テラヘルツ波方式によるエクストラドーズド橋の健全性診断に関する研究

成果の概要
第14回
JICE 研究開発助成成果報告会
エクストラドーズド鋼橋外ケーブルと構造が酷似したポリエチ
レン被覆電線を模擬供試体として、内部素線の破断・腐蝕状
態を可視化することが出来た。
絶縁被覆の外から、非破壊・安全に検査することが可能。
テラヘルツ波方式によるエクストラドーズド橋の
健全性診断に関する研究
0.5mm～1ｍｍ以下のクラック断線検出可能
腐蝕状態を定量的に把握することが可能
クラック・断線検出シミュレーション：幾何光学的シミュレーショ
ンにて、反射測定結果をシミュレート
東北大学大学院工学研究科
知能デバイス材料学専攻
教授
小山裕（おやまゆたか）
絶縁被覆電線の内部素線断線部検出
エクストラドーズド橋
外ケーブル腐食・断線非破壊健全度診断
ポリエチレン被覆金属撚り線可視化
側面図
絶縁電線試料⇒外ケーブルと構造が酷似
内部素線
撚り線構造
PETフィルムで覆われている
最外素線は6本
被覆
ポリエチレン絶縁被覆
断面図
断線試料
引張
絶縁被覆電線
内部素線構造と同じ
アーチ橋用吊りケーブル等も同様
の構造
①一度被覆を剥ぎ取る
(PETフィルムはそのまま)
②最外素線のクラックを一つ選
択し、その素線を引張り、間隙を
あけて断線とみなす
③再び被覆を装着し、
断線試料とする
あける間隙の大きさを変えることで異なる断線状態を再現可能
4
140GHz測定結果
サブテラヘルツ波反射イメージング測定装置
 絶縁被覆の外からイメージング
テフロンレンズ
放物面鏡
放物面鏡
 光源（室温で動作。消費電力10W程度）
Gunnダイオード
IMPATTダイオード
ショットキー
バリアダイオード
 偏光方向：鉛直方向
（検出器：室温動
電線試料
作＆電源不要）
[
[PCT/JP
patent pending (2012),
(
) PCT/JP2012/072139]]
0
0mm
実験方法
断線箇所
雰囲気：室温
大気中
5
検出電圧（V）
反射イメージング像の作製
測定条件
1
1mm
05
0.5mm
断
線
箇
所
一定間隔で試料を回転・移動させながら各位置にて反射強度測定
回転角度ステップ：3.6°
長手方向ステップ：0.2mm
長手方向測定範囲：10mm
断線箇所
回転角度(deg.)
長手方向位置(mm)
ミラー
1.5mm
2mm
結論
断線は、被覆を被ったまま、1mm以下程度まで検出可能
素線写真
回転角度(°)
0
SIMSによる腐食成分分析
小
清浄表面試料
長手方向位置(mm)
絶縁被覆電線の内部素線腐蝕度の非破壊判定
銅素線
107
大
素線表面写真
＊SIMS:
Secondary Ion Mass Spectroscopy
二次イオン質量分析計
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.0
清浄表面試料
0
50 100 150 200 250 300 350
1.0
CuO
急激な低下
106
Cu
金属/酸化膜
界面
105
0.0
1.0
1.5
2.0
2.5
Depth (m)
深さ(μm)
3.0
小腐食表面試料
反射強度(ステンレス比)
0.90
0 90
0.90
0.80
0.8
0.80
0.70
0.70
0.60
0.6
0.60
0.50
0.4
0.50
0.40
0.2
0.40
0.30
0.30
0.20
0.0
0.5
50 100 150 200 250 300 350
0.2
0.0
長手方向位置(mm)
Secondary
ion y
yield
二次イオン強度
大腐食表面
試料
0.8
0.2
O
小腐食表面腐食度
試料
回転角度(°)
50 100 150 200 250 300 350 0
1.0
1.0
0.20
大腐食表面試料
3.5
テラヘルツ反射強度の銅素線腐蝕程度測定結果
腐蝕度の進行とともに、反射強度が低下する⇒腐蝕程度の定量検査が可能
銅素線表面付近のSIMS分析プロファイル
幾何光学計算による断線素線からの反射強度変化
絶縁被覆電線の内部素線腐蝕度の非破壊判定
• 計算モデル
平均反射強度(ステンレス比)
0.90
0.85
断線長さ(0〜3mm)
直方体断線素線モデル
清浄
2.4mm
0.80
0.75
• 計算方法
小腐食
0.70
0.60
大腐食
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
長手方向位置 (mm)
断線部への入射
入射波を多数の波の集合と考え、各入射波要素について
それぞれ幾何光学的に反射波が検出されるかを計算
(断線部の側面、下面の素線による反射率は1と仮定)
(断線部の側面下面の素線による反射率は1と仮定)
0.65
0.55
入射波中心は
常に素線中央線上
2.4mm
検出される入射波要素の反射強度を足し合わせ
により、その時の入射波の反射強度を計算
1.0
照射位置を長手方向に移動させ、各位置で計算を行う
内部銅素線の腐蝕程度による、テラヘルツ反射強度の変化。
絶縁被覆付の状態で測定された。
腐蝕の進行とともに、テラヘルツ反射強度が減少する
⇒腐蝕度の定量評価が可能。
検出
非検出
• 計算条件
入射角20°、ガウス分布ビーム強度( ∝exp(-x2) )
平行ビーム、
入射波
測定範囲
ビーム端が断線部にあたる位置から長手方向に10mm
10
非断線部での反射強度を1として規格化
Reflection intensity (a.u.)
断線が大きいほど低反射強度部分が広がる
中間強度
0.4
0.2
完全断線部強度
0
両対数
プロット
0mm
1mm
1.5mm
2mm
2.5mm
3mm
2
4
6
8
Longitudinal position (mm)
完全に断線部にのみ照射
断線サイズに対して十分に集光
0.2
0
両対数
プロット
1
3
1mm以上の断線の定量的検出可能性
2
4
6
8
Longitudinal position (mm)
10
設定した
断線の大きさ
両対数プロット
2mm以上の断線：傾き1.0
4
3
2mm以上の断線については
定量的検出の可能性
1.0
60GHzの実験結果では、3mm程度の
断線からは検出可能
2
2
3
4
5
Disconnection size (mm)
Disconnection size (mm)
実験結果においても、140GHzでは1mm以上の断線を検出可能であった
完全断線部強度
同様の特徴
中間強度以下として
仮定した断線の大きさ
5
1mm以上の断線に対して
設定した断線の大きさに対して1乗に比例
1.0
中間強度
0mm
1mm
1.5mm
2mm
2.5mm
3mm
4mm
5mm
0.4
0.0
計算結果による断線の大きさと仮定
2
0.6
非断線部(断線0mmでの強度=1.0)と完全断
線部(最低強度)との中間強度以下の範囲
2
1
断線が大きいほど低反射強度部分が広がる
10
Power law fit
3
断線2mm以上の計算結果→ 最低強度が横ばい
断線部で反射強度の低下
0.8
Expected disconnection size (mm)
0.6
00
0.0
1.0
断線部で反射強度の低下
0.8
Expected disconnection size (mm)
Reflection Intensity (a.u.)
1.0
11
実験において、集光が十分になさ
れていなかった可能性
12
外部発表
結論
絶縁被覆電線（外ケーブル構造の模擬供試体）の内部素線状態
0.5mm～1ｍｍ以下のクラック断線検出可能
腐蝕状態を定量的に把握することが可能
クラック・断線検出シミュレーション：幾何光学的シミュレーションにて、
反射測定結果をシミュレート
【論文２件】
テラヘルツ波の非破壊検査応用.
[日本工業出版検査技術,18(5), (2013), 1‐5] 高橋星也、小山裕
Observation of damage in insulated copper cables by THz imaging.
[NDT&E International,61,(2014),75‐79] Seiya Takahashi, Tomoyuki Hamano, Kaori Nakajima, Tadao Tanabe, Yutaka Oyama, 10.1016/j.ndteint.2013.10.004
【学会発表４件】
第74回応用物理学会秋季大会同志社大学京田辺キャンパス 2013.9.16～9.20
テラヘルツ方式による絶縁被覆電線の素線断線可視可技術
ポスタ
ポスター
中村悠太、高橋星也、小山裕
第１５３回日本金属学会
金沢大学角間キャンパス
2013.9.17
テラヘルツ波方式による絶縁被覆電線の素線断線可視化技術ポスター
高橋星也、中村悠太、小山裕、田邉匡生、浜野智之、中嶋かおり
第68回応用物理学会東北支部会
山形大学工学部キャンパス
2013.12.5～12.6
テラヘルツ波方式による絶縁被覆電線の素線断線可視化技術Ｏｒａｌ
高橋星也、中村悠太、田邊匡生、前田健作、浜野智之、中嶋かおり、小山裕
電子情報通信学会・電子デバイス研究会東北大学電気通信研究所
2013.12.16～2013.12.17
テラヘルツ波方式による絶縁被覆電線の素線断線可視化技術Ｏｒａｌ
高橋星也、中村悠太、田邊匡生、前田健作、中嶋かおり、浜野智之、小山裕

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