JP2005164298A - 渦流探傷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅な設備追加を必要としない方法によって、被検体の渦流探傷信号中から凹凸等の偽信号や電磁ノイズ等の影響を受けることなく、表面疵や表面近傍の非金属介在物等の異物による信号を検出する。
【解決手段】被検体の表面に近接させた誘導コイルに交流電流を励起信号として印加して被検体表面近傍に渦電流を誘導し、前記渦電流の変化の結果発生する磁場の変化を検出コイルの起電力である検出信号として検出する渦流探傷において、前記検出信号のうち、前記励起信号と同一の位相である信号成分を実数部ｘ、該励起信号と９０度の位相差を有する信号成分を虚数部ｙとし、検出コイルの被検体との相対移動距離ｌをパラメータとする複素検出信号ｚ(l)を形成し、予め設定された複素数のインパルス応答を有するフィルタＨ(l)を前記検出信号に作用させた出力が、予め設定した閾値を超えた場合に被検体の異常部と判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属の表面疵、及び、表面や表面近傍の非金属介在物等の不純物を検出するための渦流探傷方法及び装置に関する。

従来の渦流探傷装置（電磁誘導探傷と渦流探傷は同一のものであるので、以下では渦流探傷装置、渦流探傷方法、などと記述する）では、例えば、非特許文献１の４１頁に記載されているように、試験コイルにより検出された信号を適切な振幅に増幅した後に、２つの同期検波器により、試験コイルで検出された信号を、基準信号と同一位相成分及び直交する成分に分解し、ベクトルとして２次元的に観察することにより、減肉の深さを疵信号の２次元的なパターンの向きから推定したり、疵と試験コイルを移動させる際に発生した不要なノイズ（ガタ）と区別するようなことが行なわれている。更に、発振器と２つの同期検波器の間に設けられた移相器により、２次元表示させるベクトルを回転させて、励起信号と特定の位相差θの成分を抑圧するような手法も用いられている。

又、前記のようにして抑圧されるガタ以外に発生するノイズの抑制を目的として、検出信号にフィルタを作用させる方法が従来より提案されている。例えば、前述の非特許文献１の４６頁では、位相検波後の出力波形に対し、低域フィルタ、高域フィルタ、帯域フィルタ等により、疵信号と異なる周波数成分の雑音を除去する方法が開示されている。

又、別な方法として、例えば特許文献１では、所定の方法により設定する位相方向へ投影して得られる検出信号の成分がディジタル値に変換され、かくして得られたディジタル信号が検出される欠陥の種類の関数として決定される特性のディジタルフィルタによりフィルタリングされて、上記ディジタルフィルタの出力信号が所定の閾値を越えたときに欠陥検出信号を発することを特徴とする製品欠陥検出方法が提案されている。

特表昭６２−５００２６１号公報 （社）日本非破壊検査協会発行「渦流探傷試験Ｉ」

しかしながら、前述したような従来技術によっては、製造工程で発生する割れ等の疵を、鋳造状態の表面凹凸等から区別して精度良く検出することは困難であった。

何故なら、非特許文献１の４１頁に記載された、第一の従来技術においては、現場等で頻繁に発生する電磁ノイズ等のランダムノイズが検出信号に混入した場合、ランダムノイズがベクトル軌跡にランダムに混入するため、割れの信号成分をベクトルの観察によって識別することが困難であるからである。

又、非特許文献１の４６頁に記載された、疵と異なる周波数のノイズを抑制するフィルタを用いる第二の従来技術においては、現場の電気ノイズ、電磁波ノイズ等で、疵による検出信号の振幅変化と異なる周波数成分のノイズは抑制できるものの、表面の凹凸によって渦流探傷の検出信号中に発生する偽信号は、割れ等の疵による検出信号に近い周波数成分を有するため、この凹凸による偽信号を、低域フィルタ等のフィルタにより効果的に抑制することは困難である、という問題点があった。

又、特許文献１に記載された第三の従来技術によっても、凹凸等の擾乱を抑制して割れ等の欠陥は検出できない。何故なら、同技術によると、検出信号に対して同期検波を行なう位相の回転は、検出信号ベクトルの投影の平均値を最小とするような角度によってなされ、この角度が適当な周期毎に再設定されるため、検出装置が検出した信号が凹凸等の擾乱であって振幅が大きい場合、擾乱の波形に位相が自動で調整されてしまい、割れを適切に検出することができなくなってしまう、といった問題点があるからである。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、大幅な設備追加を必要としない方法によって、被検体の渦流探傷信号中から凹凸等の偽信号や電磁ノイズ等の影響を受けることなく、表面疵や表面近傍の非金属介在物等の異物による信号を検出することを課題とする。

本発明は、被検体の表面に近接させた誘導コイルに交流電流を励起信号として印加して被検体表面近傍に渦電流を誘導し、前記渦電流の変化の結果発生する磁場の変化を検出コイルの起電力である検出信号として検出する渦流探傷方法において、前記検出信号のうち、前記励起信号と同一の位相である信号成分を実数部ｘ、該励起信号と９０度の位相差を有する信号成分を虚数部ｙとし、検出コイルの被検体との相対移動距離ｌをパラメータとする複素検出信号ｚ(l)を形成し、予め設定された複素数のインパルス応答を有するフィルタＨ(l)を前記検出信号に作用させた出力が、予め設定した閾値を超えた場合に被検体の異常部と判定するようにして、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、被検体の表面に近接させた誘導コイルに交流電流を励起信号として印加して被検体表面近傍に渦電流を誘導し、前記渦電流の変化の結果発生する磁場の変化を検出コイルの起電力である検出信号として検出する渦流探傷装置において、前記検出信号のうち、前記励起信号と同一の位相である信号成分を実数部ｘ、該励起信号と９０度の位相差を有する信号成分を虚数部ｙとし、検出コイルの被検体との相対移動距離ｌをパラメータとする複素検出信号ｚ(l)を形成する手段と、予め設定された複素数のインパルス応答を有するフィルタＨ(l)と、該フィルタを前記検出信号に作用させた出力が、予め設定した閾値を超えた場合に被検体の異常部と判定する手段と、を備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。

又、前記フィルタとして、ｌ＝０に存在する既知の表面疵の近傍を走査した際に得られるベクトル軌跡Ｗ(l)に基づき、Ｈ(l)＝Ｗ^*(-l)となる複素マッチトフィルタを使用するようにしたものである。

又、前記フィルタとして、ｌ＝０に存在する既知の表面疵の近傍を走査した際に得られるベクトル軌跡Ｗ(l)に基づき、Ｈ(l)＝Ｗ^-1(l)となる複素逆フィルタを使用するようにしたものである。

本発明により、大幅な設備追加を必要としない方法によって、被検体の渦流探傷信号中から凹凸等の偽信号や電磁ノイズ等の影響を受けることなく、表面疵や表面近傍の非金属介在物等の異物による信号を検出するようにしたので、被検体の表面及び表面近傍の探傷の信頼性を大幅に向上させることができる。

従来の渦流探傷で行なわれている渦流探傷信号の位相検波は、元来複素信号として検出される信号ベクトルを２次元座標上で原点の周りに所定の角度だけ回転させた上で所定の成分を射影することに相当する。例えば、検出信号として取り出す成分を検出信号ベクトルのＸ軸への投影成分とすると、この回転によりノイズの投影成分を見かけ上小さくすることはできるが、疵信号とノイズの位相関係は一定のままであり、疵信号と同一の位相を持つノイズを、この方法により抑制することはできない。

一方、通信分野等で用いられている整合フィルタ理論によると、原信号成分ｘ(t)にノイズｎ(t)が混入した観測波形ｙ(t)にフィルタｈ(t)を作用させてｘ(t)の存在を検出する場合、Ｓ／Ｎ比が最適となるフィルタの応答は、ｘ(t)の波形を時間軸方向に反転させたものと一致することが知られている。又、信号が虚数成分を持つ複素信号の場合は、ｈ(t)としてｘ^*(-t)（^*は複素共役を表わす）である。即ち、既知の割れによる探傷信号ｗ(t)に基づいて生成されるフィルタｈ(t)＝ｗ^*(-t)を検出信号ベクトルに作用させると、疵信号のＳ／Ｎを最大にすることができる。

即ち、マッチトフィルタの演算式は、出力波形をｓ(t)とすると、

と表わされる。ここで、φ_xx(t)、φ_nx(t)は、それぞれｘ(t)の自己相関関数、ｘ(t)とｎ(t)の相互相関関数であるが、ノイズｎ(t)は一般に疵信号波形と相関が無いため、第２項の積分値は第１項に比べて非常に小さくなる。つまり、このマッチトフィルタ演算により、検出信号中のノイズｎ(t)を抑制して疵信号のみを検出することができる。

又、疵信号成分ｘ(t)を、あるフィルタのインパルス応答と見做し、その逆フィルタｒ(t)＝ｘ^-1(t)を構成して前述の観測波形ｙ(t)に作用させると、観測波形に疵信号ｘ(t)が存在する場合、ｘ(t)の成分がインパルスとなり、一方ノイズにｘ^-1(t)を作用させた出力はインパルスとならず雑音状の波形のままであるので、この手法によっても、観測波形中から疵信号を高いＳ／Ｎで検出することができる。ここで、ｘ(t)の逆フィルタの算出方法は、いろいろな方法が知られているが、最も簡便には、
ｙ(t)＝Ｆ^-1［１／ｘ（ω）］ ・・・（２）
というように、ｘ(1)のフーリエ変換によって算出される周波数応答関数Ｘ（ω）の逆関数を逆フーリエ変換すればよい。上述の式（２）において、Ｆ^-1［］は逆フーリエ変換演算を示す。

以上の説明において、波形の変数として時間ｔを用いたが、一般に渦流探傷は被検体上でコイルを移動させて、その位置ｌを変数としてｘ(t)、ｙ(t)のように表わすこともあるが、コイルを一定速度で動かすようにするとか、測定中の各時刻におけるコイル位置のデータｌ(t)を介在することで相互に変換可能であり、コイル座標をパラメータとする探傷信号波形に対しても同様な実施形態が成り立つのは明らかである。

又、疵信号にマッチトフィルタを作用させた出力、疵信号に逆フィルタを作用させた出力のどちらも、虚数成分が零となることに留意すべきである。即ち、本発明の最良の実施形態によれば、これらのフィルタを作用させることで、試行錯誤的な調整作業を必要とする位相調整作業が不要になるのである。

更に、本発明によると、複素マッチトフィルタ及び逆フィルタにより、疵の信号波形、パルス状の波形に集束する効果があるので、本発明の効果を好適に発揮するのは、特に疵信号が原点の周りに８の字状にループを描き、そのループの回り込みが大きい場合である。

以下、図を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明に係る被検体の渦流探傷装置の構成の第１実施例を示す概略図である。

図１において、８は被検体、１０はコイル、２０は渦流探傷器、３０は波形メモリ、４０はマッチトフィルタ算出回路、５０は演算回路、６０は表示手段である。

コイル１０は、被検体８の表面に近接あるいは当接させて、図示しない移動手段により移動させながら、被検体表面に励起される渦電流の異物による乱れの有無を検出するもので、本発明においては渦流探傷コイルとして市販されている公知の構造のものを利用すればよい。

渦流探傷器２０は、コイル１０により励起する誘導電流を印加し、検出される渦電流の乱れを適切な振幅の電気信号として検出するもので、これも渦流探傷器として市販されている公知の構成のものを使用すればよい。その一例として、図２のように、ブリッジ２１、発振回路２２、移相器２３、増幅回路２４、平衡回路２５、位相調整器２６、同期検波回路２７、から構成される渦流探傷器を使用すればよいが、本発明では実施最良形態の項で説明したように、位相調整器２６は省略することもできる。

波形メモリ３０は、基準となる表面疵等の異常部を探傷した際の探傷波形ベクトルｗ(l)を記憶させるもので、時刻あるいはプローブ移動量毎にサンプリングした同相成分（実数部）、直交成分（虚数部）の複素ディジタルデータｗ(n)をメモリ素子等に保存するものが好適である。ここでｎはサンプリングされた波形の順序を示すインデックスであり、もとのプローブ移動距離とはｌ＝ｎΔｌの関係となる。

マッチトフィルタ算出回路４０は、前記波形メモリ３０に記憶された基準波形ｗ(l)のマッチトフィルタの応答波形を算出するものであり、演算回路５０は、被検体８の探傷によって採取される渦流探傷波形ｚ(l)と前記マッチトフィルタ算出回路４０の出力ｈ(l)のフィルタ演算を行なうもので、公知の積分回路、あるいは積和演算素子等で構成することができる。

表示手段６０は、一般的な信号強度を表示する公知の機器を用いればよいが、表示手段６０以降は、一般の渦流探傷装置に倣ってリジェクション回路や記録装置等に順次接続してもよい。

次に、本実施例の動作について説明する。

図３は、コイル１０を用いて被検体８の表面を探傷した際に渦流探傷器２０が検出した信号波形である。図中のａが疵信号、ｂ、ｃは被検体８表面の凹凸及び電気ノイズによる雑音成分（ノイズ）である。この生波形の状態での疵信号の検出Ｓ／Ｎ比は、Ｓｌ／Ｎｌ＝４３０ｍＶ／２２０ｍＶ＝１．９５であった。

次に図４は、検出波形と人工的に作成した基準表面疵を予め探傷して波形メモリ３０に記憶させた波形に対して、マッチトフィルタ算出回路４０が上述の演算式（１）のようなマッチトフィルタ演算を行なって出力した波形である。図中のｄが疵信号に、ｅ、ｆが図３のノイズｂ、ｃにそれぞれ相当するから、この実施例によって得られる被検体の渦流探傷のＳ／Ｎ比は、Ｓ２／Ｎ２＝６Ｖ／０．９Ｖ＝６．６６であった。

一方、図５は、図３と同一の探傷波形に従来の位相調整検波を施した図である。ここでは、上記の特許文献１に倣って、疵波形の主軸を投影部分（Ｘ座標）に一致させるような位相調整方法を採用した。この方法による疵信号のＳ／Ｎ比は、Ｓ３／Ｎ３＝７９０ｍＶ／４３０ｍＶ＝１．８３であった。

従って、従来技術である位相調整でＳ／Ｎ比がさほど向上できないような探傷波形に対し、本発明によって、被検体の渦流探傷を良好なＳ／Ｎ比で実施可能であることが示された。

図６は、本発明に係る被検体の渦流探傷装置の実施形態の第２実施例を示す概略図である。

図６において、被検体８、コイル１０、渦流探傷器２０、波形メモリ３０、演算回路５０、表示手段６０については第１実施例と同様である。

又、逆フィルタ演算回路７０は、波形メモリ３０に記憶された、基準となる表面疵等の探傷波形ベクトルｗ(l)の逆フィルタのインパルス応答を算出するもので、上記で説明したような公知の逆フィルタ応答算出方法を実装した演算回路を適用すればよい。

次に、第２実施例の動作について説明する。

図７は、図３と同一の被検体表面を探傷した際に本実施例の演算回路５０が出力する探傷波形である。図７中のｇが疵信号に、ｈ、ｉがそれぞれ図３のノイズｂ、ｃに相当する。従って、この実施例によって得られる被検体の渦流探傷のＳ／Ｎ比は、Ｓ４／Ｎ４＝５．１Ｖ／１．６Ｖ＝３．５である。一方、従来技術の一例である位相調整による探傷Ｓ／Ｎ比は、上記のとおり図５中のＳ３／Ｎ３＝７９０ｍＶ／４３０ｍＶ＝１．８３であるから、本実施例によって被検体の渦流探傷を良好なＳ／Ｎ比で実施可能であることが示された。

本発明は、鋼材だけでなく、鋼管や成形体等、各種被検体の検査にも適用できる。

本発明に係る被検体の渦流探傷装置の実施形態の第１実施例を示す概略図 第１実施例で用いた渦流探傷器の構成の一例を示すブロック図 第１実施例でコイルを用いて被検体表面を探傷した際に、渦流探傷器が検出した信号波形のベクトル図 第１実施例において、演算回路がマッチトフィルタ演算を行なった後に出力する波形のベクトル図 図３の波形に対して、従来技術である位相検波を施した後の波形のベクトル図 本発明に係る被検体の渦流探傷装置の実施形態の第２実施例を示す概略図 第２実施例において、演算回路が逆フィルタ演算を行なった後に出力する波形のベクトル図

符号の説明

８…被検体
１０…コイル
２０…渦流探傷器
２１…ブリッジ
２２…発振回路
２３…移相器
２４…増幅回路
２５…平衡回路
２６…位相調整器
２７…同期検波回路
３０…波形メモリ
４０…マッチトフィルタ算出回路
５０…演算回路
６０…表示手段
７０…逆フィルタ算出回路

Claims (6)

1. 被検体の表面に近接させた誘導コイルに交流電流を励起信号として印加して被検体表面近傍に渦電流を誘導し、前記渦電流の変化の結果発生する磁場の変化を検出コイルの起電力である検出信号として検出する渦流探傷方法において、
   前記検出信号のうち、前記励起信号と同一の位相である信号成分を実数部ｘ、該励起信号と９０度の位相差を有する信号成分を虚数部ｙとし、検出コイルの被検体との相対移動距離ｌをパラメータとする複素検出信号ｚ(l)を形成し、
   予め設定された複素数のインパルス応答を有するフィルタＨ(l)を前記検出信号に作用させた出力が、予め設定した閾値を超えた場合に被検体の異常部と判定するようにしたことを特徴とする渦流探傷方法。
2. 前記フィルタとして、ｌ＝０に存在する既知の表面疵の近傍を走査した際に得られるベクトル軌跡Ｗ(l)に基づき、Ｈ(l)＝Ｗ^*(-l)となる複素マッチトフィルタを使用することを特徴とする請求項１に記載の渦流探傷方法。
3. 前記フィルタとして、ｌ＝０に存在する既知の表面疵の近傍を走査した際に得られるベクトル軌跡Ｗ(l)に基づき、Ｈ(l)＝Ｗ^-1(l)となる複素逆フィルタを使用することを特徴とする請求項１に記載の渦流探傷方法。
4. 被検体の表面に近接させた誘導コイルに交流電流を励起信号として印加して被検体表面近傍に渦電流を誘導し、前記渦電流の変化の結果発生する磁場の変化を検出コイルの起電力である検出信号として検出する渦流探傷装置において、
   前記検出信号のうち、前記励起信号と同一の位相である信号成分を実数部ｘ、該励起信号と９０度の位相差を有する信号成分を虚数部ｙとし、検出コイルの被検体との相対移動距離ｌをパラメータとする複素検出信号ｚ(l)を形成する手段と、
   予め設定された複素数のインパルス応答を有するフィルタＨ(l)と、
   該フィルタを前記検出信号に作用させた出力が、予め設定した閾値を超えた場合に被検体の異常部と判定する手段と、
   を備えたことを特徴とする渦流探傷装置。
5. 前記フィルタとして、ｌ＝０に存在する既知の表面疵の近傍を走査した際に得られるベクトル軌跡Ｗ(l)に基づき、Ｈ(l)＝Ｗ^*(-l)となる複素マッチトフィルタが使用されていることを特徴とする請求項４に記載の渦流探傷装置。
6. 前記フィルタとして、ｌ＝０に存在する既知の表面疵の近傍を走査した際に得られるベクトル軌跡Ｗ(l)に基づき、Ｈ(l)＝Ｗ^-1(l)となる複素逆フィルタが使用されていることを特徴とする請求項４に記載の渦流探傷装置。

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