JPH0346558A

JPH0346558A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH0346558A
Application number: JP1180210A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Koike; 正浩小池; Shigeru Kajiyama; 梶山　茂; Toshiyuki Furukawa; 俊行古川; Kazuo Takaku; 高久　和夫; Toshiyuki Sawa; 敏之澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1991-02-27
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JP2972229B2; DE4022152A1; US5122991A; DE4022152C2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、音響信号を用いた距離測定装置に係り、特に
構造物の非破壊検査装置に付設して、被挟物位置標定等
長い距離の測定に好適な装置に関する。

［従来の技術］被検個所（溶接欠損など）は保温材等で被包されて目視
できない場合、大型容器の非破壊検査における位置標定
は、従来は、特開昭５１−９５８８８号公報に記載のよ
うな装置を用いていた。

第１２図は容器検査装置の配置略示図を示す。

例えば圧力容器１の表面上に検査装置２をセットし、位
置検出手段としての送信子３から、例えば３５０　Ｋ　
Ｈｚの周波数をもつ音響信号５を圧力容器壁面から材料
中へ送信する。この音響信号５は、容器材料中の伝播速
度で容器中を伝播し、その結　３　− 果、音響信号は、距離に応じた時刻に、圧力容器に固定
した受信子４で受信される。

［発明が解決しようとする課題］音響信号を用いて標点間距離を測定する場合には、一般
に、送信子と受信子とは同一の周波数のものを使用する
。また、送信の周波数が高いほど、伝播距離に対する減
衰割合が大きく、音響信号は遠方まで到達しない。しか
し、逆に伝播距離の測定精度は、周波数が高いほど良い
。

上記の従来技術では、音響信号を遠方はで到達させるた
めに低い周波数（３５０ｋＨｚ）を使用している。その
ため、伝播距離の測定精度が良くない。

そこで、本発明の目的は、周波数が高い音響信号を送信
した場合でも、遠方において高い受信感度で、かつ精度
良く伝播距離を測定する距離測定装置を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するための本発明に係る距離測定装置の
構成は、送信器からの音響信号を送信する送信子と、そ
の信号を受信することができる複数個の受信子と、それ
らの機能を制御する制御回路とを備えた距離測定装置に
おいて、送信子から送信するピークの周波数と、少くと
も１つは異なる共振周波数を有する受信子で受信するよ
うにしたことである。

［作用］送信子から送信された音響信号の周波数分布は、周波数
により距離減衰の割合が異なるため、伝播するに従って
周波数分布が変化する。そのため、測定距離の地点での
周波数分布のうち強度が最大となる周波数は、送信時の
それと異なる。そこで強度が最大となる周波数を共振周
波数とする受信子で音響信号を受信する。それによって
、受信強度が最大となるので、遠方においても高い受信
感度で受信でき、距離測定精度も良くすることができる
。

以下、送信した音響信号の強度及び周波数と伝播距離と
の関係について詳細に説明する。第１３図は周波数の分
布曲線である。送信の音響信号の周波数は、伝播距離の
計測等に用いるパルス波の場合、第１３図に示すように
、ある周波数を中心（以下、中心周波数Ａと呼ぶ）に任
意の拡がりをもつ。この送信の音響信号の周波数分布を
ｇ　（ｆ）とする。一方、音響信号の強度は、伝播する
にしたがって、散乱等のために減衰する。単位伝播距離
あたりの減衰割合（以下、減衰率と呼ぶ）は、周波数が
高いほど大きい。第１４図は周波数−受信強度−伝播距
離の関係曲線である。したがって、音響信号の強度は、
高周波はどそして遠距離はど小さくなる。この関係を表
わしたのが第１４図である。この伝播距離に対する各周
波数の減衰分布をｈ　（ｆ、　１２）とする。

中心周波数Ａをもつ周波数分布ｇ　Ｃｆ）の音響信号を
送信した場合、距離氾における周波数分布Ｆ　Ｃｆ、　
Ｑ）は式（１）となる。

Ｆ　（ｆ、　Ｑ）＝ｇ　（ｆ）　　・ｈ　（Ｊ、　Ｑ）
　−−−（１）このＦ　Ｃｆ、Ｑ）を第１５図に示した
。この第１５図から、伝播路離党により、Ｆ　Ｃｆ、　
Ｑ）が最大となる周波数ｆｍが異なることがわかる。し
たかって、このＦ　Ｃｆ、Ｑ）の最大周波数ｆｍを共振
周波数とする受信子で、音響信号を受信すれば、受信強
度が最大となる。このことは、逆に言えば、伝播距離に
より、受信子の共振周波数を変えることにより、最大の
強度で音響信号を受信することができることを意味する
。

受信子の周波数分布をｋ　（ｆ）とすると、距離立にお
ける受信波の周波数分布ＲＣｆ、　ｆｌ）は、式（２）
となる。

Ｒ（ｆ、　Ｑ　）＝Ｆ（ｆ、　Ｑ　）・ｋ（ｆ）＝ｇ（
ｆ）・ｈ（ｆＪ）・ｋ　（ｆ）−（２）以上の関係を、
自走式検査装置の位置検出を例にとり具体的に説明する
。自走式検査装置２に備えた送信子３から試料１内へ音
響信号を送信し、受信子４で受信した時の、送信波と受
信波との関係を第１６図に示す。第１６図は、走行距離
測定の模式図である。伝播距離すなわち送信子と受信子
との間の距離氾は、送信から受信波の立上りまでの時間
Ｔと音響信号の試料内の伝播速度Ｖとの積より求める。

Ｑ　＝　Ｔ−ｖ−−−−−−一（３）７ここで、送信の音響信号の周波数がＡ　Ｈｚで受信子の
共振周波数がＡおよびＢＨｚ（Ａ＞Ｂ）の２種類の場合
の受信波形を第１７図に示す。

まず、受信強度についてみると、距離Ｑ１においてはＡ
　Ｈｚの受信子のほうがＢ　Ｈｚの受信子より高い。し
かし、高い周波数のほうが減衰率が大きいため、長い距
離Ｑ２では逆にＢ　Ｈｚの受信子の受信強度のほうが、
Ａ　Ｈｚの受信子より高い。

次に伝播時間についてみてみる。上述のように受信波の
立上りまでの時間が伝播距離に対応する。

しかし、ノイズ等のため、受信波の立上りを自動的に検
出するのは困難である。そこで、実際にはノイズを除去
するため設定したしきい値を横切るまでの時間を伝播時
間としている。この場合、第１７図に示した様に、受信
波の立上りからしきい値を横切るまでの時間Δｔが伝播
時間の誤差となる。第１７図より、距離Ｑ１ではＡ　Ｈ
ｚの受信子のほうがＢ　Ｈｚの受信子より受信強度が高
く、立上りがはやいため、この時間差Δｔは小さい。し
かし、長い距離Ｑ２では、受信強度が逆転し、Ｂ　Ｈｚ
の受信子あ時間差Δｔのほうが、Ａ　Ｈｚの受信子より
小さくなる。

上記の伝播距離党と受信強度Ｐ及び時間差Δｔとの関係
を、模式的に第１８図（ａ）、（ｂ）に示した。第１８
図（ａ）、（ｂ）では送信の周波数がＡ　Ｈｚで、受信
にＡ、Ｂ、ＣＨｚ　（Ａ＞Ｂ＞Ｃ）の３種類の受信子を
用いたものである。この第１８図（ａ）、（ｂ）から、
距離氾＾まではＡＨｚ、Ｑ＾〜ＱＢ間ではＢＨｚ、そし
てＱＢ以上ではＣＨｚの共振周波数を持つ受信子を使用
したほうが、受信強度も高く１時間差Δｔも小さく、測
定誤差も小さい。この関係を、実験で検討した結果が第
１９図（ａ）、（ｂ）である。送信の音響信号として、
５　Ｍ　Ｈｚの表面波を用い、受信子として共振周波数
１．２．２５．５ＭＨｚの３種、距離として０，１００
，２００，４００，６００ｍｍの５種類について測定し
た結果である。第１９図（ａ）、（ｂ）の実験結果は、
第１８図（ａ）。

（ｂ）の模式図とよく一致している。ここでは、受信子
が３種類のため、離散的結果となったが、多数用いれば
連続的となる。逆に受信子の設置場所が限られている時
は、Ａ　、　Ｂ　Ｈｚ　、　Ａ　、　ＣＨｚ　。

Ｂ、ＣＨｚ等の２種類の受信子を使用してもよい。

［実施例］以下本発明を、実施例を用いて説明する。

第１図は、本発明に係る第１実施例の模式図である。第
１図の構成は、３は、送信子、４は、受信子（群）、５
は、音響信号、６は、送信器、７は、受信子切換器、８
は、受信器、９は、検波器、１０は、受信波の有無測定
回路、１１は、しきい値設定回路、１２は、伝播距離測
定回路、工３は、伝播距離メモリ、１４は、比較器、１
５は、中心周波数算出回路、１６は、送信信号の周波数
分布メモリ、１７は、距離による周波数の減衰メモリ、
１８は、表示器である。

つぎに、動作について第１〜２図を用いて説明する。

あらかじめ、送信の音響信号の周波数分布ｇ（ｆ）と距
離による周波数の減衰分布ｈ　Ｃｆ、Ｑ）を実験等で求
め、それらのデータを送信信号の周波数分布メモリ１６
、距離による周波数の減衰分布メモリ１７の格納してお
く。はじめに、切換器７により受信器８と受信子群４の
うち受信子ｉと接続する。又、伝播距離メモリ１３のメ
モリ内容を零にする。第２図は、信号波形説明図である
。

次に送信器６からの送信信号ア（第２図ア）により送信
子３から音響信号５（第２図イ）を送信する。伝播した
音響信号を受信子ｉで受信し、受信器８を経由して検波
器９へ送られる（第２図つ）。

検波器９でＲ−Ｆ信号を検波した受信波（第２図工）は
、受信波の有無判定回路１０で、あらかじめノイズ除去
のためにしきい値設定回路１１で設定したしきい値（第
２図才）以上の信号があるか判定される。音響信号の送
信間隔の間にしきい値以上の信号が受信できない場合に
は、切換器７を介して受信子五に切換える。受信子五で
の信号の流れは、切換器７から受信波の有無判定回路１
０までは、受信子ｉの場合と同じである。しきい値以上
の受信波が得られるまで切換器７で受信子を市、ｉｖ・
・・と順次切換えていく。たとえば、受信子ｉｉでの受
信波がしきい値以上の場合には、受信波が伝播距離測定
回路１２に送られ、伝播時間から伝゛播距離党、を測定
する。この伝播距離Ｑ１は、伝播距離メモリエ３に格納
される。同時に、比較器１４に送られ、伝播距離メモリ
１３に格納されていた前の伝播距離氾。（この場合は初
期値Ｑ。二〇となっている）と比較する。氾□と息。が
等しくない場合には、伝播距離Ｑ１を中心周波数算出回
路１５に送り、伝播距離Ｑｉに対応する値をメモリ１６
゜１７から読み出し、式（１）に基づいて中心周波数ｆ
ｍを求める。次に、この中心周波数ｆｍを共振周波数と
する受信チエに切換える。受信チエでは、しきい値以上
の受信波が受信できるはずであり、切換器７から比較器
１４までの信号の流れは、受信子五の場合と同じである
。伝播距離測定回路１２で求めた受信子■での伝播距離
をＱ２とすると、比較器１４では、このＱ２とメモリ１
３に格納されている受信子■での伝播距離麩□とを比較
する。もし、ａよとＩ１２が等しければ、この伝播距離
Ｑ２を表示器１８へ送り、表示する。しかし、ＱｌとＱ
２が１− 等しくない場合には、中心周波数算出回路１５にＱ２を
送り、Ｑ２に対応する中心周波数ｆｍを求める。

この中心周波数ｆｍに対応する受信子に切換え、送信を
開始する。以後の手順は受信子Ｉの場合と同じであり、
比較器１４で、今求めた伝播距離とメモリ１３の格納さ
れている前の伝播距離が等しくなるまで繰り返される。

第２図は、上記第１実施例の各段階における信号波形の
模式図、第３図は、動作の流れ図である。

第１図の実施例では、受信子を変更するか伝播距離を表
示して終了するかは、伝播距離を比較することで実施し
ていた。しかし、中心周波数算出回路１５と切換器７と
の間に比較器を入れて中心周波数を比較することで、上
記判定を実施しても。

同じ結果となる。

つぎに、第２実施例を、第４図を用いて説明する。第４
図の構成は、１９は、受信強度検出回路。

２０は、受信強度メモリ、２１は、受信波形メモリ、２
２は、最大受信強度検出回路、２３は、ＡＮＤ素子であ
り、３〜１８は、第１図と同一の表Ｚ示なので省略する。つぎに、動作について説明する。す
でに述べたように、受信強度が最大となる周波数で受信
したときが、測定誤差もほぼ最小となる。そこで、受信
強度が最大となる周波数で伝播距離を測定するのが第４
図の装置である。切換器７により受信器８と受信子群４
のうち受信子ｉと接続する。まず、送信器６からの送信
信号により、送信子３から音響信号５を試料中へ送信し
、受信子ｉで受信する。受信信号は、受信器８を経て検
波器９にて検波され、受信強度検出回路１９と受信波形
メモリ２１に送られる。受信波形メモリ２↓では、受信
波形と受信子番号ｉｔ＆記憶し、記憶を終えると信号を
ＡＮＤ素子２３に送る。受信強度検出回路１９では、ノ
イズ除去のためあらかじめ、しきい値設定回路１１で設
定したしきい値以上の信号のなかで、ピーク値を受信強
度Ｐｉとして検出する。この受信強度Ｐｉと、その時の
受信子番号ｉを受信強度メモリ２０に記憶し、記憶を終
えたら信号をＡＮＤ素子２３に送る。

受信強度メモリ２０および受信波形メモリ２１に記憶を
終了したら、ＡＮＤ素子から信号を出力し、切換器７に
より受信子狙に切換え、上述の受信子ｉの場合と同様に
して受信強度Ｐｉｉを求め、受信強度メモリ２０に受信
子番号五と受信強度Ｐ五を記憶する。その後、受信子を
順次切換えて、すべての受信子について、上記操作を実
施する。

すべての受信子での受信強度と受信子番珍を受信強度メ
モリ２０に記憶したら、最大受信強度検出回路２２で最
大受信強度を検出し、その時の受信子■を決定する。そ
の受信チエに対応する受信波形を受信波形メモリ２１か
ら読み出し、伝播距離測定回路１２に送る。伝播距離測
定回路１２では、伝播距離を測定し、その結果を表示器
１８へ送り表示する。

第５図は、上記第２実施例の流れ図である。

第４図の第２実施例では、第１図の第１実施例と異なり
、送信の音響信号の周波数分布ｇ　Ｃｆ）、伝播距離に
よる周波数の減衰分布ｈ　Ｃｆ、　Ｑ）をあらかじめ実
験等で求め、メモリに格納しておく必要がないため、装
置の簡易化という利点がある。

第３実施例を、第６図を用いて説明する。

第６図において、２４は、回路切換器であり、その他の
符号は、第１，４図の表示と同一である。

第６図の第３実施例では、第４図の第２実施例における
装置から、受信波形メモリ２１およびＡＮＤ素子２３を
削除したものである。

まず、切換器２４により検波器９と受信強度検出回路１
９とを接続する。次に、切換器７により受信子群４の各
受信子を順次切換えて、各素子での受信強度を求め、受
信子番号と受信強度を受信強度メモリ２０に記憶する。

全受信子について受信強度メモリ２０に記憶し終えたら
、最大受信強度検出回路２２で受信強度が最大となる受
信子番号工を求める。ここまでは、第４図の実施例と同
じである。この後、第６図の実施例では、切換器２４に
より検波器９と伝播距離測定回路１２とを接続する。１
番目の受信子を用いて、再び音響信号を受信し、受信信
号を伝播距離測定回路１２に送信する。所持距離測定回
路１２では伝播距離を測定し、表示器１８へ送り、表示
する。

第７図は、上記第３実施例の流れ図である。

以上の第１〜３実施例は、伝播距離すなわち、送信子と
受信子間の距離がわからない場合の例である。しかし、
例えば原子炉圧力容器の溶接線の検査に用いる自走式検
査装置の位置を標定する場合には、自走式検査装置のス
タート位置がわかっており、また、数種類の共振周波数
の受信子を用いる。第８図（ａ）は、この関係を示した
もので、Ａ、Ｂ、Ｃ３個の受信子４を用い、スタート時
の伝播距離は悲。である。第８図（ｂ）、（ｃ）に示し
たように、あらかじめ、受信子Ａ、Ｂ、Ｃについて伝播
距離氾に対する受信強度Ｐ及び時間差Δｔとの関係を調
べ、ａ＾、ＱＢを求めておく。伝播距離氾。からスター
ト後、伝播距離氾が悲＾までは受信子Ａ、Ｑ＾、ＵＢの
間では受信子Ｂ、　ｆｌＢ以上では受信子Ｃを用いるこ
ととする。これを具体化した実施例を第９図に示す。

第４実施例を、第９図を用いて説明する。第９図の構成
は、２５は、比較器、２６は、氾＾、　ｐＢのメモリで
あり、その他の符号は、第１．４．６図の表示と同一で
ある。第４実施例の動作について説明する。

まず、切換器７により受信子Ａと受信器８とを接続する
。送信器６からの送信信号により、送信子３から音響信
号を試料内へ送信し、受信子Ａで受信する。受信信号は
切換器７、受信器８を経て、検波器９へ送られる。検波
後、伝播距離測定回路１２で伝播距離ａが測定される。

伝播距離ａは、表示器１８へ送られ表示されると同時に
、比較器２５へ送られる。比較器２５では、現在の伝播
距離氾をあらかじめメモリ２６に格納しておいたＲＢ。

ＱＣの値と比較し、第８図（ｂ）、（ｃ）で説明したよ
うに、次の条件で受信子を選択する。

氾くａ＾：受信子Ａ氾＾≦ａ＜氾Ｂ：受信子Ｂ氾Ｂ≦氾：受信子Ｃ切換器７により、受信子Ａを比較器２５で選択した受信
子へ切換えて再び送信し、伝播距離ａを測定する。

第９図の実施例の流れ図を第１０図に示す。

第９図の実施例では、検査装置が移動しながらでも伝播
距離を測定できる利点がある。

ここまでの実施例で示した受信子群は、全ての受信子が
常に試料面に接触したものである。第１１図は、第５実
施例の構成略系図である。第１１図において、２７は、
回転ドラム、２８は、エアシリンダ、２９は、圧縮機、
３０は切換器、３１は、回転装置、４は、受信子、■は
、試料（被検体）である。第１１図は、受信子ｉが試料
１に接続し受信している状態を示す。以下、動作につい
て説明する。まず、入力信号Ｓにより、受信子■が選択
されたとすると、切換器３０では、圧縮機２９からエア
シリダ２８へ供給している圧縮空気を一旦止める。これ
により、受信子ｉのエアシリンダは縮み、受信子ｉは試
料ｌから離れる。その後、回転装置により、回転ドラム
２７を回転させて受信干出を受信子ｉの位置にセットす
る。最後に、切換器３０により、空気の流れを受信子■
のエアシリンダに変えて、圧縮空気を送る。これにより
、エアシリンダが伸びて、受信干出は試料ｌへ接触し、
音響信号の受信が可能となる。本実施例は、受信子８個
の場合であるが、これにかぎるものではない。

第１１図の第５実施例によれば、多数の受信子のうち試
料１と接触しているのは、１個の受信子だけであり、接
触面積が小さくてすむ利点がある。

また、受信子の選択、切換を確実に、容易に実施できる
。

［発明の効果］本発明によれば、送信子に到達する音響信号の中心周波
数を共振周波数とする受信子で常に受信できるので、送
信に高い周波数の音響信号を用いた場合でも、遠方にお
いて高い受信感度を受信でき、送信子と受信子間の距離
（伝播距離）を精度良く測定できる効果がある。例えば
、送信に５ＭＨｚの表面波を用いた場合、２．２５ＭＨ
ｚの受信の方が５　Ｍ　Ｈｚの受信子にくらべて、距離
６００ｍｍにおいて受信感度は１４ｄＢ高く、測定精度
は５０％も向上することになる。

【図面の簡単な説明】

１９− 第１図は、第１実施例の構成略系図、第２図は、第１図
の信号波形説明図、第３図は、第１図の流れ図、第４図
は、第２実施例の構成略系図、第５図は、同上流れ図、
第６図は、第３実施例の構成略系図、第７図は、同上流
れ図、第８図（ａ）。（ｂ）、（Ｑ）は、第４実施例の説明図、第９図は、第
４実施例の構成略系図、第１０図は同上流れ図、第１１
図は、第５実施例の模式図、第１２図は、従来例の説明
図、第１３〜１５図は、周波数分布−伝播距離−受信強
度説明図、第１６図は、伝播距離測定説明図、第１７図
は、受信波形説明図、第１８図（ａ）は、受信強度−伝
播距離、同図（ｂ）は、時間差−伝播距離の関係図、第
１９図（ａ）、（ｂ）は、同上図の実験結果図である。く符号の説明〉１・・・圧力容器（試料）、２・・・検査装置、３・・
・送信子、４・・・受信子（群）、５・・・音響信号、
６・・・送信器、７・・・切換器、８・・・受信器、９
・・・検波器、１０・・・受信波の有無判定回路、１１
・・・しきい値設定回路、１２・・・伝播距離測定回路
、１３・・・伝播距離２０− メモリ、１４・・・比較器、１５・・・中心周波数算出
回路、１６・・・送信信号の周波数分布メモリ、１７・
・・距離による周波数の減衰分布メモリ、１８・・・表
示器、１９・・・受信強度検出回路、２０・・・受信強
度メモリ、２１・・・受信波形メモリ、２２・・・最大
受信強度検出回路、２５・・・比較器、２６・・・α＾
、Ｑｓのメモリ、２７・・・回転ドラム、２８・・・エ
アシリンダ、２９・・・圧縮機、３０・・・切換器、３
１・・・回転装置。

Claims

【特許請求の範囲】１、送信器からの音響信号を送信する送信子と、その信
号を受信することができる複数個の受信子と、それらの
機能を制御する制御回路とを備えた距離測定装置におい
て、送信子から送信するピークの周波数と、少くとも１
つは異なる共振周波数を有する受信子で受信することを
特徴とする距離測定装置。２、請求項１記載の距離測定装置において、受信子を切
換える手段と、伝播距離に応じた音響信号のピークの周
波数を算出する手段とを設け、このピークの周波数を共
振周波数とする受信子で音響信号を受信することを特徴
とする距離測定装置。３、請求項１記載の距離測定装置において、受信子を切
換える手段と、受信した音響信号の強度を検出する手段
と、検出した各受信子での音響信号の強度の中から、受
信強度が最大となる受信子を検出する手段とを設けて、
音響信号が最大となる受信子で音響信号を受信すること
を特徴とする距離測定装置。４、請求項１記載の距離測定装置において、受信子を切
換える手段と、予め、距離に応じて受信子を選定し、そ
れらの受信子を交換する距離を記憶する手段と、測定し
た距離と、受信子を交換する距離とを比較する手段とを
設けて、距離に応じて音響信号を受信する受信子を切換
えることを特徴とする距離測定装置。５、請求項１記載の距離測定装置において、中心軸の周
りに回転可能な回転板の外周部に配設された、複数個の
受信子中の１個を、被検査体表面に接触できる位置に自
在に回転移動させることができる回転装置と、各受信子
と連通したエアシリンダに加える圧力を加減して、被検
査体表面との接触を調整する圧縮機と、圧縮機からの負
荷力を振分けて、所期の受信子に負荷する切換器とから
なる受信子切換装置を備えたことを特徴とする距離測定
装置。６、請求項１ないし５記載の距離測定装置を備えたこと
を特徴とする自走式検査装置。