JP4078315B2

JP4078315B2 - ひずみ計測装置及び計測方法

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Publication number: JP4078315B2
Application number: JP2004028268A
Authority: JP
Inventors: 剛俊山浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005221324A

Description

本発明は、例えば風力発電用風車の羽根、航空機の構造物、コンクリート構造体等のひずみを遠隔で計測することができるひずみ計測装置及び計測方法に関する。

例えば風力発電用風車の羽根は、ＦＲＰ（ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチック）などの複合材でできているものが多い。風車の羽根は回転によりひずみを生じ、疲労により破損するため、破損を未然に防ぐためにその寿命を予測することが行われる。

図１７に示すように、従来においては、風車１の羽根２の長手方向の中央部にひずみゲージ３を設け、光ファイバ４を介して計測器５によりひずみを測定し、ひずみの振動数や大きさによって複合材が破損するまでの寿命を推定していた（特許文献１）。

特開２００１−１８３１１４号公報

しかしながら、羽根の表面にひずみセンサである光ファイバが設置されているので、空気抵抗が問題となる。
また、例えばコンクリート構造物のように構造体の肉厚が厚く、表面だけでは変形状態を把握できない場合がある。
このような場合、センサを内部に埋設する必要があるが、ひずみゲージ等を埋め込むために、構造物を破壊する必要がある、という問題がある。

また、ひずみセンサである光ファイバ自体が５０μｍの線径を有するので構造材料の欠陥となり、別途埋設することができないという問題がある。
さらに、複合材で構成される航空機のように構造物の表面にセンサを設置できない場合がある。

本発明は、前記問題に鑑み、被計測対象物に異物となる例えばセンサを埋め込むことなく、その変形を計測することができるひずみ計測装置及びその計測方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、被計測対象物に音波を入射する音波発生装置と、被計測対象物に電磁波を入射する電磁波発生装置と、反射電磁波を受信する受信器と、受信した信号を処理する信号処理装置とを具備してなり、音波の周波数を変化させて、反射電磁波の得られる音波の反射条件を満たすことにより、反射電磁波の有無を求め、下記式Ｉから音波の音速（Ｖac）を求め、該求めた音速からひずみの有無を推定することを特徴とするひずみ計測装置にある。
Ｖａｃ＝λ _R ×ｆａｃ／（２ｎ）…（Ｉ）
ここで、Ｖａｃは音速、λ _R は電磁波の波長、ｆａｃは音波の周波数、ｎは電磁波の屈折率である。

第２の発明は、第１の発明において、前記反射電磁が得られる音波の中心周波数を利用してひずみを求めることを特徴とするひずみ計測装置にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、高周波リード線を介して電磁波が被計測対象物に入射されてなると共に、該高周波リード線に接続する細径の導線が被計測対象物内に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置にある。

第４の発明は、第３の発明において、被対象物を金属箔で覆ってなることを特徴とするひずみ計測装置にある。

第５の発明は、第３の発明において、前記細径の導線が２本並行に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置にある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記被計測対象物が固定側に対して回転自在に支持された回転体であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置にある。

第７の発明は、第６の発明において、前記回転体が風力発電用風車の羽根であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置にある。

第８の発明は、音波の周波数を変化させて、反射電磁波の得られる音波の反射条件を満たすことにより、反射電磁波の有無を求め、下記式Ｉから音波の音速（Ｖac）を求め、該求めた音速からひずみの有無を推定することを特徴とするひずみ計測方法。
Ｖａｃ＝λ _R ×ｆａｃ／（２ｎ）…（Ｉ）
ここで、Ｖａｃは音速、λ _R は電磁波の波長、ｆａｃは音波の周波数、ｎは電磁波の屈折率である。

第９の発明は、第８の発明において、前記反射電磁が得られる音波の中心周波数を利用してひずみを求めることを特徴とするひずみ計測方法にある。

本発明によれば、音波と電磁波とを被計測対象物に入射し、反射電磁波を計測することで、その変形を計測することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ実施の形態及び実施例について詳細に説明する。なお、この実施の形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［第１の実施の形態］
本発明による第１の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。
図１に示すように、本実施の形態に係るひずみ計測装置１０は、被計測対象物１１に音波を１２入射する音波発生装置１３と、被計測対象物１１に電磁波１４を入射する電磁波発生装置１５と、反射電磁波１６を受信する電磁波の受信器１７と、受信した信号１８を処理する信号処理装置１９とを具備してなるものである。

被計測物１１に音波１２と電磁波１４とを入射するには、図６に示すように、音波１２の場合は、例えば振動子３１を接着剤３２を介して被計測物１１に直付けるようにすればよい。また、電磁波の場合は例えば高周波リード線３３を例えばホーンアンテナ３４を介して直付けるようにすればよい。

本ひずみ計測装置１０によれば、被計測対象物１１に入射する音波１２と電磁波１４との波長を設定し、反射電磁波の得られる音波の反射条件を満たすことで、電磁波が反射波として戻ってくることとなり、この反射電磁波１６を電磁波の受信器１７で受信するようにしている。
そして、入射した電磁波１４の反射の有無から、音波の音速（Ｖａｃ）を次の式（Ｉ）から算出する。

Ｖａｃ＝λ_R×ｆａｃ／（２ｎ） …（Ｉ）
ここで、Ｖａｃは音波の音速、λ_Rは電磁波の波長、ｆａｃは音波の周波数、ｎは電磁波の屈折率である。

次に、算出した音速から、次の式（ＩＩ）、（ＩＩＩ）を用いて被計測対象物１１のひずみを推定する。
ρ＝（Ｋ＋４／３Ｇ）／Ｖａｃ² …（ＩＩ）
ここで、Ｋは体積弾性率、Ｇはずれ弾性率、ρは密度である。
ε＝（ρ−ρ₀）／ρ₀ …（ＩＩＩ）

このように、構造物である被計測物１１の内部に音波と電磁波とを入射し、被計測対象物のひずみによる音波の変化を電磁波の反射周波数の変化として計測することで、被計測対象物のひずみを計測することができる。
この結果、被計測対象物１１に、従来のように光ファイバ等を用いたひずみ計測装置を埋め込むことがなくなり、いわゆる被接触でひずみを計測することができる。

［第２の実施の形態］
本発明による第２の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。
図２は、第２の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第１の実施の形態の計測装置１０と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図２に示すように、本実施の形態に係る計測装置１０は、第１実施の形態の音波発生装置１３と電磁波発生装置１５とを同軸に位置するようにし、反射電磁波１６の戻り時間を計測する時間計測装置２０を設けたものである。
音波１２と電磁波１４とを同軸で入射し、反射して戻る反射電磁波１６の戻り時間を時間計測装置２０で計測し、次の式（ＩＶ）から、反射位置を算出することで、ひずみの分布を求める。

Ｌ＝ｃ×ｔ／２ …（ＩＶ）
ここで、Ｌは反射点の位置、ｃは電磁波の速度、ｔは戻り時間である。
すなわち、被計測物１１中を伝播する電磁波の一部が音波との干渉により、反射信号が得られる。この反射はある波長で干渉が生じ、反射電磁波として戻ってくる。反射電磁波１６は、反射点での状態（ひずみ）の情報を反射波長として有している。
この結果、戻り時間と各時刻での反射波長を取得することにより、ひずみの分布を得ることができる。

［第３の実施の形態］
本発明による第３の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図３は、第３の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第１及び第２の実施の形態の計測装置１０と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、本実施の形態においては、音波発生装置１３から入射する音波１２をパルス状としたものである。なお、音波発生装置１３と電磁波発生装置１５との同期をとるために、タイミング装置２１を設けている。
音波と電磁波の反射時間差は次のようにする。
ｔ_ac＝Ｌ／ｃ_ac
ｔ_r＝Ｌ／ｃ_r
Δｔ＝ｔ_ac−ｔ_r
ここで、ｔ_acは音波の伝播時間、Ｌは計測対象位置までの距離、ｃ_acは音速、ｔ_rは電磁波の伝播時間、ｃ_rは電磁波の速度、Δｔは反射時間差である。

音波１２をパルス状とするので、被計測対象物１１中の音波による信号の乱れに対しても防止することができる。
なお、電磁波１４についても同様にパルス状とするようにしてもよい。

［第４の実施の形態］
本発明による第４の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図４は、第４の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第１乃至第３の実施の形態の計測装置１０と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図４に示すように、本実施の形態においては、音波発生装置１３から入射する音波１２が指向性を有する音波を用いるようにしたものである。

本実施の形態では、指向性を有する音波とすることで、被計測対象物１１中の音波の乱反射による信号の乱れを防止することができる。

［第５の実施の形態］
本発明による第５の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図５は、第５の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。なお、第１乃至第４の実施の形態の計測装置１０と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図５に示すように、本実施の形態においては、反射電磁波１６の受信信号に対して、音速によるドップラーシフトの波長変化を考慮したフィルタ２２を用いるようにしたものである。

電磁波は、音波による反射するが、反射する音波は電磁波の進行方向と同じ向きに移動しているため、ドップラーシフトの影響がある。したがって、電磁波の反射電磁波１６は、入射した波長よりも長くなる。
本実施の形態では、音波の受信器１７と信号処理装置１９との間にフィルタ２２を配するようにしてので、受信する信号の帯域を制限することとし、これにより入射した電磁波の被計測物１１の境界などによる乱反射の影響を除去するようにしている。

［第６の実施の形態］
本発明による第６の実施の形態に係るひずみ計測装置について、図面を参照して説明する。図７は、第６の実施の形態に係るひずみ計測装置を示す概念図である。
図７に示すように、本実施の形態においては、被計測物１１の表面を金属箔５１で覆うようにすると共に、被計測物１１の内部に細径の導線５２を予め埋設したものである。
この結果、高周波リード線３３からの電磁波の指向性が向上するようになる。
前記細線５２は数１０μｍ以下、特に好ましくは数μｍとすれば、埋設による凹凸の影響が生じないので好ましい。

また、図８に示すように、金属箔５１を覆わない代わりに、導線を２本の平行線５２−１、５２−２とし、伝播の強度変化を安定させるようにしてもよい。

［第７の実施の形態］
本発明による第７の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図９は、本発明のひずみ計測装置を風車のひずみに用いた概念図である。
図９に示すように、風車６０の内部空間のリブ６１にひずみ計測装置１０を設置し、風車６０の羽根６２の構造の変形を計測している。ひずみ計測装置１０からの信号はリード線６３により信号処理装置１９に送られ、ここで構造の変化を測定する。

この結果、従来のように羽根６２の表面にセンサを設けることがないので、空気抵抗が問題となることがない。よって、例えば風車の羽根のひずみを常時計測し、例えば突風の影響がある場合には、風車の運転制御を迅速に行うことができる。

また、被計測物の内部欠陥を計測するような場合に、センサを埋め込むことがないので、測定範囲の拡大を図ることができる。
また、本発明によるひずみ計測装置は風車の羽根のひずみを計測するのみならず、例えばコンクリート構造物のひずみの計測、ＦＲＰ等の複合材の変形計測に適用することができる。

以下、本発明の計測装置の具体的な計測について、実施例と共に、詳細に説明する。

先ず、材料のひずみ計測手順について説明する。
本実施例で用いた計測装置は、図３に示すように、被計測物１１に音波発生装置１３と電磁波発生装置１５とを同軸とし、パルス状の音波１２を入射した。また、被計測例えば物１１の材料はＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）を用いた。ここで、例えばひずみの無い材料（ＧＦＲＰ）の音速Ｖａｃ０＝３２００ｍ／ｓとし、ひずみの発生範囲が０〜１％とすると、音速とひずみの関係が次の式（１）に従う場合、音波の音速（Ｖａｃ）の範囲は、３２００ｍ／ｓ〜３２１６ｍ／ｓと予想される。
Ｖａｃ＝Ｖａｃ０／√（１−ε）・・・（１）

また、電磁波の周波数を３２ＧＨｚ、電磁波の材料中の波長をλｒ＝６．２５ｍｍとすると、電磁波の反射の条件から、音波の波長λａｃは、３．１２５ｍｍであり、音速の変化から周波数は１０２４ｋＨｚ〜１０２９ｋＨｚと予想される。

次に、図１０に示すように、距離Ｌ１〜Ｌ２の領域で１％のひずみが発生している材料を計測する場合を考える。
被計測物１１の領域について、電磁波を連続投入し、空間分解能を考慮して、たとえばｔ＝０．１ｍｓｅｃ(パルスの長さ３２０ｍｍ)のパルス状の音波を、周波数を変化させながら入射する。

被計測物中の電磁波の速度がＶｒの場合、入射した電磁波の戻り時間は、次の式（２）から距離に換算できる。
ｔ＝Ｌ／Ｖａｃ＋Ｌ／Ｖｒ・・・（２）
ここで、例えば、ｔ＝１．５×１０^-3（ｓｅｃ）、Ｖａｃ＝３２００（ｍ／ｓｅｃ）、Ｖｒ＝２．０×１０⁸（ｍ／ｓｅｃ）とすると、反射波は、Ｌ＝４．８ｍｍ弱の地点（４．７９９９２３２ｍｍ）の位置から戻ったものである。

音波の周波数を変化させながら反射電磁波の戻り時間と信号強度を計測した場合の関係を、三次元のグラフにすると、図１１に示すようになる。図１１中、横軸（Ｘ軸）が戻り時間、縦軸（Ｙ軸）が信号の強度、奥行き方向の軸（Ｚ軸）が音波の周波数である。

図１１に示すように、信号は、戻ってこない場合でも、ノイズのように低い信号（小さい波形）が計測される。これを図１１では、実線の細線で示している。また、強度は、材料の状態により若干変化することが予想されるが、反射の有り、反射の無しについては明確に区別できる。
図１１では、反射のある部分を太線で示している。点線は、各軸の相関を分かりやすくするためのものである。たとえば、横方向の点線は、ｆ１とｆ２の周波数であることを示し、奥行き方向（Ｚ方向）の点線は、周波数ｆ１とｆ２で信号が変化している領域が時間ｔ１とｔ２で対応していることを示している。

以下、その測定について示す。図１６に計測時の処理フローを示す。
１）先ず、計測を開始すると、音波の周波数ｆａｃをｆ０〜ｆ３で繰り返す（Ｓ１）。これは、周波数ｆａｃをセットし、音波を出力する（Ｓ１−１）。次に、電磁波パルスを出力する（Ｓ１−２）。これを、電磁波の発射から材料の終端まで繰り返す（Ｓ１−３）。この繰り返しの際、反射電磁波を時間の関数として受信する（Ｓ１−３−１）。
２）反射波の信号を時間から距離に換算する（Ｓ−２）。
３）各位置における反射波のスペクトルＲ（ｆａｃ）から、反射波の中心波長Ｃ（Ｌ）を得る（Ｓ−３）。
４）あらかじめ得た中心波長とひずみの関係から、各位置のひずみを算出する（Ｓ−４）。

具体的には以下のようにして行う。
ここで、材料が変形していない場合、音波の周波数は変化していないので図１１の周波数ｆ１で実線の太線のように反射信号が戻ってくることが確認できる。
一方、ひずみが発生している区間では、ｆ１では実線の細線で示すように反射信号が確認できない。

次に、周波数を徐々に増加してゆくと、周波数ｆ２において時間ｔ１〜ｔ２の間で反射信号が戻ってくることを確認できる。

このように、距離と周波数に対応する信号強度(信号の有り無し)の関係から、上記計算式を使用して、対象となる材料の計測領域におけるひずみの分布を算出することができる。

図１２は、図１１において、時刻ｔａとｔｂの位置の時間軸に垂直な断面を示したものである。それぞれの時刻の断面図はｔａについては図１３に,ｔｂについては図１４に示す。
図１３及び図１４では、横軸に周波数を、縦軸に受信強度を示す。こららの図面に示すように、時刻ｔａとｔｂの位置の時間軸をみるとスペクトルの形状をしている。
この関数を距離Ｌ(時刻ｔから換算したもの)における、反射波の強度分布の周波数特性として、Ｒ（Ｌ、ｆａｃ）とする。

ここで、スペクトルから中心周波数Ｃ（Ｌ）を決定する（なお、ここでは、最大値とする。すなわち、Ｒ（Ｌ，Ｃ（Ｌ））が距離Ｌのスペクトルの最大値になる。）
次に、この中心周波数を距離Ｌにおける反射波の中心周波数として、Ｃ（Ｌ）とする。例えば、時刻ｔａの位置は、Ｌａで、この中心周波数はＣ（Ｌａ）である。
最後に、各位置の中心周波数をひずみに換算する。
この換算には、図１５に示すように、あらかじめ別途試験により取得しておいた「音波の周波数とその周波数で電波を反射する材料のひずみ」の関係を利用する。例えば、距離Ｌａのひずみは、Ｃ（Ｌａ）の周波数で鉛直に上がり(点線)、上記関係を示す線(図の太線)の交点から、横(点線)のひずみ値ε（Ｌａ）が対応する。
上述した手順を繰り返すことで、図１５の関係から、各位置におけるひずみ分布が求められる。

以上のように、本発明にかかるひずみ計測装置は、被計測物の表面に影響を与えることなく、ひずみを連続して計測でき、特に構造物を破壊することなく、内部構造のひずみを計測することに用いて適している。

第１の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。第２の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。第３の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。第４の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。第５の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。ひずみ計測装置の振動子とリード線を被計測物に接続する状態を示す図である。第６の実施の形態にかかるひずみ計測装置の概略図である。第６の実施の形態にかかる他のひずみ計測装置の概略図である。風車にひずみ計測装置を設置した状態を示す概略図である。実施例の被計測物の説明図である。実施例の戻り時間、受信強度、音波の周波数の関係図である。実施例の戻り時間、受信強度、音波の周波数の関係図である。実施例の周波数（ｆ１）と受信強度の関係図である。実施例の周波数（ｆ２）と受信強度の関係図である。実施例の中心周波数とひずみとの関係図である。実施例の処理フロー図である。従来の風車のひずみ計測の概略図である。

符号の説明

１０ひずみ計測装置
１１被計測対象物
１２音波
１３音波発生装置
１４電磁波
１５電磁波発生装置
１６反射電磁波
１７電磁波の受信器
１８信号
１９信号処理装置
２０時間計測装置
２１タイミング装置
２２フィルタ

Claims

被計測対象物に音波を入射する音波発生装置と、
被計測対象物に電磁波を入射する電磁波発生装置と、
反射電磁波を受信する受信器と、
受信した信号を処理する信号処理装置とを具備してなり、
音波の周波数を変化させて、反射電磁波の得られる音波の反射条件を満たすことにより、反射電磁波の有無を求め、下記式Ｉから音波の音速（Ｖac）を求め、該求めた音速からひずみの有無を推定する
ことを特徴とするひずみ計測装置。
Ｖａｃ＝λ _R ×ｆａｃ／（２ｎ）…（Ｉ）
ここで、Ｖａｃは音速、λ _R は電磁波の波長、ｆａｃは音波の周波数、ｎは電磁波の屈折率である。
請求項１において、
前記反射電磁が得られる音波の中心周波数を利用してひずみを求めることを特徴とするひずみ計測装置。
請求項１又は２において、
高周波リード線を介して電磁波が被計測対象物に入射されてなると共に、該高周波リード線に接続する細径の導線が被計測対象物内に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置。
請求項３において、
被対象物を金属箔で覆ってなることを特徴とするひずみ計測装置。
請求項３において、
前記細径の導線が２本並行に埋め込まれてなることを特徴とするひずみ計測装置。
請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
前記被計測対象物が固定側に対して回転自在に支持された回転体であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置。
請求項６において、
前記回転体が風力発電用風車の羽根であることを特徴とする回転体のひずみ計測装置。
被計測対象物に音波と電磁波とを入射し、
音波の周波数を変化させて、反射電磁波の得られる音波の反射条件を満たすことにより、反射電磁波の有無を求め、下記式Ｉから音波の音速（Ｖac）を求め、該求めた音速からひずみの有無を推定する
ることを特徴とするひずみ計測方法。
Ｖａｃ＝λ _R ×ｆａｃ／（２ｎ）…（Ｉ）
ここで、Ｖａｃは音速、λ _R は電磁波の波長、ｆａｃは音波の周波数、ｎは電磁波の屈折率である。
請求項８において、
前記反射電磁が得られる音波の中心周波数を利用してひずみを求めることを特徴とするひずみ計測方法。