JP5861829B2

JP5861829B2 - 渦流探傷方法および装置

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Publication number: JP5861829B2
Application number: JP2012033827A
Authority: JP
Inventors: 明憲津田; 宏明畠中; 寛記河井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP2013170869A; US20140354274A1; EP2818856A1; CN104126117A; CA2866592A1; EP2818856B1; EP2818856A4; WO2013125462A1

Description

本発明は、渦流探傷方法および装置に係り、詳しくは磁気インピーダンス効果素子を用いた渦流探傷方法および装置に関する。

従来から、金属材料などの導電体を被検体として、被検体の内部や表面に存在するきずを検出するために磁気センサを用いた渦流探傷が行われている。このような渦流探傷に用いられる磁気センサには、フラックスゲートセンサ、巨大磁気抵抗センサ（ＧＭＲセンサ）、磁気インピーダンスセンサ（以下、ＭＩセンサという）等が挙げられる。この中でも、特にＭＩセンサは高感度であり、ＭＩセンサを用いて渦流探傷を行うことで被検体の表面に存在する微小なきずを検出することが可能となる。

ＭＩセンサとして、磁気インピーダンス効果素子が用いられる。この磁気インピーダンス効果素子として、例えばアモルファス磁性ワイヤが挙げられる。アモルファス磁性ワイヤに高周波の電流を流すと、このワイヤのインピーダンスは表皮効果により外部磁界によって変化する。このような現象を磁気インピーダンス効果といい、この効果を生じるアモルファス磁性ワイヤは磁気インピーダンス効果素子と呼ばれている。
このような磁気インピーダンス効果を生じるアモルファス磁性ワイヤを用いて、被検体の表面のきずを検査する方法が行われている（特許文献１参照）。

特開２００１−１８３３４７号公報

ところで、アモルファス磁性ワイヤを用いて渦流探傷を行う際、励磁コイルとアモルファス磁性ワイヤとにそれぞれ所定の周波数の電圧を印加するが、励磁コイルに印加される電圧の位相に対してアモルファス磁性ワイヤに印加される電圧の位相にずれが生じてしまうことがある。これは励磁コイルに印加される電圧の周波数及びアモルファス磁性ワイヤに印加される電圧の周波数に、それぞれ微小なずれが生じてしまうことがあるためである。このような位相のずれは、磁界の変化を測定する際にノイズとなって残ってしまうため、被検体の探傷精度が低下してしまう要因となり、好ましくない。

この点で上記特許文献１に開示されている技術は、励磁コイルの巻線方向と平行方向にアモルファス磁性ワイヤを配置して被検体表面のきずを検出するものであり、ノイズを低減するものではないため、依然として課題が残されている。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、渦流探傷により被検体に存在するきずを高精度に測定できる渦流探傷方法及び装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の渦流探傷方法は、被検体に渦電流を発生させる励磁コイルにコイル駆動手段が印加する励磁電圧の位相と、前記励磁コイルに生じる磁界の変化を検出する磁気インピーダンス効果素子に素子駆動手段が印加する、励磁電圧より高い周波数の駆動電圧の位相とを同期させる同期工程と、前記被検体に発生した渦電流により前記励磁コイルに生じる磁界の変化を、前記磁気インピーダンス効果素子で検出する磁界検出工程と、を備えることを特徴とする。

請求項２の渦流探傷方法では、請求項１において、前記同期工程は、前記コイル駆動手段から前記素子駆動手段にトリガ信号が入力されることにより行われ、前記トリガ信号が入力されると、前記素子駆動手段から前記駆動電圧がバースト波で出力されることを特徴とする。

請求項３の渦流探傷装置は、被検体に渦電流を発生させる励磁コイルと、前記励磁コイルの磁界の変化を検出する磁気インピーダンス効果素子と、前記励磁コイルに予め定められた周波数の励磁電圧を印加して前記励磁コイルを励磁するコイル駆動手段と、前記磁気インピーダンス効果素子に前記励磁コイルよりも高い周波数の駆動電圧を印加する素子駆動手段と、前記コイル駆動手段が印加する励磁電圧の位相と、前記素子駆動手段が印加する駆動電圧の位相とを同期させる同期手段と、を備えることを特徴とする。

請求項４の渦流探傷装置では、請求項３において、前記同期手段は、前記コイル駆動手段から前記素子駆動手段にトリガ信号が入力されると、前記素子駆動手段から駆動電圧をバースト波で出力させることを特徴とする。

請求項１の渦流探傷方法によれば、励磁コイルに励磁電圧を印加するタイミングと、磁気インピーダンス効果素子に電圧を印加するタイミングとを同期させるので、励磁電圧の位相における何れのタイミングに対する駆動電圧の位相のずれは生じなくなる。
従って、位相のずれから生じるノイズが低減されるので、被検体の表面に存在するきずをより精度よく検出することができる。

請求項３の渦流探傷装置によれば、励磁コイルに励磁電圧を印加するタイミングと、磁気インピーダンス効果素子に駆動電圧を印加するタイミングとを、予め定められた周期で同期させる。従って、請求項１と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る渦流探傷装置の概略構成図である。本発明に係る渦流探傷方法を示すフローチャートである。同期された励磁コイル駆動信号及びワイヤ駆動信号を示す信号波形である。（Ａ）は人工きずを形成した被検体の上面図、（Ｂ）は（Ａ）のIV-IV線に沿う断面図である。（Ａ）は本発明に係る探傷方法を行った探傷結果の一例を示す図であり、（Ｂ）は従来の探傷方法を行った探傷結果の一例を示す図である。（Ａ）は本発明に係る探傷方法を行った探傷結果の他の例を示す図であり、（Ｂ）は従来の探傷方法を行った探傷結果の他の例を示す図である。（Ａ）は本発明に係る探傷方法を行った探傷結果のさらに他の例を示す図であり、（Ｂ）は従来の探傷方法を行った探傷結果のさらに他の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る渦流探傷装置の概略構成図である。渦流探傷装置１は、励磁コイル２、アモルファス磁性ワイヤ（磁気インピーダンス効果素子）３、励磁コイル駆動信号発生器（コイル駆動手段）４、センサ回路５、検波回路６、及びパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという）７を備える。

励磁コイル２は渦巻き状のコイルであり、アモルファス磁性ワイヤ３は、励磁コイル２の中心側から径方向外側の端部に向かって配置される。このように構成された励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３は、探触子８として作用する。探触子８は被検体１０の検査面１１上に配置され、検査面１１を探触子８で検査する。なお、励磁コイル２は空心コイル等としてもよい。また、被検体１０は導電性の部材であり、例えば鉄、アルミニウム、チタン、ステンレスなどの金属体、導電性を有する炭素系部材、及び金属系構造物等が挙げられる。

励磁コイル駆動信号発生器４は、所定の信号周波数、即ち所定の周波数の電圧を励磁コイル２に印加するものである。励磁コイル駆動信号発生器４によって励磁された励磁コイル２を被検体１０の検査面１１に近接することにより、検査面１１に渦電流を発生させる。
センサ回路５はワイヤ駆動信号発生器（素子駆動手段）５１と、応答信号抽出回路５２とを含んで構成される。ワイヤ駆動信号発生器５１は所定の信号周波数、即ち所定の周波数の電圧をアモルファス磁性ワイヤ３に印加する。応答信号抽出回路５２は、アモルファス磁性ワイヤ３のインピーダンス変化に応じた電圧を出力する回路である。

検波回路６は、励磁コイル駆動信号発生器４の電圧を参照信号とし、応答信号抽出回路５２で抽出された電圧、即ちアモルファス磁性ワイヤ３の応答信号を同期検波し、振幅および位相情報を出力する回路である。
ＰＣ７は演算装置７１及びモニタ装置７２を備えている。演算装置７１では、検波回路６から入力された信号を処理して、表面きずに係る信号をノイズ信号と判別しやすくしてモニタ装置７２に表示する。

アモルファス磁性ワイヤ３に印加される電圧の周波数は、励磁コイル２に印加される電圧の周波数よりも高い周波数である。被検体１０の検査面１１にあるきず等の欠陥を検出するために、アモルファス磁性ワイヤ３に印加する電圧の周波数を高くするのが好ましい。詳しくは、励磁コイル駆動信号発生器４が励磁コイル２に印加する電圧の周波数範囲は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、ワイヤ駆動信号発生器５２がアモルファス磁性ワイヤ３に印加する電圧の周波数範囲は１０ＭＨｚ以上とするのが好ましい。励磁コイル２に印加される電圧の周波数及びアモルファス磁性ワイヤ３に印加される電圧の周波数は、検出するきずの大きさに応じてそれぞれ選択される。

励磁コイル駆動信号発生器４は、ワイヤ駆動信号発生器５１に接続されている。このように接続されることで、後述するように励磁コイル駆動信号発生器４からワイヤ駆動信号発生器５１にトリガ信号を入力することが可能となる。

本発明の渦流探傷装置１における被検体１０の検査は、励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３にそれぞれ所定の周波数の電圧を印加し、探触子８を被検体１０に近接させて励磁コイル２を励磁させながら被検体１０に沿って探触子８を移動させていくことにより行われる。

このように構成された渦流探傷装置１を用いて、被検体１０の検査面１１を検査する渦流探傷方法について説明する。図２には検査面１１の渦流探傷方法のフローチャートを示しており、以下、同フローチャートに基づいて説明する。なお、励磁コイル駆動信号発生器４が印加する電圧の周波数及びワイヤ駆動信号発生器５１が印加する電圧の周波数は、それぞれ予め設定されているものとする。

ステップＳ１では、励磁コイル駆動信号発生器４に、ワイヤ駆動信号発生器５１に入力するトリガ信号の発生タイミングを設定する。トリガ信号の発生タイミングは、励磁コイル駆動信号発生器４の周波数に合わせて設定される。本実施形態では、励磁コイル駆動信号発生器４に設定された周波数の１周期毎にトリガ信号を発生するように設定される。

ステップＳ２では、バースト波の波数をワイヤ駆動信号発生器５１に設定する。バースト波とは、正弦波、方形波、ランプ波形、パルス波形等を、所定の周期で指定された時間（即ち波数）だけ持続する波形信号のことである。当該ステップで設定するバースト波の波数は、励磁コイル２に印加される電圧の周波数の１周期において、励磁コイル２に印加される電圧の周波数とアモルファス磁性ワイヤ３に印加される電圧の周波数との比以下であり、且つ多くなるように設定することが好ましい。例えば、アモルファス磁性ワイヤ３に印加される電圧の周波数が１５ＭＨｚ、励磁コイル２に印加される電圧の周波数が１ＭＨｚである場合には、バースト波の波数を１０波以上とするのが好ましい。バースト波の波数を多くすることで、アモルファス磁性ワイヤ３からの応答信号を検波回路６で処理することが可能となる。一方、１周期での波数が少ないと、アモルファス磁性ワイヤ３からの応答信号を検波回路６で処理することが困難となることがあるため、好ましくない。

ステップＳ３では、励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３をそれぞれ駆動し、励磁コイル駆動信号発生器４から励磁コイル２に印加される電圧の位相が上記ステップＳ１で設定された発生タイミングになると、励磁コイル駆動信号発生器４からワイヤ駆動信号発生器５１にトリガ信号が入力される（同期工程）。

ステップＳ４では、ワイヤ駆動信号発生器５１にトリガ信号が入力されると、ワイヤ駆動信号発生器５１からアモルファス磁性ワイヤ３に予め設定された周波数でバースト波を印加する（同期工程）。

詳しくは、図３に励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３にそれぞれ印加された電圧の波形を示す。図３に示すように、励磁コイル駆動電圧が位置Ｐを通過した時点でトリガ信号が発生し、位置Ｐから時間ｔ経過後にワイヤ駆動電圧のバースト波が出力されている。なお、時間ｔは予め定められた一定の時間である。また、時間ｔはなくてもよく、ワイヤ駆動信号発生器５１にトリガ信号が入力されると、ワイヤ駆動電圧のバースト波を出力するようにしてもよい。

ステップＳ５では、アモルファス磁性ワイヤ３におけるインピーダンス変化を応答信号抽出回路５２を介して検波回路で検出する（磁界検出工程）。

このように、本実施形態では、予め定められたタイミングで励磁コイル駆動信号発生器４からワイヤ駆動信号発生器５１へトリガ信号を入力し、ワイヤ駆動信号発生器５１は当該トリガ信号が入力されるとアモルファス磁性ワイヤ３へ予め定められた周波数で電圧を印加する。

これにより、励磁コイル２に印加される電圧の周波数の位相と、アモルファス磁性ワイヤ３に印加される電圧の周波数の位相とは同期の取れた状態になり、位相のずれに基づくノイズを低減することができるので、探傷精度をより向上させることができる。従って、被検体１０の検査面１１に存在する１ｍｍ以下の微小なきずも、より精度よく検出することが可能となる。

また、励磁コイル駆動信号発生器４からワイヤ駆動信号発生器５１へトリガ信号が入力されると、ワイヤ駆動信号発生器５１から電圧をバースト波としてアモルファス磁性ワイヤ３に印加する。これにより、励磁コイル２に印加される電圧の周波数の位相と、アモルファス磁性ワイヤ３に印加される電圧のバースト波における位相とが常に同期の取れた状態になる。従って、これらの周波数の位相のずれによるノイズを低減することができ、検査面１１に存在するきずをより精度よく検出することができる。

なお、上述した本実施形態では、磁気インピーダンス効果素子としてアモルファス磁性ワイヤを用いているが、アモルファス磁性リボン等を用いるようにしてもよい。

以下、本発明について実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本発明に係る渦流探傷装置１及び上述した渦流探傷方法を用い、被検体１０にチタン材を用いて表面きずの検出を行った。

図４（Ａ）は、以下に説明する各実施例で用いた被検体１０の上面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のIV-IV線に沿う断面図である。本実施例で用いたチタン材には人工きず１２が形成されており、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように人工きず１２はきず長さＬ、きず幅Ｗ、きず深さＤで形成されている。このきず長さＬ、きず幅Ｗ、及びきず深さＤをそれぞれ変えて、図４（Ａ）に示す矢印の向きに探触子８を移動させながら、上述した渦流探傷方法で渦流探傷を行った。なお、本実施例では、長さ２ｍｍ、２０μｍ径のアモルファス磁性ワイヤを利用した。また、以下に示す各実施例では、比較例として従来行っていた励磁コイル２に印加する信号周波数の位相とアモルファス磁性ワイヤ３に印加する信号周波数の位相とを同期せずに渦流探傷を行った場合についても示す。

＜実施例１＞
人工きず１２のきず長さＬ：０．６mm、きず幅Ｗ：０．０８mm、きず深さＤ：０．３mmが形成されたチタン材に、励磁コイル駆動電圧の周波数を１ＭＨｚ、ワイヤ駆動電圧の周波数を１５ＭＨｚに設定し、励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３にそれぞれ信号周波数を印加してインピーダンスの変化を測定した。結果を図５（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。

図５（Ａ）は、本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行った場合の結果を示す図であり、図５（Ｂ）は、比較例として励磁コイル２に印加する電圧の周波数の位相とアモルファス磁性ワイヤ３に印加する電圧の周波数の位相とを同期せずに渦流探傷を行った場合の結果を示す図である。図５（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す範囲Ｓは、チタン材に形成された人工きず１２を探触子８が通過した際の電圧変化の範囲を示している。

図５（Ａ）の本発明に係る渦流探傷方法の結果は、図５（Ｂ）に示す従来の渦流探傷方法に比べてノイズが大幅に低減されていることが判る。また、図５（Ａ）に示す本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行った場合のＳ／Ｎ比は６．８であった。一方、図５（Ｂ）に示す従来の探傷方法で渦流探傷を行った場合のＳ／Ｎ比は２．６であった。このように、図５（Ａ）に示す本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行うと、従来の探傷方法と比べて全体的にノイズを低減することができ、微小なきずでも精度よく検出可能であることが判る。

＜実施例２＞
人工きず１２のきず長さＬ：０．６mm、きず幅Ｗ：０．０８mm、きず深さＤ：０．３mmが形成されたチタン材に、励磁コイル駆動電圧の周波数を２ＭＨｚ、ワイヤ駆動電圧の周波数を２５ＭＨｚに設定し、励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３にそれぞれ電圧を印加してインピーダンスの変化を測定した。結果を図６（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。

図６（Ａ）は、本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行った場合の結果を示す図であり、図６（Ｂ）は、比較例として励磁コイル２に印加する電圧の周波数の位相とアモルファス磁性ワイヤ３に印加する電圧の周波数の位相とを同期せずに渦流探傷を行った場合の結果を示す図である。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す範囲Ｓは、上記実施例１と同様である。

図６（Ａ）に示すように、本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行った場合のＳ／Ｎ比は３．４であった。一方、図６（Ｂ）に示す従来の探傷方法で渦流探傷を行った場合のＳ／Ｎ比は１．９であった。このように、上記実施例１と同様の効果を得られることが確認できた。

＜実施例３＞
人工きず１２のきず長さＬ：３．０mm、きず幅Ｗ：０．３mm、きず深さＤ：０．８mmが形成されたチタン材に、励磁コイル駆動電圧の周波数を１００ｋＨｚ、ワイヤ駆動電圧の周波数を２５ＭＨｚに設定し、励磁コイル２及びアモルファス磁性ワイヤ３にそれぞれ電圧を印加してインピーダンスの変化を測定した。結果を図７（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。

図７（Ａ）は、本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行った場合の結果を示す図であり、図７（Ｂ）は、比較例として励磁コイル２に印加する電圧の周波数の位相とアモルファス磁性ワイヤ３に印加する電圧の周波数の位相とを同期せずに渦流探傷を行った場合の結果を示す図である。なお、図７（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す範囲Ｓは、上記実施例１と同様である。

図７（Ａ）に示すように、本発明に係る渦流探傷方法で渦流探傷を行った場合のＳ／Ｎ比は１３．４であった。一方、図７（Ｂ）に示す従来の探傷方法で渦流探傷を行った場合のＳ／Ｎ比は９．８であった。本実施例のように、励磁コイル２に印加する電圧の周波数が低い場合でも、上記実施例１と同様の効果を得られることが確認できた。

以上から、本実施形態の渦流探傷装置１及び渦流探傷方法で利用する周波数として、励磁コイル２に印加する電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、アモルファス磁性ワイヤ３に印加する電圧の周波数は１０ＭＨｚ以上とすることで、被検体１０の検査面１１に存在するきずを精度よく検出することができるという結果を得ることができた。
励磁コイル２については、上記から電圧の周波数を１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚから選択することで良好な結果を得ることができているので、励磁コイル２の電圧の周波数を１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚから選択するようにしても同様の効果を得ることができる。

１渦流探傷装置
２励磁コイル
３アモルファス磁性ワイヤ（磁気インピーダンス効果素子）
４励磁コイル駆動信号発生器（コイル駆動手段）
５センサ回路
６検波回路
１０被検体
５１ワイヤ駆動信号発生器（素子駆動手段）
５２応答信号抽出回路

Claims

被検体に渦電流を発生させる励磁コイルにコイル駆動手段が印加する励磁電圧の位相と、前記励磁コイルに生じる磁界の変化を検出する磁気インピーダンス効果素子に素子駆動手段が印加する、励磁電圧より高い周波数の駆動電圧の位相とを同期させる同期工程と、
前記被検体に発生した渦電流により前記励磁コイルに生じる磁界の変化を、前記磁気インピーダンス効果素子で検出する磁界検出工程と、
を備えることを特徴とする渦流探傷方法。
前記同期工程は、前記コイル駆動手段から前記素子駆動手段にトリガ信号が入力されることにより行われ、
前記トリガ信号が入力されると、前記素子駆動手段から前記駆動電圧がバースト波で出力されることを特徴とする請求項１に記載の渦流探傷方法。
被検体に渦電流を発生させる励磁コイルと、
前記励磁コイルの磁界の変化を検出する磁気インピーダンス効果素子と、
前記励磁コイルに予め定められた周波数の励磁電圧を印加して前記励磁コイルを励磁するコイル駆動手段と、
前記磁気インピーダンス効果素子に前記励磁コイルよりも高い周波数の駆動電圧を印加する素子駆動手段と、
前記コイル駆動手段が印加する励磁電圧の位相と、前記素子駆動手段が印加する駆動電圧の位相とを同期させる同期手段と、
を備えることを特徴とする渦流探傷装置。
前記同期手段は、前記コイル駆動手段から前記素子駆動手段にトリガ信号が入力されると、前記素子駆動手段から駆動電圧をバースト波で出力させることを特徴とする請求項３に記載の渦流探傷装置。