(57)【要約】【課題】圧電素子のコンデンサの影響を取り除いて、虚部を含めた測定処理手法で構造物の状態及びその変化を監視すること。【解決手段】アクチュエータ及びセンサとして機能する圧電素子を用いて、その電気インピーダンスを測定する手法において、電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサの影響を除去したインピーダンスに基づいて、状態監視する構造物の伝達関数（周波数応答関数）を算出するので、機械インピーダンスの実部だけでなく、虚部を含めた形で構造物のモード特性を同定することができる。【選択図】　図３
2004108827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に取り付けた圧電素子を駆動する工程；
前記圧電素子の電気インピーダンスを測定する工程；及び、
前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程；
よりなる、圧電素子を用いた構造物監視方法。
【請求項２】
前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程が；
電圧（Ｖ）の電源から前記圧電素子と直列するように、コンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせたオペアンプの入力側を接続するとともに、電圧（Ｖ）の前記電源から前記圧電素子に並列する第１抵抗（Ｒ１）と、前記第１抵抗と直列するように、第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせたオペアンプの入力側を接続して、それぞれのオペアンプの出力側電圧を
【数１】
2004108827.tif 000027
及び
【数２】
2004108827.tif 000028
として求め；
それぞれのオペアンプの出力側電圧を減算回路により
【数３】
2004108827.tif 000029
として求め；
前記第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を選択することにより、圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程である、請求項１記載の圧電素子を用いた構造物監視方法。
【請求項３】
前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程が；
第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせたオペアンプに電圧（Ｖ）の電源及び接地させた第１抵抗を接続させるとともに、コンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせたオペアンプの入力側に電圧（Ｖ）の電源及び接地させた圧電素子をそれぞれ接続して、それぞれのオペアンプの出力側電圧を
【数４】
2004108827.tif 000030
及び
【数５】
2004108827.tif 000031
として求め；
それそれのオペアンプの出力側電圧を減算回路により
【数６】
2004108827.tif 000032
として求め；
前記第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を選択することにより、圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程である、請求項１記載の圧電素子を用いた構造物監視方法。
【請求項４】
電圧（Ｖ）と、それぞれのオペアンプの出力側電圧より
【数７】
2004108827.tif 000033
を高速フーリエ変換して伝達関数を
【数８】
2004108827.tif 000034
として求めた後、前記第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を選択することにより、圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する、請求項２又は請求項３記載の圧電素子を用いた構造物監視方法。
【請求項５】
所定電圧（Ｖ）を提供する手段；
前記電圧提供手段に接続された圧電素子；
前記圧電素子の出力側においてコンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせた第１オペアンプ手段；
前記電圧提供手段に接続されて前記圧電素子に並列する第１抵抗（Ｒ１）手段；
前記第１抵抗の出力側において第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせた第２オペアンプ手段；
第１オペアンプ手段の出力側及び第２オペアンプ手段の出力側に接続された減算回路；及び
前記所定電圧（Ｖ）と減算回路の出力（Ｖ２−Ｖ１）の比を参照して、前記第１抵抗（Ｒ１）と前記第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を変更する制御手段；
よりなる圧電素子を用いた構造物の監視システム。
【請求項６】
所定電圧（Ｖ）を提供する手段；
接地した圧電素子；
前記電圧提供手段及び前記圧電素子を入力側としてコンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせた第１オペアンプ手段；
接地した第１抵抗（Ｒ１）手段；
前記電圧提供手段及び前記第１抵抗（Ｒ１）手段を入力側として第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせた第２オペアンプ手段；
第１オペアンプ手段の出力側及び第２オペアンプ手段の出力側に接続された減算回路；及び
前記所定電圧（Ｖ）と減算回路の出力（Ｖ２−Ｖ１）の比を参照して、前記第１抵抗（Ｒ１）と前記第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を変更する制御手段；
よりなる圧電素子を用いた構造物の監視システム。
【請求項７】
前記制御手段が、前記所定電圧（Ｖ）と減算回路の出力（Ｖ２−Ｖ１）を
【数９】
2004108827.tif 000035
として求め、前記式を高速フーリエ変換して伝達関数を
【数１０】
2004108827.tif 000036
として求め、前記第１抵抗（Ｒ１）と前記第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を変更して、圧電素子のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する、請求項５又は請求項６記載の圧電素子を用いた構造物の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ及びセンサとして機能する圧電素子を用いて構造物の損傷を監視する方法及びシステムに関する。より詳細には、本発明は、構造物を駆動した前記圧電素子の電気インピーダンスを測定し、その電気インピーダンスの実部及び虚部を含めた測定処理手法で構造物の動特性の情報を得ることができる監視方法及び監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、圧電素子をアクチュエータ且つセンサとして用い、構造物に取り付けた前記圧電素子の電気インピーダンスを測定することにより、構造物の状態監視を行う手法が提案され、その有効性が報告されている。前記手法は、例えば、原子力プラント、大型旅客機、高速鉄道車両、トンネル、高架橋のような大型構造物に利用され得る。
【０００３】
この手法の原理は、構造物の機械インピーダンスと構造物に取り付けた圧電素子の電気インピーダンスが持つ関係を利用する。すなわち、圧電素子の電気インピーダンスの変化を検知することで、機械インピーダンスの微小変化を測定することとしている。機械インピーダンスの微小変化を測定することで、構造物中の損傷による物理的変化を察知でき、これにより、構造物の状態監視を行うこととしている。
【０００４】
【非特許文献１】
江鐘偉、西村浩一、長南征治二著、日本機械学会論文集Ｃ編　６７巻６６０号
２５８０−２５８６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１に記載されるような従来の手法では、電気インピーダンスの実部に注目するのみであり、虚部については殆ど注目されていない。
この理由は、コンデンサのインピーダンスが理想的には虚部のみであるので、電気インピーダンスの実部はコンデンサの影響が小さく機械インピーダンスの変化をよく反映するためと考えられる。
機械インピーダンスは複素数であるため、電気インピーダンスの虚部にも構造物の状態変化を表す機械インピーダンスの情報が含まれているが、圧電素子自身のコンデンサの影響を受けるという理由のために無視されていた。そのため、固有モード、固有振動数やモード減衰比といった構造物の動特性を完全な情報として得ることができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、圧電素子の電気インピーダンスを測定することにより、構造物の状態監視を行うための方法及びシステムにおいて、圧電素子のコンデンサの影響を取り除いて、虚部を含めた測定処理手法で構造物の状態及びその変化を監視することにある。
本発明の他の目的は、前記方法及びシステムを実施するための回路を提供することにも及ぶ。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、構造物の監視方法として以下の工程を備えている。この方法は、
構造物に取り付けた圧電素子を駆動する工程；
前記圧電素子の電気インピーダンスを測定する工程；及び、
前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程よりなる。
【０００８】
圧電素子のコンデンサの影響を取り除くには、所定の回路を用いる。その後、前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去したインピーダンスに基づいて、前記構造物の伝達関数（周波数応答関数）を算出する。こうすることにより、従来では無視又は着目していなかった虚部を含めた形で構造物の状態変化を察知することができる。
【０００９】
詳細には、前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程は、
電圧（Ｖ）の電源から前記圧電素子と直列するように、コンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせたオペアンプの入力側を接続するとともに、電圧（Ｖ）の前記電源から前記圧電素子に並列する第１抵抗（Ｒ１）と、前記第１抵抗と直列するように、第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせたオペアンプの入力側を接続して、それぞれのオペアンプの出力側電圧、すなわち、前記コンデンサ（Ｃ２）及び前記第２抵抗（Ｒ２）の出力側電圧を
【数１１】
2004108827.tif 000003
（ただし、ω：角周波数
Ａ：圧電素子の力係数
Ｚａ：圧電素子のインピーダンス
Ｚｓ：構造物のインピーダンス
である。）
及び
【数１２】
2004108827.tif 000004
として求め；
それぞれのオペアンプの出力側電圧、すなわち、前記コンデンサ（Ｃ２）及び前記第２抵抗（Ｒ２）の出力側電圧を減算回路により
【数１３】
2004108827.tif 000005
として求め；
前記第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を選択することにより、圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程である。
【００１０】
また、前記圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程は、
第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせたオペアンプに電圧（Ｖ）の電源及び接地させた第１抵抗を接続させるとともに、コンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせたオペアンプの入力側に電圧（Ｖ）の電源及び接地させた圧電素子をそれぞれ接続して、それぞれのオペアンプの出力側電圧を
【数１４】
2004108827.tif 000006
及び
【数１５】
2004108827.tif 000007
として求め；
それそれのオペアンプの出力側電圧を減算回路により
【数１６】
2004108827.tif 000008
として求め；
前記第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を選択することにより、圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去する工程である。
【００１１】
なお、圧電素子のコンデンサの影響を除去した後、電圧（Ｖ）と、それぞれのオペアンプの出力側電圧、すなわち、前記コンデンサ（Ｃ２）及び前記第２抵抗（Ｒ２）の出力側電圧より
【数１７】
2004108827.tif 000009
を高速フーリエ変換して伝達関数を
【数１８】
2004108827.tif 000010
として求め、第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）の抵抗比を選択することにより、圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明による構造物の監視方法及びシステムの好適実施形態について説明する。
【００１３】
本発明では、所定の回路を用いることにより、圧電素子の圧電材料と電極により構成されるコンデンサの影響を取り除き、その上で、電気インピーダンスの逆数であるアドッミッタンスの実部と虚部から構造物のコンプライアンスに比例する成分を求める。こうすることにより、構造物の動特性を実部と虚部をもつ完全な情報として取り出すことができ、カーブフィットを行って物理的に意味が明確な特性値としてモードパラメータを同定することができる。
【００１４】
まず、本発明を想到するに至った原理を説明するために、構造物に取り付けた圧電素子の簡易モデルとして図１のような、それぞれ一端を固定した圧電素子１０と構造物１２が結合されたモデルを考える。圧電素子１０と構造物１２は、エポキシ樹脂等の接着剤で固着されている。ＺａとＺｓは圧電素子１０と構造物１２の機械インピーダンス、Ｆは圧電素子１０と構造物１２との間に作用する力、ｖは圧電素子１０と構造物１２の結合部の速度、ＶとＩは圧電素子１０に加える電圧と電流である。
【００１５】
図１の簡易モデルの電気的な等価回路は、理想変圧器を含む図２（ａ）のようになる。ここで理想変圧器の電圧比に相当するＡは力係数であり、Ｃは圧電素子１０の電極と圧電材料によって構成されるコンデンサの静電容量である。これらは圧電素子１０の材料定数と寸法によって決まる定数である。
図２（ａ）の回路をまとめると図２（ｂ）となり、そのアドミッタンスＹは、
【数１９】
2004108827.tif 000011
（ただし、ω：角周波数
Ａ：圧電素子の力係数
である。）
となる。数１６の右辺第一項は圧電素子１０の電極と圧電材料によって構成されるコンデンサの効果、第二項は圧電素子１０及び構造物１２の機械インピーダンスの和の逆数であるのでモビリティーに比例する項である。この式からアドミッタンスの実部はモビリティーの実部のみであるのに対し、虚部はモビリティーの虚部に加え、コンデンサの影響が現れてくることがわかる。
さらに、一般的にはモビリティーの虚部よりもコンデンサの影響のほうが支配的である。そのため、従来では、虚部を無視するか虚部に着目しておらず、構造物の動特性を把握することができなかった。
【００１６】
ここで、圧電素子１０を流れる電流Ｉは
【数２０】
2004108827.tif 000012
であるので、圧電素子１０を流れる電流からコンデンサを流れた電流分を引いてからアドミッタンスを求めれば、実部と虚部を含めたモビリティーに比例する項のみを求めることができる。
こうすることで、アドミッタンスは、モビリティーに比例する形となり、カーブフィットを行うことにより、固有モード、固有振動数やモード減衰比といった構造物の動特性を完全な情報として得ることができる。
【００１７】
本発明では、コンデンサの影響を除去するため、すなわち、圧電素子１０を流れる電流からコンデンサを流れた電流分を引く手法として、所定の回路を含むシステムを提供する。
【００１８】
図３は、本発明による構造物監視システムの第１の形態の概要図を示している。当該システムは、制御手段を内蔵したコンピュータ１４によって操作される。Ｄ／Ａコンバータ１６は、コンピュータ１４によって疑似ランダム波の所定電圧Ｖを発生する。
圧電素子１０は、入力側においてＤ／Ａコンバータ１６に接続され、出力側においてコンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせたオペアンプ１８に接続されている。圧電素子に並列する第１抵抗（Ｒ１）は、入力側においてＤ／Ａコンバータ１６に接続され、出力側において、第１抵抗（Ｒ１）と直列するように、第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせたオペアンプ２０に接続されている。
【００１９】
それぞれのオペアンプ１８，２０の反転入力と非反転入力の電位差は０となるため、圧電素子１０および抵抗（Ｒ１）にかかる電圧は擬似ランダム波電圧Ｖに等しい。圧電素子１０、抵抗（Ｒ１）を流れる電流をＩ１，Ｉ２とすると
【数２１】
2004108827.tif 000013
（ただし、ω：角周波数
Ａ：圧電素子の力係数
Ｚａ：圧電素子のインピーダンス
Ｚｓ：構造物のインピーダンス
である。）
【数２２】
2004108827.tif 000014
となる。
【００２０】
オペアンプ１８，２０の入力インピーダンスは無限大なので反転入力へ流れる電流は０となり、圧電素子１０に流れた電流Ｉ１はそのままコンデンサ（Ｃ２）に流れ、抵抗（Ｒ１）に流れた電流Ｉ２は抵抗（Ｒ２）に流れる。そのため電圧Ｖ１、Ｖ２は
【数２３】
2004108827.tif 000015
【数２４】
2004108827.tif 000016
となる。
電圧Ｖ１は圧電素子１０を流れた電流Ｉ１を積分したものに比例し、−（Ｃ１／Ｃ２）Ｖは圧電素子のコンデンサ（Ｃ１）を流れた電流を積分したものに比例している。
【００２１】
本発明のシステムは、オペアンプ１８及びコンデンサ（Ｃ２）の出力側と、オペアンプ２０及び抵抗（Ｒ２）の出力側とに接続された減算回路２２を備えている。それぞれの出力を鎖線で囲まれた減算回路２２に入力するとその出力は
【数２５】
2004108827.tif 000017
となる。
【００２２】
本発明のシステムは、ローパスフィルタ付きＡ／Ｄコンバータ２４を備えており、チャンネル１に擬似ランダム波電圧（Ｖ）を入力し、チャンネル２に減算回路２２の出力（Ｖ２−Ｖ１）を入力し、コンピュータ１４によって高速フーリエ変換を行って伝達関数を求めると、
【数２６】
2004108827.tif 000018
となる。
【００２３】
上記数２６において、右辺第２項は機械インピーダンスの逆数を積分したものに比例する成分、すなわち、コンプライアンスに比例する成分である。
本発明のシステムでは、抵抗（Ｒ１）及び抵抗（Ｒ２）の少なくとも一方が、コンピュータ１４に内蔵された制御手段により操作可能な可変抵抗である。抵抗（Ｒ１）及び抵抗（Ｒ２）の少なくとも一方の抵抗値を変更することにより、右辺第１項の抵抗（Ｒ１）及び（Ｒ２）を抵抗比を適切に選ぶことができる。（Ｃ１）及び（Ｃ２）は定数であるので、抵抗比を適切に選ぶことにより、圧電素子１０のコンデンサ（Ｃ１）による影響を取り除き、コンプライアンスに比例する第２項のみを測定することができる。
【００２４】
図４は、本発明による構造物監視システムの第２の形態の概要図を示している。当該システムは、制御手段を内蔵したコンピュータ１４によって操作される。Ｄ／Ａコンバータ１６は、コンピュータ１４によって疑似ランダム波の所定電圧Ｖを発生する。
圧電素子１０は、一方の端子側が接地され、他方の端子側がオペアンプ１８ａの反転入力に接続される。電圧を提供するＤ／Ａコンバータ１６は、オペアンプ１８ａの非反転入力に接続される。圧電素子１０の他方の端子側、すなわち、オペアンプ１８ａの反転入力は、オペアンプ１８ａの出力側との間でコンデンサ（Ｃ２）をブリッジさせている。
第１抵抗（Ｒ１）は、一方の端子側が接地され、他方の端子側がオペアンプ２０ａの反転入力に接続される。電圧を提供するＤ／Ａコンバータ１６は、オペアンプ２０ａの非反転入力に接続される。第１抵抗（Ｒ１）の他方の端子側、すなわち、オペアンプ２０ａの反転入力は、オペアンプ２０ａの出力側との間で第２抵抗（Ｒ２）をブリッジさせている。
【００２５】
それぞれのオペアンプ１８ａ，２０ａの反転入力と非反転入力の電位差は０となるため、圧電素子１０および抵抗（Ｒ１）にかかる電圧は擬似ランダム波電圧Ｖに等しい。抵抗（Ｒ１）、圧電素子１０を流れる電流をＩ１，Ｉ２とすると
【数２７】
2004108827.tif 000019
【数２８】
2004108827.tif 000020
となる。
【００２６】
オペアンプ１８ａ，２０ａの入力インピーダンスは無限大なので反転入力から流れる電流は０となり、抵抗（Ｒ１）に流れる電流Ｉ１は抵抗（Ｒ２）から流れ、圧電素子１０に流れる電流Ｉ２はコンデンサ（Ｃ２）から流れる。そのため電圧Ｖ１、Ｖ２は
【数２９】
2004108827.tif 000021
【数３０】
2004108827.tif 000022
【００２７】
このシステムは、オペアンプ１８ａ及びコンデンサ（Ｃ２）の出力側と、オペアンプ２０ａ及び抵抗（Ｒ２）の出力側とに接続された減算回路２２を備えている。それぞれの出力を鎖線で囲まれた減算回路２２に入力するとその出力は
【数３１】
2004108827.tif 000023
となる。
【００２８】
システムは、第１の実施形態と同様に、ローパスフィルタ付きＡ／Ｄコンバータ２４を備えており、チャンネル１に擬似ランダム波電圧（Ｖ）を入力し、チャンネル２に減算回路２２の出力（Ｖ２−Ｖ１）を入力し、コンピュータ１４によって高速フーリエ変換を行って伝達関数を求めると、
【数３２】
2004108827.tif 000024
となる。
【００２９】
上記数３２において、右辺第２項は機械インピーダンスの逆数を積分したものに比例する成分、すなわち、コンプライアンスに比例する成分である。
本発明のシステムでは、抵抗（Ｒ１）及び抵抗（Ｒ２）の少なくとも一方が、コンピュータ１４に内蔵された制御手段により操作可能な可変抵抗である。抵抗（Ｒ１）及び抵抗（Ｒ２）の少なくとも一方の抵抗値を変更することにより、右辺第１項の抵抗（Ｒ１）及び（Ｒ２）を抵抗比を適切に選ぶことができる。（Ｃ１）及び（Ｃ２）は定数であるので、抵抗比を適切に選ぶことにより、圧電素子１０のコンデンサ（Ｃ１）による影響を取り除き、コンプライアンスに比例する第２項のみを測定することができる。
【００３０】
こうすることにより、構造物の動特性を実部と虚部をもつ完全な情報として取り出すことができ、カーブフィットを行って物理的に意味が明確な特性値としてモードパラメータを同定することができる。本発明では、コンデンサの値を調整することなく抵抗値の調整のみで圧電素子１０のコンデンサの影響を取り除くことができるために操作及び処理が容易である。
【００３１】
なお、回路の調整の誤差などで数２６及び数３２の右辺第１項を完全に０にできない場合でも、コンプライアンスに比例する右辺第２項に定数が加わる形、つまり剰余コンプライアンスとして影響があらわれるだけなのでカーブフィットにより前記定数除去することが可能である。
また、オペアンプのオフセット電圧やバイアス電流等の影響によりＶ２に大きなオフセットが生じる場合には、Ｃ２　に並列に抵抗を加えることで、この問題を解決することができる。付け加えた抵抗をＲ３とすると、
【数３３】
2004108827.tif 000025
より十分高い周波数ではＲ３を流れる電流の影響を無視することができ、上記数２１から数３２が成立する。
【００３２】
次に、上記発明のシステム及び方法を利用し、構造物としてアルミニウムの梁に圧電素子及び損傷を模擬するＭ２ナットを取り付け、コンプライアンス周波数応答関数を測定するとともに、測定値のカーブフィットを行った。図５及び図６は、実験による検証結果を示している。
【００３３】
図５は、本発明のシステムを利用して測定した自己コンプライアンス周波数応答関数である。実線は損傷なし（ナット取り付け前）、点線は損傷あり（ナット取り付け後）の結果を示す。構造物のコンプライアンス周波数応答関数Ｇ（ω）は一般粘性減衰として考えると
【数３４】
2004108827.tif 000026
と表現できる。
ここで、ωは角振動数、ωｄｒとσｒはそれぞれ減衰固有角振動数とモード減衰率である。Ｕｒ＋ｊＶｒはモード留数であり固有モードと関係する。Ｃ，Ｄは慣性拘束および剰余コンプライアンスである。
【００３４】
測定されたコンプライアンス周波数応答関数と測定されたコンプライアンス周波数応答関数と数３４から求めたコンプライアンス周波数応答関数の差の自乗和がもっとも小さくなるように、ωｄｒ、σｒ、Ｕｒ、Ｖｒ、Ｃ、Ｄを求めることをカーブフィットと呼ぶ。カーブフィットにより求めたωｄｒ、σｒ、Ｕｒ、Ｖｒ、Ｃ、Ｄを数３４に代入して得られるコンプライアンス周波数応答関数を図６に示す。実線は損傷なしの測定データをカーブフィットして求めたパラメータから得られる周波数応答関数、点線は損傷ありの測定データをカーブフィットして求めたパラメータから得られる周波数応答関数である。
【００３５】
図６は図５の実線と点線の差をよく表現しており、カーブフィットにより求めたパラメータが損傷前後の違いを反映していることが分かる。図５のそれぞれの線は約１６０個の点で表現されており、それぞれの点が実部と虚部を持つため、それぞれの線について約３２０個の数値データを保存する必要があるが、図６はカーブフィットにより得られた２２個のパラメータをもとに計算されているため、保存すべき数値データは２２個である。カーブフィットによって得られるパラメータの数は一般に採用するモード数（対象となる周波数帯域にあらわれるピークの数、図５では５つ）をｎとすると４ｎ＋２個となる。カーブフィットによりパラメータを求めると少ないデータで損傷前後の違いを的確に表現でき、時間を追ってのデータの蓄積や評価もしやすくなる。
【００３６】
本発明は、以上のように、損傷を監視する方法及びシステムとして案出されたが、さらに、当該監視システムを評価するための発明を提供する。上記監視システムは、損傷を発見することで、発生してはならない事故の未然防止に有用である。このシステムが経時的に適正に動作していることを評価できれば、システム自体の信頼性を向上させることができる。
システムの評価方法として、構造物の状態監視法を評価するために擬似的な損傷として、構造物に意図的に切れ目をいれる方法、意図的に質量を付加する方法が行われている。構造物に切れ目を入れる方法では、一度切れ目をいれてしまうと元に戻すことはできないため、不経済であるとともに再現性の確認も困難である。特に、実働しているシステムは、原子力プラント、旅客機、高速鉄道車両、トンネル、高架橋のような構造物に実装されているので、監視システムの評価のために損傷を与えることは許されない。一方、質量の付加は構造物を破壊しないために元に戻すことが可能であるが、再現性を確認するためには質量の位置を正確に決める必要があり極めて不便である。
【００３７】
図７は、監視システムの評価装置を概略的に示したブロック図である。符号１０は、構造物を監視するために用いられる測定用圧電素子を示している。この圧電素子は、少なくともセンサとしての機能を備えているが、構造物の損傷を監視する用途に用いられている場合にはアクチュエータとしての機能も備えている。符号１０ａ及び符号１０ｂは、構造物に意図的な損傷を擬似的に与えるための擬似損傷用圧電素子を示している。これらの圧電素子１０ａ，１０ｂ・・・は、少なくとも１以上の圧電素子群で構成される。
圧電素子は、その電極間にコンデンサ、抵抗、コイルを取り付けると、変形時にそれぞれ変位、速度、加速度に比例する力を発生するアクチュエータとしての機能を備える。上記のように構成した圧電素子では、ばね、ダンパ、質量を付加することと同じ効果が得られ、損傷を模擬することができる。これは、圧電素子にひずみを与えるとひずみ速度に比例する電流が発生し、この電流がコンデンサ、抵抗、コイルを流れることで電圧が発生し、電圧に比例する力が発生するためである。
【００３８】
図７に示すように、測定用圧電素子１０及び擬似損傷用圧電素子１０ａ，１０ｂが、長さ４８０ｍｍのアルミニウム製の梁に一定の間隔をおいて取り付けられる。擬似損傷用圧電素子には端子間にスイッチＳＷ１、ＳＷ２が取り付けられる。スイッチを閉じない場合には、圧電素子自体のコンデンサのみを電流が流れるため変位に比例する力が発生する。スイッチを閉じた場合には、電圧が０となり、力が発生しない。したがって、スイッチを短絡することにより剛性が低下し、圧電素子１０ａ，１０ｂが取り付けられている位置で擬似的な損傷が生じる。スイッチを開くと圧電素子及び構造物は初期状態に復旧する。
【００３９】
擬似損傷用圧電素子１０ａ，１０ｂのスイッチを閉じると、構造物に実際の損傷を与えることなく擬似損傷が発生し、構造物の動特性が変化する。また、擬似損傷用圧電素子１０ａ，１０ｂに接続する電気回路のインピーダンスを変化させることにより、大きさを含めて擬似損傷を幾度でも再現することができる。そして、擬似損傷による動特性の変化を測定用圧電素子１０により連続的に又は間欠的に測定させることにより、測定用圧電素子１０が適正且つ正常に動作しているか否かを評価することができる。また、他の用途として、擬似損傷を生じさせること、及び、その擬似損傷の大きさを変化させることにより、測定用圧電素子１０の機能をも評価することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明では、圧電素子の電気インピーダンスから圧電素子自体のコンデンサ（Ｃ１）の影響を除去したインピーダンスに基づいて、構造物の伝達関数（周波数応答関数）を算出するので、機械インピーダンスの実部だけでなく、虚部を含めた形で構造物のモード特性を同定することができる。
したがって、モード特性を用いて少ないデータで構造物の動特性を明確に評価し、構造物中の損傷を察知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】構造物に取り付けた圧電素子の簡易モデルを示す構成図
【図２】図１の簡易モデルの電気的に等価な回路図
【図３】本発明による監視システムの１つの形態の概要図
【図４】本発明による監視システムの他の形態の概要図
【図５】本発明による監視システムを利用して、構造物の損傷を測定したコンプライアンス周波数応答関数を示すグラフ
【図６】図４に示す測定結果をカーブフィットして求めたパラメータから得られた周波数応答関数を示すグラフ
【図７】監視システムの評価装置を概略的に示したブロック図
【符号の説明】
１０　圧電素子
１２　構造物
１４　コンピュータ
１８，２０　オペアンプ
２２　減算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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