(57)【要約】【課題】試験体の渦電流試験を実施する。【解決手段】生成したデジタル駆動信号をアナログ駆動信号に変換してプローブ内のコイルを駆動し、プローブを試験体に近接して設置する。試験体によって生成され、アナログ戻り信号を生成する電磁場を受け取り、デジタル戻り信号へ変換する。デジタル戻り信号の振幅を測定し、デジタル駆動信号と比較されるそのデジタル戻り信号の位相シフトを測定する。位相シフトに基づいてデジタル戻り信号の位相シフト角を決定し、デジタル戻り信号振幅および位相シフト角に基づいてデジタル戻り信号の直交成分を決定し、デジタル戻り信号の直交成分を分析して試験体の材料特性を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験体の渦電流試験を行う方法であって、
デジタル駆動信号を生成するステップと、
前記デジタル駆動信号を、プローブ内のコイルを駆動するアナログ駆動信号へ変換するステップと、
前記プローブを前記試験体に近接して設置するステップと
前記試験体によって生成され、アナログ戻り信号を生成する電磁場を受け取るステップと、
前記アナログ戻り信号をデジタル戻り信号へ変換するステップと、
前記デジタル戻り信号の振幅を決定するステップと、
前記デジタル駆動信号と比較される前記デジタル戻り信号の位相シフトに基づいて前記デジタル戻り信号の位相シフト角を決定するステップと、
前記デジタル戻り信号振幅および前記位相シフト角に基づいて前記デジタル戻り信号の直交成分を決定するステップと、
前記デジタル戻り信号の前記直交成分を分析して前記試験体の材料特性を決定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記材料特性の可視指標をインピーダンス平面上に表示するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記デジタル戻り信号から第１周波数帯域を分離するために前記デジタル戻り信号をフィルタ処理するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
試験体の渦電流試験を行うための装置であって、
デジタル駆動信号を生成するデジタル信号発生器と、
前記デジタル駆動信号をアナログ駆動信号へ変換するデジタルアナログ変換器と、
前記アナログ駆動信号によって生成される第１電磁場を送り、前記試験体によって生成される第２電磁場を受け取るプローブと、
前記電磁場によって生成されるアナログ戻り信号をデジタル戻り信号へ変換するアナログデジタル変換器と、
前記デジタル戻り信号の振幅と前記デジタル駆動信号と比較される前記デジタル戻り信号の位相シフトに基づいて前記デジタル戻り信号の位相シフト角とを決定する時間および振幅測定デバイスと、
前記デジタル戻り信号振幅および前記位相シフト角に基づいて前記デジタル戻り信号の直交成分を決定する座標変換器と、
前記デジタル戻り信号の前記直交成分を分析して前記試験体の材料特性を決定するための処理装置とを含む装置。
【請求項５】
前記材料特性の可視指標をインピーダンス平面上に提供する表示装置をさらに含む、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記信号発生器は波形合成器である、請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記デジタル戻り信号から第１周波数帯域を分離する第１帯域通過フィルタをさらに含む、請求項４記載の装置。
【請求項８】
前記時間および振幅測定デバイスは、完全にプログラム可能なゲートアレイおよびデジタル信号処理装置のうちの１つである、請求項４記載の装置。
【請求項９】
試験体の渦電流試験を行うための装置であって、
デジタル駆動信号を生成するための手段と、
前記デジタル駆動信号を、プローブ内のコイルを駆動するアナログ駆動信号へ変換するための手段と、
前記プローブを前記試験体に近接して設置するための手段と
前記試験体によって生成され、アナログ戻り信号を生成する電磁場を受け取るための手段と、
前記アナログ戻り信号をデジタル戻り信号へ変換するための手段と、
前記デジタル戻り信号の振幅を決定するための手段と、
前記デジタル駆動信号と比較される前記デジタル戻り信号の位相シフトに基づいて前記デジタル戻り信号の位相シフト角を決定するための手段と、
前記デジタル戻り信号振幅および前記位相シフト角に基づいて前記デジタル戻り信号の直交成分を決定するための手段と、
前記デジタル戻り信号の前記直交成分を分析して前記試験体の材料特性を決定するための手段とを含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にデジタル信号処理技術を使用する渦電流信号の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊渦電流試験において、発振器または他の信号発生器は、導電性試験体（導電性試験対象物）の近くに近接して設置される渦電流プローブのコイルを駆動する交流（ＡＣ）駆動信号（例えば、サイン波）を生成する。プローブコイル内の駆動信号は電磁場を生成し、これは導電性試験体内へ浸透し、試験体内に渦電流を誘導し、これは順にそれら自身の電磁場を生成する。試験体の材料特性（例えば、導電率、透磁率など）と同様に駆動信号の周波数は、特定の電磁場が試験体へ浸透する深さを決定し、より低い周波数の信号はより高い周波数の信号より深く浸透する。大部分の検査用途に対して、１ｋＨｚから３ＭＨｚの範囲の渦電流プローブ周波数が使用される。
【０００３】
渦電流によって生成される電磁場は、渦電流プローブ内に戻り信号を生成する。駆動信号の戻り信号との比較は、特定の深さにおける亀裂（ｆｌａｗ）または他の欠陥の存在を含めて、試験体の材料特性に関する情報を提供できる。亀裂または欠陥を有さないことが知られている試験体の一区分上に渦電流プローブを設置すると、参照またはヌル信号を設定するために使用することができる戻り信号が生成されるようになる。駆動信号とこの参照またはヌル信号との間の差（例えば、位相シフト）を決定することで参照データが設定され、それに対して後に続く試験体の未知の区分の測定が行われてもよい。
【０００４】
これらの続いて行われる試験体の未知の区分の測定は、渦電流プローブを試験体の表面に沿って滑らせ、駆動信号と渦電流電磁場によって生成される戻り信号との間の差を継続的に観測することによって、行うことができる。駆動信号と戻り信号との間の差が、駆動信号と参照またはヌル信号との間の差と整合しない限りにおいて、それは、試験体内のその位置における亀裂または他の欠陥（または材料特性の他の変化）の存在を示すかもしれない。しばしば複雑な渦電流応答を簡単化するのに役立つように、振幅および位相の変化はしばしばインピーダンス平面図（抵抗に対するシステムインダクタンスのプロット）上に表示される。この方法では、プローブと試験片との間の距離（リフトオフ）などの、作業者によるばらつきの変化は、トレースを形成する点の水平移動を引き起こし、一方、何らかの亀裂の存在は、その点を垂直に移動させることになる。いずれにしても、渦電流試験における重要なステップは、駆動信号と戻り信号との間の差（例えば、位相シフト）を決定することである。
【０００５】
渦電流試験において駆動信号と戻り信号との間の差を決定するためのアナログ方法は既知である。広く使用される１つの方法では、駆動信号と同じ周波数および振幅を有するサイン信号およびコサイン信号を生成するために、１つまたは複数の発振器が使用される。低域通過フィルタを通過した後、サインおよびコサイン信号の各々は戻り信号と混合または乗算され、この戻り信号は混合または乗算より前に増幅されている。乗算器から結果として生じる信号の各々は、乗算された２つの信号の積和および差積を含み、試験体戻り信号に基づく差信号の振幅および位相情報を含む。結果として生じるこれらの信号は次いで、差周波数および任意の低調和積以外のすべてを除去するために、低域通過フィルタ処理される。その結果として生じる信号を加算および増幅した後、信号は、駆動信号と戻り信号との間の差の直交信号を表し、これからその差信号の位相および振幅を導出することができる。直交信号は多重化され、アナログデジタル変換器に通され、次いでコンピュータまたは他の処理装置によって受け取られて、その信号を分析し、亀裂または他の欠陥の存在を判断する。
【０００６】
デジタル回路構成は、部品数の削減を含めて、アナログ回路構成に優るいくつかの固有の利点を有し、これは製造コストの削減、および部品の公差の変化に起因する潜在的影響の除去または最小化をもたらすかもしれない。これらの利点をかんがみて、デジタル信号処理の出現とともに、他のものが上述のアナログ回路構成および演算をデジタル回路構成で置き換えた。この交換はその応用の性能およびコストを改善するかもしれないが、一方、デジタル回路構成はなお、次に分析されて差信号の位相および振幅を決定するための直交出力を生成するために、戻り信号をサインおよびコサイン信号と乗算する計算を実施しなければならない。
【特許文献１】米国特許第４，６９８，５９１号公報
【特許文献２】米国特許第５，００６，８００号公報
【特許文献３】米国特許第５，０１７，８６９号公報
【特許文献４】米国特許第５，１７５，４９８号公報
【特許文献５】米国特許第５，１８２，５１３号公報
【特許文献６】米国特許第５，３３４，９３４号公報
【特許文献７】米国特許第５，３７１，４６２号公報
【特許文献８】米国特許第５，３８９，８７６号公報
【特許文献９】米国特許第５，５１０，７０９号公報
【特許文献１０】米国特許第５，５１１，４２５号公報
【特許文献１１】米国特許第５，５９６，５０８号公報
【特許文献１２】米国特許第６，０１６，７００号公報
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００３０１９３３３１Ａ１号公報
【特許文献１４】米国特許第６，７０７，２９７号公報
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００４００５６６５６Ａ１号公報
【特許文献１６】米国特許第６，７２０，７７５号公報
【特許文献１７】米国特許第６，７３４，６６９Ｂ２号公報
【特許文献１８】米国特許第６，７９８，１９７Ｂ２号公報
【特許文献１９】米国特許第６，８０９，６７１Ｂ１号公報
【特許文献２０】米国特許出願公開第２００５００５７２４７Ａ１号公報
【特許文献２１】米国特許第６，８７３，１４９号公報
【特許文献２２】米国特許出願公開第２００５０１０４７０１Ａ１号公報
【特許文献２３】米国特許第６，９１１，８２６号公報
【特許文献２４】米国特許第６，９１７，８９６号公報
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００５０２６４２８４Ａ１号公報
【特許文献２６】米国特許出願公開第２００６０１３２１２３Ａ１号公報
【特許文献２７】米国特許出願公開第２００６０１３２１２４Ａ１号公報
【特許文献２８】米国特許出願公開第２００６０２０２６８７Ａ１号公報
【特許文献２９】米国特許第７，１１３，８７３号公報
【特許文献３０】米国特許出願公開第２００６０２２９８３３Ａ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
戻り信号をサインおよびコサイン信号と乗算する必要がなくデジタル信号処理技術を使用して渦電流試験を実施することは有利なはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態では、デジタル駆動信号を生成し、そのデジタル駆動信号をアナログ駆動信号に変換してプローブ内のコイルを駆動するステップと、そのプローブを試験体に近接して設置するステップと、その試験体によって生成され、アナログ戻り信号を生成する電磁場を受け取るステップと、そのアナログ戻り信号をデジタル戻り信号へ変換するステップと、そのデジタル戻り信号の振幅を測定するステップと、デジタル駆動信号と比較されるそのデジタル戻り信号の位相シフトを測定するステップと、その位相シフトに基づいてデジタル戻り信号の位相シフト角を決定するステップと、デジタル戻り信号振幅および位相シフト角に基づいてデジタル戻り信号の直交成分を決定するステップと、デジタル戻り信号の直交成分を分析して試験体の材料特性を決定するステップとを含む、試験体の渦電流試験を行うための方法および装置が開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、デジタル信号処理方法を使用して渦電流試験を実施するために使用されるデジタル回路のブロック図を示す。デジタル信号発生器または波形合成器１０はデジタル駆動信号１００を生成することができる。デジタル駆動信号１００は、試験体中の１つもしくは複数の深さまたは他のパラメータの検査が要求されるのかに依存して、単一周波数信号または複数周波数信号とすることができる。図１で示されるように、デジタル駆動信号１００は、測定可能な振幅（Ｄ）１０２および選択される時間基準（Ｔ０）１０４を有し、これは後のデジタル戻り信号２００との比較のために使用することができる。振幅はピーク値としてまたはピークからピークの値として測定することができる。デジタル駆動信号１００は次いで、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１２に通され、アナログ駆動信号を生成し、これは次に低域通過フィルタ１４に通される。フィルタ処理されたアナログ駆動信号は次いで、渦電流プローブ１８内のコイル（図示されず）を駆動するプローブ駆動回路１６によって受け取られる。渦電流プローブ１８は電磁場を生成し、これは、導電性試験体（図示されず）に近く近接して設置されると、試験体内へ浸透し、試験体内に渦電流を誘導し、これは順にそれら自身の電磁場を生成する。
【００１０】
渦電流によって生成される電磁場は、渦電流プローブ１８内にアナログ戻り信号を生成する。アナログ戻り信号は渦電流プローブ１８によって受け取られ、次いで増幅器２０によって増幅され、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２２に通され、次いで１つまたは複数の帯域通過フィルタ２４に通されて、デジタル戻り信号２００を生成する。駆動信号の周波数は、特定の電磁場が試験体に浸透する深さを決定するので、複数周波数駆動信号が使用されるかぎりにおいて、試験体の異なる深さからのデータを分離するために、またはリフトオフを補償するために、複数帯域通過フィルタ２４を使用することができる。帯域通過フィルタの機能（すなわち、興味のある一周波数または狭い周波数帯域を分離すること）を提供するために、デジタルデバイスを使用することができる。デジタル駆動信号１００と同様に、特定の周波数または周波数帯域に対するデジタル戻り信号２００は、その周波数または周波数帯域に対するデジタル駆動信号１００の時間基準（Ｔ０）１０４と比較すると、測定可能な振幅（Ｒ）２０２および測定可能な時間または位相シフト（Ｔｓ）２０４を有する。振幅は、ピーク値としてまたはピークからピークの値として測定することができる。デジタル駆動信号１００およびデジタル戻り信号２００の両方とも同じ周期（Ｔ）１０６を有することができる。
【００１１】
図３は、デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６のベクトル表示を示す。図１で示されるように、時間および振幅測定デバイス２６は、デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６を決定し、ＦＰＧＡ、ＤＳＰまたは他のデジタルデバイスを含む、いくつかのデジタルデバイスのうちの任意の１つを使用して実施することができる。デジタル戻り信号２００の位相シフト角（θ）２０６は、周期（Ｔ）１０６に対するデジタル戻り信号２００の時間または位相シフト（Ｔｓ）２０４の比率を計算し、その比率に３６０°を乗算することによって、決定することができる。デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２は、その信号のピーク値またはピークからピークの値を決定することによって、直接測定することができる。
【００１２】
デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６は、極形式で直接処理することができ、または、もっと従来型の渦電流方法のように、Ｘ、Ｙ座標に変換することもできる。信号の振幅および位相角を知ることで、その信号の直交（サインおよびコサイン）成分（ＸおよびＹ）の計算が可能となる。座標変換器２８は、振幅（Ｒ）２０２に位相シフト角（θ）２０６のコサインおよびサインをそれぞれ乗算することによって、デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６を直交形式に変換することができる。
【００１３】
駆動信号の周波数は、特定の電磁場が試験体に浸透する深さを決定し、より低い周波数の信号はより高い周波数の信号よりも深く浸透するので、試験体内の複数深さにおける渦電流試験を実施するために、図１のデジタル信号発生器または波形合成器１０はデジタル駆動信号１００を複数周波数で提供することができる。興味のある特定の深さは、その深さに対応する周波数に対して、デジタル戻り信号２００およびデジタル駆動信号１００を分析することによって選択することができる。関連する周波数に対するデジタル戻り信号２００について振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６を決定するために、複数帯域通過フィルタ３４、４４、５４、ならびに時間および振幅測定ブロック３６、４６、５６を提供することによって、複数周波数分析を実施することができる。デジタル戻り信号２００の測定された振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６はコンピュータまたは他の処理装置４０へ通され、ここでそれらが分析されて、試験体中の亀裂もしくは欠陥または材料特性の他の変化の存在を判断する。
【００１４】
典型的な渦電流システムでは、渦電流測定の結果は、図４で示されるように、インピーダンス平面内でかつ使用者によって見られる表示装置４０３上に示される。この表示装置４０３はコンピュータ画面または同様のデバイスであってもよい。渦電流プローブ１８が試験体上を動かされると、表示装置４０３上の可視指標またはスポットは、デジタル戻り信号２００の測定される振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６に基づいて移動する。表示装置４０３は持続性を有するので、スポットの最近の動きを観察することができる。先述のように、インピーダンス平面表示装置４０３内で、リフトオフは、欠陥に起因する動きに対して直角にスポットが動くようにするという事実によって、試験体内の欠陥を渦電流プローブ１８のリフトオフと区別することができる。この差は、プローブ周波数の選択によって最適化することができる。図４では、試験体をリフトオフするプローブ１８からの応答が４００として示される。欠陥に対する応答は４０１として示される。
【００１５】
亀裂または欠陥のない対象物上のある位置の渦電流測定を表すために、インピーダンス平面表示装置４０３のある固定位置（例えば、中心）を有することが望ましい。これをするためには、この位置におけるアナログ戻り信号またはデジタル戻り信号を生成する必要があり、これはヌル信号と呼ばれる。次いでこのヌル信号またはその測定値（例えば、振幅および位相シフト角または直交成分）は保存され、未知の位置に対して後で続いて生成されるアナログ戻り信号またはデジタル戻り信号から効果的に減算することができる。この減算は、ヌル信号と等しく、符号が逆の信号を、未知の位置に対して後で続いて生成されるアナログ戻り信号またはデジタル戻り信号に注入することを含む、いくつかの方法で達成することができる。
【００１６】
ヌル信号を減算するまたは注入することは、信号連鎖内の任意の点で行うことができる。例えば、図１で示されるように、ヌル信号の振幅および位相シフト角の直交成分は参照メモリ３０内に保存される。後に続く試験中に、これらの値は、減算器または加算器３１、３２を使用して、デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６の直交成分から自動的に減算される。別法として、ヌル信号と等しく、符号が逆の信号は、ＡＤＣ２２による変換前に、アナログ戻り信号へ注入することができる。
【００１７】
リフトオフによりスポットが水平に移動し、欠陥によりスポットが垂直に移動するように、表示されるデータを調節することはまた便利でもある。このようにして、欠陥が報告される前の最大許容応答を表す簡単な閾値４０２を設定することができる。デジタル戻り信号２００の振幅（Ｒ）２０２および位相シフト角（θ）２０６の自動評価はこのようにして実施することができる。もし可視指標またはスポットが垂直方向に閾値４０２を超えると、コンピュータまたは他の監視回路によって警報を設定するまたは他の動作を取ることができる。リフトオフおよび欠陥に対する応答をＸおよびＹ軸に合わせるように表示装置４０３を調節するために、デジタル戻り信号２００の位相シフト角（θ）２０６に定数を加算または減算することができる。これは、図１で示されるように、位相シフト角（θ）２０６に定数を加算または減算するために位相回転デバイス２７を使用することによって達成することができる。
【００１８】
この記載される説明は、最良形態を含め、本発明を開示するために、かつ当業者なら誰でもが本発明を作成し、使用できるようにするために、実施例を使用する。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、もしそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造的要素を有するなら、またはもしそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的に差のない等価な構造的要素を含むなら、特許請求の範囲内にあると意図される。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】渦電流試験を実施するために使用されるデジタル回路のブロック図である。
【図２】渦電流試験における典型的な駆動信号および戻り信号のプロット図である。
【図３】渦電流試験における戻り信号の振幅および位相シフト角のベクトル表示図である。
【図４】渦電流試験の結果を表示するためのインピーダンス平面表示図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０  デジタル信号発生器
１２  デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）
１４  低域通過フィルタ
１６  プローブ駆動回路
１８  渦電流プローブ
２０  増幅器
２２  アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）
２４  帯域通過フィルタ
２６  時間および振幅測定デバイス
２７  位相回転デバイス
２８  座標変換器
３０  参照メモリ
３１  減算器
３２  加算器
３４  帯域通過フィルタ
３６  時間および振幅測定デバイス
４０  コンピュータ
４４  帯域通過フィルタ
４６  時間および振幅測定デバイス
５４  帯域通過フィルタ
５６  時間および振幅測定デバイス
１００  デジタル駆動信号
１０２  デジタル駆動信号振幅（Ｄ）
１０４  デジタル駆動信号時間基準（Ｔ０）
１０６  デジタル駆動信号／戻り信号周期（Ｔ）
２００  デジタル戻り信号
２０２  デジタル戻り信号振幅（Ｒ）
２０４  デジタル戻り信号時間または位相シフト（Ｔｓ）
２０６  デジタル戻り信号位相シフト角（θ）
４００  プローブリフトオフ
４０１  欠陥に対する応答
４０２  閾値
４０３  インピーダンス平面表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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