JP6624099B2 - 磁気計測方法及び磁気計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は、交流信号によって被検体を励磁するのに伴い被検体の近傍に発生する誘導電流又は磁場を2次側交流信号として検出する磁気計測方法及び磁気計測装置に関する。
鋼板や鋼材に存在する疵や内部の介在物等の異物を検査する方法、あるいは材料の磁気特性を測定する方法として、渦流探傷法あるいは漏洩磁束探傷法が知られている。なお、透磁率等の磁気特性の測定は探傷ではないが、当業者の呼称上の習慣より以下でも「探傷」と呼ぶこととする。
渦流探傷法は、被検体に誘導した渦電流が、被検体の表面に存在する疵や表面近くの内部に存在する介在物等の異物、あるいは導電率や透磁率等の電気磁気特性の不均一さに起因して乱れる現象を、被検体近傍に誘導用コイルとは別の検出用コイルを設置して検出するか、誘導用コイル自身の特性変化として検出する。換言すれば、渦流探傷法は、誘導用コイルと検出用コイルが別の場合は相互誘導現象を利用し、誘導用コイルと検出用コイルが同一の場合には自己誘導現象を利用する。
これに対して、漏洩磁束探傷法は、被検体が磁性体である場合、被検体に磁界を作用させて磁化(励磁)させた際に被検体の表面に存在する疵や表面近くの内部に存在する介在物等の異物、あるいは透磁率等の電気磁気特性の不均一さに起因して被検体表面に漏洩する磁束の量が変化することを利用して探傷する。この漏洩磁束探傷法では、従来は直流励磁が多用されていたが、近年では測定感度や応答速度を高めるために交流励磁や直流励磁と交流励磁とを併用した方法が用いられるようになってきている。
このような渦流探傷法や交流漏洩磁束探傷法で検出される信号は、既知の誘導又は励磁(以下ではこれらをまとめて「励起」と呼ぶ)周波数を有する交流信号(2次側交流信号)であり、その振幅や位相に疵の有無や材料の磁気特性等の情報が含まれているために、2次側交流信号の高精度な解析が必要になる。このため、公知の方法として、励起信号を参照信号とする直交検波であり、参照信号と、参照信号の位相を90度進めた信号を生成する位相器と、これら2つの信号に2次側交流信号を乗算する2つの乗算器と、乗算値の二乗和と商から2次側交流信号の振幅及び位相を算出する演算器と、を備える装置が提案されている。
また、以上の機能をまとめてロックインアンプとして市販されているものもあり、多くの先行発明では、ロックインアンプやそれと等価な位相検波装置を利用するものが提案されている(特許文献1〜3参照)。さらに、特許文献4には、直流磁場とそれと直交する成分を含む交流磁場とを同時に鋼板に印加して鋼板の内部エネルギーの大きさに比例する検出信号を測定し、その測定値に基づいて鋼板の結晶方位を算出する発明が記載されている。また、特許文献4には、検出信号の振幅の測定方法として、検出信号の実効値処理があると記載されている。
特許第4736811号公報 特許第5293755号公報 特開2013−160739号公報 特開2013−185902号公報
しかしながら、特許文献1〜3記載の方法では、2次側交流信号の振幅を検出するために、直交検波回路又はロックインアンプが必要であり、また2次側交流信号に加えて参照信号についても配線を行う必要があることから、コストが増大する。また、参照信号にノイズが混入した場合には、2次側交流信号の振幅の検出精度を確保することができない。一方、特許文献4に記載の方法によれば、検出信号にノイズやグラウンド(ゼロ点)ドリフトが発生した場合、検出信号の振幅の検出精度に影響が生じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、装置や配線のコストを増大させることなく、且つ、ノイズやグラウンドドリフトの影響を受けることなく、2次側交流信号の振幅を精度よく検出可能な磁気計測方法及び磁気計測装置を提供することにある。
本発明に係る磁気計測方法は、交流信号によって被検体を励起するのに伴い該被検体の近傍に発生する誘導電流又は磁場を2次側交流信号として検出する磁気計測方法であって、前記2次側交流信号から該2次側交流信号の周波数と同一の周波数を有し、且つ、該2次側交流信号の位相に対して90度位相が異なる波形信号を生成し、前記2次側交流信号と前記波形信号とを用いて前記2次側交流信号の振幅を算出する振幅算出ステップを含むことを特徴とする。
本発明に係る磁気計測方法は、上記発明において、前記振幅算出ステップは、前記2次側交流信号をヒルベルト変換することによって前記波形信号を生成するステップを含むことを特徴とする。
本発明に係る磁気計測方法は、上記発明において、前記振幅算出ステップは、周波数解析を実行することによって前記2次側交流信号の振幅が最大となる周波数成分を抽出し、前記2次側交流信号から前記周波数成分のみを取り出した信号をノイズ除去信号として生成し、ノイズ除去信号と前記波形信号とを用いて前記2次側交流信号の振幅を算出するステップを含むことを特徴とする
本発明に係る磁気計測装置は、交流信号によって被検体を励起するのに伴い該被検体の近傍に発生する誘導電流又は磁場を2次側交流信号として検出する磁気計測装置であって、前記2次側交流信号から該2次側交流信号の周波数と同一の周波数を有し、且つ、該2次側交流信号の位相に対して90度位相が異なる波形信号を生成し、前記2次側交流信号と前記波形信号とを用いて前記2次側交流信号の振幅を算出する振幅算出手段を備えることを特徴とする。
本発明に係る磁気計測方法及び磁気計測装置によれば、装置や配線のコストを増大させることなく、且つ、ノイズやグラウンドドリフトの影響を受けることなく、2次側交流信号の振幅を精度よく検出することができる。
図1は、本発明の一実施形態である磁気計測装置の構成を示すブロック図である。 図2は、従来の磁気計測装置の構成を示すブロック図である。 図3は、本発明の一実施形態である振幅解析処理の流れを示すフローチャートである。 図4は、従来及び本発明の振幅解析処理によって算出された振幅の誤差の平均値の一例を示す図である。 図5は、従来及び本発明の振幅解析処理によって算出された振幅の誤差のばらつきの一例を示す図である。 図6は、2次側交流信号、ノイズを含まない2次側交流信号(復元信号)、及びノイズの一例を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である磁気計測装置の構成及び動作について説明する。
図1は、本発明の一実施形態である磁気計測装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、本発明の一実施形態である磁気計測装置1は、渦流探傷法を利用して、鋼板Sに存在する疵や内部の介在物等の異物の検査、又は、鋼板Sの磁気特性の測定を行う装置であり、励起信号発生装置2、励起コイル3、検出センサ4、増幅器5、及び解析回路6を主な構成要素として備えている。なお、本実施形態では、渦流探傷法を利用して検査又は測定を行うこととしたが、励起コイル3を交流磁化器に置き換え、漏洩磁束探傷法を利用して検査又は測定を行うこととしてもよい。
励起信号発生装置2は、所定の励起周波数fを有する正弦波信号を励起信号として励起コイル3に出力する装置である。
励起コイル3は、励起信号発生装置2から出力された励起信号により処理対象の鋼板Sを励起する装置である。
検出センサ4は、励磁コイル3により励起されるのに伴い鋼板Sの近傍に発生する誘導電流又は磁場を検出し、検出された誘導電流又は磁場を増幅器5に出力する装置である。
増幅器5は、検出センサ4によって検出された誘導電流又は磁場を適切な振幅を有する信号に増幅し、増幅された信号を2次側交流信号として解析回路6に出力する装置である。
解析回路6は、増幅器5から出力された2次側交流信号から鋼板Sの異物や磁気特性に関する情報を抽出する。
このような構成を有する磁気計測装置1は、以下に示す振幅解析処理を実行することによって、装置や配線のコストを増大させることなく、且つ、ノイズやゼロ点ドリフトの影響を受けることなく、2次側交流信号の振幅を精度よく検出することにより、鋼板Sの異物や磁気特性に関する情報を精度よく抽出する。以下、この振幅解析処理を実行する際の磁気計測装置1の動作について説明する。
〔振幅解析処理〕
一般に、増幅器5が出力する2次側交流信号x(t)は、以下の数式(1)に示すように、励起周波数fの正弦波信号Asin(2πft+ψ)に対してノイズ信号n(t)や測定回路のグラウンドドリフト信号dが重畳した信号になっている。この数式(1)に示す2次側交流信号x(t)から鋼板の異物や磁気特性に関する情報を含む振幅Aをノイズ信号n(t)やグラウンドドリフト信号dの影響を受けずに精度よく検出することが本発明の目的である。
Figure 0006624099
ここで、従来技術である直交検波においては、図2に示すように、励起信号発生装置11が発生した励起信号と直交検波回路15を用いて励起信号の位相を90度進めた信号とに対して増幅器14から出力された2次側交流信号x(t)を乗算する。すなわち、以下の数式(2),(3)に示す信号p(t),q(t)を得る。そして、数式(2),(3)に示す信号p(t),q(t)の第1項に三角関数の積和の公式を適用することによって以下に示す数式(4),(5)を得る。
Figure 0006624099
Figure 0006624099
Figure 0006624099
Figure 0006624099
ここで、数式(4),(5)に示す信号p(t),q(t)を励起周波数fの逆数に比べて大きな時間長で平均すると、sin及びcosが掛かった項は全て0になる。このため、数式(4),(5)に示す信号p(t),q(t)の平均値をそれぞれpav,qavとすると、2次側交流信号x(t)の振幅Aは以下に示す数式(6)により求められ、2次側交流信号x(t)の振幅Aを正確に検出することができる。しかしながら、この場合、2次側交流信号x(t)を検出する検出センサ毎にこれらの回路を設置する必要があり、コストが増加する。
Figure 0006624099
一方、別の従来技術では、以下に示す数式(7)を用いた実効値演算処理によって2次側交流信号x(t)の振幅a(t)を算出している。しかしながら、数式(7)の右辺の第2項は、演算処理の時間長を励起周波数fの逆数に比べて大きくとるとゼロになるが、数式(7)の右辺の第3項は、演算処理の時間長を励起周波数fの逆数に比べて大きくとってもゼロにならない。このため、振幅a(t)の演算結果にノイズ信号n(t)やグラウンドドリフト信号dに起因するバイアスが残存してしまう。
Figure 0006624099
そこで、本発明では、以下に示すようにして2次側交流信号x(t)の振幅Aを算出する。いま2次側交流信号x(t)にノイズ信号n(t)やグラウンドドリフト信号dが重畳している場合、2次側交流信号は以下に示す数式(8)のように表される。そして、数式(8)に示す2次側交流信号x(t)は、ヒルベルト変換によって位相が90度進んだ信号y(t)に変換することができる。ここで、ヒルベルト変換とは、位相を90度遅らせる変換としてよく知られている変換であり、その詳細は例えばOppenheim, Schafer. “Digital signal processing”, chapter7, Prentice-Hallに記載されている。
Figure 0006624099
従って、2次側交流信号x(t)にノイズ波形信号n(t)やグラウンドドリフトdが重畳していない場合には、以下に示す数式(9)を用いた簡単な演算により2次側交流信号x(t)の振幅A(t)を算出することができる。
Figure 0006624099
また、2次側交流信号x(t)にノイズ信号n(t)やグラウンドドリフト信号dが重畳している場合であっても、2次側交流信号x(t)が単一の周波数で励起されていることから、周波数解析によって2次側交流信号x(t)の振幅が最大となる周波数成分のみを取り出したノイズ除去信号を用いて同様に解析を行うことによって、ノイズ信号n(t)やグラウンドドリフト信号dの影響を除去することができる。
以上説明した本発明の一実施形態である振幅解析処理のフローをまとまると図3に示すようになる。すなわち、図3に示すように、本発明の一実施形態である振幅解析処理では、まず、2次側交流信号x(t)を検出し(ステップST1)、2次側交流信号x(t)に対して周波数解析を実行することにより(ステップST2)、2次側交流信号x(t)の振幅が最大となる周波数成分(ピーク成分)を検知する(ステップST3)。そして、2次側交流信号x(t)から検出されたピーク成分以外を除去したノイズ除去信号x(t)を求め(ステップST4)、ノイズ除去信号x(t)に対してヒルベルト変換を施すことによって位相が90度進んだ波形信号y(t)を算出する(ステップST5)。そして、数式(9)を用いてノイズ除去信号x(t)と波形信号y(t)との二乗和を2次側交流信号x(t)の振幅A(t)として算出する(ステップST6)。
ここで、本発明の一実施形態である振幅解析処理の効果を比較するため、現場で得られる2次側交流信号を模擬した正弦波信号に人為的にホワイトノイズを様々な振幅(ノイズ振幅)で重ね合わせ、(1)直交検波、(2)実効値演算、及び(3)本発明による振幅解析処理の結果を比較した。本振幅解析処理では、正弦波信号の振幅を1.5V、正弦波信号の周波数を100kHz、ノイズ振幅を0〜0.5Vとし、各ノイズ振幅で100回演算を繰り返した際に算出された振幅の誤差の平均値及びばらつきを比較した。比較結果を表1,2及び図4,図5に示す。
Figure 0006624099
Figure 0006624099
表1及び図4は、直交検波、実効値演算、及び本発明による振幅解析処理によって計測された振幅の誤差の平均値を示す表及び図である。表2及び図5は、直交検波、実効値演算、及び本発明による振幅解析処理によって計測された振幅の誤差のばらつきを示す及び図である。表1,2及び図4,図5に示すように、ノイズ振幅が増大すると、従来手法である直交検波及び実効値演算による振幅解析処理、特に実効値演算による振幅解析処理では、振幅の誤差の平均値及びばらつきが増大した。これに対して、本発明による振幅解析処理では、振幅の誤差の平均値及びばらつきが共に、ゼロ付近で安定した結果となった。以上のことから、本発明による振幅解析処理によれば、装置や配線のコストを増大させることなく、且つ、ノイズやグラウンドドリフトの影響を受けることなく、2次側交流信号の振幅を精度よく検出できることが確認された。
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である解析処理によれば、2次側交流信号から2次側交流信号の周波数と同一の周波数を有し、且つ、2次側交流信号の位相に対して90度位相が異なる波形信号を生成し、2次側交流信号と波形信号とを用いて2次側交流信号の振幅を算出するので、装置や配線のコストを増大させることなく、且つ、ノイズやグラウンドドリフトの影響を受けることなく、2次側交流信号の振幅を精度よく検出することができる。
最後に、本発明の実施例について説明する。実施例において用いた磁気計測装置の構成は図1に示す磁気計測装置と同様の構成であり、設置場所に応じて励起手段やセンサの配置や配線長等を適切に選択した。すなわち、励起信号は励起周波数100kHzの正弦波、励起コイルは上置きコイル、検出センサは中空コイル2個による差分構成とした。また、センサと検査対象である鋼板との間の距離(リフトオフ)は1mmとし、鋼板のばたつきがないように鋼板が非磁性ロールに巻き付けられている位置で測定を行った。
図6は、検出信号(2次側交流信号)、本発明により検出されたノイズを含まない信号成分(復元信号)、及び抽出したノイズを示す図である。図6に示すように、検出信号は、目でみてわかる程度にノイズによって歪んでいるために振幅を精度高く求めることができなかった。これに対して、本発明によれば、ノイズを含まない復元信号を抽出できるので、復元信号から検出信号の振幅を精度高く求めることができた。また、この検査を1000mの鋼板に対して行い、ノイズの影響無く連続的に検査を行うことができた。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
1 磁気計測装置
2 励起信号発生装置
3 励起コイル
4 検出センサ
5 増幅器
6 解析回路
S 鋼板

Claims (2)

  1. 渦流探傷法若しくは漏洩磁束探傷法を利用して鋼材の検査、又は、鋼材の磁気特性の測定を行うために、交流信号によって鋼材を励起するのに伴い該鋼材の近傍に発生する誘導電流又は磁場を2次側交流信号として検出する磁気計測方法であって、
    前記2次側交流信号をヒルベルト変換することによって前記2次側交流信号から該2次側交流信号の周波数と同一の周波数を有し、且つ、該2次側交流信号の位相に対して90度位相が異なる波形信号を生成し、周波数解析を実行することによって前記2次側交流信号の振幅が最大となる周波数成分を抽出し、前記2次側交流信号から前記周波数成分のみを取り出した信号をノイズ除去信号として生成し、ノイズ除去信号と前記波形信号とを用いて前記2次側交流信号の振幅を算出する振幅算出ステップを含むことを特徴とする磁気計測方法。
  2. 渦流探傷法若しくは漏洩磁束探傷法を利用して鋼材の検査、又は、鋼材の磁気特性の測定を行うために、交流信号によって鋼材を励起するのに伴い該鋼材の近傍に発生する誘導電流又は磁場を2次側交流信号として検出する磁気計測装置であって、
    前記2次側交流信号をヒルベルト変換することによって前記2次側交流信号から該2次側交流信号の周波数と同一の周波数を有し、且つ、該2次側交流信号の位相に対して90度位相が異なる波形信号を生成し、周波数解析を実行することによって前記2次側交流信号の振幅が最大となる周波数成分を抽出し、前記2次側交流信号から前記周波数成分のみを取り出した信号をノイズ除去信号として生成し、ノイズ除去信号と前記波形信号とを用いて前記2次側交流信号の振幅を算出する振幅算出手段を備えることを特徴とする磁気計測装置。
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