光ファイバ型 AE センサによる状態監視／スクリーニング法の研究
Condition Monitoring and Damage Screening by Fiber-optic AE Sensor㈱レーザック
東京大学

町島 祐一 Yuichi MACHIJIMA村山 英晶 Hideaki MURAYAMA

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FOD (Fiber Optical Doppler) sensor, that can measure elastic wave in wide-band frequency, has been
invented and developed, which utilizes Laser Doppler effect within an optical fiber. In particular, FOD
sensor can detect acoustic emission (AE), which is sometimes very useful parameter to monitor in-situ
damage at various equipments. Report herein is its measurement principle and its application for field use.
Keywords: Fiber-optic Sensor, Acoustic Emission(AE), Condition Monitoring, Damage Screening

１. 緒言

発生した微視的な亀裂や剥離等に伴って、内部で蓄積性された応力が開放されることにより放出される微小弾波

原子力プラントにおける保全方式が、時間基準保全であり、古くより金属・セラミック・コンクリート・岩（TBM）から状態基準保全（CBM）へと移行が進められ盤・強化プラスチック等の材料強度の評価手法として使ている。TBM では主に人手による検査が主体となってお用されている。近年ではコンピュータ技術の発展により、り、検査員個人の技量や検査体制・管理が重要となるが、ノイズ処理を始めとする高速解析技術も大きく進展し、CBM ではセンサを利用した状態監視評価システムが重様々なノイズの多い稼働中の現場でも損傷現象をリアル要な要素である。

タイムに把握できることから、定期的な（機器によってこれまで構造物の健全性に関わる情報を取得するセンは常態的な）状態監視によって、「当該機器を稼動停止

サには電気的な方式が用いられることが一般的であったさせ、精密検査や緊急補修が必要であるか」を割り出すが、1990 年代以降、航空機の CBM とも言える構造ヘルための「スクリーニング技術」として注目を集めている。

スモニタリング（SHM）への適用、あるいは橋梁の SHM

ここでは新たに開発した光ファイバ型 AE センサの検への適用を目指して、光ファイバセンサが注目を集め、盛んに研究されるようになった。現在ではその有効性が認められ、航空機、船舶や橋梁のほか様々な構造物やプ出技術の原理とその適用事例を報告する。

２. 光ファイバ AE センサ

ラントに適用されるようになっている。また、国内外で

２.1 光ファイバ AE センサの測定原理(1)原子力プラントへの適用について検討した例があり、今光ファイバはコアとクラッドの2層構造になっており，後この分野での適用範囲や効果的な利用について検討の光波はその境界周辺で全反射を繰り返しながら伝播する。

必要がある。

測定に際しては，光ファイバ線の一部を被計測物に固着

光ファイバセンサは従来の電気原理式センサに比べ、する。この固着部がセンサ部になり，被計測物が振動す①信号減衰が少なく長距離伝送が可能

るとセンサ部もその振動に併せて伸縮する。そして、固②電磁気ノイズの影響を受けにくい着部の一端から周波数ｆ０の光波を入力している場合、入③光ファイバは耐水性・耐腐食性に優れている

力端から出力端までの経路内に存在するある瞬間のレー④本質的に防爆である

ザ光の波数は一定であることから、経路長が伸縮すれば等の利点を有している。

波長が伸縮する、すなわち、伝播速度は一定であるからアコースティックエミッション（AE）とは、材料内で周波数がｆｄ だけ変化する。これをレーザドップラ効果と呼び、他端から出力される光波の周波数はｆ０－ｆｄ と連絡先: 町島祐一 〒113-0033 東京都文京区本郷 3-40-9、㈱ レ ー ザ ッ ク 、 電 話 : 03-3816-3864 、 e-mail:machijima@lazocなる。この周波数変調量ｆｄ は光ファイバの伸縮、すなわち被計測物の変位（ひずみ）速度に比例する。
光ファイバが伸縮する際の、光ファイバ内のドップラ効果により生じる周波数変調は式(1)で示される。ｆｄはセ聞こえない周波数領域（超音波）で、様々な構造材料のンサ部で生じる周波数変調、λは光波の波長、 dL / dt は微視的な破壊音を捕らえる AE センサとしての現場利用光ファイバの変位速度である。ここで負号は、変位速度がすでに始まっている。の増大により光の周波数が低下することを意味している。
fd  

1 dL
 dt

AE センサとしての実用感度を実証するために、（社）
日本非破壊検査協会が校正規格として定めている「相互(1)校正法によるアコースティックエミッション変換子の絶周波数変調を検知するための光干渉計を図 1 に示す。

対感度校正方法」（NDIS 2109-1991；縦波法）に従ってシステムはセンサ回路と計測回路から構成されている。

校正試験を実施した。校正を行った FOD センサを図 2 に計測回路はヘテロダイン干渉法を用いて周波数変調量示す。なお、校正の周波数帯域は、鋼鉄製立方体のサイを検出する回路である。同図より、光源（Light source）ズ（センサ間の距離 400mm）において反射波の影響が出から入射された周波数ｆ０のレーザー光は、センサ回路ない 60kHz から 300kHz までを対象とした。と計測回路に分波される。センサ回路では、計測対象物の振動によってファイバ部が微小伸縮すると、それに伴AE 測定に使用している FOD センサは、センサゲージ長が 65m であり、ボビン形状に積層して巻いている。

いファイバの光路長が時間的に変動する。その結果、レーザ光には光路長の時間的変化である dL / dt に比例した周波数変調ｆd が生じ、センサから出力されるレーザ光はｆ0－ｆd となる。一方、計測回路では AOM（周波数変調器）により周波数ｆM (80MHz）の基準光を加えｆ0+ｆM に変調される。そして、センサ回路からのレーザ光と計測回路からのレーザ光の周波数の差ｆM+ｆd が導かれ、検知器（Detector）でｆd が検出され、周波数/電圧変換器（FV）で電圧値に変換される。
センサ回路

Coupler

計測回路として使用されている圧電素子のピエゾ型 AE センサ（PZT：40dB アンプ付き）の感度データも併記している。

foLight Source

AOMHM

f M +ｆ d

FOD センサはピエゾ型 AE センサと同等の感度を有していることがわかる。

f o +ｆ M

Couplerf o -ｆ ｄ

結果を図 3 に示す。参考までに、従来より AE センサ

HM

Sensing Area

Optical Fiber

図 2 FOD センサ

OutputDetector

140
PZT_70kH
FOD（65m)130

図１ レーザドップラ干渉システム
以降、この光ファイバ AE センサの名称を「光ファイバドップラセンサ」とし，略して FOD (Fiber OpticaldB(0dB=V/m/s）

12011010090Doppler) センサと呼ぶ。式(1)より、この FOD センサには80

大きく 2 つの特徴がある。

70050

Ⅰ. dL の L、すなわちセンサ部の光ファイバ長を長くすればするほど、感度(ｆd )が向上すること

100150200250300kHz

図 3 FOD センサと PZT センサの比較校正

Ⅱ. dt の t、すなわち変化時間が短ければ短いほど、言い換えれば、周波数が高ければ高いほど、感度(ｆd )が３. 光ファイバ AE センサの適用事例向上すること

３．１ 岩盤破壊
地下発電所等の大規模岩盤地下空洞の掘削時には、空２.２ AE センサとしての FOD の感度
上記Ⅱの特徴を活かす使用方法として、人間の耳には洞の安定性や周辺岩盤のゆるみ領域を評価する手段として AE モニタリングが適用されてきた 2)、3)。さらに今後、

原油及び液化石油ガスの地下備蓄、高レベル放射性廃棄

実際のトンネル現場での AE データは現状非公開とな物処理や二酸化炭素の地中貯留等、地下200mから1,000mっており、本稿での報告は困難であるが、掘削現場でボに及ぶ大深度地下利用プロジェクトが多く計画・実行さーリングにより採取した原位置岩盤をこうした室内試験れている。また、従来利用されてきた花崗岩や古生層ので評価することにより、応力－AE 特性を事前に把握して堆積岩等、いわゆる「硬岩層」から、より固結度の低いおく作業が繰り返し行われている。実計測現場では、収堆積岩などの「軟岩層」においても大規模空洞の建設が録された AE データより、どの程度の応力が掘削近傍岩進むことが予測されている。そもそも地下岩盤層におけ盤に作用し、またどの程度まで岩盤破壊が進行したかをる微小破壊音の観測（AE 計測）には、高感度・長期信頼推定している。さらに建設中から供用中に至るまで、緊性・（時に）防爆性が求められる。そこで、これまでは急避難対策として常態的に AE 計測を行い、空洞の安定AE 伝播過程での距離減衰が大きいがゆえに AE 検出が困性評価の指標としても利用されている。

難とされてきた軟岩を対象にして、FOD センサの性能検

図4は圧縮試験における各岩石における応力-ひずみ曲線図に AE の発生数と周波数変化を併せて示したものである。まず、同図上段(1)の花崗岩の一軸圧縮試験結果をみると、軸ひずみ 0.65％、軸応力 130MPa で脆性的に破250～300kHz まで低下している。次に、中段(2)の花崗岩

AE発生数(個/秒）

周波数は破壊前には 400kHz 程度であるが、破壊直前にはの三軸圧縮試験の結果をみると、供試体は軸ひずみ 0.9％、らに 150kHz 程度と低下している。
最後に、下段(3)の大谷石の結果をみると、供試体は軸350
破壊:293MPa120～80%0.6％付近から徐々に増加し、破壊時では 100 個/秒程度に250

1002008060150～50%

10040ⅠⅡⅢⅣ5001816

破壊:12.6MPa

1401201412100

10～70%

8060ⅢⅠ+Ⅱ86Ⅳ

404202000.00.20.4

ひずみ 0.75%程度、軸応力が 12.6MPa で破壊している。
AE は花崗岩と異なり載荷開始から発生し、軸ひずみ

300

160
AE発生数（個/秒)

破壊近傍では 200kHz 程度と大きく低下し、残留時ではさ

破壊:130MPa～80%～50%

1800(3)凝灰岩(一軸)る。周波数については破壊前に 300kHz 以上であったが、Ⅲ

軸応力(MPa)
平均周波数(×10kHz)

急増するが、残留時にも同程度の AE 発生が継続していⅡ

14020

軸差応力 290MPa で破壊し、その後残留状態を維持している。AE は軸ひずみ 0.3％から発生し始め、破壊時にはⅠ

160(2)花崗岩(三軸)破壊時で最大 180 個/秒程度と急増している。AE 波形の450
400350300250200150100500400

AE発生数
応力-ひずみ周波数

軸差応力(MPa)
平均周波数(kHz)壊している。AE は軸ひずみ 0.5%程度から発生し始め、

180160140120100806040200180

軸応力(MPa)
平均周波数(kHz)

岩である花崗岩の AE 特性と比較した。

AE発生数(個/秒）

谷石）を用いて圧縮破壊時の AE を測定し、代表的な硬(1)花崗岩(一軸)証を実施した。試験では、代表的な軟岩である凝灰岩（大0.60.81.01.21.4

軸ひずみ [%]

図4 各岩石の圧縮応力下でのAE発生状況達する。残留時では 180 個/秒以上（最大で 1800 個/秒に達した）と破壊時より多く発生している。周波数につい３．２ 保温材下腐食ては載荷当初は 100kHz であったが、載荷の進行に伴って炭素鋼製の機器・配管における保温材下腐食は、長年150kHz まで上昇する傾向が伺われる。その後、破壊時に稼動している化学プラントにおいて重点管理が必要とさは周波数は低下し、残留時に一定値の傾向を示す。

れている深刻な劣化現象の一つである。特に屋外配管につFOD センサを用いて硬岩である花崗岩と軟岩であるいてはパイプラック上への設置など、外面からの目視点大谷石の供試体を用いて、破壊に伴う AE 特性を測定し、検が難しいのに加え、総延長距離が長いために保温材を軟岩の AE も感度よく捉えることが確認できた。また、取り外しての目視検査以上に有効なCUI の検査手法が確

硬岩と軟岩のAE特性にはAE発生状況と周波数帯に差異立されていない。
また、これらの検査費用のうち 70～80%があることがわかった。

が足場と保温材解体に占められており、多額の費用をか次に、図 7 に示す円筒型の実機反応器（内径φ3.8m、けて全面解体検査を行ったとしても腐食が発見されるの塔長：28m、代表部の肉厚 15mm）でも実証試験を実施しは、1000 系統の内 2～3 系統程度であり、非常に効率がた。一部の保温材を取り外し、その周方向に 90°ピッチ悪いことが問題とされている。一方、腐食が存在する場で 4 個の FOD センサを取り付けた。センサ近傍には深合、錆こぶの剥離等により微小な弾性波が発生すること

さ 3～5mm の深刻な腐食が事前に確認されており、錆除が知られている(4)。そこで、保温材解体可否を判断するた

去作業の前後における AE データを比較した。図 8 にデめの「腐食の有無を診断するスクリーニング手法」としータを示す。錆除去前後で AE 発生数に明瞭な違いが観て、FOD センサによる腐食 AE 検出技術の開発を室内・測できた。現在、他実機でも実証データを積み重ねてい現場双方で継続している。

る。

図 5 にモックアップ配管試験装置で行った AE 測定結果を示す。最長約 4000mm でも AE を捕捉可能であり、これは左右 8,000mm の範囲を一つのセンサで検査可能であることを示している。
また、腐食度の異なる時期に収録した AE データを比較したところ、腐食度が進行している際のデータの方が単位時間当りの AE 発生数が大幅に増加することが確認された。その結果を図 6 に示す。腐食に伴う AE 源は主に、錆こぶの体積の増加により錆こぶ内部の応力的な開放（例えば乾湿の繰り返し等）とされており、その結果を反映している。
3 0 00

5 00
U 字ボル ト部 A E 発生数
フ ラン ジ 部 AE 発 生 数
U 字ボル ト部 累 積発 生数
フ ラン ジ 部 累積 発生 数

2 5 003 50

2 0 003 00
1 5 002 50
2 00

1 0 00

1 50
1 00

累積A E 発生数（個）4 00

図 7 実機反応器

500

5000306090

1 20150180

21 0

2 4027030 0

3 30360

経過時間（分）図 5 FOD による腐食 AE 測定

500
450

AE hits/30 minutes

30分当りのAE 発生数（個）

4 50

3rd acquisition2nd acquisition

400350300250200150100500306090120 150 180 210 240 270 300 330 360

time(minutes)

図 6 腐食進展に伴う AE 活性化

図 8 実機 AE データ（上：錆除去前、下：除去後）

３．３ 配管減肉
火力、原子力発電所や石油、化学プラントなどの設備

dnv
2  fr(n : 次数)(2)

トラブルの多くは配管部で発生しており､配管肉厚管理は設備維持の為に重要である。そこで、FOD センサを受EMAT
永久磁石信子として用いるオンライン計測が可能な配管肉厚測定

電気コイルシステムの開発を行っている。本方式は保温材を除去す

光ファイバセンサる必要が無く、連続的な配管状態監視が出来る利点があ

接着材る（図 9）。

配管
金属内を伝搬する超音波のイメージ

図 10 センサ構造
実際の配管形状での肉厚測定検証のためエルボ配管試験体を用いて肉厚測定を行った。試験に用いた試験体は
図11 に示す材質STPT49、250A エルボ配管と、材質SGP、100A エルボ配管の２種類を用いた。光ファイバセンサ/EMAT プローブはそれぞれの配管の端部分に、250A 配管は半円周方向 90°間隔で 3 箇所、100A 配管は背側（外側）と側面の２箇所に配置して試験を行った。図 12、13
図 9 オンライン配管肉厚測定システムにそれぞれの配管で測定した結果を示す。250A 配管は同一部を超音波厚さ計、マイクロメーターで測定した値と電磁超音波発振子(EMAT)を用いて、非接触で直接金属の比較結果を示し、100A 配管についてはマイクロメータ材料中に超音波を励起する電磁超音波共振法を用いたもー測定値と比較した。
この結果より、肉厚約13mmの250Aのであり､受信側に光ファイバセンサを用いることで配管、肉厚約 6mm の 100A 配管エルボの両方において本EMAT のみで送受信を行うよりも高感度の受信信号を得手法を用いて測定した肉厚値は、超音波厚さ計、またはることが出来る。さらに従来では困難であった 1 次共振マイクロメーターの値と一致していることから、配管エモード周波数の計測が可能となるため、得られた共振周ルボのような曲率を有する形状においても肉厚計測が可波数から直接板厚値を求められるという利点がある。こ能であることを確認した。

れを用いれば、従来の定期点検毎に肉厚値を測定する方法よりも設備点検コストを低減出来ると考えられる。
電磁超音波共振法とは、永久磁石と電気コイルで構成された超音波発振子 EMAT(Electric Magnetic AcousticTransducer)を用いて、図 10 に示すように静磁場と渦電流によって金属などの磁性体中にローレンツ力を誘起させ、間接的に金属材料中に超音波を伝搬させることで超音波の反射波長が板厚の整数倍(n)時に多重反射により強め合う共振効果を利用したものである。板厚は式(2)に示す式によって得られ、共振振動周波数(fr [Hz])と金属中の音速

図 11 試験に用いた配管エルボサンプル(v [m/sec])から金属板厚(d [mm])を求めることができる。

(奥側:250A、手前側:100A)

15.0

マイクロメーター
超音波厚さ計電磁超音波共振法(本計測）14.5

測定板厚 [mm]

14.0

参考文献
[1] Kazuro Kageyama et.al：Doppler Effect in Flexible and13.5

Expandable Light Waveguide and Development of New

13.0
12.5

Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor, JOURNAL OF

12.0

LIGHTWACE TECHNOLOGY, vol.24, NO.4, 2006

11.5

[2] 金川忠,打田靖夫,浦山克,田仲正弘,石田毅：AE 波形の11.0

周波数変化に着目した空洞掘削時の岩盤挙動の推定,10.5

第 9 回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,pp.701

10.00.0
外側側面
配管測定箇所

内側～706,1994[3] 田仲正弘,金川忠,小山俊博,森 孝之：空洞掘削時の AE

図 12 250A エルボ配管の肉厚測定結果

自動計測による岩盤安定性監視技術,第22 回西日本岩盤工学シンポジウム 2000 講演論文集,pp.47-52,2000[4] (社)日本高圧力技術協会：AE 法による石油タンク底部

7.0マイクロメーター

6.5

電磁超音波共振法(本計測）

TR 20056.0
測定板厚 [mm]の腐食損傷評価手法に関する技術指針, HPIS G 110

5.55.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.50.02.0
外側

側面
配管測定箇所

図 13 100A エルボ配管の肉厚測定結果
光ファイバセンサと EMAT を用いた電磁超音波共振法
により金属材料の肉厚を従来手法の超音波厚さ計と変わらない 0.1mm 精度で正確にエルボ形状の配管肉厚の測定ができることを確認した。現在、実機火力発電所において、耐久性評価試験を実施中である。

４. 結言
光ファイバ AE センサを用いた適用事例を３件（地下岩盤破壊、保温材下腐食、配管肉厚）報告した。AE を用いた状態監視は今後の CBM にも大きく貢献していく可能性が高いと思われる。今後も AE 法の研究、特に光ファイバの特徴を活用した様々な損傷スクリーニング診断手法の開発に取り組む所存である。