JP6971677B2

JP6971677B2 - 測定装置及び測定方法

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Publication number: JP6971677B2
Application number: JP2017142730A
Authority: JP
Inventors: 肇橘; 啓介中本; 壮一廣瀬; 陽古川
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: JP2019023583A

Description

本発明は、例えば構造物の非破壊検査に用いられる測定装置及び測定方法に関するものである。

建物等の構造物においては、経年的な劣化の度合いを確かめるために、ハンマーや超音波等を用いて、内部の亀裂や空洞の有無を確認する非破壊検査が行われている。

ところで、国内においては、道路橋のＲＣ（Reinforced-Concrete）床版の劣化に対して、鋼板を樹脂で接着する鋼板接着工法による補強が行われてきた。しかしこのような補強の後数十年が経過し、接着した鋼板の剥離などの再劣化が懸念されており、このような再劣化に対する検査として非破壊検査を行うことが考えられている。

特許文献１は、検査対象物で反射され周波数変調された信号光から分岐された補正用信号光と参照光から分岐された補正用参照光との干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、補正用参照光を分岐する前の参照光の光路上に配設され参照光の波面を制御する波面制御用ミラーと、干渉縞検出手段により検出される干渉縞の安定状態からの位相シフトを抑制するように波面制御用ミラーの位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする干渉縞安定化装置を開示している。

特許文献２は、検査対象物の表面に衝撃波を生じさせる加熱用レーザーと、この加熱用レーザーによって前記検査対象物に生じた衝撃波を検出する検出用レーザーと、前記表面によって反射された検出用レーザーを検出する光検出器とを備え、前記検出用レーザーを、第一検出用レーザーと第二検出用レーザーの二つに分岐して、前記表面の異なる位置にそれぞれ照射し、前記表面によって反射された前記第一及び第二検出用レーザーを干渉光路に導いて干渉させた干渉縞の変位を前記光検出器で検出して前記検査対象物内の欠陥の有無を判定する欠陥検査装置を開示している。

特開２００９−３０９９６号公報特開２０１３−２９３９９号公報

例えば、上述のような道路橋のＲＣ床版と鋼板とを接着した樹脂が剥離してしまっている場合には、剥離した隙間に雨水等による水が溜まっている場合がある。発明者らによる鋭意研究によれば、樹脂が剥離した隙間に水が溜まっている場合、非破壊検査の一つの測定法であるレーザー差動干渉法を用いた測定で得られる波形は、樹脂が剥離していない場合の波形とほとんど変わりがなく、この方法で検査したとしても、樹脂が剥離した隙間に水が溜まっている場合についての剥離の検出が難しいことが分かった。このため、レーザー差動干渉法等でこのような構造物を検査したとしても、滞水している樹脂の剥離箇所については検出されず、構造物の重大事故に繋がってしまう恐れがある。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構造物内部の液体層の有無を計測することのできる測定装置及び測定方法を提供することにある。

本発明の測定装置は、前記目的を達成するために、構造物の表面の一の位置において複数種類の振動数の振動を順に与える発振部と、前記表面の他の位置において前記複数種類の振動数の振動を検知する検知部と、前記検知部で検知した前記複数種類の振動数のうち最大振幅が検知された振動数を基本モードの固有振動数であるモード振動数であると判定するモード振動数判定部と、予め算出したモード振動数と液体層の層厚との関係及び前記モード振動数判定部により判定された前記モード振動数に基づいて、前記構造物内部の液体層の有無を判定する液体層判定部とを備えている。

また、本発明の測定方法は、前記目的を達成するために、構造物の表面の一の位置において複数種類の振動数の振動を順に与え、前記表面の他の位置において前記複数種類の振動数の振動を検知し、前記検知した前記複数種類の振動数のうち最大振幅が検知された振動数を基本モードの振動数であるモード振動数であると判定し、予め算出したモード振動数と液体層の層厚との関係及び前記モード振動数判定部により判定された前記モード振動数に基づいて、前記構造物内部の液体層の有無を判定するようにしている。

本発明によれば、構造物内部の液体層の有無を計測することができる。

本発明の実施形態に係る測定装置の概略図基本モードの位相速度分散曲線を示すグラフ基本モードが発生する周波数と液体層厚の関係を示すグラフ測定装置における一測定実験の測定条件について示す表検知部において検知された波形の例を示すグラフ測定装置による測定手順を示すフローチャートを示すグラフ本発明の実施形態の変形例を示す概略図

図１は本発明の測定装置１０の一実施形態を示すもので、測定装置１０は、例えば構造物２０の非破壊検査に用いられる。

＜測定装置の説明＞
本実施形態の測定装置１０は、発振部１６と、検知部１８と、制御部１１と有している。制御部１１は、更にモード振動数判定部１２と、液体層判定部１４とを有している。発振部１６は、構造物２０の表面の一の位置において複数種類の振動数の振動を順に与える。検知部１８は、構造物２０の表面の他の位置において、発振部１６により与えられた複数種類の振動数の振動を検知する。モード振動数判定部１２は、検知部１８で検知した複数種類の振動数のうちの一つの振動数であるモード振動数を判定する。液体層判定部１４は、判定されたモード振動数に基づいて、構造物２０内部の液体層２１の有無を判定する。液体層判定部１４は、判定されたモード振動数に基づいて、液体層２１の厚さを判定することとしてもよい。制御部１１は、発振部１６における加振の周波数、強さ及びタイミング等を制御すると共に、検知部１８における検知精度及び受振タイミングの計測等を制御することとしてもよい。

モード振動数判定部１２は、複数種類の振動数のうち、検知部１８において最大振幅が検知された振動数をモード振動数と判定するとすることができる。モード振動数は、理論的には、ガイド波の基本モードの固有振動数又はこれに振動数とすることができる。しかしながら、本実施形態のモード振動数は、この振動数に限定されることなく、複数種類の振動数のうちから所定の条件で選択される一つの振動数をモード振動数とすることとしてもよい。

構造物２０は、例えば鋼板等の金属からなる表面層２２と、雨水による水層からなる液体層２１を有しているものとする。ここで表面層２２は鉄からなる金属層としているが、金属層以外、例えばＲＣ層や樹脂層が用いられてもよい。また、液体層２１は、水層としているが、その他の液体からなる液体層２１を有していてもよい。

制御部１１は、主に半導体装置で構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性記憶装置、ハードディスクやフラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置を有する、いわゆる情報処理機器として構成されていてもよい。ここで、モード振動数判定部１２及び液体層判定部１４は、それぞれソフトウェアが処理装置において実行されることにより実現される機能構成部とすることができる。

本実施形態においては、発振部１６及び検知部１８として、それぞれ斜角探触子を用いることができる。表面層２２の物質と液体層２１の物質とに基づいて斜角探触子の角度を設定することとしてもよい。表面層２２の物質と液体層２１の物質とに基づいて発振部１６及び検知部１８の間の距離を設定することとしてもよい。
＜測定原理＞

以下、測定装置１０における、構造物２０における液体を水とした場合の液体層２１の存在及び液体層２１の厚さの測定原理について説明する。例えば、構造物２０において、各層を弾性体として材料定数をρ、λ及びμとすると、縦波速度及び横波速度はそれぞれ式（１）及び（２）のように表される。

これを用いて第ｎ層における波動のポテンシャル関数φ，ψはそれぞれ式（３）及び（４）のように表される。ｎは層の番号であり、構造物２０において液体層２１はｎ＝１、表面層２２はｎ＝２である。

また、ポテンシャル関数φ，ψを用いて変位ｕは式（５）及び（６）のように表される。

また、式（５）及び（６）の歪みεの関係は式（７）で表され、フックの法則により応力σは式（８）で表される。

ここでδはKroneckerのデルタである。ｎ＝１の層が液体であることを考慮すると式（９）〜（１１）の境界条件が得られる。

式（９）〜（１１）の境界条件を考慮すると、式（１２）のような固有方程式が得られ、Ｃが非自明解をもつことを考慮すると、式（１３）に示す式からガイド波の周波数ｆと波数ｋの関係が得られ、分散特性が明らかになる。

上述の固有方程式において、水層である液体層２１の厚さｈｗを0.0，1.0，2.0，3.0，4.0[mm]と変化させると、図２に示す基本モードの位相速度分散曲線を得ることができる。ここで各層の液体層２１の密度、縦波速度をそれぞれρ１＝1000[kg/m3]、ＣＬ１＝1500[m/s]、表面層２２の密度、層厚、縦波速度及び横波速度をそれぞれρ２＝7850[kg/m3]、ｈ２＝0.045[m]、ＣＬ２＝5940[m/s]、ＣＴ２＝3200[m/s]としている。図２に示されるように、固定された位相速度が3000〜5000[m/s]の範囲にあれば、液体層２１の厚さに応じて基本モードの周波数に差が生じるのがわかる。

図３は、３つの位相速度ＣＰ＝3000、4000、5000[m/s]に対して周波数を変化させた時に、ガイド波の基本モードが発生する周波数と、液体を水とした場合の液体層厚の関係を示すグラフである。これにより位相速度を固定、つまり斜角探触子の入射角を固定し、周波数を掃引し、ガイド波の基本モードの固有振動数となるモード周波数を見つけることにより、液体層２１の厚さｈｗを求めることができることが分かる。

＜測定原理の検証＞
図４は、測定装置１０における一測定実験の測定条件について示す表である。この表に示されるように、液体（水）層厚ｈｗは、2.0、3.0、4.0[mm]の３種類、位相速度4000[m/s]、入射角43[°]、加振周波数の範囲は90〜300[kHz]、探触子の中心周波数は500[kHz]である。入射角は、位相速度4000[m/s]となるようにスネルの法則（sinθ／Cair = sin90°／Cp）を用いて計算した。

図５は、液体（水）層厚ｈｗが2.0[mm]の場合において、検知部１８において検知された波形を示すグラフであり、縦軸は加振周波数を示している。このグラフの波形に基づいてモード周波数は、最も振幅の大きな220[kHz]と判定された。同様にして液体（水）層厚ｈｗが3.0及び4.0[mm]の場合についても判定を行い、その結果は、図３のグラフ内の丸印（ドット）で示されている。この結果に示されるように、ほぼ理論曲線上に測定実験結果が反映されており、測定装置１０は、構造物２０内部の液体層２１の有無を判定することができることが分かる。また更に層厚で±0.5[mm]以内の精度であり、液体層２１の厚さも計測することができることが分かる。

＜測定装置での測定方法＞
次に、測定装置１０を用いた測定手順について説明する。図６は、測定装置１０による測定手順を示すフローチャートである。測定装置１０は、このフローチャートに示される測定処理Ｓ１０を行う。測定処理Ｓ１０では、まず、ステップＳ１１において、発振部１６は、構造物２０の表面層２２の表面の一の位置において複数種類の振動数の振動を順に加える。次にステップＳ１２において、検知部１８は、表面層２２の表面の他の位置において、発振部１６において加振された複数種類の振動数の振動を検知する。引き続き、ステップＳ１３において、モード振動数判定部１２は、検知部１８で検知した複数種類の振動数のうちの一つの振動数であるモード振動数を判定する。モード振動数は、複数種類の振動数のうち、検知部１８において最大振幅が検知された振動数としてもよい。最後にステップＳ１４において、液体層判定部１４は、判定されたモード振動数に基づいて、構造物２０内部の液体層２１の有無を判定する。ここで液体層２１の有無に加えて、液体層２１の厚さを判定することとしてもよい。

以上示したように測定装置１０によれば、構造物２０内部の液体層２１の有無を計測することができる。また構造物２０内部の液体層２１の厚さを計測することができる。また特に金属層、更に詳しくは鋼板の裏側に水層がある場合に水層の有無及び／又は厚さを計測することができる。つまり、例えば、ＲＣ床版と鋼板とを接着した樹脂が剥離した箇所が滞水している場合であっても、剥離を検出することができる。また更に剥離の大きさ（厚さ）を検出することができる。なお、上述の実施形態においては、表面層２２は鋼板等の鉄からなる金属層としているが、銅やアルミニウム等の他の金属や金属層以外、例えばＲＣ層や樹脂層が用いられてもよい。また、液体層２１は、水層としたが、その他の液体からなる液体層２１であってもよい。

＜測定装置の他の例＞
図７は本発明の実施形態の変形例を示す概略図である。この変形例では、上述の実施形態では、発振部１６及び検知部１８の一例としてそれぞれ斜角探触子を用いたが、本変形例では、発振部１６及び検知部１８として加振用レーザー３６及び検知用レーザー３８が用いられている点で異なっている。ここで検知用レーザー３８を複数用いることとしてもよい。レーザーには、ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、ＣＯ２レーザー、Ｎｄ：ＹＶＯレーザーその他のレーザーを適宜用いることができる。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に測定処理Ｓ１０を行う。ステップＳ１１において加振用レーザー３６は、構造物２０の表面層２２の表面の一の位置において複数種類の振動数を持ったガイド波を発生させる。次にステップＳ１２において、検知用レーザー３８は、表面層２２の表面の他の位置において、発振部１６において発生したガイド波から滞水状態に関係するガイド波を検知する。後の処理は、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

このような発振部１６及び検知部１８にレーザーを用いた場合であっても、構造物２０内部の液体層２１の有無を計測することができる。また構造物２０内部の液体層２１の厚さを計測することができる。また特に金属層、更に詳しくは鋼板の裏側に水層がある場合に水層の有無及び／又は厚さを計測することができる。つまり、例えば、ＲＣ床版と鋼板とを接着した樹脂が剥離した箇所が滞水している場合であっても、剥離を検出することができる。また剥離の大きさを検出することができる。なお、このような変形例においても、表面層２２は、銅やアルミニウム等の他の金属や金属層以外、例えばＲＣ層や樹脂層が用いられてもよい。また、液体層２１についても、水層以外の他の液体からなる液体層２１であってもよい。

１０…測定装置、１１…制御部、１２…モード振動数判定部、１４…液体層判定部、１６…発振部、１８…検知部、２０…構造物、２１…液体層、２２…表面層、３６…加振用レーザー、３８…検知用レーザー。

Claims

構造物の表面の一の位置において複数種類の振動数の振動を順に与える発振部と、
前記表面の他の位置において前記複数種類の振動数の振動を検知する検知部と、
前記検知部で検知した前記複数種類の振動数のうち最大振幅が検知された振動数を基本モードの固有振動数であるモード振動数であると判定するモード振動数判定部と、
予め算出したモード振動数と液体層の層厚との関係及び前記モード振動数判定部により判定された前記モード振動数に基づいて、前記構造物内部の液体層の有無を判定する液体層判定部と
を備えることを特徴とする測定装置。
前記液体層判定部は、予め算出したモード振動数と液体層の層厚との関係及び前記モード振動数判定部により判定された前記モード振動数に基づいて、更に前記液体層の層厚を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記予め算出したモード振動数と液体層の層厚との関係は、構造物の表面層の密度、層厚、縦波速度及び横波速度、前記液体層の密度、層厚、縦波速度をパラメータとして含む固有方程式から、前記液体層の層厚を可変してモード振動数と位相速度との関係を示す位相速度分散曲線を算出し、前記位相速度分散曲線に基づき液体層の層厚からモード振動数を識別可能な位相速度領域を識別するとともに、前記位相速度領域内で位相速度を固定した場合の位相速度毎のモード振動数と液体層の層厚との関係である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
前記構造物の前記表面を有する表面層は、金属である
ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の測定装置。
前記表面層は、鋼板である
ことを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
前記液体層は水層である
ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の測定装置。
前記発振部及び検知部は、それぞれ斜角探触子である
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の測定装置。
前記表面の物質と前記液体層の物質とに基づいて前記斜角探触子の角度が設定される
ことを特徴とする請求項７に記載の測定装置。
前記表面の物質が鉄であり、かつ前記液体層が水層である場合に、位相速度が３０００〜５０００ｍ／ｓとなる斜角探触子の角度を設定する
ことを特徴とする請求項７または８に記載の測定装置。
構造物の表面の一の位置において複数種類の振動数の振動を順に与え、
前記表面の他の位置において前記複数種類の振動数の振動を検知し、
前記検知した前記複数種類の振動数のうち最大振幅が検知された振動数を基本モードの振動数であるモード振動数であると判定し、
予め算出したモード振動数と液体層の層厚との関係及び前記モード振動数判定部により判定された前記モード振動数に基づいて、前記構造物内部の液体層の有無を判定する
ことを特徴とする測定方法。