JP2003185426A - Method and apparatus for measuring propagation time of ultrasonic waves - Google Patents

Method and apparatus for measuring propagation time of ultrasonic waves

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JP2003185426A
JP2003185426A JP2001383729A JP2001383729A JP2003185426A JP 2003185426 A JP2003185426 A JP 2003185426A JP 2001383729 A JP2001383729 A JP 2001383729A JP 2001383729 A JP2001383729 A JP 2001383729A JP 2003185426 A JP2003185426 A JP 2003185426A
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ultrasonic
ultrasonic wave
propagation time
interferometer
sagnac interferometer
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Makoto Okuno
眞 奥野
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JFE Steel Corp
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus wherein the propagation time of ultrasonic waves inside a material to be measured is measured with high accuracy when an ultrasonic-wave reflected echo is in a low S/N ratio (a noise is large), and even when the attenuation of the ultrasonic-wave reflected echo is large. <P>SOLUTION: Ultrasonic pulses are generated in the thickness direction of the material 10, a surface displacement generated at a time when the ultrasonic pulses reach the surface of the material is detected by a Sagnac interferometer 50, two ultrasonic reflected echoes appearing in an output signal of the interferometer are mutually correlation-processed, and the propagation time of the ultrasonic waves is computed. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、材料中の超音波の
伝搬時間を高精度で測定する方法および装置に関するも
のであり、特に、超音波の減衰が大きい材料に適用する
場合や、超音波受信信号のS/N比が低い場合などに好
適な超音波伝搬時間測定方法および装置に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and a device for measuring the propagation time of ultrasonic waves in a material with high accuracy, and particularly to the case of applying the material to a material having a large attenuation of ultrasonic waves and the ultrasonic wave. The present invention relates to an ultrasonic wave propagation time measuring method and apparatus suitable for cases where the S / N ratio of a received signal is low.

【0002】[0002]

【従来の技術】材料中に超音波を伝搬させ、その伝搬時
間を測定することによって、材料の厚さや温度、あるい
は弾性定数が求められることが良く知られている。即
ち、図1に示す如く、厚さdの被測定材料(以下、単に
材料とも称する)10の厚さ方向に音速Vの超音波を伝
搬させたとき、この超音波が材料の厚さ方向に1往復伝
搬するのに要する時間Δtは Δt=2d/V …(1) と表されるので、材料中の音速Vが既知である場合、Δ
tを測定することによって厚さdを求めることができ
る。また超音波の音速Vは材料の温度や材料の弾性定数
によって変化するので、予め材料の温度あるいは弾性定
数と音速Vとの関係式を求めておけば、厚さdを、超音
波の伝搬時間Δtを測定することによって、材料の温
度、弾性定数や音速を用いて求めることもできる。この
ように材料中の超音波の伝搬時間を測定することは、材
料の厚さや温度、あるいは弾性定数を非破壊で測定する
有力な方法である。
2. Description of the Related Art It is well known that the thickness, temperature, or elastic constant of a material can be obtained by propagating an ultrasonic wave in the material and measuring the propagation time thereof. That is, as shown in FIG. 1, when an ultrasonic wave having a sound velocity V is propagated in the thickness direction of a material to be measured (hereinafter, also simply referred to as material) 10 having a thickness d, the ultrasonic wave propagates in the thickness direction of the material. The time Δt required for one round trip propagation is expressed as Δt = 2d / V (1), and therefore, when the sound velocity V in the material is known, Δt
The thickness d can be determined by measuring t. Further, since the sound velocity V of the ultrasonic wave changes depending on the temperature of the material and the elastic constant of the material, if the relational expression between the temperature or elastic constant of the material and the sound velocity V is obtained in advance, the thickness d can be calculated as By measuring Δt, it is possible to obtain it by using the temperature of the material, the elastic constant, and the sound velocity. Measuring the propagation time of ultrasonic waves in a material in this way is a powerful method for non-destructively measuring the thickness, temperature, or elastic constant of the material.

【0003】材料中の超音波の伝搬時間は、材料中に発
生させたパルス状の超音波の多重反射エコーを検出し、
その中の2つの反射エコーの到達時間差に基づいて測定
する方法が良く知られている。即ち図1に示すように、
超音波発生手段20により材料10中にパルス状の超音
波を材料の厚さ方向に伝搬させるとともに、超音波受信
手段(図1では超音波発生手段と兼用)により材料表面
に戻ってくる超音波を受信すると、この受信波形には、
図2に示すように、複数の超音波反射エコーB1、B2、
B3、…が時間遅れを伴って現れる。ここで、反射エコ
ーB1、B2、B3は、それぞれ材料中を1往復、2往
復、3往復だけ伝搬した後に材料表面に到達した反射エ
コーを示す。これらの反射エコーの中から、演算処理手
段32により、例えば図2に示すようにB1エコーとB2
エコーの到達時間差Δtを測定することにより材料中の
伝搬時間が測定できる。
The propagation time of the ultrasonic wave in the material is determined by detecting the multiple reflection echo of the pulsed ultrasonic wave generated in the material,
The method of measuring based on the arrival time difference of two reflected echoes therein is well known. That is, as shown in FIG.
The ultrasonic wave generating means 20 propagates a pulsed ultrasonic wave in the material 10 in the thickness direction of the material, and the ultrasonic wave receiving means (also used as the ultrasonic wave generating means in FIG. 1) returns to the surface of the material. When you receive the
As shown in FIG. 2, a plurality of ultrasonic reflection echoes B1, B2,
B3, ... Appears with a time delay. Here, reflected echoes B1, B2, and B3 are reflected echoes that have reached the surface of the material after propagating in the material for one round trip, two round trips, and three round trips, respectively. From these reflected echoes, the arithmetic processing means 32, for example, B1 echo and B2 echo as shown in FIG.
The propagation time in the material can be measured by measuring the arrival time difference Δt of the echo.

【0004】2つの超音波反射エコーの到達時間差Δt
を求める方法としては、(i)図2のように信号強度が
ピークとなる時間の差を求める方法(ピーク時間差法と
呼ぶことにする)以外に、例えば日本機械学会論文集
(A編)、59巻、567号、286頁に記されている、(ii)
ゼロクロス法や、(iii)相互相関法などが知られてい
る。ゼロクロス法は、各エコーの到達時刻を、そのピー
ク到来時刻ではなくゼロ点を横切る時刻として求める方
法である。また相互相関法は、図3に示すように、2つ
の超音波反射エコーに対し、それぞれのエコーを含む時
間幅twの領域のデータを切り出し(切り出された波形
をそれぞれx(t)、y(t)とする)、次式で定義さ
れる相互相関関数Rxy(τ)を演算する。
Arrival time difference Δt between two ultrasonic reflection echoes
As a method of obtaining (i), other than the method of obtaining the difference between the times at which the signal intensities peak as shown in FIG. Vol. 59, No. 567, p. 286, (ii)
The zero-cross method and (iii) cross-correlation method are known. The zero-cross method is a method of determining the arrival time of each echo as the time when the echo crosses the zero point instead of the peak arrival time. In the cross-correlation method, as shown in FIG. 3, for two ultrasonic reflection echoes, data in a region having a time width tw including each echo is cut out (the cut-out waveforms are x (t) and y ( t)), and a cross-correlation function Rxy (τ) defined by the following equation is calculated.

【0005】[0005]

【数1】 [Equation 1]

【0006】このRxy(τ)が最大となるようなτを求
め、その値をΔtfとすると、2つのエコーの伝搬時間
差は Δt=Δtc+Δtf …(3) として求められる。ここでΔtcは、図3に示すよう
に、2つのエコーの切り出し領域間の時間差である。
When τ is calculated so that this Rxy (τ) becomes maximum, and the value is Δt f , the propagation time difference between the two echoes is calculated as Δt = Δt c + Δt f (3). Here, Δt c is the time difference between the cutout regions of the two echoes, as shown in FIG.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の
(i)ピーク時間差法や(ii)ゼロクロス法では、図4
のように2つの超音波反射エコーの振幅や波形が異なる
場合や、図5のように超音波受信信号のS/Nが低い
(ノイズが大きい)場合に、大きな測定誤差を生ずると
いう問題があった。例えば結晶粒の比較的大きい鋼材中
では超音波の減衰が大きくなり、図4のように超音波反
射エコー間の振幅が大きく変化する。また、材料内部の
超音波の散乱が大きい場合や、高温下の材料を測定する
場合などにおいては、図5のようにS/Nが低下するこ
とが避けられない。
However, in the above-mentioned (i) peak time difference method and (ii) zero-cross method, as shown in FIG.
There is a problem that a large measurement error occurs when the amplitudes and waveforms of the two ultrasonic reflection echoes are different as shown in FIG. 4 or when the S / N of the ultrasonic reception signal is low (noise is large) as shown in FIG. It was For example, in a steel material having relatively large crystal grains, the attenuation of ultrasonic waves becomes large, and the amplitude between ultrasonic reflection echoes greatly changes as shown in FIG. Further, when the scattering of ultrasonic waves inside the material is large, or when measuring a material at a high temperature, it is unavoidable that the S / N decreases as shown in FIG.

【0008】一方、上記の(iii)相互相関法は、図4
に示すような超音波受信波形に対しては比較的測定誤差
の低下は少ないが、図5に示すような低S/N波形に対
しては測定誤差が大きく、超音波伝搬時間を高精度で測
定できないという問題があった。
On the other hand, the above (iii) cross-correlation method is shown in FIG.
Although the measurement error is relatively small for the ultrasonic wave reception waveform as shown in Fig. 5, the measurement error is large for the low S / N waveform as shown in Fig. 5, and the ultrasonic wave propagation time is highly accurate. There was a problem that it could not be measured.

【0009】本発明は、以上のような問題を解決し、超
音波波形が変化したり超音波受信信号のS/Nが低い場
合などでも、高精度で超音波の伝搬時間を測定すること
のできる方法およびその装置を提供することを目的とす
るものである。
The present invention solves the above problems, and can measure the propagation time of ultrasonic waves with high accuracy even when the ultrasonic waveform changes or the S / N of the ultrasonic reception signal is low. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus therefor.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明では、超音波パルスを材料の厚さ方向に発生
させ、該超音波が材料表面に到達する時に生ずる表面変
位をサニャック干渉計によって検出し、該干渉計の出力
信号の中に現れる2つの超音波反射エコーを相互相関処
理することにより材料内の超音波伝搬時間を演算するこ
とにより超音波伝搬時間を測定するようにした。
In order to solve the above problems, in the present invention, an ultrasonic pulse is generated in the thickness direction of a material, and the surface displacement generated when the ultrasonic wave reaches the material surface is Sagnac interference. The ultrasonic wave propagation time in the material is calculated by cross-correlating the two ultrasonic wave reflection echoes appearing in the output signal of the interferometer and measuring the ultrasonic wave propagation time. .

【0011】この際、前記サニャック干渉計の2つのア
ームの長さの差ΔLが、 C/(nf)<ΔL<2dC/(nV) (ここで、C:真空中の光速、n:干渉計アーム媒体の
屈折率、f:超音波周波数、d:材料の厚さ、V:超音
波音速)を満たすようにするのが好適である。
At this time, the difference ΔL between the lengths of the two arms of the Sagnac interferometer is C / (nf) <ΔL <2dC / (nV) (where C is the speed of light in vacuum, and n is the interferometer). It is preferable to satisfy the refractive index of the arm medium, f: ultrasonic frequency, d: material thickness, V: ultrasonic sound velocity.

【0012】更に、前記サニャック干渉計の少なくとも
一方のアームの長さを変更可能とすることが望ましい。
Further, it is desirable that the length of at least one arm of the Sagnac interferometer can be changed.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明による超音波伝搬時間測定
装置の第1実施形態の構成を図6に示す。また、本発明
による超音波伝搬時間測定方法のフローチャートを図7
に示す。以下、図6および図7に基づいて、本発明の第
1実施形態について説明する。
FIG. 6 shows the configuration of a first embodiment of an ultrasonic propagation time measuring device according to the present invention. In addition, a flow chart of the ultrasonic propagation time measuring method according to the present invention is shown in FIG.
Shown in. Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7.

【0014】まず、超音波発生手段40により、超音波
パルスを被測定材料10の厚さ方向に伝搬させる(図7
のステップ100)。超音波発生手段40としては、圧
電振動子を用いることも可能であるが、本発明の効果を
最大限に利用するには、より広帯域な超音波パルスを発
生させることができる、パルスレーザー発振装置を用い
るのが好適である。例えばパルス幅が数nsのパルスY
AGレーザーを材料表面に照射すると、非常に広帯域の
超音波パルスを材料中に発生させることができる。
First, the ultrasonic wave generating means 40 propagates an ultrasonic wave pulse in the thickness direction of the material 10 to be measured (FIG. 7).
Step 100). A piezoelectric oscillator may be used as the ultrasonic wave generating means 40, but in order to make the most of the effect of the present invention, a pulse laser oscillator capable of generating a wider range of ultrasonic wave pulses. Is preferably used. For example, a pulse Y with a pulse width of several ns
Irradiating the surface of the material with an AG laser can generate very wideband ultrasonic pulses in the material.

【0015】このようにして材料中に発生した超音波
は、材料10の表面(超音波発生手段40と対向する図
の左側の面)と裏面(超音波発生手段40と反対側の図
の右側の面)の間を多重反射する。そこで、材料表面上
の超音波発生位置とほぼ同一位置において、材料表面の
変位をサニャック干渉計50で検出する(図7のステッ
プ110)。超音波多重反射エコーがこの検出位置に到
達する度に、材料表面が微小量だけ変位(振動)するの
で、図2に示したような超音波多重反射エコーを得るこ
とができる。
The ultrasonic waves generated in the material in this manner are the front surface (the surface on the left side in the figure facing the ultrasonic wave generating means 40) and the rear surface (the right side in the figure opposite to the ultrasonic wave generating means 40) of the material 10. Multiple reflections between the surfaces. Therefore, the displacement of the material surface is detected by the Sagnac interferometer 50 at substantially the same position as the ultrasonic wave generation position on the material surface (step 110 in FIG. 7). Each time the ultrasonic multiple reflection echo reaches this detection position, the material surface is displaced (vibrated) by a minute amount, so that the ultrasonic multiple reflection echo as shown in FIG. 2 can be obtained.

【0016】以下、演算処理手段32によって、従来法
と同様の手順で、2つの超音波反射エコーを切り出し、
これらの相互相関関数の最大値を演算することにより、
被測定材料中の超音波の伝搬時間を求める(図7のステ
ップ120)。
Thereafter, the arithmetic processing means 32 cuts out two ultrasonic reflection echoes in the same procedure as in the conventional method,
By computing the maximum of these cross-correlation functions,
The propagation time of ultrasonic waves in the material to be measured is obtained (step 120 in FIG. 7).

【0017】次に、図8に示すサニャック干渉計の構成
例に基づいて、本発明で用いるサニャック干渉計50に
ついて説明する。サニャック干渉計は光干渉計の一種で
あり、ファイバージャイロスコープなどに良く使用され
ているものである。このサニャック干渉計50におい
て、連続発振レーザー52から発振されたレーザービー
ムは、カプラー54によって2つのアームに分岐され
る。ここでは、各アームが光ファイバー(ファイバー5
6Aおよびファイバー56B)で構成される場合につい
て述べる。ファイバー56Aおよびファイバー56Bの
長さをそれぞれLa、Lbとする。
Next, the Sagnac interferometer 50 used in the present invention will be described based on the configuration example of the Sagnac interferometer shown in FIG. The Sagnac interferometer is a type of optical interferometer and is often used in fiber gyroscopes. In this Sagnac interferometer 50, the laser beam emitted from the continuous wave laser 52 is branched into two arms by the coupler 54. Here, each arm is an optical fiber (fiber 5
6A and fiber 56B) will be described. The lengths of the fiber 56A and the fiber 56B are La and Lb, respectively.

【0018】この分岐されたレーザービームは、カプラ
ー58で結合され、集光レンズ60などの光学系を介し
て被測定材料10の表面に照射される。
The branched laser beams are combined by a coupler 58, and are irradiated onto the surface of the material 10 to be measured through an optical system such as a condenser lens 60.

【0019】材料表面で反射されたレーザービームは、
上記光学系(60)を介してカプラー58に導かれ、再
び2つのファイバー56A、56Bに分岐される。その
後、再びカプラー54で結合され、光検出器62に入力
され電気信号に変換された後、アンプ64で増幅されて
出力される。
The laser beam reflected by the material surface is
It is guided to the coupler 58 through the optical system (60) and is branched into two fibers 56A and 56B again. After that, they are again combined by the coupler 54, input to the photodetector 62, converted into an electric signal, amplified by the amplifier 64, and output.

【0020】レーザー52として低コヒーレントレーザ
ーを用いると、光検出器62には、(I)カプラー54
⇒ファイバー56A⇒カプラー58⇒集光レンズ60⇒
被測定材料10の表面⇒集光レンズ60⇒カプラー58
⇒ファイバー56B⇒カプラー54という経路で進むビ
ームaと、(II)カプラー54⇒ファイバー56B⇒カ
プラー58⇒集光レンズ60⇒被測定材料10の表面⇒
集光レンズ60⇒カプラー58⇒ファイバー56A⇒カ
プラー54という経路で進むビームbとの干渉信号が得
られる。
When a low coherent laser is used as the laser 52, the photodetector 62 has an (I) coupler 54.
⇒ Fiber 56A ⇒ Coupler 58 ⇒ Condenser lens 60 ⇒
Surface of measured material 10 ⇒ condensing lens 60 ⇒ coupler 58
⇒ Beam a traveling along the path of fiber 56B ⇒ coupler 54, and (II) coupler 54 ⇒ fiber 56B ⇒ coupler 58 ⇒ condensing lens 60 ⇒ surface of material 10 to be measured ⇒
An interference signal with the beam b traveling on the path of the condenser lens 60 ⇒ coupler 58 ⇒ fiber 56A ⇒ coupler 54 is obtained.

【0021】被測定材料10の表面が超音波到達に伴い
振動すると、たとえば文献「Reviewof Progress in
Quantitative Nondestructive Evaluation、Vol.1
5、Edited by D.O.Thompson and D.E.Chiment
i、Plenum Press、New York、1996」などに示されて
いるように、この光検出器62に超音波振動に対応した
出力が得られるので、超音波を非接触で検出(受信)す
ることができる。
When the surface of the material 10 to be measured vibrates due to the arrival of ultrasonic waves, for example, the document “Review of Progress in
Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 1
5, Edited by D. O. Thompson and D. E. Chiment
i, Plenum Press, New York, 1996 ”, etc., since an output corresponding to ultrasonic vibration can be obtained from this photodetector 62, ultrasonic waves can be detected (received) in a non-contact manner. it can.

【0022】本発明者は、このサニャック干渉計50を
用いた超音波検出法について鋭意研究を重ねたところ、
パルス状の超音波、特に広帯域の超音波パルスを検出す
る場合、図9に示すような特異な干渉計出力が得られる
ことを見出した。即ち、超音波パルスが図9(a)に示
すような単極性の広帯域パルスのとき、サニャック干
渉計の出力は図9(b)に示すような両極性のパルスに
なる、2つのアームの長さの差(La-Lb)を大きく
していくと、この両極性のパルスの間に図9(c)に示
すような時間遅れtdが生ずる、この時間遅れtdの値
は、アームを構成する媒体(本例ではファイバー56
A、56Bのコア媒体)の屈折率をn、真空中の光速を
C、2つのアームの長さの差をΔL(=La-Lb)とし
て、 td=nΔL/C …(4) となる。
The present inventor has conducted extensive studies on an ultrasonic detection method using the Sagnac interferometer 50,
It has been found that when detecting pulsed ultrasonic waves, particularly wideband ultrasonic pulses, a peculiar interferometer output as shown in FIG. 9 is obtained. That is, when the ultrasonic pulse is a unipolar wideband pulse as shown in FIG. 9A, the output of the Sagnac interferometer becomes a bipolar pulse as shown in FIG. As the difference (La-Lb) is increased, a time delay t d as shown in FIG. 9C occurs between the bipolar pulses. The value of this time delay t d is Constituent medium (fiber 56 in this example)
Assuming that the refractive index of the core media of A and 56B is n, the speed of light in a vacuum is C, and the difference between the lengths of the two arms is ΔL (= La-Lb), then t d = nΔL / C (4) .

【0023】本発明は以上の知見に基づくものである。
即ち、図9(c)のような一定の時間遅れtdを有した
両極性のパルスは、ランダムなノイズ成分との分離が容
易であるので、受信超音波多重反射エコーの内の2つの
エコーに対して、図10に示すように相互相関演算を施
せば、S/Nの低い超音波受信信号であっても、あるい
はエコー間の振幅や波形が変化するような場合であって
も、高精度で伝搬時間を測定することができる。
The present invention is based on the above findings.
That is, since a bipolar pulse having a constant time delay t d as shown in FIG. 9C can be easily separated from a random noise component, two echoes of the received ultrasonic multiple reflection echoes can be obtained. On the other hand, if cross-correlation calculation is performed as shown in FIG. 10, even if the received ultrasonic signal has a low S / N, or if the amplitude or waveform between echoes changes, the high It is possible to measure the propagation time with accuracy.

【0024】次に、本発明による超音波伝搬時間測定装
置を構成する際の、サニャック干渉計50のアーム長の
差ΔLの好適な条件について説明する。図9(b)に示
すような時間遅れtdが小さい(ΔL≒0)場合は、ノ
イズとの分離が必ずしも容易ではないので、図9(c)
のようにtdが超音波パルスの周期に比べて大きい方が
好ましい。一方、図10から容易に推測できるように、
dの値は隣接する超音波反射エコーの間隔より小さい
方が好ましい。以上より、好適なtdの範囲は(5)式
のようになる。
Next, a preferable condition of the arm length difference ΔL of the Sagnac interferometer 50 when constructing the ultrasonic wave propagation time measuring device according to the present invention will be described. When the time delay t d as shown in FIG. 9B is small (ΔL≈0), it is not always easy to separate it from noise, so that FIG.
As described above, it is preferable that t d is larger than the cycle of the ultrasonic pulse. On the other hand, as can be easily inferred from FIG.
The value of t d is preferably smaller than the interval between adjacent ultrasonic reflection echoes. From the above, the preferable range of t d is expressed by equation (5).

【0025】[0025]

【数2】 ここでfは超音波の周波数、dは被測定材料の厚さ、V
は被測定材料中の超音波音速である。
[Equation 2] Where f is the frequency of ultrasonic waves, d is the thickness of the material to be measured, V
Is the ultrasonic velocity of sound in the measured material.

【0026】(4)、(5)式より、本発明における、
サニャック干渉計50の好適なアーム長の差ΔLは
(6)式のようになる。
From the expressions (4) and (5),
A preferable difference ΔL between the arm lengths of the Sagnac interferometer 50 is as shown in equation (6).

【0027】[0027]

【数3】 [Equation 3]

【0028】なお、被測定材料の厚さや音速が大きく異
なる場合には、長さの異なるファイバーを複数本用意し
ておき、被測定材料に応じて、サニャック干渉計50の
一方のアーム(たとえばファイバー56A)を適当な長
さのファイバーに取り替えるようにすればよい。このよ
うにすることにより、単一のサニャック干渉計を用いて
非常に汎用性の高い測定システムを実現することができ
る。
When the material to be measured has a large difference in thickness or sound velocity, a plurality of fibers having different lengths are prepared, and one arm of the Sagnac interferometer 50 (for example, fiber) is prepared according to the material to be measured. 56A) may be replaced by a fiber having an appropriate length. By doing so, a very versatile measurement system can be realized using a single Sagnac interferometer.

【0029】以上の説明では、超音波発生手段40によ
る超音波発生位置とサニャック干渉計50による超音波
受信位置を被測定材料10の同一の面に配置した場合を
記したが、図11に示す第2実施形態のように、両者を
被測定材料10の反対側に配置することも可能である。
In the above description, the case where the ultrasonic wave generation position by the ultrasonic wave generation means 40 and the ultrasonic wave reception position by the Sagnac interferometer 50 are arranged on the same surface of the material 10 to be measured is described, but it is shown in FIG. As in the second embodiment, it is also possible to arrange the both on the opposite side of the measured material 10.

【0030】また、超音波伝搬時間の測定においては、
B1エコーとB2エコーの到達時間差を用いる方法につい
て述べたが、2つのエコーの組合わせは、これに限定さ
れるものではなく、例えばB1エコーとB3エコーを用い
て相互相関演算を行っても差し支えない。
In measuring the ultrasonic wave propagation time,
Although the method of using the arrival time difference between the B1 echo and the B2 echo has been described, the combination of the two echos is not limited to this, and for example, the cross correlation calculation may be performed using the B1 echo and the B3 echo. Absent.

【0031】[0031]

【実施例】本発明による超音波伝搬時間測定の実施例に
ついて述べる。本例では、超音波発生手段40として、
パルス幅5nsで出力20mJのパルスYAGレーザー
を用いた。また超音波受信用のサニャック干渉計50
は、出力100mWの連続発振の半導体レーザー52、
光ファイバー(コアの屈折率n=1.48)で構成され
る2本のアーム56A、56B、高速PINフォトダイ
オードで構成される光検出器62を装備したものを用い
た。演算処理手段32としては、サンプリングレート2
00MS/sの高速A/D変換器とパソコンを用いた。
被測定材料10は、厚さ1.0〜2.6mmの炭素鋼板
であり、この鋼板中の超音波音速は5930m/sであ
った。
EXAMPLES Examples of ultrasonic wave propagation time measurement according to the present invention will be described. In this example, as the ultrasonic wave generation means 40,
A pulse YAG laser with a pulse width of 5 ns and an output of 20 mJ was used. Also, Sagnac interferometer 50 for ultrasonic wave reception
Is a continuous wave semiconductor laser 52 having an output of 100 mW,
The one equipped with two arms 56A and 56B composed of optical fibers (core refractive index n = 1.48) and a photodetector 62 composed of a high-speed PIN photodiode was used. As the arithmetic processing means 32, the sampling rate 2
A high-speed A / D converter of 00 MS / s and a personal computer were used.
The material 10 to be measured was a carbon steel plate having a thickness of 1.0 to 2.6 mm, and the ultrasonic sonic velocity in this steel plate was 5930 m / s.

【0032】上記のパルスレーザー照射によって鋼板中
に発生する超音波パルスは、中心周波数が約20MHz
の非常に広帯域なパルスであった。
The ultrasonic pulse generated in the steel sheet by the above pulse laser irradiation has a center frequency of about 20 MHz.
It was a very wideband pulse.

【0033】本例において、厚さ1.0mmの鋼板を測
定するのに好適なΔLは、(6)式より、 10.1m<ΔL<68.7m …(7) また厚さ2.6mmの鋼板を測定するのに好適なΔL
は、(6)式より、 10.1m<ΔL<178.7m …(8) となる。従って厚さ1.0〜2.6mmの範囲の鋼板す
べてに適用できる条件として、サニャック干渉計50の
アームの長さの差ΔLを30mとした。
In the present example, ΔL suitable for measuring a steel plate having a thickness of 1.0 mm is 10.1 m <ΔL <68.7 m (7) according to equation (6). ΔL suitable for measuring steel sheets
From equation (6), 10.1 m <ΔL <178.7 m (8) Therefore, as a condition applicable to all the steel plates in the thickness range of 1.0 to 2.6 mm, the difference ΔL in the arm length of the Sagnac interferometer 50 is set to 30 m.

【0034】上記鋼板の超音波伝搬時間を、本発明によ
る方法および従来法で測定した結果を表1に示す。本発
明による方法とは、上記の方法・装置を用いて測定した
ものである。また従来法とは、上記のパルスYAGレー
ザーとマイケルソン干渉計および相互相関処置演算を用
いて測定したものである。
Table 1 shows the results of measuring the ultrasonic wave propagation time of the above steel sheet by the method according to the present invention and the conventional method. The method according to the present invention is measured using the above method and apparatus. Further, the conventional method is a measurement using the above-mentioned pulse YAG laser, Michelson interferometer and cross-correlation treatment calculation.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】表中の板厚はマイクロメータで測定した値
であり、また超音波伝搬時間真値とは、この板厚と鋼板
中の音速(5930m/s)から算出した値である。本
実施例ではパルスYAGレーザーの出力が比較的低かっ
たため、受信超音波のS/Nも低くなり、従来法では超
音波伝搬時間が真値とかなり乖離したものが見られた
が、本発明による方法は真値とよく一致した。この結果
から、本発明による方法・装置の優位性が確認された。
The plate thickness in the table is a value measured with a micrometer, and the ultrasonic wave propagation time true value is a value calculated from this plate thickness and the speed of sound in the steel plate (5930 m / s). Since the output of the pulse YAG laser was relatively low in this example, the S / N ratio of the received ultrasonic waves was also low, and in the conventional method, it was observed that the ultrasonic wave propagation time deviated considerably from the true value, but according to the present invention. The method was in good agreement with the true value. From this result, the superiority of the method and apparatus according to the present invention was confirmed.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いれ
ば、超音波受信波形のS/Nが低い場合でも、被測定材
料中の超音波伝搬時間を高精度で測定することができ
る。また、超音波発生手段にパルスレーザーを用いれ
ば、非接触で超音波伝搬時間を測定することも可能なた
め、たとえば高温材料や高速で移動する材料にも適用で
きるという効果も有する。
As described above, according to the present invention, the ultrasonic wave propagation time in the material to be measured can be measured with high accuracy even when the S / N of the ultrasonic wave reception waveform is low. Further, if a pulsed laser is used as the ultrasonic wave generation means, it is possible to measure the ultrasonic wave propagation time in a non-contact manner, so that there is an effect that it can be applied to, for example, a high temperature material or a material that moves at high speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】超音波伝搬時間測定の原理を説明する模式図FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of ultrasonic wave propagation time measurement.

【図2】超音波伝搬時間測定における超音波受信波形の
例を示すタイムチャート
FIG. 2 is a time chart showing an example of an ultrasonic wave reception waveform in ultrasonic wave propagation time measurement.

【図3】相互相関法による超音波伝搬時間測定原理を説
明するタイムチャート
FIG. 3 is a time chart explaining the principle of ultrasonic wave propagation time measurement by the cross-correlation method.

【図4】超音波エコーの振幅や波形が変化した場合の超
音波受信波形の例を示すタイムチャート
FIG. 4 is a time chart showing an example of an ultrasonic wave reception waveform when the amplitude and the waveform of the ultrasonic wave echo are changed.

【図5】S/Nが低い場合の超音波受信波形の例を示す
タイムチャート
FIG. 5 is a time chart showing an example of an ultrasonic wave reception waveform when the S / N is low.

【図6】本発明による超音波伝搬時間測定装置の第1実
施形態の構成を示す模式図
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a first embodiment of an ultrasonic propagation time measuring device according to the present invention.

【図7】本発明による超音波伝搬時間測定方法における
処理手順を示すフローチャート
FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure in the ultrasonic propagation time measuring method according to the present invention.

【図8】本発明で用いるサニャック干渉計の構成例を示
す模式図
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration example of a Sagnac interferometer used in the present invention.

【図9】前記サニャック干渉計による超音波パルスの受
信波形の例を示すタイムチャート
FIG. 9 is a time chart showing an example of a reception waveform of an ultrasonic pulse by the Sagnac interferometer.

【図10】本発明による超音波伝搬時間測定時の超音波
受信波形の例を示すタイムチャート
FIG. 10 is a time chart showing an example of an ultrasonic wave reception waveform at the time of ultrasonic wave propagation time measurement according to the present invention.

【図11】本発明による超音波伝搬時間測定装置の第2
実施形態の構成を示す模式図
FIG. 11 is a second ultrasonic wave propagation time measuring device according to the present invention.
Schematic diagram showing the configuration of the embodiment

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…被測定材料 32…演算処理手段 40…超音波発生手段 50…サニャック干渉計 52…レーザー 54、58…カプラー 56A、56B…光ファイバー 60…集光レンズ 62…光検出器 64…アンプ 10 ... Material to be measured 32 ... Arithmetic processing means 40 ... Ultrasonic wave generation means 50 ... Sagnac interferometer 52 ... Laser 54, 58 ... Coupler 56A, 56B ... Optical fiber 60 ... Condensing lens 62 ... Photodetector 64 ... Amplifier

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】超音波パルスを材料の厚さ方向に発生さ
せ、該超音波が材料表面に到達する時に生ずる表面変位
をサニャック干渉計によって検出し、該干渉計の出力信
号の中に現れる2つの超音波反射エコーを相互相関処理
することにより材料内の超音波伝搬時間を演算すること
を特徴とする超音波伝搬時間測定方法。
1. An ultrasonic pulse is generated in the thickness direction of a material, and a surface displacement generated when the ultrasonic wave reaches a surface of the material is detected by a Sagnac interferometer and appears in an output signal of the interferometer. An ultrasonic wave propagation time measuring method characterized in that the ultrasonic wave propagation time in a material is calculated by cross-correlating two ultrasonic wave reflection echoes.
【請求項2】超音波パルスを材料の厚さ方向に発生させ
る超音波発生手段と、 該超音波が材料表面に到達する時に生ずる表面変位を検
出するサニャック干渉計と、 該干渉計の出力信号の中に現れる2つの超音波反射エコ
ーを相互相関処理することにより材料内の超音波伝搬時
間を演算する演算処理手段と、 を備えたことを特徴とする超音波伝搬時間測定装置。
2. An ultrasonic wave generating means for generating an ultrasonic wave pulse in a thickness direction of a material, a Sagnac interferometer for detecting a surface displacement generated when the ultrasonic wave reaches a material surface, and an output signal of the interferometer. An ultrasonic wave propagation time measuring device, comprising: an arithmetic processing unit for calculating an ultrasonic wave propagation time in a material by performing a cross-correlation process on two ultrasonic wave reflection echoes appearing in the inside.
【請求項3】前記サニャック干渉計の2つのアームの長
さの差ΔLが、 C/(nf)<ΔL<2dC/(nV) (ここで、C:真空中の光速、n:干渉計アーム媒体の
屈折率、f:超音波周波数、d:材料の厚さ、V:超音
波音速)を満たすことを特徴とする、請求項2記載の超
音波伝搬時間測定装置。
3. The difference ΔL in length between the two arms of the Sagnac interferometer is C / (nf) <ΔL <2dC / (nV) (where C is the speed of light in a vacuum, and n is the interferometer arm). The ultrasonic propagation time measuring device according to claim 2, wherein the refractive index of the medium, f: ultrasonic frequency, d: material thickness, V: ultrasonic sound velocity) are satisfied.
【請求項4】前記サニャック干渉計の少なくとも一方の
アームの長さが変更可能とされていることを特徴とする
請求項2又は3に記載の超音波伝搬時間測定装置。
4. The ultrasonic wave propagation time measuring device according to claim 2, wherein at least one arm of the Sagnac interferometer can be changed in length.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010038710A (en) * 2008-08-05 2010-02-18 Ihi Inspection & Instrumentation Co Ltd Method and device for calculating thickness with ultrasonic
JP2018128362A (en) * 2017-02-09 2018-08-16 横浜ゴム株式会社 Sound wave transmission characteristics measuring apparatus and sound wave transmission characteristics measuring method

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