JPH063436B2 - 物品の劣化診断方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は構造物品、製品の検査あるいは診断において、
腐食量あるいは亀裂量等と負荷される張力等を検知でき
る物品の劣化診断方法に関するものである。また、当該
の方法を用いて腐食や亀裂等の検出、負荷される張力等
を検知できる機能を有した物品の劣化診断装置に関する
ものである。

（従来の技術） 従来より構造物品に加わる張力および肉厚・亀裂量を検
知する方法としては以下に掲げる方法があった。一定
形状を有する物品の自由振動下での共振周波数と減衰係
数から亀裂量を検知する方法。両端が固定された物品
の縦振動あるいは横振動の共振周波数から張力あるいは
構造を検知する方法。しかしながら、一端が固定された
物品の減肉量あるいは亀裂量と張力を同時に検知できる
方法はなかった。

第８図は上記の方法及びその装置構成を示す。１は振
動センサ、２はアンプ、３は演算部、４は表示部を示
す。また、５は被検体、６は防振材、７は加振器であ
る。次に、その作用および効果を説明する。加振器７で
加振された被検体５は自由振動し、その振動センサ１を
通して電気信号に変換される。変換された電気信号はア
ンプ２で増幅され、演算部３で振動数および減衰係数を
測定し、第９図に示すように与えられた形状、材質を持
つ被検体の振動数と減衰係数の関係から劣化程度を判定
する。この技術では、被検体に発生・進展する亀裂量に
伴い一意的に振動数と減衰係数は劣化方向に沿って変化
することを利用しているため、構造物品等の新品から劣
化取替域までの劣化程度、寿命を定量的に検知すること
ができる。

第１０図は上記の方法及びその装置構成を示す。１は
振動センサ、２はアンプ、３′は演算部、４は表示部を
示す。５′は被検体、６′は被検体を固定あるいは支持
する物体、７は加振器を示す。次に、その作用および効
果を説明する。加振器７あるいは自然環境中における常
時の振動によって被検体５′は振動する。この振動は振
動センサ１およびアンプ２を通して電気信号に変換、増
幅され、演算部３′で振動数を測定する。さらに、第１
１図に示すように予め与えられている被検体５′の長
さ、断面積および材質をもとに共振周波数から被検体に
加わる張力を算出する。この技術では、形状・材質の固
有な被検体の振動数から被検体両端に加わる張力を測定
することができるため、構造物等の強度上の安全性、寿
命を定量的に検知することができる。

しかしながら、両端が支持あるいは固定されている構造
物に加わる張力とその劣化程度あるいは形状を同時に検
知する方法はなかった。

（発明が解決しようとする課題） 従来の物品劣化診断方法は、材質および寸法が一定の物
品あるいは構造物に加わる張力と腐食等によって劣化し
た程度を同時に定量化できないという問題点があった。
このため、以下に示すような解決課題が残されていた。
両端が固定されており、張力が加えられている構造物
の劣化あるいは腐食量を定量的に検知すること。一定
箇所が固定されている構造物の寸法・形状の変化を定量
的に検知すること。

これらの結果、構造物の劣化診断の精度およびその適用
範囲が限られるという問題があった。

この発明は、上記の事情に基づいてなされたもので、一
定形状を有する構造物あるいは構造用物品の劣化程度お
よびそれらに加わる張力等を同時にしかも的確に探知す
ることのできる物品の劣化診断方法およびその装置を提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は、上記の問題点を解決するために、被検体と
なる構造物および構造用物品の縦振動の共振周波数と横
振動の共振周波数の両者から上記物品の劣化程度および
張力等を定量化することを要旨とする。さらに、この発
明は、被検体となる構造物および構造用物品の一端に取
りつける振動センサと、被検体の他端に振動を励起する
加振部と、被検体の縦振動および横振動の共振周波数を
算出して劣化程度および張力を算出する演算部と、結果
を出力する表示部とを有することを要旨とする。

（作用） この発明においては、物品の縦振動および横振動の共振
周波数を算出し、これらの情報に基づいて物品の劣化程
度および加わる張力等を検知している。

（実施例） 第１図は、この発明の一実施例に関わる物品の劣化診断
方法およびその装置の構成図を示す。１′は振動セン
サ、２はアンプ、３″は演算部、４は表示部、５″は被
検体（棒状物品）、６は固定あるいは支持物、７は加振
器を示す。なお、固定あるいは支持物６″は被検体５″
に張力を負荷している。まず、加振器７で加振された被
検体５″は振動する。この際、棒状の被検体５は横振動
（変位が棒の長手方向に垂直のモードを持つ振動）と縦
振動（変位が棒の長手方向と平行のモードを持つ振動）
の両者が複合した振動をとる。そこで、振動センサ１′
でこの機械振動を電気信号に変換し、アンプ２で増幅す
る。アンプ２を通して得られた振動波形をもとに演算部
３″で被検体５″の横振動および縦振動の共振周波数を
算出する。続いて、演算部３″で予め寸法（棒の長さお
よび断面形状）およびヤング率、密度が既知とされてい
る被検体に加わる張力および劣化程度に対応して算出さ
れた横振動および縦振動の共振周波数をもとに、被検体
５″の張力および劣化程度を算出する。最後に、演算部
３″で得た結果を表示部４で表示する。

第２図は、被検体として両端を固定した鉄棒の横振動波
形とその振動スペクトル分布を示す。第２図の２０は、
上記鉄棒のインパルス加振後の横振動波形である。第２
図の２１は、振動波形をＡ／Ｄ変換後、高速フーリエ変
換（ＦＦＴ）処理して得た横振動のスペクトル分布であ
る。この図で、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ周波数ピークであ
る。さらに、第３図は、被検体として両端を固定した鉄
棒の縦振動波形とその振動スペクトル分布を示す。第３
図の３０は、上記鉄棒のインパルス加振後の縦振動波形
である。第３図の３１は、振動波形をＡ／Ｄ変換後、高
速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理して得た縦振動のスペク
トル分布である。この図で、Ａ′，Ｂ′，Ｃ′はそれぞ
れ周波数ピークである。これらの周波数ピークをもとに
横振動および縦振動の共振周波数を測定する。即ち、第
２図の横振動のスペクトル分布の測定で、Ａ，Ｂ，Ｃの
３つの周波数ピークが演算され、この３つに対して横振
動の共振周波数として、具体的な数値である１８Ｈ_Ｚ，
４１Ｈ_Ｚ，８６Ｈ_Ｚを読み取るが、このうち劣化診断に
は最低次の共振周波数Ａ（１８Ｈ_Ｚ）を利用する。同様
に、第３図の縦振動のスペクトル分布の測定で、Ａ′，
Ｂ，Ｃ′の３つの周波数ピークが演算され、この３つに
対して縦振動の共振周波数として、具体的な数値である
４８０Ｈ_Ｚ，１０４０Ｈ_Ｚ，１８２０Ｈ_Ｚを読み取る
が、このうち劣化診断には最低次の共振周波数Ａ′（４
８０Ｈ_Ｚ）を利用する。この最低次の両振動共振周波数
から第５図および第６図により劣化診断を行う。

第４図は、上記の鉄棒の張力および劣化程度の診断実施
例の実験構成図を示す。１′は振動センサ７′は打撃ハ
ンマ（加振器）、５′は被検体、９は被検体５′に張力
を与えるための接続ワイヤ、８は張力印加用のロードセ
ル、10は被検体５′の支持板である。本実験では、被検
体５は22mmφ×1800mmの鉄棒を、ワイヤ９は長さ1200mm
のものを用いて測定した場合を示す。なお、被検体５′
の鉄棒は支持板10近くに腐食による劣化を仮定して減肉
加工部分１１を長さ２００mm、断面積を２０〜１００％
の範囲で５段階に加工して、減肉させてある。さらに、
振動センサ１′の被検体５′の横振動および縦振動を同
時に検知できるセンサであり、鉄棒の先端から６００mm
に取りつけられている。打撃ハンマ７′による打撃は鉄
棒の先端とし、ロードセル８で０〜２ｔまで張力を加え
た。第５図および第６図は、上記鉄棒の診断実施の結果
を示す。第５図は、鉄棒の横振動の共振周波数ｆｔと加
工した断面積比の関係を示す。共振周波数ｆｔは断面積
が小さくなっても変化しないが、張力の増加に従って大
きくなる。そこで、共振周波数ｆｔから鉄棒の加わる張
力が検知できる。第６図は、鉄棒の縦振動の共振周波数
flと加工した断面積比の関係を示す。共振周波数flは断
面積が小さくなるに従って低下し、張力が高くなるほど
共振周波数は相対的に高くなる。このため、鉄棒に加わ
る張力がわかれば共振周波数flから減肉した断面積を求
めることができる。これらの結果から、横振動の共振周
波数から鉄棒に加わる張力を求め、縦振動の共振周波数
から減肉した劣化程度を求めることができる。

第７図は、本実施例の物品の劣化診断方法の作用を示す
フローチャートを示す。このフローに従って本劣化診断
方法の処理の流れを説明する。まず、両端に張力が加わ
った被検体（棒状物品）を加振する（１００）。振動セ
ンサを通して電気信号の横振動波形を取り込み（１１
０）、続いて電気信号縦振動波形を取り込む（１２
０）。取り込んだ振動波形をサンプリング後Ａ／Ｄ変換
する（１３０）。ディジタル化された信号を高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）処理して振動のスペクトル分布を描く
（１４０）。算出したスペクトル分布のピークから横振
動の共振周波数ｆｔを求め（１５０）、さらに、縦振動
の共振周波数flを求める（１６０）。そこで、横振動の
共振周波数flから劣化程度（この場合は減肉量）を算出
する（１８０）。なお、張力並びに劣化程度の算出には
予め与えられた比検体の寸法、形状および材質ごとにデ
ータベース化された横振動の共振周波数ｆｔおよび縦振
動の共振周波数flが数値化されてメモリされている（１
９０）。最後に、診断した被検体の張力および劣化程度
を表示する （２００）。

なお、上記実施例では、一部分が減肉している金属棒に
一定の張力が加わっている場合について説明している
が、これに限定されるものでは無く、例えば、減肉の代
わりに亀裂が存在する場合あるいは張力の代わりに圧縮
力あるいは剪断力等の機械力が加わっている場合にも適
用できる。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、形状および材
質が一定の構造物あるいは構造用物品の縦振動および横
振動の共振周波数からその張力等および劣化程度を検知
しているので、例えば、構造物に固定あるいは支持され
た棒、梁、ワイヤ等の長物の構造物品の機械強度、構造
上の安定性および腐食量、亀裂量等の劣化程度を同時
に、簡便に、しかも的確に検知できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による物品の劣化診断方法およびその装
置の一実施例を示す構成図、第２図は本発明の実施例に
示す鉄棒の横振動波形およびそのスペクトル分布を示す
特性図、第３図は本発明の実施例に示す鉄棒の縦振動波
形およびそのスペクトル分布を示す特性図、第４図は本
発明の実施例に示す鉄棒の劣化診断方法およびその実験
構成図、第５図は本発明の実施例に示す鉄棒の張力変化
に伴う横振動の共振周波数と減肉した断面積との関係を
示す特性図、第６図は本発明の実施例に示す鉄棒の張力
変化に伴う縦振動の共振周波数と減肉した断面積との関
係を示す特性図、第７図は本発明の実施例における劣化
診断方法の作用を示すフローチャート、第８図は従来の
振動解析法による劣化診断方法の構成概略図、第９図は
従来の振動解析法による劣化診断図、第１０図は従来の
振動解析法による張力測定方法の構成概略図、第１１図
は従来の振動解析法による張力と振動数の関係を示す特
性図である。 １…振動センサ、１′…本発明による振動センサ、２…
アンプ、３…従来の演算部、３′…従来の演算部、３″
…本発明による劣化診断の演算部、４…表示部、５…被
検体、５′…被検体（梁、ワイヤ等）、５″…被検体
（棒状物品）、６…防振材、６′…固定あるいは支持す
る物体、６″…固定あるいは支持物（被検体に張力負荷
時）、７…加振器、７′…打撃ハンマ（加振器）、８…
ロードセル、９…接続用ワイヤ、10…支持板、１１…減
肉加工部分。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】張力等の機械力が加えられた棒状の被検体
   に機械的振動を与え、この被検体からセンサにより電気
   信号の横振動波形及び縦振動波形を抽出し、この横振動
   波形及び縦振動波形をデジタル信号に変換し、このデジ
   タル信号を高速フーリエ変換処理して振動のスペクトル
   分布を算出し、このスペクトル分布のピークから横振動
   の最低次の共振周波数及び縦振動の最低次の共振周波数
   を算出して、予め測定されている被検体の寸法、形状、
   および材質をもとに算出された共振周波数から当該被検
   体に加わる張力等の機械力を算出し、この張力等の機械
   力をもとに縦振動の共振周波数から当該被検体の減肉量
   等の劣化程度を算出することを特徴とする物品の劣化診
   断方法。
2. 【請求項２】両端あるいは一定箇所が固定され張力が付
   加されている棒状の被検体に機械的振動を励起させる加
   振部と、この被検体に取りつけてその横振動及び縦振動
   を電気的信号に変換するセンサ部と、 このセンサ部で得られるアナログ振動波形をディジタル
   信号に変換し、これらのディジタル信号を高速フーリエ
   変換処理によって横振動及び縦振動の最低次の共振周波
   数を算出して、予め測定されている被検体の寸法、形
   状、および材質をもとに算出された共振周波数から当該
   被検体に加わる張力等の機械力及び当該被検体の減肉量
   等の劣化程度を求める演算部と、 診断結果を表示する表示部から構成されることを特徴と
   する物品の劣化診断装置。