JP5314280B2 - 計測方法および装置 - Google Patents
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Description
1.1 実験概要
図1は、実施例に係る厚さ計測実験系100の構成を示す。厚さ計測実験系100は、PC10、信号発生器12、送信用センサ14、測定物16、受信用センサ18、デジタルオシロスコープ20を含む。また、厚さ計測実験系100は、信号として、変調信号200、送信信号202、受信信号204、参照信号206を含む。すなわち、2つのAEセンサを用いて、一方のセンサである送信用センサ14から超音波の送信を行い、もう一方のセンサである受信用センサ18により受信するという方法である。
超音波を用いた厚さ計測においてはパルス幅を狭めることによって、計測分解能を向上させることが可能であると考えられる。しかしながら、パルス幅を狭めることはパルスエネルギーを減少させることになり、その結果、信号が受信用センサ18にまで伝搬されないことがあると推測される。このことから、比較的長いパルス状チャープバースト波形を送受信し、そこで得られる送受信信号に対して、それぞれパルス圧縮処理に基づく信号増幅処理を行うことが効果的であると考えられる。すなわち、広いパルス幅で送受信を行い、得られた信号を圧縮することで等価的にパルス幅が狭まり、計測分解能の向上を図ることができると言える。
ここでは超音波センサ計測における厚さ計測の原理と方法について簡単に述べる。測定物16の伝播音速をV[m/s]、送受信センサ間で得られる信号の時間差をΔt[s]とすると、測定物16の厚さL[m]は
本実施例の計測及び信号処理において、このセンサ特性を考慮するため、またチャープバースト波に使用する周波数帯域を決定する目的で、センサの通過振幅及び位相特性の調査実験を行った。図2は、厚さ計測実験系100における送信用センサ14および受信用センサ18の特性を確認するための実験条件を示す。本実施例で用いるAEセンサの仕様として発振周波数帯域が70kHzから200kHzと定められているため、この範囲内において実験を行った。このとき、センサ間には測定物16を介さず、センサ同士を直接接触させて連続正弦波(CW)の送受信を行い、得られる送受信信号を比較することによって通過振幅比、並びに遅延時間を求めた。
3.1 実験方法
前章までの検討によって受信信号204が理論波形に対して高い相関を持った波形となっていることが確認された。したがって、本章では測定物16に対する厚さ計測実験を、パルス圧縮方式と一般方式の双方で行った。このとき、より正確な比較検討を行うため、まずは両方式でサンプリング周期を統一して実験を行った。図7は、厚さ計測実験系100における測定物16の厚さ計測の実験条件を示す。なお、厚さ計測は式(7)に基づいて行い、伝播音速は式(8)を用いて算出した値を用いた。
3.2.1 計測値分布に関する検討
図9(a)−(c)は、厚さ計測実験系100における計測結果を示す。ここでは、厚さ計測をそれぞれの条件で繰り返し50回行った際に得られた計測結果の分布を示している。なお、図9(a)−(c)におけるヒストグラムの階級幅はスタージェスの公式を参考にして求めていることを付記する。図9(a)はパルス圧縮方式における結果の分布、図9(b)はパルス圧縮方式とサンプリング周期を統一(25ns)した場合における一般方式での分布である。また、図9(c)はサンプリング周期を1.25nsと非常に小さくした場合の一般方式の結果である。なお、いずれの結果においても、平均値と標準偏差から得られる確率密度関数を実線で示している。図9(a)、(b)を比較すると、一般方式の分布はデータが広い範囲で散在しているのに対し、パルス圧縮方式の結果はデータが集中している。
超音波センサ計測を行う場合、雑音の影響によって計測精度が低下すると考えられる。そこで、送信信号202の振幅を減少させ、信号対雑音比が低下した状態における板厚計測精度に関する実験検討を行った。図11は、厚さ計測実験系100における送信信号振幅の影響を考察するための実験条件を示す。なお、本検討においては、送信信号振幅の減少に伴う精度の低下度合を明確にするため、一般方式におけるサンプリング周期は図9(c)で示した条件と同一として、パルス圧縮方式の場合よりも1/20と大幅に小さく設定している。
超音波センサを用いて厚さ計測を行う場合、測定物16が厚くなるほど計測精度は低下すると考えられる。そのため、測定物16を同一の材質として厚さを変更させたときの板厚計測精度に関する実験検討を行った。図13は、厚さ計測実験系100における測定物16の厚さの影響を考察するための実験条件を示す。これは、測定物16の板厚を変更した実験の条件を示す。実験はそれぞれの厚さの測定物16についてパルス圧縮方式と一般方式の双方を行った。
超音波センサを用いたチャープバースト波による厚さ計測において、使用する周波数帯域幅の変更が計測精度にどのような影響を及ぼすか確認するために、周波数帯域幅を変更させた場合における計測精度の比較検討を行った。図15は、厚さ計測実験系100における帯域幅の影響を考察するための実験条件を示す。図15は、周波数帯域幅を変更させた実験の条件を示したものである。実験においては中心周波数fcenterを170kHzと一定にし、周波数帯域幅のみを変更して実験を行った。
図17は、厚さ計測実験系100の詳細な構成を示す。厚さ計測実験系100は、発振部50、第1取得部52、第2取得部54、測定部56、送信用センサ14、測定物16、受信用センサ18を含む。ここで、発振部50は、図1の信号発生器12に含まれ、第1取得部52、第2取得部54、測定部56は、図1のデジタルオシロスコープ20に含まれる。
Claims (3)
- 送信センサから送信すべきパルス状のチャープ信号を取得する第1取得部と、
前記送信センサから送信された後、前記送信センサと受信センサとの間に設置された測定物を経由して、前記受信センサにおいて受信されたパルス状のチャープ信号を取得する第2取得部と、
前記第1取得部において取得したパルス状のチャープ信号のピーク位置と、前記第2取得部において取得したパルス状のチャープ信号のピーク位置との差異をもとに、前記送信センサから前記受信センサへ至る測定物の距離を測定する測定部とを備え、
チャープ信号の周波数帯域は、前記送信センサと前記受信センサ間に測定物を介さず、前記送信センサと前記受信センサ同士を直接接触させて連続正弦波の送受信を行い、得られる送受信信号を比較することによって求めた通過振幅比、並びに遅延時間が安定した周波数帯域であることを特徴とする計測装置。 - 前記第1取得部において取得したパルス状のチャープ信号には、振幅変調がなされていることを特徴とする請求項1に記載の計測装置。
- 送信センサから送信すべきパルス状のチャープ信号を取得するステップと、
前記送信センサから送信された後、前記送信センサと受信センサとの間に設置された測定物を経由して、前記受信センサにおいて受信されたパルス状のチャープ信号を取得するステップと、
取得したふたつのパルス状のチャープ信号のピーク位置間の差異をもとに、前記送信センサから前記受信センサへ至る測定物の距離を測定するステップとを備え、
チャープ信号の周波数帯域は、前記送信センサと前記受信センサ間に測定物を介さず、前記送信センサと前記受信センサ同士を直接接触させて連続正弦波の送受信を行い、得られる送受信信号を比較することによって求めた通過振幅比、並びに遅延時間が安定した周波数帯域であることを特徴とする計測方法。
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