JP2000146923A

JP2000146923A - 鋼材の超音波計測法

Info

Publication number: JP2000146923A
Application number: JP10314488A
Authority: JP
Inventors: Yukimichi Iizuka; 幸理飯塚; Tatsuya Hashimoto; 達也橋本
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2000-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】縦波による測定と横波による測定を同時に行
う場合に、磁化器が一つで済み、かつほぼ同一の測定点
を測定することができる超音波計測法を提供する。【解決手段】パルスレーザー１からレーザー光を試験
体６の表面に照射することにより、試験体６中に縦波超
音波を発生させる。縦波用センサコイル２は、試験体６
の表面に現れた縦波超音波を電気信号に変える。横波電
磁超音波送信部３は、横波送受信コイル４に送信パルス
を与え、試験体６に横波超音波を発生させる。逆に、横
波送受信コイル４により、試験体６表面の横波超音波を
検出できる。これらのセンサコイルは、一体となって永
久磁石５と共に単一の電磁超音波センサを構成してい
る。縦波用センサコイル２、横波送受信コイル４からの
受信信号は、それぞれ、縦波用増幅部７、横波用増幅部
８で増幅され、縦波用評価部９、横波用評価部１０で、
エコーの時間間隔を測定されたり、エコー高さを測定さ
れたりして信号処理される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼材のヤング率、
音響異方性、内部欠陥等の鋼材の性質を、超音波を利用
して非接触で計測する方法に関するものであり、さらに
詳しくは、超音波の縦波と横波の双方を利用してこれら
の性質を計測する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼材のヤング率、音響異方性、内部欠陥
等の材質を計測する上で、超音波の縦波と横波の音速を
求めることが必要である。鋼材の超音波計測は一般的に
は圧電素子を用いた接触式で行なわれているが、横波の
測定については粘着性の接触媒質を使わなければならな
いため、高速に移動する鋼材の横波超音波計測は非常に
困難である。縦波に関しては水を接触媒質として用いる
ことができるが、やはり高速に移動する鋼材や熱間鋼材
については計測が困難である。このため、従来から電磁
超音波やレーザー超音波などの非接触超音波技術が開発
されている。

【０００３】電磁超音波技術は図１１に示すような原理
によるもので、センサコイル２１から発生させた渦電流
と、磁化器２２で発生させた外部磁界との間に生じるロ
ーレンツ力または磁歪振動などの相互作用を利用してい
る。（Ａ）のように垂直磁場を与えると横波用となり、
（Ｂ）のように水平磁場を与えると縦波用となる。この
ような構成は試験体が非磁性体の場合または薄板の場合
はうまく動作する。しかしながら、試験体が厚板でかつ
強磁性体の場合、縦波用の感度は極めて低く、かつ磁歪
の影響により横波の感度も持ってしまうという問題があ
る(例えばJ.Appl.Phys.82(8), pp.3940-3948, H.Ogi, F
ield dependence of coupling efficiency between ele
ctromagnetic field and ultrasonic bulk waves)。こ
のため、試験体が厚板でかつ強磁性体の場合は、縦波の
電磁超音波を送受信することは極めて困難である。

【０００４】この問題を解決する方法として、レーザー
超音波を利用する方法がある。これは図１２に示す原理
によるもので、パルスレーザーを材料に当てて表面を熱
膨張ないしはアブレーション(溶発)させることにより、
横波ないしは縦波を発生させる方法である。これを用い
た非接触の超音波技術として、レーザー超音波の送信と
電磁超音波を組み合わせた方法が提案されている。例え
ば特公昭６３−５２７０３号公報には、図１３に示すよ
うに電磁超音波センサ２３の中央に穴２４を開け、そこ
からパルスレーザーを材料に当てるようにする技術が開
示されている。レーザー超音波は特にアブレーションで
は強い縦波のみを送信させることができるため、受信の
感度が低くとも電磁超音波法により縦波のみを受信する
ことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特公昭６３−５２７０
３号公報に記載される方法と横波用の電磁超音波を組み
合わせることにより、縦波と横波を測定することが可能
となる。しかしながら、この場合、両者の測定点が一致
しないため、精度良い測定ができないという問題があ
る。また、電磁超音波用の磁化器が縦波用と横波用の二
つ必要であり、センサヘッドが大きく重くなるという問
題がある。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、縦波による測定と横波による測定を同時に行う
場合に、磁化器が一つで済み、かつほぼ同一の測定点を
測定することができる超音波計測法を提供することを課
題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、鋼材の性質を、超音波を利用して非接
触で計測する超音波計測法であって、縦波の送信をパル
スレーザー、横波の送信を電磁超音波プローブで行な
い、受信は縦波用センサコイルと横波用センサコイルを
備えた単一の電磁超音波センサで行うことを特徴とする
鋼材の超音波計測法（請求項１）である。

【０００８】本手段においては、縦波用と横波用のセン
サコイルを同一の電磁超音波センサ内に備えるようにし
ているので、磁化器は一つで済み、かつほぼ同一の測定
点を測定することができる。

【０００９】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、パルスレーザーの送信タイミ
ングと電磁超音波の送信タイミングをずらすようにした
ことを特徴とするもの（請求項２）である。

【００１０】本手段は、縦波用センサコイルへの横波の
漏れ込みおよび横波用センサコイルへの縦波の漏れ込み
を避けるものである。すなわち、縦波用センサコイルは
横波に対しても感度を持っているため、縦波と横波の送
信タイミングが同時の場合には、横波用センサコイルか
ら送信された横波の信号を縦波用センサコイルも受信し
てしまう問題がある。同様に、横波用センサコイルは縦
波に対しても感度を持っているため、パルスレーザーか
ら送信された縦波の信号も受信してしまう。本発明で
は、パルスレーザーの送信タイミングと電磁超音波の送
信タイミングをずらすことにより、縦波の受信信号の計
測有効期間内に横波の計測信号が混入せず、かつ、横波
の受信信号の計測有効期間内に縦波の計測信号が混入し
ないようにできるため、完全に縦波信号と横波信号を分
離して測定することができる。

【００１１】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第２の手段であって、横波用センサコイルと縦波用
センサコイルの受信信号を同一の増幅器で増幅し、縦波
を送信したタイミングと横波を送信したタイミングで受
信信号を時分割し、縦波と横波の計測を行なうようにし
たことを特徴とするもの（請求項３）である。

【００１２】本手段においては、横波用センサコイルと
縦波用センサコイルの受信信号を同一の増幅器で増幅し
ているので、増幅器や増幅した信号の評価部の回路を一
つだけに簡略化することができる。

【００１３】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第３の手段であって、横波用センサコイルと縦波用
センサコイルを共用のコイルとしたことを特徴とするも
の（請求項４）である。

【００１４】本手段においては、一つのコイルで縦波と
横波を検出できるので、コイルの数を減らすことができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１に本発明の実施の形態の第１
の例である超音波計測法を実施するための超音波計測装
置の概略構成を示す。図１において１はパルスレーザ
ー、２は縦波用センサコイル、３は横波電磁超音波送信
部、４は横波送受信コイル、５は永久磁石、６は試験
体、７は縦波用増幅部、８は横波用増幅部、９は縦波用
評価部、１０は横波用評価部である。

【００１６】パルスレーザー１は、パルス幅50ns、300m
JのＱ-swiched ＹＡＧレーザーであり、レーザー光を試
験体６の表面に照射することにより、試験体６中に縦波
超音波を発生させる。縦波用センサコイル２は、図２
（Ａ）に示すように、コイルを30×10×10mmの各筒状に
30回巻いたものであり、試験体６の表面に現れた縦波超
音波を電気信号に変えるものである。試験体６の縦波に
よる振動と試験体６にかけられた磁界との相互作用によ
り発生する渦電流による磁束は、縦波用センサコイル２
によって検出される。よって、縦波用センサコイル２に
よって、試験体表面の縦波超音波を検出することができ
る。

【００１７】横波電磁超音波送信部３は、横波送受信コ
イル４に送信パルスを与えるものであり、バースト波発
生器と増幅器を用いている。増幅器は送信電圧2000Ｖ、
周波数帯域0.1〜10MHzのものであり、バースト波は５MH
z、３波のものが用いられている。

【００１８】横波送受信コイル４は、図２（Ｂ）に示す
ように、コイルを30×40mmの大きさに、渦巻き状に30回
巻いたものであり、これにパルス状の電圧を加えること
により試験体６に発生する渦電流と、試験体６にかけら
れた磁界の相互作用により、試験体６に横波超音波が発
生する。逆に、試験体６の横波超音波振動と磁界の相互
作用により発生する渦電流による磁束は、横波送受信コ
イル４により検出されるので、横波送受信コイル４によ
り、試験体６表面の横波超音波を検出できる。

【００１９】これらのセンサコイルは、一体となって永
久磁石５と共に単一の電磁超音波センサを構成してい
る。永久磁石５は外部磁場をかけるためのもので、ここ
では30×10×10mmのものを10mm間隔で並べて用いてい
る。なお、これは電磁石でも構わない。また、角型のみ
ならず円筒状やその他の形でもかまわない。

【００２０】ここで、パルスレーザーと電磁超音波の送
信タイミングは同一とし、電磁超音波のパルス繰り返し
周期はパルスレーザーと同一の10msとしている。具体的
には、パルスレーザーの送信に同期した同期信号を送信
部３のトリガー信号として用いている。

【００２１】試験体６は、厚み25mmの炭素鋼である。縦
波用増幅部７、横波用増幅部８は、周波数帯域0.1〜10M
Hz、ゲインmax.80dBの広帯域増幅器を用いている。縦波
用評価部９、横波用評価部１０は、例えばエコーの時間
間隔を測定したり、エコー高さを測定する部分であり、
これは市販の超音波計測器で広く用いられている既存技
術で実施できる。この出力は例えば時間間隔やエコー高
さに比例したアナログ電圧値や、デジタル出力である。

【００２２】図３はこの超音波計測装置の受信信号を示
した図であり、上段は縦波センサコイルからの、下段は
横波センサコイルからの信号である。上段の縦波は透過
法により測定されているため、厚み25mm/音速5900m/s≒
4.23μsの時間にT1エコー(第１回目の透過エコー)が現
われ、以降、往復距離50mm/音速5900m/s≒8.46μs毎に
多重反射波が得られる。一方、下段の横波は反射法によ
り測定されているため、往復距離50mm/音速3230m/s≒1
5.48μsの時間にB1エコー(第１回目の底面エコー)が現
われ、以降、15.48μs毎に多重反射波が得られる。以上
のように、本発明により、縦波と横波の同一点の非接触
測定ができる。なお、各Ｔエコー、Ｂエコーの間に現れ
ている小さな信号は、縦波測定と縦波測定の干渉による
ものであり、縦波におけるＴエコーの一部が横波として
検出されたり、縦波におけるＢエコーの一部が縦波とし
て観測されているもので、ノイズであるが、ゲート処理
や、後に述べるような方法により除去することができ
る。

【００２３】なお、ここではパルスレーザーの送信を受
信と反対側から行なう透過法としたが、電磁超音波セン
サに光を通す穴または窓を設け、反射法で行うことも容
易に可能である。

【００２４】図４に本発明の実施の形態の第２の例であ
る超音波計測法を実施するための超音波計測装置の概略
構成を示す。以下の図において、発明の実施の形態の欄
における前出の図に示された構成要素と同じ構成要素に
は、同じ符号を付してその説明を省略する。図４におい
て、１１は同期信号発生部である。図４に示す例は、前
述した、縦波と横波の干渉により発生するノイズを除去
する例である。図４に示された超音波計測装置は、同期
信号発生部１１が設けられている他は、図１に示された
ものと同じであるので、同じである動作については説明
を省略し、異なる動作についてのみ説明を行う。

【００２５】同期信号発生部１１は、パルスレーザー１
からの信号を受け、その信号を受信したタイミングから
所定時間経過した時点で、横波電磁超音波送信部３にト
リガー信号を与える。その様子を図５のタイムチャート
に示す。図５において、パルスレーザー１には、10ms毎
に縦波送信信号が与えられているが、同期信号発生部１
１はこの信号を受け、単安定マルチバイブレータを駆動
する。単安定マルチバイブレーターがオンとなっている
時間は５msに設定されている。同期信号発生部１１は、
この単安定マルチバイブレータの立ち下がりのタイミン
グで、横波電磁超音波送信部３にトリガー信号を与え
る。よって、この例では、縦波、横波とも、10ms間隔で
送信され、縦波と横波の発生タイミングは５msずれてい
ることになる。

【００２６】この結果、縦波横波それぞれの受信信号は
図６に示すようになり、完全に両者を分離して測定でき
るようになる。この送信タイミングのずれ量は、縦波送
信タイミングの半分にする必要はなく、超音波振動が多
重反射などが十分に減衰する時間以上とすればよい。本
実施の形態の材料の場合、縦波の多重エコーは100μs位
でなくなるので、横波電磁超音波の送信タイミングをパ
ルスレーザーより遅らせる場合は、ずれ量を100μs以上
とすればよい。反対に横波電磁超音波の送信タイミング
をパルスレーザーより早める場合には、横波の多重エコ
ーが200μs位でなくなっていることから、ずれ量を200
μs以上とすればよい。

【００２７】図７に、縦波超音波の発生タイミングと横
波超音波の発生タイミングをずらすために、別の方法を
採用している超音波計測装置の例を示す。この例におい
ては、同期信号発生部１１において縦波用の送信タイミ
ングと横波用の送信タイミングを発生させ、これらをト
リガー信号としてパルスレーザー１および横波電磁超音
波送信部３を動作させる。両信号のタイミングをずらす
ことにより、縦波超音波の発生タイミングと横波超音波
の発生タイミングをずらすことができる。

【００２８】図８に本発明の実施の形態の第３の例であ
る超音波計測法を実施するための超音波計測装置の概略
構成を示す。図８において、１２は増幅部、１３は評価
部である。この例は、縦波用センサコイル４と横波用セ
ンサコイル５を直列または並列に接続し、同一の増幅部
１２、評価部１３を用いて、一つの受信処理系でエコー
伝播時間の測定やエコー高さの測定を行うようにしたも
のである。ここで、増幅部１２は外部信号に応じて減衰
量を可変できる増幅部であり、縦波、横波それぞれの感
度設定を行うことができる。評価部１３においては、外
部信号に応じて出力を振り分けるようにしている。

【００２９】図８に示す超音波計測装置における信号波
形の例を図９に示す。この例においても、縦波超音波、
横波超音波とも、10ms間隔で送信され、縦波超音波と横
波超音波の送信タイミングは、５msずれている。そし
て、縦波超音波の送信タイミングで同期信号がハイレベ
ルとなり、横波超音波の送信タイミングで同期信号がロ
ーレベルとなる。同期信号がハイレベルとなっている間
は、増幅部１２、評価部１３においては、ゲインやゲー
トタイミング等のパラメータは、縦波超音波を処理する
ような値に設定される。同期信号がローレベルとなって
いる間は、増幅部１２、評価部１３においては、ゲイン
やゲートタイミング等のパラメータは、横波超音波を処
理するような値に設定される。このように、増幅部１
２、評価部１３は、縦波信号と横波信号を時分割により
処理しているので、縦波、横波共用に１セットあればよ
い。

【００３０】図８に示すような回路構成の超音波計測装
置を用いる場合、センサコイルそのものを縦波、横波兼
用とすることができる。このようなセンサコイルの例を
図１０に示す。図１０において、１４は縦波−横波共用
センサコイルである。このコイル１４は、３この永久磁
石３の間に巻回されており、その位置での永久磁石５に
より発生する磁界の向きが、試験体の表面に対して斜め
に向いている。よって、試験体に発生する縦波と横波の
双方を検出できる。この縦波−横波共用センサコイル１
４の出力を図８における増幅部１２に接続することによ
り、図８の説明において述べたように、横波超音波信号
と縦波超音波信号の検出を行うことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明によれば、縦波用と横波用のセンサコイ
ルを同一の電磁超音波センサ内に備えるようにしている
ので、磁化器は一つで済み、かつほぼ同一の測定点を測
定することができる。よって、高速に移動する鋼材や熱
間の鋼材の材質測定を精密にできるようになる。

【００３２】請求項２に係る発明によれば、パルスレー
ザーの送信タイミングと電磁超音波の送信タイミングを
ずらすことにより、縦波の受信信号の計測有効期間内に
横波の計測信号が混入せず、横波の受信信号の計測有効
期間内に縦波の計測信号が混入しないようにできるた
め、完全に縦波用と横波用を分離して測定することがで
きる。

【００３３】請求項３に係る発明によれば、横波用セン
サコイルと縦波用センサコイルの受信信号を同一の増幅
器で増幅しているので、増幅器や増幅した信号の評価部
の回路を一つだけに簡略化することができる。

【００３４】請求項４に係る発明においては、一つのコ
イルで縦波と横波を検出できるので、コイルの数を減ら
すことができる。

【００３５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第１の例である超音波計
測法を実施するための超音波計測装置の概略構成を示す
図である。

【００３６】

【図２】縦波用センサコイルと横波送受信コイルの例を
示す図である。

【００３７】

【図３】図１に示す超音波計測装置の受信信号を示す図
である。

【００３８】

【図４】本発明の実施の形態の第２の例である超音波計
測法を実施するための超音波計測装置の概略構成を示す
図である。

【００３９】

【図５】図４に示す超音波計測装置における縦波と横波
の送信タイミングを示す図である。

【００４０】

【図６】図４に示す超音波計測装置の受信信号を示す図
である。

【００４１】

【図７】縦波超音波の発生タイミングと横波超音波の発
生タイミングをずらすために、図４に示す超音波計測装
置と、別の方法を採用している超音波計測装置の例を示
す図である。

【００４２】

【図８】本発明の実施の形態の第３の例である超音波計
測法を実施するための超音波計測装置の概略構成を示す
図である。

【００４３】

【図９】図８に示す超音波計測装置における信号波形の
例を示す図である。

【００４４】

【図１０】縦波−横波共用センサの構成の例を示す図で
ある。

【００４５】

【図１１】電磁超音波の発生原理を示す図である。

【００４６】

【図１２】レーザー超音波の発生原理を示す図である。

【００４７】

【図１３】従来のレーザー超音波、電磁超音波共用セン
サーの例を示す図である。

【００４８】

【符号の説明】

１…パルスレーザー２…縦波用センサコイル３…横波電磁超音波送信部４…横波送受信コイル５…永久磁石６…試験体７…縦波用増幅部８…横波用増幅部９…縦波用評価部１０…横波用評価部１１…同期信号発生部１２…増幅部１３…評価部１４…縦波−横波共用センサコイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F068 AA48 BB01 BB23 FF03 FF04 FF11 FF12 FF25 GG04 GG07 GG09 HH01 HH02 MM03 MM08 MM13 MM22 2G047 AA07 BA01 BC09 BC20 CA02 CA04 CB01 CB02 EA10 EA14 GC01 GC04 GF08 GG15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼材の性質を、超音波を利用して非接触
で計測する超音波計測法であって、縦波の送信をパルス
レーザー、横波の送信を電磁超音波プローブで行ない、
受信は縦波用センサコイルと横波用センサコイルを備え
た単一の電磁超音波センサで行うことを特徴とする鋼材
の超音波計測法。
【請求項２】請求項１に記載の鋼材の超音波計測法で
あって、パルスレーザーの送信タイミングと電磁超音波
の送信タイミングをずらすようにしたことを特徴とする
鋼材の超音波計測法。
【請求項３】請求項２に記載の鋼材の超音波計測法で
あって、横波用センサコイルと縦波用センサコイルの受
信信号を同一の増幅器で増幅し、縦波を送信したタイミ
ングと横波を送信したタイミングで受信信号を時分割
し、縦波と横波の計測を行なうようにしたことを特徴と
する鋼材の超音波計測法。
【請求項４】請求項３に記載の鋼材の超音波計測法で
あって、横波用センサコイルと縦波用センサコイルを共
用のコイルとしたことを特徴とする鋼材の超音波計測
法。