| 研究課題/領域番号 |
26420472
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| 研究機関 | 大阪府立大学工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
小幡 卓司 大阪府立大学工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (20214215)
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| 研究分担者 |
和田 健 大阪府立大学工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (00469587)
早川 潔 大阪府立大学工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (20325575)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 圧電素子 / 損傷同定 / センシング / クラウド型システム / ウェブアプリケーション / センシングモジュール |
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| 研究実績の概要 |
本研究は圧電素子を用いて，電圧の変化をパラメータとして，損傷同定システムへの圧電素子の適用性などに関して，実験を通じて検討を加えた．以下に，本研究で得られた知見をまとめる．
供試体に損傷を与えることで損傷近傍の圧電素子の発電量は減少し，損傷から離れている圧電素子は発電量はあまり変化しない結果が得られた．よって，圧電素子は損傷同定センサとして適度な感度・性能を有していることが判明した．感度調整を行うことによって，校正係数を決定すれば，ひずみや応力レベルで損傷の程度を把握することも可能である．本研究の結果からは，波形やスペクトルでの判断が可能だが，複雑な構造物では，ひずみゲージや加速度計を併用して，応答特性を把握し，圧電素子の配置や加振方法など，どのようなセンシングを行うか検討する必要がある．
以上より，社会基盤施設の状態を把握し，圧電素子の特性を考慮してセンサとして適切に配置すれば，電圧の変化という形で損傷同定を行えるセンサとして，活用できるものと考えられる．
クラウド型汎用データロギングシステムの研究開発は，そのプロトタイプを完成させ，学内LANで試験運用し動作検証を実施した．システム構成は，開発の生産性を上げるとともに，将来的にはWindows Azureなどのクラウドシステムでサービスを行うことを意識している．
本システムの一例としてPC クラスタの消費電力の監視システムを開発した．本例は，電力計測用のセンシングモジュールから消費電力データを定期的にサーバーに送信し，データを表示するために，ウェブアプリケーションを作成し，サーバーにアクセスして電力データを取得し，使用状況をグラフ化して表示した．これらの利用で，センシングモジュール開発と，表示アプリケーション開発がほぼ独立して並行に進められることが実際に確認でき，それぞれの動作テストも簡単に実施できることが判明した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究においては，研究実績の概要に示した通り，研究目標の骨子となる部分は，すでに開発が完了し，構造物のセンシングとクラウドシステムの双方において，基本的な性能確認は実現されている．
今後の課題として，圧電素子から得られた電圧を如何にして物理量に変換するかが，第一に挙げられる．圧電素子でひずみを測定する試みはすでに数多くなされており，周波数や振動速度に対する依存性，チャージアップなどの様々な現象を解決し，現在のように単に電圧変化の波形やスペクトルを観測して損傷個所を同定するだけでなく，電圧変化に対応した損傷の程度を実ひずみまたは実応力で表すことが可能になれば，その有用性は飛躍的に向上するものと思われる．損傷の位置と程度を同時に同定可能なヘルスモニタリングシステムは，現状では筆者の知る限り皆無であり，これが実現すれば非常に有効であることは言うまでもない．また，実験に関しても，例えば走行荷重による実験や静的載荷試験を行って，電圧発生の性状を十分に検討する必要がある．特に長期間の連続計測は，前述のチャージアップなどの問題点を解決する有効な方法と思われる．さらには，測定システムにPICなどを使用して同時測定し，データをクラウド化することにより，多チャンネルの集中管理が可能になれば，安価でより優れたヘルスモニタリングシステムの構築が可能になるものと考えられる．また，クラウド型システムの問題点として，振動のような時系列データを扱う場合，センシングモジュールとサーバーシステム間の通信量の削減が挙げられる．様々な計測を想定して汎用性の高いデータフォーマットを検討しているが，それが結果として通信量を大きくしているという問題がある．この問題を早急に解決し，各種規格化を進め，センシングモジュールの開発やデータを利用したアプリケーションの開発などに着手できる環境を整えて行くことが重要である．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方策としては，現在までの達成度において述べた通り，いくつかの課題を解決する方向で研究を推進する予定である．
まず，損傷同定システムにおいては，静的変位並びに加速度を与えることにより，ひずみまたは応力，加速度の校正係数を決定していく必要がある．発電量を具体的な物理量で測定可能になれば，例えば設計時の応力などとの比較を行うことにより，非常に精度の高いモニタリングが可能になる．その結果を用いて損傷同定を行い，具体的な補強・補修計画の決定も合理的に実施できるため，汎用的な校正係数の決定手法を確立する必要がある．また，走行荷重や常時微動に対して，どの程度の感度があるのか実験的に検証し，比較的測定し易いこれらの振動に対して，損傷同定が可能かどうか確認しなければならないと思われる．その理由として，このような損傷同定システムは供用時に使用出来なければ開発する意義が無く，通行止めなどの処置をとらなくても使用できるシステムであることが重要である．そのためには，振動レベルが小さくても損傷同定が可能である必要がある．
次に，センシングモジュールの性能を考慮した場合，何等かのデータ圧縮を行った方が効率的である．したがって，センサーモジュール内で，フィルタリングで必要なデータだけ抽出し，フーリエ変換を行いクラウドコンピュータに送信し，クラウド側で逆フーリエ変換で波形に戻して表示するなどの工夫を加えることが望ましい．さらに，１つの測定対象において多点計測を行う場合，センシングモジュール毎の時間的な同期を取ることが重要である．一般に，１個のセンサーモジュールは８測点程度のため，多点測定の場合にはセンサーモジュール同士の同期を取る装置が必要となる．近年では，Raspberry Piなどのマイクロコンピュータが実用化されており，これらを使用すれば，データの同期や様々な処理が実現できると考えられる．
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