JP2018009862A - 鉄系材料位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が単純で、装置重量が軽く、かつ低コストである鉄系材料位置検出装置を提供すること。
【解決手段】 鉄系材料（１０）の埋設された場所に移動可能に設けられる一個の送信コイル（２）と、計測基線方向に一定間隔（Ｌ）で置かれる第１及び第２の磁気センサ（３ａ、３ｂ）と、この送信コイルの近傍に置かれる第３の磁気センサ（３ｃ）と、この送信コイルに駆動信号を供給する駆動回路（４）と、前記第１及び第２の磁気センサの検出信号の振幅から、前記第１及び第２の磁気センサと前記送信コイルとの距離（Ｒ１、Ｒ２）を演算する距離演算手段（１２）と、前記計測基線方向（ｘ）とこの計測基線方向と直交する方向（ｙ）の座標成分を所定式で演算する座標成分演算手段（１４）と、前記第３の磁気センサの検出信号を入力して、前記第３の磁気センサの近傍に前記鉄系材料が存在するか、判定する鉄系材料判定手段（１６）とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、鉄筋コンクリート構造物の非破壊検査装置等に用いて好適な鉄系材料位置検出装置に関し、特に検査対象物に対して手動の２次元走査を行うことで鉄筋の位置検出を行うために、電磁的方法を用いた単純な構成の鉄系材料位置検出装置に関する。

道路橋、鉄道橋等に用いられる鉄筋コンクリート構造物は、弱アルカリ性を有するコンクリート中に鉄筋や鉄骨を配置することで、鉄筋や鉄骨を錆から保護して、数十年以上の耐久性を確保している。力学的には、圧縮強度の高いコンクリートに圧縮応力を負担させ、引張強度の高い鉄筋や鉄骨に引張応力を負担させることで、コンクリートに比較して高価格材料である鉄筋や鉄骨の使用量を適切に保つことで、車両などの移動荷重を支える構造物を比較的安価に構築している。

このような鉄筋コンクリート構造物において、コンクリート中に埋設された鉄筋や鉄骨の非破壊検査は重要である。施工の初期段階では、鉄筋や鉄骨の配置位置が設計通りに配置されているか確認することが重要である。また供用開始から数十年を経過して、コンクリートの中性化が進行した段階では、鉄筋や鉄骨に錆が生じている可能性があるため、鉄筋や鉄骨の健全性を評価することが重要である。この健全性の評価に基づいて、当該鉄筋コンクリート構造物の補強工事を行ったり、部分的な更新工事を行ったり、あるいは供用の廃止を判断する必要がある。そこで、特許文献２−４に示すような、コンクリート構造物の非破壊検査装置や非破壊検査方法が用いられている。

このようなコンクリート構造物の非破壊検査装置において、コンクリート中に埋設された鉄筋や鉄骨の位置検出には電磁的手法を用いることが行われている。鉄系材料は強磁性材料であるため、光学的手法が利用困難なコンクリート構造物に対しても、電磁的手法であれば適用可能だからである。
他方で、特許文献１に示すような、Ｘ−Ｙステージを用いた位置検出システムが知られている。

特開２００６−１５３６７０ 特開２００１−１６５８７０ 特開２００７−０３３０２７ 特開２０１３−１３０４５２

しなしながら、上記のＸ−Ｙステージを用いた位置検出システムは、電磁センサを縦横に走査して位置情報を取得するものである。そこで、位置検出システムの構造が複雑であり、装置重量も重く、かつ高価である。そこで、コンクリート構造物の非破壊検査装置のようなフィールド実験に適していないという課題があった。
本発明は、上述の課題を解決したもので、構造が単純で、装置重量が軽く、かつ低コストであるコンクリート構造物等に用いて好適な鉄系材料位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明の鉄系材料位置検出装置は、例えば図４、図５に示すように、鉄系材料（１０）の埋設された場所に移動可能に設けられる一個の送信コイル（２）と、計測基線方向に一定間隔（Ｌ）で置かれる第１及び第２の磁気センサ（３ａ、３ｂ）と、この送信コイルの近傍に置かれる第３の磁気センサ（３ｃ）と、この送信コイルに駆動信号を供給する駆動回路（４）と、前記第１及び第２の磁気センサの前記駆動信号成分に対応する検出信号を入力して、当該検出信号の振幅から、前記第１及び第２の磁気センサと前記送信コイルとの距離（Ｒ１、Ｒ２）を演算する距離演算手段（１２）と、前記計測基線方向の一定間隔（Ｌ）と、第１及び第２の磁気センサと前記送信コイルとの距離（Ｒ１、Ｒ２）から、前記計測基線方向（ｘ）とこの計測基線方向と直交する方向（ｙ）の座標成分を次式で演算する座標成分演算手段（１４）と、前記第３の磁気センサの検出信号を入力して、前記第３の磁気センサの近傍に前記鉄系材料が存在するか、判定する鉄系材料判定手段（１６）とを備え、前記鉄系材料判定手段で前記第３の磁気センサの近傍に前記鉄系材料が存在すると判定された場合の、前記鉄系材料の存在位置として前記座標成分演算手段で演算された座標を用いることを特徴とする。

本発明の鉄系材料位置検出装置は、送信コイル（２）は、鉄系材料（１０）の埋設された場所に移動可能に設けられると共に、送信コイル内に交流電流が流れたときに、磁場を生成する。駆動回路（４）は送信コイル内に交流電流を供給する。第１及び第２の磁気センサ（３ａ、３ｂ）、距離演算手段（１２）および座標成分演算手段（１４）によつて、送信コイルの位置する座標成分（Ｘ、Ｙ）を演算する。第３の磁気センサ（３ｃ）と鉄系材料判定手段（１６）によって、第３の磁気センサの近傍に鉄系材料が存在するか否か判定する。

本発明の鉄系材料位置検出装置において、好ましくは、前記座標成分演算手段の演算式は、下記の（１）、（２）式であるとよい。

本発明の鉄系材料位置検出装置において、好ましくは、前記送信コイル位置と前記第３の磁気センサ位置とのオフセット量は、前記鉄系材料の検知対象となる外径よりも小さな値であるとよい。
本発明の鉄系材料位置検出装置において、好ましくは、前記駆動回路の駆動信号は、周波数が１０Ｈｚから１ＭＨｚであるとよい。周波数が１０Ｈｚ以下の場合は、環境ノイズが大きく影響して、磁気センサ（３ａ、３ｂ、３ｃ）の感度が低下する。周波数が１ＭＨｚを超える場合は、コンクリート中の水分率が影響する可能性がある。

本発明の鉄系材料位置検出装置によれば、計測基線方向に一定間隔で置かれる第１及び第２の磁気センサによって検出される信号の振幅から、検知対象となる鉄系材料の位置を示す座標成分をリアルタイムで算出することができる。これはフィールド実験のために非常に適している。

一次元位置検出システムの原理を示す全体構成図である。 信号振幅と距離の関係の説明図である。 二次元位置検出システムの一例を示す全体構成図である。 本発明の一実施例を示す鉄系材料位置検出装置の全体構成図である。 位置検出システムを有する鉄筋検出のブロック図である。 手動のスキャンによって検出される鉄筋の信号を示している。 手動のスキャンによって得た鉄筋の２次元グラフである。

まず、本発明の前提問題として、一次元位置検出システムを検討する。
図１は、一次元位置検出システムの原理を示す全体構成図である。送信コイル２は、移動対象物１に取り付けられている。移動対象物１は任意のもので良いが、磁性材料の場合には送信コイル２から磁気センサ３に放射される電磁波を遮蔽することのないような、形状とする。送信コイル２は、交流磁場を生成するために使用される。
送信コイル２の巻き数は、例えば１０から５００の範囲が好ましく、送信コイル２の直径は１ｃｍから２０ｃｍであるとよい。送信コイル２と移動対象物１は、一緒に移動する。送信コイル２の巻き数が１０以下の場合は、駆動ＡＣ電流が大きくなり、駆動回路４に大出力の電気回路が必要となって、駆動回路４の構成が複雑になる。送信コイル２の巻き数が５００を超える場合は、環境ノイズの影響が増大する。この実施例では、送信コイル２の巻き数として１００を用いた。
送信コイル２の直径が１ｃｍ以下の場合は、位置検出システムの測定範囲が狭くなりすぎる。送信コイル２の直径が２０ｃｍを超える場合は、位置検出システムの測定精度が劣化する。この実施例では、送信コイル２の直径として１０ｃｍを用いた。

駆動回路４から供給されるＡＣ電流は、送信コイル２に流れて、送信コイル２に交流磁界を発生させるもので、例えば１ｍＡから２００ｍＡまでの範囲が好ましい。駆動回路４から供給されるＡＣ電流が１ｍＡ以下の場合は、ノイズの影響を受けて正確な測定が困難になる。ＡＣ電流が２００ｍＡを超える場合は、駆動回路４が大出力化すると共に駆動周波数が１００ｋＨｚ以上を超える高周波数の場合には送信コイル２での発熱が増大するという不都合がある。この実施例では、駆動回路４から供給されるＡＣ電流として２０ｍＡを用いた。このＡＣ電流は、周波数帯域が例えば１０Ｈｚから１ＭＨｚの範囲から選ばれるとよく、特に好ましくは１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲がよい。

磁気センサ３は、送信コイル２によって生成される交流磁界を検出するもので、例えば誘導コイルセンサ、ホールセンサ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ又は他の磁気センサが用いられる。磁気センサ３は固定されており、移動しない。磁気センサ３で得られる受信信号の振幅から、送信コイル２と磁気センサ３との距離を算出することができる。受信信号振幅の距離減衰と、距離との関係には、適宜の理論式や経験式を用いることが出来、振幅

図２は、信号振幅と距離の関係を示している。良く知られているように、波面が球面状に伝播する点音源に関しては、距離の二乗に比例して信号振幅が減少する。ここでは、距離１００ｍｍのとき相対信号振幅が０．４であり、距離２００ｍｍのとき相対信号振幅が０．０４であり、距離４００ｍｍのとき相対信号振幅が０．００５となっている。

次に、本発明の前提問題として、二次元位置検出システムを検討する。
図３は、２次元位置検出システムの全体構成図を示している。送信コイル２は、移動対象物１に取り付けられている。送信コイル２と移動対象物１は、一緒に移動する。２つの磁気センサ３ａ、３ｂが使用される。磁気センサ３ａの位置は、座標系の原点である。磁気センサ３ａ、３ｂとを結ぶ線をＸ軸と考える。磁気センサ３ａ、３ｂ間の距離はＬであり、計測基線方向の一定間隔になっている。磁気センサ３ａの信号振幅から、コイル２と磁気センサ３ａとの距離Ｒ１を求めることができる。磁気センサ３ｂの信号振幅から、コイル２と磁気センサ３ｂとの間の距離Ｒ２を得ることができる。移動対象物１（Ｘ、Ｙ）の位置は以下の式で計算することができる。

続いて、本発明の一実施例を示す鉄系材料位置検出装置を説明する。
図４は、本発明の一実施例を示す鉄系材料位置検出装置としての位置検出システムを有する鉄筋検出装置の構成図を示している。なお、図４において、前記図１、図３と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。
この実施例では、送信コイル２は、位置検出用の励起コイルであると共に、鉄筋検出用の励起コイルとしても使用されている。信号発生器４の交流電流出力は、ＡＣ磁場を生成するために送信コイル２へ送信されているもので、この実施例では、駆動周波数として４ｋＨｚを用いた。磁気センサ３ｃは、送信コイル２（又は励磁コイル）の中心に配置され、コンクリート９中の鉄筋８によって誘導される磁界を測定するために使用されている。磁気センサ３ａ、３ｂは、送信コイル２の座標位置を取得するために使用されている。磁気センサ３ｃは、コンクリート中の鉄筋を検出するために使用されている。

磁気センサ３ａ、３ｂ及び３ｃの出力信号は、増幅器５ａ、５ｂ及び５ｃに送られ、その後、ＡＤ基板６へ送られる。ＡＤ基板６には、アナログ・デジタル変換器が搭載されており、増幅器５ａ、５ｂ及び５ｃからのアナログ信号が、必要な精度の桁数を有するデジタル信号に変換される。アナログ・デジタル変換器には、例えば１６ビットや２４ビットの適宜の精度の機器が用いられる。

演算プロセッサ７は、データ収集およびデータ計算を行うために使用されており、結果をリアルタイムで表示することができる。演算プロセッサ７には、例えばパソコンＰＣや数値演算用のコンピュータが用いられる。演算プロセッサ７の機能には、例えば図５に示すように、距離演算手段１２、座標成分演算手段１４、鉄系材料判定手段１６および鉄筋位置表示装置１８が設けられている。
鉄筋８は、測定対象となる鉄系材料である。コンクリート９は圧縮に強い材料で、埋設された鉄筋８が引張に強いため、鉄筋コンクリートは複合材料として圧縮と引張に強い優れた材料になっている。

距離演算手段１２は、第１及び第２の磁気センサ３ａ、３ｂの駆動信号成分に対応する検出信号を入力して、当該検出信号の振幅から、第１及び第２の磁気センサ３ａ、３ｂと送信コイル２との距離（Ｒ１、Ｒ２）を演算する。座標成分演算手段１４は、計測基線方向の一定間隔（Ｌ）と、第１及び第２の磁気センサ３ａ、３ｂと送信コイル２との距離（Ｒ１、Ｒ２）から、計測基線方向（ｘ）とこの計測基線方向と直交する方向（ｙ）の座標成分を前出の（１）、（２）式で演算する。鉄系材料判定手段１６は、第３の磁気センサ３ｃの検出信号を入力して、第３の磁気センサ３ｃの近傍に鉄系材料が存在するか、判定する。鉄筋位置表示装置１８は、鉄系材料が存在する位置を示す２Ｄ画像をリアルタイムで表示する。

図５は、位置検出システムを有する鉄筋検出のブロック図を示す。距離演算手段１２によって、磁気センサ３ａの信号振幅及び図２から、送信コイル２とセンサ３ａとの距離Ｒ１が得られる。これ同時に、距離演算手段１２によって、磁気センサ３ｂの信号振幅及び図２から、送信コイル２とセンサ３ｂとの間の距離Ｒ２が得られる。次に、座標成分演算手段１４では、式（１）及び（２）を用いて、計測基線方向ｘおよびこの計測基線方向と直交する方向ｙの座標（Ｘ、Ｙ）を計算できる。鉄系材料判定手段１６では、磁気センサ３ｃを用いて、鉄筋の磁気応答を測定する。鉄筋位置表示装置１８によって、鉄筋８が存在する位置を示す２Ｄ画像をリアルタイムで表示できる。また、位置情報を含むデータは、実験後のデータ処理用に保存される。

図６は、手で送信コイルを移動させることで走査される時の、磁気センサ３ｃで受信される鉄筋の信号の一例を示している。磁気センサ３ｃを鉄筋の径方向に移動させる幅を、例えば３００ｍｍとし、鉄筋が１７０ｍｍ程度の位置に中心部があるとする。鉄筋中心部から離れた距離５０ｍｍや３００ｍｍでは、磁気センサ３ｃの信号振幅は３．３１Ｖになっている。これに対して、鉄筋中心部に最も近い距離１７０ｍｍでは、磁気センサ３ｃの信号振幅は最大値の３．４１Ｖになっている。また、鉄筋中心部から±２０ｍｍの距離１５０ｍｍと１９０ｍｍでは、磁気センサ３ｃの信号振幅は３．３８Ｖになっている。

図７は、手で送信コイルを移動走査する場合の鉄筋測定値の２Ｄグラフを示している。鉄筋の位置を表示することができる。移動速度は、例えば１〜１００ｃｍ／秒がよく、さらに好ましくは２〜５０ｃｍ／秒であるとよい。測定時間は、１計測点当たり０．０１〜０．５秒程度がよく、さらに好ましくは０．０５〜０．２秒程度がよい。
鉄筋の位置は、Ｘ方向では８０ｍｍから１２０ｍｍの範囲で信号が強く、７０ｍｍから８０ｍｍならびに１２０ｍｍから１３０ｍｍの範囲で信号が次の順位で強くなっている。Ｙ方向では、１０ｍｍから７０ｍｍの範囲で信号が強くなっている。

なお、上記の実施の形態では、鉄系材料位置検出装置では、送信コイルと励磁コイルを兼用する場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、送信コイルと励磁コイルを別々に設けても良い。

本発明の鉄系材料位置検出装置によれば、構造が単純で、装置重量が軽く、かつ低コストであり、鉄筋コンクリート構造物の非破壊検査装置等に用いて好適である。

１ 移動対象物
２ 送信コイル
３ａ、３ｂ 第１及び第２の磁気センサ
３ｃ 第３の磁気センサ
４ 駆動回路（信号発生器）
５ 増幅器
６ ＡＤ基板
７ 演算プロセッサ
８ 鉄系材料（鉄筋）
９ コンクリート
１２ 距離演算手段
１４ 座標成分演算手段
１６ 鉄系材料判定手段
Ｌ 計測基線方向の一定間隔
Ｒ１ 第１の磁気センサと送信コイルとの距離
Ｒ２ 第２の磁気センサと送信コイルとの距離
ｘ 計測基線方向の座標
ｙ 計測基線方向と直交する方向の座標

Claims (4)

1. 鉄系材料の埋設された場所に移動可能に設けられる一個の送信コイルと、
   計測基線方向に一定間隔（Ｌ）で置かれる第１及び第２の磁気センサと、
   この送信コイルの近傍に置かれる第３の磁気センサと、
   この送信コイルに駆動信号を供給する駆動回路と、
   前記第１及び第２の磁気センサの前記駆動信号成分に対応する検出信号を入力して、当該検出信号の振幅から、前記第１及び第２の磁気センサと前記送信コイルとの距離（Ｒ１、Ｒ２）を演算する距離演算手段と、
   前記計測基線方向に一定間隔（Ｌ）と、第１及び第２の磁気センサと前記送信コイルとの距離（Ｒ１、Ｒ２）から、前記計測基線方向（ｘ）とこの計測基線方向と直交する方向（ｙ）の座標成分（Ｘ、Ｙ）を演算する座標成分演算手段と、
   前記第３の磁気センサの検出信号を入力して、前記第３の磁気センサの近傍に前記鉄系材料が存在するか、判定する手段とを備え、
   前記鉄系材料判定手段で前記第３の磁気センサの近傍に前記鉄系材料が存在すると判定された場合の、前記鉄系材料の存在位置として前記座標成分演算手段で演算された座標を用いることを特徴とする鉄系材料位置検出装置。
2. 前記座標成分演算手段の演算式は、下記の（１）、（２）式であることを特徴とする請求項１に記載の鉄系材料位置検出装置。
   
3. 前記送信コイル位置と前記第３の磁気センサ位置とのオフセット量は、前記鉄系材料の検知対象となる外径よりも小さな値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄系材料位置検出装置。
4. 前記駆動回路の駆動信号は、周波数が１０Ｈｚから１ＭＨｚであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄系材料位置検出装置。