レーザー超音波リモートセンシングを用いたコンクリート内部欠陥探傷レーザー加工計測研究チーム島田義則オレグコチャエフ 1. はじめに超音波を用いる非破壊検査技術は種々の材料に対して適用できるためその内部欠陥や疲労状態を検出する方法と多くの手法が研究され実用に供されているその中でレーザー超音波

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こうしょいそみ
5 years ago
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2 レーザー超音波リモートセンシングを用いたコンクリート内部欠陥探傷レーザー加工計測研究チーム島田義則オレグコチャエフ 1. はじめに超音波を用いる非破壊検査技術は種々の材料に対して適用できるためその内部欠陥や疲労状態を検出する方法と多くの手法が研究され実用に供されているその中でレーザー超音波法は超音波の励起と検出の両方をレーザー光を用いて行うもので非接触探傷遠隔探傷が可能であることやレーザー光をスキャンさせることにより高速で探傷できる利点があるまた振動の検出を光の干渉現象で行うため同一のシステムで非常に広い周波数領域 ( 数キロヘルツから数メガヘルツ以上 ) の振動検出の可能性も持つ当研究所は散乱面からの波面の乱れた信号光に対して振動信号が得られるようダイナミックホログラムを用いて装置を構築した [1,] 今年度は様々なコンクリート欠陥探傷実験や検出感度向上を完了した振動検出装置で 5 m 離れた位置から探傷を行う野外実験を行ったさらに外部振動の影響を受けないために干渉縞安定化装置を構築した. レーザー超音波探傷装置レーザー超音波探傷装置の構成を図 1に示す検出用レーザーはビームスプリッターで信号光と参照光に分けられる信号光は試料の表面で反射され試料表面形状の情報を持ってダイナミックホログラムに戻ってくる信号光と参照光がダイナミックホログラム結晶中で干渉し合い結晶中に試料表面形状の情報が含まれた干渉縞が形成されるこれはホログラムの撮影過程と同じであるこの干渉縞によりダイナミックホログラム内部に屈折率の粗密領域が生成されそれが参照光を回折することとなる屈折率差が生成される応答時間は遅く数 1 μs~ 数 ms 程度である参照光は屈折率差による回折格子により回折を受けるその波面は信号光と同位相の波面となり光検出器に向かう信号光と位相が同じであれば光検出器は常に一定の光強度を受けることとなり光の強弱即ち振動による光の強弱は検出できない一方信号印加用レーザーはパルスレーザーを用いる信号印加レーザーをコンクリートに照射するとコンクリートはパルスレーザー照射により表面がアブレーションあるいは温度上昇により内部に弾性波が発生する弾性波は内部に伝搬し試験体内部の欠陥で反射して表面に戻ってくるこれによりコンクリート表面が振動を始めるこの振動により検出用レーザーの信号光はドプラーシフトを受けるドプラーシフトを受けた信号光図 1. ダイナミックホログラム結晶を用いたレーザー超音波探傷装置

はコンクリート表面形状と振動の情報を持ってダイナミックホログラムに入射する ( 位相変調された信号光 ) ダイナミックホログラム結晶の時間応答特性はコンクリート振動周波数より遅いため回折格子はコンクリート表面形状の回折格子状態を保つ参照光はこの回折格子により回折を受けるこの際参照光の波面はコンクリート表面状態の形状を記録し信号光と同軸で光検出器に向かう

3 はコンクリート表面形状と振動の情報を持ってダイナミックホログラムに入射する ( 位相変調された信号光 ) ダイナミックホログラム結晶の時間応答特性はコンクリート振動周波数より遅いため回折格子はコンクリート表面形状の回折格子状態を保つ参照光はこの回折格子により回折を受けるこの際参照光の波面はコンクリート表面状態の形状を記録し信号光と同軸で光検出器に向かう位相変調された信号光は参照光と同軸で光検出器に入射する ( ホモダイン検出 ) 光検出器は信号光と参照光の和を検出する信号光と参照光が重なると時間的に振幅の強弱が発生するこの振幅を光検出器で受光することによりコンクリート振動と同じ周波数の振動周期で光の強弱を検出することができる信号印加用レーザーはパルスエネルギー.3 J 繰り返し 1 Hz である検出用レーザーは出力 mw の Nd:YAG レーザーの第二高調波を使用したレーザーは縦横ともシングルモードであるコヒーレント長は 1 km である偏光は直線偏光ビームサイズは約.5 mm である出力光はポンプ光とプローブ光に二分されプローブ光は試験体表面を照射する減衰率可変フィルターと半波長板 - 偏光依存ビームスプリッターの組み合わせにより両ビーム間の最適パワー比を得るダイナミックホログラム結晶には Bi 1 SiO (BSO) を用いた結晶のサイズは mm であるに原理を示す信号印加レーザーでコンクリート表面をアブレーションしその反作用によってはつり部分が板振動することを検出用レーザーで捉える方法である信号印加レーザーを欠陥の中央部に照射するとはつり部の一次の板振動が励起されるこの例では約 4 khz の振動周波数である次に中心部と端の中間部分を照射すると二次の板振動が強く励起され検出される周波数は倍の 8 khz となる最後に欠陥を外した部分を信号印加用レーザー照射すると特徴的な振動は現れないこのことより特徴的な振動を捉えることにより内部欠陥を検出する著者らはトンネルに用いられている様々なコンクリート供試体を試験した供試体の大きさは cm である図 3 にコンクリート供試体の欠陥構造を示す健全供試体と 4 種類の内部欠陥 (C-9-1 C-1-1) 3 種類は模擬クラック (C--1 C-4-1) で亀裂やコールドジョイントを模擬した供試体 C--1 は表面コン 3. 様々なコンクリート内部欠陥からの振動モード検出コンクリート内部欠陥を検出する方法として振動スペクトル法がある図図. 振動スペクトル法によるコンクリート内部欠陥探傷の概念

図 3. 模擬コンクリート供試体の構造クリートが剥がれかかっているもの供試体 C-3-1 は 45 度に入ったコールドジョイントを模擬したもの供試体 C-4-1 は放射状に亀裂が入ったもの供試体 C-5-1 は中央部のコンクリート片が外れかかったものであるこれらの供試体は形が崩れるので木製の枠にはめ込まれている模擬コンクリート供試体 C-1-1 は内部に空洞があり

4 図 3. 模擬コンクリート供試体の構造クリートが剥がれかかっているもの供試体 C-3-1 は 45 度に入ったコールドジョイントを模擬したもの供試体 C-4-1 は放射状に亀裂が入ったもの供試体 C-5-1 は中央部のコンクリート片が外れかかったものであるこれらの供試体は形が崩れるので木製の枠にはめ込まれている模擬コンクリート供試体 C-1-1 は内部に空洞がありそこに外部から水を入れることが出来るタイプである使用した信号印加レーザーは Nd:YAG レーザー.3J 1 ns パルス幅 1 Hz 繰り返し周波数ビームサイズ動を検出するコンクリート供試体はレーザー検出器から1.5 m 離れた所のエアーサスペンションを持たない台の上に設置し内部欠陥探傷実験を行ったコンクリート供試体の表面をレーザーでスキャンを行い欠陥の大きさや励起振動周波数を計測したスキャンは信号印加レーザーと検出用レーザーを同時に駆動できるハーモニックミラーを用いた図 4 に模擬コンクリート供試体 (C--1) の探傷欠陥を示す 6.3 khz に大きなラインスペクトルが現れ欠陥部分から発生する固有振動が計測できた表面コンクリは直径 4 mm でレーザー強度は 7 MW/cm であるコンクリートにレーザーが照射されるとわずかにコンクリート表面がアブレートされる程度のアブレーションモードで行った検出用レーザーは CW のNd:YAG レーザーの倍高調波を用いた出力は 1.5 W でポンプ高の強度は 5 mw 残りのパワーはコンクリート供試体に照射したコンクリート表面で散乱し戻ってくるレーザーを信号光としてフォトリフラクティブ結晶に入射させたこの時の信号光強度は 15 μw 程度であるフォトリフラクティブ結晶には 6 kv/cm の外部電界を印加した結晶から出てきたレーザーを光電子増倍管により電気信号に変換し振 Spectral power, arb.un Frequency, khz 図 4. 欠陥供試体 (C--1) の探傷結果中心部分を探傷した場合 6.3 khz に特徴的なスペクトルが現れた

5 Spectral power, arb.un Frequency, khz 図 5. 欠陥供試体 (C-3-1) の探傷結果 45 度にクラックが入った供試体特徴的なスペクトルは 5.7 khz に現れたートが剥がれかかっている供試体はトンネル内で最も危険な箇所に匹敵するこの供試体で特徴的なスペクトルが測定できたことは重要な結果である図 5 に模擬コンクリート供試体 (C-3-1) の探傷スペクトルを示す 5.7 khz に特徴的なスペクトルが現れたこの供試体もトンネル内でよく発生する欠陥形状でありコンクリート探傷に重要なものである実験結果のまとめを表 1 に示すピエゾセンサーで得られた振動周波数も同時に示すレーザー検出で得られた値はピエゾセンサーで得られた値と良い一致を示す図 6 は内部欠陥の深さに対する振動周波数を示す内部欠陥の深さが深くなると振動周波数は高くなる式 1 に張力に対する振動周波数を示す T f A (1) ρ A は定数 T は張力 ρは密度である密度は同じであるため張力すなわちコンクリート厚が変化するとそのルートで振動数は変化する A を適切な値にすると図中の実線のようになる一次二次共によく一致したこの結果は欠陥の大きさが cmの大きさであるため計算とよく一致する欠陥の大きさが異なると振動周波数も変化するこのため振動スペクトル法で欠陥の大きさを決定する必要があるその後特徴的なスペクトルから欠陥の深さをある程度予測することが出来る 4. 振動減衰時間計測による内部欠陥状態の把握コンクリートはつり部分の振動減衰時間を内部欠陥状態との比較を行うすべての模擬コンクリート供試体に対して振動計測時間は 1 ms とした計測データを - ns, 1-3 ns, -4 ns, 3-5 ns, 4-6 ns で分割し各の周波数スペクトル強度を評価 # Sample description. All samples cm 表 1. 振動周波数 ( レーザー検出とピエゾ検出 ) First harmonic (sample center), khz Second harmonic (4 cm from center), khz piezo laser piezo laser 1 Flawless (C-1-1)?? Joint with plaster (C--1) cm, plaster width 6 cm 3 45-degree crack (C-3-1) Star crack (C-4-1), grid crack (C-5-1)???? 5 Void (C-9-1) cm, depth 1 cm 6 Void (C-1-1) cm, depth 5 cm 7 Void (C-11-1) cm, depth 7 cm 8 Void with water (C-1-1) cm, depth 1.5 cm khz 6.??.15 4

6 振動周波数 (khz) 次振動次振動 1 次振動計算次振動計算内部欠陥の深さ (mm) 図 6. 内部欠陥の深さに対する振動周波数した図 7 に実験結果を示すジャンカ欠陥や内部クラック欠陥は振動減衰時間が遅い一方クラック欠陥表紙図はレーザー検出装置とコンクリート供試体の写真を示す間隔は 5 m である信号印加用レーザーは Nd:YAG レーザーを使用したエネルギーは 4 mj パルス幅は 1 ns であるビームサイズは 4 mm である検出用レーザーは信号印加用レーザー照射位置の 1 cm 離れたところに配置した大型コンクリート供試体の内部に5 3 cmの発泡スチロールが内部欠陥として埋め込まれている此を探傷した図 8 9 に実験結果を示す図 8 は欠陥の外を探傷した場合の結果であり特徴的なスペクトルは現れていない一方図 9 は欠陥の中心部を探傷したときで.8,.7, および 3.5 khz にスペクトルが現れた 5 m 遠方からでも欠陥探傷が可能であることを確認した水帯水欠陥は減衰時間が短いこの結果亀裂が広く空いているところは減衰時間が長く狭いあるいは接触している箇所では減衰時間は短いことがわかる振動減衰時間で欠陥の状態がある程度評価できれば補修作業の仕方がかわる可能性があるため内部欠陥探傷で重要な事柄であると思われる 5. 遠隔コンクリート内部欠陥探傷コンクリート内部欠陥探傷実験昨年度はレーザー超音波探傷装置の検出効率を 5 倍向上させたこれにより 5 m 遠方のコンクリートを検出できるはずであるこれを確かめるために実験を行った Life-time of Lamb wave, ms Spectral power, a.u. a) 欠陥探傷位置 ( 赤丸部分 ) Frequency, khz b) 周波数スペクトル図 8. 内部欠陥の外を探傷した場合の結果特徴的なスペクトルは現れない Thickness of concrete layer, mm 図 7. 内部欠陥までのコンクリート厚さに対する振動寿命

Optical signal - Positive polarity Piezo signal Optical signal - Negative polarity a) 欠陥探傷位置 ( 赤丸部分 ) Piezo signal Spectral power, a.u..5 1.

そのずれ量を参照光に加えてやるすなわち位相をシフトさせることによりキャンセルさせ結果的に干渉縞を安定化させる装置を開発した [3] 図 1 は全く同じ条件で計測した 3 つの計測結果である 3 つの図中でおのおの上の波形はレーザー検出下の波形はピエゾセンサーである上図でレーザーの波形ピエゾセンサーとも最初のピークは正である中図の場合

7 Optical signal - Positive polarity Piezo signal Optical signal - Negative polarity a) 欠陥探傷位置 ( 赤丸部分 ) Piezo signal Spectral power, a.u Frequency, khz b) 周波数スペクトル Optical signal - Zero amplitude Piezo signal 図 1. レーザー検出を行った場合に発生する信号の正極負極信号無し図 9. 内部欠陥の中心部を探傷した場合の結果.8,.7, および 3.5 khz に特徴的なスペクトルが現れた 6. 干渉縞安定化装置レーザー検出装置に最も必要な機能の一つとして信頼性があるこれまでのシステムは安定した計測が出来ていないなぜならレーザー検出装置とコンクリートが自由振動するためにフォトリフラクティブ結晶内部に発生する干渉縞が揺らいでしまうことが問題であったこの問題を解決するため信号印加レーザーを照射する以前に参照光と信号光との位相ずれを検知してそのずれ量を参照光に加えてやるすなわち位相をシフトさせることによりキャンセルさせ結果的に干渉縞を安定化させる装置を開発した [3] 図 1 は全く同じ条件で計測した 3 つの計測結果である 3 つの図中でおのおの上の波形はレーザー検出下の波形はピエゾセンサーである上図でレーザーの波形ピエゾセンサーとも最初のピークは正である中図の場合ピエゾセンサーの信号は正にもかかわらずレーザー検出は負である下図はレーザー検出の信号が現れていないこのようにピエゾセンサーでは同一の正信号を出力するがレーザー検出では自由振動状態により正負あるいは信号無しと大きく結果が異なるこの結果を図 11 に示す 5 回の実験で正極性が 8 回負極性が 13 回信号無しが 9 回であったすべてが正極性であるとシグナル / ノイズ比は非常に高くなるが負極性が発生するために低下する測定精度を高いレベルに保つためには干渉縞の安定化が必要である著者らは安定化のために特別なアルゴリズムを開発して干渉縞安定化装置を開発した図 1 に干渉縞安定化装置の概念図を示すマイケルソン干渉計の信号光と参照光を分技し 8 チャンネルの検出器にフォトリフラクティブ結晶内部と同じ干渉縞を発生させる干渉縞が動くとその動きを関知しずれ分を参照光に繋がるピエゾセンサーにフィードバックをかけ干渉縞を安定化させた干渉縞安定周波数は 5-1 Hz である

8 8 6 Signal amplitude,v Pos Neg Zero Shot number 図 11.5 回のレーザー検出で得られた信号極性と強度正極性 8 回積分電圧 88.1 V 負極性 13 回積分電圧 -4.3 V 信号無し 9 回図 13. 干渉縞安定化装置を動作させたときの干渉縞の位相 ( 緑波形 ) とピエゾ駆動にかかる電圧 ( ピンク波形 ) 図 13 は干渉縞安定化装置を切り換える瞬間を示している干渉縞安定化装置を駆動させると今まで干渉縞が振動したがそれがなくなり一定となったザー装置との間の固有振動安定化装置を構築し正常に動作することを確認した 7. まとめ様々なコンクリート模擬欠陥を探傷しはつり部分の板振動を用いることによって欠陥が検出できることを確認したまた振動周波数はピエゾセンサーで検出した値とほぼ一致したまた欠陥亀裂の幅に振動寿命は依存する亀裂の幅が大きい場合は振動寿命は長く小さい場合には寿命は短い 5 m 遠方の欠陥探傷実験を行い遠方からでも欠陥検出が可能なことを示した最後にコンクリートとレー参考文献 [1] 島田義則レーザー超音波リモートセンシング技術の産業応用検査技術 Vol.11 (9) 8-14 (6). [] Oleg Kotiaev, et al., Nondestructive inspection of concrete structures with the use of photorefractive two-wave mixing, Proc. SPIE vol. 47, pp41-49, (). [3] 特許出願番号干渉パターン安定化機能を付加したレーザー超音波探傷リモートセンシング装置 ( 財 ) レーザー技術総合研究所. 図 1. 干渉縞安定化装置の構成

コンクリート工学年次論文集 Vol.27

コンクリート工学年次論文集 Vol.27 論文インパクトエコー法における鉄筋の影響に関する考察渡辺健 * 橋本親典 *2 大津政康 *3 *4 水口裕之要旨 : インパクトエコー法における鉄筋の影響を検討するため, 鉄筋コンクリート供試体を作製し, 実験的検討を行ったその結果, 鉄筋を本配筋した供試体を用いて, 鉄筋による共振周波数を検出し, その特徴について評価することができた格子状に鉄筋を配筋した鉄筋コンクリート供試体により,