JP2007010646A - Elastic wave detector - Google Patents

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JP2007010646A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elastic wave detector capable of detecting an AE generated from an inspected object as a resonance wave of a sensor holder, and capable of specifying a portion of corrosion, fatigue failure or the like in the inspected object, by specifying a generation portion of an AE wave therein. <P>SOLUTION: This elastic wave detector is provided with a light source 2, the first coupler 4, an optical fiber 5 for reference light, an optical fiber 6 for a sensor, the second coupler 7 for associating lights guided from one-ends of the optical fibers 5, 6 to the other end thereof, photodetectors 8, 9 for detecting intensities of the associated lights, a processor 12 for detecting the elastic wave generated in the inspected object 20, a filter 14 and an integrator 15 for extracting noise components from detection signals of the photodetectors 8, 9, an actuator driver 16 for controlling the expansion and contraction of the optical fiber 5 for the reference light to remove the noise components on the basis of the noise components, the sensor holder 18, and an actuator 51. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、構造物等の被検査対象物に発生する弾性波を検出する弾性波検出装置に関し、特に屋外地上に設置された構造物等が引き起こす腐食や疲労破壊等の発生位置をリアルタイムに検出する弾性波検出装置に関するものである。   The present invention relates to an elastic wave detection device that detects an elastic wave generated in an object to be inspected such as a structure, and in particular, detects in real time the occurrence position of corrosion or fatigue failure caused by a structure installed on the ground outdoors. The present invention relates to an elastic wave detecting device.

橋梁、タワー、貯槽、タンカー、化学プラント、原子力発電プラントなどの鉄鋼構造物は、腐食、応力腐食割れや遅れ破壊、腐食疲労、エロージョンなどの環境劣化・損傷を受けると、大きな事故や災害につながることが多い。そこで環境劣化・損傷場所を簡便に調べる方法の開発は、多くの老朽化装置・設備を抱える先進工業国の21世紀における大きな課題である。
そこで従来から環境劣化・損傷箇所から発生する超音波(以下、AE:Acoustic Emissionと記す)を、多くの圧電素子センサ(チタンジルコン酸鉛)を用いて検出する方法が試みられているが、1)センサの防爆認定が取れないこと、2)センサとモニタリング装置は、重い同軸ケーブル(100g/m)を用いて接続する必要があり、設置や撤収に膨大な時間と労力が必要なこと、3)計測装置が高価であるため長時間のモニタリングが出来ないことなどの問題がある。特に、超大橋や長距離パイプライン、国家備蓄タンクでは、数〜数十kmにわたる検査が必要で、そのために多くのセンサを設置して計測器と同軸ケーブルで接続することは不可能に近い。
Steel structures such as bridges, towers, storage tanks, tankers, chemical plants, and nuclear power plants are subject to major accidents and disasters if they are subject to environmental degradation and damage such as corrosion, stress corrosion cracking, delayed fracture, corrosion fatigue, and erosion. There are many cases. Therefore, the development of a method for simply examining the location of environmental degradation / damage is a major challenge for the 21st century in industrialized countries with many aging equipment and facilities.
Therefore, conventionally, a method for detecting ultrasonic waves (hereinafter referred to as AE: Acoustic Emission) generated from environmental degradation / damaged sites using many piezoelectric element sensors (lead titanium zirconate) has been attempted. ) Sensors cannot be certified as explosion-proof, 2) Sensors and monitoring devices must be connected using heavy coaxial cables (100 g / m), and installation and removal requires enormous time and effort. 3 ) There are problems such as long time monitoring is impossible because the measuring device is expensive. In particular, super bridges, long-distance pipelines, and national stockpile tanks require inspections ranging from several to several tens of kilometers. Therefore, it is almost impossible to install many sensors and connect them to measuring instruments using coaxial cables.

これに代わる方法として、同一出願人が通信用光ファイバを用いるフィードバック制御マッハ・ツェンダー干渉計(超音波モニタリングシステム)を提案したが、センサファイバ全体が一本のセンサになっているため、色々な場所のAEをモニタするためには、多量のセンサファイバを並列に設置する必要があった。
ここでAEとは、金属等の固体の内部で微小な変形、亀裂等の破壊、相変態あるいは結晶粒界の移動などの現象が起きる場合に発生する超音波領域(周波数が20kHz以上)の弾性波を指すが、広義には、岩盤の亀裂や地下地盤の変動における数100kHz〜数10kHzの周波数帯域の弾性波も含まれる。上記のAEをリアルタイムに検出することにより、構造物の腐食や疲労破壊等を検出することができる。
As an alternative method, the same applicant has proposed a feedback control Mach-Zehnder interferometer (ultrasonic monitoring system) using a communication optical fiber, but the entire sensor fiber is a single sensor. In order to monitor AE of a place, it was necessary to install a lot of sensor fibers in parallel.
Here, AE is the elasticity in the ultrasonic region (frequency is 20 kHz or more) that occurs when phenomena such as minute deformation, fracture of cracks, phase transformation or movement of crystal grain boundaries occur inside a solid such as metal. Although it refers to a wave, in a broad sense, an elastic wave having a frequency band of several hundreds of kHz to several tens of kHz due to cracks in a rock mass or changes in underground ground is also included. By detecting the AE in real time, it is possible to detect corrosion or fatigue failure of the structure.

また従来技術として特許文献1には、図25に示すように、光ファイバ上に空間的に屈折率の異なる格子を焼付けることで、特定波長のみを反射するファイバであるFBG(ファイバ・ブラッグ・グレーティング)10を用いた技術について開示されている。即ち、この反射波長の異なるFBGを被測定物表面になんらかの形で貼付け、伝搬してきた超音波もしくはAE波によりFGBの格子間隔が変化し、反射波長が変化することを利用している。反射は別のFBGをフィルタとして波長の変化を光強度変化に変換して超音波もしくはAE波を検出する仕組みである。また、FBGは歪成分(低周波数の変位)にも反応するため歪も同時計測可能であると記載されている。
特開2003−222571公報
In addition, as shown in FIG. 25, as a conventional technique, as shown in FIG. 25, an FBG (fiber Bragg fiber) that reflects only a specific wavelength by baking a grating having a spatially different refractive index on an optical fiber. A technique using (grating) 10 is disclosed. In other words, the FBGs having different reflection wavelengths are pasted in some form on the surface of the object to be measured, and the fact that the reflection wavelength is changed by changing the lattice spacing of the FGBs by propagating ultrasonic waves or AE waves is utilized. Reflection is a mechanism for detecting an ultrasonic wave or an AE wave by converting a wavelength change into a light intensity change using another FBG as a filter. Further, it is described that FBG can also measure strain simultaneously because it reacts to strain components (low frequency displacement).
JP 2003-222571 A

しかしながら、特許文献1に開示されている従来技術は、フィルタにFBGを用いていることからフィルタFBGの温度変化に対する制御や大きな歪が発生した場合、それに合わせてフィルタの波長帯も変化させる必要があり、それらの制御法の説明はない。
本発明は、かかる課題に鑑み、光ファイバを巻回して構成した周波数特性が異なる複数の超音波センサを、屋外地上に設置された被検査対象物に設置したり、液体を貯蔵する被検査対象物には液体中に直接浸漬または懸垂及び浮遊するようにして、被検査対象物から発生するAEをセンサホルダのAE波として検出すると共に、その共振波の発生箇所を特定することにより、被検査対象物の腐食および疲労破壊等の箇所を特定することが可能な弾性波検出装置を提供することを目的とする。
However, since the prior art disclosed in Patent Document 1 uses FBG for the filter, when the control for the temperature change of the filter FBG or a large distortion occurs, it is necessary to change the wavelength band of the filter accordingly. There is no explanation of their control method.
In view of such problems, the present invention is to install a plurality of ultrasonic sensors having different frequency characteristics formed by winding an optical fiber on an object to be inspected installed on the outdoor ground, or to inspect an object to be stored in a liquid The object is directly immersed or suspended in the liquid and suspended, and the AE generated from the object to be inspected is detected as the AE wave of the sensor holder, and the location where the resonance wave is generated is specified. An object of the present invention is to provide an elastic wave detection device capable of specifying a location such as corrosion and fatigue fracture of an object.

また他の目的は、センサ用光ファイバの一部を被検査対象物に接触するように配設することにより、AEのもつ損傷に関する情報(損傷規模や速度)を歪めることなく被検査対象物の腐食および疲労破壊等の箇所を更に詳細に特定することができるとともに損傷情報を推定する弾性波検出装置を提供することである。   Another object of the present invention is to arrange a part of the optical fiber for the sensor so as to come into contact with the object to be inspected, so that the information on the damage (damage scale and speed) of the AE is not distorted. It is an object of the present invention to provide an elastic wave detection device that can specify portions such as corrosion and fatigue fracture in more detail and estimate damage information.

かかる課題を解決するために、請求項1は、単一波長光を出射する光源と、該光源からの出射光を分岐するスプリッタと、被検査対象物に配設され前記スプリッタにより分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバと、前記スプリッタにより分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバと、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、該結合手段により重ね合わされた光の強度を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された検出信号に基づいて前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と、前記光検出手段の検出信号からノイズ成分を抽出するノイズ抽出手段と、該ノイズ抽出手段が抽出した検出信号に含まれるノイズ成分を除去するように前記参照光用の光ファイバの伸縮量を制御する伸縮制御手段と、を備えた弾性波検出装置において、前記センサ用光ファイバを、異なる周波数特性を有する複数の超音波センサに直列に巻回してループを構成し、当該複数の超音波センサを前記被検査対象物に配設したことを特徴とする。   In order to solve such a problem, claim 1 is directed to a light source that emits single-wavelength light, a splitter that branches light emitted from the light source, and one of the light beams that is arranged on the object to be inspected and branched by the splitter. An optical fiber for a sensor that guides the light from the optical fiber, an optical fiber for the reference light that guides the other light branched by the splitter, and an optical fiber for the sensor and the reference light from one end to the other end. A coupling means for superimposing the light guided toward the light; a light detection means for detecting the intensity of the light superimposed by the coupling means; and the inspection object based on a detection signal detected by the light detection means. Processing means for detecting the elastic wave generated in the signal, noise extraction means for extracting a noise component from the detection signal of the light detection means, and removal of the noise component contained in the detection signal extracted by the noise extraction means In the elastic wave detection apparatus, the expansion / contraction control means for controlling the expansion / contraction amount of the optical fiber for the reference light as described above, the sensor optical fiber is wound in series around a plurality of ultrasonic sensors having different frequency characteristics. A loop is formed by turning, and the plurality of ultrasonic sensors are arranged on the object to be inspected.

被検査対象物(例えば、建物、タンク、橋梁等)から発生するAEを、光ファイバにより弾性波として検出することにより、被検査対象物の破壊、亀裂および腐食をリアルタイムに検出することができる。そのためには、光ファイバに単一波長光を出射する光源からの光を導光し、その光ファイバを被検査対象物に設置する。このとき被検査対象物の破壊、亀裂および腐食箇所を特定するために、光ファイバ自身が超音波センサであることを利用して、その光ファイバを共振周波数の異なるホルダに巻付けることで周波数特性を付与した超音波センサとし、それを複数個取付けることで、1本のファイバ上に複数の超音波センサを構成し、その複数の超音波センサを被検査対象物に配設する。尚、配設する方法は被検査対象物の表面に超音波センサを接着して固定する。ここで例えば被検査対象物が腐食すると、そこから錆によるAEが発生し、このAEにより光ファイバに微弱な伸縮作用を起こさせる。光ファイバが伸縮すると屈折率および光路長が変化して、その中を伝播する光の位相が変化し、その位相変化から弾性波を検出するものである。また、位置を特定するために複数の超音波センサの周波数特性を異ならせ、どの周波数が発生したかにより超音波を検出したセンサを特定でき位置を特定する。言い換えると、各センサへの到達時間を特定できるので、その到達時間差から位置を特定することができる。   By detecting AE generated from an inspection target object (for example, a building, a tank, a bridge, etc.) as an elastic wave using an optical fiber, it is possible to detect destruction, cracking, and corrosion of the inspection target object in real time. For this purpose, light from a light source that emits single-wavelength light is guided to the optical fiber, and the optical fiber is placed on the object to be inspected. At this time, in order to identify the destruction, crack and corrosion location of the object to be inspected, frequency characteristics are obtained by winding the optical fiber around a holder having a different resonance frequency by utilizing the fact that the optical fiber itself is an ultrasonic sensor. By attaching a plurality of ultrasonic sensors, a plurality of ultrasonic sensors are formed on one fiber, and the plurality of ultrasonic sensors are arranged on the object to be inspected. In addition, the arrangement | positioning method adhere | attaches and fixes an ultrasonic sensor to the surface of a to-be-inspected object. Here, for example, when the object to be inspected corrodes, AE due to rust is generated therefrom, and this AE causes a weak expansion / contraction action on the optical fiber. When the optical fiber expands and contracts, the refractive index and the optical path length change, the phase of light propagating through the optical fiber changes, and an elastic wave is detected from the phase change. Further, the frequency characteristics of a plurality of ultrasonic sensors are made different in order to specify the position, and the sensor that detects the ultrasonic wave can be specified depending on which frequency is generated, thereby specifying the position. In other words, since the arrival time to each sensor can be specified, the position can be specified from the arrival time difference.

請求項2は、前記超音波センサは、前記センサ用光ファイバを所定回数巻回するセンサホルダを備え、該センサホルダの材質若しくは形状を変更することにより前記異なる周波数特性を得ることを特徴とする。
超音波センサが異なる周波数特性を有するためには、その周波数に共振する材質と形状を有するホルダが必要である。即ち、予め共振周波数を決めておき、その周波数で共振するように超音波センサの材質や形状を決定する。
請求項3は、前記センサホルダの一部に突起部を備え、該突起部を前記被検査対象物に接触させることを特徴とする。
センサホルダは材質が金属で構成されているので、AE波が到達した場合、被検査対象物と接触する面積が大きいと感度が鈍くなってしまう。そこで本発明では、センサホルダが被検査対象物と接触する部分の面積を狭くしてAE波を検出できるように、センサホルダの一部を突起形状にするものである。
According to a second aspect of the present invention, the ultrasonic sensor includes a sensor holder that winds the sensor optical fiber a predetermined number of times, and the different frequency characteristics are obtained by changing a material or a shape of the sensor holder. .
In order for the ultrasonic sensor to have different frequency characteristics, a holder having a material and a shape that resonates with the frequency is required. That is, the resonance frequency is determined in advance, and the material and shape of the ultrasonic sensor are determined so as to resonate at that frequency.
According to a third aspect of the present invention, a protrusion is provided on a part of the sensor holder, and the protrusion is brought into contact with the object to be inspected.
Since the sensor holder is made of a metal material, when the AE wave arrives, the sensitivity decreases if the area in contact with the object to be inspected is large. Therefore, in the present invention, a part of the sensor holder is formed in a protruding shape so that the area of the portion where the sensor holder contacts the object to be inspected can be narrowed to detect the AE wave.

請求項4は、前記センサホルダは、所定の共振周波数を有する材質により構成されていることを特徴とする。
センサホルダは所定の共振周波数を有する材質により構成される。その意味でセンサホルダの材質は、加工が容易で、且つ軽量で安価なアルミニウムが最適である。しかし、アルミニウムは非磁性材料であるので、被検査対象物が鋼板で構成されるパイプライン等に取り付ける際に、接着剤が必要となる。そのようなときは、材質を磁性材料にすることにより、直接鋼材に取り付けることができる。
請求項5は、前記センサホルダは、中空材若しくは中実材により構成されていることを特徴とする。
センサホルダは材質が金属であるので、例えばセンサを軽量化したい場合は、内部を中空にした材料で構成し、また特にその必要がなければ、中実材を削り出して構成したり、型で整形して製作することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, the sensor holder is made of a material having a predetermined resonance frequency.
The sensor holder is made of a material having a predetermined resonance frequency. In that sense, the material of the sensor holder is optimally aluminum which is easy to process, lightweight and inexpensive. However, since aluminum is a non-magnetic material, an adhesive is required when the object to be inspected is attached to a pipeline or the like made of a steel plate. In such a case, it can be directly attached to a steel material by using a magnetic material.
According to a fifth aspect of the present invention, the sensor holder is made of a hollow material or a solid material.
Since the sensor holder is made of metal, for example, if you want to reduce the weight of the sensor, use a material that has a hollow inside. Can be shaped and manufactured.

請求項6は、前記センホルダの材質を同一材質とした場合、当該センサホルダの径、若しくは厚みを変更することにより前記周波数特性を調整することを特徴とする。
例えば、センサホルダの材質をアルミニウムで構成し、形状を円柱にした場合、その円柱の直径を変更したり、直径を変えずに厚み(高さ)を変更することにより周波数特性を調整することができる。
請求項7は、前記超音波センサは、少なくとも前記センサ用光ファイバの一部が前記被検査対象物に接触するように配設されることを特徴とする。
センサホルダの一部を突起形状にして被検査対象物に接触させた場合、センサ用光ファイバはセンサホルダの共振波を検出していることになり、AEが持つ情報が失われる。そこで本発明では、センサ用光ファイバの一部が被検査対象物に接触するように配設することにより、AEを歪めることなく被検査対象物の破損の部位を更に詳しく判断することができる。
According to a sixth aspect of the present invention, the frequency characteristic is adjusted by changing a diameter or a thickness of the sensor holder when the same material is used for the sensor holder.
For example, when the sensor holder is made of aluminum and the shape is a cylinder, the frequency characteristics can be adjusted by changing the diameter of the cylinder or changing the thickness (height) without changing the diameter. it can.
According to a seventh aspect of the present invention, the ultrasonic sensor is arranged so that at least a part of the optical fiber for the sensor is in contact with the object to be inspected.
When a part of the sensor holder is projected and brought into contact with the object to be inspected, the sensor optical fiber detects the resonance wave of the sensor holder, and the information held by the AE is lost. Therefore, in the present invention, by disposing a part of the optical fiber for sensor so as to come into contact with the object to be inspected, it is possible to determine in more detail the damaged part of the object to be inspected without distorting the AE.

請求項8は、前記超音波センサは、前記センサ用光ファイバの一部若しくは全部が、前記センサホルダが発生する共振定在波を減衰させる材料により被覆されていることを特徴とする。
センサ用光ファイバがAEにより振動すると、センサホルダから共振定在波が発生する。この共振定在波は比較的長く続くので、狭い領域で発生するAEの到達を時間的に区別して検出できないといった問題が発生する。そこで本発明では、センサ用光ファイバの表面の一部若しくは全部を、センサホルダが有する共振定在波を減衰させる材料により被覆するものである。
According to an eighth aspect of the present invention, in the ultrasonic sensor, a part or all of the optical fiber for the sensor is covered with a material that attenuates a resonant standing wave generated by the sensor holder.
When the sensor optical fiber is vibrated by AE, a resonant standing wave is generated from the sensor holder. Since this resonant standing wave continues for a relatively long time, there arises a problem that the arrival of the AE that occurs in a narrow region cannot be detected in a time-sensitive manner. Therefore, in the present invention, a part or all of the surface of the sensor optical fiber is covered with a material that attenuates the resonant standing wave of the sensor holder.

請求項1の発明によれば、被検査対象物の破壊、亀裂および腐食箇所を特定するために、光ファイバを、異なる周波数特性を有する複数の超音波センサに分割して直列に被検査対象物に配設するので、光ファイバを1本で構成可能であり、且つ超音波センサの増設を容易に行うことができると共に、被検査対象物に発生する弾性波の位置を特定することができる。
また請求項2では、超音波センサは、センサ用光ファイバを所定回数巻回するセンサホルダを備え、このセンサホルダの材質若しくは形状により異なる周波数特性を得るようにしたので、どの周波数が発生したかにより超音波を検出したセンサを特定でき、その結果、破壊、亀裂および腐食箇所を特定することができる。
According to the first aspect of the present invention, in order to specify the destruction, crack and corrosion location of the object to be inspected, the optical fiber is divided into a plurality of ultrasonic sensors having different frequency characteristics, and the object to be inspected in series. Therefore, it is possible to construct a single optical fiber, to easily add an ultrasonic sensor, and to specify the position of the elastic wave generated in the object to be inspected.
According to claim 2, the ultrasonic sensor includes a sensor holder that winds the optical fiber for the sensor a predetermined number of times, and the frequency characteristics that differ depending on the material or shape of the sensor holder are obtained. Thus, the sensor that detects the ultrasonic wave can be identified, and as a result, the fracture, crack, and corrosion location can be identified.

また請求項3では、センサホルダは、被検査対象物に接触させる部分を突起形状としたので、被検査対象物に伝播するAE波を感度良く検出することができる。
また請求項4では、センサホルダの材質は、固体若しくは金属若しくは磁性材料であるので、アルミニウムで製作した場合、超音波センサを軽量に且つ安価に製作することができ、磁性材料で製作した場合は、鋼材により構成された被検査対象物に容易に取り付けることができる。
According to the third aspect of the present invention, the sensor holder has a projection shape at the part that comes into contact with the object to be inspected, so that the AE wave propagating to the object to be inspected can be detected with high sensitivity.
Further, in claim 4, since the material of the sensor holder is solid, metal, or magnetic material, when manufactured with aluminum, the ultrasonic sensor can be manufactured with light weight and at low cost, and when manufactured with magnetic material, It can be easily attached to an object to be inspected made of steel.

また請求項5では、センサホルダは、中空材若しくは中実材により構成されているので、軽量化したい場合は、内部を中空にした材料で構成し、また特にその必要がなければ、中実材を削り出して構成したり、型で整形して製作することができる。
また請求項6では、センホルダの材質を同一材質とした場合、センサホルダの径、若しくは厚みを変更することにより周波数特性を調整するので、容易に周波数特性の異なる超音波センサを製作することができる。
Further, in claim 5, the sensor holder is made of a hollow material or a solid material. Therefore, when it is desired to reduce the weight, the sensor holder is made of a hollow material. It can be made by cutting out and forming or shaping with a mold.
According to the sixth aspect of the present invention, when the same material is used for the sensor holder, the frequency characteristics are adjusted by changing the diameter or thickness of the sensor holder, so that it is possible to easily manufacture ultrasonic sensors having different frequency characteristics. .

また請求項7では、超音波センサは、少なくともセンサ用光ファイバの一部が被検査対象物に接触するように配設されるので、直接AEを検出することが可能となり、被検査対象物の破損の部位を更に詳しく判断することができる。
また請求項8では、超音波センサは、センサ用光ファイバの表面の一部若しくは全部を、センサホルダが発生する共振定在波を減衰させる材料により被覆されるので、狭い領域で発生するAEの到達を時間的に区別することができる。
According to the seventh aspect of the present invention, since the ultrasonic sensor is disposed so that at least a part of the optical fiber for the sensor is in contact with the object to be inspected, it is possible to directly detect AE, and The damaged part can be determined in more detail.
According to the eighth aspect of the present invention, the ultrasonic sensor has a part or all of the surface of the sensor optical fiber covered with a material that attenuates the resonant standing wave generated by the sensor holder. Arrivals can be distinguished in time.

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .

図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。本実施形態に係る弾性波検出装置100は、単一波長光を出射する光源2と、この光源2からの光を分岐する第1カプラ(スプリッタ)4と、光源2と第1カプラ4との間に配置され第1カプラ4から光源2に戻る光を除去する光アイソレータ(アイソレータ)3と、被検査対象物20に配設され第1カプラ4により分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバ6と、同じく第1カプラ4により分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバ5と、センサ用光ファイバ6および参照光用光ファイバ5の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる第2カプラ(結合手段)7と、この第2カプラ7により重ね合わされた光の強度を検出する第1光検出器(光検出手段)8と、第2光検出器(光検出手段)9と、第1光検出器8の検出信号と、第2光検出器9の検出信号の差分成分を抽出して差分信号を生成する差分回路(DIFA)10と、周波数が約50kHz〜1MHzの信号を抽出して信号S11として処理装置12に出力するフィルタ(BPF)11と、第1光検出器8と第2光検出器9により検出された検出信号に基づいて被検査対象物20に発生する弾性波を検出する処理装置(処理手段)12と、差分回路10から出力された信号S102を増幅するアンプ(Amp)13と、アンプ13から出力された信号S13からノイズ成分を抽出するフィルタ(LPF)(ノイズ抽出手段)14と、フィルタ14から出力された信号S14に所定時間の積分処理を施す積分器(ITG)15と、積分器15から出力された信号S15に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ5の伸縮を制御するアクチュエータドライバ(ADIV)(伸縮制御手段)16と、アクチュエータドライバ16から出力された制御信号S16に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ5を伸縮するアクチュエータ(伸縮手段)51と、を備えて構成される。   FIG. 1 is a configuration diagram of an elastic wave detection device according to a first embodiment of the present invention. The elastic wave detection apparatus 100 according to the present embodiment includes a light source 2 that emits single-wavelength light, a first coupler (splitter) 4 that branches light from the light source 2, and the light source 2 and the first coupler 4. An optical isolator (isolator) 3 disposed between them to remove light returning from the first coupler 4 to the light source 2, and a sensor that guides one light that is disposed on the inspection target 20 and branched by the first coupler 4. Optical fiber 6, reference optical fiber 5 that guides the other light branched by first coupler 4, and one end of sensor optical fiber 6 and reference optical fiber 5 from one end to the other end A second coupler (coupling means) 7 that superimposes the light guided in this way, a first photodetector (light detection means) 8 that detects the intensity of the light superimposed by the second coupler 7, and a second light. Detector (light detection means) 9 and first light detection A difference circuit (DIFA) 10 that extracts a difference component between the detection signal 8 and the detection signal of the second photodetector 9 to generate a difference signal, and a signal having a frequency of about 50 kHz to 1 MHz is extracted as a signal S11. A processing device for detecting elastic waves generated in the inspection object 20 based on detection signals detected by the filter (BPF) 11 output to the processing device 12 and the first photodetector 8 and the second photodetector 9. (Processing means) 12, an amplifier (Amp) 13 that amplifies the signal S102 output from the difference circuit 10, and a filter (LPF) (noise extraction means) 14 that extracts a noise component from the signal S13 output from the amplifier 13 On the basis of the integrator (ITG) 15 that performs integration processing for a predetermined time on the signal S14 output from the filter 14, and the signal S15 output from the integrator 15. Based on the actuator driver (ADIV) (extension control means) 16 that controls the expansion and contraction of the optical fiber 5 for reference light so as to eliminate the noise, and the control signal S16 output from the actuator driver 16, the noise component is removed. And an actuator (extension / contraction means) 51 for extending / contracting the reference light optical fiber 5.

尚、センサ用光ファイバ6は、被検査対象物17に配設されたセンサホルダ(詳細は後述する)18a、18b、18c、18dに順次所定回数センサ用光ファイバ6を巻きつけて直列に設置している(以下、この構成をマルチセンサファイバと呼ぶ)。また、光源2と光アイソレータ3、光アイソレータ3と第1カプラ4、第1カプラ4と第2カプラ7、第2カプラ7と第1光検出器8、第2カプラ7と第2光検出器9それぞれは、光ファイバfにより接続されている。また弾性波検出装置1は、いわゆるマッハツェンダー型光ファイバ干渉計を基本とした構成となっている。また、例えば差分回路10、アンプ13、フィルタ14、積分器15、アクチュエータドライバ16、およびアクチュエータ51をフィードバック部50と称する。   The sensor optical fiber 6 is installed in series by sequentially winding the sensor optical fiber 6 a predetermined number of times around sensor holders (details will be described later) 18a, 18b, 18c, and 18d disposed on the object 17 to be inspected. (Hereinafter, this configuration is referred to as a multi-sensor fiber). Also, the light source 2 and the optical isolator 3, the optical isolator 3 and the first coupler 4, the first coupler 4 and the second coupler 7, the second coupler 7 and the first photodetector 8, the second coupler 7 and the second photodetector. Each of the nine is connected by an optical fiber f. The elastic wave detection device 1 is based on a so-called Mach-Zehnder type optical fiber interferometer. Further, for example, the difference circuit 10, the amplifier 13, the filter 14, the integrator 15, the actuator driver 16, and the actuator 51 are referred to as a feedback unit 50.

次に各構成要素について更に詳細に説明する。
光源2は、特定波長のレーザ光を光ファイバfを介して光アイソレータ3に向けて出力する。この光源2としては、例えばレーザダイオード等のレーザ装置が用いられる。例えば光源2は波長が1313.8nmのレーザ光を出力する。
光アイソレータ3は、光源2から光ファイバfを介して出力されたレーザ光を第1カプラ4に出力する。また、光アイソレータ3は、光源2と第1カプラ4との間に備えられ、第1カプラ4から光ファイバfを介して光源2に戻る光を除去し、光源2の光出力を安定化させる。
Next, each component will be described in more detail.
The light source 2 outputs laser light having a specific wavelength toward the optical isolator 3 via the optical fiber f. As the light source 2, for example, a laser device such as a laser diode is used. For example, the light source 2 outputs laser light having a wavelength of 1313.8 nm.
The optical isolator 3 outputs the laser light output from the light source 2 via the optical fiber f to the first coupler 4. The optical isolator 3 is provided between the light source 2 and the first coupler 4, removes light returning from the first coupler 4 through the optical fiber f to the light source 2, and stabilizes the light output of the light source 2. .

第1カプラ4は、光アイソレータ3から出力されたレーザ光を分岐し、一方のレーザ光を参照光用光ファイバ5に出力し、他方のレーザ光をセンサ用光ファイバ6に出力する。そして参照光用光ファイバ5は、第1カプラ4で分岐されたレーザ光が一方端から入力され、第2カプラ7に接続された他方に向けて光を導光して第2カプラ7に出力する。また、参照光用光ファイバ5は、例えば、シングルモードタイプのベアファイバをアクリルやPVC(Poly Vinyl Chloride)で被覆したもの等が用いられる。
センサ用光ファイバ6は、第1カプラ4で分岐したレーザ光の他方が入力され、第2カプラ7に接続された他方端に向けて光を導光して第2カプラ7に出力する。またセンサ用光ファイバ6には、参照光用光ファイバ5と同じ構成(同じ周波数特性)のものが使用される。
The first coupler 4 branches the laser light output from the optical isolator 3, outputs one laser light to the reference light optical fiber 5, and outputs the other laser light to the sensor optical fiber 6. The reference optical fiber 5 receives the laser beam branched by the first coupler 4 from one end, guides the light toward the other connected to the second coupler 7, and outputs the light to the second coupler 7. To do. The reference light optical fiber 5 is, for example, a single mode type bare fiber covered with acrylic or PVC (Poly Vinyl Chloride).
The sensor optical fiber 6 receives the other of the laser beams branched by the first coupler 4, guides the light toward the other end connected to the second coupler 7, and outputs the light to the second coupler 7. The sensor optical fiber 6 has the same configuration (same frequency characteristics) as the reference light optical fiber 5.

第2カプラ7は、参照光用光ファイバ5およびセンサ用光ファイバ6の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせ、第1光検出器8および第2光検出器9に出力する。そして参照光用光ファイバ5およびセンサ用光ファイバ6により導光されたレーザ光は、第2カプラ7で重ね合わされ、参照光用光ファイバ5およびセンサ用光ファイバ6の光路差によって干渉光が発生する。
また、本実施形態に係る第2カプラ7は、参照光用光ファイバ5およびセンサ用光ファイバ6の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、その干渉光を分岐させて第1の光、および第1の光と位相が反転した第2の光を出力する。
The second coupler 7 superimposes the light guided from one end of the reference light optical fiber 5 and the sensor optical fiber 6 toward the other end, and puts the light on the first light detector 8 and the second light detector 9. Output. The laser light guided by the reference light optical fiber 5 and the sensor optical fiber 6 is overlapped by the second coupler 7, and interference light is generated by the optical path difference between the reference light optical fiber 5 and the sensor optical fiber 6. To do.
Further, the second coupler 7 according to the present embodiment generates interference light by superimposing light guided from one end of the reference light optical fiber 5 and the sensor optical fiber 6 toward the other end, The interference light is branched to output the first light and the second light whose phase is inverted from that of the first light.

第1光検出器8および第2光検出器9は、第2カプラ7から出力される干渉光の強度を検出する。本実施形態では第1光検出器8は、第2カプラ7から出力された第1の光の強度を検出し、第2光検出器9は、第2カプラ7から出力された第2の光の強度を検出する。具体的には、第1光検出器8は、入射する第1の光の光強度に応じた電気信号S8を生成して差分回路10に出力する。また第2光検出器9は、入射する第2の光の光強度に応じた電気信号S9を生成して差分回路10に出力する。そして第1光検出器8および第2光検出器9には、例えばフォトダイオードが用いられる。また第1光検出器8および第2光検出器9で検出される信号の位相は反転している。
また、光源2により出力されたレーザ光は、光検出器8、9に検出されるまで光ファイバ内を伝播するため、光軸の調整や振動制御を行う必要がない。
The first photodetector 8 and the second photodetector 9 detect the intensity of the interference light output from the second coupler 7. In the present embodiment, the first photodetector 8 detects the intensity of the first light output from the second coupler 7, and the second photodetector 9 detects the second light output from the second coupler 7. Detect the intensity of. Specifically, the first photodetector 8 generates an electrical signal S8 corresponding to the light intensity of the incident first light and outputs the electrical signal S8 to the difference circuit 10. The second photodetector 9 generates an electrical signal S9 corresponding to the light intensity of the incident second light and outputs it to the difference circuit 10. For the first photodetector 8 and the second photodetector 9, for example, photodiodes are used. Further, the phases of the signals detected by the first photodetector 8 and the second photodetector 9 are inverted.
Further, since the laser beam output from the light source 2 propagates through the optical fiber until it is detected by the photodetectors 8 and 9, it is not necessary to adjust the optical axis or control the vibration.

差分回路(DIFA)10は、第1光検出器8の検出信号である信号S8と、第2光検出器9の検出信号である信号S9の差分成分を抽出して差分信号を生成する。差分成分を抽出することにより直流成分の除去やS/N(Signal to Noiseratio)比を大きくすることができる。また、差分回路10は、差分信号を検出用の信号S101としてフィルタ11に出力する。また、差分回路10は、差分信号を補正用の信号S102としてアンプ13に出力する。また、差分回路10は、位相の反転した信号S8と信号S9との差分信号を生成するので増幅機能を有する。   The difference circuit (DIFA) 10 extracts a difference component between the signal S8 that is the detection signal of the first photodetector 8 and the signal S9 that is the detection signal of the second photodetector 9, and generates a difference signal. By extracting the difference component, it is possible to remove the DC component and increase the S / N (Signal to Noiseratio) ratio. The difference circuit 10 outputs the difference signal to the filter 11 as a detection signal S101. The difference circuit 10 outputs the difference signal to the amplifier 13 as a correction signal S102. Further, the difference circuit 10 has an amplification function because it generates a difference signal between the signal S8 and the signal S9 whose phases are inverted.

フィルタ11は、差分回路10から出力された信号S101から弾性波検出に必要な成分を抽出して信号S11として処理装置12に出力する。そしてフィルタ11は、例えばバンドパスフィルタにより構成され、例えば信号S101から周波数が約50kHz〜1MHzの信号を抽出して信号S11として処理装置12に出力する。
処理装置12は、例えばフィルタ11から出力された信号S11をアナログ信号からディジタル信号に変換して取り込む。この処理装置12は、例えばパーソナルコンピュータやデジタルオシロスコープ等により構成される。また処理装置12は、取り込んだ信号S11から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物20に発生する弾性波を検出する。更に処理装置12では、例えば取り込んだ信号S11にフィルタ処理、周波数変換処理、ウェーブレット変換処理等を施して、群速度分散や、特定周波数成分の経時変化が解析される。
The filter 11 extracts a component necessary for elastic wave detection from the signal S101 output from the difference circuit 10 and outputs the extracted component as a signal S11 to the processing device 12. The filter 11 is configured by, for example, a band pass filter, and extracts a signal having a frequency of about 50 kHz to 1 MHz from the signal S101, for example, and outputs the signal as a signal S11 to the processing device 12.
For example, the processing device 12 converts the signal S11 output from the filter 11 from an analog signal into a digital signal and takes it in. The processing device 12 is composed of, for example, a personal computer or a digital oscilloscope. Further, the processing device 12 extracts time and frequency information from the captured signal S11, and detects an elastic wave generated in the inspection object 20 from the information. Further, the processing device 12 performs filter processing, frequency conversion processing, wavelet conversion processing, and the like on the captured signal S11, for example, and analyzes group velocity dispersion and changes over time in specific frequency components.

ここでウェーブレット変換について説明する。ウェーブレット変換は、時間と周波数に依存した窓関数の形を変化させて、検出波形の全域から時間と周波数の情報を抽出する。すなわち、検出波形の各時間において時間−周波数変換を行い、周波数帯域毎の信号強度を時系列的に求める。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
アンプ(Amp)13は、差分回路10から出力された信号S102を増幅して信号S13としてフィルタ14に出力する。
Here, wavelet transform will be described. In the wavelet transform, time and frequency information is extracted from the entire detected waveform by changing the shape of the window function depending on time and frequency. That is, time-frequency conversion is performed at each time of the detected waveform, and the signal intensity for each frequency band is obtained in time series. Thereby, information on the arrival time of waves in a specific mode at a specific frequency is obtained, and for example, a sound source position can be specified.
The amplifier (Amp) 13 amplifies the signal S102 output from the difference circuit 10 and outputs it to the filter 14 as the signal S13.

フィルタ(LPF)14は、アンプ13から出力された信号S13からノイズ成分、例えば参照光用光ファイバ5およびセンサ用光ファイバ6に発生するノイズ成分を抽出して信号S14として積分器15に出力する。
フィルタ14は、例えば所定周波数よりも低い周波数成分のみを通過させるローパスフィルタ(LPF)により構成され、例えば参照光用光ファイバ5やセンサ用光ファイバ6に発生する外部からの環境ノイズ成分に相当する数kHz以下の周波数成分を信号S14として積分器15に出力する。またフィルタ14の周波数特性は、被検査対象物や外部からの環境ノイズに応じて設定することができる。
積分器(ITG)15は、フィルタ14から出力された信号S14に所定時間の積分処理を施し、処理結果を信号S15としてアクチュエータドライバ16に出力する。この積分器15は、例えば参照光用光ファイバ5に発生する外部からの環境ノイズである低周波ノイズを抽出する機能を有する。
The filter (LPF) 14 extracts a noise component, for example, a noise component generated in the reference light optical fiber 5 and the sensor optical fiber 6 from the signal S13 output from the amplifier 13, and outputs the extracted signal as a signal S14 to the integrator 15. .
The filter 14 is constituted by, for example, a low-pass filter (LPF) that passes only a frequency component lower than a predetermined frequency, and corresponds to, for example, an external environmental noise component generated in the reference light optical fiber 5 or the sensor optical fiber 6. A frequency component of several kHz or less is output to the integrator 15 as a signal S14. The frequency characteristic of the filter 14 can be set according to the object to be inspected and external environmental noise.
The integrator (ITG) 15 performs integration processing for a predetermined time on the signal S14 output from the filter 14, and outputs the processing result to the actuator driver 16 as a signal S15. The integrator 15 has a function of extracting low-frequency noise, which is external environmental noise generated in the reference light optical fiber 5, for example.

アクチュエータドライバ(ADIV)16は、積分器15から出力された信号S15に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ5の伸縮を制御させる制御信号S16をアクチュエータ51に出力する。例えばアクチュエータドライバ16は、アクチュエータ51駆動用電源装置により構成される。
アクチュエータ51は、例えばアクチュエータドライバ16から出力された制御信号S16に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ5またはセンサ用光ファイバ6の光ファイバを伸縮する。本実施形態ではアクチュエータ51は、例えば印加された電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータにより構成される。この圧電アクチュエータは例えば参照光用光ファイバ5に接着され制御信号S16に応じて伸縮し、参照光用光ファイバ5の長手方向に沿った方向に光ファイバを伸縮させる。この光ファイバの伸縮により、光ファイバの屈折率の変化および光路長の変化が生じる。例えば圧電アクチュエータは、例えば矩形状に形成され、印加された電圧に応じて逆圧電効果により長手方向に伸縮を行う。この圧電アクチュエータの長手方向と、光ファイバの長手方向とをそろえて接着させる。
Based on the signal S15 output from the integrator 15, the actuator driver (ADIV) 16 outputs to the actuator 51 a control signal S16 for controlling expansion / contraction of the reference light optical fiber 5 so as to remove noise components. For example, the actuator driver 16 is configured by a power supply device for driving the actuator 51.
The actuator 51 expands and contracts the optical fiber of the reference light optical fiber 5 or the sensor optical fiber 6 so as to remove noise components based on the control signal S16 output from the actuator driver 16, for example. In the present embodiment, the actuator 51 is constituted by, for example, a piezoelectric actuator that expands and contracts according to an applied voltage. For example, the piezoelectric actuator is bonded to the reference light optical fiber 5 and expands and contracts according to the control signal S16, and expands and contracts the optical fiber in a direction along the longitudinal direction of the reference light optical fiber 5. The expansion and contraction of the optical fiber causes a change in the refractive index of the optical fiber and a change in the optical path length. For example, the piezoelectric actuator is formed in a rectangular shape, for example, and expands and contracts in the longitudinal direction by the inverse piezoelectric effect according to the applied voltage. The longitudinal direction of the piezoelectric actuator and the longitudinal direction of the optical fiber are aligned and bonded.

図2(a)は本発明のセンサホルダの構成の一例を示す図である。このセンサホルダは、例えば高さ20mmの円柱部21の上部中心に直径10mm、高さ0.5mmの突起部22を備え、円柱部21の周囲にセンサ用光ファイバ6を所定の回数巻きつけたものである。ここで、共振周波数を変えるために円柱部21の直径を20mm、30mm、40mmの3種類した場合について説明する。
図2(b)は図2(a)のセンサホルダの直径が20mmの場合の検出波を示す図である。本発明のセンサホルダの共振周波数を調べる方法として、センサ用光ファイバ6を巻きつけたセンサホルダの突起部22で芯を圧折し波を検出すると、図2(b)のような検出波が得られる。フーリエ変換をおこなってこれらの波の周波数を調べると図3のようになる。各センサは下記のような固有振動数をもっている。この振動数は理論的に計算される振動数に近い。
センサ20(ホルダ直径20mm):共振周波数123kHz
センサ30(ホルダ直径30mm):共振周波数103kHz
センサ40(ホルダ直径40mm):共振周波数83kHz
Fig.2 (a) is a figure which shows an example of a structure of the sensor holder of this invention. This sensor holder includes, for example, a projection portion 22 having a diameter of 10 mm and a height of 0.5 mm at the center of the upper portion of a cylindrical portion 21 having a height of 20 mm, and the sensor optical fiber 6 is wound around the cylindrical portion 21 a predetermined number of times. Is. Here, a case where the diameter of the cylindrical portion 21 is set to three types of 20 mm, 30 mm, and 40 mm in order to change the resonance frequency will be described.
FIG. 2B is a diagram showing a detection wave when the diameter of the sensor holder in FIG. 2A is 20 mm. As a method for examining the resonance frequency of the sensor holder of the present invention, when the core is crushed by the protrusion 22 of the sensor holder around which the sensor optical fiber 6 is wound and the wave is detected, a detection wave as shown in FIG. can get. When the frequency of these waves is examined by performing a Fourier transform, it is as shown in FIG. Each sensor has the following natural frequency. This frequency is close to the theoretically calculated frequency.
Sensor 20 (holder diameter 20 mm): resonance frequency 123 kHz
Sensor 30 (holder diameter 30 mm): resonance frequency 103 kHz
Sensor 40 (holder diameter 40 mm): resonance frequency 83 kHz

図4は本発明による鋼板の2次元位置標定法の概要を示す図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。尚、鋼板25の厚さを4.6mm、横方向の寸法を916mm、縦方向の寸法を1830mmとして、横方向をx軸、縦方向をy軸とし、x軸、y軸の中点をOとする。そしてx軸、y軸の各点を座標により表すものとする。
そして鋼板25上に配置してあるのは1本のセンサファイバ6で、図2で説明したセンサ20、30、40と書かれた位置に周波数の異なるセンサ機能を持たしてマルチセンサファイバを構成している。すなわち、この図では1本のセンサファイバ6を3個のセンサに分割し、センサ20は座標(−100、−700)、センサ30は座標(400、850)、センサ40は座標(−400、250)に配置する。そして音源aが座標(−400、−150)、音源bが座標(200、500)から発生したとする。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of a two-dimensional position locating method for a steel sheet according to the present invention. The same components will be described with the same reference numerals. The thickness of the steel plate 25 is 4.6 mm, the horizontal dimension is 916 mm, the vertical dimension is 1830 mm, the horizontal direction is the x axis, the vertical direction is the y axis, and the midpoint of the x axis and the y axis is O. And Each point on the x-axis and y-axis is represented by coordinates.
A single sensor fiber 6 is arranged on the steel plate 25, and a multi-sensor fiber is formed by providing sensor functions having different frequencies at the positions written as sensors 20, 30, and 40 described in FIG. is doing. That is, in this figure, one sensor fiber 6 is divided into three sensors, the sensor 20 has coordinates (−100, −700), the sensor 30 has coordinates (400, 850), the sensor 40 has coordinates (−400, 250). Assume that the sound source a is generated from the coordinates (−400, −150) and the sound source b is generated from the coordinates (200, 500).

音源(source)を標定するためには、3個のセンサに到達する波(この場合は板波)の時間を測定する必要があるが、それぞれのセンサがいつ波を検出したのかを知らなければならない。この目的にためには、それぞれのセンサに異なる周波数特性を持たせればよい。このため、図2(a)に示すように、直径(20、30、40mm)や長さの異なる円柱部21を用意し、円柱部21の円周にファイバ6を巻きつける。この棒のことをここではセンサホルダと呼ぶ。センサホルダには、小さな領域でAE波が検出できるように、直径10mmの突起部22を備えているが、直径や高さは目的に応じて変更できる。またこの実施形態では、アルミを使用しているが、磁性材料にすれば鋼板などには簡単に取り付けることも出来る。ホルダの材質や寸法は、どのような周波数(後述するようにホルダの共振周波数)を持たすかによって適宜変更できるので、応用は極めて広い。ここでは、80kHzから130kHzの周波数域内に異なる周波数特性を持たすため、直径が20、30、50mmのものを用いている。またセンサホルダに巻きつけたファイバは、テープや接着剤で固定する。ここでは5周まきつけているが、巻き付け回数も適宜変更できる。   In order to localize a sound source, it is necessary to measure the time of waves (in this case, plate waves) reaching three sensors, but if each sensor does not know when the waves are detected Don't be. For this purpose, each sensor may have different frequency characteristics. For this reason, as shown in FIG. 2A, cylindrical portions 21 having different diameters (20, 30, 40 mm) and lengths are prepared, and the fiber 6 is wound around the circumference of the cylindrical portion 21. This bar is referred to herein as a sensor holder. The sensor holder is provided with a projection 22 having a diameter of 10 mm so that an AE wave can be detected in a small area, but the diameter and height can be changed according to the purpose. In this embodiment, aluminum is used, but if it is made of a magnetic material, it can be easily attached to a steel plate or the like. Since the material and dimensions of the holder can be appropriately changed depending on what frequency (resonant frequency of the holder as will be described later), the application is extremely wide. Here, in order to have different frequency characteristics in the frequency range from 80 kHz to 130 kHz, those having diameters of 20, 30, and 50 mm are used. The fiber wound around the sensor holder is fixed with tape or an adhesive. Here, five turns are wound, but the number of windings can be changed as appropriate.

図4で3個のホルダを図の位置に設置したとすると、音源a、音源bまでの距離は下記のようになる。音源からは放射状の板波が放出されるので、距離の短い順にそれぞれのセンサがそれぞれの周波数で波(波束)を検出しなければならない。   If three holders are installed at the positions shown in FIG. 4, the distances to the sound source a and the sound source b are as follows. Since a radial plate wave is emitted from the sound source, each sensor must detect a wave (wave packet) at each frequency in order of increasing distance.

音源aまでの距離:音源bまでの距離
センサ20(ホルダ直径20mm): 626mm:1237mm
センサ30(ホルダ直径30mm): 1281mm:403mm
センサ40(ホルダ直径40mm): 400mm:650mm
Distance to sound source a: Distance sensor 20 to sound source b (holder diameter 20 mm): 626 mm: 1237 mm
Sensor 30 (holder diameter 30 mm): 1281 mm: 403 mm
Sensor 40 (holder diameter 40 mm): 400 mm: 650 mm

図5(a)は音源aで芯の圧折を行ったときの検出波を示す図である。縦軸に出力電圧、横軸に時間を示す。この図から分かるとおり、やや複雑な波形になっているが、いくつかの波束がみられる。即ち、領域Aにはセンサ40の波形が観測でき、領域Bにはセンサ20の波形が観測でき、領域Cにはセンサ30の波形が観測できる。また領域Dには各センサの反射波が観測できる。
この波にウェーブレット変換をおこなって、時間・周波数平面に書直すと図5(b)のようになる。鋼板端面からの反射(領域d、e)が遅い時間に見られるが、3つのセンサに該当する波束(領域a、b、c)が検出できており、周波数成分はセンサ40が85kHz、センサ30が100kHz、センサ20が130kHzにある。3つのホルダの周波数を前述した図2の方法で調べると、これらの周波数はホルダ共振周波数に該当しているのが解る。
FIG. 5A is a diagram showing a detection wave when the core is folded with the sound source a. The vertical axis represents output voltage, and the horizontal axis represents time. As you can see from this figure, it has a slightly complicated waveform, but there are several wave packets. That is, the waveform of the sensor 40 can be observed in the region A, the waveform of the sensor 20 can be observed in the region B, and the waveform of the sensor 30 can be observed in the region C. In the region D, the reflected wave of each sensor can be observed.
When wavelet transform is performed on this wave and rewritten on the time / frequency plane, the result is as shown in FIG. Although reflection from the end face of the steel plate (regions d, e) is seen at a late time, wave packets (regions a, b, c) corresponding to the three sensors can be detected, and the frequency component of the sensor 40 is 85 kHz, sensor 30 Is at 100 kHz, and the sensor 20 is at 130 kHz. When the frequencies of the three holders are examined by the method shown in FIG. 2, it is understood that these frequencies correspond to the holder resonance frequency.

また精度を特に問題にしなければ、図5(b)の最大強度を示す時間差から音源位置が求まるが、精度を上げるためには次のような処理をする。即ち、図5の波に、各センサホルダの共振周波数のウェーブレット係数経時変化を求めると図6に様になる。これから到達時間を読むと次のようになる。
センサ20への123kHz成分の到達時間:0.20ms
センサ30への103kHz成分の到達時間:0.45ms
センサ40への83kHz成分の到達時間:0.13ms
検出している波は、板波の中でも非対称運動する基本モード(Aoモード波)であるので、Aoモード波の100kHzにおける群速度:2837m/s(理論値に計算)を用いて音源位置を標定すると、(−400、−150)となり、与えた音源位置(−400、−170)mmと50mm以下の精度で標定されている。板が小さいのでやや面倒な標定アルゴリズムを使用せざるをえないが、大きな板では図の最大振幅到達時間を使えば簡単に標定できる。
If the accuracy is not particularly a problem, the sound source position can be obtained from the time difference indicating the maximum intensity in FIG. 5B, but the following processing is performed to increase the accuracy. That is, when the wavelet coefficient change with time of the resonance frequency of each sensor holder is obtained from the wave of FIG. 5, it becomes as shown in FIG. The arrival time is read as follows.
Arrival time of 123 kHz component to sensor 20: 0.20 ms
Arrival time of 103 kHz component to sensor 30: 0.45 ms
Arrival time of the 83 kHz component to the sensor 40: 0.13 ms
Since the detected wave is a fundamental mode (Ao mode wave) that moves asymmetrically among plate waves, the position of the sound source is determined using the group velocity of the Ao mode wave at 100 kHz: 2837 m / s (calculated to the theoretical value). Then, (−400, −150) is obtained, and the sound source position (−400, −170) mm given and the accuracy is determined with an accuracy of 50 mm or less. Since the plate is small, it is necessary to use a slightly troublesome orientation algorithm, but for a large plate, it can be easily located using the maximum amplitude arrival time in the figure.

図7(a)は音源bで芯の圧折を行ったときの検出波を示す図である。縦軸に出力電圧、横軸に時間を示す。即ち、領域Aにはセンサ30の波形が観測でき、領域Bにはセンサ40の波形が観測でき、領域Cにはセンサ20の波形が観測できる。図7(b)のウェーブレットと等高線図には3個の波束(領域a、b、c)が観察され、図5に示した周波数帯とほぼ一致している。   FIG. 7A is a diagram showing a detection wave when the core is collapsed by the sound source b. The vertical axis represents output voltage, and the horizontal axis represents time. That is, the waveform of the sensor 30 can be observed in the region A, the waveform of the sensor 40 can be observed in the region B, and the waveform of the sensor 20 can be observed in the region C. Three wave packets (regions a, b, and c) are observed in the wavelet and the contour diagram in FIG. 7B, which are almost the same as the frequency band shown in FIG.

図8は、83kHz、103kHz、123kHzのウェーブレット係数経時変化である。同様方法で音源位置を標定すると、(200、500)mmとなり、与えた位置(231、414)mmと90mmの誤算内に標定された。本実施形態では3個のセンサしか使用していないが、多くのセンサを使用すればさらに精度を上げることが出来る。本発明は簡単な方法で、一本のセンサファイバを多くのAEセンサに分割で出来るという特徴を有しており、応用分野の大幅な拡張につながる。   FIG. 8 shows changes over time in wavelet coefficients of 83 kHz, 103 kHz, and 123 kHz. When the sound source position was standardized by the same method, it was (200, 500) mm, and was standardized within the miscalculation of the given position (231, 414) mm and 90 mm. In the present embodiment, only three sensors are used, but the accuracy can be further increased if many sensors are used. The present invention has a feature that a single sensor fiber can be divided into many AE sensors in a simple manner, leading to a significant expansion of application fields.

(実施例1)
図9は本発明のセンサホルダをフランジ継ぎ手配管に複数設定した場合の音源位置標定法を説明する図である。本実施例では、パイプAとパイプBをソケット32で接続し、パイプBとパイプCをエルボ31で接続する。そしてパイプAにはセンサ40を配設し、パイプBにはセンサ30を配設し、パイプCにはセンサ20を配設する。それらを光ファイバ33により直列に接続してマルチセンサファイバを構成する。また、パイプAには音源Aを発生させ、パイプBには音源Bを発生させ、パイプCには音源Cを発生させて位置を標定した。尚、音源としては芯を圧折してAE波を発生させた。また、パイプAの形状として長さが960mm、パイプAとソケット32との接続部から300mmの位置にセンサ40を配設し、そこから190mmの位置に音源Aを設ける。同じくパイプBの形状として長さが980mm、パイプBとソケット32との接続部から380mmの位置にセンサ30を配設し、そこから200mmの位置に音源Bを設ける。またパイプCの形状として長さが960mm、パイプCとエルボ31との接続部から300mmの位置にセンサ20を配設し、そこから180mmの位置に音源Cを設ける。ここで、各センサの特性は、センサ20(ホルダ直径20mm):共振周波数120kHz、センサ30(ホルダ直径30mm):共振周波数100kHz、センサ40(ホルダ直径40mm):共振周波数80kHzである。
Example 1
FIG. 9 is a diagram for explaining a sound source location method when a plurality of sensor holders of the present invention are set on the flange joint pipe. In this embodiment, pipe A and pipe B are connected by a socket 32, and pipe B and pipe C are connected by an elbow 31. The sensor 40 is disposed on the pipe A, the sensor 30 is disposed on the pipe B, and the sensor 20 is disposed on the pipe C. These are connected in series by an optical fiber 33 to form a multi-sensor fiber. Further, the sound source A is generated in the pipe A, the sound source B is generated in the pipe B, and the sound source C is generated in the pipe C to determine the position. As a sound source, an AE wave was generated by overwhelming the core. Further, the pipe A has a length of 960 mm, the sensor 40 is disposed at a position 300 mm from the connecting portion between the pipe A and the socket 32, and the sound source A is disposed at a position 190 mm therefrom. Similarly, the length of the pipe B is 980 mm, the sensor 30 is disposed at a position of 380 mm from the connection portion between the pipe B and the socket 32, and the sound source B is disposed at a position of 200 mm therefrom. The pipe C has a shape of 960 mm in length, the sensor 20 is disposed at a position 300 mm from the connection portion between the pipe C and the elbow 31, and the sound source C is disposed at a position 180 mm therefrom. The characteristics of each sensor are as follows: sensor 20 (holder diameter 20 mm): resonance frequency 120 kHz, sensor 30 (holder diameter 30 mm): resonance frequency 100 kHz, sensor 40 (holder diameter 40 mm): resonance frequency 80 kHz.

フランジは超音波伝播の障害になり、AEはフランジ間を往復伝播する。このため、フランジを超えて設置されたAEセンサを用いてパイプのどこに音源(損傷)があるかを調べることは出来ない。配管が長い場合、基本単位長さ(一般には6m)の管の数だけセンサを並列に設置して計測することになる。たとえば1kmのパイプラインでは、166個ものセンサを並列に設置する必要がある。そこで本実施例では、一本長いセンサファイバを何個ものセンサに直列に分割でき、かつファイバは信号伝達ケーブルの役目もするので、極めて軽量でシンプルなセンシングを可能にする。図9は、約1m長の鋼管3本(パイプA、B、C)をソケット32とエルボ31を介して接続した配管の損傷源(芯圧折)が何処にあるかをセンサホルダを用いて評定する方法である。パイプAにはセンサ40を、パイプBにはセンサ30を、パイプCにはセンサ20を1本のセンサファイバ33に設置してマルチセンサファイバを構成し、それぞれのパイプに音源を与えて音源のあるパイプを標定した。   The flange becomes an obstacle to ultrasonic propagation, and the AE reciprocates between the flanges. For this reason, it is impossible to investigate where the sound source (damage) is in the pipe using the AE sensor installed beyond the flange. When the pipes are long, the sensors are installed in parallel for the number of pipes having a basic unit length (generally 6 m), and measurement is performed. For example, in a 1 km pipeline, as many as 166 sensors need to be installed in parallel. Therefore, in this embodiment, a single long sensor fiber can be divided into a number of sensors in series, and the fiber also serves as a signal transmission cable, so that extremely lightweight and simple sensing is possible. FIG. 9 shows, using a sensor holder, where a damage source (core folding) of a pipe in which three steel pipes (pipes A, B, C) having a length of about 1 m are connected via a socket 32 and an elbow 31 is located. It is a method of rating. A sensor 40 is installed in the pipe A, a sensor 30 is installed in the pipe B, and a sensor 20 is installed in the pipe C. The sensor 20 is installed in one sensor fiber 33 to form a multi-sensor fiber. A pipe was standardized.

図10(a)は図9のパイプAの音源Aに音源を与えたときの直列センサファイバで検出された円筒波AEの図である。この波のパワースペクトルを取ると図10(b)のように82kHzに最大ピークをもっている。この周波数は、センサ40の共振周波数であるので、センサ40が設置してあるパイプAに音源があることになる。同様にパイプBに音源Bがある場合には、図11(b)に示すように101kHzの波を検出しており、100kHzに共振周波数をもつセンサ30が設置してあるパイプBに音源があることがわかる。図12は音源CがパイプCにあるときの例で、センサ20の共振周波数120kHzに近い波(115kHz)が検出されている。   FIG. 10A is a diagram of the cylindrical wave AE detected by the serial sensor fiber when the sound source is given to the sound source A of the pipe A of FIG. Taking the power spectrum of this wave, it has a maximum peak at 82 kHz as shown in FIG. Since this frequency is the resonance frequency of the sensor 40, there is a sound source in the pipe A where the sensor 40 is installed. Similarly, when there is a sound source B in the pipe B, a wave of 101 kHz is detected as shown in FIG. 11B, and there is a sound source in the pipe B where the sensor 30 having a resonance frequency at 100 kHz is installed. I understand that. FIG. 12 shows an example when the sound source C is in the pipe C, and a wave (115 kHz) close to the resonance frequency 120 kHz of the sensor 20 is detected.

(実施例2)
本実施例では、シロアリ食害検出センサとして本発明を応用した例である。 図示は省略するが、シロアリによる木材の食害をAEセンサで検出する発明は多いが、いずれも並列センサを用いているため、検出システムが高価になり個人住宅に設置できるものではない。木造建築物の何処が食害を受けているのか、あるいはシロアリがいるのかいないのかを簡便にセンシングする目的にも本発明は極めて有効である。この場合には、センサホルダには材木を用い、これを柱に埋込む(打込む)方法を用いれば、1本のファイバセンサで家屋あるいは神社仏閣などの大型木造建造物の食害位置の検出が可能になる。円筒木材にシロアリが好む物質を含有させておけば、シロアリを集めて、シロアリの有無を早期に検出することも可能である。
(Example 2)
In this embodiment, the present invention is applied as a termite feeding damage detection sensor. Although illustration is omitted, there are many inventions for detecting wood damage caused by termites with an AE sensor, but since all use parallel sensors, the detection system becomes expensive and cannot be installed in a private house. The present invention is also extremely effective for the purpose of simply sensing where a wooden building is damaged by food or whether there is a termite. In this case, if timber is used for the sensor holder and this is embedded (dried) in a pillar, the position of damage to a large wooden structure such as a house or a shrine or temple can be detected with a single fiber sensor. It becomes possible. If a material preferred by termites is contained in the cylindrical wood, it is possible to collect termites and detect the presence or absence of termites at an early stage.

図13は板を伝播するラム波の波形が板厚方向の音源位置によって変化する様子を示す図である。1本の光ファイバに、多くのセンサ機能(マルチ・センサ・ファイバという)を持たせる方法と、危険箇所を標定する方法における問題は、それぞれのセンサホルダは、ホルダの共振波を検出するのみで、部材を伝播する超音波(AE)波形は歪められるという問題があった。たとえば、板を伝播するAEは板波(ラム波)と呼ばれ、固有の波形を示す。固有の波形とは地震で経験される上下や水平振動と同じで、これらの振動は縦波が早く横波が遅れて到達することによって縦波と横波が固有の振動(ゆれ)を示すのと同じである。   FIG. 13 is a diagram showing how the waveform of the Lamb wave propagating through the plate changes depending on the sound source position in the plate thickness direction. The problem with the method of providing many sensor functions (referred to as multi-sensor fiber) in one optical fiber and the method of locating a dangerous point is that each sensor holder only detects the resonance wave of the holder. The ultrasonic (AE) waveform propagating through the member is distorted. For example, an AE that propagates through a plate is called a plate wave (Lamb wave) and exhibits a unique waveform. Inherent waveforms are the same as the vertical and horizontal vibrations experienced by earthquakes. These vibrations are the same as the longitudinal waves and the transverse waves exhibit inherent vibrations (swings) when the longitudinal waves arrive early and the transverse waves arrive late. It is.

図13には(a)〜(d)の4種類の波形を示したが、(a)は音源が板の表面にあるとき、(d)は音源が板厚の中央にあるとき、(b)や(c)はその中間にあるときの波である。遅れて到達する大きな振幅の波は、図14(a)に示すように板の中をうねるように伝播する波で、Aoモード波(非対称モード波、anti-symmetric mode)と呼ばれる。一方、図14(b)に示すように早い時間に見られる振幅の小さな波は、Soモード波(対称モード波、asymmetric mode)と呼ばれ粗密振動をしながら伝播播する波である。
これらの波には、図15に示すように、色々なモード波があり、それらの速度は周波数によって変化する(速度分散)という面倒な性質があるが、検出されるモード波は低周波数のSoとAoモード波と書かれた波である。Soモードの低周波数の速度は板厚に依存しない一定値(シート速度という)をとるので、どのセンサホルダが検出した波かが判れば、シート速度から音源位置をきわめて正確に標定することも可能になる。一般にSoモード波の振幅は小さいので検出が難しいが、本発明はこのSoモード波も検出するものである(詳細は後述する)。
FIG. 13 shows four types of waveforms (a) to (d). (A) is when the sound source is on the surface of the plate, (d) is when the sound source is at the center of the plate thickness, ) And (c) are waves in the middle. A large-amplitude wave that arrives late is a wave that propagates in a wavy manner as shown in FIG. 14A and is called an Ao mode wave (anti-symmetric mode). On the other hand, as shown in FIG. 14B, a wave having a small amplitude seen at an early time is a so-called so-mode wave (asymmetric mode), which propagates and propagates while performing dense vibration.
As shown in FIG. 15, these waves have various mode waves, and their velocities vary depending on the frequency (velocity dispersion), but the detected mode waves are low-frequency So. And Ao mode waves. Since the low-frequency speed of the So mode takes a constant value (called the sheet speed) that does not depend on the plate thickness, it is possible to determine the position of the sound source very accurately from the sheet speed if the wave detected by which sensor holder is detected. become. In general, the amplitude of the So-mode wave is small and difficult to detect, but the present invention also detects this So-mode wave (details will be described later).

図13に示したような波は、図2(a)に示すセンサホルダの突起部22を被検査対象物に接触させる方法では検出できなった。すなわち、図2(a)に示すセンサホルダでは、図13のような波がセンサホルダを振動させた結果生じる共振波のみを検出していたからである。図13に見られる様に、音源が板の表面にある場合と板の中央にある場合で、波の振幅は大きく異なるので、伝播する超音波の波形を正確に検出することは、損傷が板の何処まで進展しているかを知る上でも極めて重要である。Aoモード波の振幅をA、Soモードの振幅をSとすれば、A/Sは音源が板中央にあるときは0、音源が表面にあるときには最大値をとるので、A/Sを調べれば板厚方向の位置までわかるので、3次元の位置標定が可能である。しかし、図2(a)に示すセンサホルダでは2次元位置標定しかできなかった。   A wave as shown in FIG. 13 could not be detected by the method of bringing the projection 22 of the sensor holder shown in FIG. 2A into contact with the object to be inspected. That is, in the sensor holder shown in FIG. 2A, only the resonance wave generated as a result of the wave as shown in FIG. 13 vibrating the sensor holder is detected. As seen in FIG. 13, since the amplitude of the wave is greatly different between the case where the sound source is on the surface of the plate and the case where it is in the center of the plate, it is difficult to accurately detect the waveform of the propagating ultrasonic wave. It is extremely important to know how far the progress has been made. If the amplitude of the Ao mode wave is A and the amplitude of the So mode is S, A / S takes 0 when the sound source is at the center of the plate, and takes the maximum value when the sound source is on the surface. Since the position in the thickness direction is known, three-dimensional position determination is possible. However, the sensor holder shown in FIG. 2A can only perform two-dimensional positioning.

またAEの波形(特にSoモードの初動波)は、破壊の大きさや生成速度(地震でいう規模)を推定する上でも極めて重要であり、これが計測できるメリットは大きい。破壊の大きさや規模(破壊のダイナミックスという)を推定する原波形解析についてはここでは言及しないが、すでに開発済みである。即ち、一本の光ファイバをいくつかのセンサに直列に分割する場合、それぞれのセンサは、1)超音波波形を正しく検出するとともに、2)その波形はどのセンサが検出したかがわからなければならない。前述した図2(a)に示すセンサホルダで行ったことは2)である。
そこで本実施形態では、1)と2)が同時に出来るセンサホルダについて説明する。
In addition, the AE waveform (especially, the initial motion wave in the So mode) is extremely important for estimating the magnitude and generation speed (scale referred to as an earthquake) of the destruction. The original waveform analysis that estimates the magnitude and scale of destruction (called fracture dynamics) is not mentioned here, but it has already been developed. That is, when a single optical fiber is divided into several sensors in series, each sensor 1) correctly detects the ultrasonic waveform, and 2) it is not known which sensor detected the waveform. Don't be. What was done with the sensor holder shown in FIG.
Therefore, in this embodiment, a sensor holder capable of simultaneously performing 1) and 2) will be described.

図16は本発明の実施形態に係る超音波センサの構成を示す図である。(a)は側断面図であり、(b)は正面図である。この超音波センサ50は、少なくともセンサ用光ファイバ6の一部が試験片41にP点で接触するように配設される。そしてセンサ用光ファイバ6の表面の一部を、センサホルダ21が有する共振定在波を減衰させる防食テープ40により被覆されている。即ち、図2(a)のセンサホルダ21を横に寝かすように試験片41の表面に設置する。またセンサホルダ21の共振定在波に減衰を与える目的で、防食テープ40で設置面以外を覆った。これによって、センサホルダ21の共振定在波の持続時間を抑え、構造物へのホルダの取付けを容易にしている。これにより、狭い領域で発生するAEの到達を時間的に区別して検出できるようにした。この超音波センサ50を用いれば、試験片41と接する光ファイバ6がAE波の初期部分を正確に検出するとともに、外周に巻いた光ファイバ6がセンサホルダ21の共振波を検出する。なお、超音波センサ50の共振周波数はセンサホルダ21の外径及び厚さ、密度等に依存し、目的にあわせて変更できる点は、図2(a)で記載した通りである。   FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the ultrasonic sensor according to the embodiment of the present invention. (A) is a sectional side view, (b) is a front view. The ultrasonic sensor 50 is arranged so that at least a part of the optical fiber 6 for sensor is in contact with the test piece 41 at the point P. A part of the surface of the sensor optical fiber 6 is covered with an anticorrosion tape 40 that attenuates the resonant standing wave of the sensor holder 21. That is, the sensor holder 21 of FIG. 2A is installed on the surface of the test piece 41 so as to lie down. Further, for the purpose of attenuating the resonance standing wave of the sensor holder 21, the anticorrosion tape 40 was used to cover other than the installation surface. Thereby, the duration of the resonance standing wave of the sensor holder 21 is suppressed, and the attachment of the holder to the structure is facilitated. As a result, arrival of AEs occurring in a narrow area can be detected while being distinguished in terms of time. If this ultrasonic sensor 50 is used, the optical fiber 6 in contact with the test piece 41 accurately detects the initial portion of the AE wave, and the optical fiber 6 wound around the outer periphery detects the resonance wave of the sensor holder 21. Note that the resonance frequency of the ultrasonic sensor 50 depends on the outer diameter, thickness, density, and the like of the sensor holder 21 and can be changed according to the purpose, as described in FIG.

図17は圧電トランスミッタで励起したラム波を検出して超音波センサの異方性を調べる図である。この実験では、超音波センサ50から200mm離れた位置に設置した圧電素子43トランスミッタ(共振周波数450kHz)を用いてAEを励起し、超音波センサ50を用いてラム波AEを検出している。図16の超音波センサ50の軸方向に対して直交する位置を0°とし、圧電素子43の位置が超音波センサ50の軸方向に対して0°、45°、90°方向に圧電素子43を置いてラム波AEを検出した。この実験に用いたセンサホルダの共振周波数は81kHzのアルミニウム製である。
図18は図17の実験結果を示す図である。図18(a)はアルミニウム板上で検出した波形、図18(b)は検出波の周波数成分を示す図である。
図18(a)から解るとおり、共振波の振幅は45°方向からのラム波で最も大きく、90°方向からのラム波振幅が一番小さい。その詳細な理由は本発明の主旨ではないので省略する。尚、図18(b)のパワースペクトルでは、センサの共振周波数81kHzに強いピークを示している。センサホルダ21の直径や形状を変えれば、異なった周波数を示すようになり正確な位置標定が出来る。
FIG. 17 is a diagram for examining the anisotropy of the ultrasonic sensor by detecting the Lamb wave excited by the piezoelectric transmitter. In this experiment, AE is excited using a piezoelectric element 43 transmitter (resonance frequency 450 kHz) installed at a position 200 mm away from the ultrasonic sensor 50, and Lamb wave AE is detected using the ultrasonic sensor 50. The position orthogonal to the axial direction of the ultrasonic sensor 50 in FIG. 16 is 0 °, and the position of the piezoelectric element 43 is 0 °, 45 °, and 90 ° in the axial direction of the ultrasonic sensor 50. And Lamb wave AE was detected. The resonance frequency of the sensor holder used in this experiment is made of aluminum of 81 kHz.
FIG. 18 is a diagram showing the experimental results of FIG. FIG. 18A is a waveform detected on the aluminum plate, and FIG. 18B is a diagram showing frequency components of the detected wave.
As can be seen from FIG. 18A, the amplitude of the resonance wave is the largest in the Lamb wave from the 45 ° direction and the Lamb wave amplitude from the 90 ° direction is the smallest. The detailed reason is omitted because it is not the gist of the present invention. In the power spectrum of FIG. 18B, a strong peak is shown at the resonance frequency of 81 kHz of the sensor. If the diameter and shape of the sensor holder 21 are changed, different frequencies are displayed, and accurate positioning can be performed.

図19は、0°方向からのラム波のウェーブレット係数分布図である。縦軸は伝播距離(既知)を伝播時間(実測)で割ったもので波の伝播速度を、横軸は周波数を示す。図中に示した曲線44はA0モードの理論群速度分散で、検出波の初動部に見られたAoラム波の速度分散45と一致している。なお図には0.08MHzの成分(垂直線)46が強く出ているが、これはセンサの共振周波数である。   FIG. 19 is a wavelet coefficient distribution diagram of Lamb waves from the 0 ° direction. The vertical axis shows the propagation speed of the wave by dividing the propagation distance (known) by the propagation time (actual measurement), and the horizontal axis shows the frequency. A curve 44 shown in the figure is the theoretical group velocity dispersion of the A0 mode, and coincides with the velocity dispersion 45 of the Ao Lamb wave seen in the initial motion part of the detected wave. In the figure, a 0.08 MHz component (vertical line) 46 is strong, which is the resonance frequency of the sensor.

次に、このセンサホルダを用いた損傷源位置標定法について示す。図20はマルチセンサを用いた音源位置標定の実験装置の図である。ここでは、共振周波数の異なる3個の超音波センサ(α、β、γ)を一本の光ファイバに直列に設置した。共振周波数が91kHz(α)、81kHz(β)、86kHz(γ)の3つの超音波センサを用いて、速度異方性のある直交炭素繊維複合材料(クロスプライCFRP)の音源位置評定法を示す。CFRPは、軽量・高強度材料で、航空機の翼やH2ロケットの固形燃料タンクなどに使用されている。固形燃料タンクでは、タンク移動中の損傷を極めて嫌うので軽量な損傷検出法が求められているので本手法は極めて有望である。ただしCFRPは、伝播速度が方向によって大きく異なる(繊維方向で早く45度方向で遅い)という問題がある。図20に示すように、三角形の各頂点に3個の超音波センサを設置し、一本のファイバで接続してラム波AEを検出する。   Next, a damage source location method using this sensor holder will be described. FIG. 20 is a diagram of an experimental apparatus for sound source location using a multi-sensor. Here, three ultrasonic sensors (α, β, γ) having different resonance frequencies are installed in series on one optical fiber. A sound source position evaluation method for an orthogonal carbon fiber composite material (cross-ply CFRP) having velocity anisotropy is shown using three ultrasonic sensors having resonance frequencies of 91 kHz (α), 81 kHz (β), and 86 kHz (γ). . CFRP is a lightweight, high-strength material that is used in aircraft wings and solid fuel tanks for H2 rockets. Since solid fuel tanks dislike damage during tank movement, a lightweight damage detection method is required, so this method is extremely promising. However, CFRP has a problem that the propagation speed varies greatly depending on the direction (fast in the fiber direction and slow in the 45 degree direction). As shown in FIG. 20, three ultrasonic sensors are installed at each apex of the triangle and connected by a single fiber to detect the Lamb wave AE.

図21は、検出波(a)、(b)、(c)、(d)のウェーブレット強度経時変化を示す図である。図20のA点(97、94)でラム波を励起し、3個のセンサで検出された波形を(a)、この波形からウェーブレット変換を用いて81kHz、86kHz、91kHz成分を取りだしてその経時変化をそれぞれ(b)、(c)、(d)に示した。波(a)には3つの波束が見られるが、どの波束がどのセンサに対応するかがわからない。そこで、あらかじめ判っている3センサの共振周波数におけるウェーブレット係数の経時変化を求めると、(b)、(c)、(d)のようになる。それぞれの図には3つのピークが現われているが、最大ピークの到達時間(図中の○をつけたピーク)から、波は(d)→(b)→(c)の順に到達していることが判る。センサの共振周波数と照合すると、AEはセンサα→β→γの順に到達していることになる。   FIG. 21 is a diagram showing changes over time in the wavelet intensity of the detection waves (a), (b), (c), and (d). The Lamb wave is excited at point A (97, 94) in FIG. 20, and the waveform detected by the three sensors is (a), and 81 kHz, 86 kHz, and 91 kHz components are extracted from this waveform using wavelet transform. The changes are shown in (b), (c) and (d), respectively. Three wave packets can be seen in the wave (a), but it is not known which wave packet corresponds to which sensor. Therefore, when the change with time of the wavelet coefficient at the resonance frequency of the three sensors known in advance is obtained, (b), (c), and (d) are obtained. In each figure, three peaks appear, but from the arrival time of the maximum peak (peak marked with ○ in the figure), the waves arrive in the order of (d) → (b) → (c). I understand that. When collated with the resonance frequency of the sensor, AE arrives in the order of sensors α → β → γ.

図22は260kHzのウェーブレット強度経時変化を示す図である。なおここで、260kHzという周波数は、クロスプライCFRPに対してAoモードラム波の速度異方性がない特殊な周波数である。図21(a)では、振幅の小さいAoモードラム波は大きな振幅の共振波に隠れて見えないが、ウェーブレット変換をおこなうと図22のように3つのピークが検出でき、早い時間からα→β→γの順に検出していることがわかる。3ピークの到達時間差と260kHzにおけるラム波の速度(1260m/s)から音源位置を推定すると、音源(A)は、(96、103)に標定された。これは10%以下の距離誤差で、標定精度はかなりよいのが解る。   FIG. 22 is a diagram showing a time-dependent change of the wavelet intensity at 260 kHz. Here, the frequency of 260 kHz is a special frequency with no velocity anisotropy of the Ao mode Lamb wave with respect to the cross-ply CFRP. In FIG. 21 (a), an Ao mode Lamb wave with a small amplitude is hidden behind a resonance wave with a large amplitude, but when wavelet transform is performed, three peaks can be detected as shown in FIG. → It can be seen that the detection is performed in the order of γ. When the sound source position was estimated from the arrival time difference of the three peaks and the Lamb wave velocity at 260 kHz (1260 m / s), the sound source (A) was localized at (96, 103). This is a distance error of 10% or less, and it can be seen that the positioning accuracy is quite good.

図23はクロスプライCFRP板を3点曲げによって損傷させた際の検出AEの一例を示す図である。このAEは、クロスプライCFRP板を3点曲げ試験によって損傷させた際に発生したAEである。光ファイバセンサは、早い時間にラム波S0モードとA0モードを検出している。遅い時間の波束は3センサの共振による波である。この検出波の振幅は極めて大きく(5V)、微小な損傷も検出できることを示している。なおこの波の詳細な解析を行えば、何処で(板厚の表面か内部か?)、どんな損傷(繊維の破断か?樹脂の剥離か?)が、どのくらいの速度(損傷の大きさと損傷速度)などがわかるが、詳細は割愛する。本実施形態の超音波センサは、3次元の音源位置特定を可能にするのみでなく、AE波形を広周波数帯域で検出することを可能にした。
図24は防食テープの有無による共振波の減衰の様子を示す図である。波形Aは防食テープ40が内場合であり、波形Bは防食テープ40がある場合である。この図から明らかな通り、防食テープ40がある場合は共振波が早く減衰していることが解る。
FIG. 23 is a diagram showing an example of detection AE when the cross-ply CFRP plate is damaged by three-point bending. This AE is generated when the cross-ply CFRP plate is damaged by a three-point bending test. The optical fiber sensor detects the Lamb wave S0 mode and the A0 mode at an early time. The slow wave packet is a wave due to resonance of the three sensors. The amplitude of this detection wave is extremely large (5 V), indicating that even minute damage can be detected. If this wave is analyzed in detail, where (whether it is the surface of the plate thickness or inside?), What damage (fiber breakage or resin peeling?) And how fast (damage size and damage rate) ) Etc., but details are omitted. The ultrasonic sensor according to the present embodiment enables not only the three-dimensional sound source position specification but also the detection of the AE waveform in a wide frequency band.
FIG. 24 is a diagram showing how the resonance wave is attenuated depending on the presence or absence of the anticorrosion tape. Waveform A is when the anticorrosion tape 40 is inside, and waveform B is when the anticorrosion tape 40 is present. As is apparent from this figure, it can be seen that when the anticorrosion tape 40 is present, the resonance wave is attenuated quickly.

以上の通り本発明によれば、被検査対象物の破壊、亀裂および腐食箇所を特定するために、光ファイバを、異なる周波数特性を有する複数の超音波センサに分割して直列に被検査対象物に配設するので、光ファイバを1本で構成が可能であり、且つ超音波センサの増設を容易に行うことができると共に、被検査対象物に発生する弾性波の位置を特定することができる。
また、センサ用光ファイバを所定回数巻回するセンサホルダを備え、このセンサホルダの材質若しくは形状により異なる周波数特性を得るようにしたので、どの周波数が発生したかにより超音波を検出したセンサを特定でき、その結果、破壊、亀裂および腐食箇所を特定することができる。
As described above, according to the present invention, the optical fiber is divided into a plurality of ultrasonic sensors having different frequency characteristics in order to specify the destruction, cracks, and corrosion location of the object to be inspected, and the object to be inspected in series. Therefore, it is possible to configure a single optical fiber, to easily add an ultrasonic sensor, and to specify the position of an elastic wave generated in an object to be inspected. .
In addition, a sensor holder that winds the optical fiber for the sensor a predetermined number of times has been obtained so that different frequency characteristics can be obtained depending on the material or shape of the sensor holder. Therefore, the sensor that detects the ultrasonic wave can be specified depending on which frequency is generated. As a result, fractures, cracks and corrosion points can be identified.

また、センサホルダは、被検査対象物に接触させる部分を突起形状としたので、被検査対象物に伝播するAE波を感度良く検出することができる。
また、センサホルダの材質は、固体若しくは金属若しくは磁性材料であるので、アルミニウムで製作した場合、超音波センサを軽量に且つ安価に製作することができ、磁性材料で製作した場合は、鋼材により構成された被検査対象物に容易に取り付けることができる。
また、センサホルダは、中空材若しくは中実材により構成されているので、軽量化したい場合は、内部を中空にした材料で構成し、また特にその必要がなければ、中実材を削り出して構成したり、型で整形して製作することができる。
In addition, since the sensor holder has a protruding shape at the portion that is brought into contact with the object to be inspected, the AE wave propagating to the object to be inspected can be detected with high sensitivity.
In addition, since the sensor holder is made of solid, metal, or magnetic material, it can be manufactured lightly and inexpensively when it is made of aluminum. When it is made of magnetic material, it is made of steel. It can be easily attached to the inspection object.
In addition, since the sensor holder is made of a hollow material or a solid material, if it is desired to reduce the weight, the sensor holder is made of a material with a hollow inside. Can be constructed or shaped with a mold.

また、センホルダの材質を同一材質とした場合、センサホルダの径、若しくは厚みを変更することにより周波数特性を調整するので、容易に周波数特性の異なる超音波センサを製作することができる。
また、超音波センサ50は、少なくともセンサ用光ファイバ6の一部が被検査対象物に接触するように配設されるので、直接AEを検出することが可能となり、被検査対象物の破損の部位を更に詳しく判断することができる。
また、超音波センサ50は、センサ用光ファイバ6の表面の一部若しくは全部を、センサホルダが発生する共振定在波を減衰させる材料(防食テープ40)により被覆されるので、狭い領域で発生するAEの到達を時間的に区別することができる。
Further, when the same material is used for the center holder, the frequency characteristics are adjusted by changing the diameter or thickness of the sensor holder, so that ultrasonic sensors having different frequency characteristics can be easily manufactured.
Further, since the ultrasonic sensor 50 is disposed so that at least a part of the optical fiber 6 for the sensor is in contact with the object to be inspected, it becomes possible to directly detect AE, and damage to the object to be inspected. The site can be determined in more detail.
Further, the ultrasonic sensor 50 is generated in a narrow region because a part or all of the surface of the sensor optical fiber 6 is covered with a material (corrosion protection tape 40) that attenuates the resonant standing wave generated by the sensor holder. The arrival of the AE to be performed can be distinguished in terms of time.

本発明の第1の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。It is a block diagram of the elastic wave detection apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)は本発明のセンサホルダの構成の一例を示す図、(b)は(a)のセンサホルダの直径が20mmの場合の検出波を示す図である。(A) is a figure which shows an example of a structure of the sensor holder of this invention, (b) is a figure which shows a detection wave in case the diameter of the sensor holder of (a) is 20 mm. (a)(b)はセンサ20、30、40の周波数特性を示す図である。(A) (b) is a figure which shows the frequency characteristic of the sensors 20, 30, and 40. FIG. 本発明による鋼板の2次元位置標定法の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the two-dimensional location method of the steel plate by this invention. (a)は音源aで芯の圧折を行ったときの検出波を示す図、(b)はこの波にウェーブレット変換をおこなって、時間・周波数平面に書き直した図である。(A) is a figure which shows a detection wave when a core is folded with the sound source a, (b) is a figure which performed wavelet transformation to this wave, and was rewritten on the time and frequency plane. ウェーブレット変換を用いて図5の検出波から83、103、123kHz成分を抽出した図である。It is the figure which extracted the 83, 103, 123kHz component from the detection wave of FIG. 5 using the wavelet transform. (a)は音源bで芯の圧折を行ったときの検出波を示す図、(b)はウェーブレットと等高線図である。(A) is a figure which shows a detection wave when performing a core collapse with the sound source b, (b) is a wavelet and a contour map. 83kHz、103kHz、123kHzのウェーブレット係数経時変化を示す図である。It is a figure which shows a wavelet coefficient time-dependent change of 83 kHz, 103 kHz, and 123 kHz. 本発明のセンサホルダをフランジ継ぎ手配管に複数設定した場合の音源位置標定法を説明する図である。It is a figure explaining the sound source location method at the time of setting a plurality of sensor holders of the present invention to flange joint piping. (a)は図9のパイプAの音源Aに音源を与えたときの直列センサファイバで検出された円筒波AEの図、(b)はこの波のパワースペクトルを取った図である。(A) is the figure of the cylindrical wave AE detected with the serial sensor fiber when a sound source is given to the sound source A of the pipe A of FIG. 9, (b) is the figure which took the power spectrum of this wave. (a)は図9のパイプBの音源Bに音源を与えたときの直列センサファイバで検出された円筒波AEの図、(b)はこの波のパワースペクトルを取った図である。(A) is the figure of the cylindrical wave AE detected with the serial sensor fiber when a sound source is given to the sound source B of the pipe B of FIG. 9, (b) is the figure which took the power spectrum of this wave. (a)は図9のパイプCの音源Cに音源を与えたときの直列センサファイバで検出された円筒波AEの図、(b)はこの波のパワースペクトルを取った図である。(A) is the figure of the cylindrical wave AE detected with the serial sensor fiber when a sound source is given to the sound source C of the pipe C of FIG. 9, (b) is the figure which took the power spectrum of this wave. 板を伝播するラム波の波形が板厚方向の音源位置によって変化する様子を示す図であり、(a)は音源が板の表面にあるときを示す図、(d)は音源が板厚の中央にあるときを示す図、(b)や(c)はその中間にあるときの波を示す図である。It is a figure which shows a mode that the waveform of the Lamb wave which propagates a board changes with the sound source position of a board thickness direction, (a) is a figure which shows when a sound source exists in the surface of a board, (d) is a figure where a sound source is board thickness. The figure which shows when it exists in the center, (b) and (c) are figures which show a wave when it exists in the middle. Soモード波とAoモード波の振動の様子を示す図であり、(a)は非対称モード波を示す図、(b)は対称モード波を示す図である。It is a figure which shows the mode of a vibration of a So mode wave and an Ao mode wave, (a) is a figure which shows an asymmetric mode wave, (b) is a figure which shows a symmetric mode wave. ラム波に存在する各種モード波とそれらの速度分散を示す図である。It is a figure which shows the various mode waves which exist in a Lamb wave, and those velocity dispersion | distribution. 本発明の実施形態に係る超音波センサの構成を示す図であり、(a)は側断面図、(b)は正面図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic sensor which concerns on embodiment of this invention, (a) is a sectional side view, (b) is a front view. 圧電トランスミッタで励起したラム波を検出して超音波センサの異方性を調べる図である。It is a figure which investigates the anisotropy of an ultrasonic sensor by detecting the Lamb wave excited with the piezoelectric transmitter. (a)はアルミニウム板上で検出した波形を示す図、(b)は検出波の周波数成分を示す図である。(A) is a figure which shows the waveform detected on the aluminum plate, (b) is a figure which shows the frequency component of a detection wave. (a)はAoモード理論群速度分散曲線を示す図、(b)は初動ラム波部分拡大図である。(A) is a figure which shows an Ao mode theoretical group velocity dispersion | distribution curve, (b) is an initial motion Lamb wave partial enlarged view. マルチセンサを用いた音源位置標定の実験装置の図である。It is a figure of the experimental device of sound source location determination using a multisensor. (a)、(b)、(c)、(d)は検出波のウェーブレット強度経時変化を示す図である。(A), (b), (c), (d) is a figure which shows the wavelet intensity temporal change of a detection wave. 260kHzのウェーブレット強度経時変化を示す図である。It is a figure which shows a 260kHz wavelet intensity | strength change with time. クロスプライCFRP板を3点曲げによって損傷させた際の検出AEの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of detection AE at the time of damaging a cross-ply CFRP board by 3 point | piece bending. 防食テープの有無による共振波の減衰の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of attenuation | damping of the resonant wave by the presence or absence of a corrosion prevention tape. 従来技術の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1…弾性波検出装置、2…光源、3…光アイソレータ、4…第1カプラ、5…参照光用光ファイバ、6…センサ用光ファイバ、7…第2カプラ、8…第1光検出器、9…第2光検出器、10…差分回路、11…フィルタ、12…処理装置、13…アンプ、14…フィルタ、15…積分器、16…アクチュエータドライバ、17…被検査対象物、18a、18b、18c、18d…センサホルダ、40・・・防食テープ、51…アクチュエータ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Elastic wave detection apparatus, 2 ... Light source, 3 ... Optical isolator, 4 ... 1st coupler, 5 ... Optical fiber for reference lights, 6 ... Optical fiber for sensors, 7 ... 2nd coupler, 8 ... 1st photodetector , 9 ... second photodetector, 10 ... difference circuit, 11 ... filter, 12 ... processing device, 13 ... amplifier, 14 ... filter, 15 ... integrator, 16 ... actuator driver, 17 ... test object, 18a, 18b, 18c, 18d ... sensor holder, 40 ... anticorrosion tape, 51 ... actuator

Claims (8)

単一波長光を出射する光源と、該光源からの出射光を分岐するスプリッタと、被検査対象物に配設され前記スプリッタにより分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバと、前記スプリッタにより分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバと、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、該結合手段により重ね合わされた光の強度を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された検出信号に基づいて前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と、前記光検出手段の検出信号からノイズ成分を抽出するノイズ抽出手段と、該ノイズ抽出手段が抽出した検出信号に含まれるノイズ成分を除去するように前記参照光用の光ファイバの伸縮量を制御する伸縮制御手段と、を備えた弾性波検出装置において、
前記センサ用光ファイバを、異なる周波数特性を有する複数の超音波センサに直列に巻回してループを構成し、当該複数の超音波センサを前記被検査対象物に配設したことを特徴とする弾性波検出装置。
A light source that emits single-wavelength light, a splitter that branches light emitted from the light source, an optical fiber for a sensor that guides one of the lights that is arranged on the object to be inspected and branched by the splitter, A reference light optical fiber for guiding the other light branched by the splitter, and a coupling means for superimposing the light guided from one end to the other end of each optical fiber for the sensor and reference light A light detecting means for detecting the intensity of the light superimposed by the combining means, a processing means for detecting an elastic wave generated in the inspection object based on a detection signal detected by the light detecting means, Noise extraction means for extracting a noise component from the detection signal of the light detection means, and the amount of expansion / contraction of the optical fiber for the reference light so as to remove the noise component contained in the detection signal extracted by the noise extraction means And expansion control means for controlling, in the elastic wave detection device provided with,
The sensor optical fiber is wound in series around a plurality of ultrasonic sensors having different frequency characteristics to form a loop, and the plurality of ultrasonic sensors are arranged on the object to be inspected. Wave detector.
前記超音波センサは、前記センサ用光ファイバを所定回数巻回するセンサホルダを備え、該センサホルダの材質若しくは形状を変更することにより前記異なる周波数特性を得ることを特徴とする請求項1に記載の弾性波検出装置。   The said ultrasonic sensor is provided with the sensor holder which winds the said optical fiber for sensors predetermined times, The said different frequency characteristic is acquired by changing the material or shape of this sensor holder. Elastic wave detector. 前記センサホルダの一部に突起部を備え、該突起部を前記被検査対象物に接触させることを特徴とする請求項1又は2に記載の弾性波検出装置。   The elastic wave detection device according to claim 1, wherein a protrusion is provided on a part of the sensor holder, and the protrusion is brought into contact with the object to be inspected. 前記センサホルダは、所定の共振周波数を有する材質により構成されていることを特徴とする請求項3に記載の弾性波検出装置。   The elastic wave detection device according to claim 3, wherein the sensor holder is made of a material having a predetermined resonance frequency. 前記センサホルダは、中空材若しくは中実材により構成されていることを特徴とする請求項3又は4に記載の弾性波検出装置。   The elastic wave detection device according to claim 3, wherein the sensor holder is made of a hollow material or a solid material. 前記センサホルダの材質を同一材質とした場合、当該センサホルダの径、若しくは厚みを変更することにより前記周波数特性を調整することを特徴とする請求項2又は4に記載の弾性波検出装置。   The elastic wave detection device according to claim 2 or 4, wherein when the sensor holder is made of the same material, the frequency characteristic is adjusted by changing a diameter or a thickness of the sensor holder. 前記超音波センサは、少なくとも前記センサ用光ファイバの一部が前記被検査対象物に接触するように配設されることを特徴とする請求項1、2、4、5又は6に記載の弾性波検出装置。   The elastic sensor according to claim 1, 2, 4, 5, or 6, wherein the ultrasonic sensor is arranged so that at least a part of the optical fiber for the sensor is in contact with the object to be inspected. Wave detector. 前記超音波センサは、前記センサ用光ファイバの一部若しくは全部が、前記センサホルダが発生する共振定在波を減衰させる材料により被覆されていることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の弾性波検出装置。   8. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein a part or all of the optical fiber for the sensor is coated with a material that attenuates a resonant standing wave generated by the sensor holder. The elastic wave detection device according to one item.
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