JP7258792B2 - Laser ultrasonic measuring device and laser ultrasonic measuring method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、レーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法に関する。 An embodiment of the present invention relates to a laser ultrasonic measuring device and a laser ultrasonic measuring method.
超音波探傷試験(UT:Ultrasonic Testing)は、非破壊で構造材の表面および内部の健全性を確認できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。 Ultrasonic testing (UT) is a technology that can non-destructively check the soundness of the surface and interior of structural materials, and has become an indispensable inspection technology in various fields.
圧電素子を検査対象に接触させて超音波を送受信する接触式のUT、小型の超音波送受信用圧電素子を並べ、圧電素子ごとにタイミング(遅延時間)をずらして超音波発信することにより任意の波形を形成できるフェーズドアレイ超音波探傷試験(PAUT)は、工業用途で広く用いられている。またパルスレーザの照射により超音波を励起し、別のレーザおよびレーザ干渉計により検査対象表面の微小振動を計測するレーザ超音波法(LUT:Laser Ultrasonic Testing)などの方法も利用されている。レーザ超音波法は非接触で検査できるため、溶接施工中の検査などにも適用されている。 A contact-type UT that transmits and receives ultrasonic waves by bringing a piezoelectric element into contact with an object to be inspected, and small piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves are arranged. Waveformable phased array ultrasonic testing (PAUT) is widely used in industrial applications. A method such as laser ultrasonic testing (LUT) is also used, in which ultrasonic waves are excited by irradiating a pulsed laser and micro-vibrations on the surface of an object to be inspected are measured using a separate laser and a laser interferometer. Since the laser ultrasonic method enables non-contact inspection, it is also applied to inspections during welding work.
超音波信号の処理方法、検査対象内部を映像化するための装置や手法についても用途に応じた多様な形態が提案されており、例えば生体の内部を超音波により映像化する場合、生体内の組織の違いにより音速が異なることから、検査対象のある特定の領域の音速を仮定して超音波の計測を行い、得られた検出結果とあらかじめ想定していた結果との違いから解析する手法等も提案されている。 Various forms have been proposed for ultrasonic signal processing methods and devices and methods for imaging the inside of an object to be inspected. Since the speed of sound differs depending on the tissue, methods such as measuring ultrasonic waves assuming the speed of sound in a specific area of the inspection target and analyzing from the difference between the obtained detection result and the expected result, etc. is also proposed.
発電プラントの定期点検や溶接構造物の溶接部の品質検査などにおいて、被測定対象の表面のキズやき裂などの欠陥を検査する必要がある場合、超音波の表面波を用いて欠陥を検出することが可能である。表面波を発生するために、超音波探触子を用いる方法が考えられるが、アクセスが困難な部位への圧電素子の設置は困難である。レーザ超音波法は、超音波送信用のパルスレーザの照射により表面波を励起し、別の受信用レーザおよびレーザ干渉計により検査対象表面の微小振動を計測することで欠陥を検出することが可能だが、被測定対象の表面に付着物がある場合や、表面粗さが大きい場合などは、受信用レーザの反射光量が減少し、十分な受信感度が得られないという課題がある。 Ultrasonic surface waves are used to detect defects such as scratches and cracks on the surface of the object to be measured during periodic inspections of power plants and quality inspections of welded parts of welded structures. Is possible. In order to generate surface waves, a method using an ultrasonic probe is conceivable, but it is difficult to install a piezoelectric element in a site that is difficult to access. In the laser ultrasonic method, surface waves are excited by irradiating a pulsed laser for transmitting ultrasonic waves, and a separate receiving laser and a laser interferometer are used to measure minute vibrations on the surface of the inspection object, making it possible to detect defects. However, when the surface of the object to be measured has deposits or the surface roughness is large, there is a problem that the amount of reflected light from the reception laser is reduced and sufficient reception sensitivity cannot be obtained.
他の方法として、超音波による表面検査を水中で行う場合、送信用レーザで励起された表面波が欠陥で漏洩波として水中に伝搬し、その漏洩波により別に設置した金属などの薄板が振動するのを受信用レーザで測定する手法も提案されている。しかし、この方法の場合、欠陥の表面からの深さは、超音波の励起点および受信点を、欠陥を跨ぐように配置し、欠陥を透過した表面波から発生する漏洩波の周波数を解析することにより求めることは可能だが、装置としては周波数解析機能を実装した信号処理用PCが、また、手法としては周波数解析ステップが必要となる。 As another method, when performing ultrasonic surface inspection underwater, the surface wave excited by the transmitting laser propagates into the water as a leaky wave due to defects, and the leaky wave vibrates a separately installed thin plate such as a metal. A method of measuring the is also proposed using a receiving laser. However, in the case of this method, the depth from the surface of the defect is determined by arranging the excitation point and the reception point of the ultrasonic wave so as to straddle the defect, and analyzing the frequency of the leaky wave generated from the surface wave that has passed through the defect. However, a signal processing PC with a frequency analysis function is required as a device, and a frequency analysis step is required as a method.
また、漏洩波の受信をレーザではなく圧電センサで行う場合でも、センサ固有の中心周波数に近い漏洩波のみを検出するため、欠陥深さを求めることはできない。 Moreover, even if the leaky wave is received by a piezoelectric sensor instead of a laser, only the leaky wave close to the sensor's peculiar center frequency is detected, so the depth of the defect cannot be obtained.
そこで、本発明の実施形態は、レーザ超音波探傷において、周波数解析を行うことなく表面欠陥の深さに関する情報を取得することを目的とする。 Accordingly, an object of an embodiment of the present invention is to acquire information about the depth of a surface defect without performing frequency analysis in laser ultrasonic flaw detection.
上述の目的を達成するため、本実施形態に係るレーザ超音波計測装置は、液体中にある測定対象に広帯域の周波数を有する表面波を励起するレーザ超音波発生装置と、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子により受信された超音波信号に基づいて前記測定対象中の欠陥の規模を推定する欠陥推定部と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above-described object, the laser ultrasonic measurement apparatus according to the present embodiment includes a laser ultrasonic generator that excites a surface wave having a broadband frequency in a measurement target in a liquid , and a plurality of ultrasonic waves having different center frequencies. and a defect estimating unit for estimating the scale of the defect in the measurement object based on the ultrasonic signals received by the plurality of piezoelectric elements.
また、本実施形態に係るレーザ超音波計測方法は、液体中にある測定対象に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置を設置する発生装置設置ステップと、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第1の位置に設置する第1回圧電素子設置ステップと、前記発生装置設置ステップおよび前記第1回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第1回超音波発生ステップと、前記第1回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの信号を取得し、前記信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第1回欠陥推定ステップと、を有することを特徴とする。
また、本実施形態に係るレーザ超音波計測方法は、測定対象に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置を設置する発生装置設置ステップと、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第1の位置に設置する第1回圧電素子設置ステップと、前記発生装置設置ステップおよび前記第1回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第1回超音波発生ステップと、前記第1回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第1の信号を取得し、前記第1の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第1回欠陥推定ステップと、を有し、前記第1回欠陥推定ステップは、前記複数の圧電素子からの前記第1の信号が、透過表面波であるか反射表面波であるかを判別する判別ステップを有し、前記判別ステップでの結果に応じた位置に前記複数の圧電素子を移動し第2の位置に設置する第2回圧電素子設置ステップと、前記第2回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第2回超音波発生ステップと、前記第2回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第2の信号を取得し、前記第2の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第2回欠陥推定ステップと、前記第1回欠陥推定ステップおよび前記第2回欠陥推定ステップの結果から、前記欠陥の位置を推定する欠陥位置推定ステップと、を有することを特徴とする。
Further, the laser ultrasonic measurement method according to the present embodiment includes a generator installation step of installing a laser ultrasonic generator that generates ultrasonic waves to a measurement target in a liquid , and a plurality of piezoelectric elements having different center frequencies. After the first piezoelectric element installation step of installing at the first position, and the generator installation step and the first piezoelectric element installation step, an ultrasonic wave having a broadband frequency is generated on the object to be measured by a laser ultrasonic wave generator. and acquiring signals from the plurality of piezoelectric elements in the first ultrasonic wave generating step, comparing the levels of the signals, and measuring the scale of the defect in the object to be measured. and a first defect estimation step of estimating
Further, the laser ultrasonic measurement method according to the present embodiment includes a generator installation step of installing a laser ultrasonic generator that generates ultrasonic waves to a measurement target, and a plurality of piezoelectric elements having different center frequencies from each other at a first position. After the first piezoelectric element installation step, and the generator installation step and the first piezoelectric element installation step, the laser ultrasonic generator generates ultrasonic waves having a broadband frequency to the measurement target. A first ultrasonic wave generation step, and a first signal from the plurality of piezoelectric elements in the first ultrasonic wave generation step, comparing levels of the first signal, and detecting a defect in the object to be measured. and a first defect estimation step of estimating the scale of the first defect estimation step, wherein the first signal from the plurality of piezoelectric elements is a transmitted surface wave or a reflected surface wave a second piezoelectric element installation step of moving the plurality of piezoelectric elements to positions according to the result of the determination step and installing the piezoelectric elements at a second position; After the piezoelectric element installation step, a second ultrasonic wave generating step of generating ultrasonic waves having a broadband frequency to the object to be measured by a laser ultrasonic wave generator, and the plurality of piezoelectric elements in the second ultrasonic wave generating step a second defect estimation step of obtaining a second signal from and comparing the level of the second signal to estimate the size of the defect in the measurement object; the first defect estimation step and the and a defect position estimation step of estimating the position of the defect from the result of the second defect estimation step.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ超音波計測装置およびレーザ超音波計測方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。 Hereinafter, a laser ultrasonic measuring device and a laser ultrasonic measuring method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, portions that are the same or similar to each other are denoted by common reference numerals, and overlapping explanations are omitted.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a laser ultrasonic measuring device according to the first embodiment.
レーザ超音波計測装置100は、レーザ超音波発生装置10、圧電素子20、および欠陥推定部30を有する。
The laser
レーザ超音波発生装置10は、パルスレーザ光源11、光ファイバ入射機構12、照射プローブ13、光ファイバ15を有する。レーザ超音波発生装置10の発生する超音波は、周波数に幅を有する、すなわち低周波数から高周波数までの広帯域の周波数を有する。なお、周波数の具体的な領域については、検出対象とするき裂を含む欠陥2(図3)のサイズ、具体的には表面からの深さに応じて、これを含む領域を選択する。
The laser
パルスレーザ光源11として使用するレーザは、例えば、Nd:YAGレーザ、CO2レーザ、Er:YAGレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素(ダイ)レーザおよびエキシマレーザなどが挙げられ、これ以外の場合であってもよい。パルスレーザ光源11は1台だけでなく複数台から構成してもよい。
Lasers used as the pulse
パルスレーザ光源11から発振されるパルスレーザ光は、光ファイバ入射機構12を介して光ファイバ15に導入され、照射プローブ13から測定対象1に照射される。
A pulsed laser beam oscillated from a pulsed
圧電素子20は、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23の3つの圧電素子を有する。圧電素子は、超音波探触子と呼ばれるものであり、一般的には、図示はしないが、超音波を発生する機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板との、いずれかの構成もしくはその組み合わせからなる構成となる。圧電素子20に使用するものは、超音波の発生機構は有さなくともよい。前面板とその支持部等の剛性により、圧電素子の固有振動数である中心周波数が決まる。
The
ここで、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23は、互いに、中心周波数が異なるものを用いる。なお、圧電素子20が3つの圧電素子を有する場合を例にとって示したが、2つ、あるいは4つ以上であってもよい。
Here, the first
欠陥推定部30は、複数の圧電素子、すなわち、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23により受信された超音波信号に基づいて、容器3内の液体4に浸漬された測定対象1における欠陥2を推定する。なお、推定の具体的な内容については、後述する。
The
図2は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の変形例の構成を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a modified example of the laser ultrasonic measuring device according to the first embodiment.
本変形例は、レーザ超音波発生装置10aが、パルスレーザ光源11、反射ミラー14、および光学レンズ16を有し、光ファイバを用いずに、パルスレーザ光源11から発せられたパルスレーザ光の光路を反射ミラー14により反射して方向転換し、光学レンズ16で集光して測定対象1に照射する構成であり、たとえば、このような構成であってもよい。
In this modification, the laser
図3は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の第1の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図、図4は、第2の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図、また、図5は、第3の欠陥の場合の作用を説明する概念的ブロック図である。 FIG. 3 is a conceptual block diagram for explaining the action of the laser ultrasonic measuring apparatus according to the first embodiment for the first defect, and FIG. 4 is a conceptual block diagram for explaining the action for the second defect. A block diagram, and FIG. 5, is a conceptual block diagram explaining the operation in the case of the third defect.
図3ないし図5において、A、B、Cは、レーザ超音波発生装置10による照射により生じた測定対象1の表面を伝搬する表面波Usに含まれる3種類の波を模式的に示したものであり、表面波A、表面波B、および表面波Cと呼ぶこととする。表面波A、表面波B、および表面波Cは、それぞれ、波長λA、波長λB、および波長λCを有し、波長λA<波長λB<波長λCであるものとする。また、これらに対応する周波数を、それぞれ、周波数fA、周波数fB、および周波数fCとする。したがって、周波数fA>周波数fB>周波数fCである。
3 to 5, A, B, and C schematically show three types of waves contained in the surface wave Us propagating on the surface of the
測定対象1に発生した表面波Usは、測定対象1の表面を伝搬し、測定対象1の表面に欠陥2が存在する場合、その波長に依存して、この欠陥2を透過するか、あるいはこの欠陥2により反射する。
A surface wave Us generated in the
すなわち、波長が欠陥2の深さよりも短い表面波Usは、欠陥で反射する。この欠陥で反射する超音波を反射表面波Urと呼ぶものとする。また、波長が欠陥2の深さよりも長い表面波Usは欠陥を通り越し、すなわち透過して伝搬する。この表面波を、透過表面波Utと呼ぶものとする。
That is, a surface wave Us whose wavelength is shorter than the depth of the
図3ないし図5を例にとれば、図3は、欠陥2の深さが、表面波Aの波長λAより大きく、表面波Bの波長λBより小さい場合を示しており、この場合は、表面波Aは欠陥2で反射し、表面波Bおよび表面波Cは透過する。図4は、欠陥2の深さが、表面波Bの波長λBより大きく、表面波Cの波長λCより小さい場合を示しており、この場合は、表面波Aおよび表面波Bは欠陥2で反射し、表面波Cのみが透過する。また、図5は、欠陥2の深さが、表面波Cの波長λCより大きい場合を示しており、この場合は、表面波A、表面波Bおよび表面波Cはいずれも欠陥2で反射する。
Taking FIGS. 3 to 5 as an example, FIG. 3 shows the case where the depth of the
今、図3ないし図5に示すように、測定対象1は、容器3内の液体4に浸漬しており、超音波の送受信は、液体4の中で行われる。このような状態では、測定対象1の表面を伝搬する表面波Us、反射表面波Ur、および透過表面波Utの一部は、水中に漏えいする。以下、反射表面波Urおよび透過表面波Utが水中に漏えいした漏えい波を、それぞれ、反射漏えい波Urwおよび透過漏えい波Utwと呼ぶものとする。この反射漏えい波Urwおよび透過漏えい波Utwを、それぞれ受信可能な位置で圧電素子20が受信する。たとえば、図4の場合であれば、反射漏えい波Urwは、主として表面波Aおよび表面波Bに起因するものであり、透過漏えい波Utwは、主として表面波Cに起因するものとなる。
Now, as shown in FIGS. 3 to 5, the
図6は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の手順を示すフロー図である。 FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the laser ultrasonic measurement method according to the first embodiment.
まず、測定対象1に超音波を発生させるレーザ超音波発生装置10を設置する(ステップS10)。
First, the laser
次に、第1回測定を行う(ステップS20)。第1回測定ステップS20は、3つのステップを有する。 Next, the first measurement is performed (step S20). The first measurement step S20 has three steps.
すなわち、まず、互いに周波数の異なる複数の圧電素子として、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23を第1の位置P1(図7)に設置する(ステップS21)。
First, a first
図7は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測装置において透過表面波を用いる場合の構成を示すブロック図である。 FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the laser ultrasonic measurement apparatus according to the first embodiment when a transmitted surface wave is used.
第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23が設置されている第1の位置P1は、測定対象1の欠陥2を挟んで、レーザ超音波発生装置10により照射される位置P0の反対側にある。ただし、この段階では、第1の位置P1と欠陥2の位置の関係は不明である。
The first position P1 where the first
次に、レーザ超音波発生装置10により、測定対象1に広帯域の周波数を有する超音波を発生する(ステップS22)。この結果、測定対象1の表面に表面波Usが発生する。位置P1においては、主に、透過漏えい波Utwが受信される。
Next, the laser
次に、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23のそれぞれからの信号を取得し、これらの信号レベルを比較する(ステップS23)。
Next, signals are obtained from each of the first
図8は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の透過表面波を用いる場合の圧電素子で受信する波形を示す波形図である。縦方向には、上側から下側に向かって、第1の圧電素子21からの高周波、第2の圧電素子22からの高周波、および第3の圧電素子23からの高周波のそれぞれの波形が示されている。また、左右に並んだ波形図の左側に第1の欠陥の場合が、右側に第2の欠陥の場合が、それぞれ示されている。
FIG. 8 is a waveform diagram showing a waveform received by the piezoelectric element when using a transmitted surface wave in the laser ultrasonic measurement method according to the first embodiment. In the vertical direction, the waveforms of the high frequency from the first
第1の欠陥の場合の波形と第2の欠陥の場合の波形とを比較すると、第1の圧電素子21からの高周波の波形の強さはいずれも小さく差異がない。第2の圧電素子22からの高周波の波形の強さは、第1の欠陥の場合は、右側の第2の欠陥の場合に比べて小さくなっている。また、第3の圧電素子23からの高周波の波形の強さはいずれも大きく差異がない。
Comparing the waveform for the first defect and the waveform for the second defect, the strength of the high-frequency waveform from the first
まず、第1の欠陥の場合および第2の欠陥の場合のいずれにおいても、中心周波数fAが高いすなわち対応する波長λAが短い第1の圧電素子21からの高周波の波形の強さより、中心周波数fCが低いすなわち対応する波長λCが長い第3の圧電素子23からの高周波の波形の強さが強いということは、位置P1が透過表面波Utwを計測する位置である、すなわち、欠陥2を挟んで位置P0と反対側の位置であることを意味している。したがって、欠陥2は、位置P0と位置P1の間にあるということが分かる。
First, in both the case of the first defect and the case of the second defect, the center frequency fC is low, i.e., the strength of the waveform of the high frequency from the third
また、右側の第2の欠陥の場合は、第3の圧電素子23からの高周波のみが透過しているため、き裂の深さは、第2の圧電素子22の中心周波数fBに対応する波長λBより深く、かつ、第3の圧電素子23の中心周波数fCに対応する波長λCより浅いことが分かる。
In the case of the second defect on the right side, since only the high frequency from the third
また、左側の第1の欠陥の場合は、第1の圧電素子21からの高周波のみが反射しているため、き裂の深さは、第1の圧電素子21の中心周波数fAに対応する波長λAより深く、かつ、第2の圧電素子22の中心周波数fBに対応する波長λBより浅いことが分かる。
In the case of the first defect on the left side, since only the high frequency wave from the first
このように、欠陥2の深さおよび位置の概略を推定することができる。
In this way, a rough estimate of the depth and location of the
図9は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の透過表面波を用いる場合の欠陥深さとエコー強度の関係を示すグラフ波形図である。横軸は、計測対象1に形成された欠陥2の深さである。また、縦軸は、欠陥を透過した透過表面波を圧電素子で計測した場合のエコー強度である。圧電素子は、破線が第1の圧電素子21、一点鎖線が第2の圧電素子22、実線が第3の圧電素子23である。
FIG. 9 is a graph waveform diagram showing the relationship between defect depth and echo intensity when using a transmitted surface wave in the laser ultrasonic measurement method according to the first embodiment. The horizontal axis is the depth of the
形成する欠陥深さを連続的に増加させると、それぞれの透過表面波Utwは、単調に減少する。特に、欠陥の大きさが、それぞれの波長の近傍にあるときに、減少の傾きが大きくなる。 The respective transmitted surface wave Utw decreases monotonically with successively increasing defect depths to be formed. In particular, the slope of the decrease becomes greater when the defect sizes are in the vicinity of the respective wavelengths.
この透過表面波の減少特性図をあらかじめ作成しておくことによって、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22および第3の圧電素子23からのエコー信号のレベルの相対比を得て、この減少特性図と比較することにより、欠陥2の深さをさらに精度よく推定することができる。
By preparing in advance a reduction characteristic diagram of this transmitted surface wave, the relative ratio of echo signal levels from the first
以上の第1回測定の次に、第2回測定を行う(ステップS30)。第2回測定ステップS30も、3つのステップを有する。 After the above first measurement, the second measurement is performed (step S30). The second measurement step S30 also has three steps.
まず、互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子として、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23を第2の位置P2(図10)に設置する(ステップS31)。
First, a first
図10は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測装置において反射表面波を用いる場合の構成を示すブロック図である。 FIG. 10 is a block diagram showing the configuration when using reflected surface waves in the laser ultrasonic measurement apparatus according to the first embodiment.
第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23が設置されている第2の位置P2は、測定対象1の欠陥2を挟んで、位置P1の反対側である。これは、第1回測定のステップS23において、第1の位置P1が欠陥2を挟んで位置P0と反対側の位置である、すなわち、欠陥2は位置P0と位置P1の間にあるということが分かったことによる。この場合は、さらに、欠陥2の位置の推定精度を上げるために、位置P0と位置P1との間に、位置P2を設定する。説明の都合上、位置P2は、漏えい反射波Urwを検知可能な位置であるものとする。
A second position P2 where the first
次に、レーザ超音波発生装置10により、測定対象1に広帯域の周波数を有する超音波を発生する(ステップS32)。この結果、測定対象1の表面に表面波Usが発生する。位置P2においては、主に、反射漏えい波Urwが受信される。
Next, the laser
次に、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22、および第3の圧電素子23のそれぞれからの信号を取得し、これらの信号レベルを比較する(ステップS33)。
Next, signals are acquired from each of the first
図11は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の反射表面波を用いる場合の圧電素子で受信する波形を示す波形図である。縦方向には、上側から下側に向かって、第1の圧電素子21からの高周波、第2の圧電素子22からの高周波、および第3の圧電素子23からの高周波のそれぞれの波形が示されている。また、左右に並んだ波形図の左側に第1の欠陥の場合が、右側に第2の欠陥の場合が、それぞれ示されている。
FIG. 11 is a waveform diagram showing waveforms received by the piezoelectric element when using reflected surface waves in the laser ultrasonic measurement method according to the first embodiment. In the vertical direction, the waveforms of the high frequency from the first
第1の欠陥の場合の波形と第2の欠陥の場合の波形とを比較すると、第1の圧電素子21からの高周波の波形の強さはいずれも大きいが、第1の欠陥の場合の方が大きい。第2の圧電素子22からの高周波の波形の強さは、第1の圧電素子21からの高周波の波形の強さよりは小さく、また、第1の欠陥の場合は、右側の第2の欠陥の場合に比べて大きくなっている。また、第3の圧電素子23からの高周波の波形の強さはいずれも小さく差異がない。
Comparing the waveform for the first defect and the waveform for the second defect, the strength of the high-frequency waveform from the first
まず、第1の欠陥の場合および第2の欠陥の場合のいずれにおいても、中心周波数fAが高いすなわち対応する波長λAが短い第1の圧電素子21からの高周波の波形の強さが、中心周波数fCが低いすなわち対応する波長λCが長い第3の圧電素子21からの高周波の波形の強さより大きいということは、位置P1が反射表面波Urwを計測する位置である、すなわち、欠陥2と位置P0との間の位置であることを意味している。したがって、欠陥2は、位置P2と位置P1の間にあるということが分かる。
First, in both the case of the first defect and the case of the second defect, the intensity of the high-frequency waveform from the first
また、右側の第2の欠陥の場合は、第3の圧電素子23からの高周波の反射がほとんどないこと、また、第2の圧電素子22からの高周波の反射も小さいことから、第1の圧電素子21の中心周波数fAに対応する波長λAより深く、かつ、第2の圧電素子22の中心周波数fBに対応する波長λBより浅いことが分かる。
In addition, in the case of the second defect on the right side, since there is almost no high-frequency reflection from the third
また、左側の第1の欠陥の場合は、第3の圧電素子23からの高周波の反射のみが小さいことから、き裂の深さは、第2の圧電素子22の中心周波数fBに対応する波長λBより深く、かつ、第3の圧電素子23の中心周波数fCに対応する波長λCより浅いことが分かる。
In the case of the first defect on the left side, only the reflection of the high frequency from the third
このように、欠陥2の深さおよび位置の概略を推定することができる。
In this way, a rough estimate of the depth and location of the
図12は、第1の実施形態に係るレーザ超音波計測方法の反射表面波を用いる場合の欠陥深さとエコー強度の関係を示すグラフ波形図である。横軸は、測定対象1に形成された欠陥の深さである。また、縦軸は、欠陥で反射した反射表面波を圧電素子で計測した場合のエコー強度である。圧電素子は、破線が第1の圧電素子21、一点鎖線が第2の圧電素子22、実線が第3の圧電素子23である。
FIG. 12 is a graph waveform diagram showing the relationship between defect depth and echo intensity when using reflected surface waves in the laser ultrasonic measurement method according to the first embodiment. The horizontal axis is the depth of the defect formed in the
この反射表面波の減少特性図をあらかじめ作成しておくことによって、第1の圧電素子21、第2の圧電素子22および第3の圧電素子23からのエコー信号のレベルの相対比を得て、この減少特性図と比較することにより、欠陥2の深さをさらに精度よく推定することができる。
By preparing a reduction characteristic diagram of the reflected surface wave in advance, the relative ratio of echo signal levels from the first
なお、第1回測定のステップS20において、欠陥2の位置が十分に把握可能の結果が得られている場合には、この第2回測定のステップS30は不要である。また、第2回測定のステップS30の結果が、第1回測定のステップS20の結果と同様、すなわち、たとえば、両者とも、透過漏えい波を検出していた場合、位置P2の位置P0からの距離がまだ大きい場合には、さらに、位置P2と位置P0との間に、圧電素子20を移動させて、さらなる測定を実施してもよい。
It should be noted that if the result of step S20 of the first measurement is such that the position of the
ステップS30の第2回測定の次に、表面欠陥サイズ、位置の評価、判定を行う(ステップS40)。すなわち、第1回測定および第2回測定の結果の整合性を含めて、総合的に確認し、欠陥2の深さ、位置の推定を確実なものとする。
After the second measurement in step S30, the surface defect size and position are evaluated and determined (step S40). That is, comprehensive confirmation is made including the consistency of the results of the first and second measurements, and the estimation of the depth and position of the
以上のように、本実施形態によって、レーザ超音波探傷において、周波数解析を行うことなく表面欠陥の深さに関する情報を取得することができる。 As described above, according to this embodiment, in laser ultrasonic flaw detection, information about the depth of surface defects can be obtained without performing frequency analysis.
[第2の実施形態]
図13は、第2の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態に係るレーザ超音波計測装置100は、送受信位置調整部40をさらに有する。
[Second embodiment]
FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the laser ultrasonic measuring device according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. The laser
送受信位置調整部40は、送受信ユニット筐体41および送受信ユニット駆動部42を有する。
The transmission/reception
送受信ユニット筐体41は、照射プローブ13および圧電素子20を収納する。送受信ユニット駆動部42は、送受信ユニット筐体41を移動駆動する。
The transmission/
照射プローブ13および圧電素子20は、測定対象1の表面形状、例えば欠陥2がき裂の場合、そのき裂の進展方向などにより、設置位置を調整する必要がある。そのため、送受信位置調整部40を設け、照射プローブ13および圧電素子20の位置を調整する。例えば、上下、左右、前後の3軸の位置調整に加え、測定対象1に対する照射プローブ13の照射方向、圧電素子20のセンサ面の方向などを調整することができるようにする。例えば、送受信位置調整部40にロボットアームなどを用いることで、測定対象1の形状が複雑であっても所定の位置の検査を容易に行うことができる。
The installation positions of the
[第3の実施形態]
図14は、第3の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。
[Third embodiment]
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a laser ultrasonic measuring device according to the third embodiment.
本実施形態では、圧電素子20は、複数の第1の圧電素子21および複数の第2の圧電素子22を有する。第1の圧電素子21および第2の圧電素子2の中心周波数の異なる2種類の圧電素子が、同一円周上に交互に配されている。圧電素子20が配列されているこの円周は、パルスレーザ光が照射される位置P0を含み、測定対象1の表面に垂直な直線L0を中心した円周である。
In this embodiment, the
このように圧電素子を設置した場合、パルスレーザ光によって測定対象1の表面に励起された表面波Usは、パルスレーザ光の照射点P0を中心に径方向の外側に伝搬していく。圧電素子20に到達する水中漏洩波Utwは、複数のモードの超音波が異なる経路を取りうるため、例えば、欠陥位置から発生する水中漏洩波、欠陥を透過した透過表面波からの水中漏洩波などが検出される。圧電素子20を円環上に広げて配置することで、それぞれの圧電素子20により検出された超音波波形を解析し、測定範囲内の欠陥の有無を知ることができる。さらに、欠陥からのエコーが得られる時間の違い、透過表面波の検出有無により、欠陥位置、欠陥深さの情報を得ることも可能となる。なお、圧電素子群の数、圧電素子の配置における順序は、この限りでない。また、楕円形、半円形などの配置形態をとっても良い。
When the piezoelectric element is installed in this manner, the surface wave Us excited on the surface of the
[第4の実施形態]
図15は、第4の実施形態に係るレーザ超音波計測装置の構成を示すブロック図である。
[Fourth embodiment]
FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of a laser ultrasonic measuring device according to the fourth embodiment.
本実施形態においては、パルスレーザの照射側にシリンドリカルレンズ17を有する。また、圧電素子20は、複数の第1の圧電素子21および複数の第2の圧電素子22を有する。複数の第1の圧電素子21および複数の第2の圧電素子22は、シリンドリカルレンズ17から径方向外側に向かう直線上に、第1の圧電素子21および第2の圧電素子22が交互に一列に配されている。なお、圧電素子20がシリンドリカルレンズ17からみて一方のみに配されているが、両側に設けてもよい。
In this embodiment, a
パルスレーザ光により測定対象1の表面に励起された表面波Usは、照射点P0から図中では左右方向に伝搬していく。これに対して、圧電素子20を列状に配置することで、表面波Usが伝搬した範囲からの水中漏洩波Uwの信号を受信することができる。
A surface wave Us excited on the surface of the
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
[Other embodiments]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention.
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。 Moreover, you may combine the characteristic of each embodiment. In addition, the embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention.
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 The embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1…測定対象、2…欠陥、3…容器、4…液体、10、10a…レーザ超音波発生装置、11…パルスレーザ光源、12…光ファイバ入射機構、13…照射プローブ、14…反射ミラー、15…光ファイバ、16…光学レンズ、17…シリンドリカルレンズ、20…圧電素子、21…第1の圧電素子、22…第2の圧電素子、23…第3の圧電素子、30…欠陥推定部、40…送受信位置調整部、41…送受信ユニット筐体、42…送受信ユニット駆動部、100…レーザ超音波計測装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子により受信された超音波信号に基づいて前記測定対象中の欠陥の規模を推定する欠陥推定部と、
を備えることを特徴とするレーザ超音波計測装置。 a laser ultrasonic generator that excites a surface wave having a broadband frequency in a measurement target in a liquid ;
a plurality of piezoelectric elements having different center frequencies;
a defect estimator for estimating the scale of a defect in the measurement object based on the ultrasonic signals received by the plurality of piezoelectric elements;
A laser ultrasonic measurement device comprising:
パルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、
照射プローブと、
前記パルスレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記パルスレーザ光を前記光ファイバに入射させる光ファイバ入射機構と、
を有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ超音波計測装置。 The laser ultrasonic generator is
a pulsed laser light source that generates pulsed laser light;
an illumination probe;
an optical fiber that transmits the pulsed laser light;
an optical fiber injection mechanism for injecting the pulsed laser light into the optical fiber;
The laser ultrasonic measuring device according to claim 1, characterized by comprising :
パルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光の光路を転換する光学ミラーと、
前記パルスレーザ光を集光する光学レンズと、
を有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ超音波計測装置。 The laser ultrasonic generator is
a pulsed laser light source that generates pulsed laser light;
an optical mirror for changing the optical path of the pulsed laser light;
an optical lens for condensing the pulsed laser light;
The laser ultrasonic measuring device according to claim 1, characterized by comprising:
互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第1の位置に設置する第1回圧電素子設置ステップと、
前記発生装置設置ステップおよび前記第1回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第1回超音波発生ステップと、
前記第1回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの信号を取得し、前記信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第1回欠陥推定ステップと、
を有することを特徴とするレーザ超音波計測方法。 A generator installation step of installing a laser ultrasonic generator that generates ultrasonic waves to a measurement target in a liquid;
a first piezoelectric element installation step of installing a plurality of piezoelectric elements having different center frequencies at a first position;
a first ultrasonic wave generating step of generating ultrasonic waves having a broadband frequency to a measurement target by a laser ultrasonic wave generator after the generator installation step and the first piezoelectric element installation step;
A first defect estimation step of acquiring signals from the plurality of piezoelectric elements in the first ultrasonic wave generation step, comparing the signal levels, and estimating the scale of the defect in the measurement object;
A laser ultrasonic measurement method comprising :
互いに中心周波数の異なる複数の圧電素子を第1の位置に設置する第1回圧電素子設置ステップと、
前記発生装置設置ステップおよび前記第1回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第1回超音波発生ステップと、
前記第1回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第1の信号を取得し、前記第1の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第1回欠陥推定ステップと、
を有し、
前記第1回欠陥推定ステップは、前記複数の圧電素子からの前記第1の信号が、透過表面波であるか反射表面波であるかを判別する判別ステップを有し、
前記判別ステップでの結果に応じた位置に前記複数の圧電素子を移動し第2の位置に設置する第2回圧電素子設置ステップと、
前記第2回圧電素子設置ステップの後に、レーザ超音波発生装置により、測定対象に広帯域の周波数を有する超音波を発生させる第2回超音波発生ステップと、
前記第2回超音波発生ステップにおいて前記複数の圧電素子からの第2の信号を取得し、前記第2の信号のレベルを比較して、前記測定対象中の欠陥の規模を推定する第2回欠陥推定ステップと、
前記第1回欠陥推定ステップおよび前記第2回欠陥推定ステップの結果から、前記欠陥の位置を推定する欠陥位置推定ステップと、
を有することを特徴とするレーザ超音波計測方法。 A generator installation step of installing a laser ultrasonic generator that generates ultrasonic waves to a measurement target;
a first piezoelectric element installation step of installing a plurality of piezoelectric elements having different center frequencies at a first position;
a first ultrasonic wave generating step of generating ultrasonic waves having a broadband frequency to a measurement target by a laser ultrasonic wave generator after the generator installation step and the first piezoelectric element installation step;
A first step of obtaining a first signal from the plurality of piezoelectric elements in the first ultrasonic wave generating step, comparing levels of the first signal, and estimating the scale of the defect in the measurement object a defect estimation step;
has
The first defect estimation step includes a determination step of determining whether the first signal from the plurality of piezoelectric elements is a transmitted surface wave or a reflected surface wave,
a second piezoelectric element installation step of moving the plurality of piezoelectric elements to positions according to the result of the determining step and installing them at a second position;
After the second piezoelectric element installation step, a second ultrasonic wave generating step of generating ultrasonic waves having a broadband frequency to the object to be measured by a laser ultrasonic generator;
A second step of obtaining a second signal from the plurality of piezoelectric elements in the second ultrasonic wave generating step, comparing the levels of the second signal, and estimating the scale of the defect in the measurement object a defect estimation step;
a defect position estimation step of estimating the position of the defect from the results of the first defect estimation step and the second defect estimation step;
A laser ultrasonic measurement method comprising:
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