JP6624099B2

JP6624099B2 - 磁気計測方法及び磁気計測装置

Info

Publication number: JP6624099B2
Application number: JP2017018137A
Authority: JP
Inventors: 児玉　俊文; 俊文児玉; 佑司西澤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP2018124221A

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_０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_０の正弦波信号Ａｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋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。

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。

ここで、数式（４），（５）に示す信号ｐ（ｔ），ｑ（ｔ）を励起周波数ｆ_０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ｐ_ａｖ，ｑ_ａｖ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。

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_０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_０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。

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_０（ｔ）は、ヒルベルト変換によって位相が９０度進んだ信号ｙ_０（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。

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。

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_０（ｔ）を求め（ステップＳＴ４）、ノイズ除去信号ｘ_０（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_０（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_０（ｔ）と波形信号ｙ_０（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。

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

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。
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。