岩石破壊実験における微小破壊(AE)の連続集録システム

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"PXI ExpressモジュールとRAIDを組み合わせて利用することにより、高分解能(14ビット)、高サンプリングレート(80 MS/秒)を維持したまま1.5時間程度の連続集録が初めて実施できた。"

- 立命館大学 理工学研究科 博士前期課程1年, 吉光 奈奈氏

The Challenge:
岩石実験での高分解能、広帯域AE波形の連続集録、及び並行した透過弾性波の集録が強く求められていた。

The Solution:
PXI ExpressモジュールとRAIDを組み合わせて利用することにより、高分解能(14ビット)、高サンプリングレート(80 MS/秒)を維持したまま1.5時間程度の連続集録が初めて実施できた。さらに、トリガ集録の波形も並行集録し(図3c)、制御系とPXIの間で時刻の同期を取ったことにより、従来通りの解析も行うことができ、解析がしやすいデータを得たと同時に、正確な時刻情報を得ることができるようになった。

Author(s):
立命館大学 理工学研究科 博士前期課程1年 - 吉光 奈奈氏

背景
地震とは地殻内部で発生する岩盤の破壊現象であり、一般には震源が深いため、破壊過程の直接観察は困難である。そこで、自然地震の模擬実験として実験室で岩石試料に載荷を行い、破壊に至る岩石の挙動が観察されてきた。岩石試料が破壊する際、破壊面周辺ではAE(Acoustic Emission)と呼ばれる微小破壊を伴って微小亀裂が生成される。自然地震とAEには様々な類似した特徴が知られており、 AEを調べることで自然地震に関する新たな知見を得ることができる。

自然地震では、10年ほど前から地震の高感度連続観測と広帯域観測が始まった。連続観測により集録漏れがなくなったため、従来の観測ではトリガがかからなかったようなゆっくりと地震波を放出する地震などが発見され、現在大いに注目されている。また、弾性波を地盤に対して常時送信できるシステムが開発され、連続観測記録でその波形を解析することで、地下の岩盤の様子をモニタリングする試みが進められている。一方、岩石実験では、これまでは主に狭帯域の共振型圧電センサーを用いたトリガ方式によるデータ集録が行われてきた。そのため、ごく一部のAEの限られた周波数帯における波形しか見ることができず、AEが一体どのような破壊であるのか、またどういったバリエーションがあるのかはまだよくわかっていない。

AEと試料を透過させる弾性波の時間変化を通じて、発生過程、活動度、発生した亀裂のサイズなどが明らかにできれば、どのような環境で亀裂が生成・成長して最終的な破壊に至るかという過程の理解につながる重要な知見となり、自然地震の理解も深まる。そこで、岩石実験での高分解能、広帯域AE波形の連続集録、及び並行した透過弾性波の集録が強く求められている。このうち、広帯域の観測はすでに実現されつつある。

課題
AEは高周波のイベントであり、その卓越周波数は数kHz~数MHz程度である。したがって、その波形を解析するためには14ビット以上、数十MS/秒の計測が求められる。これまでの集録装置では、高サンプリング速度の連続集録を行おうとするとデータのサンプリング速度に書き込み速度が追いつかず、ある時間でバッファがあふれて集録がストップしてしまうという問題があった。そのため、実験中を通した高速、高分解能の連続集録はまったく行われていなかった。このような高速、高分解能の連続集録を行うために、データのサンプリング、書き込みを高速で長時間連続して行うシステムが必要とされていた。

また、透過波の送信パルスでトリガ集録されたデータを用いると試料を透過した弾性波を扱う一般的な解析がスムーズに行えることから、連続集録に並行して従来通りのトリガ集録が行われることが望ましい。

さらに、試料の変形の様子を併せて検討するために、試験機を制御するPCで記録された載荷、変形データの集録時刻と、波形情報の集録時刻の同期が必要であった。したがって、要求される仕様は以下の3つである。

  • 分解能14ビット以上、数十MS/秒の連続集録
  • 連続集録と並行したトリガ集録
  •  試験機の制御系PCとの時刻同期

ソリューション

【システム構成】

本システムのハードウェア構成を図1に示す。実験は、円筒形の岩石試料に自然地震が起こる深さでの圧力と同程度の圧力をかけた状態を保ちながら、試料を円筒軸方向に圧縮し、試料を破壊させることによって行われる(図2)。実験中、試料内で発生するAEと、試料上部の発振子から送られる弾性波は試料下部の受振子で受信され、その信号は連続集録用とトリガ集録用に分配されて記録される。


図1. ハードウェア構成図


図2. システムの外観 - (a)試験機の全体、(b)試験機の載荷部を拡大したもの、(c)データ集録に使ったハードウェア

システムの基礎としてシャーシにはNI PXIe-1062Q、コントローラにはNI PXIe-8130を用いた。

まず、連続波形集録のために高速デジタイザNI PXIe-5122を選択し、データ記録にはNI 8262とHDD-8263(1 TB)の組み合わせによるRAIDシステムを利用した。これにより、データ書き込み速度が大幅に改善され、1成分14ビット(記録上は16ビット)20 MS/秒以下であれば、FIFOを利用したTDMS形式によるストリーミング集録により、バッファ・オーバーフローを引き起こさずに書き込み可能となった。

しかし、このサンプリング速度は公称の5分の1であり、2成分以上での集録を行う場合、10 MS/秒を下回ってしまうため、課題がまだ十分には解決されない。そこでより高速度での書き込みが必要となった。今回のケースでは、書き込み速度が飛躍的に向上したために、本来書き込みを高速に行うために用いられているバッファリングが、むしろボトルネックとなっていたことがわかった。

そこで、集録システムの制御ソフトウェアをLabVIEW 8.6にバージョンアップしてFIFOを利用したままファイル形式を通常のバイナリ形式に変更することで、バッファを用いずにデータをファイルに書き込むという新機能を用いた。これによりバッファが溜まるのを待たずに書き込むようになったため、データ転送がよりスムーズになった。この工夫によって、1成分なら最大80 MS/秒、4成分なら20 MS/秒(共に160 MB/秒)の長時間連続データ集録が実現でき、1つ目の課題をクリアした(図3)。

次に、NI PXI-5122を用いて、トリガ集録も同時に行えるように設計した。外付けのUSB HDDを用いて連続集録システムと競合しないようにし、並行集録を実施した。ここではFIFOを利用したTDMS形式によるストリーミング集録を行うことにより、1/40秒毎にトfリガをかけ、14ビット、80 MS/秒で0.2ミリ秒間のデータを記録できるようになり、2つ目の課題も解決された(図3c)。

最後に、試験機を制御するPCに記録される載荷、変形のデータと、2つのPXIモジュールNI PXIe-5122(連続集録)、NI PXI-5122(トリガ集録)による集録データの3つの時刻を同期させた。

NI USB-6009でパルスを発生させ、これをもう一つのNI PXI-5122で受けることでデータ集録開始のソフトウェア・リファレンス・トリガとした。また、このパルスを試験機制御PCにも送って載荷や変形に関するデータを同時に記録することで、集録データと同期させ、3つ目の課題も解決された(図3a、b)。


図3. システム制御ソフトウェア。
モジュールごとに4つのフロントパネルを独立させている。(b)(c)(d)が実行状態のときに(a)を実行させ、集録を開始させる。- (a)同期パルス送信(USB-6009)、(b)ソフトウェア・リファレンス・トリガ信号(PXI-5122B→PXI-5122A,PXIe-5122B)、(c)トリガ集録(PXI-5122A)、(d)連続集録(PXIe-5122)

【結果】
これまで岩石破壊実験におけるAEの高分解能、高サンプリング速度の連続集録は、データの書き込み時のバッファ・オーバーフローのため実現できていなかった。

これに対して、本システムではPXI ExpressモジュールとRAIDを組み合わせて利用することにより、高分解能(14ビット)、高サンプリングレート(80 MS/秒)を維持したまま1.5時間程度の連続集録が初めて実施できた。集録された波形の例は図3dに示されている。さらに、トリガ集録の波形も並行集録し(図3c)、制御系とPXIの間で時刻の同期を取ったことにより、従来通りの解析も行うことができ、解析がしやすいデータを得たと同時に、正確な時刻情報を得ることができるようになった。

今後、HDD 8264などのより高速大容量のRAIDシステムの導入により、より長時間の高速、高分解能連続データ集録が期待できる。

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立命館大学 理工学研究科 博士前期課程1年
吉光 奈奈氏

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