JP4392215B2 - 固体内部の振動検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物の内部診断などに利用される固体内部の振動検査装置に関するものである。

近年、コンクリート構造物の劣化が問題となっており、その内部の診断が必要とされている。従来、コンクリート構造物の内部の診断装置として、構造物の表面をハンマで打撃し、その時発生した振動を受信してコンピュータに送り、分析する装置が開発されてきた（例えば、特許文献１，２，３）。

特公平６−５８３５１号公報 特公平２−５４９０３号公報 特開２００１−２４９１１７号公報

従来の振動検査装置では、移動式のセンサ部が受信した振動音やこの振動音に基づく良否判定結果などの検査データをホストコンピュータなどで構成される後段の固定装置に転送している。このため、移動式のセンサ部と固定装置との間を伝送線路で接続すると共に、両者の間で授受される制御指令や位置情報の転送用に両者を別の伝送線路で転送している。このため、移動式のセンサ部と、後段の固定の処理装置との間に、多数の伝送線路が必要になり、構成が複雑化するとともに、操作性が低下するといういう問題があった。従って、本発明の一つの目的は移動式のセンサ部と後段の固定装置との間に多数の伝送線路を必要としない振動検査装置を提供することにある。

また、従来の各種の検査方法では、周波数分析や、数値解析などの複雑な処理が行われるため、処理時間が長引き、処理装置も高価になる。また、複雑な処理が行われるわりには、良否判定のための閾値の設定のむずかしさなどのため、検査の精度や信頼性が十分とはいえないという問題がある。例えば、コンクリート構造物の表面の塗装の状態や雨によるぬれ具合などのちがいによっても、良否判定の閾値を設定しなおすことなどが必要になる。その結果、いまだに熟練者の聴覚にたよった手動検査が実施されているというのが現状である。従って、本発明の他の目的は、長い処理時間や高価な分析装置を必要とせず、また、検査に携わる人の熟練も必要とせず、検査の精度と信頼性もそこそこに高い新規な固体内部の振動検査装置を提供することにある。

上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる固体内部の振動検査装置は、検査対象の固体の表面を打撃してこの固体の内部構造に固有の固体内振動を励振し、この励振された固体内振動を受信してアナログ電気信号に変換するセンサ部と、このアナログ電気信号に変換された固体内振動を処理するアナログ信号処理部と、前記センサ部を前記検査対象の固体の表面に沿って移動させることにより検査対象箇所を走査する移動手段とを備えている。そして、上記アナログ信号処理部は、アナログ電気信号に変換された固体内振動と検査に関連するアナログ信号とを時分割多重化したのち、単一の伝送線路を介して表示部に転送する時分割多重化手段を備えると共に、上記表示部は、時分割多重化されたアナログ信号を分離する前に、そのまま、時分割多重化されたディジタル信号に変換する手段を備えている。

本発明の振動検査装置は打撃によって発生した固体内振動の受信信号と、打撃位置など検査に関連するアナログ信号とを時分割多重化して単一の伝送線路を介して表示部に転送する構成であるから、構成が簡易化し、操作も簡単になる。また、表示部が時分割多重化されたアナログ信号を分離する前に、そのまま、時分割多重化されたディジタル信号に変換する手段を備えているので、伝送線路だけでなく表示部側に設置するアナログ・ディジタル変換器も一つですみ、ハードウェア量の節減に伴う製造費用の低廉化と装置の小型化が実現される。

本発明の好適な実施の形態によれば、上記表示部は、時分割多重化されたディジタル信号から固体内振動を分離し、これにＢスコープ表示処理を施して画面表示することで、長い処理時間や高価な分析装置を必要とせず、また、検査に携わる人の熟練も必要とせず、検査の精度と信頼性もそこそこに高い振動検査装置が提供されるように構成されている。

本発明の他の好適な実施の形態によれば、表示部は、時分割多重化されディジタル信号に変換されたディジタル信号から分離した検査位置の表示やマーク信号など検査に関連する情報をＢスコープ表示画面内に重畳して表示する手段を備えることにより、表示画面上に検査位置や各種の情報を表示できるように構成されている。

図１は、本発明の一実施例に係わる固体内部の振動検査装置の構成を示す機能ブロック図である。この振動検査装置は、制御・駆動部１０、センサ部２０、信号処理部３０、表示部４０、ケーブル５０および台車６０から構成され、表示部４０を除く各部は、検査対象のコンクリート構造物の表面上を車輪６１，６２の回転によって手動で移動する台車６０に搭載され、台車側の信号処理部３０はケーブル５０とＡ／Ｄトリガ信号線とを介して固定された表示部４０に接続されている。

制御・駆動部１０は、タイミング制御回路１１、駆動信号発生回路１２、手動スイッチ１３およびこの制御・駆動部１０の動作を一時的に停止させるための停止スイッチ１４を備えている。センサ部２０は、電磁ハンマ２１、マイクロホン２２および距離パルス発生回路２３を備えている。信号処理部３０は、受信増幅回路３１、フィルタ３２、信号多重化回路３３、出力増幅回路３４およびヘットホン３５を備えている。表示部４０は、パソコンで構成される表示装置４１およびこのパソコンに組み込まれるＡ／Ｄ変換ボード４２を備えている。

制御・駆動部１０のタイミング制御回路１１は、一定周期の打撃開始信号を発生する。この打撃開始信号の発生周期は、200msec 〜500msec の範囲で変更可能となっている。駆動信号発生回路１２は、タイミング制御回路１１から打撃開始信号を受けると、20msecの幅の駆動パルス信号を発生する。この駆動パルス信号を受けた電磁ハンマ２１は、コンクリート構造物の表面をごく短時間だけ一回だけ打撃する。

検査対象のコンクリート構造物がその構造に固有の固体内振動を行うためには、打撃後のハンマが再度構造物の表面を打撃する二度打ちはもちろんのこと、このハンマが打撃終了後に構造物の表面に接触していることも回避する必要がある。ハンマが構造物の表面に接触していると、構造物に励振された振動に対して負荷として作用することになり、構造物が無負荷状態で行う自由振動が実現できなくなる。この自由振動こそが、構造物ごとの固有の構造を反映する固体内振動である。本出願人は、この自由振動を実現するのに適した特殊な電磁ハンマを開発した。その詳細については、必要に応じて本出願人の先願（特開２００３−１６６９７９号など）を参照されたい。

このようにして、コンクリート構造物の内部に励振された構造物に固有の固体内振動は、その表面から空気中に音波を発生する。この音波は、空中用受音器のコンデンサ・マイクロホンなどで構成されるマイクロホン２２に集音される。マイクロホン２２に受信された音波は、電気振動に変換され、受信増幅回路３１で増幅される。この受信増幅回路３１は、マイクロホン２２から出力される信号を低周波まで忠実に増幅するために、１ＭΩ以上の大きな入力インピーダンスを有する。このように、コンクリート構造物の表面から離してマイクロホン２２を設置するように構成することにより、接触状況の変動によって検査結果がばらつき信頼度が低下するという接触型のセンサを用いた場合の問題点を解決することができる。

受信増幅回路３１で増幅された受信信号は、300 Hz〜10ｋHz程度の通過帯域を有する帯域通過フィルタ３２で濾波される。通常のコンクリート構造物の打撃によって発生する自由振動の最高周波数は、一般的に、10ｋHzていどであるため、これよりも高域の周波数成分は除去される。また、50Hzや60Hzの商用電源ハムの混入を防止するため、300 Hz以下の周波数成分も除去される。フィルタ３２から出力された受信信号は、信号多重化回路３３と出力増幅回路３４とに供給される。出力増幅回路３４は、入力信号を電力増幅して、ヘッドホン３５を鳴動させる。このヘッドホン３５は、センサ部１０から離れた位置に存在する操作者が、固体内振動を聞くことができるようにするためのものである。

信号多重化回路３３は、マイクロホン２２を介して受信した固体内部振動のアナログ信号に、距離パルス信号や、手動スイッチ１３のオン／オフ信号を時分割多重化して、直列伝送路のケーブル５０を介して表示部４０に転送するための回路である。この信号多重化回路３３の構成を図２の機能ブロック図に示す。この信号多重化回路は、３個のゲート回路３３ａ，３３ｂ，３３ｃと、これらのゲート回路の開閉を制御するためのゲート信号を発生するゲート信号発生器３３ｄとから構成されている。

ゲート３３ａで開閉される受信信号は、信号処理部３０の受信増幅回路３１で増幅されてフィルタ３２で濾波された300 Hz〜10ｋHz程度の周波数帯域のアナログ形式の固体内振動である。 ゲート３３ｂで開閉されるマーク信号は、制御・駆動部１０の手動スイッチ１３のオン／オフ状態を示すハイ／ロー信号である。この手動スイッチ１３のオン信号はヘッドホン６０の音などによって異常を感じた操作者などによって発生され、受信信号の表示画面に中に現在の検査位置を破線などで示すマーク信号として表示される。

ゲート３３ｃで開閉される距離パルス出力は、センサ部２０の距離パルス発生回路２３で発生された台車６０の移動距離、従って、センサ部２０の電磁ハンマ２１によるコンクリート構造物表面の打撃箇所の移動距離を示す信号である。すなわち、距離パルス発生回路２３は、センサ部２０が搭載された台車の車輪６１，６２と連動しており、車輪が１回転する間に１０個の距離パルスを発生する。車輪６１，６２の１回転ごとにセンサ部２０は１０ｃｍだけ移動するので、距離パルスが１個発生されるたびにセンサ部２０、従って、電磁ハンマ２１による打撃箇所は１ｃｍだけ移動する。この距離パルスは信号多重化回路３３内のゲート３３ｂに供給される。

図３は、受信信号、マーク信号、距離パルス信号から成る３種類のアナログ信号の多重化を説明するためのタイミングチャートである。最上段に示すように、制御・駆動部１０内のタイミング制御回路１１から出力される打撃開始信号がハイからローに立ち下がると、同じく制御・駆動部１０内の駆動信号発生回路１２から時間幅２０msecの駆動パルス信号が出力され、これを受けたセンサ部２０内で電磁ハンマ２１によるコンクリート構造物の表面への打撃が行われる。信号多重化回路３３内のゲート信号発生器３３ｄは、上記打撃開始信号の立ち下がりエッジに同期して、Ａ／Ｄトリガ信号を一定期間だけ立ち下げる。このＡ／Ｄトリガ信号は、その立ち上がりのエッジで表示部４０内のＡ／Ｄ変換ボード４２にＡ／Ｄ変換を開始させるためのトリガ信号であり、その時間幅はボードの種類に応じて３msecから30msecの範囲にわたって変更可能となっている。

ゲート信号発生器３３ｄは、Ａ／Ｄトリガ信号の立ち上がりエッジに同期して、受信信号のゲート３３ａ、マーク信号のゲート３３ｂ、距離パルス信号のゲート３３ｃに対する開閉制御信号を順次ハイに立ち上げることにより、信号多重化回路３３内のゲート３３ａ、３３ｂ、３３ｃを順次一定期間だけ開いてゆく。ゲート３３ａ，３３ｂ，３３ｃの開放期間の一例は、同順に、26.4msec、1.7 msec、1.6 msecである。また、打撃開始信号の周期は、前述のように、 200msec〜500msec の範囲にわたって変更可能である。

このようにして、信号多重化回路３３から、受信信号とマーク信号と距離パルス信号とが時分割多重化された多重化アナログ信号が出力される。図３に示すタイミングチャートは、マーク信号も距離パルス信号も出現せず、したがって、多重化アナログ信号中に受信信号のみが出現する例を示している。これに対して、図４のタイミングチャートは、マーク信号と距離パルス信号とが出現した例を示している。打撃開始信号の１周期分遅延して、ゲート信号の時間幅にわたってハイに立ち上がるマーク信号とローに立ち下がる距離パルス信号とが、多重化アナログ信号中に受信信号と共に出現する。

表示部４０のＡ／Ｄ変換ボード４２では、信号処理部３０の信号多重化回路３３からケーブル５０を通して転送されてきた多重化アナログ信号に対し、Ａ／Ｄ変換を行い、３ビット幅のディジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換は、ケーブル５０とは独立の信号線を通して信号多重化回路３３から供給されるＡ／Ｄトリガ信号に同期して開始される。汎用のパソコンなどで構成される表示装置４１は、ディジタル信号に変換された多重化信号を多重分離することにより、３種類の各３ビット幅のディジタル信号に分離したのち、表示処理を行う。表示装置４１は、固体内振動のディジタル受信信号に対しては、Ｂスコープ映像化処理を行う。

このＢスコープ映像は、特開平１１−３１１６７２号公報などに開示された超音波探査装置などで利用されている。このＢスコープ映像では、受信した反射信号の振幅の包絡線を階段波形で近似し、量子化された振幅に対して異なる色彩や、異なる階調の濃淡を割当てる。そして、反射信号の受信を開始してからの経過時間を真下に、送信信号の送信回数を真横に設定し、上記反射信号の振幅の色彩や濃淡が附されたカラーバー状の垂直線を、新たな打撃のたびに表示位置を横方向にずらしながら表示してゆくものである。表示装置４１は、受信された固体内振動に対して、上述のＢスコープ映像化処理を行い、液晶表示パネルに表示する。

図５は、表示装置４１においてＢスコープ映像化処理された固体内振動の表示画面の一例を示す概念図である。一番右側に表示されている信号波形は、Ｂスコープ処理を施す前の固体内振動の受信信号の波形であり、最新の打撃によって得られたものが表示されている。このような波形の表示方法は、Ａスコープ表示と呼ばれている。このＡスコープ表示波形の左側が、固体内振動の受信信号のＢスコープ表示領域である。この表示画面の左端が最新の打撃によって受信された信号の表示位置であり、左端が最新の打撃によって受信された信号の表示位置であり、表示データ記憶用のメモリ容量の限界から、表示データがこの限界容量を越えると、古い表示データが最新のデータの上書きによって更新されてゆく。従って、現時点から一定回数ぶんだけ逆上った打撃回数ぶんのＢスコープ映像のみが表示される。

Ｂスコープ表示領域の上部に表示される縦の線分は、距離パルス信号である。この距離パルスの間隔は１cmである。距離パルスは、車輪の回転に伴って発生されるパルスが距離パルス発生回路２３で計数され、これが所定値Ｎになるたびに発生される。

検査時間を短縮するにはセンサ部２０の移動速度を高める必要があるが、それには上限がある。この移動の上限速度Ｖは打撃周期内に２個以上の距離パルスが出現しないという条件から定められる。車輪の最小距離分解能をΔＬ、上記パルスの計数値をＮ、Ｔを打撃周期とすると、この上限速度Ｖは、次のようになる。
Ｖ＝（ΔＬ／Ｔ）Ｎ 一例として、車輪の最小距離分解能を１cm、打撃周期を200 msecとおくと、Ｎが１の場合上限速度は5cm/sec であるが、Ｎを５の場合、分解能は５cm、上限速度は25cm/ sec となる。

この実施例では、距離パルスの色彩を５本ごとに変更することにより、色彩の変化で５cmの距離を認識させるように構成されている。色彩の代わりに、適宜な本数ごとに点線、一点鎖線のように線種を変更してもよい。Ｂスコープ表示領域内の縦の破線は、マーク信号であり、操作者の手動スイッチの操作によって画面に表示される。

以上、固体内振動と多重化する検査に関連するアナログ信号として、距離パルスとマーク信号を例示した。しかしながら、その他の適宜な信号を固体内振動との多重化の対象とすることができる。

また、コンクリート構造物の内部に励振された固体内振動を表面から離して設置したマイクロホンを使用して受信する構成を例示した。しかしながら、必要に応じて、他の適宜な種類の音響／電気変換素子を使用してもよく、また、この変換素子を固体に密着させて設置してもよい。

また、台車を手動で移動させる構成を例示したが、遠隔操縦式の自走構成を採用することもできる。

以上、検査対象がコンクリート構造物の場合を例にとって本発明の振動検査装置を説明した。うかしながら、検査対象はこれに限定されるものではなく、パイプ内部の腐食や詰まり具合の検査、金属溶接部やリベット部の接合具合の検査、金属板の裏側に注入した充填物の接着具合の検査など、固体の状態によりその内部の振動特性が変化するすべての物を検査対象とすることができる。

本発明の一実施例に係わる固体内部の振動検査装置の構成を示す機能ブロック図であ る。 図１の信号多重化回路３３の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図２の信号多重化回路の多重化動作を説明するためタイミングチャートである。 図２の信号多重化回路の多重化動作を説明するためタイミングチャートである。 図１の表示装置４１の表示画面の一例を示す概念図である。

符号の説明

10 制御・駆動部
20 センサ部
21 電磁ハンマ
22 マイクロホン
23 距離パルス発生回路
30 信号処理部
31 受信増幅回路
33 信号多重化回路
40 表示部
41 Ａ／Ｄ変換ポード
42 表示装置
50 ケーブル
60 台車
61,62 車輪

Claims (6)

1. 検査対象の固体の表面を打撃してこの固体の内部構造に固有の固体内振動を励振し、この励振された固体内振動を受信してアナログ電気信号に変換するセンサ部と、このアナログ電気信号に変換された固体内振動を処理するアナログ信号処理部と、前記センサ部を前記検査対象の固体の表面に沿って移動させることにより検査対象箇所を走査する移動手段とを備えた固体内部の振動検査装置において、
   前記アナログ信号処理部は、前記アナログ電気信号に変換された固体内振動と、検査に関連するアナログ信号とを時分割多重化したのち、この時分割多重化されたアナログ信号を伝送線路を介して表示部に転送する時分割多重化手段を備え、
   前記表示部は、前記時分割多重化されたアナログ信号を分離する前に、時分割多重化されたディジタル信号に変換する手段を備えたことを特徴とする固体内部の振動検査装置。
2. 請求項１において、
   前記表示部は、前記時分割多重化されたディジタル信号から固体内振動を分離し、これにＢスコープ表示処理を施して画面表示する手段を更に備えたことを特徴とする固体内部の振動検査装置。
3. 請求項２において、
   前記表示部は、前記時分割多重化されたディジタル信号から分離した検査に関連する成分を前記Ｂスコープ表示画面内に重畳して表示する手段を備えたことを特徴とする固体内部の振動検査装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   前記検査に関連するアナログ信号は、前記センサ部の移動距離を示す距離パルス信号であることを特徴とする固体内部の振動検査装置。
5. 請求項１乃至４のいづれか一つにおいて、
   前記検査に関連するアナログ信号は、検査対象の表示画面上の現在位置を示すマーク信号であることを特徴とする固体内部の振動検査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記固体の表面の打撃は電磁ハンマによって行われることにより、固体内部に自由振動が励振されることを特徴とする固体内部の振動検査装置。

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