JP4576614B2

JP4576614B2 - 部材の弾性波・静的ひずみの計測方法

Info

Publication number: JP4576614B2
Application number: JP2005367615A
Authority: JP
Inventors: 竜太郎大石; 英幹永井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007170942A

Description

本発明は、構造物を構成する材料の内部において、損傷・破壊などで生じる微視的欠陥の非破壊検査法に関するものである。

構造物・建築物を対象とした材料の損傷・破壊を検知する、健全性評価方法として、直接的には弾性波（超音波）による材料の状態の調査、材料の初期破壊から生じる弾性波（ＡＥ波：アコースティック・エミッション波）の観測、間接的には材料のひずみ又は応力から、損傷度の推定、などがあげられる。上記健全性評価に際しては、弾性波の測定には圧電体又は光ファイバーを用いる。また、材料の静的ひずみは、例えば、ひずみゲージや光ファイバーを用いる。

次に実験室環境では、材料に上記多種類のセンサを装着すればよいが、建造物などに適用する場合には、センサを大面積にわたって装着しなければならず、必要とするセンサ数及び信号処理装置は膨大なものとなる。したがって、２つのセンサを複合化し、一つの読み出し装置で弾性波信号及びひずみ・変位の両方を受信することにより、そのセンサ数・信号処理装置を減少させ、システムにかかるコストを削減させる必要がある。

弾性波信号及び静的ひずみの両方を観測できるシステムとして、光ファイバーを用いるものがあるが、光ファイバー自身が繊細なもので実際の建造物などの製作現場では取り扱いにくく、かつ光ファイバー伝達光の信号処理装置は非常に高価である。したがって、取り扱いが容易でかつ安価なセンサシステムが必要とされる。
安価なセンサとしては、抵抗線ひずみゲージ・ＳＡＷひずみセンサ等があげられるがいずれも単機能のため、健全性を評価する対象が構造物・建築物など大型化した場合、センサ数やそのセンサ信号を読み出す測定装置系の数が増加し、システムが複雑となる上にセンサ・装置にかかるコストの増加につながる。
特開平８−１４５６１４号公報特開２００３−２６２５０２号公報

本発明は、一種類のセンサを用いて多機能計測を行うことにより、センサ数の増加を抑え、測定システム系を簡略化し、それにかかるコストも抑えることができる部材の計測方法を提供することを目的とする。

高分子圧電体と電気抵抗体とを一体化した弾性波・ひずみセンサーを部材に装着し、上記部材から発生する弾性波を上記高分子圧電体で電圧波形に変換し、波形読取装置で計測するとともに、電気抵抗体の抵抗成分と高分子圧電体の容量成分による時定数の変化を、上記波形読取装置で計測することにより、時定数の変化と比例関係にある、上記部材の静的ひずみ量を算出することを特徴とする部材の弾性波・静的ひずみの計測方法。

また本発明では、上記弾性波・ひずみセンサーは、板状の高分子圧電体とその表面に形成された薄膜電気抵抗体からなっている。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る弾性波・ひずみセンサーの模式図である。弾性波・ひずみセンサーは、板状のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる高分子圧電体とその表面に形成された薄膜電気抵抗体及び必用な電極からなっている。

高分子圧電体は、弾性波（微小振動）信号を検出することができる。また、薄膜電気抵抗体は、銅系合金等の金属箔から構成され、変形によって生じた金属箔の電気抵抗変化から、そのひずみを測定するものである。
通常の圧電素子は、高分子圧電体の両面に電気信号を取り出すための電極がある。本発明に係る弾性波・ひずみセンサーでは、一方の電極をひずみ測定機能を備えた電極とすることにより、弾性波に加えてひずみを検知できるようにしてある。すなわち高分子圧電体の一方の電極は、薄膜電気抵抗体を兼用している。弾性波・ひずみセンサーは、これによって、金属箔の電気抵抗（R）と圧電体の電気容量（C）でＲＣ回路からなるセンサを構成する。

本発明に係る弾性波・ひずみセンサーを用いた弾性波と静的ひずみの測定について説明する。弾性波・ひずみセンサーをガラス繊維強化材（ＧＦＲＰ）からなる母材に貼り付けた様子を図２に示す。電気信号を読み出すため、銅泊をその蒸着面に導電性接着剤で貼り付けた(図示せず)。較正用ひずみゲージは、弾性波・ひずみセンサーと平行に母材に貼り付けた。
弾性波・ひずみセンサーの等価回路を図３に示す。

母材のひずみを測定するためには、図４、図５の配線図に示すようにセンサであるＲＣ（微分又は積分）回路に矩形波を入力し、抵抗（薄膜電気抵抗体）又はコンデンサー（高分子圧電体）にかかる電圧を時間の関数として測定する。静的ひずみの観測には、薄膜電気抵抗体の電気抵抗と高分子圧電体の電気容量を測定するために、電流を供給するための電源が必要である。
弾性波・ひずみセンサーについて引張試験を行った。そして、弾性波・ひずみセンサーの横に貼り付けた較正用ひずみゲージからＧＦＲＰのひずみを測定した。引張試験を行いながら、ＧＦＲＰのひずみと弾性波・ひずみセンサーから得られる時定数変化と比較する。

図４、図５に示すように入力側に矩形波をパルスジェネレータから入力し、オシロスコープで収集した出力波形から時定数を測定した。図４、図５の回路を用いてセンサー出力をオシロスコープで観測した波形を図６、図７に示す。図６は、微分回路の出力に対応し、また図７は、積分回路の出力に対応する。各図とも上が出力波形、下が入力波形で、横軸が時間、縦軸が電圧を表している。各図の右上にある挿入図は、出力波形を片対数で表したものである。この出力波形から時定数が決まる。

図８、図９は、引張応力を与えながら、弾性波・ひずみセンサーの出力から得られる時定数（1/RC）の変化と較正用ひずみゲージで得られるひずみを比較した結果である。縦軸が時定数の変化、横軸がひずみを表している。図８は、微分回路の結果に対応し、また図９は、積分回路の結果に対応する。微分回路及び積分回路から得られた時定数の変化は、ともにＧＦＲＰのひずみとほぼ比例関係にあることがわかる。なおＧＦＲＰではひずみ１％程度で破壊が生じるため、本実験では、付加ひずみは０．７％程度までに抑えた。以上のとおり、この弾性波・ひずみセンサーをひずみセンサとして利用できることがわかる。

次に上記でひずみ・変位を測定した回路とオシロスコープで、ＧＦＲＰに伝わる弾性波を観測した。損傷によってＧＦＲＰから弾性波が生じるが、ここでは、金属棒でＧＦＲＰをたたき擬似弾性波を生じさせた。微分回路を用いて、母材（ＧＦＲＰ）を伝わる弾性波を観測したときのセンサー出力波形を図１０に示す。図１０において横軸は時間、縦軸は弾性波の電圧を表したものである。

高分子圧電体自身の性質から、観測できる弾性波の周波数帯は数１０ＫＨz以下に限られるが、損傷診断を行うためには十分である。
ここでセンサＲＣ回路の時定数を高分子圧電体で観測できる弾性波の周波数帯（測定時間領域）と合わせるために、図示はしていないが薄膜電気抵抗体に直列に調整用の電気抵抗素子（１ＭΩ）を用いた。

発電プラントなどの構造物を構成する材料に起こる微視的欠陥の蓄積による破壊を未然に防ぐため、健全性の評価が定期的に行われている。本発明によれば、前記健全性の評価に際し、内部の微視的欠陥の進展を観測できるため、初期段階から材料寿命を推定することが可能になる。また、複雑な形状の材料評価実験においても、分解することなく内部の材料欠陥情報を知ることができる。

弾性波・ひずみセンサーの模式図である。弾性波・ひずみセンサーの実験配置図である。弾性波・ひずみセンサーの等価回路である。弾性波・ひずみセンサーの測定回路図である。弾性波・ひずみセンサーの測定回路図である。弾性波・ひずみセンサーの観測波形図である。弾性波・ひずみセンサーの観測波形図である。時定数変化とひずみとの関係図である。時定数変化とひずみとの関係図である。母材を伝わる弾性波を観測したときの弾性波・ひずみセンサーの出力波形図である。

Claims

高分子圧電体と電気抵抗体とを一体化した弾性波・ひずみセンサーを部材に装着し、上記部材から発生する弾性波を上記高分子圧電体で電圧波形に変換し、波形読取装置で計測するとともに、電気抵抗体の抵抗成分と高分子圧電体の容量成分による時定数の変化を、上記波形読取装置で計測することにより、時定数の変化と比例関係にある、上記部材の静的ひずみ量を算出することを特徴とする部材の弾性波・静的ひずみの計測方法。
上記弾性波・ひずみセンサーは、板状の高分子圧電体とその表面に形成された薄膜電気抵抗体からなることを特徴とする請求項１記載の部材の弾性波・静的ひずみの計測方法。