JP2001124744A

JP2001124744A - コンクリート構造物の検査装置

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Publication number: JP2001124744A
Application number: JP34518999A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kakumoto; 純一角元; Shinkei Kondo; 晋啓近藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】コンクリート構造物の検査を機械化し、衝撃の
大きさに依存することなく簡単で安定した感度の高い検
査装置を提供する。【解決手段】広い面積を持つ板に磁界の変化を検出する
コイルを面状に設けることにより、コンクリート構造物
の表面に現れる衝撃による固有振動を検出する。均質で
欠陥がなければ固有振動や内部の音波の反射が小さく、
内部の欠陥部の面積が大きければ大きいほど基本波と高
調波成分が大きく減衰時定数も大きい信号であることの
双方の特徴の違いを比較することによって内部欠陥を診
断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が所属する技術分野】業種としてはコンクリート
構造物の非破壊検査装置に関し、技術的には振動検出セ
ンサとインパルス応答の分析技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道や高速道路のコンクリート構
造物の経年変化による欠陥が増加している。構造物が大
きく、欠陥部の面積や体積が大きく、超音波や電磁波な
どの検査では精密過ぎて広域的マクロ的検査が難しい。
依然としてハンマーと手と聴感による打診に頼っている
ケースが多い。検査作業は悪い環境で深夜の重労働とな
るケースが少なくない。

【０００３】

【用語の定義】衝撃とは蓄えられた運動エネルギーを短
時間のうちに運動エンルギーとして放出することを意味
するものとする。インパルス応答とは数学的に純粋なも
のではなく、実用的な測定に必要充分な性質の衝撃に対
する応答であるものとする。振動とは衝撃によって生ず
るコンクリート構造物の振動とする。応答とはコンクリ
ート構造物に与えられた衝撃の結果発生する振動もしく
はその振動を検出した電気信号であるものとする。密着
とは、厳密に密着の意味ではなく、接近した状態である
ものとする。基本波成分とはコンクリート構造物が持つ
振動特性で、衝撃を与えたときに発生する固有振動のう
ち、最も低い振動成分とする。コンクリート欠陥とは、
コンクリート構造物内部のひび割れや内面のはがれのこ
ととする。正常振動成分とはコンクリート構造物の内部
状態がひび割れや剥がれなどなく、比較的均質で、一体
構造物である場合の大きな構造物が持つ固有振動とす
る。異常振動成分とは、コンクリート構造物の内部の比
較的表面に近い部分に大きな面積のひび割れや剥がれに
よる不連続面で仕切られた表面側のコンクリート塊が持
つ固有振動とする。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】打診は技術的に言
い換えて、機械振動系のインパルス応答の結果を診断す
るのと当価である。コンクリート構造物の場合、表面を
ハンマーでたたくことは容易であるが、表面が形状的に
一様でないことから、表面の振動を安定して検出するこ
とは難しい。通常の音響用のマイクロホンのようなセン
サーでの検出は、局部的な条件の影響を受けて微細に過
ぎ、マクロな測定が難しい。

【０００５】本発明はコンクリートの表面の振動を、コ
ンクリートに広い面積の板またはフィルム（以下検出板
と称する）を押し付けることにより、広範囲な平均的振
動を検出し、その振動を検出板の表面に設けたコイルで
電気的に検出しようとするものである。人の聴感に頼ら
ず、検出した信号の振動成分を分析することにより、正
常の振動と異常の振動とを判別し、コンクリート構造物
の大事故につながる重欠陥を検出する。

【０００６】検出信号は、検出板がコンクリート表面の
広い面積の部分の振動のを受け、検出板に設けたコイル
が磁界を横切るよう作用し、コイルの両端に発生する電
気信号を増幅した信号である。この検出信号とコンクリ
ートの内部構造物との関係を分析診断する。分析診断
は、検出信号を正常振動成分と比較することによって行
う。検出した信号が、均質で欠陥のないコンクリート構
造物ならば構造物全体の固有振動が極めて小さく、また
内部の音波の反射が少ない信号であることの特徴と、内
部に欠陥のあるコンクリート構造物はその度合が大きけ
れば大きいほど基本波と高調波成分が多い信号であるこ
との特徴との違いを比較することによってコンクリート
構造物の内部欠陥の度合いを分析診断するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に関する実施例に基
づき、図面で詳細に説明する。図１は本発明の一実施例
を示すブロック図である。ＣＣはコンクリート構造物、
ＨＭＤは衝撃を与えるハンマー、ＩＭＰＵＬＳＥはハン
マーをコンクリート表面に打ち付ける時の衝撃のシンボ
ル、Ｖはコンクリート構造物の振動を示す。ＰＬＴはコ
ンクリート表面の振動を広い面積から検出するための検
出板、ＳＣは上記検出板のコンクリート面と反対側に固
定された磁気検出用のコイルである。ＭＧは、磁界発生
用のマグネット。ＢＡＳＥはマグネットを支えると同時
にマグネットの磁界を広げる役割を持第１の一実施例を
図２に示す。ＰＬＴは厚みの薄い印刷配線キバンであ
る。ＳＣは印刷配線を応用した検出コイルである。製造
方法が簡単でコストも安く安定した性能が得られる。

【００１２】第２の方法の一実施例を図３に示すｓｃ
１、ｓｃ２、ｓｃ３、ｓｃ４、はそれぞれ振動検出コイ
ル、ｍｇ１、ｍｇ２、ｍｇ３、ｍｇ４、は同方向極性に
配置したマグネットである。検出コイルｓｃ１、ｓｃ
２、ｓｃ３、ｓｃ４、は直列（並列でもよい）に接続さ
れ、一本の出力ｆ（ｔ）を得る。このように、検出コイ
ルの数を増やす方法は検出コイルを検出板に設ける手法
の場合、簡単にクリアできる。

【００１３】図４は第２の方法に対し検出精度を上げる
場合の一実施例である。ｓｃ１、ｓｃ２、ｓｃ３、ｓｃ
４、はそれぞれ振動検出コイル、ｍｇ１、ｍｇ２、ｍｇ
３、ｍｇ４、はマグネットである。ｍｇ５、ｍｇ６、ｍ
ｇ７、ｍｇ８、ｍｇ９、ｍｇ１０、ｍｇ１１、ｍｇ１
２、ｍｇ１３、はマグネットであるが、ｍｇ１、ｍｇ
２、ｍｇ３、ｍｇ４、のグループとは逆方向極性に配置
される。こうすることによって、検出コイルから得られ
る信号の感度と線形性が向上し、分析精度を向上させる
ことができる。検出面積を増やす具体的手法と検出精度
を上げる具体的手法については本発明の本質とするとこ
ろではないので詳細説明を省略する。

【００１４】図５はコンクリート構造物に欠陥がなく比
較的均質である場合の検出コイルの検出信号の例を示
す。図５（ａ）は構造図、図５（ｂ）は応答波形を示
す。ＣＣはコンクリート構造物、ＨＭＤは衝撃を与える
ハンマー、Ｖは衝撃によって発生するコンクリート構造
物の固有振動を示す。ｆ（ｔ）はその固有振動の時間変
化、ｔは時間軸、ｔ０は衝撃により発生した固有振動の
始まり時刻を示す。一般的に、構造物が大きく硬く均質
である場合は衝撃初期の表面波だけのほとんど特徴のな
い微細な信号の応答波形である．ｆｓ（ｔ）はその代表
波形例である。正確には時刻ｔ０では打音の初期の微細
な波形が重畳しているが、この波形については本発明の
本質ではないので説明を省略する。また、波形ｆ（ｔ）
には端面からの反射波も含まれるが構造物が巨大である
ほど単位体積当たりのエネルギーが小さく、振動エネル
ギーは波動となって遠くに伝播し、固有振動らしきもの
はほとんど観測できない。

【００１５】図６はコンクリート構造物の表面近くに大
きな不連続面ＣＫがある場合の説明図である。図６
（ａ）は構造図、図６（ｂ）は応答波形を示す。ＣＣａ
は隙間やひび割れや剥がれによる不連続面によって分け
られた表面側のコンクリート塊を、ＣＣｂは内部側のコ
ンクリート構造物を示す。ＨＭＤは衝撃を与えるハンマ
ー、Ｖｂは内部側のコンクリート塊の固有振動をつ磁石
固定板である。ＡＢＳは振動板の振動を吸収し、磁石固
定板に振動を伝えない役割を持つ振動吸収部である。ｍ
ｇはマグネットＭＧを図中上面方向から見た図である。
ｓｅはＳＥの検出コイルを図中上面方向から見た図であ
る。ＬＤは検出コイルの信号を引き出すリード線であ
る。ｆ（ｔ）は検出コイルが検出した電気信号、ＡＭＰ
は微小信号ｆ（ｔ）の増幅部であり、Ｓ（ｔ）はその出
力である。ＡＮＬは、増幅された検出信号を分析する分
析部である。ＨＳは基準信号を検出する基準信号検出
部、Ｈ（ｔ）は基準信号である。ＣＭＰは基準信号と検
出信号との比較部である。ＪＤＧは異常か正常かその度
合いを判断する判定部である。

【０００８】ハンマーはコンクリート表面に衝撃を与え
るもので、ハンマーの材料、形状、打音手法については
本発明の本質とするところではないので説明を省略す
る。ハンマーでコンクリート構造物の表面を打つと、衝
撃がコンクリート構造物に伝わる。その衝撃によってコ
ンクリート構造物にはその構造物固有の振動が発生す
る。その振動の一部はコンクリート構造物の表面から空
気中へ放射されるが、空気中では残響やエコーが発生
し、内部構造の分析には適さない。さらに、コンクリー
ト構造物の大事故に繋がる大きな欠陥について診断する
場合、局部的な狭い範囲の振動を検出したのでは、巨視
的な判断が難しい。これはコンクリート表面を伝わる微
細な表面波やコンクリート構造物の微細な不均一性によ
る反射波の影響をうけやすいことによる。大事故につな
がる重欠陥の検出が目的であることから、広い範囲にわ
たるおおざっぱな振動を検出し分析することが望まし
い。

【０００９】本発明はコンクリート表面の振動を広い面
積を持つ振動センサーをコンクリート表面に密着した状
態で検出する。この手法が本発明の特徴の一つである。
また、コンクリート表面は粗く、微妙な段差が至るとこ
ろにあり、水気湿気がある環境で使われることから、頑
丈で、測定面の形状に柔軟で、横方向の力に柔軟でかつ
感度に影響を受けず、使いやすく、温度湿度水気などの
悪い環境にも強く、しかも安定して感度が高いセンサが
要求される。本発明特徴の一つである振動検出構造はコ
ンクリート表面の振動が直接検出コイルに伝達されセン
サーとして有効であり、かつ、強度が弱いコイルを保護
し、コンクリート面に対し平行方向の歪みの影響を受け
ず、の手荒な繰り返し使用に耐える自動機械化しやすい
信頼性の高い構造である。

【００１０】広い面積の振動を巨視的に捕らえる方法と
しては、第１に、検出コイルＳＣの面積を広く取る方法
がある。第２には検出コイルを複数個設ける方法があ
る。

【００１１】示す。Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ３、Ｖａ４は
表面側のコンクリート塊の固有振動を示す。ｆｒ（ｔ）
は検出コイルの検出信号波形、ｔは時間軸、ｔ０は衝撃
による固有振動が始まる時刻を示す。一般的に細い線や
薄い膜は太い線や厚い膜に比べて振動が複雑になり、楽
器などの場合、複雑な音色を発生するに都合が良い。大
きくて重い塊は音色を作るには適さない。このことは、
コンクリート構造物においても同様である。実際、一
見、一体構造のコンクリート塊が表面近くで剥がれや隙
間などの不連続面を持っている場合のインパルス応答は
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のような複雑な反射波の影響を受けて
はっきりとした特徴を持つ振動が発生する。

【００１６】図７は実際のコンクリート塊例についての
検出信号の波形の実測例を示す。いずれも金属ハンマー
で衝撃を与えた場合の応答である。この測定に使ったセ
ンサーは図４に示すの構造のものである。面積が８ｃｍ
角のフィルム材に４個の検出コイルと１３個のマグネッ
トを配置した検出板と１０Ｈｚから１５ｋＨｚまでが＋
−１ｄＢ以内の増幅器を使用している。図７（ａ）は正
常なコンクリート構造物の衝撃に対する応答の実測例で
ある。検出信号Ｓｓ（ｔ）は打音開始時には微細な振動
があるものの、大局的には特徴がない減衰振動が発生し
ている。これは構造物が大きいので衝撃エネルギーは進
行波として遠くまで伝播することと、単位体積当たりの
振動エネルギーが小さいことによる。図７（ｂ）は構造
内部に隙間がある場合の実測例である。（ａ）（ｂ）
共、グラフはフルスケールで表示されているが、（ａ）
の振幅は（ｂ）の１０倍である。検出信号Ｓｒ（ｔ）は
打音開始時には微細な振動があるものの、大局的にはは
っきりした特徴を持った波の減衰振動が発生している。
（ｂ）は薄くて広い、あるいは細くて長い材質が、特徴
がはっきりした固有振動を発生することを示している。

【００１７】図８は図７示す二つの波形Ｓｓ（ｔ）とＳ
ｒ（ｔ）に含まれる周波数成分を説明する図である。横
軸は周波数で縦軸は強度である。図８（ａ）は図７
（ａ）のＳｓ（ｔ）の波形の周波数成分の分布を表す。
Ｓａ１は基本波の、Ｓａ２、Ｓａ３、は高調波の成分の
強度を表している。Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、の強度が
小さいことが特徴でる。Ｓａｎは打音初期の微細振動で
あり内部欠陥との関係については重要でない。図８
（ｂ）は図７（ｂ）のＳｒ（ｔ）の波形を構成する周波
数成分の分布を表す。Ｓｂ１は基本波の、Ｓｂ２、Ｓｂ
３、Ｓｂ４、Ｓｂ５、は高調波の成分の強度を表してい
る。Ｓｂ１を含め、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓｂ４、Ｓｂ５の
強度も強いことが特徴でる。Ｓａｎは打音初期の微細振
動であり内部欠陥との関係については重要でない。

【００１８】振動成分の強度の周波数分布について、均
質で欠陥のないコンクリート構造物の衝撃による固有振
動には、特徴のある固有振動成分が小さく、大きなひび
割れや隙間を持つコンクリート構造物には，衝撃による
固有振動に基本波や高調波が多いという特徴があること
から、与えた衝撃エネルギーとの比較において、両者を
比較分析する。

【００１９】本発明の検出方法は極めて簡単で、数１は
その比較部の比較手法の一実施例を示す。Ｅは評価関数
である。与える衝撃の大きさにバラツキが大きい場合に
有効な実施例である。Ｓｓは大多数のサンプルから得ら
れた代表値である。統計的に処理された平均値が一般的
であるが、代表値を得る方法については本発明の本質で
はないので説明を省略する。また、代表値を設定できる
ということは大多数のサンプルについて欠陥がない信号
であるという事実に基づく暗黙の仮定が基本にある。Ｉ
ｓは衝撃の大きさの代表値である。Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
｛｝は｛｝内の値が基準値であることを示す。Ｓは検出
値であり、その検出値を得る衝撃はＩである。分子は正
常なコンクリート構造物の応答信号と衝撃の大きさの比
であり、分母は検査をしているコンクリート構造物の応
答信号と衝撃の大きさの比である。分母が大きいことが
内部欠陥が大きいことを表している。

【００２０】

【数】Ｅ＝｛Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ｛Ｓｓ／Ｉｓ｝｝／
｛Ｓ／Ｉ｝Ｅ：評価関数Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ｛｝：｛｝内が代表値であることを
示す。Ｓｓ：多数の正常サンプルの検出値の大きさＩｓ：多数の正常サンプルの衝撃の大きさＳ：検査中のサンプルの検出値の大きさＩ：検査中のサンプルの衝撃の大きさ

【００２１】数２は比較部の一実施例を示す。与える衝
撃の強さにバラツキが小さい場合の一実施例である。Ｅ
は評価関数である。分母Ｓは検出信号の大きさである。
分子Ｉは加えた衝撃の大きさである。この値が小さけれ
ば、応答信号が大きく、コンクリート構造物に内部欠陥
を持っていることを示している。

【００２２】

【数２】Ｅ＝Ｉ／ＳＥ：評価関数Ｓ：検査中のサンプルの検出値の大きさＩ：検査中のサンプルの衝撃の大きさ

【００２３】数３は比較部の一実施例を示す。振動開始
初期に発生する微細振動がコンクリート構造物の状態の
影響を受け難いことを利用した実施例である。分子ＬＰ
Ｆ｛Ｓ｝は低域通過フィルタを通過した検出信号であ
る。分母ＨＰＦ｛Ｓ｝は高域通過フィルタを通過した検
出信号である。この値が小さければ、応答信号が大き
く、コンクリート構造物に内部欠陥を持っていることを
示している。

【００２４】

【数３】Ｅ＝ＬＰＦ｛Ｓ｝／ＨＰＦ｛Ｓ｝Ｅ：評価関数Ｓ：検査中のサンプルの検出値ＬＰＦ｛｝：｛｝内の検出値の低域通過フィルタ出力
の大きさ。ＨＰＦ｛｝：｛｝内の検出値の高域通過フィルタ出力
の大きさ。

【００２５】図９は数１、２、３について、コンクリー
ト構造物の内部欠陥の度合と評価関数の関係を示す。横
軸は欠陥の度合を表す。縦軸は評価値を表す。内部欠陥
の面積が大きくなり、膜振動や弦振動のモードに近づく
ほど、固有振動成分は多くなりＥの値が大きくなる。

【００２６】判定は検出信号そのものを構成する周波数
成分から計算してもよいし、欠陥のない状態の検出信号
を基準値として使ってもよい。比較方法と判定方法につ
いての具体的手法については本発明の本質とするところ
ではないので詳細説明を省略する。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に関し、以上の説明の通りコン
クリート構造物の検査の機械化を可能とする。請求項２
に関し、衝撃の大きさに依存することなく状態を評価で
きる。請求項３に関し、簡単な方法で状態を評価でき
る。請求項４に関し、衝撃の大きさに大きく依存するこ
となく状態を評価できる。請求項５に関し、環境に強
く、安定した、感度の高いセンサーを可能とする。請求
項６に関し、コンクリート構造物の検査のシステム化や
集中管理化を可能とする。

【００２８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図。

【図２】検出コイルの構造の一実施例の説明図。

【図３】検出コイルとマグネットの構造の一実施例の説
明図。

【図４】検出コイルとマグネットの構造の一実施例の説
明図。

【図５】欠陥がないコンクリート構造の振動の説明図。

【図６】欠陥があるコンクリート構造の振動の説明図。

【図７】実測例についてのの波形説明図。

【図８】周波数成分の分布の説明図。

【図９】評価関数の説明図。

【００２９】

【数１】与える衝撃の大きさを考慮した評価の一例。

【数２】与える衝撃の大きさを考慮した評価の一例。

【数３】自己評価できる評価の一例。

【００３０】

【符号の説明】

ＣＣコンクリート構造物ＩＮＰＵＴ衝撃入力ＨＭＤハンマーＩＭＰＵＬＳＥ衝撃Ｖ固有振動ＰＬＴ検出板ＳＣ、ＳＣ１〜ＳＣ４検出コイルＭＧ、ＭＧ１〜ＭＧ１３マグネットＢＡＳＥ磁石固定板ＡＢＳ振動吸収部ＬＤリード線ｆ（ｔ）センサー信号ＡＭＰ増幅器Ｓ（ｔ）検出信号ＡＮＬ分析部ＨＳ標準信号抽出部Ｈ（ｔ）基準信号ＣＭＰ比較部Ｅ評価関数ＪＤＧ判定部ＯＵＴＰＵＴ判定出力Ｐ進行波の伝わる方向ｔ時間経過ｔ０応答開始時刻Ｓ（ｔ）検出信号Ｓｓ（ｔ）正常なコンクリート構造物の検出信号ｒ（ｔ）異常なコンクリート構造物の検出信号Ｃｋひび割れや隙間などの欠陥ＣＣａ欠陥がある場合のコンクリート構造物の
表面側の塊ＣＣｂ欠陥がある場合のコンクリート構造物の
内部の塊Ｖａ１〜Ｖａ４欠陥がある場合のコンクリート構造物の
表面側の固有振動Ｖｂ欠陥がある場合のコンクリート構造物の
内部の固有振動Ｆ周波数軸Ｓａ１〜Ｓａ３欠陥がない場合の固有振動の周波数成分Ｓａｎ欠陥がない場合の打音初期の微細な周波
数成分Ｓｂ１〜Ｓｂ５欠陥がある場合の固有振動の周波数成分Ｓｂｎ欠陥がある場合の打音初期の微細な周波
数成分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンクリート構造物の表面に機械的衝撃を
与える機能を衝撃発生部とし、上記衝撃によって発生す
るコンクリート表面の振動を検出する機能を振動検出部
とし、上記振動検出部の出力信号を増幅する機能を増幅
部とし、上記増幅部の出力信号を検出信号とし、欠陥を
持たないコンクリート構造物の検出信号の大きさ、また
は、その大きさと衝撃の大きさの比率のいずれかを第１
基準値とし、上記コンクリート構造物から得られる検出
信号の大きさ、または、その大きさと衝撃の大きさの比
率を上記第１基準値と比較する機能を第１比較部とし、
上記振動検出部と、上記増幅部と、上記比較部とを備え
たことを特徴とするコンクリート構造物の検査装置。
【請求項２】上記請求項１の第１基準値の代わりに、測
定中のコンクリート構造物から得られる多数の検出信号
のサンプルの代表値、または、その大きさと衝撃の大き
さの比率のいずれかを第２基準値とし、上記コンクリー
ト構造物から得られる検出信号の大きさ、または、その
大きさと衝撃の大きさの比率を上記第２基準値と比較す
る機能を第２比較部とし、上記請求項１の第１比較部の
代わりに第２比較部を備えたことを特徴とするコンクリ
ート構造物の検査装置。
【請求項３】上記請求項１の第１比較部の代わりに、検
出信号の大きさと衝撃の大きさを比較する機能を第３比
較部とし上記請求項１の第１比較部の代わりに第３比較
部を備えたことを特徴とするコンクリート構造物の検査
装置。
【請求項４】上記請求項１の第１比較部の代わりに、検
出信号の周波数成分を高域通過フィルターを通過させた
第１信号と低域通過フィルターを通過させた第２信号に
分け、打音初期に発生するところのコンクリート構造物
の条件に左右されない高周波振動成分であるところの第
１信号の大きさと、コンクリート構造物の内部に欠陥が
ある場合発生する低周波数成分の大きさとを比較する機
能を第４比較部とし、上記請求項１の第１比較部の代わ
りに第４比較部を備えたことを特徴とするコンクリート
構造物の検査装置。
【請求項５】コンクリート表面に密着する板もしくはフ
ィルムの、コンクリート面と反対側の面に１個または複
数個の印刷配線のコイルを設けたことを第１の特徴と
し、そのコイルがコンクリート面に垂直方向の振動を検
出すべく磁気回路を有することを第２の特徴とするとこ
ろの振動検出部を備えたことを特徴とするコンクリート
構造物の検査装置。
【請求項６】上記請求項１または請求項２または請求項
３または請求項４の検出信号または検出信号から得られ
る信号をデジタル符号化した信号とその検出信号を得た
場所情報とを組み合わせた情報をコンピューターの記憶
装置に記憶する機能を有することを特徴としたコンクリ
ート構造物の検査装置。