FBG センサと圧電 AE センサの AE 受信特性の比較

技術紹介
FBG センサと圧電 AE センサの AE 受信特性の比較
中島　富男 *1
川﨑　拓 *2
Nakajima Tomio
Kawasaki Hiraku
FBG センサによるひずみと AE 同時計測において、FBG センサと圧電 AE センサの結果に差（受信した
AE Hit 数）が生じた実験結果がある。その理由を調べるため、アルミ薄板に、2.5 MHz の横波超音波探触
子を用いて 130 kHz をピーク周波数とする電圧パルスを印加することにより、超音波パルスを伝播させて、
FBG センサと圧電 AE センサの両方により受信し、同一の AE 計測装置を用いて収録する実験を行った。そ
の結果、FBG センサが受信した信号の最大振幅値は、圧電 AE センサのものより小さかった。しかし、超
音波パルスを発生させた印加電圧パルスと FBG センサの相互相関係数は、圧電 AE センサとの場合よりも
大きかった。さらに、印加電圧パルスと FBG センサ受信信号の周波数解析結果は、類似していたが、圧電
AE センサ受信信号の周波数解析結果は、印加電圧パルスにおいて減衰している周波数成分が大きいなどの
差異があった。また、FBG センサが受信した超音波の位相速度は、薄板に伝播するラム波でなく、横波の
速度に近かった。これらの結果から、FBG センサと圧電 AE センサでは、同一の AE 発生源に対して、性質
の異なる信号として受信することがわかった。FBG センサと圧電 AE センサは、それぞれの特徴を補完し
あいながら利用することが望ましいとの結論を得た。
キーワード：FBG センサ、AE、波形解析、超音波、ラム波
機構（JAXA）宇宙科学研究所、独立行政法人産
1. 緒言
業技術総合研究所、および、株式会社 IHI エアロ
ファイバ･ブラッグ･グレーティングセンサ
スペースとの共同研究により、宇宙用固体ロケッ
（Fiber Bragg grating sensor : FBG sensor）は光ファ
ト複合材チャンバを対象として、多重化した FBG
イバセンサの一つであり、一般には、ひずみセン
センサによりひずみと AE を同時に計測可能なシ
（1）
（2）
サ、または、温度センサとして利用されている
。
（4）
（6）
-
ステムを開発した
。
一方、FBG センサはアコースティック･エミッショ
AE 計測は一般に圧電センサ（以下、圧電 AE
ン（AE）受信を含む超音波センサとして利用でき
センサ）と専用の計測器を用いて行われる。その
（3）
る。AE とは構造材料の損傷時（金属の腐食も
ため、著者らが開発した FBG センサ用 AE 計測シ
含む）や変形時に材料そのものから放出される超
ステムの信号は、圧電 AE センサの信号と同じ AE
音波帯域の弾性波のことである。AE を観察して
計測器により収録可能とした。これは、開発した
いると、構造物の損傷や変形度合を知ることがで
計測システムの特徴の一つである。このことによ
きる。IIC では、独立行政法人宇宙航空研究開発
り、FBG センサと圧電 AE センサの受信特性の比
*1：研究開発センター　研究開発グループ　課長
*2：検査事業部　技術部　NDE グループ
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較を可能とした。
10 mm と短い。FBG センサを用いてラム波を検知
FBG センサによるひずみと AE 同時計測の原理
したという報告は他にもあるが、受信信号の平均
と検証については文献（7）に、FBG センサと圧
化処理を行っており、過渡的かつ振幅の小さい
電 AE センサの信号の比較については文献（8）に
AE 信号を圧電 AE センサと同様の条件により比
（7）
（8）
おいて報告している
。文献（4）、
（7）、および、
較した例はない。
（8）において、同一の試験中の FBG センサと圧
一方、著者らの文献（4）や（7）において、図
電 AE センサそれぞれの計測結果を示しているが、
2 に示す CFRP 短冊試験片の曲げ試験中に発生す
それらに共通する FBG センサと圧電 AE センサの
る AE を FBG センサと圧電 AE により計測し、結
計測結果の差異として、FBG センサの AE 信号受
果を比較した。
信感度が、圧電 AE センサよりも低い、すなわち、
FBG センサが検知した AE 信号数（AE 計測では、
Hit 数と呼ばれる）が少ないと言うことがある。
本稿は、FBG センサと圧電 AE センサが受信す
る Hit 数に差が生じる理由を調べるため、アルミ
薄板に伝播させた超音波パルスを、FBG センサと
圧電 AE センサの両方を用いて受信し、信号の振
（a）CFRP 短冊試験片曲げ試験セットアップ
幅や波形の比較を行った試験の結果を報告する。
2. FBG センサによる超音波計測に関する従来の知見
FBG センサを超音波センサとする研究は広く行わ
（b）CFRP 短冊試験片形状
れている。事例としては、アルミや CFRP の薄板を
（4）
図 2　CFRP 短冊試験片曲げ試験
（9）
（11）
-
伝播する超音波の検知に適用したものが多い
。
薄板に超音波を入射すると、図 1 に示すラム波と
図 3 は横軸が試験時間であり、縦軸は、FBG セ
呼ばれる板波として伝播することが知られている。
ンサと圧電 AE センサが受信した AE 信号の最大
振幅値である。
（13）
図 1　ラム波の伝播モード
ラム波は、板の縦波音速、横波音速、および、
板厚をパラメータとする分散性の強い板波であ
（12）
（13）
る
。板波のラム波の伝播の特徴の一つとして、
遠方まで伝播するという性質がある。文献（9）は、
FBG センサによるラム波の検知に関する報告であ
るが、超音波発生源と FBG センサ間の距離は
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図 3　CFRP 短冊試験片曲げ試験時
（4）
試験時間－ AE 最大振幅値分布
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大きな○が FBG センサの信号であり、小さな
○が圧電 AE センサの信号である。図 3 中の実線
は、試験片に負荷した荷重であり、右縦軸に目盛
りがある。CFRP 短冊試験片の曲げ試験における
図 3 の AE 計測結果の比較から、FBG センサの受
信した Hit 数と圧電 AE センサ Hit 数に差が見て取
れる。具体的には、FBG センサの Hit 数が少ない。
すなわち、二つのセンサ間の感度差があった。し
かし、曲げ試験において発生する AE の位置や振
幅、および、周波数はさまざまである。FBG セン
サは光ファイバ軸方向に受信感度が高いと予想さ
れる。薄板に FBG センサを接着した場合、図 4
図 5　アルミ薄板を用いた FBG センサと圧電 AE
センサの超音波パルス受信試験形態模式図
に示すように、板の面内方向の感度が高くなる。
図 4　FBG センサと圧電 AE センサを薄板に配置した状態の模式図
一方、圧電 AE センサの受信感度は面直方向が
使用した圧電 AE センサは、富士セラミックス
高い。そのため、曲げ試験時の AE 計測結果のみ
AE144A（共振周波数 140 kHz）である。送信用圧
から FBG センサと圧電 AE センサの AE 受信特性
電素子には 0.8 ～ 3 MHz 横波超音波探触子（Karl
を考察することは困難であった。
Deutsch 12 HB 0.8-3）を使用した。
3. アルミ薄板を伝播する超音波パルスの受信実験
3.1 試験形態
FBG センサを試験片のほぼ中央に接着した。
FBG センサ位置に対して、FBG センサ軸方向の
78 mm 離れた位置（圧電 AE センサ 1）と FBG セ
著者らは、FBG センサと圧電 AE センサの受信
ンサ横（圧電 AE センサ 2）の 2 ヵ所に圧電 AE
特性を既知の信号を用いて直接比較することを試
センサを設置した。FBG センサの信号は開発した
みることにした。先例の報告にならい、アルミ薄
計測装置を経由し、印加電圧パルスと受信用圧
板（400 mm×400 mm×t1 mm）に超音波パルスを伝
電 AE センサの信号とともに AE 計測装置（Vallen
播させた。試験形態を図 5 に示す。
AMSY-6）へ入力した。AE 計測装置 Vallen AMSY-6
（4）
使用した FBG センサの中心波長とグレーティ
の接続された圧電素子にパルス電圧を印加する機
ング長は、それぞれ、1551 nm と 5 mm である。
能を利用し、送信用圧電素子から 130 kHz を中心
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周波数とする超音波パルスを試験片に伝播させ
4. 試験結果
た。印加電圧パルスもセンサ信号の一つとして計
測した。信号の CH 番号は、印加電圧パルス、FBG
4.1 信号の最大振幅値の比較
センサ信号、圧電 AE センサ 1、および、圧電 AE
電圧パルスを 1 秒ごとに印加したときの、AE
センサ 2 をそれぞれ、CHAN1、CHAN2、CHAN3、
パラメータ｢最大振幅値｣の試験時間に対する計
および、CHAN4 と呼ぶこととする。
測結果を図 6 に示す。
送信圧電素子は、FBG センサと受信用圧電 AE
センサ間を結ぶ直線方向を振動方向として設置し
た。
3.2 試験条件と計測条件
試験は、FBG センサと送信用圧電素子間の距離
を 20、30、および、40 mm と変化させた。AE の
計測は、一般に各チャンネルのバックグラウンド
ノイズレベルに対して個別のしきい値を越えたと
き、それぞれのチャンネルの信号を検知するよう
（a）送信用探触子 20 mm 位置　時間－最大振幅
にトリガが設定される。このような AE 計測装置
の設定は｢ノーマルトリガモード｣と呼ばれる。
図 2 の CFRP 短冊試験片の曲げ試験は、ノーマル
トリガにより計測した。しかし、図 5 の試験形態
においては、CHAN1 の信号がしきい値を超えた
時刻を 0 として、全てのチャンネルのデータ収録
を開始する｢マスタースレーブトリガモード｣と
いう Vallen AMYS-6 の機能を利用した。各チャン
ネル間の信号収録クロックタイミングも同期され
ている。また、各チャンネルのバックグラウンド
（b）送信用探触子 30 mm 位置　時間－最大振幅
ノイズレベルを考慮することなく、全てのチャン
ネルの信号を収録することが可能である。このよ
うな計測は、波形取得のみを目的とするならば、
デジタルオシロスコープを用いても可能である。
しかし、デジタルオシロスコープの電圧計測分解
能は 8 bit が一般的であるが、Vallen AMSY-6 の
AD 変換は 18 bit と高精度であり、かつ、Vallen
AMSY-6 を使用すると、｢最大振幅値｣などの AE
パラメータをリアルタイムに確認可能など利便性
図 6　超音波パルス受信最大振幅値分布
が高い。
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（c）送信用探触子 40 mm 位置　時間－最大振幅
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図 6（a）、（b）、および、（c）は、それぞれ、
4.2 収録波形と波形解析
FBG センサと送信用圧電素子間の距離 20、30、
（1）収録波形の例と印加電圧パルスとの相互相
および、40 mm の場合である。図 6 において、
関関数
図 7 ～図 9 に各試験条件において収録した各信
CHAN1、CHAN2、CHAN3、CHAN4 の最大振幅
値は、それぞれ、緑、赤、黄、青のプロットによ
号の波形の例を示す。
図 7 ～図 9 はそれぞれ FBG センサと送信用圧
り区別されている。
図 6 より、
CHAN2（FBG センサ）と CHAN4（FBG
電素子間の距離 20、30、および、40 mm の場合で
センサ横圧電 AE センサ）の最大振幅値を比較す
ある。図 7 ～図 9 において、CHAN2 の受信波形
ると、CHAN2 は 40 dB 程度であるのに対し、
の振幅が数 0.1 mV 以下であるのに対して、圧電
CHAN4 は 100 dB 程度であり、その差は 60 dB の
AE センサ受信波形の振幅は数 100 mV と大幅に信
差がある。この結果は、FBG センサは圧電 AE セ
号強度が異なる。これは、図 6 の FBG センサと圧
ンサよりも感度が低いことを示す。
電 AE センサの最大振幅値の違いに対応している。
FBG センサと圧電 AE センサが受信した信号の
特徴を調べるため、CHAN1（印加電圧パルス）を
基準信号として、CHAN2 ～ CHAN4 の信号との間
の相互相関関数を求めた。その結果を図 10 に示す。
（a）CHAN1（Pulse waveform）
（b）CHAN2（FBG sensor）
（c）CHAN3（Piezo-electric AE sensor 1）
（d）CHAN4（Piezo-electric AE sensor 2）　図 7　送信探触子位置 20 mm の場合の取得波形例
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（a）CHAN1（Pulse waveform）
（b）CHAN2（FBG sensor）
（c）CHAN3（Piezo-electric AE sensor 1）
（d）CHAN4（Piezo-electric AE sensor 2）　図 8　送信探触子位置 30 mm の場合の取得波形例
（a）CHAN1（Pulse waveform）
（b）CHAN2（FBG sensor）
（c）CHAN3（Piezo-electric AE sensor 1）
（d）CHAN4（Piezo-electric AE sensor 2）　図 9　送信探触子位置 40 mm の場合の取得波形例
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図 10　試験１送信パルスを基準信号とした相互相関関数計算結果
図 10（a）
、（b）、および、
（c）はそれぞれ、印
るが、他は、明瞭な相関係数のピークを示してい
加電圧パルスと FBG センサの受信信号の、FBG
ない。また、図 10（a）と（b）の遅れ時間ピーク
センサと送信用圧電素子間の距離 20、30、および、
の相関係数は 0.6、図 10（c）であっても 0.4 であ
40 mm の場合である。同様に、図 10（d）
、
（e）、
るが、CHAN3 と CHAN4 の相関係数は、0.4 以下
および、（f）と、図 8（g）、（h）、および、（i）は
である。図 10 の結果は、図 7 ～図 9 において、
CHAN1 と CHAN3 および CHAN1 と CHAN4 の間
振幅の小さかった CHAN2 の信号の方が、CHAN3
の相互相関関数である。
および CHAN4 よりも、CHAN1 の信号との相関
図 10（a）
、
（b）
、および、
（c）において、位相
性が高いことを示している。
遅れ時間の相関係数のピークの遅れ時間は、
（2）波形の周波数解析結果
図 7 ～図 9 の波形それぞれを周波数解析した結
14.55 ms、18.45 ms、および、20.45 ms であった。一方、
図 10（d）～（i）では、図 10（g）に 12.70 ms があ
果を図 11 に示す。
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図 11　信号波形の規準化したパワースペクトラム
図 11 において、各信号の周波数成分に着目す
5. 考察
るため、最大ピークの周波数成分による正規化を
行っている。図 11 において、CHAN1 の信号は
（1）FBG センサの受信信号について
図 10 の CHAN1 と CHAN3 および CHAN4 との
130 kHz を単一のピークとして、
低周波数側、
および、
高周波数側になだらかに減衰するスペクトラムを示
相関係数よりも CHAN2 との相関係数が大きいこと
す。CHAN2 のスペクトラムは 100 ～ 200 kHz の帯
は、CHAN2 の信号が、CHAN1 の信号に、より近
域の信号のみを有する。一方、CHAN3 と CHAN4 は、
似の信号であることを示す。このことは、図 11 の
FBG センサよりもより、高周波数帯域の成分を含
CHAN2 と CHAN4 のスペクトラムのピーク周波数
んでいる。
が 110 kHz と 200 kHz 以上との違いにも現れている。
図 10（a）
、（b）、および、
（c）の相関係数ピー
クの遅れ時間と FBG センサと送信用圧電素子間
の距離 20、30、および、40 mm の間の関係をプロッ
トしたグラフを図 12 に示す。
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よび、A モードとも多重モードが伝播するが、図 13
に示す、0 ～ 1 MHz の範囲内では、S0 モード（赤線）
と A0 モード（緑線）のみが伝播する。図 13 下段の
グラフは、ラム波の群速度の分散性を示しており、
線の色は、位相速度と同様である。図 13 において、
130 kHz に着目すると、S0、および、A0 モード、そ
れぞれの（位相速度、群速度）はそれぞれ、
（5400、
5400）と（1200、2000）である。これらの速度は、
図 12　FBG センサの場合の相互相関係数最大値
遅延時間とセンサ間距離の関係　図 12 から求めた速度と一致しない。一方、アルミ
横波の速度は 3060 m/s であり、図 12 から求めた速
度と近い値である。なお、AE 計測装置 Vallen
図 12 データの最小二乗法による相関直線の傾き
AMSY-6 に添付される計測・解析用ソフトウェア
は、送信用圧電素子から FBG センサに伝播した超
Visual AEには、
ラム波の分散関係の演算機能があり、
音波の位相速度としてよいと考える。その値は、
図 13 もその機能を利用した。
約 3270 m/s である。図 11 の FBG センサの受信信
本稿で報告した試験結果においては、FBG セン
号のスペクトラムから、100 ～ 140 kHz の信号が伝
サによるラム波検知はしていないと考えられる。
播したと考えることができる。図 13 に板厚 1 mm
（2）圧電 AE センサの受信信号について
のアルミ板を伝播するラム波の分散特性を示す。
① 印加電圧パルスとの相互相関関数の特徴につ
いて：図 10（d）～（i）の CHAN1 と CHAN3
および CHAN4 の相互相関関数は、CHAN1 と
CHAN2 の間のように、相関係数に明瞭なピー
クとなる遅延時間が見られなかった。この原因
を特定するためには、更に研究を行う必要があ
るが、考えられる要因として、送信源が 130 kHz
をピークとする信号であっても、CHAN3 およ
び CHAN4 は図 13 に示すラム波の分散関係に
より、送信源に含まれる周波数の信号がそれぞ
れのラム波の位相速度および群速度により伝播
するため、印加電圧パルス波形が受信時に変
形して、相関係数を低くしている可能性がある。
② 圧電 AE センサ感度の周波数依存性について：
図 13　板厚 1 mm アルミ板のラム波分散関係
図 11 の CHAN4 のスペクトラムでは、130 kHz
の信号は減衰し、200 ～ 250 kHz の信号が顕著
図 13 の上段のグラフは、ラム波の位相速度の分
である。また、CHAN3 と CHAN4 のスペクト
散性を示しており、横軸が周波数、縦軸が位相速度
ラムのピーク周波数も異なる。図 14 に CHAN3
である。薄板にラム波を伝播させると S モード、お
と CHAN4 の感度校正結果を示す。
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器の水圧耐圧試験においては、有用である。著者
らは、複合材薄肉圧力容器の圧力容器の水圧耐圧
試験において、圧電 AE センサの受信する信号は
水中を伝播した信号を無視できないことを報告し
（14）
（15）
ている
。しかし、FBG センサを複合材圧力容
器表面に貼付した場合、面直方向となる水中伝播
AE は検知し難く、FBG センサ近傍の複合材から
図 14　使用した圧電 AE センサの感度周波数特性
発生する AE を直接検知できることが期待できる。
7. 結言
CHAN4 に使用した圧電 AE センサの感度は、
120 kHz に感度のピークがあり、さらに、170
アルミ薄板に伝播させた超音波パルスを用いて、
～ 250 kHz の感度が 120 kHz の感度よりも
FBG センサと圧電 AE センサにより受信した信号
2.5 dB 程度高い。一方、CHAN3 に使用した圧
を共通の AE 計測装置により収録し、受信特性を比
電 AE センサの 170 ～ 250 kHz の感度は、
較した。その結果、AE パラメータとして代表的な
CHAN4 に使用した圧電 AE センサの感度より
最大振幅値の比較では、FBG センサの受信信号は、
も低い。図 7 ～図 9 の CHAN3 と CHAN4 の
圧電 AE センサよりも小さかった。しかし、受信波
波形では、CHAN4 の方が、高周波数を含んで
形を詳しく調べたところ、送信パルス波形と FBG
いるように思われる。また、図 10 の相互相関
センサ受信信号の相互相関係数は、圧電 AE センサ
関数でも CHAN1 と CHAN4 の相関係数は、
の場合よりも大きかった。また、波形の周波数解
CHAN1 と CHAN3 の相関係数よりも小さい。
析結果も圧電 AE センサよりも、送信パルス波形に
これらの結果は、圧電 AE センサの受信信号
似たものであった。さらに、本稿で報告した試験
は、圧電 AE センサ単体の周波数特性の影響
結果では、FBG センサは、アルミ薄板の横波速度
を大きく受けることを示している。圧電 AE セ
に近い位相速度の超音波を受信していた。
ンサを使用した AE 計測結果の評価として、信
本稿の結果を踏まえると、FBG センサと圧電 AE
号波形の周波数変化に着目する解析がしばし
センサでは、異なるモードの超音波を受信してい
ば行われる。しかし、そのような解析におい
ることが考えられ、最大振幅値の差のみから、
ては、圧電 AE センサの周波数特性の違いに
FBG センサによる AE 測定時の感度を議論すべき
ついて十分な注意を払う必要があることを示
ではないと考える。FBG センサと圧電 AE センサは、
している。
それぞれの長所を活用し、補完しあいながら利用
6. FBG センサによる AE 計測の活用について
することが望ましい。
参考文献
本稿の結果を踏まえると、FBG センサによる AE
計測においては、FBG センサ近傍で生じた AE 発
（1）中島富男、高田仁志、佐藤英一、津田浩、佐
生源において生じた現象に近似の波形として収録
藤明良：FBG センサによる液体水素中での機
することが可能になると期待できる。このことは、
構品の動ひずみ計測、IIC REVIEW、48 号、
複合材を用いた構造物、特に、複合材薄肉圧力容
2012/10、pp.20-27
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（2）山田秀之、田中芳親、小方正文、水野克俊、奥
同時計測システムによるひずみを負荷した CFRP
村昌平、寺田佳弘、長嶋賢：極低温での光ファ
材料中の AE 波伝播の評価、
IIC REVIEW、
47 号、
イバ温度センサの感度向上、低温工学、47 巻、
2012/4、pp.10-17
（9）玉上久雄、桑原淳一郎、岡部洋二、武田展雄、
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（3） Wild, G. and Hinckley, S. : Acousto-Ultrasonic
小島正嗣：FBG 光ファイバセンサを用いた
Optical Fiber Sensors : Overview and State-of-the-
Lamb 波受信による CFRP 積層板中の剥離検
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出、日本航空宇宙学会誌、Vol. 53、No. 615、
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（10）Tsuda, H. : Fiber Bragg grating vibration-sensing
合伸明：多重化した FBG センサによるひずみ
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（5）中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、川合
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伸明：宇宙用固体ロケット複合材モータケース
employing two cascaded phase-shifted fiber Bragg
の構造健全性評価を対象にした多点 FBG セン
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同時計測システムの開発（宇宙用固体ロケット
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複合材モータケース構造健全性監視を対象と
験 II 2008、日本非破壊検査協会、2008、pp.14-16
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（14）中島富男、川﨑拓、佐藤明良：薄肉 CFRP 圧
（7）中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、川合
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79 巻、797 号、2013、pp.115-118
ミッション同時計測システムの開発、IIC
（15）川﨑拓、中島富男、佐藤明良：薄肉 CFRP 圧
力容器水圧耐圧試験における AE 三次元位置
REVIEW、46 号、2011/10、pp.10-16
（8）川﨑拓、中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明
標定の検討、日本非破壊検査協会平成 25 年
良、川合伸明：FBG センサを用いたひずみ /AE
度春季講演大会講演概要集、2013、pp.65-66
研究開発センター
研究開発グループ
課長
検査事業部
技術部
NDE グループ
中島富男
川﨑拓
TEL. 045-791-3522
FAX.045-791-3547
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2014/09/11
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