WO2020100641A1 - クラック検出装置とその方法 - Google Patents

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frequencies
frequency
equation
impedance
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美濃谷　直志
恵里 松永
昌人 中村
昌幸 津田
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日本電信電話株式会社
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    • G01N27/9073—Recording measured data

Definitions

  • the present invention relates to a crack detection device and method for detecting cracks in a structure.
  • Non-Patent Document 1 In order to detect cracks in a structure, there is a method of going to the site where the structure is located, visually inspecting it, and inspecting it using equipment (for example, Non-Patent Document 1). In this method, the cost of dispatching workers is incurred and it is impossible to constantly monitor the workers.
  • Non-Patent Document 2 To constantly detect cracks in a structure, for example, there is a method in which a sensor disclosed in Non-Patent Document 2 is attached to the structure and monitored.
  • the sensor has, for example, a three-layer structure of conductor-insulator-conductor, and detects the presence or absence of cracks by a change in impedance thereof.
  • the shape of the sensor is predetermined, there is a problem that it is difficult to apply it to various shapes of various structures. Further, when a dielectric such as water adheres to the terminals of the sensor, the impedance of the sensor changes. There is a problem in that it is difficult to distinguish the change in impedance caused by the adhesion of the dielectric such as water and the change over time and the change in impedance caused by the crack.
  • the present invention has been made in view of this problem, and is not limited to the shape of the sensor, and an object of the present invention is to provide a crack detection device and a method therefor capable of easily distinguishing a change in impedance due to a crack. ..
  • a crack detecting device is a crack detecting device for detecting a crack in a structure, and includes a sensor section having a three-layer structure of conductor-insulator-conductor attached to the structure, A frequency characteristic acquisition unit that acquires a plurality of frequencies at which the impedance of the sensor unit is maximum and minimum by sweeping a range of a predetermined frequency, and a crack presence / absence determination unit that determines the presence / absence of a crack from the nonuniformity of the plurality of frequencies. And a crack position table that records the relationship between the position of the crack and the direction of frequency deviation, and the difference between the two frequencies acquired by the frequency characteristic acquisition unit when the crack presence / absence determination unit determines that there is a crack. And a crack position detecting section for detecting the position of the crack by referring to the crack position table with the code.
  • a crack detection method is a crack detection method executed by a crack detection device including a sensor unit attached to a target structure for detecting a crack, and sweeps a predetermined frequency range. Then, the frequency characteristic acquisition step of acquiring a plurality of frequencies where the impedance of the sensor unit becomes maximum and minimum, a crack presence / absence determination step of determining the presence / absence of a crack from the inhomogeneity of a plurality of frequencies, and the crack presence / absence determination step When it is determined that there is a crack, the difference between the two frequencies acquired in the frequency characteristic acquisition step is used to obtain the sign, and the crack position where the relationship between the position of the crack and the direction of the frequency shift is recorded with the sign. The gist is to perform a crack position detecting step of detecting the position of the crack by referring to the table.
  • a crack detection device and a method thereof which are not limited to the shape of a sensor and can easily discriminate a change in impedance due to a crack.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a conceptual configuration of a frequency characteristic acquisition unit shown in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a specific functional configuration example of a frequency characteristic acquisition unit shown in FIG. 7.
  • the sensor unit used in the embodiment of the present invention will be described.
  • the sensor part has a structure in which a soft film sandwiches a three-layer structure of conductor-insulator-conductor.
  • the sensor part is used by being attached to the target structure that detects the presence or absence of cracks. If the conductor on the structure side of the sensor part attached to the structure is regarded as one terminal and the conductor on the outside is the other terminal, the sensor part is represented by one terminal pair AB and the other terminal pair CD. It can be represented by an equivalent circuit of the transmission line.
  • Impedance Zt seen from one terminal pair AB of the transmission line can be expressed by the following formula.
  • the period at which the impedance peaks is related to the length Lt of the transmission line because the terminal pair CD serves as a reflection point of electromagnetic waves and standing waves are generated between the terminal pair AB and the terminal pair CD.
  • the sensor unit in this case is represented by a circuit model in which the parasitic capacitance Cp due to water adhesion is connected to the other terminal pair CD of the transmission line.
  • variable of the trigonometric function included in the denominator and numerator in equation (3) is ⁇ Lt + ⁇ CpZo, and the standing wave frequency at which the impedance peaks also depends on the parasitic capacitance Cp. Compared with the standing wave frequency of the standing wave when there is no Cp expressed by the equation (2), the standing wave frequency of the standing wave when there is Cp changes.
  • the standing wave frequency changes with changes in the dielectric constant of the insulator due to temperature, humidity, etc. and changes over time.
  • the crack detection device makes it easy to distinguish the change in impedance of the sensor unit due to the occurrence of a crack in the structure and the change in impedance due to other factors, and is not affected by the shape of the sensor unit. Is.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration example of a crack detection device according to an embodiment of the present invention.
  • the crack detection device 100 shown in FIG. 1 includes a sensor unit 10, a frequency characteristic acquisition unit 20, a crack presence / absence determination unit 30, a crack position table 40, and a crack position detection unit 50.
  • the sensor unit 10 has a three-layer structure of conductor-insulator-conductor attached to the structure 200.
  • the sensor unit 10 can be made of, for example, a PVDF film.
  • the frequency characteristic acquisition unit 20 acquires a plurality of frequencies at which the impedance of the sensor unit 10 becomes maximum and minimum by sweeping a predetermined frequency range.
  • the frequency characteristic acquisition unit 20 can also be configured by a general measuring instrument such as an impedance analyzer, for example.
  • an FFT analyzer may be used.
  • the FFT analyzer may measure the frequency characteristic of the sensor unit 10 to measure a plurality of series resonance frequencies and parallel resonance frequencies. A specific example will be described later.
  • the crack presence / absence determination unit 30 determines the presence / absence of a crack based on the non-uniformity of a plurality of frequencies acquired by the frequency characteristic acquisition unit 20.
  • the intervals of the plurality of frequencies acquired by the frequency characteristic acquisition unit 20 are constant.
  • the sensor section 10 is cracked, variations occur in the intervals of the plurality of frequencies. Therefore, the presence or absence of cracks can be determined from the non-uniformity of a plurality of frequencies.
  • the size of the sensor unit 10 is not limited. That is, the sensor unit 10 having an arbitrary size can be used. Details will be described later.
  • the crack position table 40 is a table in which the relationship between the position of a crack on the sensor unit 10 and the direction of frequency shift is recorded.
  • the crack position table 40 is provided in advance. A specific example will be described later.
  • the crack position detection unit 50 obtains a code by taking the difference between the two frequencies acquired by the frequency characteristic acquisition unit 20, and uses the code to determine the crack position table 40. The position of the crack is detected by referring to. Since the impedance characteristic of the sensor unit 10 changes depending on the position where the crack is generated, the position of the crack can be specified by taking the difference between the two frequencies and comparing it with a preset reference. Details will be described later.
  • the crack detection device 100 is a crack detection device that detects a crack in the structure 200, and has a conductor-insulator-conductor three-layer structure sensor attached to the structure 200.
  • the unit 10 and the frequency characteristic acquisition unit 20 that acquires a plurality of frequencies at which the impedance of the sensor unit 10 is maximum and minimum by sweeping a predetermined frequency range, and the presence or absence of cracks is determined from the nonuniformity of the plurality of frequencies.
  • the crack presence / absence determining unit 30, the crack position table 40 that records the relationship between the position of the crack and the direction of the frequency shift, and the frequency characteristic acquiring unit 20 when the crack presence / absence determining unit 30 determines that there is a crack.
  • a crack position detection unit 50 that detects the position of the crack by referring to the crack position table 40 with the code by obtaining the sign of the difference between the two acquired frequencies.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the sensor unit 10 when there is a crack
  • FIG. 3 shows a circuit model when there is a crack.
  • the schematic diagram of FIG. 2 shows a state in which a crack having a gap of ⁇ l is generated from the left end of the upper conductor to Lt1 and from the right end to Lt2.
  • Cc represents the stray capacitance existing in the crack gap
  • L1 and C1 represent the inductance and capacitance per unit length when the connected portion in Fig. 2 is regarded as a transmission line.
  • the characteristic impedance of the transmission lines of length Lt1 and Lt2 is Zo (real number), and the propagation constant is ⁇ (complex number).
  • Vab is the potential difference between terminals A and B
  • V2 is the potential difference between terminals 2 and 2 '
  • V3 is the potential difference between terminals 3 and 3'
  • Vcd is the potential difference between terminals C and D.
  • the current flowing along the transmission line at terminal A is Iab
  • the current at the transmission line portion at terminal 2 is I2
  • the current at the transmission line portion at terminal 3 is I2
  • the current flowing at the terminal C along the transmission line is Icd.
  • Iab flows in the opposite direction to the terminal B
  • I2 flows in the opposite direction to the terminal 2 ′
  • I3 flows in the opposite direction to the terminal 3 ′
  • Icd flows to the opposite direction in the terminal D.
  • the following circuit equations hold.
  • K1 and K2 are constants determined by the boundary condition of the transmission line of length Lt1
  • K3 and K4 are constants determined by the boundary condition of the transmission line of length Lt2.
  • e represents the base of the natural logarithm (Napier number).
  • V2 is represented by the following equation using V3 and I3.
  • I2 from equation (8) is expressed by the following equation using V3 and I3.
  • Expressions (18) and (19) are expressed as Expressions (23) and (24), respectively.
  • K1 and K2 are represented by equation (25) and equation (26).
  • equation (29) can be expanded as equation (32).
  • Impedance Zab Vab / Iab seen from terminal AB is expressed by the following equation from equation (32) and equation (33).
  • the denominator of Zab can be expanded as follows.
  • the denominator of the equation of the transmission line impedance Zab and the variables of the trigonometric function included in the numerator are ⁇ (Lt1 + Lt2) + ⁇ z ⁇ and ⁇ (Lt1-Lt2).
  • the variable of the trigonometric function included in the impedance equation is ⁇ Lt from equation (A-2), and there is a crack.
  • the variable of the trigonometric function included in the expression of the impedance when there is a deposit (parasitic capacitance Cp) at the end of the transmission line is ( ⁇ Lt + ⁇ CpZo) from the expression (A-3).
  • the period at which the impedance peaks is (Lo Co) 0.5 (Lt1-Lt2) for the ⁇ (Lt1-Lt2) component of the two types of variables.
  • the components of ⁇ (Lt1 + Lt2) + ⁇ z ⁇ can be considered as follows.
  • the period of the component of ⁇ (Lt1 + Lt2) + ⁇ z ⁇ is ⁇ (Lo Co) 0.5 (Lt1 + Lt2) + (L1 + C1 Zo 2 ) ⁇ l / (2Zo) ⁇ .
  • are constant with respect to the frequency in the region where the crack ⁇ l is very short and the frequency is low at the initial stage of the crack. Since the width of the conductor at the cracked portion is narrower than the width of the conductor without cracks, Lo ⁇ L1 and Co> C1. From Expression (42), Ln becomes negative.
  • Equation (44) In the region where the crack ⁇ l is very short and the frequency is low at the initial stage of the crack, Zo >> ⁇ (L1-LoC1 / Co) ⁇ l / 2, and the first term of Eq. (44) becomes dominant. Therefore, the second term is considered in Equation (44) without neglecting it, because the argument is near zero.
  • the first expression (50) becomes zero in the vicinity of the frequency where the first term becomes zero.
  • the first term becomes zero when the magnitude of the sin function of the first term in Expression (50) becomes zero.
  • the variable of the Sin function becomes an integer multiple of ⁇ , the size of the sin function becomes zero. Due to the nature of the sin function, the sin function of the first term of equation (50) can be approximated by the following equation in the vicinity where the magnitude of the sin function becomes zero.
  • Fig. 4 shows an example of frequency characteristics of impedance.
  • the minimum value of the impedance at the frequencies f1 and f3 in FIG. 4 represents the peak of admittance.
  • the peak frequencies of admittance and impedance are numbered from the DC side, they become the same as m in equation (56).
  • the position of the crack can be represented by either Lt1 or Lt2, but it can also be represented by introducing a parameter standardized by the total length Lt1 + Lt2 represented by the following formula.
  • equation (61) If the first term in equation (61) is sufficiently larger than zero and ⁇ f / fb ⁇ 1, the cos function of the third term on the right side of equation (56) can be approximated by the following equation.
  • expression (56) becomes the following expression.
  • the right side of equation (64) can be derived without a frequency, and ma and mb are numbers that can be determined in advance.
  • the right side of equation (64) can be calculated in advance for any length of transducer except BL. Can be derived. Since BL> 0 as described in the equation (42), the positive and negative signs on the right side are the same as those on the left side.
  • Fma and fmb on the left side of Expression (64) are obtained by measuring the frequency dependence of admittance and impedance.
  • the result of the first evaluation function represented by the equation (65) for the combination of Loc, ma, and mb is held in advance as a crack position table, and is obtained from the measurement result of the frequency dependence of admittance and impedance. From the combination of the sign of the second evaluation function Evm, ma, and mb represented by the equation (66) and the crack position table 40, the region of Loc which is the position of the crack can be reverse-looked up.
  • Sgn in formula (65) and formula (66) is a sign function.
  • the result of the evaluation function represented by the equation (64) for the combination of Loc, ma, and mb is held in advance as the crack position table 40, and is obtained from the measurement result of the frequency dependence of admittance and impedance. It is possible to reverse-look up the region of Loc, which is the position of the crack, from the combination of the sign of Evm, ma, and mb represented by equation (65) and the crack position table 40.
  • the frequency characteristic acquisition unit 20 acquires a plurality of frequencies at which the impedance of the sensor unit 10 becomes maximum and minimum by sweeping a predetermined frequency range.
  • FIG. 7 shows a circuit model of the frequency variable signal source 21, the load unit 22, and the sensor unit 10 of the frequency characteristic acquisition unit 20.
  • the voltage signal output from the frequency variable signal source 21 is applied to the sensor unit 10 via the load unit 22 (resistor Rs).
  • the impedance of the sensor unit 10 is large, the voltage Va between the terminals A and B is also large, so the frequency at which Va peaks matches the frequency at which the impedance peaks.
  • the admittance of the sensor unit 10 is large, the current Is becomes large. As the current Is increases, the voltage drop in the load section 22 increases, so that the admittance can be found by measuring Vs-Va. Therefore, the frequency where Vs-Va peaks and the frequency where admittance peaks coincide.
  • FIG. 8 shows a configuration example of the frequency characteristic acquisition unit 20.
  • the signal from the terminal A is input to the quadrature demodulator 24 and the differential calculator 23.
  • the quadrature demodulation unit 24 separates the signal from the terminal A into the amplitudes of the in-phase component and the quadrature component of the reference signal input from the frequency variable signal source 21, and outputs the separated signal to the frequency characteristic calculation unit 26.
  • the differential operation section 23 takes the difference between the signal from the load section 22 and the signal from the terminal A and outputs it to the quadrature demodulation section 25.
  • the quadrature demodulation unit 25 separates the input signal from the differential operation unit 23 into the amplitudes of the in-phase component and the quadrature component of the reference signal and outputs them to the frequency characteristic calculation unit 26.
  • the frequency characteristic calculation unit 26 generates impedance data from the output signal of the quadrature demodulation unit 24, generates admittance data from the output signal of the quadrature demodulation unit 25, and transmits the admittance data to the crack presence / absence determination unit 30 as frequency characteristic data.
  • the crack detection device 100 is a crack detection device that detects a crack in the structure 200, and has a three-layer structure of conductor-insulator-conductor attached to the structure 200.
  • Sensor unit 10 a frequency characteristic acquisition unit 20 that acquires a plurality of frequencies at which the impedance of the sensor unit 10 is maximum and minimum by sweeping a predetermined frequency range, and the presence or absence of cracks due to the nonuniformity of the plurality of frequencies.
  • a crack presence / absence determination unit 30, a crack position table 40 recording the relationship between the position of the crack and the direction of frequency deviation, and a frequency characteristic acquisition unit when the crack presence / absence determination unit 30 determines that there is a crack.
  • a crack position detection unit 50 is provided which obtains a sign by taking the difference between the two frequencies acquired in step 20 and refers to the crack position table 40 with the sign to detect the crack position.
  • the crack presence / absence determining unit 30 sequentially assigns a plurality of frequencies having the maximum and minimum impedances from a low frequency to 1 and obtains a normalized frequency obtained by normalizing each frequency with the assigned number, If the plurality of normalized frequencies are the same, it is determined that there is no crack, and if the plurality of normalized frequencies are obtained, it is determined that there is a crack. According to this determination method, the presence or absence of cracks is determined based on a predetermined nonuniformity of a plurality of frequencies whose frequencies are standardized by numbers, and therefore is not affected by the shape of the sensor of the Zener unit 10. That is, the sensor may have any shape.
  • the crack detection device 100 makes it possible to easily distinguish the change in impedance due to a crack. It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified within the scope of the gist described in the claims.

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Abstract

センサの形状に限定されず、クラックによるインピーダンスの変化を容易に見分けることが可能なクラック検出装置を提供する。構造物２００に貼り付けられる伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造のセンサ部１０と、所定の周波数の範囲を掃引して前記センサ部のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得部２０と、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定部３０と、クラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブル４０と、クラック有無判定部３０でクラックがあると判定された場合に、周波数特性取得部２０で取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号でクラック位置テーブル４０を参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出部５０とを備える。

Description

クラック検出装置とその方法
　本発明は、構造物のクラックを検出するクラック検出装置とその方法に関する。
　構造物のクラックを検出するためには、構造物の在る現場に行き、目視、及び機器を用いて点検する方法がある（例えば非特許文献１）。この方法では、作業者を派遣するコストが生じると共に常時監視することが不可能である。
　構造物のクラックを常時検出するためには、例えば非特許文献２に開示されたセンサを構造物に貼り付けて監視する方法がある。センサは、例えば、伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造であり、そのインピーダンスの変化でクラックの有無を検出する。
コンクリート構造物のクラック検知ツール〔平成30年11月6日検索〕、インターネット（URL: http://www.kurabo.co.jp/chem/kk_crack_sensor.html） 原田隆郎、他２名、「PVDF フィルムセンサによるひび割れ検知に関する研究」、構造工学論文集Vol.59A(2013 年3 月)pp. 47-55.
　しかしながら、センサの形状は、予め決まっているため種々の構造の様々な形状に適用するのが難しいという課題がある。また、センサの端子に水等の誘電体が付着すると、センサのインピーダンスが変化する。この水等の誘電体が付着することで生じるインピーダンスの変化及び経年による変化と、クラックが生じたことによるインピーダンスの変化を見分けるのが困難であるという課題がある。
　本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、センサの形状に限定されず、クラックによるインピーダンスの変化を容易に見分けることが可能なクラック検出装置とその方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係るクラック検出装置は、構造物のクラックを検出するクラック検出装置であって、前記構造物に貼り付けられる伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造のセンサ部と、所定の周波数の範囲を掃引して前記センサ部のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得部と、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定部と、クラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブルと、前記クラック有無判定部でクラックがあると判定された場合に、前記周波数特性取得部で取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号で前記クラック位置テーブルを参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出部と
　を備えることを要旨とする。
　また、本発明の一態様に係るクラック検出方法は、クラックを検出する対象の構造物に貼り付けられるセンサ部を含むクラック検出装置が実行するクラック検出方法であって、所定の周波数の範囲を掃引して前記センサ部のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得ステップと、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定ステップと、前記クラック有無判定ステップでクラックがあると判定された場合に、前記周波数特性取得ステップで取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号でクラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブルを参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出ステップとを行うことを要旨とする。
　本発明によれば、センサの形状に限定されず、クラックによるインピーダンスの変化を容易に見分けることが可能なクラック検出装置とその方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係るクラック検出装置の機能構成例を示すブロック図である。 クラックがある場合のセンサ部の平面を模式的に示す図である。 クラックがある場合のセンサ部を伝送線で表した場合の回路モデルを示す図である。 センサ部のインピーダンスの周波数特性の例を模式的に示す図である。 クラックの位置を表すパラメータの例を示す図である。 図１に示すクラック位置テーブルの例とクラックの位置を示す図である。 図１に示す周波数特性取得部の概念的な構成を示すブロック図である。 図７に示す周波数特性取得部の具体的な機能構成例を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
　（センサ部）
　本発明の実施形態に用いるセンサ部について説明する。センサ部は、伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造を、柔らかいフィルムで挟んだ構造である。
　センサ部は、クラックの有無を検出する対象の構造物に貼り付けて使用される。構造物に貼り付けられたセンサ部の構造物側の伝導体を一方の端子、外側の伝導体を他方の端子とみなすと、センサ部は一方の端子対AB及び他方の端子対CDで表される伝送路の等価回路で表現することができる。
　伝送路の一方の端子対ABからみたインピーダンスZtは以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　上式でZoは伝送線の特性インピーダンス、γは伝播定数（複素数）、Ltは伝送線の長さを表す。ここで一般的には伝搬定数γに含まれるαを減衰定数（実数）を無視して、位相定数（実数）βとｊ=（－１）0.5を用いて、γ＝ｊβとして式（１）を展開すると以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　伝送線の単位長あたりのインダクタンスをLo、容量をCo、円周率をπ、周波数をω／２πとするとβ＝ω（Lo Co）０．５の関係が分布定数回路の理論で知られている。式（２）において、分母と分子に含まれるβLt＝ω（Lo Co）０．５Ltを変数とする三角関数により、インピーダンスは周期的にピークとなる周波数特性となる。インピーダンスがピークとなる周期が伝送線の長さLtに関係するのは、端子対CDが電磁波の反射点となって端子対ABと端子対CDの間で定在波がたつためである。構造物にクラックが生じた時では、クラックが電磁波の反射点となり定在波のたつ周波数が変わるため、インピーダンスがピークとなる周波数が変化する。
　検知対象である構造物が屋外に設置された場合、雨滴等によりセンサ部の端に水が付着することがある。また、構造物が屋内にある場合でも結露などによりセンサ部の端に水が付着することがある。この場合のセンサ部は、伝送線の他方の端子対CDに水の付着による寄生容量Cpが接続された回路モデルで表される。この時の端子対ABからみたインピーダンスはγ＝ｊβとして以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　式（３）において分母と分子に含まれる三角関数の変数はβLt＋ωCｐZoとなり、インピーダンスがピークとなる定在波のたつ周波数は寄生容量Cpにも依存する。式（２）で表されるCpがないときの定在波のたつ周波数と比較して、Cpがあるときの定在波のたつ周波数は変化する。
　また、絶縁体の誘電率の温度・湿度等での変化や経年での変化でも定在波のたつ周波数は変化する。
　このように、構造物にクラックが生じた場合だけでなく、センサ部の端に水等の誘電体が付着した場合や誘電体の温度・湿度や経年による変化でも定在波のたつ周波数が変化する。このため、センサ部の端に水等の誘電体が付着した場合および誘電体の温度・湿度や経年による変化の場合と、クラックが生じた場合を見分ける必要がある。
　本発明の実施形態に係るクラック検出装置は、構造物にクラックが生じたことによるセンサ部のインピーダンスの変化とそれ以外によるインピーダンスの変化の見分けを容易にし、センサ部の形状による影響を受けない構成である。
　（クラック検出装置）
　図１は、本発明の実施形態に係るクラック検出装置の機能構成例を示すブロック図である。図１に示すクラック検出装置１００は、センサ部１０、周波数特性取得部２０、クラック有無判定部３０、クラック位置テーブル４０、及びクラック位置検出部５０を備える。
　センサ部１０は、構造物２００に貼り付けられる伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造である。センサ部１０は、例えば、ＰＶＤＦフィルムで構成することができる。
　周波数特性取得部２０は、所定の周波数の範囲を掃引してセンサ部１０のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する。周波数特性取得部２０は、例えば、インピーダンスアナライザ等の一般的な計測器で構成することもできる。又は、ＦＦＴアナライザで構成してもよい。ＦＦＴアナライザでセンサ部１０の周波数特性を測定し、複数の直列共振周波数と並列共振周波数を測定するようにしてもよい。具体例については後述する。
　クラック有無判定部３０は、周波数特性取得部２０で取得した複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定する。センサ部１０にクラックが無い場合は、周波数特性取得部２０で取得した複数の周波数のそれぞれの間隔は一定である。センサ部１０にクラックが生じた場合は、複数の周波数のそれぞれの間隔にバラツキが生じる。よって、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定することができる。また、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するので、センサ部１０の大きさが限定されない。つまり、任意の大きさのセンサ部１０を用いることができる。詳しくは後述する。
　クラック位置テーブル４０は、センサ部１０上のクラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したテーブルである。クラック位置テーブル４０は、予め設けられる。具体例は後述する。
　クラック位置検出部５０は、クラック有無判定部３０でクラックがあると判定された場合に、周波数特性取得部２０で取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号でクラック位置テーブル４０を参照してクラックの位置を検出する。クラックが生じた位置によって、センサ部１０のインピーダンス特性は変化するので、２つの周波数の差を取り、予め設定された基準と比較することでクラックの位置を特定することができる。詳しくは後述する。
　このように本実施形態に係るクラック検出装置１００は、構造物２００のクラックを検出するクラック検出装置であって、構造物２００に貼り付けられる伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造のセンサ部１０と、所定の周波数の範囲を掃引してセンサ部１０のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得部２０と、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定部３０と、クラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブル４０と、クラック有無判定部３０でクラックがあると判定された場合に、周波数特性取得部２０で取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号でクラック位置テーブル４０を参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出部５０とを備える。
　これにより、センサの形状に限定されず、クラックによるインピーダンスの変化を容易に見分けることが可能になる。
　以下でクラックを検知する動作の原理を詳しく説明する。図２にクラックがある場合のセンサ部１０の模式図を示し、図３にクラックがある場合の回路モデルを示す。図２の模式図では上部の伝導体の左端からLt1で右端からLt2の箇所に間隙がδlのクラックが生じている状態を示している。図３の回路モデルにおいてCcはクラックの間隙の部分に存在する浮遊容量を表し、L1とC1図２においてつながっている部分を伝送線とみなした場合の単位長さあたりのインダクタンスと容量を表している。長さLt1とLt2の伝送線の特性インピーダンスをZo（実数）、伝播定数をγ（複素数）としている。
　端子AとB間の電位差をVab、端子２と２‘間の電位差をV2、端子３と３’間の電位差をV3、端子CとD間の電位差をVcdとする。また、端子Aにおいて伝送線に沿って部分に流れる電流をIab、端子２において伝送線部分の電流をI2、端子３において伝送線部分の電流をI2、端子Cにおいて伝送線に沿って流れる電流をIcdとする。分布定数回路の理論に従い、端子Bには逆方向にIabが流れ、同様に端子２‘には逆方向にI2、端子３’には逆方向にI3、端子Dには逆方向にIcdが流れるとする。本回路モデルでは以下の回路方程式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
　ここで、K1とK2は長さLt1の伝送線の境界条件によって決定される定数であり、K3とK4は長さLt2の伝送線の境界条件によって決定される定数である。また上式でeは自然対数の底（ネイピア数）を表す。
　端子CDが開放であることからIcd=0となり、式（１３）からK3とK4の関係は以下の式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
　式（１４）を式（１０）に代入すると以下の式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
  
　同様に式（１４）を式（１１）に代入すると以下の式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
  
　式（１６）で式（１５）を割るとV3とI3の関係式が以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
  
　式（９）からV2はV3とI3を用いて以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
  
　式（８）からI2はV3とI3を用いて以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
  
　式（１８）に代入する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
  
　ここで式（２０）から式（２２）のパラメータを用いると式（１８）と式（１９）はそれぞれ式（２３）と式（２４）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
  
　式（６）と式（７）からK1とK2は式（２５）と式（２６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
  
　ここでLp=L1+L2、Ln=-L1+L2すると、L1=(Lp-Ln)/2、L2=(Lp+Ln)/2となり、式（２５）と式（２６）は以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
  
　式（１７）、式（２７）、式（２８）を式（４）に代入するとVabに関して以下の式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
  
　ここで、以下のパラメータを導入すると、式（２９）は式（３２）のように展開できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
  
　式（１７）、式（２７）、式（２６）を式（５）に代入するとＩabに関して以下の式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
  
　ここで式（３０）と式（３１）を用いて展開するとIabの表式は以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
  
　端子ＡＢからみたインピーダンスZab=Vab/Iabは式（３２）と式（３３）から以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
  
　式（２）と式（３）の式展開と場合と同様に、βを位相定数（実数）、ｊを（－１）0.5として、γ＝ｊβとすると、Zabの分子は以下のように展開できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
  
　Zabの分母は以下のように展開できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
  
　クラックが入った場合では、伝送線のインピーダンスZabの式の分母と分子に含まれる三角関数の変数は、{β(Lt1+Lt2)+θz}とβ(Lt1-Lt2)の２種となる。クラックが入っておらず伝送線の端の付着物（寄生容量Cp）がない場合ではインピーダンスの式に含まれる三角関数の変数は式（A-2）よりβLtの１種であり、クラックが入っておらず伝送線の端の付着物（寄生容量Cp）がある場合のインピーダンスの式に含まれる三角関数の変数は式（A-3）より(βLt＋ωCｐZo)の１種である。この考察からクラックの有無によりインピーダンスの式に含まれる三角関数の変数の数が変化することが分かる。ここでLtは伝送線の長さを表し、Lt=Lt1+Lt2+δlの関係がある。
　クラックが無い場合でのインピーダンスのピークの周期は、β＝ω（Lo Co）０．５の関係とインピーダンスの式に含まれる三角関数の変数から考えて、Cpが無い場合で（Lo Co）０．５Lt、Cpがある場合で（Lo Co）０．５Lt＋CｐZoと周波数に依存せず一定である。
　これに対し、クラックがある場合において、２種の変数のうちβ(Lt1-Lt2)の成分に関しては、インピーダンスがピークとなる周期が（Lo Co）０．５(Lt1-Lt2)となる。{β(Lt1+Lt2)+θz}の成分に関しては、以下のように考察できる。
　以下の式で表されるパラメータθzはLp=L1+L2、式（２０）、式（２１）を用いて式（３８）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
  
　構造物に生じたクラックがまだ初期段階でクラック間隙δlが非常に短い場合には以下の近似が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
  
　さらに周波数ω/2πが低い領域では式（３９）は以下の式（４０）となり、θzは周波数に正比例する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
  
　従って、構造物に生じたクラックがまだ初期段階でクラック間隙δlが非常に短く周波数が低い領域における{β(Lt1+Lt2)+θz}の成分の周期は{（Lo Co）０．５(Lt1+Lt2)+(L1+C1 Zo2)δl/(2Zo) }となる。
　また、クラックが初期段階でのLp、Ln、|Az|と以下の式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
  
　式（４２）、式（４３）よりクラックがまだ初期段階で間隙δlが非常に短く周波数が低い領域ではLnと|Az|は周波数に対し一定となる。クラックが生じている個所の伝導体の幅は、クラックのない伝導体の幅と比較して狭いためLo<L1、Co>C1となる。式（４２）よりLnは負となる。
　次に、クラックがまだ初期段階で間隙δlが非常に短く周波数が低い領域でアドミタンスとインピーダンスがピークとなる周波数について考察する。アドミタンスはインピーダンスの逆数のため、アドミタンスのピークとなる周波数はZabの分子である式（３５）がゼロとなる周波数である。式（４１）から式（４３）を代入すると以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
  
　クラックがまだ初期段階で間隙δlが非常に短く周波数が低い領域ではZo>>ω(L1-LoC1/Co)δl/2となり式（４４）の第１項が支配的となるが、Zabの分子がゼロ近傍を議論することから式（４４）では第２項も無視せずに考慮することとした。
　支配的な式（４４）の第1項がゼロとなる周波数の近傍に式（４４）がゼロとなる周波数が存在すると考えられる。式（４４）の第1項のcos関数の大きさがゼロとなるとき第1項がゼロとなる。円周率をπとすると、cos関数の変数がπ/2の奇数倍となるときcos関数の大きさはゼロとなる。cos関数の性質によりｃos関数の大きさがゼロになる近傍では式（４４）の第１項のcos関数は以下の式で近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
  
　式（４５）と式（４６）とβ=ω(LoCo)0.5を用いて、式（４４）がゼロとなるすなわちアドミタンスのピークとなる周波数ω/2πは以下の条件を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
  
　式（４７）と式（４８）をまとめると以下の式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
  
　インピーダンスのピークとなる周波数はZabの分母である式（３６）がゼロとなる周波数である。式（４１）から式（４３）を代入すると以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
  
　クラックがまだ初期段階で間隙δlが非常に短く周波数が低い領域ではZo>>ω(L1-LoC1/Co)δl/2となり式（５０）の第１項が支配的となるが、Zabの分母がゼロ近傍を議論することから式（５０）では第２項も無視せずに考慮することとした。
　支配的な式（５０）の第1項がゼロとなる周波数の近傍に式（５０）がゼロとなる周波数が存在すると考えられる。式（５０）の第1項のsin関数の大きさがゼロとなるとき第1項がゼロとなる。Sin関数の変数がπの整数倍となるときsin関数の大きさはゼロとなる。sin関数の性質によりsin関数の大きさがゼロになる近傍では式（５０）の第１項のsin関数は以下の式で近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
  
　式（５１）と式（５２）とβ=ω(LoCo)0.5を用いて、式（４４）がゼロとなるすなわちアドミタンスのピークとなる周波数ω/2πは以下の条件を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
  
　式（５３）と式（５４）をまとめると以下の式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
  
　さらに式（４９）と式（５５）をまとめると以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
  
　式（５６）において周波数fm=ωm/2πを用いた。
　図４にインピーダンスの周波数特性の例を示す。図４の周波数f1やf3のインピーダンスの極小値はアドミタンスのピークを表す。アドミタンスとインピーダンスのピークの周波数を直流側から番号を付与すると式（５６）中のmと同じになる。
　クラックの無いδl=0の場合では式（２）や式（３）について議論したとおりアドミタンスとインピーダンスのピークの周波数は周期的であるため、隣り合うアドミタンスとインピーダンスのピークの周波数の差は一定である。このため、アドミタンスとインピーダンスのピークの周波数を直流側から付与した番号mでその周波数を規格化した周波数は一定となる。式（５６）においてもδl=0とすると右辺に周波数に依存する右辺の第３項がゼロとなるため、mで規格化した周波数fm/mは一定となる。
　クラックのある場合では、fm/mは一定ではなくなる。このため、アドミタンスとインピーダンスのピークとなる周波数を数点取得し、mで規格化した周波数の一致・不一致でクラックの有無が判定できる。
　次にクラックの位置について考察する。クラックの位置をLt1とLt2のいずれかで表すことができるが、以下の式で表される全体の長さLt1+Lt2で規格化したパラメータを導入しても表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
  
　図５にパラメータLocとトランスデューサ上の位置の関係を示す。アドミタンスとインピーダンスのピークとなる周波数を計測中に全体の長さLt1+Lt2は変化しないため式（５７）の分母は一定である。トランスデューサの中心ではLt1=Lt2となりLoc=0となる。LocはLt1と正比例するためクラックの位置が図５上の右側になる（Lt1が大きくなる）とLocは0より大きくなる。また、LocはLt2に-1を乗じた数に比例するためクラックの位置が図５上の左側になる（Lt2が大きくなる）とLocは0より小さくなる。
　式（５６）の右辺第３項のcos関数の変数にLt1-Lt2があるため、第３項のみを抽出すればパラメータLocとの関係式が得られると考えられる。クラックがあるためfm/mは一定ではないが、f1の近傍にあると考え、さらにf1はクラックが無い時にアドミタンスがピークになる最低の周波数fbの近傍にあると考えて以下の式でfmを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
  
　fbは1/4波長で定在波がたったときの周波数のため、トランスデューサの全体の長さLt1+Lt2と電磁波の速度(LoCo)-0.5とに以下の関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
  
　式（５８）を用いて式（５６）右辺の第３項のcos関数を展開すると以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000038
  
　式（６０）の展開では2πδf(LoCo)0.5(Lt1-Lt2)<<1とした。式（６０）に式（５９）を代入すると以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000039
  
　式（６１）において第１項がゼロより十分大きくδf/fb<<1とすれば式（５６）右辺の第３項のcos関数を以下の式で近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000040
  
　式（６２）を用いて式（５６）は以下の式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000041
  
　任意のma番目の周波数とmb番目の周波数についてmで規格化した周波数の逆数の差をとるとLocに依存する第３項を取り出すことができ以下の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000042
  
　式（６４）の右辺は周波数がなくても導出可能であり、maとmbは予め決定できる数である。また、任意の長さLt1+Lt2のトランスデューサに対してLocの範囲は-1<Loc<1であるため、BLを除けばどのような長さのトランスデューサ対しても式（６４）の右辺は予め導出できる。前述の式（４２）で説明したとおりBL>0であるため、右辺の正負の符号は左辺と同じである。式（６４）の左辺のfmaとfmbは、アドミタンスとインピーダンスの周波数依存性の測定により得られる。このため、予めLocとma、mbの組合せに対する式（６５）で表される第１の評価関数の結果をクラック位置テーブルとして保持しておき、アドミタンスとインピーダンスの周波数依存性の測定結果から得られた式（６６）で表される第２の評価関数Evmの符号、ma、mbの組合せとクラック位置テーブル４０からクラックの位置であるLocの領域を逆引きすることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000043
  
　式（６５）と式（６６）でsgnは符号関数である。
　アドミタンスとインピーダンスの個数を4とした場合のクラック位置テーブル４０の例を図６（ａ）に示す。例えば、はじめにma=3とmb=1でのEvmの符号を評価しEvmが正の時では、次にma=4とmb=3でのEvmを評価する。ma=4とmb=3でのEvmが正の場合では図９（ｂ）に示すトランスデューサ上の（１）の領域にクラックがあることとなる。
　上述のように、予めLocとma、mbの組合せに対する式（６４）で表される評価関数の結果をクラック位置テーブル４０として保持しておき、アドミタンスとインピーダンスの周波数依存性の測定結果から得られた式（６５）で表されるEvmの符号、ma、mbの組合せとクラック位置テーブル４０からクラックの位置であるLocの領域を逆引きすることができる。
　周波数特性取得部２０の具体例について説明する。
　周波数特性取得部２０は、所定の周波数の範囲を掃引してセンサ部１０のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する。図７に周波数特性取得部２０の周波数可変信号源２１、負荷部２２とセンサ部１０の回路モデルを示す。周波数可変信号源２１から出力された電圧信号は負荷部２２（抵抗Rs）を介してセンサ部１０に印加される。センサ部１０のインピーダンスが大きい時では端子A-B間の電圧Vaも大きいため、Vaがピークとなる周波数はインピーダンスのピークとなる周波数と一致する。センサ部１０のアドミタンスが大きい時では電流Isが大きくなる。電流Isが大きくなると負荷部２２での電圧降下が大きくなるため、Vs-Vaを測定すればアドミタンスの大きさがわかる。従ってVs-Vaがピークとなる周波数とアドミタンスがピークとなる周波数は一致する。
　図８に周波数特性取得部２０の構成例を示す。端子Ａからの信号は直交復調部２４と差動演算部２３に入力される。直交復調部２４では周波数可変信号源２１から入力される基準信号の同相成分と直交成分の振幅に端子Ａからの信号を分離し周波数特性算出部２６に出力する。差動演算部２３では負荷部２２からの信号と端子Ａからの信号の差をとって直交復調部２５に出力する。直交復調部２５では基準信号の同相成分と直交成分の振幅に差動演算部２３からの入力信号を分離し周波数特性算出部２６に出力する。周波数特性算出部２６では直交復調部２４の出力信号からインピーダンスのデータを生成し、直交復調部２５の出力信号からアドミタンスのデータを生成して周波数特性データとしてクラック有無判定部３０に送信する。
　所定の周波数範囲の周波数に対応した周波数特性データ取得したのち、アドミタンスとインピーダンスがピークとなる周波数を抽出するとともに低周波側から周波数に対応した番号を付与する。
　この後、アドミタンスとインピーダンスのピークの周波数を番号で規格化した複数の周波数が所定の不均一さ未満であればクラックが無いと判定する。規格化した複数の周波数が所定の不均一さ以上である場合には、２種の番号とピークの周波数を用いて式（６６）で表される第２の評価関数で評価した結果とクラック位置テーブル４０を照合してクラックの位置を決定する。クラックの有無の判定結果とクラックの位置の情報は、通信部（図示せず）を介して外部へ送信するようにしても良い。
　以上説明したように本実施形態に係るクラック検出装置１００は、構造物２００のクラックを検出するクラック検出装置であって、構造物２００に貼り付けられる伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造のセンサ部１０と、所定の周波数の範囲を掃引してセンサ部１０のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得部２０と、複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定部３０と、クラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブル４０と、クラック有無判定部３０でクラックがあると判定された場合に、周波数特性取得部２０で取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号で前記クラック位置テーブル４０を参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出部５０とを備える。
　また、クラック有無判定部３０は、インピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を低い周波数から１から順番に付番し、該付番した番号でそれぞれの周波数を正規化した正規化周波数を求め、複数の正規化周波数のそれぞれが同じであればクラックが無いと判定し、複数の正規化周波数が得られればクラックありと判定する。この判定方法によれば、周波数を番号で規格化した複数の周波数が所定の不均一さでクラックの有無を判定するので、ゼンサ部１０のセンサの形状の影響を受けない。つまり、センサはどのような形状で有っても構わない。
　このように本実施形態に係るクラック検出装置１００は、クラックによるインピーダンスの変化を容易に見分けることを可能にする。なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で変形が可能である。
１０：センサ部
２０：周波数特性取得部
２１：周波数可変信号源
２２：負荷部
２３：差動演算部
２４，２５：直交復調部
２６：周波数特性算出部
３０：クラック有無判定部
４０：クラック位置テーブル
５０：クラック位置検出部 

Claims (3)

  1. 　構造物のクラックを検出するクラック検出装置であって、
    　前記構造物に貼り付けられる伝導体－絶縁体－伝導体の三層構造のセンサ部と、
    　所定の周波数の範囲を掃引して前記センサ部のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得部と、
    　複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定部と、
    　クラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブルと、
    　前記クラック有無判定部でクラックがあると判定された場合に、前記周波数特性取得部で取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号で前記クラック位置テーブルを参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出部と
    　を備えることを特徴とするクラック検出装置。
  2. 　前記クラック有無判定部は、
    　インピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を低い周波数から１から順番に付番し、該付番した番号でそれぞれの周波数を正規化した正規化周波数を求め、複数の正規化周波数のそれぞれが同じであればクラックが無いと判定し、複数の正規化周波数が得られればクラックありと判定する
    　ことを特徴とする請求項１に記載のクラック検出装置。
  3. 　クラックを検出する対象の構造物に貼り付けられるセンサ部を含むクラック検出装置が実行するクラック検出方法であって、
    　所定の周波数の範囲を掃引して前記センサ部のインピーダンスが最大及び最小になる複数の周波数を取得する周波数特性取得ステップと、
    　複数の周波数の不均一性からクラックの有無を判定するクラック有無判定ステップと、
    　前記クラック有無判定ステップでクラックがあると判定された場合に、前記周波数特性取得ステップで取得した２つの周波数の差を取って符号を求め、該符号でクラックの位置と周波数のずれの方向の関係を記録したクラック位置テーブルを参照してクラックの位置を検出するクラック位置検出ステップと
    　を行うことを特徴とするクラック検出方法。  
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