JP2005221324A - Strain measuring instrument and measuring method - Google Patents

Strain measuring instrument and measuring method Download PDF

Info

Publication number
JP2005221324A
JP2005221324A JP2004028268A JP2004028268A JP2005221324A JP 2005221324 A JP2005221324 A JP 2005221324A JP 2004028268 A JP2004028268 A JP 2004028268A JP 2004028268 A JP2004028268 A JP 2004028268A JP 2005221324 A JP2005221324 A JP 2005221324A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
strain
electromagnetic wave
measured
frequency
wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004028268A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4078315B2 (en
Inventor
Tsuyotoshi Yamaura
剛俊 山浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2004028268A priority Critical patent/JP4078315B2/en
Publication of JP2005221324A publication Critical patent/JP2005221324A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4078315B2 publication Critical patent/JP4078315B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a strain measuring instrument and its measuring method for measuring deformation of a measuring object without therein embedding foreign matter such as a sensor. <P>SOLUTION: This strain measuring instrument is equipped with a sound wave generator 13 for letting a sound wave 12 into the measuring object 11, an electromagnetic wave generator 15 for letting an electromagnetic wave 14 into the measuring object 11, an electromagnetic wave receiver 17 for receiving a reflected electromagnetic wave 16, and a signal processor 19 for processing a received signal 18. The deformation of the measuring object can be measured by letting the sound wave and the electromagnetic wave into the object to measure the reflected electromagnetic wave. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば風力発電用風車の羽根、航空機の構造物、コンクリート構造体等のひずみを遠隔で計測することができるひずみ計測装置及び計測方法に関する。   The present invention relates to a strain measuring apparatus and a measuring method that can remotely measure strains of wind turbine blades for wind power generation, aircraft structures, concrete structures, and the like.

例えば風力発電用風車の羽根は、FRP(fiber−reinforced plastics:繊維強化プラスチック)などの複合材でできているものが多い。風車の羽根は回転によりひずみを生じ、疲労により破損するため、破損を未然に防ぐためにその寿命を予測することが行われる。   For example, the blades of wind turbines for wind power generation are often made of a composite material such as FRP (fiber-reinforced plastics). Since the blades of the windmill are distorted by rotation and are damaged by fatigue, the life of the windmill is predicted in order to prevent damage.

図17に示すように、従来においては、風車1の羽根2の長手方向の中央部にひずみゲージ3を設け、光ファイバ4を介して計測器5によりひずみを測定し、ひずみの振動数や大きさによって複合材が破損するまでの寿命を推定していた(特許文献1)。   As shown in FIG. 17, conventionally, a strain gauge 3 is provided at the center of the blade 2 of the windmill 1 in the longitudinal direction, and the strain is measured by the measuring instrument 5 through the optical fiber 4. Thus, the lifetime until the composite material was damaged was estimated (Patent Document 1).

特開2001−183114号公報JP 2001-183114 A

しかしながら、羽根の表面にひずみセンサである光ファイバが設置されているので、空気抵抗が問題となる。
また、例えばコンクリート構造物のように構造体の肉厚が厚く、表面だけでは変形状態を把握できない場合がある。
このような場合、センサを内部に埋設する必要があるが、ひずみゲージ等を埋め込むために、構造物を破壊する必要がある、という問題がある。
However, since an optical fiber as a strain sensor is installed on the surface of the blade, air resistance becomes a problem.
Further, for example, the thickness of the structure such as a concrete structure is thick, and the deformation state may not be grasped only by the surface.
In such a case, it is necessary to embed the sensor inside, but there is a problem that it is necessary to destroy the structure in order to embed a strain gauge or the like.

また、ひずみセンサである光ファイバ自体が50μmの線径を有するので構造材料の欠陥となり、別途埋設することができないという問題がある。
さらに、複合材で構成される航空機のように構造物の表面にセンサを設置できない場合がある。
Further, since the optical fiber itself, which is a strain sensor, has a wire diameter of 50 μm, there is a problem that it becomes a defect of the structural material and cannot be embedded separately.
Furthermore, there is a case where the sensor cannot be installed on the surface of the structure like an aircraft made of a composite material.

本発明は、前記問題に鑑み、被計測対象物に異物となる例えばセンサを埋め込むことなく、その変形を計測することができるひずみ計測装置及びその計測方法を提供することを課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a strain measuring apparatus and a measuring method thereof capable of measuring the deformation without embedding, for example, a sensor that becomes a foreign object in an object to be measured.

上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、被計測対象物に音波を入射する音波発生装置と、被計測対象物に電磁波を入射する電磁波発生装置と、反射電磁波を受信する受信器と、受信した信号を処理する信号処理装置とを具備してなることを特徴とするひずみ計測装置にある。   A first invention of the present invention for solving the above-described problem is a sound wave generator that makes a sound wave incident on a measurement object, an electromagnetic wave generator that makes an electromagnetic wave incident on the object to be measured, and a reflected electromagnetic wave. A strain measuring apparatus comprising a receiver and a signal processing device for processing a received signal.

第2の発明は、第1の発明において、入射する音波の周波数を変化させてなることを特徴とするひずみ計測装置にある。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the strain measuring apparatus according to the first aspect, wherein the frequency of the incident sound wave is changed.

第3の発明は、第1又は2の発明において、高周波リード線を介して電磁波が被計測対象物に入射されてなると共に、該高周波リード線に接続する細径の導線が被計測対象物内に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置にある。   According to a third invention, in the first or second invention, an electromagnetic wave is incident on an object to be measured via a high-frequency lead wire, and a thin lead wire connected to the high-frequency lead wire is provided in the object to be measured. It is in the strain measuring device characterized by being embedded in.

第4の発明は、第3の発明において、被対象物を金属箔で覆ってなることを特徴とするひずみ計測装置にある。   A fourth invention is the strain measurement apparatus according to the third invention, wherein the object is covered with a metal foil.

第5の発明は、第3の発明において、前記細径の導線が2本並行に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置にある。   According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the strain measuring apparatus is characterized in that the two thin conductors are embedded in parallel.

第6の発明は、第1乃至5のいずれか一つの発明において、前記被計測対象物が固定側に対して回転自在に支持された回転体であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置にある。   A sixth aspect of the invention relates to the strain measurement apparatus for a rotating body according to any one of the first to fifth aspects, wherein the object to be measured is a rotating body that is rotatably supported with respect to a fixed side. It is in.

第7の発明は、第6の発明において、前記回転体が風力発電用風車の羽根であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置にある。   According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the invention, the rotating body strain measuring apparatus is characterized in that the rotating body is a blade of a wind turbine for wind power generation.

第8の発明は、被計測対象物に音波と電磁波とを入射し、反射電磁波を受信し、受信信号によりひずみを計測することを特徴とするひずみ計測方法にある。   An eighth invention is a strain measurement method characterized in that a sound wave and an electromagnetic wave are incident on an object to be measured, a reflected electromagnetic wave is received, and the strain is measured by a received signal.

第9の発明は、第8の発明において、入射する音波の周波数を変化させつつ反射電磁波を受信することを特徴とするひずみ計測方法にある。   A ninth invention is the strain measurement method according to the eighth invention, wherein the reflected electromagnetic wave is received while changing the frequency of the incident sound wave.

本発明によれば、音波と電磁波とを被計測対象物に入射し、反射電磁波を計測することで、その変形を計測することができる。   According to the present invention, a sound wave and an electromagnetic wave are incident on an object to be measured, and the deformation can be measured by measuring the reflected electromagnetic wave.

以下、この発明につき図面を参照しつつ実施の形態及び実施例について詳細に説明する。なお、この実施の形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。   Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments and examples. In addition, constituent elements in the following embodiments and examples include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.

[第1の実施の形態]
本発明による第1の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。
図1に示すように、本実施の形態に係るひずみ計測装置10は、被計測対象物11に音波を12入射する音波発生装置13と、被計測対象物11に電磁波14を入射する電磁波発生装置15と、反射電磁波16を受信する電磁波の受信器17と、受信した信号18を処理する信号処理装置19とを具備してなるものである。
[First Embodiment]
A strain measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a strain measuring apparatus according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the strain measurement apparatus 10 according to the present embodiment includes a sound wave generator 13 that makes a sound wave 12 incident on a measurement object 11 and an electromagnetic wave generation apparatus that makes an electromagnetic wave 14 incident on the measurement object 11. 15, an electromagnetic wave receiver 17 that receives the reflected electromagnetic wave 16, and a signal processing device 19 that processes the received signal 18.

被計測物11に音波12と電磁波14とを入射するには、図6に示すように、音波12の場合は、例えば振動子31を接着剤32を介して被計測物11に直付けるようにすればよい。また、電磁波の場合は例えば高周波リード線33を例えばホーンアンテナ34を介して直付けるようにすればよい。   In order to make the sound wave 12 and the electromagnetic wave 14 enter the measurement object 11, as shown in FIG. 6, in the case of the sound wave 12, for example, the vibrator 31 is directly attached to the measurement object 11 via the adhesive 32. do it. In the case of electromagnetic waves, for example, the high-frequency lead wire 33 may be directly attached via the horn antenna 34, for example.

本ひずみ計測装置10によれば、被計測対象物11に入射する音波12と電磁波14との波長を設定し、音波の反射条件を満たすことで、電磁波が反射波として戻ってくることとなり、この反射電磁波16を電磁波の受信器17で受信するようにしている。
そして、入射した電磁波14の反射の有無から、音波の音速を次の式から算出する。
According to the present strain measuring apparatus 10, by setting the wavelengths of the sound wave 12 and the electromagnetic wave 14 incident on the measurement object 11, and satisfying the reflection condition of the sound wave, the electromagnetic wave returns as a reflected wave. The reflected electromagnetic wave 16 is received by the electromagnetic wave receiver 17.
Then, from the presence or absence of reflection of the incident electromagnetic wave 14, the sound velocity of the sound wave is calculated from the following equation.

Vac=λR×fac/(2n)
ここで、Vacは音速、λRは電磁波の波長、facは音波の周波数、nは電磁波の屈折率である。
Vac = λ R × fac / (2n)
Here, Vac is the speed of sound, λ R is the wavelength of the electromagnetic wave, fac is the frequency of the sound wave, and n is the refractive index of the electromagnetic wave.

次に、算出した音速から、次の式を用いて被計測対象物11のひずみを推定する。
ρ=(K+4/3G)/Vac2
ここで、Kは体積弾性率、Gはずれ弾性率、ρは密度である。
ε=(ρ−ρ0)/ρ0
Next, the distortion of the measurement object 11 is estimated from the calculated sound speed using the following equation.
ρ = (K + 4 / 3G) / Vac 2
Here, K is the bulk modulus, G is the shear modulus, and ρ is the density.
ε = (ρ−ρ 0 ) / ρ 0

このように、構造物である被計測物11の内部に音波と電磁波とを入射し、被計測対象物のひずみによる音波の変化を電磁波の反射周波数の変化として計測することで、被計測対象物のひずみを計測することができる。
この結果、被計測対象物11に、従来のように光ファイバ等を用いたひずみ計測装置を埋め込むことがなくなり、いわゆる被接触でひずみを計測することができる。
In this way, the sound wave and the electromagnetic wave are incident on the inside of the object to be measured 11 which is a structure, and the change in the sound wave due to the distortion of the object to be measured is measured as the change in the reflection frequency of the electromagnetic wave. Can be measured.
As a result, it is no longer necessary to embed a strain measuring device using an optical fiber or the like in the object to be measured 11, and the strain can be measured by so-called contact.

[第2の実施の形態]
本発明による第2の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。
図2は、第2の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第1の実施の形態の計測装置10と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図2に示すように、本実施の形態に係る計測装置10は、第1実施の形態の音波発生装置13と電磁波発生装置15とを同軸に位置するようにし、反射電磁波16の戻り時間を計測する時間計測装置20を設けたものである。
音波12と電磁波14とを同軸で入射し、反射して戻る反射電磁波16の戻り時間を時間計測装置20で計測し、次の式から、反射位置を算出することで、ひずみの分布を求める。
[Second Embodiment]
A strain measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a strain measuring apparatus according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same member as the measuring apparatus 10 of 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 2, the measuring device 10 according to the present embodiment measures the return time of the reflected electromagnetic wave 16 so that the sound wave generating device 13 and the electromagnetic wave generating device 15 of the first embodiment are positioned coaxially. A time measuring device 20 is provided.
The sound wave 12 and the electromagnetic wave 14 are incident on the same axis, the return time of the reflected electromagnetic wave 16 that is reflected and returned is measured by the time measuring device 20, and the reflection position is calculated from the following equation to obtain the strain distribution.

L=c×t/2
ここで、Lは反射点の位置、cは電磁波の速度、tは戻り時間である。
すなわち、被計測物11中を伝播する電磁波の一部が音波との干渉により、反射する。この反射はある波長で干渉が生じ、反射電磁波として戻ってくる。反射電磁波16は、反射点での状態(ひずみ)の情報を反射波長として有している。
この結果、戻り時間と各時刻での反射波長を取得することにより、ひずみの分布を得ることができる。
L = c × t / 2
Here, L is the position of the reflection point, c is the speed of the electromagnetic wave, and t is the return time.
That is, a part of the electromagnetic wave propagating through the object to be measured 11 is reflected by interference with the sound wave. This reflection causes interference at a certain wavelength and returns as a reflected electromagnetic wave. The reflected electromagnetic wave 16 has information on the state (distortion) at the reflection point as a reflection wavelength.
As a result, the strain distribution can be obtained by obtaining the return time and the reflected wavelength at each time.

[第3の実施の形態]
本発明による第3の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図3は、第3の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第1及び第2の実施の形態の計測装置10と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図3に示すように、本実施の形態においては、音波発生装置13から入射する音波12をパルス状としたものである。なお、音波発生装置13と電磁波発生装置15との同期をとるために、タイミング装置21を設けている。
音波と電磁波の反射時間差は次のようにする。
ac=L/cac
r=L/cr
Δt=tac−tr
ここで、tacは音波の伝播時間、Lは計測対象位置までの距離、cacは音速、trは電磁波の伝播時間、crは電磁波の速度、Δtは反射時間差である。
[Third Embodiment]
A strain measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a conceptual diagram showing a strain measuring apparatus according to the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same member as the measuring apparatus 10 of 1st and 2nd embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the sound wave 12 incident from the sound wave generator 13 is formed into a pulse shape. A timing device 21 is provided to synchronize the sound wave generator 13 and the electromagnetic wave generator 15.
The difference in reflection time between sound waves and electromagnetic waves is as follows.
t ac = L / c ac
t r = L / c r
Δt = t ac −t r
Here, t ac is wave propagation time, L is the distance to the measurement target position, the c ac is the acoustic velocity, t r electromagnetic wave propagation time, c r is the velocity of electromagnetic wave, Delta] t is the reflection time difference.

音波12をパルス状とするので、被計測対象物11中の音波による信号の乱れに対しても防止することができる。
なお、電磁波14についても同様にパルス状とするようにしてもよい。
Since the sound wave 12 has a pulse shape, it is possible to prevent disturbance of the signal due to the sound wave in the measurement object 11.
The electromagnetic wave 14 may be similarly pulsed.

[第4の実施の形態]
本発明による第4の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図4は、第4の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第1乃至第3の実施の形態の計測装置10と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図4に示すように、本実施の形態においては、音波発生装置13から入射する音波12が指向性を有する音波を用いるようにしたものである。
[Fourth Embodiment]
A strain measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a strain measuring apparatus according to the fourth embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same member as the measuring apparatus 10 of 1st thru | or 3rd embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the sound wave 12 incident from the sound wave generator 13 uses a sound wave having directivity.

本実施の形態では、指向性を有する音波とすることで、被計測対象物11中の音波の乱反射による信号の乱れを防止することができる。   In the present embodiment, by using sound waves having directivity, signal disturbance due to irregular reflection of sound waves in the measurement object 11 can be prevented.

[第5の実施の形態]
本発明による第5の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図5は、第5の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第1乃至第4の実施の形態の計測装置10と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図5に示すように、本実施の形態においては、反射電磁波16の受信信号に対して、音速によるドップラーシフトの波長変化を考慮したフィルタ22を用いるようにしたものである。
[Fifth Embodiment]
A strain measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a conceptual diagram showing a strain measuring apparatus according to the fifth embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same member as the measuring apparatus 10 of 1st thru | or 4th embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a filter 22 that takes into account the change in wavelength of the Doppler shift due to the speed of sound is used for the received signal of the reflected electromagnetic wave 16.

電磁波は、音波による反射するが、反射する音波は電磁波の進行方向と同じ向きに移動しているため、ドップラーシフトの影響がある。したがって、電磁波の反射電磁波16は、入射した波長よりも長くなる。
本実施の形態では、音波の受信器17と信号処理装置19との間にフィルタ22を配するようにしてので、受信する信号の帯域を制限することとし、これにより入射した電磁波の被計測物11の境界などによる乱反射の影響を除去するようにしている。
Although electromagnetic waves are reflected by sound waves, the reflected sound waves are moving in the same direction as the traveling direction of the electromagnetic waves, and thus have an influence of Doppler shift. Therefore, the reflected electromagnetic wave 16 of the electromagnetic wave is longer than the incident wavelength.
In the present embodiment, since the filter 22 is arranged between the sound wave receiver 17 and the signal processing device 19, the band of the received signal is limited, and the object to be measured of the incident electromagnetic waves is thereby limited. The influence of irregular reflection due to the boundary of 11 or the like is removed.

[第6の実施の形態]
本発明による第6の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図7は、第6の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。
図7に示すように、本実施の形態においては、被計測物11の表面を金属箔51で覆うようにすると共に、被計測物11の内部に細径の導線52を予め埋設したものである。
この結果、高周波リード線33からの電磁波の指向性が向上するようになる。
前記細線52は数10μm以下、特に好ましくは数μmとすれば、埋設による凹凸の影響が生じないので好ましい。
[Sixth Embodiment]
A strain measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a conceptual diagram showing a strain measuring apparatus according to the sixth embodiment.
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the surface of the object to be measured 11 is covered with the metal foil 51, and a thin wire 52 is embedded in the object to be measured 11 in advance. .
As a result, the directivity of the electromagnetic wave from the high frequency lead wire 33 is improved.
It is preferable that the fine wire 52 be several tens of μm or less, particularly preferably several μm, because the influence of unevenness due to embedding does not occur.

また、図8に示すように、金属箔51を覆わない代わりに、導線を2本の平行線52−1、52−2とし、伝播の強度変化を安定させるようにしてもよい。   Further, as shown in FIG. 8, instead of not covering the metal foil 51, the conductive wires may be two parallel lines 52-1 and 52-2 to stabilize the propagation intensity change.

[第7の実施の形態]
本発明による第7の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図9は、本発明のひずみ計測装置を風車のひずみに用いた概念図である。
図9に示すように、風車60の内部空間のリブ61にひずみ計測装置10を設置し、風車60の羽根62の構造の変形を計測している。ひずみ計測装置10からの信号はリード線63により信号処理装置19に送られ、ここで構造の変化を測定する。
[Seventh Embodiment]
A seventh embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a conceptual diagram in which the strain measuring device of the present invention is used for wind turbine distortion.
As shown in FIG. 9, the strain measuring device 10 is installed on the rib 61 in the internal space of the windmill 60 to measure the deformation of the blade 62 of the windmill 60. A signal from the strain measuring device 10 is sent to the signal processing device 19 through a lead wire 63, and a change in structure is measured here.

この結果、従来のように羽根62の表面にセンサを設けることがないので、空気抵抗が問題となることがない。よって、例えば風車の羽根のひずみを常時計測し、例えば突風の影響がある場合には、風車の運転制御を迅速に行うことができる。   As a result, since no sensor is provided on the surface of the blade 62 as in the prior art, air resistance does not become a problem. Therefore, for example, the distortion of the blades of the windmill is constantly measured, and when there is an influence of a gust of wind, for example, the operation control of the windmill can be performed quickly.

また、被計測物の内部欠陥を計測するような場合に、センサを埋め込むことがないので、測定範囲の拡大を図ることができる。
また、本発明によるひずみ計測装置は風車の羽根のひずみを計測するのみならず、例えばコンクリート構造物のひずみの計測、FRP等の複合材の変形計測に適用することができる。
In addition, when measuring an internal defect of an object to be measured, since the sensor is not embedded, the measurement range can be expanded.
In addition, the strain measuring device according to the present invention can be applied not only to measuring the strain of the blades of a windmill but also to measuring the strain of a concrete structure and the deformation of a composite material such as FRP.

以下、本発明の計測装置の具体的な計測について、実施例と共に、詳細に説明する。   Hereinafter, specific measurement of the measurement apparatus of the present invention will be described in detail together with examples.

先ず、材料のひずみ計測手順について説明する。
本実施例で用いた計測装置は、図3に示すように、被計測物11に音波発生装置13と電磁波発生装置15とを同軸とし、パルス状の音波12を入射した。また、被計測例えば物11の材料はGFRP(ガラス繊維強化プラスチック)を用いた。ここで、例えばひずみの無い材料(GFRP)の音速Vac0=3200m/sとし、ひずみの発生範囲が0〜1%とすると、音速とひずみの関係が次の式(1)に従う場合、Vacの範囲は、3200m/s〜3216m/sと予想される。
Vac=Vac0/√(1−ε)・・・(1)
First, a material strain measurement procedure will be described.
As shown in FIG. 3, the measuring device used in this example has the sound wave generating device 13 and the electromagnetic wave generating device 15 coaxial with the object to be measured 11, and the pulsed sound wave 12 is incident thereon. Further, GFRP (glass fiber reinforced plastic) was used as the material of the object 11 to be measured, for example. Here, for example, when the sound velocity Vac0 of a material without distortion (GFRP) is 3200 m / s and the strain generation range is 0 to 1%, the relationship between the sound velocity and the strain follows the following formula (1), and the range of Vac Is expected to be 3200 m / s to 3216 m / s.
Vac = Vac0 / √ (1-ε) (1)

また、電磁波の周波数を32GHz、電磁波の材料中の波長をλr=6.25mmとすると、電磁波の反射の条件から、音波の波長λacは、3.125mmであり、音速の変化から周波数は1024kHz〜1029kHzと予想される。   If the frequency of the electromagnetic wave is 32 GHz and the wavelength in the electromagnetic wave material is λr = 6.25 mm, the wavelength λac of the sound wave is 3.125 mm from the reflection condition of the electromagnetic wave, and the frequency is 1024 kHz to 1029 kHz is expected.

次に、図10に示すように、距離L1〜L2の領域で1%のひずみが発生している材料を計測する場合を考える。
被計測物11の領域について、電磁波を連続投入し、空間分解能を考慮して、たとえばt=0.1msec(パルスの長さ320mm)のパルス状の音波を、周波数を変化させながら入射する。
Next, as shown in FIG. 10, consider the case of measuring a material in which 1% strain is generated in the region of distances L1 and L2.
In the region of the object 11 to be measured, an electromagnetic wave is continuously input, and a pulsed sound wave of, for example, t = 0.1 msec (pulse length 320 mm) is incident while changing the frequency in consideration of spatial resolution.

被計測物中の電磁波の速度がVrの場合、入射した電磁波の戻り時間は、次の式(2)から距離に換算できる。
t=L/Vac+L/Vr・・・(2)
ここで、例えば、t=1.5×10-3(sec)、Vac=3200(m/sec)、Vr=2.0×108(m/sec)とすると、反射波は、L=4.8mm弱の地点(4.7999232mm)の位置から戻ったものである。
When the velocity of the electromagnetic wave in the object to be measured is Vr, the return time of the incident electromagnetic wave can be converted into a distance from the following equation (2).
t = L / Vac + L / Vr (2)
Here, for example, when t = 1.5 × 10 −3 (sec), Vac = 3200 (m / sec), and Vr = 2.0 × 10 8 (m / sec), the reflected wave is L = 4. Returned from the position of less than .8mm (4.7999232mm).

音波の周波数を変化させながら反射電磁波の戻り時間と信号強度を計測した場合の関係を、三次元のグラフにすると、図11に示すようになる。図11中、横軸(X軸)が戻り時間、縦軸(Y軸)が信号の強度、奥行き方向の軸(Z軸)が音波の周波数である。   FIG. 11 shows the relationship when the return time of the reflected electromagnetic wave and the signal intensity are measured while changing the frequency of the sound wave in a three-dimensional graph. In FIG. 11, the horizontal axis (X axis) is the return time, the vertical axis (Y axis) is the signal intensity, and the axis in the depth direction (Z axis) is the sound wave frequency.

図11に示すように、信号は、戻ってこない場合でも、ノイズのように低い信号(小さい波形)が計測される。これを図11では、実線の細線で示している。また、強度は、材料の状態により若干変化することが予想されるが、反射の有り、反射の無しについては明確に区別できる。
図11では、反射のある部分を太線で示している。点線は、各軸の相関を分かりやすくするためのものである。たとえば、横方向の点線は、f1とf2の周波数であることを示し、奥行き方向(Z方向)の点線は、周波数f1とf2で信号が変化している領域が時間t1とt2で対応していることを示している。
As shown in FIG. 11, even when the signal does not return, a low signal (small waveform) like noise is measured. In FIG. 11, this is indicated by a solid thin line. The intensity is expected to change slightly depending on the state of the material, but it can be clearly distinguished whether there is reflection or not.
In FIG. 11, the portion with reflection is indicated by a thick line. A dotted line is for making the correlation of each axis easy to understand. For example, the horizontal dotted line indicates the frequency of f1 and f2, and the depth direction (Z direction) dotted line indicates that the region where the signal changes at the frequencies f1 and f2 corresponds to the times t1 and t2. It shows that.

以下、その測定について示す。図16に計測時の処理フローを示す。
1)先ず、計測を開始すると、音波の周波数facをf0〜f3で繰り返す(S1)。これは、周波数facをセットし、音波を出力する(S1−1)。次に、電磁波パルスを出力する(S1−2)。これを、電磁波の発射から材料の終端まで繰り返す(S1−3)。この繰り返しの際、反射電磁波を時間の関数として受信する(S1−3−1)。
2)反射波の信号を時間から距離に換算する(S−2)。
3)各位置における反射波のスペクトルR(fac)から、反射波の中心波長C(L)を得る(S−3)。
4)あらかじめ得た中心波長とひずみの関係から、各位置のひずみを算出する(S−4)。
The measurement will be described below. FIG. 16 shows a processing flow at the time of measurement.
1) First, when measurement is started, the frequency fac of sound waves is repeated at f0 to f3 (S1). This sets the frequency fac and outputs a sound wave (S1-1). Next, an electromagnetic wave pulse is output (S1-2). This is repeated from the emission of electromagnetic waves to the end of the material (S1-3). During this repetition, the reflected electromagnetic wave is received as a function of time (S1-3-1).
2) The reflected wave signal is converted from time to distance (S-2).
3) The center wavelength C (L) of the reflected wave is obtained from the spectrum R (fac) of the reflected wave at each position (S-3).
4) The strain at each position is calculated from the relationship between the center wavelength and strain obtained in advance (S-4).

具体的には以下のようにして行う。
ここで、材料が変形していない場合、音波の周波数は変化していないので図11の周波数f1で実線の太線のように反射信号が戻ってくることが確認できる。
一方、ひずみが発生している区間では、f1では実線の細線で示すように反射信号が確認できない。
Specifically, it is performed as follows.
Here, when the material is not deformed, since the frequency of the sound wave is not changed, it can be confirmed that the reflected signal returns as shown by the thick solid line at the frequency f1 in FIG.
On the other hand, in a section where distortion occurs, a reflected signal cannot be confirmed at f1 as shown by a solid thin line.

次に、周波数を徐々に増加してゆくと、周波数f2において時間t1〜t2の間で反射信号が戻ってくることを確認できる。   Next, when the frequency is gradually increased, it can be confirmed that the reflected signal returns between the times t1 and t2 at the frequency f2.

このように、距離と周波数に対応する信号強度(信号の有り無し)の関係から、上記計算式を使用して、対象となる材料の計測領域におけるひずみの分布を算出することができる。   As described above, the strain distribution in the measurement region of the target material can be calculated from the relationship between the signal intensity corresponding to the distance and the frequency (the presence or absence of the signal) using the above formula.

図12は、図11において、時刻taとtbの位置の時間軸に垂直な断面を示したものである。それぞれの時刻の断面図はtaについては図13に,tbについては図14に示す。
図13及び図14では、横軸に周波数を、縦軸に受信強度を示す。こららの図面に示すように、時刻taとtbの位置の時間軸をみるとスペクトルの形状をしている。
この関数を距離L(時刻tから換算したもの)における、反射波の強度分布の周波数特性として、R(L、fac)とする。
FIG. 12 shows a cross section perpendicular to the time axis at the times ta and tb in FIG. The cross-sectional views at the respective times are shown in FIG. 13 for ta and in FIG. 14 for tb.
In FIGS. 13 and 14, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents received intensity. As shown in these drawings, the spectrum is shaped on the time axis at the positions of time ta and tb.
This function is R (L, fac) as the frequency characteristic of the intensity distribution of the reflected wave at the distance L (converted from time t).

ここで、スペクトルから中心周波数C(L)を決定する(なお、ここでは、最大値とする。すなわち、R(L,C(L))が距離Lのスペクトルの最大値になる。)
次に、この中心周波数を距離Lにおける反射波の中心周波数として、C(L)とする。例えば、時刻taの位置は、Laで、この中心周波数はC(La)である。
最後に、各位置の中心周波数をひずみに換算する。
この換算には、図15に示すように、あらかじめ別途試験により取得しておいた「音波の周波数とその周波数で電波を反射する材料のひずみ」の関係を利用する。例えば、距離Laのひずみは、C(La)の周波数で鉛直に上がり(点線)、上記関係を示す線(図の太線)の交点から、横(点線)のひずみ値ε(La)が対応する。
上述した手順を繰り返すことで、図15の関係から、各位置におけるひずみ分布が求められる。
Here, the center frequency C (L) is determined from the spectrum (here, the maximum value is used. That is, R (L, C (L)) is the maximum value of the spectrum of the distance L).
Next, let this center frequency be C (L) as the center frequency of the reflected wave at the distance L. For example, the position of the time ta is La, and the center frequency is C (La).
Finally, the center frequency at each position is converted into distortion.
For this conversion, as shown in FIG. 15, the relationship between “the frequency of the sound wave and the strain of the material that reflects the radio wave at the frequency”, which has been separately obtained in advance, is used. For example, the strain at the distance La rises vertically at the frequency of C (La) (dotted line), and the horizontal (dotted line) strain value ε (La) corresponds to the intersection of the lines indicating the above relationship (thick line in the figure). .
By repeating the above-described procedure, the strain distribution at each position is obtained from the relationship shown in FIG.

以上のように、本発明にかかるひずみ計測装置は、被計測物の表面に影響を与えることなく、ひずみを連続して計測でき、特に構造物を破壊することなく、内部構造のひずみを計測することに用いて適している。   As described above, the strain measuring apparatus according to the present invention can continuously measure the strain without affecting the surface of the object to be measured, and particularly measures the strain of the internal structure without destroying the structure. Suitable for use.

第1の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the distortion | strain measuring apparatus concerning 1st Embodiment. 第2の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the distortion | strain measuring apparatus concerning 2nd Embodiment. 第3の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the distortion measuring device concerning 3rd Embodiment. 第4の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the distortion | strain measuring apparatus concerning 4th Embodiment. 第5の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the distortion | strain measuring apparatus concerning 5th Embodiment. ひずみ計測装置の振動子とリード線を被計測物に接続する状態を示す図である。It is a figure which shows the state which connects the vibrator | oscillator and lead wire of a distortion measuring device to a to-be-measured object. 第6の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the distortion | strain measuring apparatus concerning 6th Embodiment. 第6の実施の形態にかかる他のひずみ計測装置の概略図である。It is the schematic of the other distortion | strain measuring apparatus concerning 6th Embodiment. 風車にひずみ計測装置を設置した状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state which installed the strain measuring device in the windmill. 実施例の被計測物の説明図である。It is explanatory drawing of the to-be-measured object of an Example. 実施例の戻り時間、受信強度、音波の周波数の関係図である。It is a related figure of the return time of an Example, receiving intensity, and the frequency of a sound wave. 実施例の戻り時間、受信強度、音波の周波数の関係図である。It is a related figure of the return time of an Example, receiving intensity, and the frequency of a sound wave. 実施例の周波数(f1)と受信強度の関係図である。It is a relationship figure of the frequency (f1) and reception intensity of an Example. 実施例の周波数(f2)と受信強度の関係図である。It is a relationship figure of the frequency (f2) of an Example, and receiving intensity. 実施例の中心周波数とひずみとの関係図である。It is a related figure of the center frequency and distortion of an Example. 実施例の処理フロー図である。It is a processing flow figure of an Example. 従来の風車のひずみ計測の概略図である。It is the schematic of the distortion measurement of the conventional windmill.

符号の説明Explanation of symbols

10 ひずみ計測装置
11 被計測対象物
12 音波
13 音波発生装置
14 電磁波
15 電磁波発生装置
16 反射電磁波
17 電磁波の受信器
18 信号
19 信号処理装置
20 時間計測装置
21 タイミング装置
22 フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Strain measuring device 11 Object to be measured 12 Sound wave 13 Sound wave generating device 14 Electromagnetic wave 15 Electromagnetic wave generating device 16 Reflected electromagnetic wave 17 Electromagnetic wave receiver 18 Signal 19 Signal processing device 20 Time measuring device 21 Timing device 22 Filter

Claims (9)

被計測対象物に音波を入射する音波発生装置と、
被計測対象物に電磁波を入射する電磁波発生装置と、
反射電磁波を受信する受信器と、
受信した信号を処理する信号処理装置とを具備してなることを特徴とするひずみ計測装置。
A sound wave generator for injecting sound waves into the measurement object;
An electromagnetic wave generator for injecting an electromagnetic wave into a measurement object;
A receiver for receiving reflected electromagnetic waves;
A strain measurement apparatus comprising: a signal processing apparatus that processes a received signal.
請求項1において、
入射する音波の周波数を変化させてなることを特徴とするひずみ計測装置。
In claim 1,
A strain measuring apparatus characterized by changing the frequency of an incident sound wave.
請求項1又は2において、
高周波リード線を介して電磁波が被計測対象物に入射されてなると共に、該高周波リード線に接続する細径の導線が被計測対象物内に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置。
In claim 1 or 2,
A strain measuring apparatus, wherein an electromagnetic wave is incident on an object to be measured through a high-frequency lead wire, and a thin lead wire connected to the high-frequency lead wire is embedded in the object to be measured.
請求項3において、
被対象物を金属箔で覆ってなることを特徴とするひずみ計測装置。
In claim 3,
A strain measuring apparatus characterized by covering an object with a metal foil.
請求項3において、
前記細径の導線が2本並行に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置。
In claim 3,
A strain measuring device, wherein the two thin conductive wires are embedded in parallel.
請求項1乃至5のいずれか一つにおいて、
前記被計測対象物が固定側に対して回転自在に支持された回転体であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A strain measuring apparatus for a rotating body, wherein the object to be measured is a rotating body supported rotatably with respect to a fixed side.
請求項6において、
前記回転体が風力発電用風車の羽根であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置。
In claim 6,
The rotating body strain measuring device, wherein the rotating body is a blade of a wind turbine for wind power generation.
被計測対象物に音波と電磁波とを入射し、
反射電磁波を受信し、受信信号によりひずみを計測することを特徴とするひずみ計測方法。
A sound wave and an electromagnetic wave are incident on an object to be measured,
A strain measurement method characterized by receiving a reflected electromagnetic wave and measuring strain by a received signal.
請求項8において、
入射する音波の周波数を変化させつつ反射電磁波を受信することを特徴とするひずみ計測方法。

In claim 8,
A strain measurement method for receiving reflected electromagnetic waves while changing the frequency of incident sound waves.

JP2004028268A 2004-02-04 2004-02-04 Strain measuring apparatus and measuring method Expired - Fee Related JP4078315B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004028268A JP4078315B2 (en) 2004-02-04 2004-02-04 Strain measuring apparatus and measuring method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004028268A JP4078315B2 (en) 2004-02-04 2004-02-04 Strain measuring apparatus and measuring method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005221324A true JP2005221324A (en) 2005-08-18
JP4078315B2 JP4078315B2 (en) 2008-04-23

Family

ID=34997083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004028268A Expired - Fee Related JP4078315B2 (en) 2004-02-04 2004-02-04 Strain measuring apparatus and measuring method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4078315B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011516888A (en) * 2008-04-11 2011-05-26 ラムバス・インコーポレーテッド Displacement sensing using flexible substrates
CN111336958A (en) * 2020-02-25 2020-06-26 广东瀚阳轨道信息科技有限公司 Side slope early warning system and method based on sound waves

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2372535C2 (en) 2002-07-10 2009-11-10 Турбокор Инк. Device of increasing of thrust capacity in bearing system of rotor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011516888A (en) * 2008-04-11 2011-05-26 ラムバス・インコーポレーテッド Displacement sensing using flexible substrates
CN111336958A (en) * 2020-02-25 2020-06-26 广东瀚阳轨道信息科技有限公司 Side slope early warning system and method based on sound waves

Also Published As

Publication number Publication date
JP4078315B2 (en) 2008-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7967564B1 (en) Blade deflection measurement with magnetostrictive sensor
EP3044554B1 (en) Fibre optic cable for a distributed acoustic sensing system
Sun et al. A methodological review of piezoelectric based acoustic wave generation and detection techniques for structural health monitoring
JP2009528510A (en) Aerodynamic bodies for aircraft and wind energy plants and methods for measuring ice thickness on aerodynamic bodies
Kageyama et al. Acoustic emission monitoring of a reinforced concrete structure by applying new fiber-optic sensors
CN1646936A (en) Distance measurement method and device
CN105527342B (en) Pipe inspection apparatus and pipe inspection method
US9097638B2 (en) Sensing devices and methods
JP2010066154A (en) Method for mounting sensor element to concrete structure and method for inspecting quality of concrete structure
JP2007003537A (en) Piping inspection method and device
JP5372060B2 (en) Device for measuring the density of liquids
Giurgiutiu et al. Omnidirectional piezo-optical ring sensor for enhanced guided wave structural health monitoring
JP4078315B2 (en) Strain measuring apparatus and measuring method
JP2009092444A (en) Method and device for measuring pile shape
JP2008261806A (en) Material thickness monitoring system and material thickness measuring method
EP2633302B1 (en) Method for determining the fibre orientation in a rotor blade of a wind turbine having a number of fibres distributed in a laminate material
EP3719528A1 (en) Detecting properties of a moving object at a wind turbine site using a beam forming arrangement of leaky feeders
JP2009288164A (en) Vibration monitoring device and monitoring method
Li et al. Doppler effect-based fiber-optic sensor and its application in ultrasonic detection
CN105301111A (en) Detection system
KR101948459B1 (en) A method and an apparatus for calculating a reliability acoustic signal from which a multipath propagation effect is removed and determining a distance and / or a direction to a sound source,
JP2017155479A (en) Anchor and diagnosis method
JP2005233783A (en) Position telemetering method using electromagnetic-wave radar
JP4528186B2 (en) Crystal grain size measuring device, crystal grain size measuring method, program, and computer-readable storage medium
JP2020067369A (en) Distance/velocity measurement device and distance/velocity measurement program

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060123

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070829

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070904

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071105

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Effective date: 20080108

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Effective date: 20080204

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110208

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees