JP2000249638A - 応力画像システムにおける自動最適位相検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非対称の荷重印加であっても、最適サンプリ
ング位相を自動的に正しく検出することのできる応力画
像システムにおける自動最適位相検出方法を提供する。 【解決手段】荷重信号の繰り返し周期を構成する正側期
間と負側期間をそれぞれ複数ステップに分割し、負側期
間におけるサンプリングタイミングを固定した状態で正
側期間におけるサンプリングタイミングを複数ステップ
にわたり変化させて得た複数の応力値データを比較して
最大の応力値を与えるタイミングを求め、次に正側期間
におけるサンプリングタイミングを求めた最大の応力値
を与える正側タイミングに固定した状態で負側期間にお
けるサンプリングタイミングを複数ステップにわたり変
化させて得た複数の応力値データを比較して最大の応力
値を与える負側タイミングを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料に周期的に荷重を
印加し、熱弾性効果に基づく試料表面の温度変化を赤外
光により検出し、得られた検出信号から２種のタイミン
グで温度データをサンプリングし、サンプリングした温
度データの差に基づいて応力分布画像を表示するように
した応力画像システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の各部分に生ずる応力の大きさを測
定することは、機械や構造物を設計する際に、各部分の
形状、使用材料の寸法、材質等を選択して完全でしかも
経済的な設計を可能にするために極めて重要である。そ
のため、従来、被測定体に歪ゲージを貼付し、被測定体
に生ずる歪を検出して応力分布を測定することが行われ
ていた。

【０００３】しかしながら、被測定体への歪ゲージの貼
付が面倒で、測定に多大の時間がかかってしまうという
問題があった。これに対し、物体に圧縮・引張荷重を繰
り返し加えると、熱弾性効果により試料の表面温度が変
化し、この温度変化量と応力変化との間の相対関係を利
用して応力分布を測定することが提案されている（特公
昭６２−１２０４、特公昭６２−１２０５、特公昭６３
−７３３３等）。このような応力分布測定方法によれ
ば、従来の歪ゲージ等を利用した測定方式に比して、非
接触で迅速かつ簡単に測定することが可能となる。

【０００４】ところで、試料に対して圧縮、引張荷重を
繰り返し印加した時の試料の温度変化は、試料の材質あ
るいは形状等の要因によって荷重印加のタイミングに対
して所定の遅延を生ずる。温度変化量は最高温度と最低
温度との差から求められるので、荷重印加の１周期の中
で、温度変化信号が最大および最小となる位相を決定
し、その時の温度値をサンプリングして差を求める必要
がある。

【０００５】そこで、従来は、図１に示すように、荷重
信号(試料に印加される荷重を歪センサなどで検出して
得た信号あるいは荷重印加手段による荷重印加の同期信
号)Ｌの１周期Ｔを正側半周期ＴPと負側半周期ＴNに２
等分し、更に各半周期を等分して割り当てたｎ個ずつの
位相θP１〜θPn及びθN1〜θNnについて、試料上の指
定点の温度値をサンプリングして応力値を求めて最適な
位相を決定するようにしている。

【０００６】すなわち、各半周期の最初のタイミング同
士(θP１とθN1)の組み合わせで同一指定点の温度値を
サンプリングし、その差を求めて第１の応力値とする。
そして、順次２番目同士(θP2とθN2)、３番目同士(θP
3とθN3)、・・、ｎ番目同士(θPnとθNn)と応力値を求
め、この中で最大応力値(絶対値)を与える位相(θPiと
θNi)を選んで、最適サンプリング位相と決定する。以
後の本測定では、このθPiのタイミングでサンプリング
した温度値に基づいて正側温度画像データを取得し、θ
Niのタイミングでサンプリングした温度値に基づいて負
側温度画像データを取得し、両画像データの差画像を求
めて応力画像としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな最適位相の決定法は、荷重印加が正弦波形あるいは
三角波形のように正側と負側が零レベルに対して対称に
なっている場合が想定されているため、対称でない波形
で荷重印加が行われた場合には最適位相を正しく決定す
ることが出来ない。また、正弦波形あるいは三角波形で
の荷重印加であっても、零レベルの設定を正確に行わな
いと、やはり非対称の荷重印加となり最適位相を正しく
決定することが出来ない。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、非対称の荷重印加であっても、最適サンプリング位
相を自動的に正しく検出することのできる応力画像シス
テムにおける自動最適位相検出方法を提供することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、試料に周期的
に荷重を印加し、熱弾性効果に基づく試料表面の温度変
化を赤外光により検出し、得られた検出信号から２種の
タイミングで温度データをサンプリングし、サンプリン
グした温度データの差に基づいて応力分布画像を表示す
るようにした応力画像システムにおける自動最適位相検
出方法であって、荷重信号の繰り返し周期を構成する正
側期間と負側期間をそれぞれ複数ステップに分割し、負
側期間におけるサンプリングタイミングを固定した状態
で正側期間におけるサンプリングタイミングを複数ステ
ップにわたり変化させることにより得た複数の応力値デ
ータを比較して最大の応力値を与える正側タイミングを
求め、その後、正側期間におけるサンプリングタイミン
グを求めた最大の応力値を与える正側タイミングに固定
した状態で負側期間におけるサンプリングタイミングを
複数ステップにわたり変化させることにより得た複数の
応力値データを比較して最大の応力値を与える負側タイ
ミングを求めることを特徴とする。

【００１０】

【実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施の形態
を詳説する。図２は本発明にかかる方法を実施するため
の応力画像システムの一例を示すブロック図である。

【００１１】図２において、１は加振機、２，３はピス
トン、４は試料、５，６は保持機構、１０は荷重信号発
生器、１１はＡ／Ｄ変換器、１２は荷重波形メモリ、１
３はｔ0検出回路、１４は周期時間設定・分割回路、１
５は位相調整回路、１６は温度波形メモリ、１７は赤外
線カメラ、１８は抽出回路、１９は駆動回路、２０はコ
ントローラ、２１はＡ／Ｄ変換器、２２はメモリ（ｔ1
）、２３はメモリ（ｔ2 ）、２４は減算回路、２５は
データ処理装置、２６は表示用メモリ、２７はキーボー
ド、２８はマウス、２９は読み出し回路、３０は表示装
置である。

【００１２】加振機１は、荷重信号発生器１０からの信
号により周期的に圧縮・引張荷重を発生し、ピストン
２，３、保持機構５，６より試料４に対して周期的に圧
縮・引張荷重を与える。荷重信号波形はＡ／Ｄ変換器１
１でデジタル信号に変換されて荷重波形メモリ１２に記
憶される。また荷重信号波形の０クロスタイミングｔ0
をｔ0 検出回路１３で検出し、タイミングｔ0 を荷重波
形メモリ１２に格納するとともに、周期時間設定・分割
回路１４で周期時間を設定して周期をｎ等分する。位相
調整回路１５ではｎ等分した間隔で位相調整できるよう
になっている。なお圧縮・引張荷重は正弦波形、矩形波
等任意のもので良い。

【００１３】周期的な圧縮・引張荷重を受けると、試料
４は熱弾性効果に基づき表面温度が荷重に応じて変化す
る。赤外線カメラ１７は、試料面の表面温度を走査検出
し、得られた検出信号は抽出回路１８及びＡ／Ｄ変換器
２１を介してデジタル信号に変換される。

【００１４】この温度データは、コントローラ２０で切
り換えられるスイッチＳにより切り換えられて温度波形
メモリ１６又はメモリ２２、２３に格納される。温度波
形メモリ１６へのデータ格納は、スイッチＳを温度波形
メモリ１６側へ接続すると共に、コントローラ２０によ
り位相調整回路１５の位相を調整し、荷重信号の１周期
を等しいステップで分割した各位相についての温度デー
タを温度波形メモリ１６に取り込むことにより行われ
る。

【００１５】このようにして荷重波形メモリ１２、温度
波形メモリ１６に格納されたデータはデータ処理装置２
５を介して表示用メモリ２６に取り込まれ、読み出し回
路２９で読み出されて表示装置３０に表示される。図３
はこのようにして表示された荷重信号波形Ｌと温度波形
Ｗとを示しており、波形Ｌ，Ｗは時間軸を合わせて表示
される。図３には、図２におけるｔ0 検出回路の出力
ａ、周期時間設定・分割回路１４の出力ｂも同時に表示
してある。なお、キーボード２７、マウス２８の操作に
より最適位相検出／応力画像測定のモード選択、位相マ
ーカの位置設定等を入力することができデータ処理装置
２５により対応する処理が行われる。例えば、最適位相
検出モードを選択すると、最適サンプリングタイミング
を与える位相ｔ1 、ｔ2 が検出されて、図３に示すよう
に、荷重信号波形の当該位相に位相マーカＣ１、Ｃ２が
重ね表示される。また、マニュアルで位相マーカＣ１、
Ｃ２を設定することもできる。

【００１６】こうして最適サンプリングタイミングを与
える位相ｔ1 ，ｔ2 が設定されると、赤外線カメラ１７
から継続的に送られてくる走査に基づく赤外画像信号
(温度信号)から、図３に示す位相マーカＣ1 、Ｃ2 のタ
イミングで温度データ(１フレーム分)がメモリ２２、２
３に取り込まれる。メモリ２２、２３へ取り込まれたデ
ータは、フレーム積分することによりＳ／Ｎを改善する
ことができる。そして減算回路２４でそれぞれ試料の対
応位置におけるメモリ２２、２３の内容を減算し、デー
タ処理装置２５を介して表示用メモリ２６に取り込ま
れ、読み出し回路２９で所定のタイミングで読み出すこ
とにより、応力画像が表示される。なお、減算処理前の
メモリ２２、２３の内容をデータ処理装置２５、表示用
メモリ２６に取り込んでそれぞれ表示することも可能で
ある。

【００１７】次に上記システムの処理フローについて図
４に示す流れ図を用いて説明する。まず、荷重信号発生
器あるいは加振器に添付した歪ゲージからの信号を元デ
ータとして取り込み図３の荷重波形Ｌとして表示し、つ
いで取り込んだ波形より、図２の周期時間設定・分割回
路１４で１周期の時間を設定し、この１周期を正側半周
期ＴPと負側半周期ＴNに２分割する。さらに、正側半周
期ＴPをｎ分割し、負側半周期ＴNをｍ分割する。（ステ
ップ１〜３）。この正側半周期ＴPと負側半周期ＴNの分
割は、荷重波形のゼロクロス点により自動的に選定して
も良いし、操作者が適宜マニュアル設定しても良い。

【００１８】次いで応力が集中しそうな場所、または応
力を調べたい場所を設定して１点を指示する（ステップ
４）。これは調べたい場所によって荷重信号と応力(温
度変化)の位相が変わるためであり、図５に示すように
表示装置にカメラ１７から得られた赤外画像信号を直接
供給して赤外画像３０を表示し、その画像中の所望位置
にカーソルを移動してその位置を指示することにより、
位相チェック場所３２を指定することが出来る。この指
定された位相チェック場所３２からの温度信号を抽出す
るためのタイミング情報は、コントローラ２０に格納さ
れ、抽出回路１８へ出力される。

【００１９】このようにして位相チェック場所の指定が
なされると、図２のコントローラ２０の制御により、赤
外線カメラ１７が位相チェック場所３２を検出するタイ
ミングで抽出回路１８が動作し、位相チェック場所の赤
外データのみが継続的に抽出される。

【００２０】次いで、荷重波形の１周期を単位ステップ
で等分した始めから終わりまで位相を変えつつ、抽出回
路１８からの位相チェック場所３２における赤外データ
を温度波形メモリ１６へ取り込む。この取り込みは、コ
ントローラ２０によりスイッチＳを温度波形メモリ１６
側へ倒すと共に、位相調整回路１５から荷重波形の１周
期に対するｎ種の位相でタイミング信号を温度波形メモ
リ１６へ送り、抽出回路１８からの位相チェック場所の
赤外データを次々と温度波形メモリ１６へ取り込むこと
により行われる（ステップ４及びステップ５）。

【００２１】そして、ステップ６において、温度波形メ
モリに取り込んだ赤外データと荷重波形とを図３に示す
ように同一時間軸で表示する。この時、赤外信号波形は
位相チェック場所の前後数点のデータを平均化したデー
タとするか、同位相のサンプリング値を複数周期にわた
って積算した値を用いてノイズ成分を相対的に減らすこ
とが望ましい。

【００２２】次いで、ステップ７において、データ処理
装置２５により本発明による最適サンプリングタイミン
グの検出が以下の手順で行われる。

【００２３】まず、データ処理装置２５は、負側のサン
プリングタイミングを指定する位相として、例えば負側
半周期をｍ分割した中央値ｔ2aをコントローラ２０に送
り、仮の値として設定する。

【００２４】つぎに、データ処理装置２５は、コントロ
ーラ２０を制御してスイッチＳをメモリ２２とメモリ２
３の間で切り換えることにより、抽出回路１８から出力
される位相チェック場所３２の温度データを、次々とメ
モリ２２，２３へ取り込むことにより、正側半周期の最
適サンプリングタイミングの検出を行う。

【００２５】すなわち、コントローラ２０に設定される
正側サンプリング位相ｔ1は、ｎ分割された正側半周期
の各位相を指定する値ｔ11，ｔ12，ｔ13，・・・，ｔ1n
に順次変えられ、一方、負側サンプリング位相ｔ2は、
前述のごとく負側半周期をｍ分割した中央値ｔ2aに固定
される。そして、コントローラ２０は、このｔ1，ｔ2の
値に従ってスイッチＳを荷重印加の１周期毎にメモリ２
２及び２３へ接続するため、メモリ２２，２３には、荷
重印加の最初の１周期目に(ｔ11，ｔ2a)のタイミングの
位相チェック場所３２の温度データが抽出格納され、以
下、２周期目には(ｔ12，ｔ2a)のタイミング、３周期目
には(ｔ13，ｔ2a)のタイミング、・・・、ｎ周期目には
(ｔ1n，ｔ2a)のタイミングの位相チェック場所３２の温
度データがそれぞれ抽出格納される。

【００２６】減算回路２４は、各タイミングでメモリ２
２，２３に格納されている温度データの差を求め、応力
値データとしてデータ処理装置２５へ送る。データ処理
装置２５は、１周期毎に次々と送られてくる応力値デー
タを比較することにより最も絶対値の大きな応力値デー
タを与える正側の最適タイミングt1iを決定する。決定
した最適タイミングt1iはコントローラ２０へ送られて
記憶される。

【００２７】ついで、データ処理装置２５は、同様にし
て負側半周期の最適サンプリングタイミングの検出を行
う。すなわち、コントローラ２０に設定される正側サン
プリング位相ｔ1は、先に求められた最適タイミングt1i
に固定されると共に、負側サンプリング位相は、ｍ分割
された負側半周期の各位相を指定する値ｔ21，ｔ22，ｔ
23，・・・，ｔ2mに順次変えられる。そして、コントロ
ーラ２０は、このｔ1，ｔ2の値に従ってスイッチＳを荷
重印加の１周期毎にメモリ２２及び２３へ接続するた
め、メモリ２２，２３には、荷重印加の最初の１周期目
に(ｔ1i，ｔ21)のタイミングの位相チェック場所３２の
温度データが抽出格納され、以下、２周期目には(ｔ1
i，ｔ22)のタイミング、３周期目には(ｔ1i，ｔ23)のタ
イミング、・・・、ｍ周期目には(ｔ1i，ｔ2m)のタイミ
ングの位相チェック場所３２の温度データがそれぞれ抽
出格納される。

【００２８】減算回路２４は、各タイミングでメモリ２
２，２３に格納されている温度データの差を求め、応力
値データとしてデータ処理装置２５へ送る。データ処理
装置２５は、次々と送られてくる応力値データを比較す
ることにより最も絶対値の大きな応力値データを与える
負側の最適タイミングt2jを決定する。決定した最適タ
イミングt2jはコントローラ２０へ送られて記憶され
る。

【００２９】データ処理装置２５は、このようにして求
められた正側と負側の最適タイミングｔ1i，ｔ2jに基づ
いて、前述したように、荷重信号波形Ｌの当該位相位置
に位相マーカＣ１、Ｃ２を重ね表示する。この位相マー
カは、温度波形Ｗの方に重ね表示しても良いし、波形
Ｌ，Ｗの両方にまたがるように長い線として表示しても
良い。

【００３０】なお、自動検出された位相が、ノイズ等の
影響で妥当と思われないものになる可能性があるので、
その時は波形を見ながらマニュアルによって再設定を行
うことができる（ステップ８）。

【００３１】こうして正側と負側の最適タイミングｔ1
i，ｔ2jが検出され、コントローラ２０に設定される
と、応力分布画像の測定が行われる。すなわち、コント
ローラ２０は、設定されたｔ1i，ｔ2jと荷重信号とに基
づき抽出回路１８及びスイッチＳを制御することによ
り、赤外線カメラ１７から継続的に送られてくる走査に
基づく赤外画像信号(温度信号)から、前記最適位相ｔ1
i，ｔ2j のタイミングで温度データ(１フレーム分)がメ
モリ２２、２３に取り込まれるようにする。減算回路２
４で両者の差をとることにより、応力分布画像データが
得られ、データ処理装置２５はそれを表示メモリ２６へ
送るため、表示装置３０にそのデータに基づく応力画像
が表示されることになる。

【００３２】なお、上記実施例は本発明の一例であっ
て、本発明はこれに限定されることなく変形が可能であ
る。例えば、上記実施例では最初に負側のサンプリング
タイミングを固定して正側の最適サンプリングタイミン
グを求めたが、逆でも良い。また、正側、負側という表
現は、基準レベルの上か下かを便宜的に表すために用い
たもので、相対的なものに過ぎない。例えば、荷重波形
を反転させて表示すれば逆になるのであるし、正側が圧
縮荷重で負側が引っ張り荷重を示すというものでもな
い。

【００３３】また、使用する赤外線カメラとしては、機
械走査式の比較的低速度のもの、固体撮像素子を用いた
高速電子走査式のもののどちらでも使用できる。どちら
の方式のカメラであっても、サンプリング期間の間に１
フレーム分の赤外画像信号(温度信号)が取得できれば１
フレーム分を一度にメモリ２２，２３に取り込むことが
できる。それが出来なければ、１サンプリング期間の間
に走査線１本分あるいは複数本分の赤外画像信号(温度
信号)をメモリに取り込み、そのようなサンプリングを
繰り返して１フレーム分の赤外画像信号を取り込むよう
にすれば良い。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、荷重信号
の繰り返し周期を構成する正側期間と負側期間をそれぞ
れ複数ステップに分割し、負側期間におけるサンプリン
グタイミングを固定した状態で正側期間におけるサンプ
リングタイミングを複数ステップにわたり変化させるこ
とにより得た複数の応力値データを比較して最大の応力
値を与えるタイミングを求め、その後、正側期間におけ
るサンプリングタイミングを求めた最大の応力値を与え
る正側タイミングに固定した状態で負側期間におけるサ
ンプリングタイミングを複数ステップにわたり変化させ
ることにより得た複数の応力値データを比較して最大の
応力値を与える負側タイミングを求めるようにしたた
め、正側と負側のサンプリングタイミングを独立に検出
することができ、非対称の荷重印加であっても、最適サ
ンプリング位相を自動的に正しく検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の最適位相決定法を説明するための荷重
信号波形を示す図である。

【図２】 本発明の応力画像システムの構成を示すブロ
ック図である。

【図３】 図２の実施例における位相設定を説明するた
めの図である。

【図４】 本発明のシステムの処理の流れを説明するた
めの図である。

【図５】 位相チェック場所を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１：加振機、２，３：ピストン、４：試料、５，６：保
持機構、１０：荷重信号発生器、１１：Ａ／Ｄ変換器、
１２：荷重波形メモリ、１３：ｔ0 検出回路、１４：周
期時間設定・分割回路、１５：位相調整回路、１６：温
度波形メモリ、１７：赤外線カメラ、１８：抽出回路、
１９：駆動回路、２０：コントローラ、２１：Ａ／Ｄ変
換器、２２：メモリ（ｔ1 ）、２３：メモリ（ｔ2 ）、
２４：減算回路、２５：データ処理装置、２６：表示用
メモリ、２７：キーボード、２８：マウス、２９：読み
出し回路、３０：表示装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に周期的に荷重を印加し、熱弾性効
   果に基づく試料表面の温度変化を赤外光により検出し、
   得られた検出信号から２種のタイミングで温度データを
   サンプリングし、サンプリングした温度データの差に基
   づいて応力分布画像を表示するようにした応力画像シス
   テムにおける自動最適位相検出方法であって、荷重信号
   の繰り返し周期を構成する正側期間と負側期間をそれぞ
   れ複数ステップに分割し、負側期間におけるサンプリン
   グタイミングを固定した状態で正側期間におけるサンプ
   リングタイミングを複数ステップにわたり変化させるこ
   とにより得た複数の応力値データを比較して最大の応力
   値を与える正側タイミングを求め、その後、正側期間に
   おけるサンプリングタイミングを求めた最大の応力値を
   与える正側タイミングに固定した状態で負側期間におけ
   るサンプリングタイミングを複数ステップにわたり変化
   させることにより得た複数の応力値データを比較して最
   大の応力値を与える負側タイミングを求めることを特徴
   とする応力画像システムにおける自動最適位相検出方
   法。