JP7531359B2 - Liquid Detection Device - Google Patents
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Description
本開示は、液体検知装置に関する。 This disclosure relates to a liquid detection device.
超音波を用いて液体を検知する技術として、例えば、特許文献１に記載された液体検知装置がある。特許文献１に記載された液体検知装置は、送信探触子と受信探触子とを対向させて配置し、送信探触子から送信された超音波を、試験体である鋼板に板波として伝搬させ、板波のエネルギーが鋼板に接している液体に漏洩することを利用して、液体を検知する。
One example of technology for detecting liquids using ultrasound is the liquid detection device described in
特許文献１に記載された液体検知装置は、超音波の板波が伝搬する経路に存在する大量の液体を検知できるが、水滴のような微量の液体を検知できないという課題があった。
The liquid detection device described in
本開示は上記課題を解決するものであり、微量の液体を検知することができる液体検知装置を得ることを目的とする。 The present disclosure aims to solve the above problem and provide a liquid detection device capable of detecting minute amounts of liquid.
本開示に係る液体検知装置は、電気信号を入力して駆動し、超音波を試験体中に送信する送信探触子と、試験体中を伝搬した超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、受信探触子によって変換された電気信号を増幅して送信探触子に出力する増幅器と、増幅器、送信探触子、試験体および受信探触子を含む発振ループから受信した発振信号を処理することにより、試験体に付着した液体を検知する信号処理部とを備え、増幅器は、受信探触子によって変換された電気信号を、発振ループに発振が生じる増幅率で増幅し、信号処理部は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と高調波成分との振幅差または振幅比の変化に基づいて、試験体に付着している液体を検知する。 The liquid detection device disclosed herein comprises a transmitting probe that is driven by inputting an electrical signal and transmits ultrasonic waves into a test piece, a receiving probe that receives ultrasonic waves propagated through the test piece and converts them into an electrical signal, an amplifier that amplifies the electrical signal converted by the receiving probe and outputs it to the transmitting probe, and a signal processing unit that detects liquid adhering to the test piece by processing an oscillation signal received from an oscillation loop that includes the amplifier, the transmitting probe, the test piece, and the receiving probe, wherein the amplifier amplifies the electrical signal converted by the receiving probe with an amplification factor that generates oscillation in the oscillation loop, and the signal processing unit detects liquid adhering to the test piece based on changes in the amplitude difference or amplitude ratio between the fundamental wave component and the harmonic component in the frequency spectrum distribution of the oscillation signal.
本開示によれば、試験体中を伝搬した超音波が電気信号に変換され、当該電気信号が、増幅器、送信探触子、試験体および受信探触子を含む発振ループに発振が生じる増幅率で増幅されて、発振ループに生じた発振信号の周波数スペクトルの分布に基づいて、試験体に付着している液体が検知される。試験体に付着した液体が微量であっても、当該液体に起因して発振信号の周波数スペクトルの分布が変化するので、本開示に係る液体検知装置は、微量の液体を検知することが可能である。 According to the present disclosure, ultrasonic waves propagating through the test object are converted into an electrical signal, and the electrical signal is amplified at an amplification factor that generates oscillation in an oscillation loop including an amplifier, a transmitting probe, the test object, and a receiving probe, and liquid adhering to the test object is detected based on the distribution of the frequency spectrum of the oscillation signal generated in the oscillation loop. Even if the amount of liquid adhering to the test object is small, the distribution of the frequency spectrum of the oscillation signal changes due to the liquid, so the liquid detection device according to the present disclosure is capable of detecting small amounts of liquid.
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る液体検知装置１の構成を示すブロック図である。液体検知装置１は、試験体１００に付着した液体を検知する装置であり、送信探触子２、受信探触子３、増幅器４および信号処理部５を備える。以下、検知対象の液体が、水滴ＷＤであるものとする。試験体１００は、水滴ＷＤの付着の有無が試験される部材であり、例えば、鋼板である。
1 is a block diagram showing the configuration of a liquid-
送信探触子２は、その出力部が試験体１００の表面に接触した状態で当該試験体１００に設置される。送信探触子２の入力部は、ケーブルによって増幅器４の出力部と信号処理部５の入力部とに接続される。受信探触子３は、その入力部が試験体１００の表面に接触した状態で当該試験体１００に設置される。受信探触子３の出力部は、ケーブルによって増幅器４の入力部に接続されている。
The
送信探触子２は、ケーブルを通じて増幅器４から電気信号を入力して駆動し、電気信号に基づいた超音波を試験体１００中に送信する。例えば、送信探触子２は、入力部を通じて、増幅器４の内部に発生した微弱な電気雑音を入力して電気的に駆動することにより、電気雑音の大きさに応じた超音波を生成する。
The transmitting
受信探触子３は、試験体１００中を伝搬した超音波を、入力部を通じて受信し、受信した超音波を電気信号に変換する。受信探触子３によって変換された電気信号は、出力部からケーブルを通じて増幅器４の入力部へ出力される。
The
増幅器４は、受信探触子３によって変換された超音波の電気信号を増幅し、増幅した電気信号を、出力部からケーブルを通じて送信探触子２の入力部に出力する。送信探触子２は、増幅器４から入力した電気信号によって電気的に駆動する。増幅器４は、発振ループに発振が生じる一定以上の増幅率で電気信号を増幅する。ここで、発振ループは、図１において矢印で示すように、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３を含む発振ループである。増幅器４によって増幅された超音波の電気信号は、発振ループにおける発振信号である。
The
信号処理部５は、ケーブルを通じて発振ループから受信した発振信号を処理することにより、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知する。例えば、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知する。
The
具体的には、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と高調波成分（例えば、２倍波成分）との振幅差または振幅比の変化に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知する。また、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数の変化に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知することができる。また、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知することができる。
Specifically, the
図２は、送信探触子２および受信探触子３の周波数特性を示す図であり、送信探触子２および受信探触子３の共通の周波数応答特性を示している。図２において、横軸は、周波数（単位；ＭＨｚ）であり、縦軸は、送信探触子２と受信探触子３との間で送受信される超音波信号の相対振幅を線形スケールで示している。増幅器４における入力信号の増幅率が一定以上であれば、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３に発振ループが形成される。例えば、図２において、発振ループにおける発振信号の発振周波数は、およそ０．５６ＭＨｚである。
Figure 2 shows the frequency characteristics of the
図３は、試験体１００である鋼板中を伝搬する超音波の板波の位相速度の分散特性を示す図である。図３において、横軸は、周波数（単位；ＭＨｚ）であり、縦軸は、板波の位相速度（単位；ｍ／ｓ）を示している。試験体１００が板状の部材であると、送信探触子２から送信された超音波は、板波となって試験体１００の中を伝搬する。板波の伝搬モードには、伝搬媒質が厚さ方向に対称に変位する対称モードと伝搬媒質が厚さ方向に非対称に変位する対称モードがある。Ｓ０モードは、０次の対称モードであり、Ｓ１モードは、１次の対称モードである。また、Ａ０モードは、０次の非対称モードであり、Ａ１モードは、１次の非対称モードである。
Figure 3 is a diagram showing the dispersion characteristics of the phase velocity of ultrasonic plate waves propagating through the steel plate of the
超音波の周波数が、図２に示した０．５６ＭＨｚであって、鋼板の厚さが２．３ｍｍである場合、図３に示すように、鋼板中には、Ａ０モードの板波とＳ０モードの板波が伝搬する。送信探触子２および受信探触子３を、位相速度が２５００ｍ／ｓ程度の板波を効率よく送受信するように設定すると、鋼板中には、Ａ０モードの板波が効率よく伝搬する。すなわち、上記設定によって、周波数０．５６ＭＨｚのＡ０モードの板波が鋼板中を伝搬し、発振が生じる。
When the frequency of the ultrasonic waves is 0.56 MHz as shown in Figure 2 and the thickness of the steel plate is 2.3 mm, A0 mode plate waves and S0 mode plate waves propagate through the steel plate as shown in Figure 3. When the transmitting
図４は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合における発振信号の時間波形を示す図である。図５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合における発振信号の周波数スペクトルの分布を示す図である。図４に示す時間波形と図５に示す周波数スペクトルの分布は、試験体１００が鋼板であり、この鋼板の厚さが２．３ｍｍであり、送信探触子２および受信探触子３が位相速度２５００ｍ／ｓの板波を効率よく送受信するように設定された実験系で得られたものである。発振信号の時間波形は、図４に示すように波形が歪んでいる。発振信号の周波数スペクトルの分布には、図５に示すように、基本波成分だけでなく、２倍波および３倍波といった高調波成分が生じている。
Figure 4 shows the time waveform of the oscillation signal when no water droplets WD are attached to the
図６は、試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合における発振信号の時間波形を示す図である。図７は、試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合における発振信号の周波数スペクトルの分布を示す図である。図６に示す時間波形および図７に示す周波数スペクトルの分布は、図４および図５と同様に、試験体１００が鋼板であり、この鋼板の厚さが２．３ｍｍであり、液体検知装置１における送信探触子２および受信探触子３が、位相速度２５００ｍ／ｓの板波を効率よく送受信するように設定された実験系で得られたものである。
Figure 6 shows the time waveform of the oscillation signal when a water droplet WD is attached to the
図６に示す時間波形と図４に示す時間波形は、ほとんど同じに見える。しかしながら、図７に示す周波数スペクトルの分布と図５に示す周波数スペクトルの分布を比較すると、両者には差異が認められる。すなわち、試験体１００に水滴ＷＤが付着することで、発振信号の周波数スペクトルの分布が変化するという実験結果が得られた。例えば、周波数スペクトルの分布における、基本波成分および高調波成分の振幅、ピーク周波数およびスペクトル線幅に変化が生じる。
The time waveform shown in FIG. 6 and the time waveform shown in FIG. 4 appear almost the same. However, when comparing the frequency spectrum distribution shown in FIG. 7 with the frequency spectrum distribution shown in FIG. 5, differences are found between the two. In other words, the experimental results show that the adhesion of water droplets WD to the
信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分および高調波成分の振幅の変化を用いて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知することができる。図８は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分付近を示す図であり、図５および図７に示した周波数スペクトルの分布における基本波成分付近を拡大して示している。また、図９は、発振信号の周波数スペクトルの分布における２倍波成分付近を示す図であり、図５および図７に示した周波数スペクトルの分布における２倍波成分付近を拡大して示している。
The
図８および図９において、実線の曲線は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合における周波数スペクトルの分布であり、破線の曲線は、試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合における周波数スペクトルの分布を示している。試験体１００に水滴ＷＤが付着することにより、基本波成分の振幅は、図８に示すように１ｄＢ程度低下する。これに対して、２倍波成分の振幅は、図９に示すように６ｄＢ程度低下している。
In Figures 8 and 9, the solid curves indicate the distribution of the frequency spectrum when no water droplets WD are attached to the
図１０は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合における増幅器４の入出力特性の概要を示す説明図である。また、図１１は、試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合における増幅器４の入出力特性の概要を示す説明図である。試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合、試験体１００、例えば、鋼板中を伝搬する板波は、ほとんど減衰せずに受信探触子３に到達する。出力信号が若干飽和するように増幅器４の増幅率が設定された場合、図１０に示すように、出力信号の波形が歪むため、基本波成分だけでなく、高調波成分も発生する。
Figure 10 is an explanatory diagram showing an overview of the input/output characteristics of the
試験体１００に水滴ＷＤが付着すると、鋼板中を伝搬する板波は、わずかに減衰して受信探触子３に到達する。このため、図１１に示すように、増幅器４への入力信号の振幅が低下するので、飽和領域に達する出力信号の振幅は、わずかとなり、出力信号の歪みは、小さくなる。すなわち、基本波成分の振幅は、あまり変化せず、歪みに起因する高調波成分の振幅が大きく低下する。この結果、図８および図９に示したように周波数スペクトルの分布における基本波成分と２倍波成分とで振幅の変化量が異なるものとなる。
When water droplets WD adhere to the
図１２は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と２倍波成分との振幅差の変化に基づいた液体検知の概要を示す説明図である。図１２において、校正用部材１００Ａは、試験体１００における、送信探触子２からの板波が伝搬する部分と同じ厚さおよび同じ材質の部材である。液体検知装置１において、試験体１００の代わりに、水滴ＷＤが付着していない校正用部材１００Ａを用いて、増幅器４、送信探触子２、校正用部材１００Ａおよび受信探触子３に発振ループを形成する。信号処理部５は、発振ループの発振信号を用いて周波数スペクトルの分布を求め、周波数スペクトルの分布における基本波成分の振幅ａと２倍波成分の振幅ｂを算出する。
Figure 12 is an explanatory diagram showing an overview of liquid detection based on changes in the amplitude difference between the fundamental wave component and the second harmonic wave component in the frequency spectrum distribution of the oscillation signal. In Figure 12, the
次に、校正用部材１００Ａを含む発振ループを形成したときの増幅器４の増幅率を維持したままで、液体検知装置１は、校正用部材１００Ａの代わりに試験体１００を用いて、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３に発振ループを形成する。信号処理部５は、発振ループの発振信号を用いて周波数スペクトルの分布を求め、周波数スペクトルの分布における基本波成分の振幅Ａと２倍波成分の振幅Ｂを算出する。
Next, while maintaining the amplification factor of the
続いて、信号処理部５は、校正用部材１００Ａを用いて算出した基本波成分と２倍波成分の振幅差（ａ－ｂ）と、試験体１００を用いて算出した基本波成分と２倍波成分の振幅差（Ａ－Ｂ）とを比較する。例えば、下記式（１）が成り立つ場合、校正用部材１００Ａと試験体１００はほとんど同じ状態であると判断される。このため、信号処理部５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない（「水滴なし」）と判定する。
（Ａ－Ｂ）－（ａ－ｂ）≒０ ・・・（１）
Next, the
(A-B)-(a-b)≒0...(1)
上記式（１）が成り立たず、例えば、下記式（２）が成り立つ場合には、試験体１００を用いた発振ループにおいて求めた２倍波成分の振幅Ｂの低下量が相対的に大きくなるので、水滴ＷＤが付着していない校正用部材１００Ａにおける板波の伝搬特性と、試験体１００における板波の伝搬特性との間に差異がある。この場合、信号処理部５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着している（「水滴あり」）と判定する。下記式（２）において、Ｃは、水滴ＷＤの有無を判定するための閾値である。閾値Ｃは、正負も含めた値が設定される。
（Ａ－Ｂ）－（ａ－ｂ）＞Ｃ ・・・（２）
If the above formula (1) does not hold and, for example, the following formula (2) holds, the amount of decrease in the amplitude B of the second harmonic component obtained in the oscillation loop using the
(A-B)-(a-b)>C...(2)
振幅差（ａ－ｂ）と振幅差（Ａ－Ｂ）とを比較する場合を示したが、信号処理部５は、振幅ｂと振幅Ｂとを比較して、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知してもよい。また、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と２倍波成分との振幅差の代わりに、基本波成分と２倍波成分との振幅比を比較した結果に基づいて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知してもよい。さらに、信号処理部５は、基本波成分と２倍波成分との振幅差または振幅比の他に、基本波成分と３倍波以上の高調波成分との振幅差または振幅比を用いて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知してもよい。
Although the case where the amplitude difference (a-b) is compared with the amplitude difference (A-B) has been shown, the
なお、試験体１００中を伝搬する板波における、水滴ＷＤの存在に起因した伝搬損失が大きい場合、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３における発振が止まってしまう。この結果、周波数スペクトルの分布には、有意な信号がなくなり、雑音だけとなる。この場合、基本波成分の振幅Ａと２倍波成分の振幅Ｂとを特定することは、困難である。そこで、試験体１００を用いて求められた周波数スペクトルの分布のうち、校正用部材１００Ａを用いて求められた振幅ａの周波数における振幅が基本波成分の振幅Ａであり、振幅ｂの周波数における振幅が２倍波成分の振幅Ｂであるものとする。試験体１００に水滴ＷＤが付着していれば、振幅ａと振幅Ａとの間に大きな差異が生じるので、信号処理部５は、試験体１００に付着する水滴ＷＤを検知することができる。
When the propagation loss of the plate wave propagating through the
信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数の変化に基づいて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知できる。発振信号の周波数スペクトルの分布における、基本波成分のピーク周波数がｆ１であり、２倍波成分のピーク周波数がｆ２である。図８および図９に示した周波数スペクトルの分布から読み取ったピーク周波数ｆ１およびｆ２は、以下の通りである。
基本波成分；水滴なし→ｆ１＝０．５６２４ＭＨｚ、水滴あり→ｆ１＝０．５６２３ＭＨｚ
２倍波成分；水滴なし→ｆ２＝１．１２４９ＭＨｚ、水滴あり→ｆ２＝１．１２４６ＭＨｚ
The
Fundamental wave component: no water droplets → f1 = 0.5624 MHz, with water droplets → f1 = 0.5623 MHz
Second harmonic component: without water droplets → f2 = 1.1249 MHz, with water droplets → f2 = 1.1246 MHz
試験体１００に水滴ＷＤが付着すると、基本波成分および２倍波成分の各ピーク周波数がわずかに低下する。これは、水滴ＷＤが試験体１００に付着することにより、試験体１００中を伝搬する板波の音速が変化したためと考えられる。
When water droplets WD adhere to the
図８および図９に示した周波数スペクトルの分布には、基本波成分および２倍波成分に伴う不要な発振（スプリアス成分）が発生しており、試験体１００における水滴ＷＤの有無によってスプリアス成分のピーク周波数も変化する。図８および図９において、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波のスプリアス成分のピーク周波数がｆｓ１であり、２倍波のスプリアス成分のピーク周波数がｆｓ２である。図８および図９に示した周波数スペクトルの分布から読み取ったピーク周波数ｆｓ１およびｆｓ２は、以下の通りである。
基本波のスプリアス成分；水滴なし→ｆｓ１＝０．５３１７ＭＨｚ、水滴あり→ｆｓ１＝０．５３２３ＭＨｚ
２倍波のスプリアス成分；水滴なし→ｆｓ２＝１．０９４１ＭＨｚ、水滴あり→ｆｓ２＝１．０９４６ＭＨｚ
In the frequency spectrum distributions shown in Figures 8 and 9, unwanted oscillations (spurious components) occur due to the fundamental wave component and the second harmonic component, and the peak frequency of the spurious components also changes depending on the presence or absence of water droplets WD on the
Spurious components of the fundamental wave: no water droplets → fs1 = 0.5317 MHz, with water droplets → fs1 = 0.5323 MHz
Spurious components of double waves: without water droplets → fs2 = 1.0941 MHz, with water droplets → fs2 = 1.0946 MHz
試験体１００に水滴ＷＤが付着すると、基本波のスプリアス成分と２倍波のスプリアス成分の各ピーク周波数がわずかに高くなっている。このように、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分、２倍波成分およびこれらのスプリアス成分のピーク周波数の変化に基づいて、試験体１００に付着する水滴ＷＤを検知することができる。
When water droplets WD adhere to the
図１３は、発振信号の周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数の変化に基づいた液体検知の概要を示す説明図である。図１３において、校正用部材１００Ａは、試験体１００における、送信探触子２から送信された板波が伝搬する部分と同じ厚さおよび同じ材質の部材である。液体検知装置１において、試験体１００の代わりに、水滴ＷＤが付着していない校正用部材１００Ａを用いて、増幅器４、送信探触子２、校正用部材１００Ａおよび受信探触子３に発振ループを形成する。信号処理部５は、発振ループの発振信号を用いて周波数スペクトルの分布を求め、周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数ｆ１、ｆ２、ｆｓ１およびｆｓ２を特定する。
Figure 13 is an explanatory diagram showing an overview of liquid detection based on changes in peak frequency in the frequency spectrum distribution of an oscillation signal. In Figure 13, the
次に、校正用部材１００Ａを含む発振ループを形成したときの増幅器４の増幅率を維持したままで、液体検知装置１は、校正用部材１００Ａの代わりに試験体１００を用いて、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３に発振ループを形成する。信号処理部５は、発振ループの発振信号を用いて周波数スペクトルの分布を求め、周波数スペクトルの分布における基本波成分のピーク周波数ｆ１’、２倍波成分のピーク周波数ｆ２’、基本波のスプリアス成分のピーク周波数ｆｓ１’および２倍波のスプリアス成分のピーク周波数ｆｓ２’を特定する。
Next, while maintaining the amplification factor of the
続いて、信号処理部５は、校正用部材１００Ａを用いて得られたピーク周波数と、試験体１００を用いて得られたピーク周波数とを比較する。例えば、下記式（３）が成り立つ場合、校正用部材１００Ａと試験体１００とは、ほとんど同じ状態であると判断される。このため、信号処理部５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない（「水滴なし」）と判定する。
ｆｓ２’－ｆｓ２≒０ ・・・（３）
Next, the
fs2'-fs2≒0...(3)
上記式（３）が成り立たず、例えば、下記式（４）が成り立つ場合は、水滴ＷＤが付着していない校正用部材１００Ａにおける板波の伝搬特性と、試験体１００における板波の伝搬特性との間に差異がある。この場合、信号処理部５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着している（「水滴あり」）と判定する。下記式（４）において、Ｄは、水滴ＷＤの有無を判定するための閾値である。閾値Ｃは、正負も含めた値が設定される。
ｆｓ２’－ｆｓ２＞Ｄ ・・・（４）
If the above formula (3) does not hold and, for example, the following formula (4) holds, there is a difference between the propagation characteristics of the plate wave in the
fs2'-fs2>D...(4)
２倍波のスプリアス成分のピーク周波数ｆｓ２とピーク周波数ｆｓ２’を比較する場合を示したが、信号処理部５は、ピーク周波数ｆｓ２とピーク周波数ｆｓ２’との比較結果に併せて、２倍波成分のピーク周波数ｆ２とピーク周波数ｆ２’とを比較した結果に基づいて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知してもよい。
Although the case where the peak frequency fs2 and the peak frequency fs2' of the spurious component of the second harmonic is compared has been shown, the
また、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布のうち、試験体１００における水滴ＷＤの有無に応じた変化が大きい成分のピーク周波数を選択し、選択したピーク周波数の変化に基づいて、水滴ＷＤの有無を検知してもよい。さらに、信号処理部５は、基本波成分、２倍波成分およびこれらのスプリアス成分のピーク周波数の他に、基本波成分、３倍波以上の高調波成分およびこれらのスプリアス成分のピーク周波数を用いて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知してもよい。
The
また、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知できる。図８に示した周波数スペクトルの分布において、試験体１００に水滴ＷＤが付着していなければ、基本波成分の周波数で鋭い発振となる。試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合、水滴ＷＤがない場合に比べて発振周波数近傍の線幅が明らかに大きくなっている。これは、試験体１００に水滴ＷＤが付着することにより、増幅器４から出力される信号に含まれる位相雑音が変化することに起因する。すなわち、周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいて、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知することが可能である。なお、「線幅」とは、発振信号の周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数付近で、ある一定の振幅（例えば、一定の閾値を超える振幅）を有した周波数スペクトルの幅を意味しており、単位はＨｚである。
The
図１４は、発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいた液体検知の概要を示す説明図である。図１４において、校正用部材１００Ａは、試験体１００における、送信探触子２からの板波が伝搬する部分と同じ厚さおよび同じ材質の部材である。液体検知装置１において、試験体１００の代わりに、水滴ＷＤが付着していない校正用部材１００Ａを用いて、増幅器４、送信探触子２、校正用部材１００Ａおよび受信探触子３に発振ループを形成する。信号処理部５は、発振ループの発振信号を用いて周波数スペクトルの分布を求め、周波数スペクトルの分布における線幅αを特定する。
Figure 14 is an explanatory diagram showing an overview of liquid detection based on changes in line width in the frequency spectrum distribution of an oscillation signal. In Figure 14, the
次に、校正用部材１００Ａを含む発振ループを形成したときの増幅器４の増幅率を維持したままで、液体検知装置１は、校正用部材１００Ａの代わりに試験体１００を用いて、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３に発振ループを形成する。信号処理部５は、発振ループの発振信号を用いて周波数スペクトルの分布を求め、周波数スペクトルの分布における線幅βを特定する。
Next, while maintaining the amplification factor of the
続いて、信号処理部５は、校正用部材１００Ａを用いて得られた線幅αと試験体１００を用いて得られた線幅βとを比較する。例えば、下記式（５）が成り立つ場合、校正用部材１００Ａと試験体１００はほとんど同じ状態であると判断される。このため、信号処理部５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない（「水滴なし」）と判定する。
β－α≒０ ・・・（５）
Next, the
β-α≒0...(5)
上記式（５）が成り立たず、例えば、下記式（６）が成り立つ場合は、水滴ＷＤが付着していない校正用部材１００Ａにおける板波の伝搬特性と、試験体１００における板波の伝搬特性との間に差異がある。この場合、信号処理部５は、試験体１００に水滴ＷＤが付着している（「水滴あり」）と判定する。下記式（６）において、Ｅは、水滴ＷＤの有無を判定するための閾値である。閾値Ｅは、正負も含めた値が設定される。
β－α＞Ｅ ・・・（６）
If the above formula (5) does not hold and, for example, the following formula (6) holds, there is a difference between the propagation characteristics of the plate wave in the
β-α>E (6)
図８に示した周波数スペクトルの分布において、試験体１００に水滴ＷＤが付着することで、周波数スペクトルの分布における線幅が広がっている。しかしながら、発振の条件によっては、周波数スペクトルの分布における線幅が狭くなる場合もある。
In the frequency spectrum distribution shown in FIG. 8, the line width in the frequency spectrum distribution is broadened by the adhesion of water droplets WD to the
図１５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分付近を示す図であり、図８に示した周波数スペクトルの分布が得た条件のうち、増幅器４の増幅率を変化させた場合を示している。増幅器４の増幅率を変化させた場合、試験体１００に水滴ＷＤが付着することによって、周波数スペクトルの分布における線幅は、図１５に示すように、水滴ＷＤが付着していない場合と比較して狭くなっている。
Figure 15 shows the vicinity of the fundamental wave component in the frequency spectrum distribution of the oscillation signal, and shows the case where the amplification factor of the
このように、試験体１００に水滴ＷＤが付着することにより、周波数スペクトルの分布における線幅が広くなるか、狭くなるかは、発振の条件によって異なる。ただし、試験体１００における水滴ＷＤの有無によって、周波数スペクトルの分布における線幅に変化が発生することは、実験結果から明らかである。このため、信号処理部５は、周波数スペクトルの分布における線幅の変化を用いた試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知することが可能である。
As described above, whether the line width in the frequency spectrum distribution becomes wider or narrower due to the adhesion of water droplets WD to the
なお、信号処理部５は、周波数スペクトルの分布における基本波成分の線幅の他に、高調波成分の線幅の変化を用いて試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知してもよい。
The
これまでに説明された水滴ＷＤの検知方法は、校正用部材１００Ａを用いたものであった。ただし、例えば、液体検知装置１において、試験体１００を用いた発振ループを形成し、試験体１００上に水滴ＷＤがない場合における周波数スペクトルの分布を求め、信号処理部５が、周波数スペクトルの分布の変化をモニタリングすることで、校正用部材１００Ａを用いることなく、試験体１００における水滴ＷＤの有無を検知することができる。
The detection method for water droplets WD described so far uses the
以上のように、実施の形態１に係る液体検知装置１は、試験体１００中を伝搬した超音波を電気信号に変換し、当該電気信号を、増幅器４、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３を含む発振ループに発振が生じる増幅率で増幅し、発振ループに生じた発振信号の周波数スペクトルの分布に基づいて、試験体１００に付着している水滴ＷＤを検知する。試験体１００に付着した液体が微量であっても、当該液体に起因して発振信号の周波数スペクトルの分布が変化するので、液体検知装置１は、微量の液体を検知することが可能である。
As described above, the
また、実施の形態１に係る液体検知装置１において、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と高調波成分との振幅差または振幅比の変化に基づいて、試験体１００に付着した液体を検知する。試験体１００に付着した液体が微量であっても、当該液体に起因して発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と高調波成分との振幅差または振幅比が変化するので、液体検知装置１は、微量の液体を検知することが可能である。
In addition, in the
また、実施の形態１に係る液体検知装置１において、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における、基本波成分、高調波成分およびこれらのスプリアス成分のうちの少なくとも一つのピーク周波数の変化に基づいて、試験体１００に付着した液体を検知する。試験体１００に付着した液体が微量であっても、当該液体に起因して発振信号の周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数が変化するので、液体検知装置１は、微量の液体を検知することが可能である。
In addition, in the
実施の形態１に係る液体検知装置１において、信号処理部５は、発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいて、試験体１００に付着した液体を検知する。試験体１００に付着した液体が微量であっても、当該液体に起因して発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅が変化するので、液体検知装置１は、微量の液体を検知することが可能である。
In the
実施の形態２．
図１６は、実施の形態２に係る液体検知装置１Ａの構成を示すブロック図である。試験体１００に付着している液体を検知する液体検知装置１Ａは、送信探触子２、受信探触子３、増幅器４Ａおよび信号処理部５Ａを備える。以下、検知対象の液体が水滴ＷＤであるものとする。試験体１００は、水滴ＷＤの付着の有無が試験される部材であり、例えば、鋼板である。図１６において、図１と同一の構成要素には同一の符号が付され、図１と同一の説明は省略される。
Fig. 16 is a block diagram showing the configuration of a liquid-detection device 1A according to a second embodiment. The liquid-detection device 1A detects liquid adhering to a
増幅器４Ａは、増幅器４と同様に、受信探触子３によって変換された超音波の電気信号を増幅し、増幅した電気信号を、出力部からケーブルを通じて送信探触子２の入力部に出力する。送信探触子２は、増幅器４Ａから入力した電気信号によって電気的に駆動する。増幅器４Ａは、発振ループに発振が生じる一定以上の増幅率で電気信号を増幅する。
Like
発振ループは、図１６において矢印で示すように、増幅器４Ａ、送信探触子２、試験体１００および受信探触子３を含む発振ループである。増幅器４Ａによって増幅された超音波の電気信号は、発振ループにおける発振信号である。液体検知装置１Ａは、例えば、図１６に図示されていない通信部を備えており、発振ループの信号は、当該通信部によって電波として信号処理部５Ａへ送信される。
As shown by the arrows in FIG. 16, the oscillation loop is an oscillation loop that includes the
信号処理部５Ａは、受信アンテナ６を有し、増幅器４Ａとは独立した装置に設けられ、受信アンテナ６によって発振ループの発振信号を無線で受信する。信号処理部５Ａは、受信アンテナ６を通じて受信した発振信号を処理することにより、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知する。例えば、信号処理部５Ａは、発振信号の周波数スペクトルの分布に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知する。
The
図１７は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合における、発振信号の周波数スペクトルの分布を示す図である。図１７に示す周波数スペクトルの分布は、試験体１００が鋼板であり、この鋼板の厚さが２．３ｍｍであり、送信探触子２および受信探触子３が、位相速度２５００ｍ／ｓの板波を効率よく送受信するように設定された実験系で得られたものである。発振信号の周波数スペクトルの分布には、図１７に示すように、基本波成分だけでなく、２倍波および３倍波といった高調波成分が生じている。
Figure 17 shows the frequency spectrum distribution of the oscillation signal when no water droplets WD are attached to the
図１８は、試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合における、発振信号の周波数スペクトルの分布を示す図である。図１８に示す周波数スペクトルの分布は、図１７と同様に、試験体１００が鋼板であり、この鋼板の厚さが２．３ｍｍであり、送信探触子２および受信探触子３が、位相速度２５００ｍ／ｓの板波を効率よく送受信するように設定された実験系で得られたものである。
Figure 18 shows the frequency spectrum distribution of the oscillation signal when a water droplet WD is attached to the
図１７に示す周波数スペクトルの分布と図１８に示す周波数スペクトルの分布とを比較すると、両者には差異が認められる。すなわち、試験体１００に水滴ＷＤが付着することにより、発振信号の周波数スペクトルの分布が変化するという実験結果が得られた。例えば、周波数スペクトルの分布における、基本波成分および高調波成分の振幅、ピーク周波数およびスペクトル線幅に変化が生じる。
Comparing the frequency spectrum distribution shown in FIG. 17 with the frequency spectrum distribution shown in FIG. 18, differences are observed between the two. In other words, the experimental results show that the frequency spectrum distribution of the oscillation signal changes when water droplets WD adhere to the
図１９は、発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分付近を示す図であり、図１７および図８に示した周波数スペクトルの分布における基本波成分付近を拡大して示している。図２０は、発振信号の周波数スペクトルの分布における２倍波成分付近を示す図であり、図１７および図１８に示した周波数スペクトルの分布における２倍波成分付近を拡大して示している。図１９および図２０において、実線の曲線は、試験体１００に水滴ＷＤが付着していない場合における周波数スペクトルの分布であり、破線の曲線は、試験体１００に水滴ＷＤが付着した場合における周波数スペクトルの分布を示している。試験体１００に水滴ＷＤが付着することにより、基本波成分の振幅は、図１９に示すように０．１７ｄＢ程度低下する。これに対し、２倍波成分の振幅は、図２０に示すように２．３７ｄＢ程度低下している。
Figure 19 shows the vicinity of the fundamental wave component in the frequency spectrum distribution of the oscillation signal, and shows an enlarged view of the vicinity of the fundamental wave component in the frequency spectrum distribution shown in Figures 17 and 8. Figure 20 shows the vicinity of the second harmonic component in the frequency spectrum distribution of the oscillation signal, and shows an enlarged view of the vicinity of the second harmonic component in the frequency spectrum distribution shown in Figures 17 and 18. In Figures 19 and 20, the solid curves show the frequency spectrum distribution when no water droplets WD are attached to the
図１９および図２０に示す周波数スペクトルの分布において、基本波成分と２倍波成分とで振幅の変化量が異なるものとなっている。試験体１００に水滴ＷＤが付着すると、鋼板中を伝搬する板波は、わずかに減衰して受信探触子３に到達する。このため、増幅器４Ａへの入力信号の振幅が低下することにより、飽和領域に達する出力信号の振幅は、わずかとなり、出力信号の歪みは小さくなる。すなわち、基本波成分の振幅は、あまり変化せず、歪みに起因する高調波成分の振幅が大きく低下する。この結果、図１９および図２０に示すように、周波数スペクトルの分布における、基本波成分と２倍波成分とで振幅の変化量が異なるものとなる。
In the frequency spectrum distribution shown in Figures 19 and 20, the amount of change in amplitude is different between the fundamental wave component and the double wave component. When water droplets WD adhere to the
増幅器４Ａの出力部と信号処理部５Ａの入力部との間は、ケーブルによって接続されておらず、前述したように、受信アンテナ６を通じた無線通信で接続されている。信号処理部５Ａは、受信アンテナ６を通じて増幅器４Ａから受信した発振信号を処理することで、発振信号の周波数スペクトルの分布を求める。信号処理部５Ａは、このようにして求めた周波数スペクトルの分布における基本波成分と２倍波成分との振幅差または振幅比の変化に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知する。また、実施の形態１と同様に、信号処理部５Ａは、発振信号の周波数スペクトルの分布におけるピーク周波数の変化に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知することができる。さらに、信号処理部５Ａは、発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいて、試験体１００に付着した水滴ＷＤを検知することができる。
The output section of the
以上のように、実施の形態２に係る液体検知装置１Ａにおいて、信号処理部５Ａが、増幅器４Ａとは独立して設けられ、記発振信号を無線で受信する。これにより、液体検知装置１Ａは、実施の形態１と同様に微量の液体を検知することが可能である。さらに、液体検知装置１Ａを試験体１００に設置する際に、増幅器４Ａと信号処理部５Ａとをケーブルで接続する必要がないので、液体検知装置１Ａの設置における作業効率が向上する。
As described above, in the liquid detection device 1A according to the second embodiment, the
なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。 It is possible to combine the embodiments, modify any of the components of each embodiment, or omit any of the components of each embodiment.
１，１Ａ 液体検知装置、２ 送信探触子、３ 受信探触子、４，４Ａ 増幅器、５，５Ａ 信号処理部、６ 受信アンテナ、１００ 試験体、１００Ａ 校正用部材。 1, 1A liquid detection device, 2 transmitting probe, 3 receiving probe, 4, 4A amplifier, 5, 5A signal processing unit, 6 receiving antenna, 100 test piece, 100A calibration member.
Claims (4)
前記試験体中を伝搬した超音波を受信して前記電気信号に変換する受信探触子と、
前記受信探触子によって変換された前記電気信号を増幅して前記送信探触子に出力する増幅器と、
前記増幅器、前記送信探触子、前記試験体および前記受信探触子を含む発振ループから受信した発振信号を処理することにより、前記試験体に付着した液体を検知する信号処理部と、
を備え、
前記増幅器は、前記受信探触子によって変換された前記電気信号を、前記発振ループに発振が生じる増幅率で増幅し、
前記信号処理部は、前記発振信号の周波数スペクトルの分布における基本波成分と高調波成分との振幅差または振幅比の変化に基づいて、前記試験体に付着している液体を検知すること
を特徴とする液体検知装置。 a transmitting probe that is driven by inputting an electrical signal and transmits ultrasonic waves into the test piece;
a receiving probe that receives ultrasonic waves propagated through the test object and converts the ultrasonic waves into the electrical signal;
an amplifier that amplifies the electrical signal converted by the receiving probe and outputs the amplified electrical signal to the transmitting probe;
a signal processing unit that detects liquid attached to the test piece by processing an oscillation signal received from an oscillation loop including the amplifier, the transmitting probe, the test piece, and the receiving probe;
Equipped with
The amplifier amplifies the electrical signal converted by the receiving probe at a gain at which oscillation occurs in the oscillation loop,
The signal processing unit detects the liquid adhering to the test piece based on a change in an amplitude difference or an amplitude ratio between a fundamental wave component and a harmonic component in a frequency spectrum distribution of the oscillation signal.
前記試験体中を伝搬した超音波を受信して前記電気信号に変換する受信探触子と、
前記受信探触子によって変換された前記電気信号を増幅して前記送信探触子に出力する増幅器と、
前記増幅器、前記送信探触子、前記試験体および前記受信探触子を含む発振ループから受信した発振信号を処理することにより、前記試験体に付着した液体を検知する信号処理部と、
を備え、
前記増幅器は、前記受信探触子によって変換された前記電気信号を、前記発振ループに発振が生じる増幅率で増幅し、
前記信号処理部は、前記発振信号の周波数スペクトルの分布における線幅の変化に基づいて、前記試験体に付着している液体を検知すること
を特徴とする液体検知装置。 a transmitting probe that is driven by inputting an electrical signal and transmits ultrasonic waves into the test piece;
a receiving probe that receives ultrasonic waves propagated through the test object and converts the ultrasonic waves into the electrical signal;
an amplifier that amplifies the electrical signal converted by the receiving probe and outputs the amplified electrical signal to the transmitting probe;
a signal processing unit that detects liquid attached to the test piece by processing an oscillation signal received from an oscillation loop including the amplifier, the transmitting probe, the test piece, and the receiving probe;
Equipped with
The amplifier amplifies the electrical signal converted by the receiving probe at a gain at which oscillation occurs in the oscillation loop,
The signal processing unit detects the liquid adhering to the test piece based on a change in line width in a frequency spectrum distribution of the oscillation signal.
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体検知装置。 3. The liquid detection device according to claim 1 or 2, wherein the signal processing unit detects the liquid adhering to the test piece based on a change in peak frequency of at least one of a fundamental wave component, a harmonic component , and a spurious component thereof in a frequency spectrum distribution of the oscillation signal.
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体検知装置。 The liquid-detecting device according to claim 1 , wherein the signal processing unit is provided independently of the amplifier and receives the oscillation signal wirelessly.
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