JP5853892B2

JP5853892B2 - 超音波測定装置、超音波測定システム及び超音波測定方法

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Publication number: JP5853892B2
Application number: JP2012165602A
Authority: JP
Inventors: 友則木村; 岡本　実; 実岡本; 修三和高; 洋之越智
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: JP2014025781A

Description

本発明は、超音波を用いて被測定物を破壊することなく測定する超音波測定装置、超音波測定システム及び超音波測定方法に関するものである。

近年構造物の老朽化が問題となっており、適切な維持管理が要求されている。例えばコンクリート等の構造物においては強度の測定が重要である。コンクリートの強度は、コンクリートの音速を用いて求めることができ、コンクリートの音速は、コンクリート中を超音波が伝搬する距離と、その伝搬距離を超音波が通過するための時間（伝搬遅延時間）から求めることができるので、コンクリートの強度を求めるためには超音波の伝搬遅延時間を測定する装置が必要となる。

超音波の伝搬遅延時間を求める方法として、例えば、コンクリート中を伝搬した超音波を受信して得られる電気信号のゼロクロス点を検出して伝搬遅延時間を求める方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような特許文献１においては、ゼロクロス点を求め、さらにそのゼロクロス点に基づき算出したゼロクロス周波数を用いることにより、伝搬遅延時間の測定精度を向上させている。

特開２００８−２４９６６５号公報

しかしながら、実際の作業現場においては、作業者は測定精度よりもむしろ作業効率を向上させたいという要求があり、上記の特許文献１では、表示される画面を見るだけで容易に伝搬遅延時間を把握することができないという課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、超音波の伝搬遅延時間を作業現場で簡単に求めることができる超音波測定装置、超音波測定システム及び超音波測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る音波測定装置は、第１の電気信号により駆動され超音波を送信する送信用探触子に対して前記第１の電気信号を送信する送信部と、前記送信用探触子から送信され被測定物中を伝搬する前記超音波を受信して第２の電気信号に変換する受信用探触子から送信される前記第２の電気信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された前記第２の電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状として前記ゼロクロス点を強調する波形を生成する波形生成部と、前記波形生成部により生成された前記波形の所定の時間範囲を設定し、前記時間範囲内において前記第２の電気信号の振幅が予め設定された閾値より大きい値をとる時刻を前記超音波の伝搬遅延時間として算出する算出処理部と、前記波形生成部により生成された前記波形を表示するとともに、前記算出処理部により算出された前記伝搬遅延時間を表示する表示部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る音波測定装置は、第１の電気信号により駆動され超音波を被測定物中に送信し、前記被測定物中を伝搬する前記超音波を受信して第２の電気信号に変換する探触子と、前記第１の電気信号を送信して前記探触子を駆動するとともに前記探触子からの前記第２の電気信号を受信する超音波測定装置とを備える超音波測定システムであって、前記超音波測定装置は、受信される前記第２の電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状として前記ゼロクロス点を強調する波形を生成する波形生成部と、前記波形生成部により生成された前記波形の所定の時間範囲を設定し、前記時間範囲内において前記第２の電気信号の振幅が予め設定された閾値より大きい値をとる時刻を前記超音波の伝搬遅延時間として算出する算出処理部と、前記波形生成部により生成された前記波形を表示するとともに、前記算出処理部により算出された前記伝搬遅延時間を表示する表示部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る超音波測定方法は、被測定物中を伝搬する超音波を受信して電気信号に変換する第１のステップと、変換された前記電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状にして強調する波形を生成する第２のステップと、前記第２のステップで生成された前記波形の所定の時間範囲を設定し、前記時間範囲内において前記電気信号の振幅が予め設定された閾値より大きい値をとる時刻を前記超音波の伝搬遅延時間として算出し、前記伝搬遅延時間を表示する第３のステップとを有することを特徴とする。

本発明の超音波測定装置、超音波測定システム及び超音波測定方法によれば、ゼロクロス点付近をスパイク状にして強調した波形を表示するので、作業者は表示画面を見るだけで容易に伝搬遅延時間を求めることが可能となる。

実施の形態１に係る超音波測定システムの構成を示す図。実施の形態１に係る波形生成部１３の詳細な構成を示す図。実施の形態１に係る動作を示すフローチャート。実施の形態１に係る飽和部１５に入力される電気信号の波形を示す図。実施の形態１に係る微分部１６に入力される飽和信号の波形を示す図。実施の形態１に係る表示部１４に表示されるゼロクロス点強調波形を示す図。実施の形態１に係る受信部１２にて受信される高周波の電気信号の波形を示す図。実施の形態１に係る受信部１２にて受信される低周波の電気信号の波形を示す図。実施の形態１に係る受信部１２にて受信される低周波の電気信号に対してのゼロクロス点強調波形を示す図。実施の形態１に係る超音波測定システムの他の構成を示す図。実施の形態１に係る超音波測定システムの他の構成を示す図。実施の形態２に係る超音波測定システムの構成を示す図。実施の形態２に係る動作を示すフローチャート。実施の形態２に係る算出処理部１９がゼロクロス点強調波形に対してゲート２０をかける様子を示す図。実施の形態２に係る算出処理部１９が低周波の電気信号の波形に対してゲート２０をかける様子を示す図。実施の形態２に係る算出処理部１９が高周波の電気信号の波形に対してゲート２０をかける様子を示す図。

実施の形態１．
以下図面を用いて本発明の実施の形態１を説明する。図１は実施の形態１に係る超音波測定システムの構成を示す図である。図２は実施の形態１に係る波形生成部１３の詳細な構成を示す図である。図３は実施の形態１に係る動作を示すフローチャートである。図４は実施の形態１に係る飽和部１５に入力される電気信号の波形を示す図である。図５は実施の形態１に係る微分部１６に入力される飽和信号の波形を示す図である。図６は実施の形態１に係る表示部１４に表示されるゼロクロス点強調波形を示す図である。図７は実施の形態１に係る受信部１２にて受信される高周波の電気信号の波形を示す図である。図８は実施の形態１に係る受信部１２にて受信される低周波の電気信号の波形を示す図である。図９は実施の形態１に係る受信部１２にて受信される低周波の電気信号に対してのゼロクロス点強調波形を示す図である。図１０は実施の形態１に係る超音波測定システムの他の構成を示す図である。図１１は実施の形態１に係る超音波測定システムの他の構成を示す図である。

図１において、超音波測定システムは、超音波測定装置１００と送信用探触子２と受信用探触子３とを備える。送信用探触子２及び受信用探触子３はそれぞれ超音波測定装置１００に接続されるとともに、コンクリート等の試験体である被測定物１上に設けられる。

送信用探触子２は、超音波測定装置１００から送信される電気信号（第１の電気信号）により駆動され超音波を出力（送信）し、被測定物１中を伝搬させる。受信用探触子３は、被測定物１中を伝搬する超音波を受信し、電気信号（第２の電気信号）に変換して超音波測定装置１００に送信する。

被測定物１中の超音波の伝搬経路は、図１に示すように様々であり、被測定物１の底面で反射され受信用探触子３に到達する経路もあれば、被測定物１の表面を伝搬して受信用探触子３に到達する経路もある。なお、図１では送信用探触子２及び受信用探触子３は被測定物１の同一面上に設けられているが、必ずしも同一面上でなくてもよく、例えば受信用探触子３を送信用探触子２の反対側に設けて透過法による測定を行ってもよい。

超音波測定装置１００は、送信部１１と、受信部１２と、波形生成部１３と、表示部１４とを備える。なお、図１には図示しないが、超音波測定装置１００内には、各部の動作のタイミング等を制御する制御部が備えられており、制御部から出力される制御信号により各部は制御される。

送信部１１は、送信用探触子２に接続され、送信用探触子２を駆動して超音波を発生させるための電気信号を送信用探触子２に送信する。

受信部１２は、受信用探触子３及び波形生成部１３に接続され、受信用探触子３から送信される電気信号を受信する。

波形生成部１３は、受信した電気信号の振幅がゼロとなるタイミングであるゼロクロス点を求め、求めたゼロクロス点付近をスパイク状として強調させた電気信号の波形（ゼロクロス点強調波形）を生成し、表示部１４に出力する。なお、ゼロクロス点については、例えば所定の閾値を超えたタイミングをゼロクロス点としてもよいし、コンパレータを用いてゼロクロス点を求めるようにしてもよい。ここで、ゼロクロス点付近とは、ゼロクロス点を含む微小範囲であり、少なくとも作業者がゼロクロス点を判別できる程度であればよい。なお、ゼロクロス点付近には、微小範囲でなくゼロクロス点のみの場合も含まれる。ゼロクロス点付近を強調したスパイク状の電気信号の波形の生成方法の詳細については後述する。

また、波形生成部１３は、図２に示すように、飽和部（飽和器）１５と微分部（微分器）１６とを備える。飽和部１５は、入力された電気信号を飽和させる処理を行い、飽和処理を行った電気信号（飽和信号）を微分部１６に出力する。つまり、飽和部１５は、入力された電気信号の振幅が所定の閾値を超える場合にその振幅が閾値を超えないよう制御する。

微分部１６は、飽和部１５から出力された飽和信号を微分することによりゼロクロス点強調波形を生成する。

表示部１４は、例えば液晶モニタ等により実現され、微分部１６から出力されるゼロクロス点強調波形を表示する。

次に、図１乃至図６を用いて本発明の実施の形態１の動作について説明する。

図３に示すように、まず、送信部１１が駆動用の電気信号を送信用探触子２に送信し、送信用探触子２が被測定物１中に超音波を伝搬させる（ステップＳ１）。

被測定物１中を伝搬した超音波が受信用探触子３に受信されると、受信用探触子３は、超音波を電気信号に変換し、変換した電気信号を受信部１２に送信する（ステップＳ２）。ここで、受信部１２に送信される電気信号の波形は、図４に示す波形であるとして以下説明を行う。なお、図４の電気信号の波形において、横軸は時間（μｓ）、縦軸は振幅（Ｌｉｎｅａｒ）としているが、必ずしもこれに限定されるものではない。なお、受信部１２にて受信される電気信号の周波数は、一般的には探触子の特性に起因する。つまり、探触子を変更することにより、受信される電気信号の周波数は異なるものとなる。

波形生成部１３の飽和部１５は、受信部１２からの電気信号を受信すると、その電気信号に対して飽和処理を行って飽和信号を生成し、微分部１６に出力する（ステップＳ３）。飽和処理が行われた飽和信号の波形は、図５に示すような波形となる。図５からわかるように、電気信号に対し飽和処理が行われると、振幅の絶対値が小さい領域を拡大したような波形となる。

微分部１６は、飽和部１５にから飽和信号が入力されると、飽和信号に対して微分処理を行い、ゼロクロス点強調波形を生成する（ステップＳ４）。微分処理が行われた飽和信号の波形は、図６に示すような波形となる。図６からわかるように、飽和信号に対し微分処理が行われると、振幅の絶対値が大きい場合には微分値はゼロとなり、振幅の絶対値が小さい場合にはスパイク状の波形となる。つまり、電気信号に対し飽和処理を行い、その後に微分処理を行うと、もとの電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状として強調させた波形が生成される。

表示部１４は、微分部１６により生成されたゼロクロス点強調波形を表示する（ステップＳ５）。

作業者は、表示部１４に表示されたゼロクロス点強調波形を見て、測定したい対象や条件に応じて、所定のゼロクロス点を超音波の伝搬遅延時間として決定する。図６に示す波形においては、複数の時刻において信号がスパイク状となっている。作業者は、図６に示す波形を見ることにより、例えば、被測定物１の表面を伝搬してきた超音波の伝搬遅延時間は約５０μｓであり、被測定物１の底面で反射された超音波の伝搬遅延時間は約７８μｓであるとわかる。

以上のように、本発明の実施の形態１によれば、受信用探触子２から送信された電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状として強調させた波形を超音波測定装置の表示部１４に表示するので、作業現場の作業者は、表示された波形を見るだけで容易に所望の超音波の伝搬遅延時間を求めることが可能となり、作業効率を向上させることが可能となる。

また、波形整形部１３にて電気信号のゼロクロス点をスパイク状に強調させる処理を行うので、受信部１２にて受信された電気信号の周波数が低い場合であっても、作業者は表示された波形を見るだけで容易に伝搬遅延時間を求めることが可能となる。例えば図７に示すように受信部１２にて受信された電気信号が高周波（例えば数ＭＨｚ）の場合、作業者は、受信された電気信号がゼロクロス点を強調するようスパイク状に処理されていなくても、表示された波形を見るだけで超音波の伝搬遅延時間を求めることは可能である。

しかしながら、例えば図８に示すように受信部１２にて受信された電気信号が低周波（例えば数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ）の場合、作業者は、受信された電気信号がゼロクロス点を強調するようスパイク状に処理されていなければ、表示された波形を見ただけでは超音波の伝搬遅延時間を求めることは困難である。このような低周波の電気信号に対してゼロクロス点付近をスパイク状に強調させる処理を行うと、図９に示すような波形が表示されることになるので、作業者はゼロクロス点を容易に把握することができ、所望の超音波の伝搬遅延時間を求めることができる。

そのため、高周波を大きく減衰させるコンクリート、木材等の減衰材においても、作業者は、低周波特性を持つ探触子を用いて測定を行い、表示されるゼロクロス点強調波形を見るだけで超音波の伝搬遅延時間を求めることができるようになる。なお、波形生成部１３は、受信部１２で受信された電気信号の周波数を検出する周波数検出部をさらに備え、その検出した周波数が予め設定した所定の周波数以下の場合にのみゼロクロス点強調波形を生成するようにしてもよい。そうすることにより、受信した電気信号の周波数が低くそのまま波形を表示しただけでは作業者が伝搬遅延時間を把握できない場合のみゼロクロス点強調波形を生成して表示するので、無駄な処理を省くことができ、消費電力を低減させることが可能となる。

なお、これまで、飽和部１５にて飽和処理した飽和信号を、微分部１６にて微分処理することによりゼロクロス点強調波形を生成する方法について説明したが、必ずしもこの方法に限定されず、ゼロクロス点強調波形を求められればどのような方法であってもよい。例えば、波形生成部１３の内部に設けられたソフトウエアを用いてゼロクロス点強調波形を生成してもよいし、超音波測定装置内に設けたメモリにソフトウエアを記憶し、ＣＰＵを用いることによりゼロクロス点強調波形を求めることとしてもよい。

なお、超音波測定システムにおける超音波測定装置１００は、図１０に示すように、受信部１２の前段に、増幅部（増幅器）１７及び減衰部（減衰器）１８を備えていてもよい。増幅部１７は受信部１２から入力された電気信号の出力レベルを増幅する。減衰部１８は、増幅器１７により増幅された電気信号の出力レベルを減衰し、適切な出力レベルに調整する。このような構成にすることにより、受信用探触子３から送信される電気信号の出力レベルが小さいためにゼロクロス点強調波形が適切に表示できないということを回避できる。

なお、超音波測定システムにおける探触子は、図１１に示すように、超音波の送受信を兼用する送受信用探触子４であってもよい。この場合送受信用探触子４は超音波測定装置１００の送信部１１及び受信部１２の両方と接続される。その他の構成の機能、動作はこれまで説明したものと同様であるため説明を省略する。図１１に示す構成においても、図１０の超音波測定装置１００と同様に、受信部１２の前段に増幅部１７及び減衰部１８が備えられていてもよい。

実施の形態２．
以下図面を用いて本発明の実施の形態２について説明する。図１２は実施の形態２に係る超音波測定システムの構成を示す図である。図１３は実施の形態２に係る動作を示すフローチャートである。図１４は実施の形態２に係る算出処理部１９がゼロクロス点強調波形に対してゲート２０をかける様子を示す図である。図１５は実施の形態２に係る算出処理部１９が低周波の電気信号の波形に対してゲート２０をかける様子を示す図である。図１６は実施の形態２に係る算出処理部１９が高周波の電気信号の波形に対してゲート２０をかける様子を示す図である。

実施の形態２の超音波測定システムにおける超音波測定装置２００は、図１２に示すように、新たに算出処理部１９を備えている点において実施の形態１における超音波測定装置１００と異なる。なお、その他の構成については実施の形態１と同様であるので図１と同一の符号を付してその説明を省略する。

算出処理部１９は、波形生成部１３及び表示部１４と接続され、波形生成部１３からゼロクロス点付近をスパイク状にして強調した波形が入力される。算出処理部１９は、例えば作業者による操作に基づき、ゼロクロス点強調波形に対して所定の時間範囲を設定し（ゲートをかけ）、そのゲート内において電気信号の振幅が予め設定した閾値より大きい値をとる時刻を超音波の伝搬遅延時間として算出する。算出処理部１９は、算出した伝搬遅延時間を表示部１４に出力する。

次に、図１２及び図１３を用いて本発明の実施の形態２の動作について説明する。図１３に示すステップＳ０１からステップＳ０４までは、図２のステップＳ１からステップＳ４と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ０４においてゼロクロス点強調波形が生成されると、ゼロクロス点強調波形は算出処理部１４に入力される。算出処理部１４は、ゼロクロス点強調波形に対してゲートをかけ、伝搬遅延時間を算出する（ステップＳ０５）。算出処理部１４は、算出した伝搬遅延時間を表示部１４に出力する。

表示部１４は、波形生成部１３の微分部１６から入力されるゼロクロス点強調波形と、算出処理部１９から入力される伝搬遅延時間を表示する（ステップＳ０６）。表示部１４は、例えば図１４に示すように、表示画面の真ん中に大きくゼロクロス点強調波形を表示するとともに、表示画面の左上に伝搬遅延時間を「○○μｓ」と表示する。

以上のように、本発明の実施の形態２によれば、波形生成部１３にて生成されたゼロクロス点強調波形と、算出処理部１９にて算出された伝搬遅延時間とが表示部１４に表示されるので、現場の作業者は、表示された波形を見るだけで所望の超音波の伝搬遅延時間を求めることができ、さらに、超音波測定装置２００内部で算出された伝搬遅延時間を定量的に評価することもできるので、作業効率を向上させることが可能となり、また、作業者の読み取りミスを防止することも可能となる。

特に経験の浅い作業者にとっては、ゼロクロス点強調波形を見るだけでは適した伝搬遅延時間を求めることが難しい場合もあり、そのような場合においては、伝搬遅延時間が表示される本実施の形態は有効である。

また、算出処理部１９には、受信部１２にて受信した電気信号の波形ではなく、波形生成部１３で生成されたゼロクロス点強調波形が入力されるので、受信部１２にて受信された電気信号が例えば図８に示すような低周波の電気信号であっても伝搬遅延時間を精度良く算出することが可能となる。

仮に受信部１２にて受信された低周波の電気信号をそのまま算出処理部１９に出力する場合、図１５に示すように、分解能が低く、算出処理部１９は適切にゲート２０をかけることができない。しかしながら、本実施の形態においては、受信部１２にて受信された電気信号は波形生成部１３にてゼロクロス点強調波形となって算出処理部１９に出力されるので、算出処理部１９は、図１４に示すように、適切にゲート２０をかけ伝搬遅延時間を精度良く算出することが可能となる。

なお、受信部１２が受信する電気信号が高周波（例えば数ＭＨｚ）である場合は、波形生成部１３は電気信号からゼロクロス点強調波形を生成せずそのまま算出処理部１９に出力し、算出処理部１９が伝搬遅延時間を算出することとしてもよい。電気信号が高周波である場合は、図１６に示すように、分解能が高く、算出処理部１９がゲート２０を容易にかけられるからである。また、上述したように、波形生成部１３は、受信部１２が受信する電気信号の周波数を検出する周波数検出部を備え、この周波数検出部にて所定周波数以下と検出された場合にゼロクロス点強調波形を生成し、算出処理部１９に出力することとしてもよい。

なお、本実施の形態においても、図１０で示したように受信部１２の前段に増幅部１７及び減衰部１８が備えられていてもよく、また図１１で示したように、探触子を送受信用探触子４としてもよい。

１被測定物、２送信用探触子、３受信用探触子、４送受信用探触子、１１送信部、１２受信部、１３波形生成部、１４表示部、１５飽和部、１６微分部、１７増幅部、１８減衰部、１９算出処理部、１００超音波測定装置、２００超音波測定装置

Claims

第１の電気信号により駆動され超音波を送信する送信用探触子に対して前記第１の電気信号を送信する送信部と、
前記送信用探触子から送信され被測定物中を伝搬する前記超音波を受信して第２の電気信号に変換する受信用探触子から送信される前記第２の電気信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された前記第２の電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状として前記ゼロクロス点を強調する波形を生成する波形生成部と、
前記波形生成部により生成された前記波形の所定の時間範囲を設定し、前記時間範囲内において前記第２の電気信号の振幅が予め設定された閾値より大きい値をとる時刻を前記超音波の伝搬遅延時間として算出する算出処理部と、
前記波形生成部により生成された前記波形を表示するとともに、前記算出処理部により算出された前記伝搬遅延時間を表示する表示部とを備えることを特徴とする超音波測定装置。
前記波形生成部は、前記第２の電気信号を飽和させる処理を行う飽和部と、前記飽和部で飽和された前記第２の電気信号を微分することにより前記波形を生成する微分部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波測定装置。
前記送信用探触子と前記受信用探触子とは同一の探触子であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波測定装置。
前記受信部が受信する前記第２の電気信号の周波数は、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波測定装置。
第１の電気信号により駆動され超音波を被測定物中に送信し、前記被測定物中を伝搬する前記超音波を受信して第２の電気信号に変換する探触子と、前記第１の電気信号を送信して前記探触子を駆動するとともに前記探触子からの前記第２の電気信号を受信する超音波測定装置とを備える超音波測定システムであって、
前記超音波測定装置は、
受信される前記第２の電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状として前記ゼロクロス点を強調する波形を生成する波形生成部と、
前記波形生成部により生成された前記波形の所定の時間範囲を設定し、前記時間範囲内において前記第２の電気信号の振幅が予め設定された閾値より大きい値をとる時刻を前記超音波の伝搬遅延時間として算出する算出処理部と、
前記波形生成部により生成された前記波形を表示するとともに、前記算出処理部により算出された前記伝搬遅延時間を表示する表示部とを備えることを特徴とする超音波測定システム。
被測定物中を伝搬する超音波を受信して電気信号に変換する第１のステップと、
変換された前記電気信号のゼロクロス点付近をスパイク状にして強調する波形を生成する第２のステップと、
前記第２のステップで生成された前記波形の所定の時間範囲を設定し、前記時間範囲内において前記電気信号の振幅が予め設定された閾値より大きい値をとる時刻を前記超音波の伝搬遅延時間として算出し、前記伝搬遅延時間を表示する第３のステップとを有することを特徴とする超音波測定方法。