JP6674263B2

JP6674263B2 - 変状検出装置

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Publication number: JP6674263B2
Application number: JP2016010212A
Authority: JP
Inventors: 小宮　研一; 研一小宮; 石川　大介; 大介石川
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: JP2017129506A; EP3199946B1; US10234427B2; EP3199946A1; US20170212084A1

Description

この明細書に記載の実施形態は、橋梁やトンネル等の構造物の変状（ひび割れ、きれつ、内部の欠陥）を検出する技術に関する。

従来、橋梁、トンネル等の構造物の亀裂などの変状を非接触で検出する装置が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１の装置は、対象物の測定ポイントに超音波を照射するとともにレーザ光を照射し、測定ポイントの共振周波数、振幅特性、減衰特性等の振動状態を測定する。該装置は、測定ポイントの振動状態に基づいて変状を検出する。

特開平８−２４８００６号公報

変状の広がりを調べるためには、対象物において複数の測定ポイントを測定する必要がある。しかしながら、従来の変状の検出原理では、測定ポイント毎に超音波とレーザ光の照射ポイントを変更する必要があり、不便である。

この明細書は、利便性のある変状の検出原理を採用する変状検出装置を提供することを目的とする。

一般に、実施形態によれば、変状検出装置は、加振手段と、伝搬時間測定手段と、傾き測定手段と、判定手段と、を備える。加振手段は、測定対象物の測定面の第１ポイントを非接触で加振する。伝搬時間測定手段は、第１ポイントから測定面の第２ポイントまでの振動の伝搬時間を非接触で測定する。傾き測定手段は、基準面に対する測定面の傾きを非接触で測定する。判定手段は、伝搬時間を、測定面の傾きが無い場合の第１ポイントから第２ポイントまでの振動の伝搬時間である基準伝搬時間と比較して測定対象物における変状の有無を判定するとともに、測定面の傾きに応じて基準伝搬時間を補正する。

変状検出装置の概略正面図である。トランスデューサーの配置の変形例を示す図である。パラメトリックスピーカおよびレーザドップラ振動計を示す概略図である。レーザドップラ振動計における距離測定および振動測定の原理を説明するためのブロック図である。フォトダイオードの出力を模式的に示す図である。ゲート部およびカウンタの動作原理を説明するためのタイミングチャートである。ＣＰＵの変状検出処理の流れを示すフローチャートである。測定面にひび割れが生じた場合の超音波の伝搬経路を示す図である。測定面が傾斜している場合の測定ポイントまでの距離を示す図である。ひび割れおよび測定ポイントの位置を示す図である。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、変状検出装置１０の概略正面図である。
変状検出装置１０の筐体３の一面３１には、パラメトリックスピーカ８００（加振手段）と、レーザドップラ振動計２Ａが出力するレーザ光が通過するレンズ４３１と、レーザドップラ振動計２Ｂが出力するレーザ光が通過するレンズ４３０とがある。

パラメトリックスピーカ８００は、測定対象物を非接触で加振する。測定対象物は、コンクリートやモルタル等である。パラメトリックスピーカ８００は、超音波圧電素子等のトランスデューサー８０１を複数備える（本実施形態では８個）。トランスデューサー８０１は、レーザドップラ振動計２Ａが出射するレーザ光の光軸の周囲、すなわち、レンズ４３１の周囲に環状に密に配置される。トランスデューサー８０１単体では６０〜７０度の指向性を持つ。

図１のように、トランスデューサー８０１同士が接触するようにトランスデューサー８０１を密に配置すると、パラメトリックスピーカ８００が出力する超音波は、指向性が全体として狭くなり、ほぼ一直線に測定面４（図３）に照射される。パラメトリックスピーカ８００が出力する超音波の中心軸は、複数のトランスデューサー８０１の中心を通るとともに、レンズ４３１の光軸と一致する。レンズ４３１の光軸とレンズ４３０の光軸との距離はＬ０である。この距離Ｌ０は、超音波が伝搬する基準伝搬距離Ｌ０であり、レーザドップラ振動計２Ａ、２Ｂの光学部品の配置から定まる設定値となる。

図２は、トランスデューサー８０１の配置の変形例を示す図である。
トランスデューサー８０１は、レンズ４３１の図２中左右および上下に計４つ配置されてもよい。

図３は、パラメトリックスピーカ８００およびレーザドップラ振動計２Ａ、２Ｂを示す概略図である。
パラメトリックスピーカ８００は、測定対象物における測定面４の測定ポイントＰ１（第１ポイント）に向けて超音波を出力し、測定ポイントＰ１を加振する。

レーザドップラ振動計２Ａは、半導体レーザ１４０１からレーザを出力し、該レーザをレンズ４３１を介して測定ポイントＰ１に照射する。半導体レーザ１４０１は、レーザ素子１４０２と、レーザ素子１４０２に近接して設置され、レーザ素子１４０２と一体にパッケージングされるフォトダイオード１４０３とを備える。測定ポイントＰ１にて反射したレーザ光は、レーザ素子１４０２に入射する。

レーザドップラ振動計２Ａは、自己混合干渉型であり、出力するレーザ光と測定ポイントＰ１での反射光との干渉を利用して、測定ポイントＰ１の振動を非接触で測定するとともに、基準面である筐体３の一面３１から測定ポイントＰ１までの距離ＬＭＩを非接触で測定する。以下、筐体３の一面３１を基準面３１と記載する。基準面３１は、距離ＬＭＩおよび後述する距離ＬＭｒを算出するためのものであり、適宜の位置に設定してよい。

レーザドップラ振動計２Ｂは、半導体レーザ４０１が出力するレーザ光を光学ユニット４０８によってガルバノミラー４２０に集光する。半導体レーザ４０１は、レーザ素子４０２とフォトダイオード４０３とを備える。ガルバノミラー４２０にて反射したレーザ光は、レンズ４３０を介して測定ポイントＰ２（第２ポイント）に照射された後、反射光となってレーザ素子４０２に入射する。

レーザドップラ振動計２Ｂは、自己混合干渉型であり、出力するレーザ光と測定ポイントＰ２での反射光との干渉を利用して、測定ポイントＰ２の振動を非接触で測定するとともに、筐体３の一面３１から測定ポイントＰ２までの第２距離ＬＭｒを非接触で測定する。

ガルバノミラー４２０は、ｘ軸回り駆動用のｘ軸アクチュエータと、ｙ軸回り駆動用のｙ軸アクチュエータとによりｘ軸回りとｙ軸回りに回転駆動される。後述するＣＰＵ（図４：判定手段）は、ｘ軸アクチュエータおよびｙ軸アクチュエータを制御することで、測定面４を互いに直交するＸ−Ｙ平面とすると、Ｘ−Ｙ平面上の任意の座標（Ｘ，Ｙ）に測定ポイントＰ２を設定できる。

図４は、レーザドップラ振動計２Ａにおける距離測定および振動測定の原理を説明するためのブロック図である。レーザドップラ振動計２Ａの距離測定および振動検知の原理は、レーザドップラ振動計２Ｂの原理と同じであるので、レーザドップラ振動計２Ｂの距離測定および振動検知の原理の説明は省略する。

まず、測定ポイントＰ１が超音波にて加振されるタイミングを判定する原理を説明する。
半導体レーザ１４０１のレーザ素子１４０２は、ＣＰＵにより、カレントドライバ１４０４を介して定電流で駆動制御される。レーザ素子１４０２は、端面発光型であり、一端面からレーザ光を出力する。レーザ素子１４０２が出力するレーザ光は、レンズ４３１を介して測定ポイントＰ１に照射される。測定ポイントＰ１にて反射した反射光は、レンズ４３１を介してレーザ素子１４０２に入射する。

レーザ素子１４０２は、レーザ光を出力する一端面と反対の端面から、レーザ光の出力方向と反対方向にバックビームを出力する。バックビームの光軸は、レーザ光の光軸と同一直線上にある。フォトダイオード１４０３は、バックビームを受光する。

フォトダイオード１４０３の出力信号は、アンプ１４０５を介して電流から電圧に変換されるとともに増幅された後、ローパスフィルター１４０６によって高周波成分のノイズがカットされる。

測定面４が振動すると、ドップラーシフトが生じ、反射光の周波数が僅かに変化する。この反射光がレーザ素子１４０２に入射することにより、バックビームに、反射光の周波数の変化の影響が表れる。フォトダイオード１４０３から出力され、ローパスフィルター１４０６を経た出力信号は、ビート信号１４０９である。ビート信号１４０９を監視することで、ドップラーシフトが生じたかどうかを判定でき、測定ポイントＰ１が超音波にて加振されるタイミングを判定できる。なお、ローパスフィルター１４０６の出力信号をＦＦＴ１４０７によってフーリエ変換することで、バックビームのパワースペクトルを得ることができる。

次に基準面３１から測定面４までの距離の測定原理を説明する。
フォトダイオード１４０３の出力信号は、アンプ１４０５を介してコンパレータ１４１３，１４１４に入力される。コンパレータ１４１３，１４１４の後段には、ゲート部１４１５およびカウンタ１４１６が設置される。

図５は、フォトダイオード１４０３の出力を模式的に示す図である。図５では、横軸が時間を示し、縦軸がフォトダイオード１４０３の出力を示す。
コンパレータ１４１３は、フォトダイオード１４０３の出力電圧が、基準電圧ＴＨ１を超える場合に出力電圧がHighとなり、基準電圧ＴＨ１未満の場合に出力電圧がLowとなる。レーザ素子１４０２がレーザ光の出力を開始するタイミングＴ１では、フォトダイオード１４０３の出力は、バックビームの受光量分、上がるため、コンパレータ１４１３の出力電圧はHighとなる。

コンパレータ１４１４は、フォトダイオード１４０３の出力電圧が、基準電圧ＴＨ２を超える場合に出力電圧がHighとなり、基準電圧ＴＨ２未満の場合に出力電圧がLowとなる。レーザ素子１４０２内に入射する反射光が、レーザ素子１４０２内において、出力するレーザ光と共振すると、バックビームの出力が上がる。

図６は、ゲート部１４１５およびカウンタ１４１６の動作原理を説明するためのタイミングチャートである。
ゲート部１４１５は、コンパレータ１４１４の出力がHighであり、かつ、コンパレータ１４１４の出力がLowの場合、Highを出力し、コンパレータ１４１３，１４１４の出力の組み合わせがそれ以外の場合、Lowを出力する。すなわち、ゲート部１４４は、レーザ光が出力されてから測定ポイントＰ１にて反射して戻ってくるまでの間、出力がHighとなる。

カウンタ１４１６は、ゲート部１４４の出力がHighの間、クロックを計測し、レーザ光の飛行時間を算出する。

ＣＰＵは、カウンタ１４１６の計測値に基づき、測定ポイントＰ１までの距離を算出する。ＣＰＵは、光の速さ×測定時間／２を演算し、該距離に基づいて、基準面３１から測定ポイントＰ１までの距離ＬＭＩを算出する。

以上のようにして、ＣＰＵは、レーザドップラ振動計２Ａを用いて、加振している測定ポイントＰ１までの距離ＬＭＩを測定できる。また、ＣＰＵは、ビート信号１４０９を監視することで、測定ポイントＰ１が加振されるタイミングを測定できる。同様に、ＣＰＵは、レーザドップラ振動計２Ｂを用いて、基準面３１から測定ポイントＰ２までの距離ＬＭｒを測定できる。ＣＰＵは、ビート信号１４０９を監視することで、測定ポイントＰ２に測定ポイントＰ１から超音波が伝達されるタイミングを測定できる。

測定ポイントＰ１から測定面４の測定ポイントＰ１までの振動の伝搬時間を非接触で測定する伝搬時間測定手段は、レーザドップラ振動計２Ａ、２ＢおよびＣＰＵを含んで構成される。

以下、ＣＰＵの変状検出処理について、図７のフローチャートおよび図３を参照して説明する。
まず、変状検出装置１０は、き裂のない健全なコンクリート壁等の測定面４に対して測定ポイントＰ１へのレーザ光が垂直に入射するように設置される。ＣＰＵは、レーザドップラ振動計２Ａ、２Ｂによりレーザ光を測定ポイントＰ１，Ｐ２に照射し、測定ポイントＰ１，Ｐ２までの距離ＬＭＩ、ＬＭｒを測定する（Ａｃｔ１）。この際、および後述するＡｃｔ１０まで、ガルバノミラー４２０は、レーザドップラ振動計２Ａ，２Ｂの出力するレーザ光が平行となる角度に設定される。

使用者は、距離ＬＭＩ、ＬＭｒが等しく、測定面４の傾きがない状態となるように変状検出装置１０を調整する。傾きが無いのが最も理想的であるが、現場の状態によってはそれを実現することが難しい場合もあるので、測定面４の傾きが所定の範囲になるように変状検出装置１０の姿勢を調整する。

ＣＰＵは、パラメトリックスピーカ８００で測定ポイントＰ１を加振する。ＣＰＵは、測定ポイントＰ１にて加振が検出されてから測定ポイントＰ２にて加振が検出されるまでの超音波の伝搬時間Ｔ０を測定する（Ａｃｔ２）。ひび割れがない健全な測定面４の伝搬時間Ｔ０を基準伝搬時間Ｔ０とする。測定ポイントＰ１、Ｐ２間の距離である超音波の伝搬距離はＬ０であり設定値である。

ＣＰＵは、基準伝搬時間Ｔ０をメモリに保存する（Ａｃｔ３）。

図８は、測定面４にひび割れがある場合の超音波の伝搬経路を示す図である。
超音波は、ひび割れ部分を伝搬できないため、測定面４にひび割れがある場合、１点鎖線で示すように、ひび割れの深さＤ方向の頂点を迂回して伝搬し、レーザドップラ振動計２Ｂの測定ポイントＰ２に到達する。

測定面４にひび割れがある場合、超音波は測定面４の表面を伝搬できないため、測定ポイントＰ１、Ｐ２間の距離Ｌ０よりも長い距離を伝搬する。測定対象物内を伝搬する超音波の速度はほぼ一定のため、測定面４にひび割れがある場合、伝搬時間ｔは、基準伝搬時間Ｔ０よりも大きくなる。

予め健全な測定面４で基準伝搬時間Ｔ０を測定した後、測定対象物の測定面４にて伝搬時間ｔを測定する。伝搬時間ｔの方が基準伝搬時間Ｔ０より大きければ、測定面４にひび割れがあると判定できる。

図９は、測定面４が傾斜している場合の測定ポイントＰ１，Ｐ２までの距離ＬＭＩ、ＬＭｒを示す図である。なお、測定面４が傾斜しているとは、基準面３１から測定ポイントＰ１，Ｐ２までの距離ＬＭＩ、ＬＭｒが異なることを指す。

測定面４が傾斜している場合、測定ポイントＰ１、Ｐ２間の超音波の伝搬距離Ｌ００は、基準伝搬時間Ｔ０を取得した際の伝搬距離Ｌ０よりも大きくなる。従って、測定面４が傾斜している場合、測定面４にひび割れが無くても、伝搬距離Ｌ００が基準伝搬時間Ｔ０を取得した際の伝搬距離Ｌ０よりも大きい分、伝搬時間ｔが基準伝搬時間Ｔ０よりも大きくなる。そのため、測定した伝搬時間ｔを基準伝搬時間Ｔ０と比較すると、測定ポイントＰ１、Ｐ２間にひび割れが無くても、ひび割れが有ると誤判定するおそれがある。

そこで、ＣＰＵは、測定面４の傾きθを検出し、検出した傾きθに応じて基準伝搬時間Ｔ０を補正することによって誤判定を抑制する。

まず、ＣＰＵは、基準面３１から測定ポイントＰ１，Ｐ２までの距離ＬＭＩ、ＬＭｒを測定する。距離ＬＭＩ、ＬＭｒが異なれば、測定面４が傾いていると判定し、測定面４の傾きθを算出する。ＣＰＵは、以下の式

ｔａｎθ＝Ｐ２Ｐ２’／Ｐ１Ｐ２’
＝（ＬＭｒ−ＬＭＩ）／Ｌ０

にて測定面４の傾きθを算出する。Ｐ２’は、測定面４が傾いていない場合における測定ポイントＰ２の位置を示す。

なお、基準面３１に対する測定面４の傾きθを非接触で測定する傾き測定手段は、レーザドップラ振動計２Ａ、２ＢおよびＣＰＵを含んで構成される。基準面３１から測定ポイントＰ１までの距離ＬＫＩを非接触で測定する第１距離測定手段は、レーザドップラ振動計２ＡおよびＣＰＵを含んで構成される。基準面３１から測定ポイントＰ２までの距離ＬＫｒを非接触で測定する第２距離測定手段は、レーザドップラ振動計２ＢおよびＣＰＵを含んで構成される。

三角形Ｐ１Ｐ２’Ｐ２において、Ｌ０／Ｌ００＝ｃｏｓθであるので、Ｌ００＝Ｌ０／ｃｏｓθとなる。従って、基準伝搬時間は、距離に比例するので、補正後の基準伝搬時間Ｔ００は、Ｔ０／ｃｏｓθとなることがわかる。

ＣＰＵは、補正後の伝搬距離Ｌ００をＬ００＝Ｌ０／ｃｏｓθの式により算出する。ＣＰＵは、補正後の基準伝搬時間Ｔ００を、Ｔ００＝Ｔ０／ｃｏｓθの式を用いて算出する。ＣＰＵは、補正後の伝搬距離Ｌ００および基準伝搬時間Ｔ００をメモリに保存する（Ａｃｔ４）。

ＣＰＵは、パラメトリックスピーカ８００で測定ポイントＰ１を加振し、測定ポイントＰ２にて伝搬時間ｔを測定する（Ａｃｔ５）。ＣＰＵは、伝搬時間ｔをメモリに保存する（Ａｃｔ６）。

ＣＰＵは、伝搬時間ｔを補正後の基準伝搬時間Ｔ００と比較し（Ａｃｔ７）、伝搬時間ｔが基準伝搬時間Ｔ００よりも大きい場合、ひび割れがあると判定する（Ａｃｔ８）。ＣＰＵは、伝搬時間ｔが基準伝搬時間Ｔ００以下の場合、ひび割れは無いと判定する（Ａｃｔ９）。なお、伝搬時間ｔに含まれるノイズを考慮し、伝搬時間ｔが基準伝搬時間Ｔ００より所定値以上大きくない場合は、ひび割れがないと判定してもよい。

以上のようにして、ＣＰＵは、測定ポイントＰ１、Ｐ２間におけるひび割れの有無を判定する。

図１０は、ひび割れおよび測定ポイントＰ２の位置を示す図である。
図１０では、ひび割れを便宜上太い黒線で表現しているが、ひび割れは、目視で確認出来るものもあるが、そうでないものもある。変状検出装置１０は、目視できないひび割れも検出できる。ひび割れは、必ずしも直線上に生じるわけではなく、図１０のように方向を変えつつ伸長する。

座標（ｘ０、ｙ５）は、超音波およびレーザ光が照射される測定ポイントＰ１である。ＣＰＵは、例えば、まず、測定ポイントＰ２である（ｘ５、ｙ５）に、超音波の伝搬を検出するためのレーザ光を照射し、上述したひび割れ９００の有無の判定処理Ａｃｔ４〜Ａｃｔ９を行う。ＣＰＵは、測定ポイントＰ１の（ｘ０、ｙ５）と、測定ポイントＰ２の（ｘ５、ｙ５）との間にひび割れ９００があるか否かを判定する。

その後、ＣＰＵは、設定された複数の測定ポイントＰ２での測定が全て完了したか否か等の完了条件を満たすか否かを判定する（Ａｃｔ１０）。ＣＰＵは、完了条件を満たさない場合（Ａｃｔ１０：ＮＯ）、ガルバノミラー４２０を駆動し、測定ポイントを変更する（Ａｃｔ１１）。

ＣＰＵは、例えば測定ポイントＰ２を（ｘ１、ｙ５）に移動させ、再度ひび割れ９００の有無の判定処理Ａｃｔ５〜Ａｃｔ９を行う。これにより、今度は、測定ポイントＰ１の（ｘ０、ｙ５）と測定ポイントＰ２の（ｘ１、ｙ５）との間にひび割れがあるか否かを判定する。

なお、ガルバノミラー４２０の角度を変更することにより、測定ポイントＰ１、Ｐ２間の距離が変わる。図９において、Ｐ２→Ｐ２’’へ測定ポイントが移動すると、測定距離Ｌ００の大きさが変わる。測定距離Ｌ００の変動量は、ガルバノミラー４２０の角度に応じたものであるので、ＣＰＵは、ガルバノミラー４２０の角度に応じて、予め定められた変換式により、測定距離Ｌ００および基準伝搬時間Ｔ００を補正する。そして、ＣＰＵは、ガルバノミラー４２０の角度に応じて補正した基準伝搬時間Ｔ００と、移動先の測定ポイントＰ２における伝搬時間ｔとを比較して、ひび割れの有無を判定する。

このようにして、ＣＰＵは、測定面４にて、測定ポイントＰ２を走査することにより、ひび割れの９００の分布を検出できる。

ＣＰＵは、設定された複数の測定ポイントＰ２での測定が全て完了した等により完了条件を満たす場合（Ａｃｔ１０：ＹＥＳ）、測定を終了する。なお、測定ポイントＰ２の位置の変え方は適宜である。

２Ａ…レーザドップラ振動計（伝搬時間測定手段、傾き測定手段、第１距離測定手段）、２Ｂ…レーザドップラ振動計（伝搬時間測定手段、傾き測定手段、第２距離測定手段）、４…測定面、１０…変状検出装置、３１…基準面、４２０…ミラー（ガルバノミラー）、５１１…ＣＰＵ（伝搬時間測定手段、傾き測定手段、判定手段、第１、第２距離測定手段）、８００…パラメトリックスピーカ（加振手段）、８０１…トランスデューサー、Ｐ１…測定ポイント（第１ポイント）、Ｐ２…測定ポイント（第２ポイント）。

Claims

測定対象物の測定面の第１ポイントに超音波を照射することにより前記第１ポイントを非接触で加振する加振手段と、
前記第１ポイントにレーザ光を照射し反射光を受光することにより、基準面から前記第１ポイントまでの第１距離を測定するとともに前記第１ポイントの振動を検出する第１距離測定手段と、
前記測定面の第２ポイントにレーザ光を照射し反射光を受光することにより、前記基準面から前記第２ポイントまでの第２距離を測定するとともに前記第２ポイントの振動を検出する第２距離測定手段と、を備え、
前記第１距離測定手段により前記第１ポイントの振動を検出してから、前記第２距離測定手段により前記第２ポイントの振動を検出するまでの時間を、前記第１ポイントから前記第２ポイントまでの振動の伝搬時間として非接触で測定する伝搬時測定手段と、
前記第１距離測定手段と第２距離測定手段とを備え、前記第１距離と前記第２距離の差に基づいて前記基準面に対する前記測定面の傾きを非接触で測定する傾き測定手段と、
前記測定面の傾きが無い場合の前記第１ポイントから前記第２ポイントまでの振動の伝搬時間である基準伝搬時間を前記測定面の前記傾きに応じて補正し、測定した前記伝搬時間を、補正した前記基準伝搬時間と比較して前記測定対象物における変状の有無を判定する判定手段と、
を備える変状検出装置。
請求項１に記載の装置において、
前記第２距離測定手段は、光源からのレーザ光を反射するミラーを備え、前記ミラーの反射角度を変更することにより、前記第２ポイントであるレーザ光の照射ポイントを移動させる変状検出装置。
請求項１または請求項２に記載の装置において、
前記加振手段は、超音波を出力する複数のトランスデューサーが、前記第１距離測定手段が出射するレーザ光の光軸の周囲に並ぶパラメトリックスピーカであり、前記光軸は、複数の前記トランスデューサーの中心を通る変状検出装置。