出するセンサ47a、47bが設置されており、これらの計測結果はアナログ・デジタル変換器40e、40fを介してデジタル計算機41に入力される。
These two-dimensional galvanometer mirrors 45 and 46 can be replaced by a two-dimensional polygon mirror, a two-dimensional acoustooptic deflector, etc. Also, with respect to the two-
デジタル計算機41は第1の実施例で示した3つの機能、すなわち伝播時間計測機能(伝播時間計測手段13)、速度校正機能(速度校正手段15)、伝播経路長測定機能(伝播経路長測定手段16)に加え、伝播経路長測定機能(伝播経路長測定手段16)で計測した測定データをセンサ47a、47bの測定データに対応させて記憶するメモリー機能(記録手段19)と、その結果を数表あるいはグラフあるいは画像として表示装置49に表示する表示機能(表示手段20)を有している。従って、溶接施工中の溶融金属の溶け込み深さを、3次元的に再構成することが可能となる。
The
次に、図14は、本発明の第3の実施例の構成図であり、図6に示した第2の実施の形態に関する実施例である。この本発明の第3の実施例は、図13に示した第2の実施例に対し、2次元ガルバノミラー45、センサ47aに代えて、光ファイバ50、駆動機構52、センサ47cを設け、2次元ガルバノミラー46、センサ47bに代えて、光ファイバー51、駆動機構53、センサ47dを設けたものである。
Next, FIG. 14 is a block diagram of the third embodiment of the present invention, and is an embodiment relating to the second embodiment shown in FIG. This third embodiment of the present invention is different from the second embodiment shown in FIG. 13 in that an
図14において、QスイッチNd:YAGレーザー光源31から発振した短パルス高エネルギーのレーザー光は、光ファイバー50を介して照射用光学系32に入射される。またHe-Neレーザー光源35からマイケルソン干渉計36を介して射出されるレーザー光は光ファイバー51を介して照射点prに照射される。
In FIG. 14, short pulse high energy laser light oscillated from a Q-switched Nd: YAG
照射点peおよび照射点prの走査は、光ファイバー50、51を機械的に駆動走査するモーター、レール、ギアなどから構成される駆動機構52、53によって行われる。駆動機構52、53には各々その照射点を知るためのセンサ47c、47dが取り付けられており、それらの出力信号から溶接施工中の溶融金属の溶け込み深さを、3次元的に再構成することが可能となるのは第2の実施例と同様の作用である。このようにすれば、例えば狭隘部にある測定対象など、レーザー光の取り回しが困難な部位でも測定が可能となる。
The irradiation point pe and the irradiation point pr are scanned by driving
ここで、計測対象1の表面で発生する反射光や散乱光による外乱を防止するために、超音波送信手段11のレーザー光による超音波送信点と、超音波受信手段12のレーザー光による超音波受信点との間に遮蔽板を設けるようにしても良い。
Here, in order to prevent disturbance due to reflected light or scattered light generated on the surface of the
レーザー光を用いて超音波を送信する場合には、比較的高エネルギーのレーザー光を計測対象1に照射する必要があるため、その反射光や散乱光、あるいは計測対象表面が気化した場合に発する発光、疎密波、粉塵などが、超音波受信側のレーザー装置(超音波受信手段12)に外乱を与えることがある。そこで、超音波の送信点と受信点との間に遮蔽板を設けることで、その影響を避けることができる。
When ultrasonic waves are transmitted using laser light, it is necessary to irradiate the
1 計測対象
2 カプラント
3 超音波探触子
4 送信器
5 超音波
6 信号検出器
7 液相
8 固相
9、10 反射波
11 超音波送信手段
12 超音波受信手段
13 伝播時間計測手段
14 温度測定手段
15 速度校正手段
16 伝播経路長測定手段
17 送信位置走査手段
18 受信位置走査手段
19 記録手段
20 表示手段
21 音響特性変化領域
22、23 超音波
24 データベース
25 信号波形評価手段
26 伝播経路診断手段
27 データベース
28 温度分布推定手段
29 トーチ
30 添加材
31 Nd:YAGレーザー光源
32 照射用光学系
33 母材金属
34 溶融金属
35 He-Neレーザー光源
36 マイケルソン干渉計
37 シグナルアベレージャ
38 信号増幅器
39 バンドパスフィルター
40 アナログ・デジタル変換器
41 デジタル計算機
42 熱電対
45、46 2次元ガルバノミラー
47 センサ
49 表示装置
50、51 光ファイバー
52、53 駆動機構
DESCRIPTION OF
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