AEセンサの種類と特性振動を計測するには、空間にある基準静止系を設般的には手軽であるという実用上の理由から接触法

けてその点から被測定物の変位量を計測する非接触が用いられる。

法と、センサを直接被 測定物に取り付けて測定する

AEセンサも接触 法により材料中の弾性波を捕ら接触法の2通りがある。振動体がセンサの質量によえる。以下にAEセンサの特性や使用方法等についてり影響を受けるほど軽かったり、非常に高温でセンサ具体的に述べる。

を直接取り付けることができない場合を除いて、一1 . 弾性波
AE信号は固体中を伝わる弾性 波であり、縦 波(pZ = ρ・c波)、横波(s波)、表面波(r波)等が存在する。各々の音ρ：密度(kg/cm²)c：音速(m/s)

速はおおむね以下のような関係にある。

音響インピーダンスがそれぞれZ₁とZ₂の媒体境界

p波：s波 = 1：0.6

面で弾性波が反射する割合 k は、以下のようになる。

s波：r波 = 1：0.9

k = ( Z₁‑Z₂ ) / ( Z₁+Z₂ )地震のとき経験するたて揺れ、横揺れは、この音速

Z₁ = Z₂の時反射はゼロになり、Z₁ >> Z₂ またはの違いから発生する。たて揺れはp波によるもので、

Z₁<<Z₂の時すべての波が反射することが分かる。

音速が速いため真先に到達する。横揺れはおもに表

気体は固体や液体に比べて密度(比重)が圧倒的に面波によるもので、境界の片側面が空中のため減衰小さいため、音響インピーダンスも数桁小さい。AEが少なく、従って揺れが大きい。AEの場合は地震と信号をうまく検出するためには、受 波面に気体を介違って伝播距離が短いため、p波 とs波が完全に分離在させないことが肝要である。

することはほとんど無く、重なるように到達する。

ちなみにAEセンサを取り付けるときにグリス等の音響インピーダンスの異なる媒体境界面で、モードカプラを使うのは、音響インピーダンスをなるべく同変 換、反 射、透 過等 の 現 象が生じる。音 響 インピー

じにし、弾性波を受波面で反射させずに透過させるダンス(Z)は次の式で求まる。

ためである。
表2-1 音速と5MHzのときの波長（代表値）

物質密度（g/cm2）

アルミニウム波縦波横CL（m/s）

λ（mm）

Cs（m/s）

λ（mm）

2.70

6260

1.2530800.62

銅

7.80

5900

1.1832300.65

アクリル樹脂1.182730

0.55

1430

0.29

グリセリン

1.26

1920

0.38

水（20℃）

1.00

1480

0.30

油

0.92

1390

0.28

0.00123400.07

空気

液体や気体には横波はない。

12 . 圧電効果
水晶やロッシェル塩、チタン酸ジルコン酸 鉛磁器と呼ぶ。

(PZT)等の結晶は、圧力、張力、せん断力を受けてひ

図2-1のように電界の方向と応力(T)の方向が垂直ずみを生じると、誘電分極を発生し、電界を生じる(正な場合を横効果(a)、平行な場合をたて効果(b)、電界方効果)。 逆に結晶に電界を加え分極を起こさせると、向に垂直または平行な面内のずれの場合をせん断効果

結晶はひずみを生じる(逆効果)。この現象を圧電効果(c)と呼ぶ。AEセンサは主にたて効果を利用している。

＋＋＋TTTTT

T−−−（a）
横効果（b）
たて効果（c）
せん断効果

図2-1

圧電効果

3. 原理
AEセンサは主に速度に応答している。

ような系は共振周波数より低い周波数領域では加速AEセンサと加速度センサの大きな違いは、圧電素度に、共振周波数では速 度に、共振周波数より高い子の上のおもりの有無である。加速 度センサはおも領域では変位に応答する。加速度センサは共振周波りによりダンピングを行い、共振周波数を下げてい数以下の加速度領域のみを利用する。

る。加速度センサの等価回路は図2-2(a)に示すようAEセンサにはおもりが無いため、共振周波数は高におもり m、バネ k、ダンパ dを用いて表わされる。

くなる。微少な信号を検出するために共振点を積極的センサ内でエネルギを消耗しないと仮定すれば d はに利用する。従ってAEセンサの主成分は速度に応答省略されるので、等価回路は(b)のようになる。このしていることになる。

mダンパ

dm

おもり

おもり

ばね

ばねkk

（a）
等価回路（b）エネルギーを消費しない
図2-2

センサの等価回路

24 . 感度AEセンサの感度は、速度( V/(m/s) )または比 (dB)の範囲でほぼ50dBV、すなわち約300V/(m/s)であで表わされる。

る。このセンサで500kHzの信号が10mV検出され一般的にAEセンサの感度は、その外形寸法が小さた場合の振動速度vは、くなるほど悪くなる。設置空間の制約により、小さい

v=10(mV)/300(V/(m/s))=33μm/sセンサを使わざるを得ない場合は、感度の低下を覚となる。従って物体表面の振動振幅Lは、悟しなければならない。

L = 33(μm) / 2π×500 ( kHz )= 0.01nm ( = 0.1 Å)

また、高温用としてPZT以外の結晶を使った場合もとなる。金 属 の原 子 間 距 離 が 数 オング ストロ ーム

感度は著しく低下する。ちなみにPZTの感度に比べ(Al：2.8Å、Fe：2.5Å等々)であることを思えば、きわてニオブ鉛(300℃まで測定可能)では約1/10、ニオめて微 少な 振 幅である。しかもA Eセン サの出 力でブ酸リチウムの単結晶(450℃まで測定可能)では約10mVの信号が検出されるのは、相当大きな割れが1/100にまで低下する。ウェーブガイドを用いたとき発生したような時に限られ、通常の材料試験等で検の減衰は1/3〜1/10といわれているので、高温用に出されるのは、この1/10〜1/100程 度 である。いはウェーブガイドを使用したほうが良い。

かにAEセンサの感度が高いかが分かる。

AEセンサの感度と出力電圧から、AEによる物体表

なお、AEによる振動の振幅が1Åよりはるかに小さい面の振動振幅を推定してみよう。例えば当社の広 帯

ことは、熱衝撃によるガラスの破壊時に発生するAEを、域AEセンサAE900Fの感度は、200kHz〜1MHzレーザを用いて測定した結果からも確認されている。

5. 感度の校正法
AEセンサの校正法には相互校正法、シャープペンする前に、バースト波の測定を完了する。バースト波

シル芯圧折法等がある。には最低でも2波程度は含ませる必要があるが、周波(1) 相互校正法

数が低くなるとバースト時間が長くなり、反射波と混音響機器で従来から行われてきた手法を応用したもので、圧電素子の可逆性(正効果と負効果、すなわざってしまうので、数十kHz 以下の低周波は測定できない。

ちマイクロフォンはスピーカにもなること)を利用す

1V/(m /s)の 感 度(1m /sの 速 度 で1Vを出 力)をる。棒状の媒体(ただし反射波の影響を除去するため0dBとし、dBで表わす。標準的なAEセンサの感 度に、直径のほうが長さより大きい)を伝わる縦波に対は 50dB〜70dBである。

する感度を求める。
校正を行うセンサを3個用意し、この中から任意の2個のセンサを伝播媒体に取り付けて、送受信系を構成する。この時の駆動電圧、受信伝達媒体発振器

波形記録装置

電圧、センサのインピーダンスを測定する。他の2通りの組み合わせも同様に測定すると、感パソコン

度は計算で求まる。
相互校 正 法は絶 対感 度 校 正であり、速 度に対する感度(V/(m/s) )が求まる。

駆動波形

受信波形

エンベローブ＝cos2x
V

反 射の影 響を除 去するために、駆 動波 形はコサイン2乗で振幅変調されたバースト波形をたて波測定周波数使う。反射波が壁面にぶつかってセンサに到達
図2-3

相互校正法

3

(2) シャープペンシル芯圧折法

態で検証ができるのが特長であるが、圧折の度に検AEセンサを通常の測定状態で取り付け、その近傍出波形がばらつく欠点もある。

でシャープペンシル の芯 を圧 折する。硬 度 2H、径0.5mmの芯を長さ3mm出し、約30度の角度で圧折する(このための治具を図2-4に示す)と、そこで開放される応力は1μsの間に5ニュートンになる。これをシャープペンシル

7.00.9

治具0.50.4
基準器

基 準 として 計 測 器 の 感 度 を 調 整したり、得ら れ た
治具寸法データの物理量を推定する。
他の方法に比べて簡便であり、かつ実際の測定状

図2-4

この点に5Nの力が開放される

シャープペンシル圧折法

6 . 構造AEセンサの構造例を図2-5に示す。(a)は一般的な不平衡型、(b)は平衡型、(c)はプリアンプ内蔵型である。PZ T(チ タン 酸 ジルコン 酸 鉛 磁 器 ) の 出 力 イン

うに金属製のケースでシールドされている。
AE信号は受波面を介してPZTに伝達され、電気信号に変換される。

ピーダンスは高いので、外来の雑音が混入しないよ

シールドケース（アルミ、ステンレス）

コネクタ

プリアンプ

PZT
絶縁板（平衡型のみ）
受波板（アルミナ等の絶縁物）
銀蒸着（PZTの上下も）

（a）
不平衡型

（c）
プリアンプ内蔵型（b）平衡型
図2-5

AEセンサの構造例

7 . AEセンサの種類
7-1. 平衡型と不平衡型

平 衡型センサを使用するメリットは、原理的には一般には不平衡型のセンサを使う。

セン サ-プリアンプ 間に混 入する雑 音をキャンセ ル

不平衡型は圧電素子の負極側がシステムのコモンで きる点にあ るが、実 際にはケーブル の +/‑でインに接続されているが、平 衡 型では、負極側は信号のピーダンスが異なるため、雑音は等量には混入せず、ひとつとして扱われる。平 衡 型センサは差 動型プリ従って相殺効果が少ない場合が多い。

アンプと組み合わせて使用し、差動型プリアンプは、正極電圧と負極電圧の差分を増幅する。

47-2. プリアンプ内蔵センサ大きくなる。ケーブルは直出しで、ケーブルの長さはセンサケースの中にプリアンプを封入したもので、購入時に指定することもできる。防水型とのおもな圧電素子(PZT)とプリアンプの間に混入する雑音を違いは耐油ケーブルを使用していることである。従っほぼ 完 全に遮断することができる。センサケースがて同じ規格の防油センサを防水センサの代わりに使やや大きくなること、急峻 なフィルタを内蔵できな用することは可能だが、その逆はできない。

いこと、高価であること(破損した場合はプリアンプ当社の防油型センサは、I〜IVまでの防油ランクがも廃棄となる)等のデメリットがあるが、センサからある。特に指定しない場合はランクIIで製作する。

最大数百m離れた計測装置に直接接続できることか

7-5. 絶縁型センサ

ら、設備診 断や土木関連を中心に使用されている。

(1) 取り付け面絶縁

他の方法に比べて簡便であり、かつ実際の測定状

一般のセンサは圧電素子の負極側がケースに接続態で検証ができるのが特長であるが、圧折の度に検されているが、受波面が絶縁物(アルミナ)なので、被測出波形がばらつく欠点もある。

定物に取り付けても電気的に接地されることはない。

7-3. 防水型センサ

しかしながら、高周波的には容量を介して接地され防水型センサは主に屋外で使用する。通常型よりることになるし、センサホルダをもちいればホルダ一回り大きくなる。ケーブルは直出しで、ケーブルの長を介して接地されることになる。

さは購入時に指定することもできる。

(2) 非絶縁

当社の防水型センサは、I〜IVまでの防水ランクがある。特に指定しない場合はランクIIIで製作する。

内

ように信号レベルが大きくてグラウンドループによる雑音が無視できるような場合は、非絶縁センサが使表2-2 防水ランク
防水規格
ランク JIS C0920-1982

対象物が完全絶縁 体であったり、タッチセンサの用できる。受波面を含めて完全に金属で覆われるの
容Ⅰ

IPX2

鉛直から落ちてくる水滴によって有害な影響がない

Ⅱ

IPX6

いかなる方向からの水の噴流を受けても内部に水が入らない

Ⅲ

IPX7

定められた条件下で水中に没しても内部に水が入らない

Ⅳ

IPX8

指定圧力の水中に常時没しても使用できる (6kg/cm²耐圧)

備考

で強度的に強く、接着剤を使っても、溶剤で溶かしてセンサを外すことができる。また、加速度センサのように受波面にネジを切ることもできる。

7-6. 高温用センサ
水面下15cm

被測定物が80℃〜200℃の場合は、高温用センサを直接取り付けることができる。さらに高温 用にはPZT以外の結晶を用いることもできるが、感度が極端に低下するので、ウェーブガイドを使用することを

7-4. 防油型センサ
防油型センサは主に工作機械への応用や設備診断推奨する。

等、油がかかる場合に使用する。通常型より一回り
表2-3 防油ランク
防水規格
ランク JIS C0920-1982

内容Ⅰ

防滴I型に準ずる 鉛直から落ちてくる油滴によって(保護等級1） 有害な影響がない

Ⅱ

防沫型に準ずる いかなる方向からの油の飛沫を(保護等級4） 受けても有害な影響がない

Ⅲ

防水型に準ずる いかなる方向からの油の噴流を(保護等級6） 受けても内部に油が入らないⅣ

防浸型に準ずる 定められた条件下で油中に(保護等級7） 没しても内部に油が入らない

備考

油面下15cm5

8 . ウェーブガイド
導波棒とも呼ばれる。

(1) 高温での応用(2) 土木での応用

被測定物が高温で直接センサを取付けられない場

AE波は岩盤や地盤を伝わりにくい。少しでも監視合に、ウェーブガイドを介してAE信号を検出する。表領域を広げるために、耳たぶの機能として金属製の面 温 度 が 数 百 ℃ の 場 合 は 、直 径 3 〜 5 m m 、長さウェーブガイドを用いる。例えばセンサの周囲1mしか0.3m〜1mのステンレス棒の一端を円錐状にして、検出できない岩盤で、センサの先に5mの金属製の高 温 表 面に圧 接し、他 端に A Eセン サを取付 ける。

ウェーブガイドを取付けて垂直に埋めると、岩盤表面

ウェーブガイドの長さは、表面温度が室温まで下がるの監視領域は周囲1mだが、深さ方向は約5mに広がのに必要な長さにする。ウェーブガイドの保持方法にる。これは、金属がAEを伝え易い性質を利用している。

は、マグネットホルダ、専用治具、溶 接等の方法があ

また、変形時に音を出し易い材料でウェーブガイドるが、一長一短である。

を作り、ウェーブガイドが発生する音を積極的に利用

さらに 高 温 の 場 合 は 、直 径10 〜3 0 m m の セラ
ミックスのウェーブガイドを使用する。

する方法もある。例えば、斜面にこのウェーブガイドを埋めておき、土砂崩壊等の前兆として斜面が動き始めると、ウェーブガイドに応力が加わり音が発生する。
この音をガイドに取付けたAEセンサで検出する。

9 . センサケーブル
センサケーブル(センサとプリアンプ間のケーブル)あり、センサの出力容量は100〜300pF程度である。

は、極力短くすることが望ましい。長くすると、以下

仮に100pFのセンサにケーブルを1m接続すると、の2つのデメリットを生じる。

信号は1/2になる。

(1) 外来の電気雑音を拾い易くなる。

また、センサケーブルとして通常の同軸ケーブルを使用すると、ケーブルを曲げたり揺すったりしたときシールドケーブルを使用しても、雑音は完全にに雑 音を 発 生する(トリボ 効 果)。専用のローノイズは除去できない。

(2) ケーブルの容量により、信号の減衰が大きくなる。
センサケーブルは通常100pF/m程度の容量がケーブルを使う必要がある。ただしプリアンプ内蔵センサではこの必要はない。

10 . 接地
地面には大きな雑音電流が流れている。センサをする。特に岩盤やコンクリート構造物の測定のように、接地すると、この雑音電流の影響を受ける。従って接ケーブルが長くなる(100m以上)場合には、雑音電流に地は計測器側で行い、センサは電気的に大地から絶縁よる影響が大きくなるから、絶縁は必須である。

センサ

プリアンプケーブル
計測システム

接地しないことが望ましい
AB
雑音電流

地面にはいろいろな雑音電流が流れているためA点とB点で電位が異なる

図2-6

接地6