JP2011237346A - マルチチャンネル探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各チャンネル間のクロストーク対策を十分に考慮する。
【解決手段】任意波形発生器１と、送信アンプ２と、送信信号の波形に基づいて検査対象物３内にガイド波を発生させる複数チャンネルの送信素子４と、増幅された送信信号を送信素子４に順番に供給する切替手段５と、検査対象物３の検査領域からガイド波の反射波を受信する複数チャンネルの受信素子６と受信アンプ７と、受信信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器８と、反射波の受信波形に基づいて信号解析を行う解析手段９を備えている。受信アンプ７は１つの筐体１５内に並んで収容されると共に、受信アンプ７の間にはノイズ遮断手段１７が設けられており、送信アンプ２は筐体１５とは別の筐体１４に収容されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、送信素子及び受信素子のチャンネルを複数有し、検査対象物にガイド波を伝播させてその反射波に基づいて表面欠陥や内部欠陥等を検出するマルチチャンネル探傷装置に関する。

超音波を利用して内部欠陥を検出する探傷装置として、検査対象物に超音波を発生させる送信素子や反射波を受信する受信素子を複数備えたマルチチャンネル探傷装置がある。送信素子や受信素子をマルチチャンネルにすることで、シングルチャンネルのように１度の探傷毎に走査を行う必要が無く、短時間で作業を終了させることができる。

なお、マルチチャンネルの探傷装置として、例えば特開２００９−３６５１６号公報に開示されたものが、シングルチャンネルの探傷装置として、例えば特開平１０−１４２２０１号公報に開示されたものがある。

特開２００９−３６５１６号公報 特開平１０−１４２２０１号公報

しかしながら、従来のマルチチャンネル探傷装置では、各チャンネル間のクロストーク対策が十分に考慮されていない。

本発明は、各チャンネル間のクロストーク対策を十分に考慮したマルチチャンネル探傷装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載のマルチチャンネル探傷装置は、任意波形発生器と、任意波形発生器が作成した送信信号を増幅する送信アンプと、送信アンプによって増幅された送信信号の波形に基づいて検査対象物内にガイド波を発生させる複数チャンネルの送信素子と、送信アンプによって増幅された送信信号を送信素子に順番に供給する切替手段と、検査対象物の検査領域からガイド波の反射波を受信する複数チャンネルの受信素子と、受信素子で受信した信号を各チャンネル毎に増幅する複数チャンネルの受信アンプと、受信アンプによって増幅された受信信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換器と、反射波の受信波形に基づいて信号解析を行う解析手段を備え、切替手段と送信素子との接続ライン、受信素子と受信アンプとの接続ライン、受信アンプとアナログ／デジタル変換器との接続ライン及びこれらのコネクタは各チャンネル毎に独立したものであり、受信アンプは１つの筐体内に並んで収容されると共に、受信アンプの間にはノイズ遮断手段が設けられているものである。

したがって、切替手段と送信素子との接続ライン、受信素子と受信アンプとの接続ライン、受信アンプとＡ／Ｄ変換器との接続ライン及びこれらのコネクタ部分で発生したノイズが他のチャンネルの接続ラインやコネクタ部分に侵入するのを抑制できる。

また、請求項２記載のマルチチャンネル探傷装置は、送信アンプは筐体とは別の筐体に収容されている。したがって、送信アンプで発生したノイズが受信アンプに侵入するのを抑制できる。

請求項１記載のマルチチャンネル探傷装置では、切替手段と送信素子との接続ライン、受信素子と受信アンプとの接続ライン、受信アンプとＡ／Ｄ変換器との接続ライン及びこれらのコネクタ部分で発生したノイズが他のチャンネルの接続ラインやコネクタ部分に侵入するのを抑制できるので、各チャンネル間のクロストークの発生を防止することができる。

また、請求項２記載のマルチチャンネル探傷装置では、送信アンプで発生したノイズが受信アンプに侵入するのを抑制できる。

本発明のマルチチャンネル探傷装置の実施形態の一例を示すブロック図である。 同マルチチャンネル探傷装置の解析手段を示すブロック図である。 同マルチチャンネル探傷装置のフレキシブルアレイプローブを示し、（Ａ）は板状の検査対象物に接触させている様子を示す正面図、（Ｂ）は管状の検査対象物に接触させている様子を示す正面図である。 パルス圧縮処理の手順を示すフローチャートである。 パルス圧縮処理を示し、（Ａ）はパルス圧縮前の受信信号を示す図、（Ｂ）はバルス圧縮後の受信信号を示す図である。 カウンタの同期信号と送信チャンネル切り替えのタイムチャートである。

以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に本発明のマルチチャンネル探傷装置の実施形態の一例を示す。マルチチャンネル探傷装置は、任意波形発生器１と、任意波形発生器１が作成した送信信号を増幅する送信アンプ２と、送信アンプ２によって増幅された送信信号の波形に基づいて検査対象物３内にガイド波を発生させる複数チャンネルの送信素子４と、送信アンプ２によって増幅された送信信号を送信素子４に順番に供給する切替手段５と、検査対象物３の検査領域からガイド波の反射波を受信する複数チャンネルの受信素子６と、受信素子６で受信した信号を各チャンネル毎に増幅する複数チャンネルの受信アンプ７と、受信アンプ７によって増幅された受信信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換器８と、反射波の受信波形に基づいて信号解析を行う解析手段９を備えるものである。本実施形態では、マルチチャンネルとして８チャンネルを例に説明する。ただし、チャンネル数は８チャンネルに限るものではなく、例えば１６チャンネル、３２チャンネル等適宜設定可能である。

検査対象物３としては、送信素子４によってガイド波が励起され、ガイド波やその反射波が伝播可能なものであれば、その材質や形状は特に制限されない。材質としては、例えば金属，セラミック，樹脂等について適用可能である。また、形状としては、例えば管，板等の形状のものについて適用可能である。また、検出可能な欠陥として、減肉、傷，亀裂等の表面欠陥、内部空隙，溶接欠陥，クリップ損傷による亀裂等の内部欠陥等がある。

送信素子４は検査対象物３にガイド波を発生させる素子で、例えば圧電素子で構成され、検査対象物３に接触して配置されている。また、受信素子６は検査対象物３を伝播する反射波を受信する素子で、例えば圧電素子で構成され、検査対象物３に接触して配置されている。本実施形態では、送信素子４と受信素子６を１つの素子（以下、送受信素子１０という）で兼用している。ただし、送信素子４と受信素子６を別の素子で構成しても良い。

送受信素子１０はチャンネル数と同じ数だけ設けられている。本実施形態では８チャンネル分の送受信素子１０が設けられている。８つの送受信素子１０は例えば可撓性のケース内に１列に並べられて収容され、フレキシブルアレイプローブ１１を構成している。フレキシブルアレイプローブ１１にすることで検査対象物３の接触面に合わせて変形させることが可能になり、接触面が平面（図３（Ａ）），曲面（図３（Ｂ））のいずであっても各送受信素子１０を良好に接触させることができ汎用性が向上する。ただし、必ずしもアレイプローブ１１をフレキシブルにする必要はなく、常に同じ形状の検査対象物３を対象にする場合等にはその形状に合わせた形状にし、フレキシブルでなくても良い。

フレキシブルアレイプローブ１１の位置は、２つのエンコーダ１２，１３によって計測される。２つのエンコーダ１２，１３は検査対象物３の接触面上の互いに直交する２方向を担当する。各エンコーダ１２，１３の計測信号はカウンタ２９に供給される。カウンタ２９は制御手段９によって制御され、各エンコーダ１２，１３からの計測信号をカウントし、その情報を解析手段９に供給する。解析手段９はカウンタ２９からの情報に基づいてフレキシブルアレイプローブ１１の位置を検出する。

任意波形発生器１は制御手段９によって制御され、解析手段９から供給される波形信号に基づいた波形の送信信号を作成し、送信アンプ２に供給する。任意波形発生器１は増幅回路を有しており、この増幅回路によって送信信号を作成する。送信アンプ２は、任意波形発生器１から供給された送信信号を増幅し、切替手段５に送信する。切替手段５は、送信アンプ２によって増幅された送信信号を各送受信素子１０に順番に供給する。切替手段５として、例えばマルチプレクサ等の使用が可能である。

受信アンプ７は、送受信素子１０によって受信された信号を増幅する。受信アンプ７はチャンネル数と同じ数だけ設けられている。本実施形態では８チャンネル分の受信アンプ７が設けられている。各受信アンプ７は例えばＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）等の通信回線を通じて解析手段９に接続されており、例えば周波数帯域，ゲイン等のパラメータの設定が可能になっている。受信アンプ７によって増幅されたアナログ信号は制御手段９によって制御されるアナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）８に供給され、デジタル信号に変換されて解析手段９に供給される。

受信アンプ７は送信アンプ２の筐体１４とは別の筐体１５に収容され、送信アンプ２で発生したノイズが受信アンプ７側に入るのを防止されている。これにより、送信アンプ２で発生したノイズの受信アンプ７への侵入防止を図ることができる。本実施形態では、送信アンプ２を１つの筐体１４に収容し、受信アンプ７と切替手段５と制御部をユニット化（以下、送受信ユニット１８という）して１つの筐体１５に収容し、更に任意波形発生器１とＡ／Ｄ変換器８とカウンタ２９を１つの筐体１６に収容している。各筐体１４，１５，１６はアースされている。

各受信アンプ７は間隔をあけて配置され、各受信アンプ７の間にはノイズ遮断手段１７が設けられている。本実施形態では、ノイズ遮断手段１７として筐体１５にアースされたＬ型プレートが使用されている。ただし必ずしもＬ型プレートに限るものではなく、ノイズを遮断できるものであれば使用可能である。ノイズ遮断手段１７によって受信アンプ７の間を行き交うノイズを遮断することで、チャンネル間のクロストークの発生防止を図ることができる。

送受信ユニット１８及び送信アンプ２は、制御部１９によって制御されている。制御部１９はカウンタ２９からの同期信号に基づいて送受信ユニット１８及び送信アンプ２の制御を行う。制御部１９は、例えばコンピュータに所定の処理プログラムをインストールすることで実現される。本実施形態では、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって制御部１９を実現している。

切替手段５と送信素子４との接続ライン２０、受信素子６と受信アンプ７との接続ライン２１、受信アンプ７とＡ／Ｄ変換器８との接続ライン２２及びこれらのコネクタは各チャンネル毎に独立している。

各接続ライン２０，２１，２２として、例えば同軸ケーブルが使用されている。また、各接続ライン２０，２１，２２のコネクタとして、例えば同軸コネクタが使用されている。同軸コネクタとしては、例えばＢＮＣコネクタの使用が可能である。各チャンネルの接続ライン２０，２１，２２、接続コネクタを独立させることで、あるチャンネルのラインやコネクタに発生したノイズが他のチャンネルのラインやコネクタに侵入するのを防止することができ、チャンネル間のクロストークの発生防止を図ることができる。また、同軸ケーブルや同軸コネクタの使用により、信号線がシールドに守られていない部位をなくすことができ、この点からもノイズの放出・侵入を防いでクロストークの発生防止を図ることができる。

解析手段９は、任意波形発生器１に供給する波形信号の作成やＡ／Ｄ変換器８から供給された信号の解析を行う。解析手段９は、例えばコンピュータに所定の処理プログラムをインストールすることで実現され、キーボード，マウス等の入力手段２７や液晶表示装置等の表示手段２８が接続されている。

解析手段９は、図２に示すように、パルス圧縮部２３，分散性補正部２４，開口合成部２５，波形信号作成部２６を備えている。パルス圧縮部２３の機能を図４に示す。パルス圧縮部２３は任意波形発生器１に例えばチャープ波形の波形信号を供給する（ステップＳ４１）。そして、Ａ／Ｄ変換器８からの反射波の波形信号を受信すると（ステップＳ４２）、受信波形の復調処理を行い（ステップＳ４３）、受信波形をパルス状に圧縮する（ステップＳ４４）。ここで、パルス圧縮を行う前の受信波形を図５（Ａ）に、パルス圧縮後の受信波形を図５（Ｂ）に示す。パルス圧縮を行うことで、ＳＮ比を向上させることができる。なお、パルス圧縮については公知の手法（例えば相互相関法）が使用されるので、その説明は省略する。

パルス圧縮部２３によってパルス状に圧縮された波形信号は分散性補正部２４に供給される。探傷に使用されるガイド波は分散性を有しているため、受信波形を開口合成する前に分散性を補正する必要がある。ここで、分散性とは、音速が周波数に依存して変化することをいう。分散性によってガイド波の波形が伝搬距離の増加に伴い時間方向に長くなる。

ガイド波の分散性は公知の手法によって補正する。本実施形態では、例えば、以下のように補正する。ただし、補正の手法としてはこれに限るものではない。

いま、収集した受信波形をＳ（ｘ，ｚ＝０，ｔ）とする。ここで、ｘは送受信素子１０の走査方向の位置、ｚ＝０は検査対象物３の送受信素子１０を接触させる面、ｔは時間である。上記の受信波形に対して２Ｄフーリエ変換を行うと、数式１が得られる。

ここで、ｆは周波数、ｋｘはｘ方向の波数である。

ｚには反射体があるとして、数式１から数式２が得られる。

ここで、ｉは虚数単位、ｋｚはｚ方向の波数、ｚはz方向の座標である。

数式２から数式３が得られる。

ここで、Ｖｐは位相速度である。

各周波数成分を合算すると、数式４となる。

ここで、Ωは周波数バンド幅である。

ガイド波の場合、位相速度は周波数に依存することから、数式３を数式５に書き直す。

ガイド波の各モードの位相速度は公知の論理式から求められる。数式５と論理式より、ガイド波の分散性を補正することができる。なお、論理式はガイド波の種類によって異なるものであるが、一例として平板を伝搬するガイド波（一般的にラム波と呼ばれる）の位相速度を求める場合の論理式を数式６（対象モードの場合），数式７（非対象モードの場合）に示す。ここで、α（α^２）は数式８，β（β^２）は数式９，ｋは数式１０であり、ｈ：板厚の半値である。

ここで、Ｖ_Lは縦波の音速である。

ここで、Ｖ_Sは横波の音速である。

分散性補正部２４によって分散性が補正された波形信号は開口合成部２５に供給される。開口合成部２５では、開口合成が行われる。なお、開口合成として公知の手法が使用するので、その説明を省略する。開口合成を行うことで波形信号のＳＮ比を向上させることができる。なお、本実施形態では、上述の通り、波形信号のＳＮ比を向上させることができるパルス圧縮も行っており、開口合成とパルス圧縮の両方を行うことで両者の相乗効果によりＳＮ比の著しい向上を期待できる。

開口合成した波形信号は表示手段２８に表示される。この表示に基づきユーザが検査対象物３の欠陥を検出することができる。

波形信号作成部２６は、任意波形発生器１が作成する送信信号の波形を決定するための波形信号を作成し、任意波形発生器１に供給する。本実施形態では、波形信号作成部２６は送信信号としてチャープ波を発生させる波形信号を作成する。送信信号にチャープ波を使用することで、受信信号のパルス圧縮処理が可能になると共に、大きなエネルギーを有するガイド波を励起させることができる。ただし、使用する送信信号としてはチャープ波に限るものではなく、正弦波，方形波等の使用も可能である。

次に、マルチチャンネル探傷装置の作動について説明する。

解析手段９の波形信号作成部２６が波形信号を作成して任意波形発生器１に供給すると、任意波形発生器１は当該波形信号に応じた波形の送信信号を作成する。本実施形態では送信信号としてチャープ波が作成される。この送信信号は送信アンプ２に送られて増幅された後、切替手段５を介して送受信素子１０に供給される。切替手段５は送受信素子１０のチャンネルを順番に切り替えて送信信号を供給する。

送信信号を受けた送受信素子１０は振動し、検査対象物３に超音波を励起する。励起された超音波はガイド波となり検査対象物３内を伝播する。そして、検査対象物３に欠陥があると、その欠陥でガイド波が反射される。反射波は検査対象物３内を逆方向に伝播し、全チャンネルの送受信素子１０に受信される。各送受信素子１０で受信された受信信号は各受信アンプ７によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器８によってデジタル信号に変換されて解析手段９のパルス圧縮部２３に供給される。

解析手段９のパルス圧縮部２３では、供給された受信信号に対してパルス圧縮処理を行う。パルス圧縮処理を行うことで信号のＳＮ比を向上させることができる。その後、受信信号は分散性補正部２４に供給され、開口合成処理の前処理としてガイド波の分散性が補正される。この補正を行うことで受信信号の開口合成処理が可能になる。補正後の受信信号は開口合成部２５に供給され、各チャンネルの受信信号を合わせて開口合成される。開口合成を行うことで、受信信号のＳＮ比が向上すると共に、探傷の方位分解度を向上させることができる。開口合成された受信信号は表示手段２８に表示される。ユーザはこの表示に基づいて検査対象物３の欠陥の有無を判別することができる。

以上の探傷動作は、カウンタ２９が発生させる同期信号に同期して（同期信号をトリガーとして）行われる。そのため、各所の作動の同期をとるのが容易であると共に、同期信号の繰り返し周波数を高くすることで探傷速度を上げることができ、探傷に要する時間を短縮するのが容易である。本実施形態では、カウンタ２９は繰り返し周波数が例えば１００Ｈｚの同期信号を発生させる。ただし、必ずしも繰り返し周波数は１００Ｈｚに限るものではなく、探傷を行う距離やデータ処理に要する時間等に応じて適宜変更可能である。

図６に、カウンタ２９の同期信号と送信チャンネル切り替えについてのタイムチャートを示す。カウンタ２９は繰り返し周波数１００Ｈｚ換言すると１０ｍｓ毎に５ｍｓの同期信号（ＴＴＬ出力のｌｏｗ信号）を発生させている。

先ず、送信信号の発生・供給について説明する。任意波形発生器１で作成した送信信号を送信アンプ２で増幅して発信するには、任意波形発生器１による送信信号の作成と送信アンプ２のゲート作成とのタイミングを合わせる必要がある。

任意波形発生器１は同期信号の立ち上がり（終了）に合わせて自身の増幅回路を起動させ、送信信号の作成を開始する。ただし、実際には起動させた増幅回路が安定するまで５μｓ程度かかるので、増幅回路安定後に送信信号が作成される。そして、任意波形発生器１は送信信号を作成した後、イベント信号（ＴＴＬ出力のｌｏｗ信号）を送信アンプ２に送信する。送信アンプ２は、同期信号の立ち上がりでゲートを作成し、任意波形発生器１からのイベント信号の供給でゲートを閉じる。これにより、任意波形発生器１の送信信号の作成タイミングを送信アンプ２のゲート期間内に納めることができ、送信信号は正常に増幅されて切替手段５に供給される。

次に、切替手段５は１つのチャンネルを選択して開く。チャンネルの選択は所定の順番で行われる。切替手段５は同期信号の立ち下がり（開始）に合わせてチャンネルを切り替える。これにより、同期信号の繰り返し周期に合わせてチャンネルが切り替えられる。ここで、１つのチャンネルが選択されている１０ｍｓのうち、送信信号が供給されるまでの前半５ｍｓがリレー切り替え期間であり、後半５ｍｓが探傷のための期間となる。

なお、受信側については上述の送信側のようなチャンネル切り替えは行われない。各チャンネルの送受信素子１０によって受信された信号は各チャンネルの受信アンプ７に供給され、Ａ／Ｄ変換器８を介して解析手段９に供給される。

送信アンプ２と切替手段５と各受信アンプ７の制御は、カウンタからの同期信号を受けて制御部１９が行っている。制御部１９は送信アンプ２にゲート信号を供給する。

本発明では、探傷用のガイド波として、例えば周波数２ＭＨｚの高周波のガイド波を使用する。従来の探傷装置では周波数０．３ＭＨｚ程度の低周波のガイド波を使用していたが、このように高周波のガイド波を使用することで、より小さな欠陥の検出が可能となり、探傷の分解性能を向上させることができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、送信アンプ２と受信アンプ７を別々の筐体１４，１５に収容していたが、同一の筐体内に収容するようにしても良い。なお、送信アンプ２と受信アンプ７を同一の筐体に収容する場合には、これらの間にシールド板等を設けて送信アンプ２のノイズの受信アンプ７への侵入防止を図ることが好ましい。

１ 任意波形発生器
２ 送信アンプ
３ 検査対象物
４ 送信素子
５ 切替手段
６ 受信素子
７ 受信アンプ
８ アナログ／デジタル変換器
９ 解析手段
１４ 送信アンプの筐体
１５ 受信アンプの筐体
１７ ノイズ遮断手段
２０ 切替手段と送信素子との接続ライン
２１ 受信素子と受信アンプとの接続ライン
２２ 受信アンプとアナログ／デジタル変換器との接続ライン

Claims (2)

1. 任意波形発生器と、前記任意波形発生器が作成した送信信号を増幅する送信アンプと、前記送信アンプによって増幅された前記送信信号の波形に基づいて検査対象物内にガイド波を発生させる複数チャンネルの送信素子と、前記送信アンプによって増幅された前記送信信号を前記送信素子に順番に供給する切替手段と、前記検査対象物の検査領域から前記ガイド波の反射波を受信する複数チャンネルの受信素子と、前記受信素子で受信した信号を各チャンネル毎に増幅する複数チャンネルの受信アンプと、前記受信アンプによって増幅された受信信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換器と、前記反射波の受信波形に基づいて信号解析を行う解析手段を備え、前記切替手段と前記送信素子との接続ライン、前記受信素子と前記受信アンプとの接続ライン、前記受信アンプと前記アナログ／デジタル変換器との接続ライン及びこれらのコネクタは各チャンネル毎に独立したものであり、前記受信アンプは１つの筐体内に並んで収容されると共に、前記受信アンプの間にはノイズ遮断手段が設けられていることを特徴とするマルチチャンネル探傷装置。
2. 前記送信アンプは前記筐体とは別の筐体に収容されていることを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネル探傷装置。

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