JP2019109073A - Detection system and detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、任意の物体の表面に、亀裂、剥離などの破壊が生じたこと、別の物体が接触したことを検知する技術に関する。 The present invention relates to a technology for detecting that a fracture such as cracking or peeling has occurred on the surface of any object, and that another object has come into contact.
センサーは、物理的な刺激を電気信号に変換するトランスデューサーと、トランスデューサーで生じた電気信号を受信し、物理的な刺激が生じた事実とその程度を検知する検知回路と、で構成される。既に、温度、湿度、光量、ガス濃度など、多種多様なセンサーが実用化され、鉱工業、製造業、建設業などの第2次産業のみならず、環境測定や利便性向上の面で、第1次産業、第3次産業にも欠かせない技術となっている。センサーの使用においては、物理変化を検知したい箇所に予め設置し、常時、または、間欠的にトランスデューサーの変化を監視するように検知回路を動作させる必要がある。 The sensor is composed of a transducer that converts physical stimulation into an electrical signal, and a detection circuit that receives the electrical signal generated by the transducer and detects the fact that the physical stimulation has occurred and its extent. . A wide variety of sensors such as temperature, humidity, light intensity, and gas concentration have already been put to practical use, and in terms of environmental measurement and convenience improvement as well as secondary industries such as mining industry, manufacturing industry and construction industry, It has become an indispensable technology for the next industry and the third industry. In the use of the sensor, it is necessary to place the detection circuit in advance where the physical change is to be detected and to operate the detection circuit to monitor the change of the transducer constantly or intermittently.
産業において検知が求められる物理変化の一つとして、接触、破壊が挙げられる。これらはセキュリティにおける侵入検知や設備の維持管理における劣化検知に対して有用であり、安全確保の意識向上、高度経済成長時期に設置された設備の老朽化に伴って、重要度が増している。侵入検知や劣化検知をセンサーで実施する上では、接触、破壊がどの場所で発生するかが事前に不明である課題を解決する必要がある。侵入検知である場合は重要となる経路、設備の劣化検知である場合は構造上の耐力維持において重要な面など、検知が必要な領域の絞込みは可能であるが、その領域において、小さな面積で発生する接触や亀裂や剥離等の破壊の場所までは事前に同定することが困難である。しかしながら、通常、センサーは物理変化が発生する地点に設定され、その他の地点の物理変化は計測することができない。 One of the physical changes that is required to be detected in the industry is contact and destruction. These are useful for intrusion detection in security and deterioration detection in maintenance and management of equipment, and their importance is increasing with the improvement of safety awareness and the deterioration of equipment installed at the time of high economic growth. In order to carry out intrusion detection and deterioration detection with a sensor, it is necessary to solve the problem in which it is unclear in advance where the contact or destruction occurs. It is possible to narrow down the area that requires detection, such as a path that is important in the case of intrusion detection, and an important surface in maintenance of structural resistance in the case of deterioration detection of equipment, but in that area It is difficult to identify in advance up to the place of contact such as contact, cracking or peeling. However, usually, the sensor is set at a point where physical change occurs, and physical changes at other points can not be measured.
上記課題を解決するため、例えば、接触や破壊が発生すると想定される表面に均等に分布するようにセンサーを設置する手法が考えられる。しかしながら、接触や破壊の検知漏れを防止するためには、接触や破壊の生じる面積よりも十分小さい間隔でセンサーを設置する必要があるため、センサーの所要数が増大するという問題がある。例えば、100cm四方の表面に対して、10cm以上の亀裂や剥離等の破壊を検知することを想定した場合、センサーは10cm間隔に設置する必要が生じ、その所要数が100個近くになるため、非常に高コストとなる。 In order to solve the said subject, the method of installing a sensor so that it may be equally distributed on the surface where contact or destruction generate | occur | produces, for example is considered. However, there is a problem that the required number of sensors increases because it is necessary to install the sensors at an interval sufficiently smaller than the area where contact or breakage occurs in order to prevent detection or failure of contact or breakage. For example, when it is assumed that a crack such as 10 cm or more or breakage such as peeling is detected on a surface of 100 cm square, the sensors need to be installed at intervals of 10 cm, and the required number is close to 100. It becomes very expensive.
面的な検知を簡易に実現するため、予めトランスデューサーが所定の間隔で配置され、電気回路も実装されたシートを作製し、検知したい箇所に貼り付けて設置する方法が挙げられる(非特許文献1)。本手法は現場作業でのセンサー設置が容易となるため、シートの製作コストが低減できれば、人的稼動、作製コストの面で有力である。しかしながら、本手法はトランスデューサーおよび電気回路をシートに作りこむことから、シート作製後に任意の形状に切断および接続することが困難となる。そのため、形状が規格化されておらず様々な表面形状を有する対象には適さない。 In order to easily realize planar detection, there is a method in which a sheet in which transducers are arranged at predetermined intervals and an electric circuit is mounted in advance is manufactured and attached to a place to be detected and installed (non-patent document) 1). Since this method facilitates the installation of sensors in field work, if the cost of sheet production can be reduced, it is advantageous in terms of human operation and production costs. However, this method makes it difficult to cut and connect in an arbitrary shape after sheet preparation because the transducers and electric circuits are built into the sheet. Therefore, the shape is not standardized and it is not suitable for objects having various surface shapes.
本発明は、所定の物体表面における接触や破壊を検知する際の課題を解決するものである。第1に、所定の領域内においてどのように発生するかが既知でない変化を検知しなければならない課題である。この変化とは接触、および亀裂や剥離等の破壊であり、発生箇所および発生するサイズも不明であるという前提を有する。第2に、検知対象としたい領域は使用条件によって様々に形状を有しており、これらの形状に柔軟に対応しなければならないという課題である。 The present invention solves the problem when detecting contact or destruction on a predetermined object surface. First, it is a problem that it is necessary to detect a change that is not known how it occurs in a predetermined area. This change is contact, and breakage such as cracking or peeling, and it is assumed that the occurrence location and the generated size are unknown. The second problem is that the area to be detected has various shapes depending on the use conditions, and it is a problem that these shapes have to be flexibly coped with.
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、設置の際に使用者の任意で形状を変化させられるトランスデューサーを用い、所定の物体表面のいずれかの箇所に任意のサイズで発生する接触、および亀裂や剥離等の破壊を検知することを可能することである。 Therefore, the object of the present invention made in view of such a point is to use a transducer whose shape can be changed by the user at the time of installation, and generate at any position on a predetermined object surface in any size. It is possible to detect contact and breakage such as cracking and peeling.
以上の課題を解決するため、請求項1に係る検知システムは、物体の物理的な変化を検知する検知システムにおいて、前記物体の表面形状に応じた形状に成型され、前記物体の表面に接着される構造体と、前記構造体の任意の位置に設置された端末と、を備え、前記端末は、前記構造体の内部に信号を送信し、前記構造体の内部を伝搬して帰還した信号を受信する信号送受信部と、前記構造体に物理的な変化がない時に受信した信号のデータを格納しておく学習部と、前記信号のデータと所定時に受信した信号のデータとの比較結果に基づき前記構造体に生じた物理的な変化の有無を判定する判定部と、前記構造体に物理的な変化がある場合に異常情報を出力する通報部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, in a detection system according to claim 1, in a detection system for detecting a physical change of an object, the detection system is molded into a shape according to the surface shape of the object and bonded to the surface of the object And a terminal installed at an arbitrary position of the structure, wherein the terminal transmits a signal to the inside of the structure, and propagates and returns the signal inside the structure. Based on the result of comparison between the signal transmitting / receiving unit to be received, the learning unit for storing the data of the signal received when there is no physical change in the structure, and the data of the signal and the data of the signal received at a predetermined time It is characterized by comprising: a determination unit that determines the presence or absence of a physical change that has occurred in the structure; and a notification unit that outputs abnormality information when there is a physical change in the structure.
請求項2に係る検知システムは、請求項1に記載の検知システムにおいて、前記物理的な変化は、前記物体の表面に生じた破壊である、又は、前記物体に対する別の物体の接触であることを特徴とする。
The detection system according to
請求項3に係る検知システムは、請求項1又は2に記載の検知システムにおいて、前記信号は、電磁波又は音波であり、かつ、複数の周波数成分を含むことを特徴とする。
A detection system according to claim 3 is the detection system according to
請求項4に係る検知システムは、請求項1乃至3のいずれかに記載の検知システムにおいて、前記信号の波長の四分の一波長の大きさは、前記構造体の物理的な変化の大きさよりも小さいことを特徴とする。 The detection system according to claim 4 is the detection system according to any one of claims 1 to 3, wherein the size of the quarter wavelength of the wavelength of the signal is greater than the size of the physical change of the structure. It is also characterized by being small.
請求項5に係る検知システムは、請求項1乃至4のいずれかに記載の検知システムにおいて、前記構造体は、誘電体シートである、又は、塗料で構成されていることを特徴とする。
A detection system according to
請求項6に係る検知システムは、請求項1に記載の検知システムにおいて、前記信号は、電磁波であり、前記構造体は、金属又は金属粉末を含む2つの導電層で誘電体を挟んだ多層構造を備え、前記誘電体で電磁波を平行平板モードで伝搬させることを特徴とする。 The detection system according to claim 6 is the detection system according to claim 1, wherein the signal is an electromagnetic wave, and the structure is a multilayer structure in which a dielectric is sandwiched between two conductive layers containing metal or metal powder. The electromagnetic wave is propagated in a parallel plate mode by the dielectric.
請求項7に係る検知システムは、請求項1乃至6のいずれかに記載の検知システムにおいて、前記端末は、複数であって、複数の端末は、前記構造体の任意の位置に互いに異なる位置に配置され、前記通報部は、前記構造体に送信されてから受信されるまでの信号の時間的な変化データを更に出力することを特徴とする。 The detection system according to claim 7 is the detection system according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of the terminals are provided, and the plurality of terminals are located at different positions in an arbitrary position of the structure. The notification unit may further output temporal change data of a signal from the transmission to the reception of the structure.
請求項8に係る検知方法は、物体の表面形状に応じた形状に成型され、前記物体の表面に接着される構造体と、前記構造体の任意の位置に設置された端末と、を備えた検知システムで行う、物体の物理的な変化を検知する検知方法において、前記端末は、前記構造体の内部に信号を送信し、前記構造体の内部を伝搬して帰還した信号を受信するステップと、前記構造体に物理的な変化がない時に受信した信号のデータを格納しておくステップと、前記信号のデータと所定時に受信した信号のデータとの比較結果に基づき前記構造体に生じた物理的な変化の有無を判定するステップと、前記構造体に物理的な変化がある場合に異常情報を出力するステップと、を行うことを特徴とする。 A detection method according to claim 8 comprises a structure molded into a shape according to the surface shape of an object, and bonded to the surface of the object, and a terminal installed at an arbitrary position of the structure. In the detection method for detecting a physical change of an object performed by a detection system, the terminal transmits a signal inside the structure, and propagates the inside of the structure and receives a signal returned. The steps of storing data of the received signal when there is no physical change in the structure, and physical properties generated in the structure based on a comparison result of the data of the signal and the data of the signal received at a predetermined time It is characterized by performing the step of determining the presence or absence of a temporary change, and the step of outputting the abnormality information when there is a physical change in the structure.
本発明によれば、物体の表面に発生する接触、および亀裂や剥離等の破壊を検知することができる。 According to the present invention, it is possible to detect contact generated on the surface of an object and breakage such as cracking or peeling.
上記の課題を解決するため、本発明に係るトランスデューサーは平面であり、その形状が任意に設定できることが特徴である。これにより、設置対象としたい表面を余すことなく検知対象とすることが可能となる。また、トランスデューサー中に電磁波や音波などの波を伝搬させ、その変化を検知する手法を採用することにより、平面状のトランスデューサーのいずれかの箇所に任意のサイズで発生する接触、および亀裂や剥離等の破壊を検知することを可能にした点が特徴である。以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。 In order to solve the above-mentioned subject, a transducer concerning the present invention is a plane, and it is the characteristics that the shape can be set up arbitrarily. As a result, it becomes possible to use the detection target without exhausting the desired installation surface. In addition, by propagating waves such as electromagnetic waves or sound waves in the transducer and detecting changes in it, contacts, cracks, etc. that occur in any size on any part of the planar transducer can be generated. The feature is that it is possible to detect destruction such as peeling. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
まず、図1を用いて、本発明の一実施形態に係る検知システムの機能構成について説明する。図1は、第1の実施形態に係る検知システムの構成を示す図である。この検知システムは、物体に生じた物理的な変化を検知する検知システムであって、設置箇所の表面形状に応じた形状に成型された構造体(トランスデューサー)1と、構造体1の上の任意の場所や位置に設置される端末(検知回路)2と、を備えて構成される。端末2は、信号送受信部21と、学習部22と、判定部23と、通報部24と、を備えて構成される。以下、検知システムの各構成要素の詳細と動作について説明する。
First Embodiment
First, the functional configuration of a detection system according to an embodiment of the present invention will be described using FIG. 1. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a detection system according to the first embodiment. This detection system is a detection system that detects a physical change that has occurred in an object, and includes a structure (transducer) 1 molded into a shape corresponding to the surface shape of the installation location, and a structure 1 above the structure 1 And a terminal (detection circuit) 2 installed at an arbitrary place or position. The
構造体1は、予め設置箇所の表面形状に応じて設置者の任意で成型され、所定の厚さを有する板状の形状を備える。例えば、表面が平坦な壁面に設置する場合は平板状の構造となる。設置面が丸みを帯びている場合は、構造体1も丸みを帯びた板状となる。その他、設置箇所に任意の凹凸がある場合においても、その凹凸表面に密着できるような形状となる。 The structure 1 is formed in advance by the installer according to the surface shape of the installation site, and has a plate-like shape having a predetermined thickness. For example, in the case of installation on a wall surface having a flat surface, it has a flat plate-like structure. When the installation surface is rounded, the structure 1 also has a rounded plate shape. In addition, even when there is any unevenness in the installation location, it has a shape that can be in close contact with the uneven surface.
また、構造体1は、設置対象に対して十分な接着強度で設置される。十分な接着強度とは、外部からの曲げ応力、引っ張り応力、圧縮応力などに対し、構造体1に亀裂や孔が生じる強度よりも十分に強いことが条件となる。すなわち、構造体1は、設置された対象に亀裂や剥離が生じた場合、構造体1と設置対象の間の接着が損なわれるのではなく、設置された対象の亀裂や剥離に応じて構造体1にも同じく亀裂や破れが生じる。 Also, the structure 1 is installed with sufficient adhesive strength to the installation target. Sufficient adhesive strength is a condition that it is sufficiently strong against external bending stress, tensile stress, compressive stress, etc., than the strength at which a crack or a hole occurs in the structure 1. That is, when a crack or peeling occurs in the installed object, the structure 1 does not lose adhesion between the structure 1 and the installation object, but the structure according to the crack or peeling of the installed object Cracks and tears occur in 1 as well.
また、構造体1は、内部に電磁波または音波のいずれかが伝搬可能な構造である。例えば、誘電損失特性の小さい誘電体や弾性体である。但し、誘電率や形状に関しては任意である。 Moreover, the structure 1 is a structure which can propagate either an electromagnetic wave or a sound wave inside. For example, it is a dielectric or elastic body having a small dielectric loss characteristic. However, the dielectric constant and the shape are arbitrary.
上述した全ての特徴を備える構造体1としては、例えば、誘電体シートを用いることができる。また、構造体1を形成するにあたって、金属を用いると構造によっては電磁波を遮蔽する場合があるが、金属を用いると構造によっては効率良く電磁波を構造体1の内部を伝搬させることが可能であるため、適宜金属を用いてもよい。例えば、構造体1の表層部と付着面に金属を用い、内部を誘電体とした構造とする場合、内部の誘電体部分を平行平板モードで電磁波を伝搬させることができる。これについては、第3の実施形態で説明する。 For example, a dielectric sheet can be used as the structure 1 having all the features described above. When a metal is used to form the structure 1, electromagnetic waves may be shielded depending on the structure. However, if a metal is used, electromagnetic waves can be efficiently propagated inside the structure 1 depending on the structure. Therefore, metals may be used as appropriate. For example, in the case where a metal is used for the surface layer portion and the adhesion surface of the structure 1 and the inside is a dielectric, the electromagnetic wave can be propagated in the parallel plate mode in the inside dielectric portion. This will be described in the third embodiment.
端末2は、構造体1の任意の場所に設置され、信号送受信部21から所定の電磁波または音波を構造体1の内部に送信し、構造体1を伝搬して戻ってきた信号を受信する機能を備える。
The
ここで、構造体1の内部で生じる電磁波または音波の散乱について説明する。散乱とは、一般に、波が一様な媒質中を一方向に進んで行く途中で、その波の波長よりも短いスケールの媒質の乱れや別の物質に遭遇すると、進行方向が不定になるという現象である。 Here, scattering of electromagnetic waves or sound waves generated inside the structure 1 will be described. Scattering generally means that when the wave travels in a uniform medium in one direction in one direction, the traveling direction becomes indeterminate if it encounters a medium disorder or another substance whose scale is shorter than the wavelength of the wave. It is a phenomenon.
構造体1に傷や他の物体の接触面があると、電磁波または音波に散乱(反射)が起きる。散乱される度合いは、その波の波長をλ、傷や接触面の大きさをaとすると、マクスウェルの方程式よりa/λで表され、この値が大きいほど散乱の度合いは大きくなる。波長λに対して相対的な傷や接触面の大きさaが大きくなる(a/λ=1)と、前方散乱が後方散乱に比べて急激に増大し、端末2に戻ってくる散乱(反射)の影響が小さくなる。
When the structure 1 has a scratch or a contact surface of another object, scattering (reflection) occurs in the electromagnetic wave or the sound wave. The degree of scattering is represented by a / λ from Maxwell's equation, where the wavelength of the wave is λ and the size of the flaw or the contact surface is a, and the larger the value, the larger the degree of scattering. When the size a of the flaw or the contact surface relative to the wavelength λ increases (a / λ = 1), the forward scattering rapidly increases compared to the backscattering, and the scattering (reflection) returns to the
ここで、電磁波または音波の波長の四分の一波長の大きさが、検知したい亀裂の長さや剥離の大きさ、物体が接触した際の接触面の大きさよりも小さいことが望ましい。この場合、端末2へ戻ってくる散乱の信号を効率的に受けやすく、その亀裂に対する検出感度が向上する。このような波長の大きさの調整は、信号送受信部21の回路構成を適宜変更または設定することで実現可能である。本実施形態では、例として所定の周波数の電磁波を送信信号として用いて動作を説明する。
Here, it is desirable that the size of the quarter wavelength of the wavelength of the electromagnetic wave or the sound wave is smaller than the length of the crack to be detected, the size of peeling, or the size of the contact surface when the object comes in contact. In this case, the scattering signal returning to the
続いて、端末2を構成する各構成要素について説明する。端末2の各構成要素は、例えば、回路などのハードウェアで形成してもよいし、ソフトウェアプログラムで構成してもよい。
Then, each component which comprises the
信号送受信部21は、1種類以上の所定の周波数成分を有する電磁波を所定の強度で発生させ、その電磁波を送信信号として構造体1の内部に向けて送信する。ここでは、互いに異なる周波数f1および周波数f2の2種類の周波数の連続波からなる電磁波を送信信号とする。送信信号は、構造体1の内部で端末2を中心として拡散するように伝搬する。構造体1では伝搬による損失、端面などにおける空間放射、反射が生じるが、端面などで反射された信号群は端末2にまで戻る。信号送受信部21では、帰還した信号群を重ね合わせたものを受信信号として受信する。
The signal transmission /
端末2では、前述の信号の送信受信を学習フェーズ、検知フェーズの2つのフェーズで実施する。互いのフェーズでの信号の処理方法は異なる。
The
はじめに、学習フェーズについて説明する。学習フェーズとは、構造体1および端末2を設置した直後、つまり構造体1に物理的な変化がない時に端末2が行う動作であり、構造体1の設置直後の状態を健全な状態と定義し、構造体1を伝搬する電磁波の伝搬状況を健全データとして学習部22に格納するための動作である。
First, the learning phase will be described. The learning phase is an operation performed by the
学習フェーズにおいては、信号送受信部21は、受信信号の伝搬特性データを健全データとして学習部22へ出力する。伝搬特性データとは、例えば、受信時の受信信号の位相や振幅、各周波数において送信信号の位相や振幅と比較することで得られる反射係数のデータでもよい。本実施形態では、ネットワークアナライザ等でよく用いられるSパラメータのうちS11を伝搬特性データとして記録する事例を説明する。S11は、複素表現された送信信号を分母、同じく複素表現された受信信号を分子として比をとった際に得られる複素数であり、その複素数の絶対値を振幅、偏角を位相とするデータである。上記の動作で得られる健全データは表1となる。
In the learning phase, the signal transmitting / receiving
なお、健全データとして振幅a10、位相b10、振幅a20、位相b20を取得するにあたり、雑音の影響を低減させるために、所定の期間の時間平均を取る手法が考えられる。また、端末2の設置直後は接着剤等の変動が大きいなどの理由から、端末2の設置直後から健全データを取得までに一定の時間を設けるという手法もある。これらのパラメータは、構造体1や構造体1が設置された対象物の劣化速度に比べて十分に初期のタイミングと考えられる時間帯であれば、使用者の任意で設定可能である。
In order to reduce the influence of noise, it is conceivable to take a time average of a predetermined period when acquiring the amplitude a 10 , the phase b 10 , the amplitude a 20 , and the phase b 20 as sound data. Moreover, immediately after the installation of the
次に、検知フェーズの動作について説明する。検知フェーズにおいては、所定のタイミングで信号送受信部21は、学習フェーズと同様に、送信信号を送信し、受信信号を受信する。その際に得られる周波数f1と周波数f2のS11を検知データとすると、その検知データは表2のようになる。
Next, the operation of the detection phase will be described. In the detection phase, the signal transmission /
この検知データは判定部23に送信され、判定部23で健全データと比較される。
The detection data is transmitted to the
ここで、構造体1に生じた亀裂、剥離や物体の接触により、検知データと健全データに差分が生じる原理について説明する。 Here, the principle by which a difference arises between detection data and sound data due to a crack, peeling, or contact of an object generated in the structure 1 will be described.
設置対象となる構造物に亀裂や剥離が生じた場合、構造体1も同様に亀裂や孔が生じる。構造体1に生じた亀裂や孔は、内部を伝搬する電磁波からすると電波経路の断裂部となり、電気的には開放端が生じることになる。電磁波伝搬における反射は、インピーダンスの急激な変化で生じることから、伝搬経路に生じた開放端は、新たな反射面として作用することになる。その結果、新たな反射面によって反射された波が受信信号に作用することにより、検知データの振幅や位相に差分が生じる。 When a crack or separation occurs in the structure to be installed, the structure 1 also has a crack or hole. A crack or a hole generated in the structure 1 becomes a fractured portion of the radio wave path from the electromagnetic wave propagating inside, and an open end electrically occurs. Since reflection in electromagnetic wave propagation occurs due to a sudden change in impedance, the open end created in the propagation path acts as a new reflecting surface. As a result, the waves reflected by the new reflection surface act on the received signal to cause a difference in the amplitude and phase of the detection data.
また、構造体1に物体が接触したことを考える。表面に高い誘電率有する物体が接触した場合、構造体1を伝搬する送信信号の電界が健全状態と変化し、高い誘電率を持つ物体に電界が集中する。その結果、接触した領域における伝搬損失や実効電気長が変化し、振幅や位相が変化する。金属が接触した場合、理想的な反射面が構造体1の表面に発生することになるため、伝搬損失や電気長が変化する。 In addition, it is considered that an object is in contact with the structure 1. When an object having a high dielectric constant contacts the surface, the electric field of the transmission signal propagating through the structure 1 changes to a healthy state, and the electric field is concentrated on the object having a high dielectric constant. As a result, the propagation loss and the effective electrical length in the contact area change, and the amplitude and the phase change. When metal contacts, an ideal reflective surface is generated on the surface of the structure 1, so that the propagation loss and the electrical length change.
これらの結果、受信信号として受信される電磁波の振幅や位相も変化し、検知データと健全データに差分が生じることとなる。 As a result, the amplitude and the phase of the electromagnetic wave received as the reception signal also change, and a difference occurs between the detection data and the sound data.
判定部23は、予め定められたしきい値を用いて、検知データと健全データとの差分から、亀裂、剥離、または接触の有無、つまり構造体に生じた物理的な変化の有無を判定する。本実施形態において、検知データや健全データは周波数f1、周波数f2にそれぞれ対応した振幅と位相からなるため、しきい値も表3のように4つの値が準備される。
The
判定部23は、検知データの値が、周波数f1および周波数f2のそれぞれ振幅a、位相bの4つの条件のうち、いずれか1つでもしきい値を超えた場合に、しきい値を超えたことを通報部24へ通知する。ここで、しきい値の大きさの設定や、通報部24へ通知を行う条件の数は使用者の任意で設定可能であり、検知率や誤検知率の所要値から設定することができる。しきい値が小さければ、わずかな差分で通報部24へ通知が行われるため、検知の感度は上がるが、誤検知率は増大する。逆に、しきい値を大きく設定すれば、検知感度は下がり、大きな亀裂や剥離、大きな物体の接触でないと通報部24への通知が行われなくなるが、誤検知率は低減する。その他、しきい値については、検知データに対する値を設定してもよいし、検知データと健全データとの差分に対する値を設定してもよい。
If the value of the detection data exceeds the threshold value by any one of the four conditions of the amplitude a and the phase b of the frequency f 1 and the frequency f 2 , the
通報部24は、判定部23からの通知を受け、所定の通報動作を行う。具体的には、構造体1(=物体)に物理的な変化が生じたことを示す異常情報を出力する。例えば、無線等で、検知通知を出すことも考えられるし、発光や音などで検知通知を出すことも可能であり、使用者の任意で設定可能である。
The
上記動作により、構造体1に損耗が生じた場合や物体が接触した場合に、それらの発生を検知することが可能となる。上述したように構造体1は、設置場所や表面形状によって様々な形状に変化する。また、端末2も構造体1の任意の場所に設置されるため、健全データは設置位置ごとに異なる。しかしながら、事前に学習フェーズを設けて健全データを事前に取得することにより、構造体1の内部の電磁波の伝搬状態が設置ごとに異なる場合であっても、健全な伝搬状態を基準として、損耗や接触の検知を行うことが可能となる。
By the above operation, when the structure 1 is worn out or when an object comes in contact, it is possible to detect their occurrence. As described above, the structure 1 changes into various shapes depending on the installation place and the surface shape. In addition, since the
なお、本実施形態では、送信信号として電磁波を用いたが、音波でも周波数、振幅、位相の検知は可能であるため、実施可能である。 Although the electromagnetic wave is used as the transmission signal in the present embodiment, the detection of the frequency, the amplitude, and the phase of the sound wave is possible, and therefore, it is possible.
また、本実施形態では、周波数f1と周波数f2の2つの周波数成分からなる信号を用いたが、周波数成分は1つでも3つ以上でもよい。周波数成分が1つの場合、端末2の構成はより簡易になり作製コストが下がるという利点があるが、電磁波伝搬における電界分布の節の部分では、感度が低下する。周波数成分が2つ以上の場合、端末2の構成は複雑化するが、周波数ごとに上述の電界分布の節の位置は異なるため、感度低下の部分を互いに補完することができ、検知漏れの防止につながる。
Moreover, in this embodiment, although the signal which consists of two frequency components of frequency f 1 and frequency f 2 was used, one or three or more frequency components may be sufficient. When the number of frequency components is one, there is an advantage that the configuration of the
<第2の実施形態>
図2に、第2の実施形態に係る検知システムの構成を示す。本実施形態は、構造体1に対して、端末2a、端末2b、端末2c…のように複数の端末2がそれぞれ異なる場所に複数設置される点と、各端末2(2a,2b,2c,…)の通報部24から送信される信号の中に受信信号の時間変化データが含まれる点とが第1の実施形態と異なり、損耗や接触の通知だけでなく、その位置も同定できるようになる。本実施形態では、構造体1に対して3つの端末2(2a,2b,2c)が設置された場合を説明する。
Second Embodiment
FIG. 2 shows the configuration of a detection system according to the second embodiment. In this embodiment, a plurality of
構造体1の仕様や動作は第1の実施形態と同様である。3つの端末2a,2b,2cでは、それぞれ学習フェーズにおいて、第1の実施形態と同様に健全データを取得するが、その際、健全時の受信信号の時間波形も学習部22に記録しておく。時間波形を取得する時間は、送信信号の送信直後を開始時刻とし、帰還時など任意の時間後を終了時刻とする。また、検知フェーズでは、判定部23においてしきい値を用いて健全データと検知データとの比較を行い、その比較結果より損耗や接触を検知した場合に通報部24に通知を行う。この際、検知時の受信信号の時間波形の通知も行う。すなわち、通報部24では、検知の通報を行うと共に、健全時の受信信号の時間波形、検知時の受信信号の時間波形の送信をコンピュータなどの解析部(図2において不図示)へ行う。
The specifications and operations of the structure 1 are the same as in the first embodiment. The three
本発明の使用者は、3つの端末2a,2b,2cのそれぞれの通報部24からの通知によって、構造体1の損耗や接触を知り、下記の解析を実施する。具体的には、解析部において、各端末2からそれぞれ通知された健全時の受信信号と検知時の受信信号とを端末2ごとに比較し、時間波形の開始から差分が現れるまでの時間を計測する。計測された時間の半分を伝搬速度に乗じることによって距離を得る。各端末2から得られた距離から三角法を用いて、損耗や接触が発生した場所を同定する。
The user of the present invention recognizes the wear and tear of the structure 1 by the notification from the
上記の動作によって損耗や接触が発生した場所または位置を同定できる原理について説明する。損耗や接触によって新たに生じた反射面で反射した信号がもっとも早く端末2に戻る経路は端末2と新たに生じた反射面を結ぶ線分である。よって送信信号を発生した時刻を起点として観測した場合、健全時の受信信号および検知時の受信信号の時間波形で初めて差分が生じるのは、送信信号が上記線分上を伝搬して新たに生じた反射面に到達し、反射が行われて当該線分上を伝搬して端末2に戻った時刻と考えられる。以上のことから、初めて差分が観測された時間の半分を伝搬速度に乗じることで、端末2と新たな発生した反射面との距離を求めることが可能となる。
The principle of identifying the place or position where wear or contact has occurred by the above operation will be described. The path of the signal reflected on the reflecting surface newly generated due to wear and tear and returning to the
なお、第1および第2の実施形態では、電磁波を例にとって説明をしたが、光速よりも音速のほうが遅いため、音波を用いることで実施がより容易になり、適している。 In the first and second embodiments, the electromagnetic wave has been described as an example. However, since the speed of sound is slower than the speed of light, using a sound wave makes the implementation easier and suitable.
<第3の実施形態>
図3に、第3の実施形態に係る構造体1の構成を示す。本実施形態では、構造体1の表層部11と付着部(付着面)13に導電性塗料または金属粉末や金属フレークを混ぜた塗料を用い、表層部11と付着部13との間の内部12を絶縁性塗料とする点が第1および第2の実施形態と異なる。
Third Embodiment
FIG. 3 shows the configuration of a structure 1 according to the third embodiment. In the present embodiment, a conductive paint or a paint in which metal powder or metal flakes are mixed is used for the
表層部11および付着部13を成す導電性塗料に含まれる粉末としては、銅や銀やアルミ粉末を用いることが考えられるが、導電が可能な物質であれば、これに限定されない。また、この三層構造を、計測対象である1m四方のコンクリート構造物100の上に塗装して形成してもよく、計測対象が鋼管柱等の導電性材料である場合は、付着面に導電性塗料を塗装する必要はなく、内部12の絶縁性塗料と表層部11の導電性塗料との二層で形成してもよい。絶縁体と誘電体と絶縁体とを積層した多層構造となるので、電磁波を構造体1に閉じ込める構造となることから、電磁波を平行平板モードで伝搬させることが可能となり、ひびや穴といった破損の検知に適した構成となる。
It is conceivable to use copper, silver, or aluminum powder as the powder contained in the conductive paint forming the
構造体1の導電性塗料の塗装面(表層部11,付着部13)に端末2を接続して設置した。図4は、構造体1と端末2の信号送受信部21との物理的な接続例を示す図である。実際には、第1の実施形態で参照した図1における送信信号と受信信号は、それぞれ物理的には1本のケーブル上で送信と受信を行うものであり、信号送受信部21の信号線とグランド線をそれぞれの導電層に接続する。接続方法は図4に限らず、信号線を下層の導電層(付着部13)に、グランド線を上層の導電層(表層部11)に接続してもよい。
The
構造体1の動作などは第1の実施形態と同様である。端末2では、学習フェーズにおいて、第1の実施形態と同様に健全データを取得する。本実施形態では、7〜10cmの傷を検知することを目的とし、送信信号には1GHzと750MHzの周波数を用いた。また、健全データはS11の絶対値のデシベル表示を用い、各周波数に対応する値は表4のようになった。このとき、振幅や位相情報を用いてもよい。また、検出する接触面積や亀裂などの大きさにより使用する周波数は異なるため、1GHzと750MHz以外の周波数を用いてもよい。
The operation and the like of the structure 1 are the same as in the first embodiment. The
また、検知フェーズでは、判定部23において、しきい値を用いて健全データと検知データとの比較を行い、損耗や接触を検知したら通報部24に通知を行う。検知データと予め設定しておいたしきい値をそれぞれ表5と表6に示す。
Further, in the detection phase, the
判定部23では、周波数1GHzおよび周波数750MHzのそれぞれS11のうち、いずれか1つでもしきい値を超えた場合に、通報部24へ通知がされる。表5の検知データは、実際に構造体1に7〜10cmの傷を形成して測定した検知データであり、1GHzの検知データの値が表6のしきい値を超えた値となっていることから、傷が存在することを検知できたといえる。
The
しきい値の大きさの設定や、通報部24へ通知を行う条件の数は使用者の任意で設定可能であり、検知率や誤検知率の所要値から設定することができ、これに限定されない。しきい値が小さければ、わずかな差分で通報部24へ通知が行われるため、検知の感度は上がるが、誤検知率は増大する。逆に、しきい値を大きく設定すれば、検知感度は下がり、大きな亀裂や剥離、大きな物体の接触でないと通報部24への通知が行われなくなるが、誤検知率は低減する。
The setting of the threshold size and the number of conditions for notifying the
通報部24では、判定部23からの通知を受け、所定の通報動作を行う。例えば、無線等で検知通知を出す事例も考えられるし、発光や音などで検知通知を出すことも可能であり、使用者の任意で設定可能である。上記動作により、構造体1に損耗が生じた場合や、物体が接触した場合に、検知することが可能となる。
The
最後に、図4に示した接続例以外の接続例を図5〜図7に示す。 Finally, connection examples other than the connection example shown in FIG. 4 are shown in FIGS.
例えば、図5に示すように、構造体1と端末2との間に変圧器(トランス)3を接続してもよい。また、図6に示すように、例えば3ポートの方向性結合器4を用いて構造体1と端末2を接続することも考えられる。具体的には、信号送受信部21側の(+),(−)の各送信信号線6a,6bを入力ポートINに接続し、(+),(−)の各受信信号線7a,7bを反射ポートOUT0に接続し、構造体1側の信号線8a,グランド線8bを出力ポートOUT1に接続する。方向性結合器4は、入力ポートINに入力された送信信号(進行波)を出力ポートOUT1から出力し、構造体1から出力ポートOUT1に戻ってきた受信信号(反射波)を反射ポートOUT0から出力する。
For example, as shown in FIG. 5, a transformer 3 may be connected between the structure 1 and the
その他、図7に示すように、例えば3ポートのサーキュレータ5を用いてもよい。その接続方法は図6に示した接続方法と同様であるが、ここでは、入力ポートINを第1ポートP1、出力ポートOUT1を第2ポートP2、反射ポートOUT0を第3ポートP3とする。サーキュレータ5は、複数のポート間で信号を一方向に出力する特性を備え、第1ポートP1に入力した信号(送信信号)を第2ポートP2に出力し、第2ポートP2から入力した信号(受信信号)を第3ポートP3に出力し、逆方向には伝送しない。
Besides, as shown in FIG. 7, for example, a 3-
<効果>
各実施の形態によれば、設置箇所の表面形状に応じた面形状を有し、その内部で所定の信号が伝搬可能である構造体1と、構造体1の任意の場所に設置される端末2と、を備えた検知システムにおいて、端末2は、構造体1の内部に信号を送信し、構造体1の内部を伝搬した後の信号を受信信号として受信する信号送受信部21と、構造体1に損耗がなく、かつ、任意の物質の接触が無い状態における受信信号のデータを健全データとして格納する学習部22と、構造体1に対して生じた損耗や任意の物質の接触を検知するため、定期的に取得される受信信号と健全データを比較し、変化の有無を検知することによって、構造体1に生じた損耗または任意の物質の接触の有無を判定する判定部23と、判定部23からの信号に応じて外部に構造体1に生じた異常を通報する通報部24と、を備えるので、亀裂や剥離などの構造物における劣化兆候の発生を面的に検知することが可能であり、コンクリート構造物などが多い社会インフラや住宅等の点検業務の自動化に貢献できる。
<Effect>
According to each embodiment, the structure 1 which has a surface shape corresponding to the surface shape of the installation location and in which a predetermined signal can be propagated, and the terminal installed at an arbitrary place of the structure 1 2, the
また、各実施の形態では、検知対象としたい表面形状に合わせて構造体1の形状も変更可能であるので、さまざまな表面形状を有する構造物等に対しても簡易に適用することが可能となる。構造物以外には、例えば、鉱山掘削工事現場等での落盤危険度のセンシングにも有効である。 Further, in each embodiment, the shape of the structure 1 can also be changed according to the surface shape to be detected, so that it can be easily applied to structures having various surface shapes, etc. Become. In addition to the structure, for example, it is also effective for sensing the risk of falling down at a mining excavation site or the like.
また、各実施の形態では、構造体1が、塗料や柔軟な形状に対応できるシートであり、その施工が楽なことから、一時的に、また、臨機応変に設置を変更する必要があるような立ち入り禁止エリアや点字ブロック等の敷設に好適である。 Moreover, in each embodiment, the structure 1 is a sheet that can correspond to a paint or a flexible shape, and it is necessary to temporarily change the setting in a flexible manner because its construction is easy. It is suitable for laying of a no entry area or a braille block.
1…構造体
11…表層部
12…内部
13…付着部
2,2a,2b,2c…端末
21…信号送受信部
22…学習部
23…判定部
24…通報部
3…変圧器
4…方向性結合器
5…サーキュレータ
6a…送信信号(+)の送信信号線
6b…送信信号(−)の送信信号線
7a…受信信号(+)の受信信号線
7b…受信信号(−)の受信信号線
8a…信号線
8b…グランド線
100…コンクリート構造物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (8)
前記物体の表面形状に応じた形状に成型され、前記物体の表面に接着される構造体と、
前記構造体の任意の位置に設置された端末と、を備え、
前記端末は、
前記構造体の内部に信号を送信し、前記構造体の内部を伝搬して帰還した信号を受信する信号送受信部と、
前記構造体に物理的な変化がない時に受信した信号のデータを格納しておく学習部と、
前記信号のデータと所定時に受信した信号のデータとの比較結果に基づき前記構造体に生じた物理的な変化の有無を判定する判定部と、
前記構造体に物理的な変化がある場合に異常情報を出力する通報部と、
を備えることを特徴とする検知システム。 In a detection system that detects physical changes in an object,
A structure molded into a shape according to the surface shape of the object and bonded to the surface of the object;
And a terminal installed at an arbitrary position of the structure.
The terminal is
A signal transmitting / receiving unit that transmits a signal inside the structure, and receives a signal propagated and returned inside the structure;
A learning unit for storing data of a received signal when there is no physical change in the structure;
A determination unit that determines the presence or absence of a physical change in the structure based on a comparison result of the data of the signal and the data of the signal received at a predetermined time;
A notification unit that outputs abnormal information when there is a physical change in the structure;
A detection system comprising:
前記物体の表面に生じた破壊である、又は、前記物体に対する別の物体の接触であることを特徴とする請求項1に記載の検知システム。 The physical change is
The detection system according to claim 1, wherein the detection system is a destruction that has occurred on the surface of the object or a contact of another object with the object.
電磁波又は音波であり、かつ、複数の周波数成分を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の検知システム。 The signal is
The detection system according to claim 1, wherein the detection system is an electromagnetic wave or a sound wave, and includes a plurality of frequency components.
前記構造体の物理的な変化の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の検知システム。 The size of a quarter wavelength of the wavelength of the signal is
The detection system according to any one of claims 1 to 3, which is smaller than the magnitude of physical change of the structure.
誘電体シートである、又は、塗料で構成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の検知システム。 The structure is
The detection system according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection system is a dielectric sheet or is made of a paint.
前記構造体は、
金属又は金属粉末を含む2つの導電層で誘電体を挟んだ多層構造を備え、前記誘電体で電磁波を平行平板モードで伝搬させることを特徴とする請求項1に記載の検知システム。 The signal is an electromagnetic wave,
The structure is
The detection system according to claim 1, further comprising: a multilayer structure in which a dielectric is sandwiched between two conductive layers containing metal or metal powder, and the electromagnetic wave is propagated in a parallel plate mode by the dielectric.
前記通報部は、
前記構造体に送信されてから受信されるまでの信号の時間的な変化データを更に出力することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の検知システム。 The plurality of terminals may be disposed at mutually different positions at arbitrary positions of the structure.
The reporting unit
The detection system according to any one of claims 1 to 6, further outputting temporal change data of a signal from the transmission to the reception of the structure.
前記端末は、
前記構造体の内部に信号を送信し、前記構造体の内部を伝搬して帰還した信号を受信するステップと、
前記構造体に物理的な変化がない時に受信した信号のデータを格納しておくステップと、
前記信号のデータと所定時に受信した信号のデータとの比較結果に基づき前記構造体に生じた物理的な変化の有無を判定するステップと、
前記構造体に物理的な変化がある場合に異常情報を出力するステップと、
を行うことを特徴とする検知方法。 Physical of an object performed by a detection system including a structure molded into a shape according to the surface shape of the object and bonded to the surface of the object, and a terminal installed at an arbitrary position of the structure Detection method for detecting various changes,
The terminal is
Transmitting a signal inside the structure, receiving the signal propagating inside the structure and returning it;
Storing data of the received signal when there is no physical change in the structure;
Determining the presence or absence of a physical change in the structure based on the comparison result of the data of the signal and the data of the signal received at a predetermined time;
Outputting abnormal information when there is a physical change in the structure;
Detection method characterized in that.
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- 2017-12-15 JP JP2017240606A patent/JP2019109073A/en active Pending
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