JP2000131197A - 構造物ヘルスモニタリング法 - Google Patents
構造物ヘルスモニタリング法Info
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- JP2000131197A JP2000131197A JP11153363A JP15336399A JP2000131197A JP 2000131197 A JP2000131197 A JP 2000131197A JP 11153363 A JP11153363 A JP 11153363A JP 15336399 A JP15336399 A JP 15336399A JP 2000131197 A JP2000131197 A JP 2000131197A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 多数の圧電素子を用いずに構造物上の広範囲
の領域における損傷を検出できる構造物ヘルスモニタリ
ング法を提供する。 【解決手段】 構造物1に複数の圧電素子2を貼り付ける
工程と、前記複数の圧電素子2から2個の圧電素子2を選
び出す工程と、前記選び出された2個の圧電素子2の自己
電気アドミッタンスY11、Y22を測定する工程と、前記選
び出された2個の圧電素子2を電気的に並列に結合したと
きの全電気アドミッタンスYtを測定する工程と、式Y12=
[Yt-(Y11+Y22)]/2を用いて、前記選び出された2個の圧
電素子2間の伝達電気アドミッタンスY12(=Y21)を計算す
る工程とを有する構造物ヘルスモニタリング法。
の領域における損傷を検出できる構造物ヘルスモニタリ
ング法を提供する。 【解決手段】 構造物1に複数の圧電素子2を貼り付ける
工程と、前記複数の圧電素子2から2個の圧電素子2を選
び出す工程と、前記選び出された2個の圧電素子2の自己
電気アドミッタンスY11、Y22を測定する工程と、前記選
び出された2個の圧電素子2を電気的に並列に結合したと
きの全電気アドミッタンスYtを測定する工程と、式Y12=
[Yt-(Y11+Y22)]/2を用いて、前記選び出された2個の圧
電素子2間の伝達電気アドミッタンスY12(=Y21)を計算す
る工程とを有する構造物ヘルスモニタリング法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、橋、建築物、機
械、設備などの構造物の健全性をモニタリングする方
法、特に、モニタリングのためのアクチュエータとセン
サに圧電素子(ピエゾ素子)を用いた構造物ヘルスモニタ
リング法に関する。
械、設備などの構造物の健全性をモニタリングする方
法、特に、モニタリングのためのアクチュエータとセン
サに圧電素子(ピエゾ素子)を用いた構造物ヘルスモニタ
リング法に関する。
【０００２】
【従来の技術】構造物の損傷については、超音波やＸ線
を用いた従来の非破壊検査技術によりかなり詳細な情報
が得られる。しかし、こうした技術では、検査対象の構
造物に直接アクセスする必要があり、大掛かりな検査装
置も必要である。また、通常、検査中は構造物を使用で
きないので大きな混乱を引き起こす場合もある。このた
め、こうした技術はオンラインの構造物ヘルスモニタリ
ングには適当でない。
を用いた従来の非破壊検査技術によりかなり詳細な情報
が得られる。しかし、こうした技術では、検査対象の構
造物に直接アクセスする必要があり、大掛かりな検査装
置も必要である。また、通常、検査中は構造物を使用で
きないので大きな混乱を引き起こす場合もある。このた
め、こうした技術はオンラインの構造物ヘルスモニタリ
ングには適当でない。
【０００３】一方、振動ピックアップを用いたモード解
析ベースの手法では、小さな損傷の影響を受け難い低周
波のモードを基本的に用いているため、微少な亀裂、剥
離、結合部のゆるみなどの小さな損傷を検出することが
難しい。
析ベースの手法では、小さな損傷の影響を受け難い低周
波のモードを基本的に用いているため、微少な亀裂、剥
離、結合部のゆるみなどの小さな損傷を検出することが
難しい。
【０００４】こうした従来技術の問題点を解決するた
め、米国バージニア工科大学において、オンラインの構
造物ヘルスモニタリング技術が開発された(Craig A. Ro
gers and Frederic Lalande, "SOLID-STATE ACTIVE SEN
SING FOR IN-SITU HEALTH MONITORING," Proceedings o
f the Society for Machinery Failure Prevention Tec
hnology 50th Meeting Technical Showcase, Mobile, A
L, pp. 301-307, 1996)。
め、米国バージニア工科大学において、オンラインの構
造物ヘルスモニタリング技術が開発された(Craig A. Ro
gers and Frederic Lalande, "SOLID-STATE ACTIVE SEN
SING FOR IN-SITU HEALTH MONITORING," Proceedings o
f the Society for Machinery Failure Prevention Tec
hnology 50th Meeting Technical Showcase, Mobile, A
L, pp. 301-307, 1996)。
【０００５】この技術には、圧電材料の直接的な電気機
械的変換特性が利用されており、構造物のアクチュエー
タとセンサとしての機能を同時に発揮させている。その
基本原理は、構造物上に貼り付けた圧電材料の高周波
(通常は50kHz以上)の電気インピーダンスを追跡するこ
とにある。構造物が物理的に変化すると、機械インピー
ダンスの変化を引き起こすが、圧電材料と構造物の電気
機械的結合により、この機械インピーダンスの変化は圧
電材料の電気インピーダンスの変化を誘起する。また、
高周波を用いるので、励起の波長は十分に小さく、僅か
な剥離や結合部のゆるみのような初期の損傷を検出でき
るため、この方法の感度は従来の高度な非破壊検査技術
の感度に匹敵している。
械的変換特性が利用されており、構造物のアクチュエー
タとセンサとしての機能を同時に発揮させている。その
基本原理は、構造物上に貼り付けた圧電材料の高周波
(通常は50kHz以上)の電気インピーダンスを追跡するこ
とにある。構造物が物理的に変化すると、機械インピー
ダンスの変化を引き起こすが、圧電材料と構造物の電気
機械的結合により、この機械インピーダンスの変化は圧
電材料の電気インピーダンスの変化を誘起する。また、
高周波を用いるので、励起の波長は十分に小さく、僅か
な剥離や結合部のゆるみのような初期の損傷を検出でき
るため、この方法の感度は従来の高度な非破壊検査技術
の感度に匹敵している。
【０００６】図5に、PZTと構造物の電気機械的相互作用
の1次元モデルを示す。PZTは印加交流電圧Vに応答して
軸振動する薄いバーと見なせる。バーの一端は固定さ
れ、他端は1次の自由系によって表せる構造物(M：質
量、C：ダンパー、K：バネ)に結合されている。構造物
の外部機械インピーダンスに結合されたPZTのバーにつ
いて方程式を解くと、周波数依存の電気アドミッタンス
について次の式(数1)が得られる。
の1次元モデルを示す。PZTは印加交流電圧Vに応答して
軸振動する薄いバーと見なせる。バーの一端は固定さ
れ、他端は1次の自由系によって表せる構造物(M：質
量、C：ダンパー、K：バネ)に結合されている。構造物
の外部機械インピーダンスに結合されたPZTのバーにつ
いて方程式を解くと、周波数依存の電気アドミッタンス
について次の式(数1)が得られる。
【０００７】
【数1】
【０００８】ここで、Yは電気アドミッタンス(インピー
ダンスの逆数)、ZaはPZTの機械インピーダンス、Zsは構
造物の機械インピーダンス、Yxx Eは電場０におけるPZT
のヤング率(コンプライアンスの逆数)、d3xは応力0にお
ける圧電歪み定数、ε33 Tは応力０における絶対誘電
率、δはPZTの誘電正接、WaはPZTの幅、laはPZTの長
さ、haはPZTの厚さである。
ダンスの逆数)、ZaはPZTの機械インピーダンス、Zsは構
造物の機械インピーダンス、Yxx Eは電場０におけるPZT
のヤング率(コンプライアンスの逆数)、d3xは応力0にお
ける圧電歪み定数、ε33 Tは応力０における絶対誘電
率、δはPZTの誘電正接、WaはPZTの幅、laはPZTの長
さ、haはPZTの厚さである。
【０００９】上記の式(数1)より、構造物の機械インピ
ーダンスは次の式(数2)で表される。
ーダンスは次の式(数2)で表される。
【００１０】
【数2】
【００１１】この式(数2)より、構造物の機械インピー
ダンスは構造物に貼り付けられたPZTの電気アドミッタ
ンスから求まることがわかる。すなわち、構造物の健全
性はPZTの電気インピーダンスを測定することにより評
価できることになる。
ダンスは構造物に貼り付けられたPZTの電気アドミッタ
ンスから求まることがわかる。すなわち、構造物の健全
性はPZTの電気インピーダンスを測定することにより評
価できることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た米国バージニア工科大学で開発された方法には、圧電
素子の自己電気インピーダンスのみが測定されるので、
構造物上のモニタリング領域が非常に狭く、そのため構
造物上の広範囲の領域にわたってモニタリングするには
多数の圧電素子を貼り付けなければならないといった問
題がある。
た米国バージニア工科大学で開発された方法には、圧電
素子の自己電気インピーダンスのみが測定されるので、
構造物上のモニタリング領域が非常に狭く、そのため構
造物上の広範囲の領域にわたってモニタリングするには
多数の圧電素子を貼り付けなければならないといった問
題がある。
【００１３】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、多数の圧電素子を用いずに構造物上の
広範囲の領域における損傷を検出できる構造物ヘルスモ
ニタリング法を提供することを目的とする。
なされたもので、多数の圧電素子を用いずに構造物上の
広範囲の領域における損傷を検出できる構造物ヘルスモ
ニタリング法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題は、構造物に複
数の圧電素子を貼り付ける工程と、前記複数の圧電素子
から2個の圧電素子を選び出す工程と、前記選び出され
た2個の圧電素子の自己電気アドミッタンスY11、Y22を
測定する工程と、前記選び出された2個の圧電素子を電
気的に並列に結合したときの全電気アドミッタンスYtを
測定する工程と、式Y12=[Yt-(Y11+Y22)]/2を用いて、前
記選び出された2個の圧電素子間の伝達電気アドミッタ
ンスY12(=Y21)を計算する工程と、を有する構造物ヘル
スモニタリング法により解決される。
数の圧電素子を貼り付ける工程と、前記複数の圧電素子
から2個の圧電素子を選び出す工程と、前記選び出され
た2個の圧電素子の自己電気アドミッタンスY11、Y22を
測定する工程と、前記選び出された2個の圧電素子を電
気的に並列に結合したときの全電気アドミッタンスYtを
測定する工程と、式Y12=[Yt-(Y11+Y22)]/2を用いて、前
記選び出された2個の圧電素子間の伝達電気アドミッタ
ンスY12(=Y21)を計算する工程と、を有する構造物ヘル
スモニタリング法により解決される。
【００１５】図1に、伝達電気アドミッタンスを用いる
本発明法の概念を示す。2個の圧電素子PZT1とPZT2が構
造物に貼り付けられているとする。自己電気アドミッタ
ンスまたはインピーダンスはPZTの近傍にある損傷に非
常に敏感に反応するが、反応領域は限られる。図1で
は、2つのサークルでPZT1、PZT2の自己電気アドミッタ
ンスY11、Y22の反応領域が示されており、損傷はこれら
の反応領域外に存在している、すなわち自己電気アドミ
ッタンスで検出されない。基本的には、伝達電気アドミ
ッタンスは他のPZTの存在により誘起されるあるPZTの電
流から求まり、そのPZTの受ける波または振動が変化す
ると、誘起される電流が変化し、伝達電気アドミッタン
スも変化する。また、損傷は伝達される波に変化を与え
るので、伝達経路上にある損傷は伝達電気アドミッタン
スY12またはY21をモニタリングすることにより求まる。
本発明法の概念を示す。2個の圧電素子PZT1とPZT2が構
造物に貼り付けられているとする。自己電気アドミッタ
ンスまたはインピーダンスはPZTの近傍にある損傷に非
常に敏感に反応するが、反応領域は限られる。図1で
は、2つのサークルでPZT1、PZT2の自己電気アドミッタ
ンスY11、Y22の反応領域が示されており、損傷はこれら
の反応領域外に存在している、すなわち自己電気アドミ
ッタンスで検出されない。基本的には、伝達電気アドミ
ッタンスは他のPZTの存在により誘起されるあるPZTの電
流から求まり、そのPZTの受ける波または振動が変化す
ると、誘起される電流が変化し、伝達電気アドミッタン
スも変化する。また、損傷は伝達される波に変化を与え
るので、伝達経路上にある損傷は伝達電気アドミッタン
スY12またはY21をモニタリングすることにより求まる。
【００１６】
【発明の実施の形態】上記の基本原理に基づき、本発明
法は以下のように実施される。
法は以下のように実施される。
【００１７】図2に、本発明法を実施するためのシステ
ム構成の一例を示す。本発明である構造物ヘルスモニタ
リング法は、構造物1貼り付けた複数の圧電セラミック
スや圧電フィルムのような圧電素子2と、マルチプレク
サ3と、データプロッセッサ4とを有し、圧電素子2がマ
ルチプレクサ3を介してデータプロッセッサ4に連結され
ているシステムにより実現される。マルチプレクサ3に
は、複数の圧電素子2中から1つまたは2つの圧電素子を
選び出し、データプロッセッサ4連結する役割がある。
データプロッセッサ4には、電気インピーダンスの測
定、データの演算、データの比較・保存の機能がある。
ム構成の一例を示す。本発明である構造物ヘルスモニタ
リング法は、構造物1貼り付けた複数の圧電セラミック
スや圧電フィルムのような圧電素子2と、マルチプレク
サ3と、データプロッセッサ4とを有し、圧電素子2がマ
ルチプレクサ3を介してデータプロッセッサ4に連結され
ているシステムにより実現される。マルチプレクサ3に
は、複数の圧電素子2中から1つまたは2つの圧電素子を
選び出し、データプロッセッサ4連結する役割がある。
データプロッセッサ4には、電気インピーダンスの測
定、データの演算、データの比較・保存の機能がある。
【００１８】本発明法では、各々の圧電素子2の自己電
気インピーダンスまたはアドミッタンスを測定するのみ
ならず、2つの圧電素子2間の伝達電気インピーダンスま
たはアドミッタンスを測定し、それらを総合的に解析し
て構造物の健全性を評価する。測定は、まず構造物が健
全な状態で行い、このときのデータと時々刻々の測定デ
ータを比較することにより、損傷の有無を検出する。
気インピーダンスまたはアドミッタンスを測定するのみ
ならず、2つの圧電素子2間の伝達電気インピーダンスま
たはアドミッタンスを測定し、それらを総合的に解析し
て構造物の健全性を評価する。測定は、まず構造物が健
全な状態で行い、このときのデータと時々刻々の測定デ
ータを比較することにより、損傷の有無を検出する。
【００１９】伝達電気アドミッタンスは、以下の要領で
測定する。最初に、構造物1に貼り付けた複数の圧電素
子2から任意に2個の圧電素子2を選び出す。
測定する。最初に、構造物1に貼り付けた複数の圧電素
子2から任意に2個の圧電素子2を選び出す。
【００２０】次に、選ばれた2個の圧電素子2の自己電気
アドミッタンスY11、Y22(いずれも電気インピーダンス
の逆数)を測定する。
アドミッタンスY11、Y22(いずれも電気インピーダンス
の逆数)を測定する。
【００２１】それから、選ばれた2の圧電素子2を電気的
に並列に接続したときの全電気アドミッタンスYtを測定
する。
に並列に接続したときの全電気アドミッタンスYtを測定
する。
【００２２】最後に、式Y12=[Yt-(Y11+Y22)]/2を用い
て、伝達電気アドミッタンスY12(=Y21)を計算する。
て、伝達電気アドミッタンスY12(=Y21)を計算する。
【００２３】このステップを繰り返し行うことにより、
構造物全体の健全性をモニタリングできることになる。
構造物全体の健全性をモニタリングできることになる。
【００２４】
【実施例】図3に、本発明法を実施するための別のシス
テム構成を示す。鉄骨構造物1の中心にあるボルト7の緩
みを、2個の圧電素子2A、2Bを用いてモニタリングする
ためのシステム構成である。
テム構成を示す。鉄骨構造物1の中心にあるボルト7の緩
みを、2個の圧電素子2A、2Bを用いてモニタリングする
ためのシステム構成である。
【００２５】図4に、米国バージニア工科大学の従来法
によるシステム構成を示す。図3のシステム構成に加
え、さらに圧電素子2Cがボルト7の近傍に貼り付けられ
ている。
によるシステム構成を示す。図3のシステム構成に加
え、さらに圧電素子2Cがボルト7の近傍に貼り付けられ
ている。
【００２６】鉄骨構造物1に貼り付けられた圧電素子2
A、2Bあるいは2Cは、マルチプレクサ3を介してコンピュ
ータ6により制御されるインピーダンスアナライザ5に接
続されている。電気アドミッタンスは、150-160kHzの周
波数で、1Vの電圧を印加してインピーダンスアナライザ
5で測定される。
A、2Bあるいは2Cは、マルチプレクサ3を介してコンピュ
ータ6により制御されるインピーダンスアナライザ5に接
続されている。電気アドミッタンスは、150-160kHzの周
波数で、1Vの電圧を印加してインピーダンスアナライザ
5で測定される。
【００２７】今、構造物1に損傷を与えるため、ボルト7
を緩める。損傷は、次のDamage Evaluation Indexで評
価する。Damage Evaluation Index=1-(損傷のない健全
な状態での電気アドミッタンスと損傷のある不健全な状
態での電気アドミッタンスとの相関係数)
を緩める。損傷は、次のDamage Evaluation Indexで評
価する。Damage Evaluation Index=1-(損傷のない健全
な状態での電気アドミッタンスと損傷のある不健全な状
態での電気アドミッタンスとの相関係数)
【００２８】ボルト7が緩んでないと、すなわち損傷が
ないと、上式中の電気アドミッタンスの比は1で、Damag
e Evaluation Indexは0になる。一方、損傷があると、
健全な状態の電気アドミッタンスは不健全な状態の場合
とは異なり、電気アドミッタンスの比が1より小さくな
ってDamage Evaluation Indexが0より大きくなる。
ないと、上式中の電気アドミッタンスの比は1で、Damag
e Evaluation Indexは0になる。一方、損傷があると、
健全な状態の電気アドミッタンスは不健全な状態の場合
とは異なり、電気アドミッタンスの比が1より小さくな
ってDamage Evaluation Indexが0より大きくなる。
【００２９】図4と図5に示したシステム構成により測定
したDamage Evaluation Indexを表1に示す。
したDamage Evaluation Indexを表1に示す。
【００３０】図4に示したシステム構成で実施可能な本
発明法では、2個の圧電素子2Aと2B間の伝達電気アドミ
ッタンスを計算することにより、従来法で必要な圧電素
子2Cを用いて求めたDamage Evaluation Indexとほぼ同
じ値のDamage Evaluation Indexを得ることができる。
すなわち、本発明法によりモニタリング領域を拡大で
き、圧電素子の数を減らすことが可能となる。
発明法では、2個の圧電素子2Aと2B間の伝達電気アドミ
ッタンスを計算することにより、従来法で必要な圧電素
子2Cを用いて求めたDamage Evaluation Indexとほぼ同
じ値のDamage Evaluation Indexを得ることができる。
すなわち、本発明法によりモニタリング領域を拡大で
き、圧電素子の数を減らすことが可能となる。
【００３１】一方、図5に示したシステム構成で実施す
る必要のある従来法では、ボルト7から離れた圧電素子2
Aと2Bの自己電気アドミッタンスのみを測定しても、損
傷が検出できず、圧電素子2Cを必ず貼り付ける必要があ
る。すなわち、従来法では、1個の圧電素子で損傷を検
出できる領域は狭く、広範囲の領域をモニタリングする
には多くの圧電素子が必要となる。
る必要のある従来法では、ボルト7から離れた圧電素子2
Aと2Bの自己電気アドミッタンスのみを測定しても、損
傷が検出できず、圧電素子2Cを必ず貼り付ける必要があ
る。すなわち、従来法では、1個の圧電素子で損傷を検
出できる領域は狭く、広範囲の領域をモニタリングする
には多くの圧電素子が必要となる。
【００３２】
【表1】
【００３３】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、多数の圧電素子を用いずに構造物上の広範囲
の領域における損傷を検出できる構造物ヘルスモニタリ
ング法を提供できる。
いるので、多数の圧電素子を用いずに構造物上の広範囲
の領域における損傷を検出できる構造物ヘルスモニタリ
ング法を提供できる。
【図1】伝達電気アドミッタンスを用いる本発明法の概
念を示す図である。
念を示す図である。
【図2】本発明法を実施するためのシステム構成の一例
を示す図である。
を示す図である。
【図3】本発明法を実施するための別のシステム構成を
示す図である。
示す図である。
【図4】米国バージニア工科大学の方法によるシステム
構成を示す図である。
構成を示す図である。
【図5】PZTと構造物の電気機械的相互作用の1次元モデ
ルを示す図である。
ルを示す図である。
1 構造物 2、2A、2B、2C 圧電素子 3 マルチプレクサ 4 データプロッセッサ 5 インピーダンスアナライザ 6 コンピュータ
Claims (1)
- 【請求項1】 構造物に複数の圧電素子を貼り付ける工
程と、 前記複数の圧電素子から2個の圧電素子を選び出す工程
と、 前記選び出された2個の圧電素子の自己電気アドミッタ
ンスY11、Y22を測定する工程と、 前記選び出された2個の圧電素子を電気的に並列に結合
したときの全電気アドミッタンスYtを測定する工程と、 式Y12=[Yt-(Y11+Y22)]/2を用いて、前記選び出された2
個の圧電素子間の伝達電気アドミッタンスY12(=Y21)を
計算する工程と、を有する構造物ヘルスモニタリング
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US18147498A | 1998-10-28 | 1998-10-28 | |
| US09/181474 | 1998-10-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000131197A true JP2000131197A (ja) | 2000-05-12 |
Family
ID=22664420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11153363A Pending JP2000131197A (ja) | 1998-10-28 | 1999-06-01 | 構造物ヘルスモニタリング法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000131197A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003515730A (ja) * | 1999-11-23 | 2003-05-07 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リーランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ | 複合材料および金属材料の構造的一体性を検出する診断層および方法 |
| KR100784582B1 (ko) | 2006-05-19 | 2007-12-10 | 전북대학교산학협력단 | 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법 |
| CN101832876A (zh) * | 2010-04-02 | 2010-09-15 | 东南大学 | 基于空间坐标监测的递进式索结构健康监测方法 |
| JP2017106878A (ja) * | 2015-12-12 | 2017-06-15 | 鹿島建設株式会社 | 構造物の損傷検知方法及びシステム |
| JP2020153698A (ja) * | 2019-03-18 | 2020-09-24 | 株式会社Ｎｔｔファシリティーズ | 建物健全性検証システム、建物健全性検証方法、および建物健全性検証システムの製造方法 |
-
1999
- 1999-06-01 JP JP11153363A patent/JP2000131197A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP4823459B2 (ja) * | 1999-11-23 | 2011-11-24 | ボード オブ トラスティーズ オブ ザ レランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ | 複合材料および金属材料の構造的一体性を検出する診断層および方法 |
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