JP4640131B2

JP4640131B2 - 超音波計測方法および装置

Info

Publication number: JP4640131B2
Application number: JP2005335183A
Authority: JP
Inventors: 幸理飯塚
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: JP2007139629A

Description

本発明は、電磁超音波法や非線形超音波法のように高出力の送信部を持つ超音波計測方法および装置において、マルチチャンネル測定を行うための超音波計測方法および装置に関するものである。

超音波計測は、鋼材などの内部欠陥探傷や材質評価などの計測に広く用いられている。超音波計測の方法としては、電気パルスを送信用センサに与えて超音波パルスを材料に送信し、材料中を透過した超音波パルスを受信用センサで受信して電気信号に変換し、その信号中に含まれる超音波エコーの強度や伝播時間から計測を行う方法が一般的である。超音波パルスの周波数は数10kHz〜数10MHzが使われる。センサにはＰＺＴや電磁超音波センサが用いられ、送信用センサと受信用センサは同一のものを兼用として使うことも多い。送信用の電気パルスの発生方法としては、コンデンサに溜めた電気を瞬間的に放出するスパイクパルス方式や、Sin波やチャープ波などを高出力アンプで増幅する方式が使われる。

上述の内部欠陥探傷や材質評価などの用途においては、通常、広い範囲を計測する必要があるため、複数の探触子を用いたマルチチャンネル型超音波探傷(計測)装置が使われることが多い。このマルチチャンネル型超音波探傷の方法としては、以下のような従来技術がある。

（１）送信用発信器と受信用アンプ、計測評価部（検波や欠陥判定回路など）を複数のセンサそれぞれに対応して持ち、複数のセンサを同時に送受信する方法（例えば、特許文献１の図１参照）
この方法は、複数のセンサについて同時に送受信および計測評価ができるので、鋼板や鋼管などの製造ラインにおいて被検材を高速に探傷可能であるが、送信用発信器、受信用アンプ、計測評価部などを複数持たなければならないため、コストが高くなるという問題がある。

（２）送信用発信器と受信用アンプを複数のセンサそれぞれに対応して持ち、測定するセンサを切り替えて時分割で計測評価を行っていく方法（例えば、特許文献２の図３、および特許文献３の図２参照）
この方法では時分割計測となるため、計測速度は低下するが、計測評価部が一つで済むため、上述の（１）の方法に比較するとコストが低くて済む。このため、最近はこのようなマルチチャンネル探傷装置が主流となっている。しなしながら、送信用発信器として、Sin波やチャープ波などを高出力アンプで増幅する方式を使う場合には、高出力アンプのコストが高いため、全体としてコストが高くなるという問題がある。

（３）送信用発信器と受信用アンプを一つとし、リレーなどのスイッチによりセンサを切り替えて計測評価を行っていく方法（例えば、特許文献４の図１、および特許文献５の図６参照）
この方法では、送信用発信器、受信用アンプ、計測評価部が一つで済むため、上述の（１）および（２）の方法に比べて最も低コストに実現可能である。
特開平０９−１４５６９４号公報特開平０３−２２５２７２号公報特開平０４−３１４０００号公報特開昭６２−２７７５５７号公報特開平０７−１７４７３３号公報

しかしながら、上述の（３）の方法においても、以下に述べるような問題が残されていた。電磁超音波法や非線形超音波法では、検出すべき信号が微弱なため、強力な送信信号が必要であり、通常、1000V以上あるいは数10A以上の高出力バースト波が使われ、このような強力な送信信号を得るためには、高周波パワートランジスタを適用した高出力アンプが用いられる。

図６は、高出力アンプを用いた従来技術を示す図である。図中、１はバースト波発信部、２は高出力アンプ、３は送信信号切り替えスイッチ、４は送信用センサ、および１０は被検材をそれぞれ表す。

高出力アンプ２は、バースト波発信部１からの例えば数Ｖ程度の送信信号を1000Ｖ以上に増幅する。送信信号切り替えスイッチ３は、増幅されたバースト波送信信号を複数の送信用センサ４（この例では、３チャンネル）に切替ながら供給し、さらに切替によって信号供給を受けた送信用センサは、超音波パルスを被検材１０に送信する。

図６に示すようにスイッチを用いてセンサの切り替えを行うと、次のような問題が発生する。すなわち、スイッチの切り替えの際にスイッチがいずれの接点からも離れた状態になると、アンプの出力側がオープンの状態となり、高周波パワートランジスタに著しい負荷がかかり、アンプが故障する原因となる。また、スイッチの接点が接触する直前、高い電圧が接点にかかるために接点間で放電現象が起き、接点が溶損したり酸化したりして導通不良となり、スイッチが故障する原因となる。

送信用発信器として、一般に広く使われている200V程度のスパイクパルス方式を適用する場合は、スイッチで切り替える（３）の方法を使うことができたが、本発明が対象としている電磁超音波法や非線形超音波法などの高出力バースト波を用いる超音波計測方法においては、上述した高周波パワートランジスタへの高負荷や接点間での放電現象といった問題のため、スイッチで切り替える（３）の方法を長期に安定的に使用することはできないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電磁超音波法や非線形超音波法のように高出力の送信部を持つ超音波計測方法および装置において、センサをスイッチで切り替えながらマルチチャンネル測定を行うための超音波計測方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、バースト波発信部と高出力アンプとからなる高出力バースト波を出力する送信部と接続する超音波センサを、複数の超音波センサの中から順次切り替えながら接続して超音波計測を行う超音波計測方法において、前記送信部からの送信信号の出力を停止させてから第１の所定時間経過後に、前記送信部と接続する超音波センサを異なる超音波センサに切り替えて接続し、さらにこの時点から第２の所定時間経過後に前記送信部から送信信号を出力して計測を行うことを特徴とする超音波計測方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の超音波計測方法において、受信信号の同期加算平均処理部を備え、該同期加算平均処理部の波形メモリーのデータを、前記異なるセンサに切り替えて接続する時に所定値にクリアすることを特徴とする超音波計測方法
である。

また本発明の請求項３に係る発明は、複数の送信用センサと、バースト波発信部および発信信号を高出力に増幅するための高出力アンプとからなる送信部と、前記送信部と前記複数の送信用センサの一つとの接続を切り替えるスイッチと、一つないしは複数の受信用センサおよび受信用アンプと、受信した信号を演算処理して評価をする計測評価部と、前記送信信号の出力の停止時から第１の所定時間経過後に、前記送信部と接続する送信センサを異なる超音波センサに変えて接続し、さらにこの時点から第２の所定時間経過後に前記送信部から送信信号を出力して計測を行う制御を行う動作タイミング制御部と、を備えたことを特徴とする超音波計測装置である。

また本発明の請求項４に係る発明は、請求項３に記載の超音波計測装置において、受信用アンプの出力信号を同期加算平均処理する同期加算平均処理部を備え、前記動作タイミング制御部は、前記接続を切り替える動作に同期して波形メモリーのデータを所定値にクリアすることを特徴とする超音波計測装置である。

また本発明の請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の超音波計測装置において、受信用アンプは複数の受信用センサそれぞれと直接に接続されていることを特徴とする超音波計測装置である。

また本発明の請求項６に係る発明は、請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波計測装置において、前記送信部と前記スイッチとの接続において、インピーダンスマッチングが取られていることを特徴とする超音波計測装置である。

さらに本発明の請求項７に係る発明は、請求項３ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波計測装置において、前記送信部と前記スイッチとの間に低損失アッテネータを備えたことを特徴とする超音波計測装置である。

電磁超音波法や非線形超音波法などの高出力バースト波を用いる超音波計測方法および装置において、一つの送信用アンプをスイッチで切り替えて複数のセンサに接続して用いる超音波計測方法および装置を長期に安定的に使用できるようになり、計測装置の低廉化が可能となる。

本発明は、高出力バースト波を用いて複数の超音波センサにより超音波計測する超音波計測方法および装置において、複数の送信用センサと送信部との間に接続を変えるためのスイッチを備え、送信信号の出力を停止して一定時間経過後にスイッチを切り替えるようにしているので、スイッチがいずれの接点からも離れた状態になってアンプの出力側がオープン（開）の状態となっても、出力信号の反射はなく、パワートランジスタには負荷がかからずアンプの故障は発生しない。また、スイッチによる接続の切り替えのあと一定時間経過後に送信信号を出力して計測を行うようにしているので、スイッチの接点が接触する直前、高い電圧が接点にかかって接点間で放電現象が起きることはなく、接点の溶損や酸化などによるスイッチの故障は発生しない。このため、耐圧の低いスイッチでも使用できるようになる。

ここで、送信信号の出力を停止して一定時間経過後にスイッチを切り替えるようにしたのは、送信信号の出力を停止してもわずかの時間はアンプから出力が残る場合があるためであり、この一定時間は通常数10ms〜数100ms程度であれば良い。またスイッチによる接続の切り替えのあと一定時間経過後に送信信号を出力して計測を行うようにしたのは、例えばスイッチにリレーを使用した場合、切り替えの制御を行ってリレー内部の電磁石でスイッチが完全に切り替わるまでにわずかな時間遅れがあるためであり、ここの一定時間についても通常数10ms〜数100ms程度であれば良い。

また、本発明では、受信用アンプの出力信号を同期加算平均処理する同期加算平均処理部を備え、前記スイッチの動作に同期して波形メモリーのデータを所定値（例えば、０（ゼロ））にクリアする制御を行う動作タイミング制御部を備えるようにしている。同期加算平均処理は一般的に、メモリ内のデータのうち、最初に記憶されたデータを削除し、代わりに最新のデータを書き込んで記憶するように、メモリへのデータ記憶をサイクリックに行われ、同期加算平均処理部には過去の加算された信号が常時残っている。特に、重み付け移動平均を行う方法では、設定した平均回数の数倍にわたって過去の信号が残る。従って、スイッチを切り替えてそのまま同期加算平均処理を開始すると、異なるチャンネルの信号が加算されてしまうことになる。本発明では、スイッチの切り替え時に同期加算平均処理の波形メモリーをクリアするようにしているので、異なるチャンネルの信号が加算されることなく計測可能となる。

また、本発明では、複数の受信用センサと、複数の受信用アンプを備え、受信用アンプは受信用センサそれぞれと直接に接続されている。これは、例えば電磁超音波センサのようにセンサの出力が非常に微弱な場合、センサと受信用アンプ間に切り替えスイッチが入っているとノイズが混入しやすくなることを防ぐためであり、受信用アンプは受信用センサそれぞれに接続されているので、ノイズの影響をあまり受けずに計測ができる。受信用アンプは、送信用の高出力アンプに比較すると低コストで実現できるため、これを複数備えることはコストアップにはならない。

さらに、送信部の高出力アンプと送信用切り替えスイッチとの間に低損失アッテネータを備えているのは次の理由による。本発明の第１の発明によってスイッチが電気的に劣化することは防げるが、長期間使用を続けた時に機械的に劣化することは避けられない。この機械的な劣化によって、接点が導通しなくなった場合に、アンプの出力側がオープンの状態となり、アンプの故障が起きる可能性がある。この時、前記送信部と前記スイッチとの間に低損失アッテネータがあると、アンプの出力は完全にオープンにはならず、負荷が接続された状態が維持されるので、アンプの故障を避けることができる。

本発明の実施例を、以下に図面を参照しながら説明していく。図１は、本発明の第１の実施例を説明する図であり、電磁超音波センサにより鋼材の探傷や厚み計測を行う場合を示している。図中、１はバースト波発信部、２はバースト波発信部からの数Ｖ程度の送信信号を1000Ｖ以上に増幅する高出力アンプ、３は送信信号切り替えスイッチ、４は送信用センサ、５は動作タイミング制御部である。また、６は受信用センサ、７は受信用アンプ、８は計測評価部である。

ここで、バースト波発信部１は、例えばメモリーとＤ／Ａ変換器で構成可能である。バースト波としては、例えば、中心周波数1MHz、掃引帯域幅1MHz、パルス幅10μs、繰り返し周波数100Hzのチャープ波などである。高出力アンプ２は、送信信号のバースト波に同期して出力を出すゲーティッドアンプである。送信信号切り替えスイッチ３は、汎用的なリレーで良い。送信用センサ４および受信用センサ６は、電磁超音波センサであり、磁石とコイルが組み合わせられたものであり、この例では３チャンネルを切り替えて使用する例となっている。動作タイミング制御部５は、送信信号のオンオフ制御、送信信号切り替えスイッチのタイミング制御、受信信号の計測評価タイミング制御を行うもので、ＰＣとＤ／Ａ変換などで構成されるが、同様のタイミング制御ができればタイマーＩＣなどを用いたゲート回路でも良い。

受信用アンプ７は、低雑音の広帯域アンプであり、上記のチャープ波を受信する場合は、帯域0.5MHz〜1.5MHzで利得80dB程度の低雑音広帯域アンプが適当である。計測評価部８は、例えばこの例では３ｃｈの入力を持つＡ／Ｄ変換器とＰＣで構成可能であり、ＰＣは動作タイミング制御部５と兼用ができる。ここで、図には示していないが、送信信号に同期してＡ／Ｄ変換を複数行って加算平均する処理を行うことは、S/N向上の上で有用である。

図２は、動作タイミング制御部５の動作を説明した図である。図中最も左側のチャンネル３からチャンネル１に切り替わるタイミングで説明をする。まず、はじめに送信信号の出力をオフ（停止）にする。それには、バースト波発信部の発信を止めても良いし、高出力アンプのゲーティッドアンプのゲートを止めても良い。次に、T1だけ時間が経過したら、チャンネル３を切り離すとともにチャンネル１を接続するリレー制御を行う。次にさらにT2だけ時間が経過したら、送信信号の出力（をオンに）する。ここで、T1とT2は前述のように通常は数10ms〜数100msあれば良く、送信信号の出力をオフにしてからアンプの出力値が完全にゼロになるまでの時間以上、およびリレーの切り替え信号を送ってから完全にリレーが切り替わるまでの時間以上とすれば良い。

リレーを切り替え送信信号の出力をオンにしてから、T3だけ時間が経過したら、T4の期間で超音波エコーに基づいて計測評価を行う。なお、ここで送信信号の出力がオンとは、上述のバースト波の例で言えば、繰り返し周波数100Hzでバースト波が繰り返されている状態である。なお、T3だけ待つのは、送信信号の出力をオンにしてから出力が安定するまで少し時間を要するのと、例えば加算平均を行う場合、平均回数分の加算平均が終わるまで待つ必要があるためであり、数10ms〜数秒あれば良い。

T4の期間は、受信信号から欠陥エコーを検出したり、エコーの往復時間から厚みを測定したりする時間で、上述のようにバースト波にチャープ波を用いる場合はパルス圧縮処理を行う時間もここに含まれる。この計測評価が終了したら、また送信信号をオフにし、チャンネルを１から２に切り替える制御を行い、以後、それを順次繰り返して計測を行う。

次に本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第２の実施例を説明する図であり、３つの受信用アンプの出力を一つに切り替えるスイッチ３と、同期加算平均処理部９が付加されている。同期加算平均処理部９は、繰り返し周波数100Hzで繰り返される受信信号を送信信号に同期して加算平均するものである。

図４は、第２の実施例において動作タイミング制御部５の動作を説明した図である。チャンネルを切り替えるタイミングにて、同期加算平均処理部のメモリーをクリアする制御を行うようにしている。これにより、チャンネルが切り替わっても、その前のチャンネルの信号は同期加算平均処理部のメモリーには残っていないので、正確な計測ができるようになる。

次に本発明の第３の実施例について説明する。図５は、本発明の第２の実施例を説明する図であり、高出力アンプ２と送信信号切り替えスイッチ３との間に低損失アッテネータ１１が挿入されている。低損失アッテネータ１１には、例えば抵抗をπ型に組み合わせたπ型アッテネータが使用できる。アッテネータの形式はこれに限らず、送信アンプとのインピーダンスマッチングが取れれば、出力端に抵抗を平行に挿入するだけでも良い。

なお、上記の実施例においては、送信部が１つで、センサが３つの場合について示したが、本発明はこれに限られることなく、センサはもっと多くても良く、例えば、送信部が２つで、センサが８つといった組合せでも実施できる。送信用センサを複数備え、受信用センサが１つという組合せでも良い。また、図１においては不平衡型の回路で示しているが、平衡型の回路でも実施可能である。

本発明の第１の実施例を説明する図である。第１の実施例において動作タイミング制御部の動作を説明した図である。本発明の第２の実施例を説明する図である。第２の実施例において動作タイミング制御部の動作を説明した図である。本発明の第３の実施例を説明する図である。従来技術を示す図である。

符号の説明

１バースト波発信部
２高出力アンプ
３送信信号切り替えスイッチ
４送信用センサ
５動作タイミング制御部
６受信用センサ
７受信用アンプ
８計測評価部
９同期加算平均処理部
１０被検材
１１低損失アッテネータ

Claims

バースト波発信部と高出力アンプとからなる高出力バースト波を出力する送信部と接続する超音波センサを、複数の超音波センサの中から順次切り替えながら接続して超音波計測を行う超音波計測方法において、

前記送信部からの送信信号の出力を停止させてから第１の所定時間経過後に、前記送信部と接続する超音波センサを異なる超音波センサに切り替えて接続し、さらにこの時点から

第２の所定時間経過後に前記送信部から送信信号を出力して計測を行うことを特徴とする超音波計測方法。
請求項１に記載の超音波計測方法において、
受信信号の同期加算平均処理部を備え、
該同期加算平均処理部の波形メモリーのデータを、前記異なるセンサに切り替えて接続する時に所定値にクリアすることを特徴とする超音波計測方法。
複数の送信用センサと、
バースト波発信部および発信信号を高出力に増幅するための高出力アンプとからなる送信部と、
前記送信部と前記複数の送信用センサの一つとの接続を切り替えるスイッチと、
一つないしは複数の受信用センサおよび受信用アンプと、
受信した信号を演算処理して評価をする計測評価部と、
前記送信信号の出力の停止時から第１の所定時間経過後に、前記送信部と接続する送信センサを異なる超音波センサに変えて接続し、さらにこの時点から第２の所定時間経過後に前記送信部から送信信号を出力して計測を行う制御を行う動作タイミング制御部と、
を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
請求項３に記載の超音波計測装置において、
受信用アンプの出力信号を同期加算平均処理する同期加算平均処理部を備え、
前記動作タイミング制御部は、前記接続を切り替える動作に同期して波形メモリーのデータを所定値にクリアすることを特徴とする超音波計測装置。
請求項３または請求項４に記載の超音波計測装置において、
受信用アンプは複数の受信用センサそれぞれと直接に接続されていることを特徴とする超音波計測装置。
請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波計測装置において、
前記送信部と前記スイッチとの接続において、インピーダンスマッチングが取られていることを特徴とする超音波計測装置。
請求項３ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波計測装置において、
前記送信部と前記スイッチとの間に低損失アッテネータを備えたことを特徴とする超音波計測装置。