JP6776676B2 - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。

対象物の表層のきず（JIS Z 2300：2009）を検出するための磁気センサを利用した非破壊検査手法として、漏洩磁束探傷法（Magnetic Flux Leakage：ＭＦＬ）が知られている。漏洩磁束探傷法は、対象物の探傷面を磁化することにより、きずから漏洩する磁束による磁界の変化を磁気センサにより測定する方法である。漏洩磁束探傷法では、対象物の探傷面を磁化する方法として、直流磁界及び交流磁界のいずれかを印加する。例えば、特許文献１では、対象物に対して交流磁界を印加してきずからの漏洩磁束を検出する構成が示されている。

特開平１−２４８０５０号公報

探傷面に対して交流磁界を印加することできずから漏洩する磁束による磁界を検出する方法は、表皮効果により材料の表面側に磁束が集中することから、表層きずの検出性に優れることが知られている。一方で、交流磁界を印加すると対象物内での磁束が常に変化するため、この磁束の変化も磁気センサが検出する。さらに交流磁界の印加に係るノイズ等も混在した状態となる。したがって、漏洩磁束に由来する磁界を検出することが困難となることが考えられる。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、交流磁界を用いた漏洩磁束探傷法において磁気センサにより検出された信号から漏洩磁束に由来した磁界の変化に係る成分を好適に抽出することが可能な信号処理装置及び信号処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る信号処理装置は、交流磁界が印加された対象物の探傷面上を磁気センサが走査することにより、当該磁気センサにおいて検出された磁界の経時的変化に係る磁気信号を取得する信号取得部と、前記信号取得部において取得された磁気信号に含まれる各点について、それぞれ直近の所定の区間の平均を差し引く処理部と、前記処理部において処理された後の磁気信号を出力する出力部と、を有する。

また、本発明の一形態に係る信号処理方法は、交流磁界が印加された対象物の探傷面上を磁気センサが走査することにより、当該磁気センサにおいて検出された磁界の経時的変化に係る磁気信号を取得する信号取得ステップと、前記信号取得ステップにおいて取得された磁気信号に含まれる各点について、それぞれ直近の所定の区間の平均を差し引く処理ステップと、前記処理ステップにおいて処理された後の磁気信号を出力する出力ステップと、を有する。

上記の信号処理装置及び信号処理方法によれば、信号取得部において取得された磁気信号について、直近の所定の区間の平均を差し引く処理が行われる。平均を差し引く処理を行うことで、交流磁界の印加した状態での磁気センサでの測定に由来するノイズ成分を除去することが可能となり、処理後の磁気信号では、漏洩磁束に由来した磁界の変化に係る成分を好適に抽出することが可能となる。

ここで、前記処理部は、前記所定の区間の平均を差し引いた後の前記磁気信号について、周波数フィルタ処理をさらに行う態様とすることができる。

上記のように、直近の所定の区間の平均を差し引いた後の磁気信号について、周波数フィルタ処理をさらに行うことで、交流磁界の印加に伴う成分をキャンセルすることができる。したがって、処理後の磁気信号において、漏洩磁束に由来した磁界の変化に係る成分がさらに好適に抽出される。

また、前記所定の区間とは、前記対象物に印加される交流磁界の周波数の整数倍である態様とすることができる。

上記のように、平均を差し引く際の所定の区間を交流磁界の周波数に対応させた場合、交流磁界の印加に由来して変動する成分をキャンセルした状態でのノイズ成分の除去が可能となるため、漏洩磁束に由来した磁界の変化に係る成分を好適に抽出することが可能となる。

本発明によれば、交流磁界を用いた漏洩磁束探傷法において磁気センサにより検出された信号から漏洩磁束に由来した磁界の変化に係る成分を好適に抽出することが可能な信号処理装置及び信号処理方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る信号処理装置を含む漏洩磁束探傷システムの概略構成を示す図である。 漏洩磁束探傷法について説明する図である。 信号処理装置による信号処理方法を説明する図である。 磁気センサにより検出される磁気信号の例を示す図である。 磁気信号から移動平均を算出した結果を示す図である。 図４の信号から移動平均を差し引いた結果を示す図である。 図６に対して周波数フィルタ処理を行った結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置を含んで構成される漏洩磁束探傷システム１の概略構成を示す図である。図１に示す漏洩磁束探傷システム１は、磁界測定を利用した非破壊検査の一種である漏洩磁束探傷法（Magnetic Flux Leakage：ＭＦＬ）による検査を行うシステムである。

漏洩磁束探傷法とは、図２（Ａ）に示されるように、強磁性体からなる対象物Ｏの表面または表層に存在し得るきずＸを、磁気センサＴを用いて探索する検査法である。図２（Ｂ）に示されるように、漏洩磁束探傷法では、種々の方法により対象物Ｏを磁化することにより、対象物Ｏに所定方向の磁束Ｆを発生させる。磁束Ｆを遮るきずＸがある場合には、そのきずＸに起因して漏洩磁束Ｆａが発生する。対象物Ｏの探傷面Ｅ上で磁気センサＴを走査方向Ｄに走査させることにより、漏洩磁束Ｆａが検出される。磁気センサＴからの信号を用いる漏洩磁束探傷法は、従来採用されてきた磁粉探傷法に比して、探傷の自動化と結果のデジタル化とが容易であるという利点を有する。

図１に戻り、漏洩磁束探傷システム１について説明する。漏洩磁束探傷システム１は、強磁性体の対象物Ｏの探傷面Ｅに対して交流磁界を印加する交流磁化器２と、交流磁界が印加された探傷面Ｅ近傍での磁界を検出する磁気センサ３と、磁気センサ３において検出された磁界に係る信号の処理を行う信号処理装置４と、を有する。

交流磁化器２は、交流極間式磁化器であり、両端部が対象物Ｏの探傷面に対して当接している略コの字状の磁化器２１に対して交流電源２２により交流磁界を形成することで、磁化器２１の両端部の間の対象物Ｏに交流磁界を印加する。この状態で交流磁界が印加された対象物Ｏの探傷面Ｅに沿って磁気センサ３を走査させることで、探傷面Ｅ近傍での磁界を測定する。磁気センサ３は、検出した磁界の大きさに対応する電気信号を信号処理装置４に対して出力する。

磁気センサ３は、探傷面Ｅの近傍において磁界の大きさを測定可能なセンサである。具体的には、磁気センサ３としては、ＭＩ（Magneto-Impedance）センサ、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサ、ＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance）センサ、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance）センサ、ＦＧ（Flux-Gate）センサ、ホール素子、ＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device）センサ、コイル等を用いることができる。図１に示すように、磁気センサ３は、対象物Ｏの探傷面Ｅと対向する位置に配置される。磁気センサ３と探傷面Ｅとは当接していてもよいし、磁気センサ３と探傷面Ｅとは離間していてもよい。また、磁気センサ３と探傷面Ｅとが離間している場合には、磁気センサ３と探傷面Ｅとの距離を一定に保つことが好ましい。探傷面Ｅ近傍における磁気センサ３が検出する磁界の大きさに応じた電気信号が磁気センサ３から信号処理装置４に対して出力される。

信号処理装置４は、磁気センサ３からの電気信号である磁気信号を取得すると共に、当該磁気信号から、きずに由来する信号の変化を抽出する機能を有する。磁気センサ３からの磁気信号は、磁気センサにおいて検出された磁界の経時的変化に係る信号である。上述したように、漏洩磁束の測定時には、対象物Ｏには交流磁界が印加される。したがって、磁気センサ３は、漏洩磁束だけではなく、交流磁界が印加されたことに由来する対象物Ｏにおける磁束の変化も検出する。信号処理装置４は、磁気センサ３により検出される磁界の変化を示す信号から、交流磁界の印加に由来して変化する成分を除去し、漏洩磁束に由来する成分のみを抽出する。

信号処理装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、他の機器との間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成される。そして、これらの構成要素が動作することにより、制御部５としての機能が発揮される。

図１に示すように、信号処理装置４は、信号取得部１１と、処理部１２と、処理条件格納部１３と、出力部１４と、を有する。

信号取得部１１は、磁気センサ３において測定される磁界の大きさに係る電気信号を取得する機能を有する。信号取得部１１が取得した電気信号は、処理部１２へ送られる。

処理部１２は、信号取得部１１で取得された磁気センサ３からの電気信号（磁気信号）から、交流磁界の印加に由来して変化する磁界に係る成分を除去し、漏洩磁束に由来する磁界に係る成分のみを抽出する処理を行う。具体的な処理については後述するが、処理部１２では、平均（本実施形態では、移動平均）を算出してその算出結果を磁気信号から減算する処理と、周波数フィルタ処理と、が行われる。

処理条件格納部１３は、処理部１２により漏洩磁束に由来する成分の抽出に係る処理を行う際の処理条件を格納する機能を有する。処理条件には、交流磁化器２に応じて設定される条件が含まれる場合がある。また、処理条件が漏洩磁束探傷システム１のユーザにより予め設定される場合がある。このように、処理部１２において磁気センサ３からの電気信号を処理する際の条件が予め決められている場合には、処理条件格納部１３に当該条件が格納される。そして、処理部１２において電気信号に係る処理を実施する際に、処理条件格納部１３に格納された情報を参照して処理が行われる。

出力部１４は、処理部１２により処理された後の電気信号を出力する機能を有する。出力方法は特に限定されないが、例えば、モニタ等に表示する方法や、画像データとして他の装置に送信する等の方法を用いることができる。また、信号処理装置４において、磁気センサ３の位置情報についても取得している場合には、磁気センサ３の位置情報と対応させて出力するような構成としてもよい。

次に、漏洩磁束探傷システム１の信号処理装置４における信号処理方法について、図３〜図７を参照しながら説明する。図３は、信号処理方法を説明するフローチャートである。また、図４〜図７は、処理部１２における各種処理を行った結果を示す図である。

まず、漏洩磁束探傷システム１において、交流磁化器２により対象物Ｏの探傷面及びその周辺に対して交流磁界を印加しながら、磁気センサ３により交流磁界が印加された領域を走査する。これにより、磁気センサ３は、対象物Ｏの探傷面上での磁界を検出し、磁界の大きさに対応した電気信号（磁気信号）を信号処理装置４に対して出力する。信号処理装置４の信号取得部１１では、この磁気センサ３において検出された磁界の変化に対応した電気信号（磁気信号）を取得する（Ｓ０１：信号取得ステップ）。

図４では、磁気センサ３から出力される磁気信号の例を示している。図４に示す例では、交流磁化器２の動作を開始した後に、予めきずが設けられている対象物Ｏの探傷面上で磁気センサ３を往復移動させた際に磁気センサ３が検出した磁界の大きさ及び方向を出力振幅として検出している。図４では、磁気センサ３からの磁気信号を、磁気信号の取得開始時からのデータ点数を横軸とし、磁気信号の出力振幅を縦軸としてプロットしている。また、図４では、交流磁化器２の動作開始Ｔ１及び動作終了Ｔ２を併せて示している。なお、図４では、交流磁化器２による交流周波数が５０Ｈｚであって、磁気センサ３のサンプリング周波数が５０００Ｈｚとして測定を行った結果を示している。図４に示すように、交流磁化器２により対象物Ｏの探傷面近傍に交流磁界を印加すると、交流磁界を印加したことに由来する対象物Ｏにおける交流磁束の変動、及び、交流磁化器２の動作又は磁気センサ３の移動に由来する機械的ノイズ又は電気的ノイズ等の影響を受けて、探傷面近傍の磁束が変化する。このように、本来の検出の対象である対象物Ｏのきずに由来する漏洩磁束に由来する磁束の変化のみを磁界として検出することが難しい状態で、磁気センサ３による測定が行わることになる。

そこで、処理部１２において、磁気センサ３からの磁気信号に対して２つの処理を行う。第１の処理として移動平均の減算に係る処理を行う。具体的には、磁気センサ３からの磁気信号について移動平均を算出する（Ｓ０２：処理ステップ）。そして、磁気センサ３からの磁気信号の各点の出力振幅から、算出された移動平均を差し引く（減算する）（Ｓ０３：処理ステップ）。移動平均の算出に係る処理条件は、例えば、処理条件格納部１３に格納されていてもよいし、ユーザが直接指定をする構成としてもよい。

図５は、図４に示した磁気信号についての移動平均として、単純移動平均を算出した結果を示す図である。ここでは、移動平均として、それぞれ直近のデータ点１００点毎の平均を算出している。この１００点とは、交流磁界の１周期に対応するデータ点である。このように、交流磁界の１周期に対応するデータ点を利用して移動平均を算出すると、交流磁界に由来して変動する磁界に係る成分をキャンセルすることができる。交流磁界の周期の整数倍に対応する区間のデータを移動平均に利用すると、上記と同様に交流磁界に由来して変動する磁界に係る成分をキャンセルすることができる。なお、移動平均に利用するデータの区間として上記のように交流磁界の周期に対応していない区間を選択する場合であっても、交流磁界に由来して変動する磁界に係る成分の平均化ができるので、移動平均に利用するデータの区間は適宜変更することができる。

図５に示すように、移動平均を算出するとデータ点４０００〜１４０００付近に周期が一定ではない凹凸が見られる。これらの成分は、主に機械的ノイズ又は電気的ノイズに由来する成分である。このように、移動平均を算出すると、ノイズに由来する成分を抽出することができる。

図６は、図４に示した磁気信号の各点から、図５に示した単純移動平均の算出結果を差し引いた結果を示している。図４と図６とを比較すると、データ点４０００〜１４０００付近に存在した凹凸成分が小さくなっていることがわかる。すなわち、ノイズに由来する成分を除去することができる。

なお、図６では、図４と同様に細かく出力振幅が変化している成分が存在している。これは、交流磁界に由来する成分である。そこで、第２の処理として、周波数フィルタ処理を行う（Ｓ０４：処理ステップ）。周波数フィルタ処理に係る処理条件は、例えば、処理条件格納部１３に格納されていてもよいし、ユーザが直接指定をする構成としてもよい。

図７は、図６に示した波形に対して周波数フィルタ処理を行った後の結果を示す図である。図７では、交流磁界の周波数に対応させた領域の成分をカットしている。具体的には、高域カットオフ周波数を７０Ｈｚとし、低域カットオフ周波数を３０Ｈｚとして、交流磁界の周波数５０Ｈｚを有する電気信号を優先的に透過する処理を行う。この結果、図７に示すように、交流磁界による周期的な磁界の変化の成分がキャンセルされ、交流磁化器２の動作開始Ｔ１から動作終了Ｔ２の間のデータが平坦化されると共に、磁気センサ３がきず上を通過した際に検出した漏洩磁束に由来する電気信号のピークＳ（図７では、１０個のピークが現れている）のみが抽出される。このように、信号処理装置４において、磁気センサ３からの磁気信号に対して、移動平均成分の減算と、周波数フィルタ処理とを行うことで、漏洩磁束に由来する成分のみを抽出することができる。

その後、この処理後の磁気信号に係る情報を、出力部１４から出力結果として出力する（Ｓ０５：出力ステップ）。以上により、信号処理装置４による信号処理に係る一連の処理が終了する。

以上のように、本実施形態に係る信号処理装置４及び信号処理方法によれば、磁気センサから取得される磁気信号について、まず、移動平均を減算する処理を行うことにより、周期的な変動とは異なる成分、すなわち、ノイズ等に由来する成分を除去することができる。さらに、周波数フィルタ処理を行うことで、交流磁界を印加したことによる周期的な磁束の変化の成分を除去することができる。この結果、磁気センサ３からの磁気信号から、本来の検出対象である漏洩磁束に由来する成分を好適に抽出することができる。

また、上記の信号処理装置４における漏洩磁束に由来する成分の抽出に係る処理は、交流磁化器２により対象物Ｏに印加される交流磁界に対して連動して処理を行う必要がないという点で、簡単な処理となっている。交流磁界の印加に伴う磁界の変化やノイズ成分等を特定するためには、対象物Ｏに印加される交流磁界に由来する成分を先に特定することが一般的であった。そのため、例えば、対象物Ｏに交流磁界を印加する交流磁化器２からの信号を信号処理装置４側で受信する等、交流磁化器２と信号処理装置４とで連動して処理を行う必要があった。一方、本実施形態で説明した手法によれば、交流磁化器２により印加される交流磁界に係る情報を信号処理装置４で保持していない場合でも、磁気センサ３からの磁気信号から、検出対象である漏洩磁束に由来する成分を好適に抽出することができる。したがって、本実施形態に係る信号処理装置４は、互いに異なる周波数で交流磁界を印加する交流磁化器に対して組み合わせて使用することができる。

なお、処理部１２において、周波数フィルタ処理を行わない構成としてもよい。少なくとも移動平均を利用してノイズ等に由来する成分を除去すると、処理後の信号には、交流磁界の印加に伴う周期的な変化の成分と、漏洩磁束に由来する成分と、が残る。交流磁界の印加に伴う成分は周期的な変化であることから、漏洩磁束に由来する周期的ではない成分と区別することが容易であると考えられる。したがって、少なくとも移動平均を利用してノイズ等に由来する成分を除去すると、漏洩磁束に由来する成分を好適に抽出することが可能となる。ただし、上記実施形態で説明したように、周波数フィルタ処理を行うと、周期的な変化に係る部分もキャンセルすることができるため、図７に示すように、漏洩磁束に由来する成分が顕著になった磁気信号を得ることができる。

また、上記実施形態では、移動平均を差し引く際の所定の区間を交流磁界の周波数に対応させている。この場合、交流磁界の印加に由来して変動する成分をキャンセルした状態でのノイズ成分の除去が可能となるため、漏洩磁束に由来した磁界の変化に係る成分を好適に抽出することが可能となる。

以上、本発明の実施形態に係る信号処理装置４を含む漏洩磁束探傷システム１及び信号処理方法について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、信号処理装置４が１台の装置により実現されている場合について説明したが、信号処理装置４は複数の装置により構成されていてもよい。

また、対象物Ｏに対して交流磁界を印加するための手段は、上記実施形態で説明した交流磁化器２に限定されず、公知の手法を用いることができる。

また、上記実施形態では、信号処理装置４が磁気センサ３において検出された磁界の経時的変化に係る磁気信号の一式を取得した後に、漏洩磁束に由来する成分の抽出に係る一連の処理を行う場合について説明した。しかしながら、漏洩磁束に由来する成分の抽出に係る一連の処理は、磁気センサ３による磁界の測定と同時並行で行うことができる。すなわち、信号処理装置４では、磁気センサ３から送られる磁気信号を取得し、蓄積しながら、移動平均の減算に係る処理及び周波数フィルタ処理を行い、処理後の磁気信号を出力する構成としてもよい。このような構成とすることで、磁気センサ３からの磁気信号を信号処理装置４においてリアルタイムで処理して出力することが可能となる。

また、上記実施形態では、磁気信号についての平均として、移動平均のうちでも単純移動平均を用いた場合について説明したが、加重移動平均、指数移動平均等のデータ毎の重み付けを変更した移動平均を用いてもよい。また、移動平均とは異なる平均を用いてもよい。移動平均とは異なる平均としては、例えば、所定の区間に含まれる全データの平均ではなく、その中から選ばれた数点の平均等が挙げられる。このように、ノイズに由来する成分を除去するための平均の算出方法は適宜変更することができる。

１ 漏洩磁束探傷システム
２ 交流磁化器
３ 磁気センサ
４ 信号処理装置
１１ 信号取得部
１２ 処理部
１３ 処理条件格納部
１４ 出力部
２１ 磁化器
２２ 交流電源
Ｅ 探傷面
Ｏ 対象物

Claims (3)

1. 交流磁界が印加された対象物の探傷面上を磁気センサが走査することにより、当該磁気センサにおいて検出された磁界の経時的変化に係る磁気信号を取得する信号取得部と、
   前記信号取得部において取得された磁気信号に含まれる各点について、それぞれ直近の所定の区間の平均を差し引く処理部と、
   前記処理部において処理された後の磁気信号を出力する出力部と、
   を有し、
   前記所定の区間とは、前記対象物に印加される交流磁界の周期の整数倍である信号処理装置。
2. 前記処理部は、前記所定の区間の平均を差し引いた後の前記磁気信号について、周波数フィルタ処理をさらに行う請求項１に記載の信号処理装置。
3. 交流磁界が印加された対象物の探傷面上を磁気センサが走査することにより、当該磁気センサにおいて検出された磁界の経時的変化に係る磁気信号を取得する信号取得ステップと、
   前記信号取得ステップにおいて取得された磁気信号に含まれる各点について、それぞれ直近の所定の区間の平均を差し引く処理ステップと、
   前記処理ステップにおいて処理された後の磁気信号を出力する出力ステップと、
   を有し、
   前記所定の区間とは、前記対象物に印加される交流磁界の周期の整数倍である信号処理方法。

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