JPH0493653A

JPH0493653A - Ａｅセンサの動的応答特性測定法

Info

Publication number: JPH0493653A
Application number: JP2207391A
Authority: JP
Inventors: Akira Umeda; 章梅田
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1992-03-26
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH076956B2

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、プラント類、圧力容器、地殻変動、建築構造
物等のモニタリングを弾性波を検出して行うために用い
るＡＥセンサの周波数−ゲイン特性、周波数−位相特性
の計測方法に関するものである。

［従来の技術］ＡＥ法（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）では、
普通圧電素子によるΔＥセンサを用いて、固体表面の機
械的振動が電気的信号（ＡＥ倍信号に変換されて検出さ
れる。ＡＥ倍信号信号処理・解析して、リングダウンカ
ウント数、ＡＥ事象数、最大振幅値、振幅分布、ＡＥエ
ネルギなどが抽出される。特に複数個のＡＥセンサへの
信号の到達時間差から欠陥発生位置を検出する手法はＡ
Ｅ法の特徴と考えられる。

しかしながら、稼働中の大型複雑形状の構造物において
、き裂や損傷などの監視、寿命予測、保証試験時の微小
破壊の検出、変動の推定などのより高度な要求を満たす
ために原波形解析技術を応用しようとしても、ＡＥセン
サの動的特性評価を定量的に行う技術が確立されていな
いことが、障害となっている。

近年では、建築構造物や地殻構造の内部変化に伴って発
生する弾性波をＡＥセンサで検出して、その変化を推定
することが広く行われ始ぬた。この応用では、特に低周
波数帯域でのハＥセンサの特性が十分に把握されている
ことが必要であるが、従来行われてきた技術では十分に
対応できないことが指摘されている。

したかって、問題解決のためにはＡＥセンサに対して精
度および信頼性の高い定量的な特性評価法の開発か必要
である。

［発明が解決しようとする課題］本発明の技術的課題は、ＡＥセンサの取り付は面に垂直
な方向に発生する加速度の検出機能、速度の検出機能、
変位の検出機能における動的特性（ゲイン−周波数特性
、周波数−位相特性）、即ち伝達関数を従来の方法では
困難であった低周波数帯域も含めて補給で広い周波数帯
域で測定する方法を提案し、ＡＥセンサを用いた非破壊
計測技術の信頼性を向上させることにある。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するため、本発明においては、丸棒の端
面に衝撃を加えることによって発生した弾性波が、内部
を伝播してもう一方の端面に到達し反射する過程で発生
する端面に垂直な方向の変位、速度、加速度をその端面
に取り付けたＡ　Ｅセンサへの入力とし、また入力とな
る変位、速度または加速度を丸棒の側面に貼りつけたび
すみケーンによって計測し、ＡＥセンサの出力とひずみ
ケーンの出力に対してフーリエ変換、ラプラス変換、フ
ィルタ演算などの信号処理演算および弾性波理論にもと
づく誤差補正等を行うことによって、へＥセンサの加速
度検出機能におけるゲイン−周波数特性、位相−周波数
特性、速度検出機能におけるゲイン−周波数特性、位相
−周波数特性、変位検出機能におけるゲイン−周波数特
性、位相−周波数特性を測定するという手段を用いる。

才た、人力となる変位、速度または加速度の計測に丸棒
の側面に貼りつけたひずみゲージを用いる代わりに、丸
棒の端面の変位、速度を直接レーザ干渉計で計測し前記
記載の手段を用いると、さらに精度の向上を図ることが
可能になる。

［作用コ飛翔体の衝突などの方法によって丸棒内部に発生するパ
ルス状の弾性波を用いて、変位、速度、加速度をＡＥセ
ンサに与え、出力信号さともに演算処理を施すことによ
って、当該ＡＥセンサの応答特性を求めるので、低い周
波数を含めた広い周波数帯域にわたる特性を短時間で求
めることが可能となる。

［実施例］特許請求範囲ユの実施例ＡＥセンサの出力が表す物理量は周波数に依存すると考
えられている。低い周波数領域ではＡＥセンサの出力は
加速度に比例し、中程度の周波数帯域ではＡＥセンサの
出力は速度に比例し、高い周波数帯域ではＡＥセンサの
出力は変位に比例する。ＡＥセンサの動的特性の評価に
おいては、全周波数帯域にわたって、加速度検出機能に
おけるゲイン−周波数特性、位相−周波数特性、速度検
出機能におけるゲイン−周波数特性、位相−周波数特性
、変位検出機能におけるゲイン−周波数特性、位相−周
波数特性を求める必要がある。

直径に比較して十分に長い丸棒の端面に飛翔体を衝突さ
せる等の方法により衝撃を加えると丸棒の内部に弾性波
が発生して伝播するが、他端に到達し反射する時点で、
端面に弾性波の伝播速度（Ｃ）とひずみ速度（ε）の積
の２倍の加速度ａ（ｔ）が発生する。

ａ（ｔ）＝２Ｃε　　　　　　　・・・・（１）端面に
発生する速度をｖ　（ｔ）、変位をｄ（ｔ）とすると、
それぞれ（２）、（３）式が成立する。

ｖ　（ｔ）＝２Ｃε　　　　　　　、（２）ｄ　（ｔ）
＝２Ｃｆεｄ　ｔ　　　　　、、、、（３）実際にはひ
ずみゲージを丸棒の端面に貼ることはできないので、文
だけはなれた位置にひずみゲージを貼ったとすると、　
（４）、　（５）、　（６）（４）式から計算されるａ
　（ｔ　）がＡＥセンサへの加速度入力となる。（５）
式から計算されるｖ　（ｔ）かＡＥセンサへの取り付は
面に垂直な方向の速度入力となる。（６）式から計算さ
れるｄ　（ｔ　）がＡＥセンサへの取り付は面に垂直な
方向の変位入力となる。

ひずみケージで観測される応力波形は第１図すこ示すよ
うになるが、時間区間ｔ、〜ｔ、の波形は端面での反射
によって発生した引張応力波であって、衝撃か発生した
端面の方向へ伝播するので、ＡＥセンサへの入力となる
加速度、速度、変位を発生することには寄与しない。（
４）、（５）、（６）式によってＡＥセンサへの入力と
なる加速度、速度、変位を発生させるひずみは、圧縮応
力波である第１図すの時間区間１Ｊ−１，に現れるひず
みの信号（εＣ）である。　（第１図Ｃ）そこで、へＥ
センサの出力として現れたＡＥ倍信号ａ、（ｔ）（第１
図ｄ）、ＡＥセンサの加速度に対する伝達関数をＧ、’
（Ｓ）とすると（７）式が、ΔＥセンサの速度に対する
伝達関数をＧ、’（Ｓ）とすると（８）式が、ＡＥセン
サの変位に対する伝達関数をＧ。

（Ｓ）とすると（９）式が成立する。ただしＳはｊωで
、」は度数単位、ωは角周波数である。

ただし、Ｌ　［］はラプラス変換演算子である。実際に
測定される物理量はひずみであってひずみ速度ではない
ので、微分に関するラプラス変換の性質を用いて（７）
式を書き換えると（１０）式を得る。

（１０）式の絶対値と周波数の関係よりＡＥセンサの加
速度検出機能におけるゲイン−周波数特性を、（１０）
式の偏角と周波数の関係より位相−周波数特性をもとめ
ることができる。

（８）を変形して（１１）式かえられる。

同様に、　（１１）式の絶対値と周波数の関係からΔＥ
センサの速度検出機能における、ゲイン−周波数特性、
同しく　　（１１）式の偏角と周波数の関係から位相−
周波数特性が求められる。

積分に関するラプラス変換の性質を用いると、（１２）
式を導くことが出来る。

（１２）式の絶対値と周波数の関係より、ＡＥセンサの
変位検出機能におけるゲイン−周波数特性が、同じ＜　
（１２）式の偏角と周波数の関係から位相周波数特性を
求めることが可能になる。

なおひずみゲージは端面よりν巨離交だけ離れた位置に
貼り着けられているので、伝播による波頭の変形すなわ
ち分針性を考慮して補正すると、さらに精度が向上する
と考えられる。端面におけるひずみをε、（ｔ）とし、
ひずみゲージによる実測波形をε。（１）とすると、各
物理量の検出機能におけるゲインの補正関数に６（ω）
は（１３）で与えられる。

ε、（ｔ〕はステップ状の応力波か棒端面に与えられて
内部を伝播して、他端面に入射するひずみであり、丸棒
を軸対称２次元の波動伝播媒質と考える理論解析により
求められる。ε。（１）は、ステノフ状の応力波を実験
的に端面に与えてひずみゲージで計測されるひずみであ
る。（１３）式の右辺絶対−の中の関数を、Ｋ（ｊω）
とおくことにする。

また偏角の補正関数に、（ｊω）は、〈１４）式で与え
られる。

ｋ、（ｊω）　　＝ａｒｇ　（Ｋ　　（」ω））特許請
求範囲２の実施例特性評価の対象となるＡＥセンサの周波数帯域が高い場
合には、丸棒端面もしくはＡＥセンサの変位、速度、加
速度等の時間的変化を直接レーザ干渉計で計測する方法
も考えられる。

レーザ干渉計で直接ＡＥセンサへの入力となる変位の時
間的変化ｄｌ（ｔ）を計１１１１する場合、ＡＥセンサ
の変位検出機能における応答特性は（２１）式の伝達関
数で、ＡＥセンサの速度検出機能における応答特性は（
２２）式の伝達関数で、ＡＥセンサの加速度検出機能に
おける応答特性は（２３）式の伝達関数でそれぞれ表さ
れる。

各伝達関数の絶対値および偏角と周波数の関係から、ゲ
イン−周波数特性、位相−周波数特性を求めることかで
きる。

レーザ干渉計で直接ＡＥセンサへの入力となる速度の時
間的変化Ｖ　ｌ　（ｔ）を計測する場合、ＡＥセンサの
変位検出機能における応答特性は（２４）式の伝達関数
で、ＡＥセンサの速度検出機能における応答特性は（２
５）式の伝達関数で、ＡＥセンサの加速度検出機能にお
（ブる応答特性は（２６）式の伝達関数でそれぞれ表さ
れる。

特許請求範囲３の実施例レーザ干渉計で直接ＡＥセンサへの入力となる取り付は
面の変位の時間的変化ｄ、（ｔ）を測定して、ひずみゲ
ージの動的応答とひずみゲージを貼った位置から取り付
は端面までの間での波動の分散性の補正関数をもとめる
には、次のように考える。

レーザ干渉計によりＡＥセンサを取り付ける棒端面の運
動を計測している状況でステップ状の衝撃を棒端面に与
え、発生した応力波が内部を伝播して取り付は面に入射
する時のびずみをε１１．（ｔ）とすると次式が成立す
る。レーザ干渉計て端面の変位ｄ１（ｔ）を計測してい
るとする。

さらにその時にひずみゲージで観察されるひずみの信号
をε。１（ｔ）とする。レーザ干渉計による測定結果か
ら、ひずみゲージの応答性とひずみゲンを貼った位置か
ら加速度計取り付は端面までの波動の分散の両方を補償
する補正関数は、（１３）式したがって、レーザ干渉計
による変位測定によって補正関数をもとめた場合に関し
ては、以下の６つの数式が得られる。まず、加速度検出
機能におけるＡＥセンサのゲイン−周波数特性は（２９
）式で、位相−周波数特性は（３０）式で与えられる。

Ｇ、’（ｊｕ）・Ｋ１．（ｊｕ）１　　・・・・・・（
２９〉ａｒｇ（Ｇａ’（ｊｕ：１Ｋ１ａ（ｊｕ））　　
−・−＝（３０）速度検出機能におけるＡＥセンサのゲ
イン−周波数特性は（３１）式で、位相−周波数特性は
（３２）式で与えられる。

ＩＧ、’（ｊｕ）・Ｋ　１．Ｈ（Ｊω）ｊ　　・・・・
・・（３］）ａｒｇ（Ｇ、’（ｊｕ）・Ｋｚ（ｊｕ））
　　−・−・・（３２）変位検出機能におけるＡＥセン
サのゲイン−周波数特性は（３３）式で、位相−周波数
特性は（３４）式で与えられる。

Ｇ％（ｊｕ）・Ｋ＋ｄ（ｊｕ）１　　・・・・・・（３
３）ａｒｇ　（Ｃｚ’（ｊｕ）・Ｋｚ、ｉ（ｊｕ））　
　−・−・＝（３４）レーザ干渉計によりＡＥセンサを
取り付ける棒端面の運動を計測している状況でステップ
状の衝撃を棒端面に与え、発生した応力波が内部を伝播
して取り付は面に入射する時のひずみをε１１．（ｔ）
とする。レーザ干渉計で端面の変位Ｖｌ（ｔ）を計測し
ているとすると、（３５）式が成立する。

さらにその時にひずみゲージで観察されるひずみの信号
をε。１（ｔ）とする。レーザ干渉計による測定結果か
ら、ひずみゲージの応答性とひずみゲジを貼った位置か
ら加速度計取り付は端面までの波動の分散の両方を補償
する補正関数は、（１３）式と同様に考えれば、（３６
）式として得られる。

したかって、レーザ干渉計による速度測定によって補正
関数をもとめた場合に関しては、以下の６つの数式が得
られる。まず、加速度検出機能におけるＡＥセンサのゲ
イン−周波数特性は（３７）式で、位相−周波数特性は
（３８）式で与えられる。

Ｇ　、　’　（ｊｕ）・Ｋｌ、（Ｊω）ｌ　　　・・・
・（３７）ａｒｇ　（Ｇ、’（ｊｕ）・Ｆｚ−（ｊｕ）
）　　−・−・−（３８）速度検出機能におけるＡＥセ
ンサのゲイン−周波数特性は（３９）式で、位相−周波
数特性は（４Ｑ〉式で与えられる。

Ｇ、’（ｊｕ）−に、、（ｊｕ）ｌ　　　−（３９）ａ
ｒｇ（Ｇ、’（ｊｕ１ｌＫ１．（ｊｕ））　　−＝−（
４０）変位検出機能におけるＡＥセンサのゲイン−周波
数特性は（４１）式で、位相−周波数特性は（４２）式
で与えられる。

Ｇ、’（ｊｕン・Ｋｌ、〈ｊｕ）１・・・・・（４１）
ａｒｇ（Ｇｉ’（ｊｕ）−に１．（ｊｕ））　　＝−−
−−（ｏ）［発明の効果］以上に説明した本発明のＡＥセンサの動的応答特性測定
法を用いると、ＡＥセンサの特性評価方法が確立されて
いない現状において、ＡＥセンサの動的応答特性を、高
い信頼性でかつ簡便に測定することか可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、本発明に係わるＡＥセンサの動的応答特性
測定法にもとづく測定法の概念図である。第１図すはひずみゲージで計測された丸棒内部を伝播す
る弾性波を表す線図、第１図ＣはＡＥセンサの入力信号
となる変位、速度、加速度に関連するひずみを表す線区
、第１図ｄはＡＥセンサの出力を表す線図である。図２は、本発明の実施例を実際に行うための実験装置の
ブロック図である。１・・・・衝撃発生用の飛翔体２・・・・丸棒３・・・・ひずみゲージ４・・・・ＡＥセンサ５・・・・ひずみゲージ用増幅器６・・・・ＡＥセンサ用増幅器７・・・・過渡信号記憶装置８・・・・信号処理用計算機９・・・・応力波０・・・・圧縮波１・・・・距離文２・・・・変位、速度、３・・・・半透鏡４・・・・固定鏡５・・・・光検出器６・・・・カウンタ７・・・・Ｄ／Ａ変換器加速度測定用レーザ光源手続補正書（方式）１、事件の表示平成２年特許願第２０７３９１号２、発明の名称ＡＥセンサの動的応答特性測定法３、補正をする者　特許出願人住所　東京都千代田区霞が関１丁目３番１号（１１４）
氏名　工業技術院長　杉油　　賢４、指定代理人住所　茨城系つくば市梅園１丁目１番４（００３１！＞
氏名　工業技術院計量研究所長　ＩＩし部　　惜５、手
続補正指令書発送の日付区面

Claims

【特許請求の範囲】

（１）丸棒の端面に衝撃を加えることによって発生した
弾性波が、内部を伝播してもう一方の端面に到達し反射
する過程で発生する端面に垂直な方向の変位、速度また
は加速度をその端面に取り付けたＡＥセンサへの入力と
し、ＡＥセンサの出力と変位、速度または加速度を推定
するために必要になるひずみゲージの出力に対してフー
リエ変換、ラプラス変換、フィルタ演算などの信号処理
演算および弾性波理論にもとづく誤差補正等を行うこと
によって、変位検出機能、速度検出機能、加速度検出機
能など各機能におけるＡＥセンサのゲイン−周波数特性
、位相−周波数特性を測定することを特徴とするＡＥセ
ンサの動的応答特性測定法。
（２）丸棒の端面に衝撃を加えることによって発生した
弾性波が、内部を伝播してもう一方の端面に到達し反射
する過程で発生する端面に垂直な方向の変位、速度、ま
たは加速度をその端面に取り付けたＡＥセンサへの入力
とし、さらに丸棒の端面に垂直な方向の変位、速度、加
速度を直接レーザ干渉計で計測して変位検出機能、速度
検出機能、加速度検出機能など各機能におけるＡＥセン
サのゲイン−周波数特性、位相−周波数特性を測定する
ことを特徴とするＡＥセンサの動的応答特性測定法。
（３）丸棒の端面に衝撃を加えることによって発生した
弾性波が、内部を伝播してもう一方の端面に到達し反射
する過程で発生する端面に垂直な方向の変位、速度、ま
たは加速度をその端面に取り付けたＡＥセンサへの入力
とし、それらを丸棒の側面に貼りつけたひずみゲージ出
力をもとに推定するのであるが、ひずみゲージの動的な
特性が不明確なままであると誤差要因になるので、ひず
みゲージの動的な特性をレーザ干渉計で計測し、補正関
数としてもとめておいてから、ＡＥセンサの出力とひず
みゲージの出力に対してフーリエ変換、ラプラス変換、
フィルタ演算などの信号処理演算および弾性波理論にも
とづく誤差補正等を行うことによって、変位検出機能、
速度検出機能、加速度検出機能など各機能におけるＡＥ
センサのゲイン−周波数特性、位相−周波数特性を測定
することを特徴とするＡＥセンサの動的応答特性測定法
。