JP3583225B2

JP3583225B2 - Nondestructive diagnostic method for structural members

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Publication number: JP3583225B2
Application number: JP10149296A
Authority: JP
Inventors: 秀則茅野; 康秀中久喜; 尚美川人
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH09288070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＲＣ（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅ）杭等の構造部材における破壊状況を、電磁波を用いて測定する構造部材の非破壊診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリート構造体等の非破壊での診断方法として、従来では、以下に掲げる技術などがあった。
【０００３】
▲１▼ 電磁波法
レーダーの原理を応用したもので、コンクリート内部に電磁波を放射し、電気的性質の異なる境界面での反射波を検出し、検出された反射波の到達時間や波形、エネルギー等に基づいて、破壊状況が反映されたコンクリートの厚さ、空洞の有無等の内部欠陥、鉄筋の位置等を検出しようというものである。
【０００４】
▲２▼ 弾性波法
超音波等の弾性波をコンクリート内に放射して、密度の異なる境界面での反射波を検出し、検出された反射波の到達時間や波形、エネルギー等に基づいてコンクリートの厚さ、空洞の有無、亀裂、剥離等の欠陥を検出しようというものである。
【０００５】
▲３▼ 共振方法及び機械的打撃方法
コンクリート構造体に縦振動、たわみ振動、及びねじり振動、又は機械的打撃を与え、その共振特性等を検出して破壊状況を診断しようというものである。
【０００６】
▲４▼ その他の方法
ラジオグラフィー、透過方法等のγ線、χ線等を利用する方法がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のどの診断方法においても、コンクリート構造体に印加される電磁波や振動はコンクリート内部でエネルギーが急激に減衰し、このため数１０ｃｍ〜数ｍの短い距離の探知しかできない、という問題が生じる。さらに杭のような構造部材を診断する場合、内部の鉄筋によって散乱反射波が現れて正確な測定が困難となる。
【０００８】
本発明は上記事実を考慮し、電磁波を構造部材に入射し、その反射波の複素誘電率の周波数スペクトルを検出することによって、構造体内部の破壊点の位置及び破壊状況を正確かつ広範囲に診断できる構造部材の非破壊診断方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、構造部材の破壊状況を非破壊状態で診断するための構造部材の非破壊診断方法において、前記構造部材に電磁波の伝送が可能な伝送路を該伝送路の一端が外部に出るように予め埋設し、前記伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、前記伝送路の一端の観測点において、前記入射波と、前記入射波が前記構造部材の破壊点で反射された反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定し、時間領域で測定された前記入射波の波形と前記反射波の波形とに基づいて前記入射波と前記反射波との時間差を検出し、検出された前記時間差と、前記観測点から破壊点までを伝搬する電磁波の位相速度と、に基づいて前記観測点から前記破壊点までの伝送路の長さを演算し、周波数領域で測定された入射波と反射波、及び観測点から破壊点までの前記伝送路の長さに基づいて前記破壊点の物質の複素誘電率の誘電スペクトルを演算し、演算された前記複素誘電率の誘電スペクトルと、既知の物質の複素誘電率の誘電スペクトルとの比較に基づいて、破壊点の物質の破壊状況を診断することを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明では、伝送路の一端に入射波が入射されると、入射波は伝送路に沿って伝搬していく。伝送路の途中で構造部材の物質が破壊された破壊点が存在すると、破壊点において誘電率が急激に変化するため、入射波の一部は破壊点で反射されて再び観測点に至る。ここで、観測点において入射波と反射波を時間領域及び周波数領域で測定する。この測定により、入射波と反射波の強度の時間的変化の波形及び周波数スペクトルを得る。次に、時間領域で測定された入射波の波形と反射波の波形とに基づいて入射波と反射波との時間差を検出する。検出された時間差と、観測点から破壊点までを伝搬する電磁波の位相速度と、に基づいて観測点から破壊点までの伝送路の長さを演算する。ここで、観測点から破壊点までを伝搬する電磁波の位相速度は、破壊点まで存在すると予想される物質の誘電率から求められる。次に、周波数領域で測定された入射波と反射波、及び観測点から破壊点までの伝送路の長さに基づいて破壊点の物質の複素誘電率の誘電スペクトルを演算する。そして、演算された誘電スペクトルと、既知の物質の複素誘電率の誘電スペクトルとの比較に基づいて、破壊点の物質の破壊状況を診断する。例えば、演算された複素誘電率の周波数スペクトルが、ある物質の複素誘電率の周波数スペクトルに最も近い場合、当該物質が破壊点を構成する物質と診断する。
【００１１】
このように予め埋設された伝送路に沿って電磁波を送ることができるので、フーチング等を壊すことなく完全に非破壊状態で構造部材の内部の破壊状況を探知でき、また構造部材がＲＣ杭のようなものである場合に鉄筋等によって電磁波が散乱するおそれが少なくなる。さらに、入射波と反射波とから各々の物質の状態特有の複素誘電率及び時間差を導くので、破壊点の物質の種類と位置とを従来技術では考えられない正確さで検出することができる。そのため、今までできなかった施工後の杭に対する信頼性のある管理が簡便にできるようになる。
【００１２】
請求項２の発明は、構造部材の破壊状況を非破壊状態で診断するための構造部材の非破壊診断方法において、前記構造部材に電磁波の伝送が可能な伝送路を該伝送路の一端が外部に出るように予め埋設し、前記構造部材の表面近傍の複素誘電率を測定するセンサーを予め埋設し、破壊により複数の層に区切られた前記構造部材における第１層の複素誘電率を前記センサーを用いて測定し、前記伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、前記伝送路の一端の観測点において、前記入射波と、前記入射波が前記複数の層の境界で反射された各々の反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定し、時間領域で測定された前記入射波の波形と前記反射波の波形とに基づいて、電磁波が前記複数の層の境界間で往復するに要する往復時間を各々測定し、周波数領域で測定された反射波に基づいて、前記構造部材における第２層以降の層の複素誘電率を演算し、各々の層において求められた複素誘電率及び往復時間に基づいて、各層の厚さを演算することを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明では、構造部材の表面近傍の複素誘電率を測定するセンサーを予め埋設しておき、まず、破壊により複数の層に区切られた前記構造部材における第１層の複素誘電率をこのセンサーを用いて測定する。次に、伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、伝送路の一端の観測点において、入射波と、入射波が前記複数の層の境界で反射された各々の反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定する。時間領域で測定された入射波の波形と反射波の波形とに基づいて、電磁波が前記複数の層の境界間で往復するに要する往復時間を各々測定する。また、周波数領域で測定された反射波に基づいて、構造部材における第２層以降の層の複素誘電率を演算する。そして、各々の層において求められた複素誘電率及び往復時間に基づいて各層の厚さを演算する。このように、第１層の複素誘電率のみを予め構造部材に埋設されたセンサーにより事前測定することによって第１層の物質の複素誘電率が正確に求められ、より正確に各層の厚さが求められる。
【００１４】
請求項３の発明は、構造部材の破壊状況を非破壊状態で診断するための構造部材の非破壊診断方法において、前記構造部材に電磁波の伝送が可能な伝送路を該伝送路の一端が外部に出るように予め埋設し、前記構造部材の表面近傍の複素誘電率を測定するセンサーを予め埋設し、破壊により複数の層に区切られた前記構造部材における第１層の複素誘電率の誘電スペクトルを前記センサーを用いて測定し、前記伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、前記伝送路の一端の観測点において、前記入射波と、前記入射波が前記複数の層の境界で反射された各々の反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定し、時間領域で測定された前記入射波の波形と前記反射波の波形とに基づいて、電磁波が前記複数の層の境界間で往復するに要する往復時間を各々測定し、周波数領域で測定された反射波に基づいて、前記構造部材における第２層以降の層の複素誘電率の誘電スペクトルを演算し、各々の層において求められた複素誘電率及び往復時間に基づいて、各層の厚さを演算し、各々の層において求められた複素誘電率の誘電スペクトルと、既知の物質の複素誘電率の誘電スペクトルとの比較に基づいて、各層における物質の破壊状況を診断することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明では、第１層の複素誘電率の誘電スペクトルを予め構造部材に埋設されたセンサーにより事前測定すると共に、反射波に基づいて第２層以降の層の複素誘電率の誘電スペクトルを求めるので、各層の物質の破壊状況をより正確に診断することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明における前記伝送路が、互いに略平行になるように保持された２本のケーブルで構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明では、前記伝送路が互いに略平行な２本のケーブルで構成されているため、伝送される電磁波の減衰や散乱が少なく、しかも伝送路の屈曲等により反射波を生じるので、正確な検出が可能となる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明において、立ち上がりの早いステップ状の電磁波を前記入射波として前記伝送路に入射することを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明では、立ち上がりの早いステップ状の電磁波を入射波として伝送路に入射するため、入射波の波形と各反射波の波形の時間領域及び周波数領域における分離が明瞭となり正確な診断が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
本実施の形態に係る破壊状況測定システムの概略の構成を図１に示す。図１に示されたように、本測定システムによる破壊状況の対象となるＲＣ杭２６には、２本のケーブルを互いに平行に設置することにより電磁波の伝送を可能とした平行２伝送線路２４が埋め込まれている。なお、この平行２伝送線路２４は、ＲＣ杭２６の施工時に予め埋め込まれたものであり、例えば銅やステンレス等の金属製のケーブルで構成されている。
【００２２】
この平行２伝送線路２４を構成する一方のケーブルは、入力された電気信号のパワーを分割出力するためのパワーデバイダ１２の出力端に接続されており、パワーデバイダ１２の一方の入力端には、立ち上がりの早いステップ状の電磁波を生成出力するパルスジェネレータ１０のパルス出力端が接続されている。すなわち、平行２伝送線路２４の一方のケーブルには、パルスジェネレータ１０により生成され、パワーデバイダ１２によりパワーを分割された電磁波が入射されるようになっている。
【００２３】
さらに、パワーデバイダ１２の別の入力端には、平行２伝送線路２４を構成する他方のケーブルが接続されており、またパワーデバイダ１２の別の出力端には、電気信号のパワーを減衰させるためのアッテネータ１６が接続されている。このアッテネータ１６には、入力された電気信号をサンプリングして波形を解析するためのサンプリングオシロスコープ１８のサンプリングヘッドが接続されている。すなわち、サンプリングオシロスコープ１８は、パルスジェネレータ１０からパルスとして出力された入射波と、平行２伝送線路２４から伝送された反射波とが重畳した波形を測定できるようになっている。
【００２４】
また、サンプリングオシロスコープ１８には、パワー減衰用のアッテネータ１４を介してパルスジェネレータ１０のトリガ出力端が接続されており、パルスジェネレータ１０は、平行２伝送線路２４に入射される電磁波を生成すると同時にサンプリングオシロスコープ１８のトリガ用の信号を生成し、サンプリングオシロスコープ１８に入力する。
【００２５】
さらに、サンプリングオシロスコープ１８には、いわゆるパーソナルコンピュータ２０が接続されており、パーソナルコンピュータ２０は、サンプリングオシロスコープ１８において検出された電気信号を解析するためのプログラムを内蔵している。このプログラムが実行されると、パーソナルコンピュータ２０は、時間領域で検出された電気信号をディスプレイに表示したり、電気信号のフーリエ変換等を実行する。
【００２６】
また、パーソナルコンピュータ２０には、磁気ディスク装置２２が接続されており、該磁気ディスク装置２２には、測定対象であるＲＣ杭２６を構成している各物質（状態別にコンクリート、含水率別に土、水、空気等）の複素誘電率のデータベース２３が記憶されている。パーソナルコンピュータ２０は、このデータベース２３のデータと検出された波形データとの比較に基づいて破壊状況を検出できるようになっている。なお、データベース２３の各物質別の複素誘電率は、事前に測定されデータ化されたものである。
【００２７】
次に、ＲＣ杭２６に埋め込まれている平行２伝送線路２４の詳細な構成及び平行２伝送線路２４により伝送される電磁波の伝播の様子を図２を参照して説明する。
【００２８】
図２に示されたように、平行２伝送線路２４は、ＲＣ杭２６のほぼ中央部に鉄筋２７に接触しないように埋設され、絶縁物質で構成される平行２線路保持体２８によってほぼ平行状態が保たれるように保持されている。また、埋設された平行２伝送線路２４は、外部から電磁波を入力できるように、その一端が外部に露出されている。
【００２９】
このように保持された平行２伝送線路２４に電磁波が入射されると、入射された電磁波（入射波）は、平行２伝送線路２４のケーブルに沿って図のＰ方向に進行する。ここで、ＲＣ杭２６に破壊された部分がある場合、この破壊部分で誘電率が急激に変化する。従って、入射波の一部は破壊部分で反射され、反射波として平行２伝送線路２４のケーブルに沿って図のＱ方向に進行する。このような平行２伝送線路２４を用いることにより、伝送される電磁波の減衰や散乱が少なくなり、より正確な破壊状況の診断が可能となる。
【００３０】
次に、上記のように構成された測定システムによるＲＣ杭２６の破壊状況の測定方法の流れについて、図１、図２を参照しつつ図３のフローチャートに沿って説明する。
【００３１】
まず、パルスジェネレータ１０を用いて平行２伝送線路２４に、立ち上がりの早いステップ状の入射波を入射する（ステップ１００）。前述したように、入射波は平行２伝送線路２４に沿って図２のＰ方向に進行し、破壊点３２に至ると、誘電率が急激に変化するため、入射波の一部が図のＱ方向に反射されて観測点３０に至る。
【００３２】
このような状況下において、観測点３０で入射波及び反射波の電圧を時間領域で測定する（ステップ１０２）。なお、以下では時刻をｔとして測定結果の入射波電圧をｖ_ｉ（ｔ）、反射波電圧をｖ_ｒ（ｔ）とする。
【００３３】
次に、入射波ｖ_ｉ（ｔ）と反射波ｖ_ｒ（ｔ）との時間差を測定する（ステップ１０４）。この時間差の測定は、例えばサンプリングオシロスコープ１８に表示された波形の観測に基づいて行う。図４に例示されたように、Ｐ方向に進行するステップ状の入射波ｖ_ｉ（ｔ）が破壊点３２で反射すると、立ち上がりの緩慢な反射波ｖ_ｒ（ｔ）が平行２伝送線路２４に沿ってＱ方向に伝送されて観測点３０に至る。
【００３４】
ここで観測点３０において時間領域で観測された波形を、サンプリングオシロスコープ１８のディスプレイで表示すると、ディスプレイには、図示のように入射波ｖ_ｉ（ｔ）と反射波ｖ_ｒ（ｔ）とがある時間差Δｔをもって重畳した波形が表示される。この時間差Δｔは、入射波が破壊点３２に至るまでの時間と、反射波が破壊点３２から観測点３０までに至る時間とが加算されたものである。そして、オペレータが目視によりこの波形に基づいて時間差Δｔを検出する。入射波として立ち上がりの早いステップ状の電磁波を用いれば、入射波と反射波との波形の分離が容易となり、正確な位置の検出が可能となる。なお、時間差Δｔの検出を、パーソナルコンピュータ２０のプログラムによる波形解析で行っても良い。
【００３５】
次に、測定された時間差Δｔと、平行２伝送線路２４を伝搬する電磁波の位相速度ｃ_０とに基づいて、観測点３０から破壊点３２までの平行２伝送線路２４の幾何学的な長さｄを次式によって求める（ステップ１０６）。
【００３６】
ｄ ≒ ｃ_０＊ Δｔ／２・・・・・（１）
但し、（１）式では、平行２伝送線路２４を伝搬する電磁波の位相速度ｃ_０を観測点から当該破壊点との間に存在すると予想される物質の誘電率に基づいて得られる位相速度に近似している。
【００３７】
（１）式により、観測点３０から破壊点３２までの平行２伝送線路２４の長さｄが求められ、これにより破壊点３２の位置を近似的に検出することができる。
【００３８】
次に、入射波電圧ｖ_ｉ（ｔ）及び反射波電圧ｖ_ｒ（ｔ）のフーリエ変換ｖ_０（ω）、ｒ_ｘ（ω）を各々演算する（ステップ１０８）。ここで、ωは角振動数である。
【００３９】
次に、入射波のフーリエ変換ｖ_０（ω）と反射波のフーリエ変換ｒ_ｘ（ω）と、に基づいて破壊点３２の物質の複素誘電率ε^＊ _ｘ（ω）の誘電スペクトルを求める（ステップ１１０）。ここで、ε^＊ _ｘ（ω）は次のようにして求められる。
【００４０】
まず、入射波のフーリエ変換ｖ_０（ω）と反射波のフーリエ変換ｒ_ｘ（ω）との関係をε^＊ _ｘ（ω）を用いて表すと次式のように与えられる。
【００４１】

とする。
【００４２】
また、ｄはステップ１０６で求められた破壊点３２の反射面で電極として作用する平行２伝送線路のケーブルの幾何学長、すなわち、観測点３０から破壊点３２までのケーブル長である。また、ケーブル長ｄに平行２伝送線路２４の固有値γを乗じたγ×ｄは、電極として作用する平行２伝送線路２４のいわゆる電気長に相当する。なお、ｃは真空中の光速度を示している。
【００４３】
ここで、（２）式をε^＊ _ｘ（ω）について解くと、次式が得られる。

（３）式により、ｖ_０（ω）及びｒ_ｘ（ω）を測定することによって破壊点３２の物質の複素誘電率ε^＊ _ｘ（ω）の誘電スペクトルが求められることがわかる。
【００４４】
実際には、同じ測定システムでｖ_０（ω）とｒ_ｘ（ω）とを同時に高精度測定することは極めて難しいため、いわゆるディファレンス法を用いる。この方法では、複素誘電率が既知の標準物質を用いて反射波を測定し、未知物質の反射波との差をフーリエ変換し、未知物質の複素誘電率を求める。まず、標準物質についても（３）式は成立するので、標準物質の誘電率をε^＊ _ｓ（ω）、標準物質の反射波電圧をｒ_ｓ（ω）とすると、次式が得られる。
【００４５】

（３）式と（３）’式からｖ_０（ω）を消去すると、

が得られる。
【００４６】
但し、

とする。なお、標準物質としては、ＧＨｚ領域でε^＊ _ｘ（ω）とε^＊ _ｓ（ω）の値が近いものほど良い。
【００４７】
次に、ステップ１１０で求められた複素誘電率ε^＊ _ｘ（ω）の誘電スペクトルと、データベース２３に記憶されている既知の物質（誘電率既知）の複素誘電率ε^＊ _ｓ（ω）の誘電スペクトルとを比較し、この比較に基づいて破壊点３２の物質の破壊状況を診断する（ステップ１１２）。この破壊状況の診断は、次のような原理に基づいて行われる。
【００４８】
すなわち、ステップ１１０で求められた複素誘電率ε^＊ _ｘ（ω）の誘電スペクトルは、破壊点３２の物質の種類のみならず、当該物質の物理的状態、例えば、含水率、破壊の度合い等を反映している。複素誘電率ε^＊ _ｘ（ω）の実数部ε’は分極の大きさ、虚部ε”はエネルギーの吸収を表しており、その周波数特性は、図５に示されたような分布を示す。物質の種類や状態により緩和時間τの分布等が異なってくるため、誘電スペクトルがどの物質のどの状態の誘電スペクトルに近いかを判定すれば、破壊点３２の物質の種類や状態を診断することができる。
【００４９】
この破壊状況の診断において、観測された複素誘電率の誘電スペクトルとデータベース２３に記憶されている既知の標準資料の複素誘電率の誘電スペクトルとをパーソナルコンピュータ２０に表示させてオペレータがスペクトルの類似判定を行うようにしても良い。
【００５０】
さらに、複素誘電率の単なる類似のみを判定するだけではなく、どの程度スペクトルが異なっているかを定量化することにより、当該物質がどのような破壊状況にあるかを診断することができる。例えば、誘電スペクトルは、いわゆるＨａｖｒｉｌｉａｋ−Ｎｅｇａｍｉの式で表されることが経験的にわかっており、測定された誘電スペクトルと当該式の分布とを比較することにより、破壊状況を診断する。
【００５１】
以上のように第１の実施の形態の破壊状況の診断方法によって、フーチング等を壊すことなく完全に非破壊状態で、破壊点３２の物質と破壊点の位置とを従来技術では考えられない正確さで検出することができる。そのため、今までできなかった施工後の杭に対する信頼性のある管理が簡便に出来るようになる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る非破壊診断方法では、観測点から破壊点までの距離を求める際に、電磁波の位相速度ｃ_０を観測点から当該破壊点との間に存在すると予想される物質中を伝搬する速度に近似していた。しかし、実際には、破壊状況や物質の種類等により誘電率が異なってくるため、この誘電率の変化により伝搬速度が異なってくる。このため、計測された破壊点の位置は、仮定した伝搬速度が実際の伝搬速度とは異なることに起因する誤差を含むものとなる。
【００５３】
そこで、第２の実施の形態では、より正確に破壊点の位置や複素誘電率を測定する方法を以下に開示する。なお、計測システムの構成例等は、第１の実施の形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
【００５４】
図７に、第２の実施の形態に係る非破壊診断方法で使用する同軸ケーブルセンサーの埋め込み例を示す。図７に示すように、第２の実施の形態に係るＲＣ杭２６には、所定長の同軸ケーブルがその入力端４０ａが外部に露出するように平行２伝送線路２４に略平行に予め埋設されている。この同軸ケーブルセンサー４０の反射端４０ｂは、開放された状態でＲＣ杭に埋まっているので、入力端から入射波を入射させると、入射波は反射端で反射されるが、反射波のフーリエ変換は、反射端の存在する表面層（第１層）の物質の複素誘電率に依存する。
【００５５】
また、図７に例示されたＲＣ杭２６は、表面４２から順に破断面４４、破断面４６、破断面４８、．．．．により破断されており、各々破壊状況や物質等の異なる第１層、第２層、第３層、．．．．から構成されている。
【００５６】
次に、第２の実施の形態に係る非破壊診断方法により図７に示したＲＣ杭の破壊状況を診断する処理の流れについて図８のフローチャートを用いて説明する。
【００５７】
図８に示すように、まず、同軸ケーブルセンサー４０の入力端４０ａにステップ状の電磁波を入射する（ステップ２００）。
【００５８】
次に、同軸ケーブルセンサー４０による第１層の複素誘電率の事前測定を行う（ステップ２０２）。この事前測定では、反射端４０ｂで反射した反射波を入力端４０ａで測定する。この測定によって、ある特定の角振動数における入射波電圧ｖ_０（ω）、反射波電圧ｒ_ｘ（ω）が得られる。
【００５９】
次に、測定された入反射波電圧（ｖ_０、ｒ_ｘ）、同軸ケーブルセンサー４０の埋め込まれた長さｄ（表面４２から反射端４０ｂまでのケーブル長）及び同ケーブルの電気長γ×ｄに基づいて第１層の複素誘電率ε_ｘ１ ^＊を求める（ステップ２０４）。なお、この複素誘電率ε_ｘ１ ^＊は、図３のステップ１１０で示したように、（３）式から求められる。
【００６０】
ここで、角振動数ωを変化させてε_ｘ１ ^＊の周波数依存特性を求めれば、誘電スペクトルが得られる。また、第１の実施の形態で示したように、ωを変化させる代わりに、いわゆるＴＤＲ法（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）により時間領域で測定を行い、高速フーリエ変換することにより、各周波数成分のｒ_ｘ（ω）を求めても良い。これは周波数を連続的に変化させることに相当するが、極めて短時間（２０〜３０秒）で測定できる。
【００６１】
このように第１層の誘電スペクトルε_ｘ１ ^＊（ω）が得られれば、図３のステップ１１２と同様に、データベースに記憶されている既知の標準物質の誘電スペクトルと比較することにより、第１の実施の形態と同様に第１層の物質の種類又は破壊状況を診断することができる。
【００６２】
次に、パルスジェネレータ１０を用いて平行２伝送線路２４に、立ち上がりの早いステップ状の入射波を入射する（ステップ２０６）。図７に示したような複数の破断層からなるＲＣ杭の場合、平行２伝送線路２４に沿って下方に伝搬した電磁波は、各境界面４４、４６、４８、５０、．．．．で部分的に反射され、観測点に至る。すなわち、計測された反射波には、各破断面からの反射波の情報がすべて含まれている。
【００６３】
次に、平行２伝送線路２４への入射波電圧ｖ_０、及び第１層と第２層との境界面４４からの反射波電圧ｒ_ｘ’を測定する（ステップ２０８）。各境界面からの各反射波の波形は、時間領域又は周波数領域で各々異なる領域に存在するため、境界面４４からの反射波を区別することができる。特に、ステップ状の電磁波が入射波として用いられているため、他の反射波の波形から明瞭に区別することができる。
【００６４】
次に、電磁波が表面４２と境界４４との間を往復するのに要する時間ｔ’を反射波に基づいて計測し、該時間ｔ’と事前測定により得られた第１層の複素誘電率ε_ｘ１ ^＊とにより次式を用いて第１層の厚さｄ’を求める（ステップ２１０）。
【００６５】
ε_ｘ１ ^＊＝ｔ’（Ｃ_０／２γ’ｄ’）・・・・（５）
ここで、Ｃ_０は真空中の光速度であり、媒体としての第１層を伝搬する電磁波の位相速度Ｃ_１と次式により関係付けられる。
【００６６】
Ｃ_１＝Ｃ_０／√ε_ｘ１ ^＊・・・・（６）
なお、γ’は事前測定された平行２伝送線路の既知の固有値であるため、（５）式により第１層の電気長γ’ｄ’が求められれば、直ちに第１層の厚さｄ’が得られ、これにより境界面４４の位置を検出することができる。
【００６７】
次に、前述したディファレンス法により、測定した反射波電圧ｒ_ｘ’と標準物質の反射波電圧との差より反射波を生じさせた第２層の物質の複素誘電率ε_ｘ２ ^＊を求める（ステップ２１２）。この場合、反射波を生じさせると予想される物質に近い複素誘電率を有する既知の物質を標準物質とする。或いは、測定した入反射波電圧（ｖ_０、ｒ_ｘ）から、（３）式により第２層の物質の複素誘電率ε_ｘ２ ^＊を求めても良い。
【００６８】
ここで、第２層の複素誘電率ε_ｘ２ ^＊の誘電スペクトルを求めれば、図３のステップ１１２と同様に、データベースに記憶されている既知の標準物質の誘電スペクトルと比較することにより、第１の実施の形態と同様に第２層の物質の種類又は破壊状況を診断することができる。
【００６９】
次に、平行２伝送線路２４への入射波電圧ｖ_０、及び第２層と第３層との境界面４６からの反射波電圧ｒ_ｘ”を測定する（ステップ２１４）。
【００７０】
次に、電磁波が表面４２と境界４６との間を往復するのに要する時間Ｔを反射波に基づいて計測し、該時間Ｔとステップ２１２で得られた第２層の複素誘電率ε_ｘ２ ^＊とにより次式を用いて第２層の厚さｄ”を求める（ステップ２１６）。
【００７１】
Ｔ＝ｔ’ ＋ｔ” ・・・・・（７）
ε_ｘ２ ^＊＝ｔ”（Ｃ_０／２γ’ｄ”）・・・・・（８）
ここで、ｔ”は、電磁波が境界４４と境界４６とを往復するに要する時間であり、測定されたｔ’、Ｔから（７）式を用いて直ちに得られ、ｔ”を（８）式に代入すれば、第２層の厚さｄ”が得られる。ｄ’及びｄ”から境界面４６の位置を検出することができる。
【００７２】
次に、ステップ２１２〜ステップ２１６と同様の処理を第３層から最後の層まで繰り返す（ステップ２１８）。これにより、第３層以降の各層について、複素誘電率や層の厚さが得られる。
【００７３】
以上のように第２の実施の形態の破壊状況の診断方法によって、フーチング等を壊すことなく完全に非破壊状態で、ＲＣ杭２６の破壊状況が診断できる。しかも、事前測定により表層の複素誘電率を予め計測し、この情報に基づいて表層以降の層の複素誘電率や厚さ等を求めるので、第１の実施の形態よりもさらに正確な診断が可能となる。
【００７４】
以上が、本発明に係る構造部材の非破壊診断方法であるが、上記例にのみ限定されるものではない。例えば、電磁波の伝送路として平行２伝送線路２４を用いたが、図６に示すように、ＲＣ杭２６に埋設された伝送路として同軸ケーブル３４を用いるようにしても良い。
【００７５】
また、図３のステップ１０６で入射波と反射波のフーリエ変換を演算したが、バンドパスフィルタ等を用いて直接入射波と反射波の周波数特性を求めるようにしても良い。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、予め埋設された伝送路に沿って電磁波を入射し、入射波と反射波の情報に基づいて破壊点の物質の複素誘電率及び破壊点の位置を求めるようにしたので、電磁波の散乱を少なく抑えると共に、完全に非破壊状態で破壊点の物質の破壊状況や位置を正確に検出することができる、という効果が得られる。
【００７７】
請求項２の発明によれば、第１層の複素誘電率を予め構造部材に埋設されたセンサーにより事前測定し、第２層以降の層では反射波により複素誘電率を求めるようにしたので、より正確に各層の厚さが求められる、という効果が得られる。
【００７８】
請求項３の発明によれば、第１層の複素誘電率の誘電スペクトルを予め構造部材に埋設されたセンサーにより事前測定すると共に、反射波に基づいて第２層以降の層の複素誘電率の誘電スペクトルを求めるようにしたので、各層の物質の破壊状況をより正確に診断することができる、という効果が得られる。
【００７９】
請求項４の発明によれば、互いに略平行になるように保持された２本のケーブルを伝送路として用いるようにしたので、伝送される電磁波の減衰や散乱が少なく抑えられ、より敏感かつ正確に破壊状況の診断ができる、というさらなる効果が得られる。
【００８０】
請求項５の発明によれば、立ち上がりの早いステップ状の電磁波を入射波として伝送路に入射するようにしたので、入射波の波形と反射波の波形の時間領域及び周波数領域における分離が明瞭となり、より正確な破壊状況の診断ができる、というさらなる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る測定システムの概略構成図である。
【図２】ＲＣ杭に平行２伝送線路を埋設した様子を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る破壊状況の診断方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】入射波と反射波とを検出する際のサンプリングオシロスコープの概略を示す図である。
【図５】複素誘電率の誘電スペクトルの例を実数部と虚数部とに分けて示した図である。
【図６】ＲＣ杭に同軸ケーブルを埋設した様子を示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る破壊状況の診断方法の対象となるＲＣ杭の破壊構造及び第１層に埋め込まれた同軸ケーブルセンサーを示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る破壊状況の診断方法の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０パルスジェネレータ
１８サンプリングオシロスコープ
２０パーソナルコンピュータ
２３データベース
２４平行２伝送線路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nondestructive diagnostic method for a structural member such as an RC (Reinforced concrete) pile, which measures a destruction state of the structural member using electromagnetic waves.
[0002]
[Prior art]
As a non-destructive diagnosis method for a concrete structure or the like, conventionally, there have been the following techniques.
[0003]
(1) Electromagnetic wave method
An application of the radar principle that radiates electromagnetic waves into concrete, detects reflected waves at boundaries with different electrical properties, and destroys them based on the arrival time, waveform, energy, etc. of the detected reflected waves. It is intended to detect the internal defect such as the thickness of concrete, the presence or absence of a cavity, the position of a reinforcing bar, etc., reflecting the situation.
[0004]
(2) Elastic wave method
Elastic waves such as ultrasonic waves are radiated into the concrete to detect reflected waves at boundaries with different densities, and based on the arrival time, waveform, energy, etc. of the detected reflected waves, the concrete thickness and cavity It is intended to detect defects such as presence / absence, cracks and peeling.
[0005]
(3) Resonance method and mechanical hitting method
The purpose of this study is to apply longitudinal vibration, flexural vibration, torsional vibration, or mechanical impact to a concrete structure, detect its resonance characteristics, and diagnose the state of destruction.
[0006]
▲ 4 ▼ Other methods
There are methods using gamma rays, 方法 rays and the like such as radiography and transmission methods.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in any of the above conventional diagnostic methods, there is a problem that the energy of the electromagnetic waves and vibration applied to the concrete structure is rapidly attenuated inside the concrete, and therefore, only a short distance of several tens cm to several meters can be detected. Occurs. Further, when diagnosing a structural member such as a pile, a scattered reflected wave appears due to an internal reinforcing bar, making accurate measurement difficult.
[0008]
In view of the above facts, the present invention makes it possible to accurately and extensively diagnose the position of a break point inside a structure and the state of breakage by detecting a frequency spectrum of a complex permittivity of a reflected wave by injecting an electromagnetic wave into a structural member. It is an object of the present invention to provide a nondestructive diagnosis method for a structural member that can be performed.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a nondestructive diagnosis method for a structural member for diagnosing a destruction state of a structural member in a nondestructive state, wherein a transmission line capable of transmitting electromagnetic waves to the structural member is provided. Is embedded in advance so that one end of the transmission line goes outside, an electromagnetic wave as an incident wave is incident on one end of the transmission line, and at the observation point at one end of the transmission line, the incident wave and the incident wave The reflected wave reflected at the breaking point of the structural member is measured in a time domain and a frequency domain, and the incident wave and the reflected wave are measured based on the waveform of the incident wave measured in the time domain and the waveform of the reflected wave. Detecting the time difference from the reflected wave, the detected time difference, and the phase velocity of the electromagnetic wave propagating from the observation point to the breaking point, based on the transmission path length from the observation point to the breaking point based on the Calculates the input measured in the frequency domain. The dielectric spectrum of the complex permittivity of the substance at the breaking point is calculated based on the wave and the reflected wave, and the length of the transmission path from the observation point to the breaking point, and the calculated dielectric spectrum of the complex permittivity, The destruction state of the substance at the destruction point is diagnosed based on a comparison between the complex dielectric constant of the known substance and the dielectric spectrum.
[0010]
According to the first aspect of the present invention, when an incident wave is incident on one end of the transmission line, the incident wave propagates along the transmission line. If there is a break point where the material of the structural member is broken in the middle of the transmission line, the dielectric constant changes rapidly at the break point, and a part of the incident wave is reflected at the break point and reaches the observation point again. Here, the incident wave and the reflected wave at the observation point are measured in the time domain and the frequency domain. By this measurement, a waveform and a frequency spectrum of a temporal change in the intensity of the incident wave and the reflected wave are obtained. Next, a time difference between the incident wave and the reflected wave is detected based on the waveform of the incident wave and the waveform of the reflected wave measured in the time domain. The length of the transmission path from the observation point to the break point is calculated based on the detected time difference and the phase velocity of the electromagnetic wave propagating from the observation point to the break point. Here, the phase velocity of the electromagnetic wave propagating from the observation point to the breaking point can be obtained from the dielectric constant of a substance expected to exist up to the breaking point. Next, the dielectric spectrum of the complex permittivity of the substance at the break point is calculated based on the incident wave and the reflected wave measured in the frequency domain and the length of the transmission path from the observation point to the break point. Then, based on a comparison between the calculated dielectric spectrum and the dielectric spectrum of the complex permittivity of the known substance, the destruction state of the substance at the destruction point is diagnosed. For example, when the calculated frequency spectrum of the complex permittivity is closest to the frequency spectrum of the complex permittivity of a certain substance, the substance is diagnosed as a substance constituting a breaking point.
[0011]
Since the electromagnetic wave can be transmitted along the transmission line buried in advance in this way, it is possible to detect the destruction state inside the structural member in a completely non-destructive state without destroying the footing or the like, and the structural member is capable of detecting the RC pile. In such a case, the possibility that electromagnetic waves are scattered by a reinforcing bar or the like is reduced. Further, since the complex dielectric constant and the time difference specific to the state of each substance are derived from the incident wave and the reflected wave, the type and position of the substance at the breaking point can be detected with an accuracy that cannot be considered in the prior art. Therefore, reliable management of piles after construction, which could not be performed until now, can be easily performed.
[0012]
The invention according to claim 2 is a nondestructive diagnosis method for a structural member for diagnosing a destruction state of a structural member in a nondestructive state, wherein a transmission line capable of transmitting electromagnetic waves is provided to the structural member at one end of the transmission line. Embedded in advance, and a sensor for measuring a complex dielectric constant near the surface of the structural member is embedded in advance, and the complex dielectric constant of the first layer in the structural member divided into a plurality of layers by destruction is measured by the sensor. Measured, incident electromagnetic wave as an incident wave at one end of the transmission line, at an observation point at one end of the transmission line, the incident wave, the incident wave was reflected at the boundary of the plurality of layers Each reflected wave is measured in the time domain and the frequency domain, and based on the waveform of the incident wave measured in the time domain and the waveform of the reflected wave, the electromagnetic wave reciprocates between the boundaries of the plurality of layers. Each round trip time required Then, based on the reflected wave measured in the frequency domain, calculate the complex permittivity of the second and subsequent layers in the structural member, based on the complex permittivity and the round trip time determined for each layer, each layer The thickness is calculated.
[0013]
In the invention of claim 2, a sensor for measuring the complex permittivity near the surface of the structural member is embedded in advance, and first, the complex permittivity of the first layer in the structural member divided into a plurality of layers by destruction is determined. It measures using this sensor. Next, an electromagnetic wave as an incident wave is incident on one end of the transmission line, and at an observation point at one end of the transmission line, the incident wave and each reflected wave of the incident wave reflected at the boundary between the plurality of layers, Measure in the time and frequency domains. Based on the waveform of the incident wave and the waveform of the reflected wave measured in the time domain, the reciprocating time required for the electromagnetic wave to reciprocate between the boundaries of the plurality of layers is measured. Further, based on the reflected wave measured in the frequency domain, the complex permittivity of the second and subsequent layers in the structural member is calculated. Then, the thickness of each layer is calculated based on the complex permittivity and the round trip time obtained for each layer. As described above, the complex permittivity of the material of the first layer is accurately obtained by preliminarily measuring only the complex permittivity of the first layer by the sensor embedded in the structural member, and the thickness of each layer is more accurately determined. Desired.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a non-destructive diagnostic method for a structural member for diagnosing a destruction state of a structural member in a non-destructive state, wherein a transmission line capable of transmitting electromagnetic waves is provided to the structural member. A sensor for measuring a complex dielectric constant near the surface of the structural member, which is embedded in advance, and a dielectric spectrum of a complex dielectric constant of a first layer in the structural member divided into a plurality of layers by destruction. Is measured using the sensor, an electromagnetic wave as an incident wave is incident on one end of the transmission line, and at an observation point at one end of the transmission line, the incident wave and the incident wave are at a boundary between the plurality of layers. Each reflected wave is measured in the time domain and the frequency domain, and based on the waveform of the incident wave measured in the time domain and the waveform of the reflected wave, an electromagnetic wave is generated between the boundaries of the plurality of layers. Required to go back and forth The complex dielectric constants of the second and subsequent layers in the structural member are calculated based on the reflected waves measured in the frequency domain, and the complex dielectric constants obtained in the respective layers are measured. The thickness of each layer is calculated based on the round trip time, and the dielectric spectrum of the complex permittivity obtained in each layer is compared with the dielectric spectrum of the complex permittivity of a known substance. It is characterized by diagnosing the destruction situation of the vehicle.
[0015]
According to the third aspect of the present invention, the dielectric spectrum of the complex dielectric constant of the first layer is measured in advance by a sensor embedded in the structural member in advance, and based on the reflected wave, the dielectric spectrum of the complex dielectric constant of the second and subsequent layers is measured. , It is possible to more accurately diagnose the destruction state of the substance in each layer.
[0016]
A fourth aspect of the present invention is characterized in that the transmission line according to any one of the first to third aspects is constituted by two cables held so as to be substantially parallel to each other. I do.
[0017]
According to the fourth aspect of the present invention, since the transmission line is constituted by two cables that are substantially parallel to each other, attenuation and scattering of the transmitted electromagnetic wave are small, and a reflected wave is generated due to bending of the transmission line. Accurate detection is possible.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the present invention, a step-shaped electromagnetic wave having a fast rise is incident on the transmission line as the incident wave.
[0019]
According to the fifth aspect of the present invention, since the step-shaped electromagnetic wave having a fast rise time is incident on the transmission line as an incident wave, separation of the waveform of the incident wave from the waveform of each reflected wave in the time domain and the frequency domain becomes clear, and accurate diagnosis can be performed. It becomes possible.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
(First Embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of the destruction state measuring system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a parallel two transmission line 24 that enables transmission of electromagnetic waves by installing two cables in parallel with each other is provided on an RC pile 26 that is subject to a destruction situation by the present measurement system. Embedded. The two parallel transmission lines 24 are embedded in advance when the RC pile 26 is constructed, and are made of a metal cable such as copper or stainless steel.
[0022]
One of the cables constituting the two parallel transmission lines 24 is connected to the output end of the power divider 12 for dividing and outputting the power of the input electric signal. A pulse output terminal of a pulse generator 10 for generating and outputting a step-shaped electromagnetic wave having a fast rise is connected. That is, an electromagnetic wave generated by the pulse generator 10 and divided in power by the power divider 12 enters one cable of the two parallel transmission lines 24.
[0023]
The other input terminal of the power divider 12 is connected to the other cable constituting the two parallel transmission lines 24, and the other output terminal of the power divider 12 is used to attenuate the power of an electric signal. Attenuator 16 is connected. The attenuator 16 is connected to a sampling head of a sampling oscilloscope 18 for sampling an input electric signal and analyzing a waveform. That is, the sampling oscilloscope 18 can measure a waveform in which the incident wave output as a pulse from the pulse generator 10 and the reflected wave transmitted from the two parallel transmission lines 24 are superimposed.
[0024]
The sampling oscilloscope 18 is connected to a trigger output terminal of the pulse generator 10 via an attenuator 14 for attenuating power. A signal for triggering the oscilloscope 18 is generated and input to the sampling oscilloscope 18.
[0025]
Further, a so-called personal computer 20 is connected to the sampling oscilloscope 18, and the personal computer 20 has a built-in program for analyzing an electric signal detected by the sampling oscilloscope 18. When this program is executed, the personal computer 20 displays an electric signal detected in the time domain on a display, and executes a Fourier transform of the electric signal.
[0026]
Further, a magnetic disk drive 22 is connected to the personal computer 20. The magnetic disk drive 22 includes various materials (concrete for each state, soil for each moisture content, A database 23 of complex permittivity of water, air, etc.) is stored. The personal computer 20 can detect a destruction state based on a comparison between the data in the database 23 and the detected waveform data. The complex permittivity of each substance in the database 23 is measured in advance and converted into data.
[0027]
Next, the detailed configuration of the two parallel transmission lines 24 embedded in the RC pile 26 and the state of propagation of the electromagnetic wave transmitted by the two parallel transmission lines 24 will be described with reference to FIG.
[0028]
As shown in FIG. 2, the two parallel transmission lines 24 are buried in a substantially central portion of the RC pile 26 so as not to contact the reinforcing bar 27, and are substantially in a parallel state by the two parallel line holders 28 made of an insulating material. Is maintained so that One end of the buried parallel transmission line 24 is exposed to the outside so that electromagnetic waves can be input from the outside.
[0029]
When an electromagnetic wave is incident on the two parallel transmission lines 24 held in this manner, the incident electromagnetic wave (incident wave) travels in the direction P in the drawing along the cable of the two parallel transmission lines 24. Here, if there is a broken portion in the RC pile 26, the dielectric constant changes rapidly at this broken portion. Therefore, a part of the incident wave is reflected at the destruction part, and travels along the cable of the parallel two transmission lines 24 in the Q direction in the figure as a reflected wave. By using such two parallel transmission lines 24, attenuation and scattering of transmitted electromagnetic waves are reduced, and a more accurate diagnosis of a destruction state becomes possible.
[0030]
Next, the flow of the method of measuring the destruction state of the RC pile 26 by the measurement system configured as described above will be described along the flowchart of FIG. 3 with reference to FIGS.
[0031]
First, a stepwise incident wave with a fast rise is incident on the two parallel transmission lines 24 using the pulse generator 10 (step 100). As described above, the incident wave travels in the P direction in FIG. 2 along the two parallel transmission lines 24, and when reaching the destruction point 32, the dielectric constant changes rapidly. The light is reflected in the direction and reaches the observation point 30.
[0032]
Under such circumstances, the voltages of the incident wave and the reflected wave are measured in the time domain at the observation point 30 (step 102). In the following, the incident wave voltage of the measurement result is represented by v_i(T), the reflected wave voltage is v_r(T).
[0033]
Next, the incident wave v_i(T) and reflected wave v_rThe time difference from (t) is measured (step 104). The measurement of the time difference is performed based on, for example, observation of a waveform displayed on the sampling oscilloscope 18. As illustrated in FIG. 4, a stepwise incident wave v traveling in the P direction_iWhen (t) is reflected at the breaking point 32, the reflected wave v with a slow rise_r(T) is transmitted in the Q direction along the two parallel transmission lines 24 and reaches the observation point 30.
[0034]
Here, when the waveform observed in the time domain at the observation point 30 is displayed on the display of the sampling oscilloscope 18, the incident wave v_i(T) and reflected wave v_rA waveform superimposed with a certain time difference Δt with (t) is displayed. This time difference Δt is obtained by adding the time required for the incident wave to reach the breaking point 32 and the time required for the reflected wave to reach the breaking point 32 to the observation point 30. Then, the operator visually detects the time difference Δt based on this waveform. If a step-shaped electromagnetic wave with a fast rise is used as the incident wave, it becomes easy to separate the waveforms of the incident wave and the reflected wave, and the position can be detected accurately. The detection of the time difference Δt may be performed by waveform analysis using a program of the personal computer 20.
[0035]
Next, the measured time difference Δt and the phase velocity c of the electromagnetic wave propagating through the two parallel transmission lines 24 are calculated.₀, The geometric length d of the parallel two transmission lines 24 from the observation point 30 to the break point 32 is determined by the following equation (step 106).
[0036]
d ｃ c₀ * Δt / 2 (1)
However, in equation (1), the phase velocity c of the electromagnetic wave propagating through the two parallel transmission lines 24₀Is approximated to the phase velocity obtained based on the dielectric constant of the substance expected to exist between the observation point and the breaking point.
[0037]
The length d of the two parallel transmission lines 24 from the observation point 30 to the break point 32 is obtained from the equation (1), and the position of the break point 32 can be approximately detected.
[0038]
Next, the incident wave voltage v_i(T) and reflected wave voltage v_rFourier transform v of (t)₀(Ω), r_x(Ω) are calculated (step 108). Here, ω is an angular frequency.
[0039]
Next, the Fourier transform v of the incident wave₀(Ω) and the Fourier transform r of the reflected wave_x(Ω), based on the complex permittivity ε of the substance at the breaking point 32^* _xThe dielectric spectrum of (ω) is obtained (step 110). Where ε^* _x(Ω) is obtained as follows.
[0040]
First, the Fourier transform v of the incident wave₀(Ω) and the Fourier transform r of the reflected wave_x(Ω) to ε^* _xWhen expressed using (ω), it is given by the following equation.
[0041]

And
[0042]
Also, d is the geometric length of the cable of the two parallel transmission lines acting as an electrode on the reflection surface of the break point 32 determined in step 106, that is, the cable length from the observation point 30 to the break point 32. Further, γ × d obtained by multiplying the cable length d by the eigenvalue γ of the parallel two transmission lines 24 corresponds to a so-called electrical length of the parallel two transmission lines 24 acting as electrodes. Note that c indicates the speed of light in a vacuum.
[0043]
Here, equation (2) is changed to ε^* _xSolving for (ω) gives:

From equation (3), v₀(Ω) and r_xBy measuring (ω), the complex dielectric constant ε of the substance at the breaking point 32 is obtained.^* _xIt can be seen that the dielectric spectrum of (ω) is required.
[0044]
In practice, v₀(Ω) and r_xSince it is extremely difficult to measure (ω) at the same time with high accuracy, a so-called difference method is used. In this method, the reflected wave is measured using a standard substance whose complex permittivity is known, and the difference between the reflected wave and the reflected wave of the unknown substance is Fourier-transformed to obtain the complex permittivity of the unknown substance. First, since equation (3) holds for a standard material, the dielectric constant of the standard material is expressed as ε.^* _s(Ω), the reflected wave voltage of the standard material is r_s(Ω), the following equation is obtained.
[0045]

From equations (3) and (3) ', v₀When (ω) is deleted,

Is obtained.
[0046]
However,

And In addition, ε in the GHz region is used as a standard substance.^* _x(Ω) and ε^* _sThe closer the value of (ω), the better.
[0047]
Next, the complex permittivity ε obtained in step 110^* _x(Ω) and the complex dielectric constant ε of a known substance (dielectric constant known) stored in the database 23^* _sA comparison is made with the dielectric spectrum of (ω), and the destruction state of the substance at the destruction point 32 is diagnosed based on the comparison (step 112). The diagnosis of the destruction situation is performed based on the following principle.
[0048]
That is, the complex permittivity ε obtained in step 110^* _xThe dielectric spectrum of (ω) reflects not only the type of the substance at the destruction point 32 but also the physical state of the substance, for example, the water content and the degree of destruction. Complex permittivity ε^* _xThe real part ε ′ of (ω) indicates the magnitude of polarization, and the imaginary part ε ″ indicates energy absorption, and its frequency characteristic shows a distribution as shown in FIG. Since the distribution of the relaxation time τ and the like are different, the type and state of the substance at the destruction point 32 can be diagnosed by determining whether the dielectric spectrum is close to the dielectric spectrum of which substance and in which state.
[0049]
In diagnosing this destruction situation, the personal computer 20 displays the observed complex permittivity dielectric spectrum and the complex permittivity dielectric spectrum of the known standard data stored in the database 23, and the operator determines similarity of the spectrum. May be performed.
[0050]
Furthermore, it is possible to diagnose not only the similarity of the complex permittivity but also the destruction state of the substance by quantifying how much the spectrum is different. For example, it has been empirically known that the dielectric spectrum is represented by the so-called Havrilliak-Negami equation, and the breakdown state is diagnosed by comparing the measured dielectric spectrum with the distribution of the equation.
[0051]
As described above, according to the method for diagnosing the destruction situation of the first embodiment, the material of the destruction point 32 and the position of the destruction point can be accurately determined in a completely non-destructive state without breaking the footing or the like. Then you can detect. Therefore, reliable management of piles after construction, which could not be done so far, can be easily performed.
[0052]
(Second embodiment)
In the nondestructive diagnosis method according to the first embodiment, when the distance from the observation point to the destruction point is obtained, the phase velocity c of the electromagnetic wave is calculated.₀Was approximated to the speed of propagation through a substance expected to exist between the observation point and the rupture point. However, in practice, the dielectric constant varies depending on the state of destruction, the type of the substance, and the like. Therefore, the change in the dielectric constant causes the propagation speed to differ. For this reason, the measured position of the break point includes an error due to the fact that the assumed propagation speed is different from the actual propagation speed.
[0053]
Therefore, in the second embodiment, a method for more accurately measuring the position of the break point and the complex permittivity will be disclosed below. The configuration example and the like of the measurement system are the same as those in the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0054]
FIG. 7 shows an example of embedding a coaxial cable sensor used in the nondestructive diagnosis method according to the second embodiment. As shown in FIG. 7, a predetermined length of coaxial cable is embedded in the RC pile 26 according to the second embodiment substantially in parallel with the parallel two transmission lines 24 so that the input end 40a is exposed to the outside. ing. Since the reflection end 40b of the coaxial cable sensor 40 is buried in the RC pile in an open state, when an incident wave is made incident from the input end, the incident wave is reflected at the reflection end, but the Fourier transform of the reflected wave is performed. Depends on the complex permittivity of the material of the surface layer (first layer) where the reflection edge exists.
[0055]
The RC pile 26 illustrated in FIG. 7 has a fracture surface 44, a fracture surface 46, a fracture surface 48,. . . . , And the first layer, the second layer, the third layer,. . . . It is composed of
[0056]
Next, a flow of a process of diagnosing the destruction state of the RC pile shown in FIG. 7 by the non-destructive diagnosis method according to the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0057]
As shown in FIG. 8, first, a step-like electromagnetic wave is incident on the input end 40a of the coaxial cable sensor 40 (step 200).
[0058]
Next, the complex dielectric constant of the first layer is measured in advance by the coaxial cable sensor 40 (step 202). In this preliminary measurement, the reflected wave reflected at the reflection end 40b is measured at the input end 40a. By this measurement, the incident wave voltage v at a specific angular frequency₀(Ω), reflected wave voltage r_x(Ω) is obtained.
[0059]
Next, the measured incoming reflected wave voltage (v₀, R_x), The complex dielectric constant ε of the first layer based on the embedded length d of the coaxial cable sensor 40 (the cable length from the surface 42 to the reflection end 40b) and the electrical length γ × d of the cable._x1 ^*(Step 204). Note that this complex permittivity ε_x1 ^*Is obtained from Expression (3) as shown in Step 110 of FIG.
[0060]
Here, by changing the angular frequency ω, ε_x1 ^*Is obtained, a dielectric spectrum can be obtained. Further, as shown in the first embodiment, instead of changing ω, measurement is performed in the time domain by the so-called TDR method (Time Domain Reflectometry), and by performing a fast Fourier transform, r of each frequency component is obtained._x(Ω) may be obtained. This corresponds to continuously changing the frequency, but can be measured in a very short time (20 to 30 seconds).
[0061]
Thus, the dielectric spectrum ε of the first layer_x1 ^*If (ω) is obtained, as in step 112 of FIG. 3, by comparing with the dielectric spectrum of a known standard material stored in the database, the material of the first layer can be obtained in the same manner as in the first embodiment. Can be diagnosed.
[0062]
Next, a step-shaped incident wave with a fast rise is incident on the two parallel transmission lines 24 using the pulse generator 10 (step 206). In the case of an RC pile composed of a plurality of fractured layers as shown in FIG. 7, electromagnetic waves propagated downward along the two parallel transmission lines 24 are transmitted to the boundary surfaces 44, 46, 48, 50,. . . . At the observation point. That is, the measured reflected wave includes all information on the reflected wave from each fracture surface.
[0063]
Next, the incident wave voltage v to the parallel 2 transmission line 24₀, And the reflected wave voltage r from the boundary surface 44 between the first layer and the second layer_xIs measured (step 208). Since the waveform of each reflected wave from each boundary surface exists in a different region in the time domain or the frequency domain, the reflected wave from the boundary surface 44 can be distinguished. In particular, since step-like electromagnetic waves are used as incident waves, they can be clearly distinguished from the waveforms of other reflected waves.
[0064]
Next, the time t 'required for the electromagnetic wave to reciprocate between the surface 42 and the boundary 44 is measured based on the reflected wave, and the time t' and the complex permittivity ε of the first layer obtained by the preliminary measurement are measured._x1 ^*Then, the thickness d 'of the first layer is obtained using the following equation (step 210).
[0065]
ε_x1 ^*  = T '(C₀/ 2γ'd ') (5)
Where C₀Is the speed of light in a vacuum, and the phase speed C of the electromagnetic wave propagating through the first layer as a medium₁Is related by the following equation.
[0066]
C₁  = C₀/ √ε_x1 ^*                      ... (6)
Since γ ′ is a known eigenvalue of the two parallel transmission lines measured in advance, if the electrical length γ′d ′ of the first layer is obtained by Expression (5), the thickness d ′ of the first layer is immediately obtained. Is obtained, whereby the position of the boundary surface 44 can be detected.
[0067]
Next, the reflected wave voltage r measured by the above-described difference method_x'And the complex dielectric constant [epsilon] of the material of the second layer that caused the reflected wave from the difference between the reflected wave voltage of the standard material_x2 ^*Is obtained (step 212). In this case, a known substance having a complex dielectric constant close to a substance expected to generate a reflected wave is used as a standard substance. Alternatively, the measured incoming reflected wave voltage (v₀, R_x), The complex dielectric constant ε of the material of the second layer is obtained by the equation (3)._x2 ^*You may ask.
[0068]
Here, the complex permittivity ε of the second layer_x2 ^*Once the dielectric spectrum of the substance of the second layer is obtained by comparing the dielectric spectrum of the known standard substance stored in the database as in step 112 of FIG. The type or destruction situation can be diagnosed.
[0069]
Next, the incident wave voltage v to the parallel 2 transmission line 24₀And the reflected wave voltage r from the interface 46 between the second and third layers_xIs measured (step 214).
[0070]
Next, the time T required for the electromagnetic wave to reciprocate between the surface 42 and the boundary 46 is measured based on the reflected wave, and the time T and the complex permittivity ε of the second layer obtained in step 212 are obtained._x2 ^*Then, the thickness d ″ of the second layer is obtained using the following equation (step 216).
[0071]
T = t '+ t "(7)
ε_x2 ^*  = T "(C₀/ 2γ'd ") ... (8)
Here, t ″ is a time required for the electromagnetic wave to reciprocate between the boundary 44 and the boundary 46, and is immediately obtained from the measured t ′ and T using the equation (7). To obtain the thickness d ″ of the second layer. The position of the boundary surface 46 can be detected from d ′ and d ″.
[0072]
Next, the same processing as Steps 212 to 216 is repeated from the third layer to the last layer (Step 218). As a result, the complex permittivity and the thickness of each layer can be obtained for the third and subsequent layers.
[0073]
As described above, the destruction state of the RC pile 26 can be diagnosed by the method of diagnosing the destruction state according to the second embodiment in a completely non-destructive state without breaking the footing or the like. Moreover, since the complex permittivity of the surface layer is measured in advance by pre-measurement, and the complex permittivity and thickness of the layers after the surface layer are obtained based on this information, more accurate diagnosis can be performed than in the first embodiment. It becomes.
[0074]
The above is the nondestructive diagnosis method for a structural member according to the present invention, but the method is not limited to the above example. For example, although the two parallel transmission lines 24 are used as the electromagnetic wave transmission lines, a coaxial cable 34 may be used as the transmission line embedded in the RC pile 26 as shown in FIG.
[0075]
Although the Fourier transform of the incident wave and the reflected wave is calculated in step 106 in FIG. 3, the frequency characteristics of the incident wave and the reflected wave may be directly obtained by using a band-pass filter or the like.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, an electromagnetic wave is incident along a transmission line buried in advance, and the complex permittivity and the breakdown point of the substance at the breakdown point are determined based on information of the incident wave and the reflected wave. Is obtained, the scattering of the electromagnetic wave can be reduced, and the destruction state and position of the substance at the destruction point can be accurately detected in a completely non-destructive state.
[0077]
According to the second aspect of the invention, the complex permittivity of the first layer is measured in advance by a sensor embedded in the structural member in advance, and the complex permittivity of the second and subsequent layers is determined by reflected waves. The effect is obtained that the thickness of each layer is more accurately determined.
[0078]
According to the invention of claim 3, the dielectric spectrum of the complex dielectric constant of the first layer is measured in advance by a sensor embedded in the structural member in advance, and the complex dielectric constant of the second and subsequent layers is determined based on the reflected wave. Since the dielectric spectrum is obtained, the effect of being able to more accurately diagnose the destruction state of the substance in each layer is obtained.
[0079]
According to the fourth aspect of the present invention, the two cables held substantially parallel to each other are used as the transmission path, so that the attenuation and scattering of the transmitted electromagnetic wave can be suppressed to be small, and the sensitivity and accuracy can be improved. The further effect of being able to diagnose the destruction situation is obtained.
[0080]
According to the fifth aspect of the present invention, since the step-shaped electromagnetic wave having a fast rise time is made incident on the transmission line as an incident wave, separation of the waveform of the incident wave and the waveform of the reflected wave in the time domain and the frequency domain becomes clear. The further effect that a more accurate diagnosis of the destruction situation can be obtained is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a measurement system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a state where two parallel transmission lines are buried in an RC pile.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a flow of a method for diagnosing a destruction state according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a sampling oscilloscope when detecting an incident wave and a reflected wave.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a complex dielectric permittivity spectrum divided into a real part and an imaginary part.
FIG. 6 is a diagram showing a state where a coaxial cable is buried in an RC pile.
FIG. 7 is a diagram showing a destruction structure of an RC pile and a coaxial cable sensor embedded in a first layer to be subjected to a destruction state diagnosis method according to a second embodiment.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a flow of a method for diagnosing a destruction situation according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10 pulse generator
18 Sampling oscilloscope
20 Personal computer
23 Database
24 parallel two transmission lines

Claims

構造部材の破壊状況を非破壊状態で診断するための構造部材の非破壊診断方法であって、
前記構造部材に電磁波の伝送が可能な伝送路を該伝送路の一端が外部に出るように予め埋設し、
前記伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、
前記伝送路の一端の観測点において、前記入射波と、前記入射波が前記構造部材の破壊点で反射された反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定し、
時間領域で測定された前記入射波の波形と前記反射波の波形とに基づいて前記入射波と前記反射波との時間差を検出し、
検出された前記時間差と、前記観測点から破壊点までを伝搬する電磁波の位相速度と、に基づいて前記観測点から前記破壊点までの伝送路の長さを演算し、
周波数領域で測定された入射波と反射波、及び観測点から破壊点までの前記伝送路の長さに基づいて前記破壊点の物質の複素誘電率の誘電スペクトルを演算し、
演算された前記複素誘電率の誘電スペクトルと、既知の物質の複素誘電率の誘電スペクトルとの比較に基づいて、破壊点の物質の破壊状況を診断する
ことを特徴とする構造部材の非破壊診断方法。A non-destructive diagnostic method for a structural member for diagnosing a destruction state of a structural member in a non-destructive state,
A transmission line capable of transmitting electromagnetic waves is embedded in the structural member in advance so that one end of the transmission line is outside,
An electromagnetic wave as an incident wave is incident on one end of the transmission line,
At the observation point at one end of the transmission line, the incident wave, and the reflected wave of the incident wave reflected at the break point of the structural member, measured in the time domain and the frequency domain,
Detecting a time difference between the incident wave and the reflected wave based on the waveform of the incident wave measured in a time domain and the waveform of the reflected wave,
Calculate the length of the transmission path from the observation point to the break point based on the detected time difference and the phase velocity of the electromagnetic wave propagating from the observation point to the break point,
Calculate the dielectric spectrum of the complex permittivity of the substance at the break point based on the incident wave and reflected wave measured in the frequency domain, and the length of the transmission path from the observation point to the break point,
Non-destructive diagnosis of a structural member, based on a comparison between the calculated dielectric spectrum of the complex permittivity and the dielectric spectrum of the complex permittivity of a known substance, wherein the state of destruction of the substance at the destruction point is diagnosed. Method.

構造部材の破壊状況を非破壊状態で診断するための構造部材の非破壊診断方法であって、
前記構造部材に電磁波の伝送が可能な伝送路を該伝送路の一端が外部に出るように予め埋設し、
前記構造部材の表面近傍の複素誘電率を測定するセンサーを予め埋設し、
破壊により複数の層に区切られた前記構造部材における第１層の複素誘電率を前記センサーを用いて測定し、
前記伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、
前記伝送路の一端の観測点において、前記入射波と、前記入射波が前記複数の層の境界で反射された各々の反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定し、
時間領域で測定された前記入射波の波形と前記反射波の波形とに基づいて、電磁波が前記複数の層の境界間で往復するに要する往復時間を各々測定し、
周波数領域で測定された反射波に基づいて、前記構造部材における第２層以降の層の複素誘電率を演算し、
各々の層において求められた複素誘電率及び往復時間に基づいて、各層の厚さを演算する
ことを特徴とする構造部材の非破壊診断方法。A non-destructive diagnostic method for a structural member for diagnosing a destruction state of a structural member in a non-destructive state,
A transmission line capable of transmitting electromagnetic waves is embedded in the structural member in advance so that one end of the transmission line is outside,
A sensor for measuring the complex permittivity near the surface of the structural member is embedded in advance,
Measuring the complex dielectric constant of the first layer in the structural member divided into a plurality of layers by destruction using the sensor,
An electromagnetic wave as an incident wave is incident on one end of the transmission line,
At the observation point at one end of the transmission line, the incident wave, and each reflected wave of the incident wave reflected at the boundary of the plurality of layers, measured in the time domain and the frequency domain,
Based on the waveform of the incident wave measured in the time domain and the waveform of the reflected wave, the reciprocating time required for the electromagnetic wave to reciprocate between the boundaries of the plurality of layers is measured,
Based on the reflected waves measured in the frequency domain, calculate the complex permittivity of the second and subsequent layers in the structural member,
A nondestructive diagnostic method for a structural member, wherein a thickness of each layer is calculated based on a complex dielectric constant and a round trip time obtained for each layer.

構造部材の破壊状況を非破壊状態で診断するための構造部材の非破壊診断方法であって、
前記構造部材に電磁波の伝送が可能な伝送路を該伝送路の一端が外部に出るように予め埋設し、
前記構造部材の表面近傍の複素誘電率を測定するセンサーを予め埋設し、
破壊により複数の層に区切られた前記構造部材における第１層の複素誘電率の誘電スペクトルを前記センサーを用いて測定し、
前記伝送路の一端に入射波としての電磁波を入射し、
前記伝送路の一端の観測点において、前記入射波と、前記入射波が前記複数の層の境界で反射された各々の反射波と、を時間領域及び周波数領域で測定し、
時間領域で測定された前記入射波の波形と前記反射波の波形とに基づいて、電磁波が前記複数の層の境界間で往復するに要する往復時間を各々測定し、
周波数領域で測定された反射波に基づいて、前記構造部材における第２層以降の層の複素誘電率の誘電スペクトルを演算し、
各々の層において求められた複素誘電率及び往復時間に基づいて、各層の厚さを演算し、
各々の層において求められた複素誘電率の誘電スペクトルと、既知の物質の複素誘電率の誘電スペクトルとの比較に基づいて、各層における物質の破壊状況を診断する
ことを特徴とする構造部材の非破壊診断方法。A non-destructive diagnostic method for a structural member for diagnosing a destruction state of a structural member in a non-destructive state,
A transmission line capable of transmitting electromagnetic waves is embedded in the structural member in advance so that one end of the transmission line is outside,
A sensor for measuring the complex permittivity near the surface of the structural member is embedded in advance,
The dielectric spectrum of the complex dielectric constant of the first layer in the structural member divided into a plurality of layers by destruction is measured using the sensor,
An electromagnetic wave as an incident wave is incident on one end of the transmission line,
At the observation point at one end of the transmission line, the incident wave, and each reflected wave of the incident wave reflected at the boundary of the plurality of layers, measured in the time domain and the frequency domain,
Based on the waveform of the incident wave measured in the time domain and the waveform of the reflected wave, the reciprocating time required for the electromagnetic wave to reciprocate between the boundaries of the plurality of layers is measured,
Based on the reflected wave measured in the frequency domain, calculate the dielectric spectrum of the complex permittivity of the second and subsequent layers in the structural member,
Calculate the thickness of each layer based on the complex permittivity and the round-trip time determined for each layer,
Based on a comparison between the dielectric spectrum of the complex permittivity obtained in each layer and the dielectric spectrum of the complex permittivity of a known substance, the state of destruction of the substance in each layer is diagnosed. Destruction diagnosis method.

前記伝送路は、互いに略平行になるように保持された２本のケーブルで構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の構造部材の非破壊診断方法。The non-destructive diagnostic method for a structural member according to any one of claims 1 to 3, wherein the transmission path is configured by two cables held so as to be substantially parallel to each other. .

立ち上がりの早いステップ状の電磁波を前記入射波として前記伝送路に入射することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の構造部材の非破壊診断方法。The nondestructive diagnostic method for a structural member according to any one of claims 1 to 4, wherein a step-shaped electromagnetic wave having a fast rise is incident on the transmission line as the incident wave.