JPH0481135B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は被検体を赤外線測定してコンピユー
タに取込まれた温度データに対しコンピユータ処
理を行つて被検体の応力分布を画像化する方法に
関する。

（従来の技術） 機械装置、部品、或いは、構造物等を設計する
場合、どの部位にどの程度の応力が掛つているか
を知ることが安全性の観点から重要な課題であ
る。近年、このような被検体の応力分布を非接触
で短時間に測定する方法が提案されている（特願
昭55−56691）。この方法の原理を以下簡単に説明
する。

この出願の発明者は第４図に示すように被検体
１に荷振機２によつて繰り返し圧縮及び引張り荷
重を負荷すると、被検体１の表面温度が荷重負荷
の周期に同期して荷重０の時の温度を中心として
上昇及び下降を繰り返すことを見出した。

例えば、第５図Ａに示すように、被検体に正弦
波的に荷重を負荷すると、正の半サイクルに対応
する圧縮荷重及び負の半サイクルに対応する引張
荷重に同期して、被検体表面温度は第５図Ｂに示
すように正弦波的に上昇及び下降を繰り返す。ま
た、圧縮荷重又は引張荷重を矩形波的に負荷した
場合にも（それぞれ第５図Ｃ及びＥに示す）、こ
れらに同期して表面温度が上昇又は下降する（第
５図Ｄ及びＦに示す）。

このような表面温度の変化量と応力変化との間
には比例関係があることがわかつているので、被
検体に繰り返し荷重を負荷して特定点での温度変
化の幅を検出すれば、その点における応力の大き
さを知ることが出来る。

このような原理に基づく応力分布の画像化方法
につき従来考えられている方法を、第６図を参照
して簡単に説明する。

第６図に示す例は被検体の一点（一ポイント）
毎の走査で赤外線測定を行つて、応力分布を画像
化する方法である。被検体１に荷振機２により荷
重負荷を与え、各ポイント毎にスキヤナ３を停止
させて赤外線検出器４でそれぞれの温度データを
読取る。例えば正弦波的の負荷荷重の場合には、
検出されたアナログ温度データを切換器５で正の
半サイクルと負の半サイクルとで切換えてＡ／Ｄ
変換器６（６ａ及び６ｂ）に送り、そこでデジタ
ル温度データに変換した後、それぞれコンピユー
タ７内の対応するメモリ７ａ，７ｂに記憶する。
この記憶された温度データから、同一周期内の、
負荷振幅差が最大となる二つの時点における第一
及び第二温度データを個別にかつ各周期毎に読取
つて平均化回路７ｃでそれぞれ平均化する。この
例では、第一温度データを正の最大振幅時におけ
るデータとし、第二温度データを負の最大振幅時
におけるデータとし得るが、また、正負の各最大
振幅時に幅を持たせ、その時間間隔内での検出温
度データの平均化を行い、各周期毎に得られたこ
れら平均化された値の加重平均を求め、これらを
第一及び第二温度データとすることも出来る。こ
れら第一及び第二温度データの差を差演算器７ｄ
で求め、この差すなわち応力情報を含む温度情報
を例えばCRTのような表示装置８に供給し、よ
つて、被検体の応力分布を画像表示させることが
出来る。

尚、荷振機２、切換器５、Ａ／Ｄ変換器６ａ，
６ｂ、メモリ７ａ，７ｂ、平均化回路７ｃ、差演
算器７ｄのタイミングをタイミング回路９からの
タイミング信号で取る。

このポイント測定方法であると、画像全体につ
き一点毎に温度データを測定し画像化していかな
ければならないので時間がかかる。そこで、ライ
ン又は一画面走査での測定を行つて測定時間の短
縮を図る方法も考えられる。

この場合には、荷重を負荷している間、被検体
の一部分、或いは、全部を走査して検出したアナ
ログ温度データを前述と同様にコンピユータ７の
各メモリ７ａ及び７ｂに記憶させる。この走査は
一ライン走査でも、数ライン走査でも、一フイー
ルド走査でも良い。そして、一ライン中に、例え
ば、256〜512の点を取り、一ラインを何回も高速
走査し、これら一ラインのデータを各第一及び第
二温度データを上述したメモリ７ａ，７ｂにそれ
ぞれ記憶した後これより読取つて平均化回路７ｃ
で第一及び第二温度データの平均化値を出し、差
演算器７ｄで平均値の差演算を行つてその結果を
一画面メモリ（図示していない）に記憶させる。
そして、一画面当りの温度情報が記録された後、
前述と同様に表示装置８にこの温度情報を送り、
応力分布の画像表示を行う。

同様にして、一画面走査では、テレビジヨン走
査と同程度の走査速度で被検体１を走査する必要
がある点を除けば、他の点は前述のライン走査の
場合と同様に処理を行つて、応力分布の画像化を
図ることが出来る。

（発明が解決しようとする問題点） このような原理による応力分布の画像化方法で
は、同一点について第一温度データと第二温度デ
ータを測定するということが各点について正確な
応力値を求める上での前提である。ところが、こ
のような前提は、被検体が応力により大きく変形
する場合には満足されないことが多い。すなわ
ち、熱弾性効果を用いた被検体の温度分布の測定
では、被検体に応力によつて生じる温度差は0.01
〜0.5℃という微小な温度であるのに対し、被検
体には応力に無関係な温度勾配がはじめから存在
し、この温度勾配が例えば１℃／mm程度もある。
従つて、荷重負荷による被検体の変形により第一
温度データと第二温度データとで測定位置が１mm
でもずれていると、位置ずれによる温度差が１℃
も発生することになり、応力による温度差（0.01
〜0.5℃）は位置ずれによる温度差によつて隠さ
れて大きな誤差が発生してしまい、正確な応力分
布を測定することは困難である。

このような誤差の発生は、位置ずれが発生する
前と後で第一及び第二の温度データを測定してい
ることに起因している。そこで、本発明者は、荷
重による変形とか、位置ずれを生じる被検体の場
合に誤差を除去して正確な温度データを得るため
に、被検体表面に熱応答時間が繰り返し荷重パル
スの荷重印加期間に近い熱フイルタを付着し、熱
フイルタの温度が急激に上昇又は下降しないよう
にして温度変化の応答を遅らせると共に、一方の
温度データの検出のタイミングをずらし、同じ荷
重が印加されている期間に２つの温度データを測
定することを考えた。このようにすれば、圧縮又
は引張の一方の荷重期間の間に２つの温度データ
を測定できるので、２つの温度データを測定した
時に被検体の位置ずれは発生していないので、同
一位置について正確に第一及び第二の温度データ
を測定することができる。

従つて、この発明の目的は、被検体に荷重をか
けた時、被検体が伸び、曲げ等によつて変形した
り、或いは、位置ずれを生じる場合であつても、
より正確に応力分布状況の画像化を図る方法を提
供することにある。

（問題点を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれ
ば、被検体に荷重を繰り返し負荷し、この被検体
を赤外線検出器を用いて走査して、荷重の一周期
毎に最大荷重振幅差を与える二つの時間期間にお
ける該被検体の各温度を第一温度データ及び第二
温度データとしてそれぞれ検出し、これら第一及
び第二温度データの差演算を行つて、被検体の応
力分布を画像化するに当り、前述の被検体の表面
に熱フイルタを付着し、前記荷重を相異なる第一
荷重レベル及び第二荷重レベルが繰り返される矩
形波状の荷重とし、熱フイルタを付着させた被検
体を赤外線検出器を用いて走査して、前記被検体
に対する荷重負荷の第一の荷重レベルの停止値後
及び次の第一の荷重レベルの開始直前の温度デー
タを前記第一及び第二温度データとしてコンピユ
ータにそれぞれ取込み、第一及び第二温度データ
の差演算を行つて応力分布の情報を含む温度情報
を求め、この温度情報を基にして応力分布の画像
表示を行わせることを特徴とする。

（作用） このように構成すれば、第一の荷重レベルの停
止直後に熱フイルタに残存している第一の荷重レ
ベルにおける温度を測定して得た温度データを第
一温度データとし、次の第一の荷重レベルの開始
直前に熱フイルタの温度を測定して得た温度デー
タを第二温度データとしてコンピユータに取り込
むので、２つの温度データは同一の荷重レベルの
時に測定される。そのため、位置ずれや、変形に
起因する温度データの測定誤差が生じることがな
く、従つて、一層正確な温度データが得られ、よ
つて、一層正確に応力分布の画像化を図ることが
出来る。

（実施例） 以下、第１図〜第３図を参照して、この発明の
実施例につき説明する。

この発明では、先ず、被検体の表面の全体又は
測定しようとする領域に熱応答時間か繰り返し荷
重パルスの荷重印加期間に近い熱フイルタを付着
する。この熱フイルタとしてこれを被検体に密着
させて使用した時、この熱フイルタの温度が被検
体の温度変化よりゆるやかに変化するような材料
のものを選ぶ。

このように、熱フイルタを被検体に密着させれ
ば、温度がゆるやかに変化すると共に、例えば荷
重パルスを間隔をおいて繰り返し印加した場合、
荷重印加期間には被検体に位置ずれがあるが、荷
重を停止させた直後では、荷重が負荷されていな
いので位置ずれが無く、しかも、荷重の負荷が停
止した直後の短時間は荷重時の温度が位置ずれが
なく残存していることとなる。

この熱フイルタが被着された被検体に対して荷
重パルスを繰り返し負荷することにより熱フイル
タ上の温度分布、すなわち、被検体の表面の温度
分布を正確に検出することが出来るが、このよう
な熱フイルタを用いることによる効果を一層発揮
させるようにするため、この実施例では、第１図
Ａに示すように、相異なる第一及び第二の２つの
荷重レベルが繰り返される矩形波状の荷重を用い
る。本実施例では、低レベルの方を荷重零（無荷
重）として説明する。

このような矩形波状荷重を印加すると、被検体
の温度は、第１図Ｂに示すように、荷重波形にほ
ぼ対応するが、立ち上がり及び立ち下がりがやや
遅れた波形となる。

そして、被検体に密着させた熱フイルタの温度
は、第１図Ｃに示すように変化し、一方の荷重の
負荷を停止した直後でも充分な温度が残存するの
で、この荷重停止直後の熱フイルタの温度データ
を圧縮時の温度データ（前述の第一温度データに
対応する）として、第１図Ｄで示すようなタイミ
ングパルスで、コンピユータに取込み、かつ、再
荷重負荷直前の熱フイルタの温度データを引張時
の温度データ（前述の第二温度データに対応す
る）として、第１図Ｅに示すようなタイミングパ
ルスで、コンピユータに取込めば良い。

これらコンピユータに取込んだ両温度データを
下にして、その後のコンピユータ処理を行うこと
によつて、応力分布の画像化を行えば良い。

従つて、この実施例では、この点に着目し、荷
重時の温度データを取るタイミングを、第１図Ｄ
に示すように、荷重の負荷が停止して荷重が零と
なつた直後の時点にずらし、このタイミングで被
検体に被着している熱フイルタの温度データを第
一温度データとしてコンピユータに取込み、取込
んだ温度データから荷重時温度を求め、かつ、再
荷重負荷直前の熱フイルタの温度データを第二温
度データとしてコンピユータに取込み、その後の
処理は、以下に説明するように、例えば、第２図
又は第３図に示す装置を用いて画像化を行えば良
い。

そこで、先ず、第１図Ａ〜Ｈ及び第２図を参照
して、被検体１の一点（一ポイント）毎の走査で
赤外線測定を行つて、応力分布の画像化を図る方
法につき説明する。

第２図は、この方法の実施に使用する装置系を
示す線図で、被検体１の表面に熱フイルタを密着
させて設けてある。３はスキヤナで、第１図Ａに
示すように、荷振機２で被検体１で矩形波状の荷
重パルスを周期的に、例えば約１秒の持続時間で
かつ約１秒の間隔で、負荷する。このポイント検
出の場合には、これら荷重パルスが加わつている
間は走査しないで、一つのポイント、例えば第一
ポイント、に止つていて、この第一ポイントの温
度データを読取り、次の荷重パルスの負荷時には
次の第二ポイントに移りこのポイントに止つて第
二ポイントの温度データを読取る。このように、
各ポイント毎に走査を停止した状態で、赤外線検
出器４でそのポイントのアナログ温度データを読
取るように構成されている。このアナログ温度デ
ータは、荷重パルスを負荷している間は指数関数
的に上昇し、荷重パルスの負荷を停止すると指数
関数的に低下する。

５はこのアナログ温度データを増幅する増幅
器、６はＡ／Ｄ変換器でアナログ温度データをデ
ジタル温度データに変換して次段のコンピユータ
７に送る。

９はタイミング回路で、荷振機２の荷重パルス
のタイミングを取ると共に、Ａ／Ｄ変換器６及び
コンピユータ７にも第１図Ｄ及びＥに示すような
タイミングパルスをそれぞれ供給する。第１図Ｄ
に示すタイミングパルスによつて、各ポイント毎
に、荷重パルスの負荷直後の、従つて、被検体１
の振動停止直後のデジタル温度データ（第１図Ｆ
に示す）をコンピユータ７へ取込むためのタイミ
ングを取る。さらに、第１図Ｅに示すタイミング
パルスによつて、次の荷重パルスの負荷開始直前
のデジタル温度データ（第１図Ｇに示す）を各ポ
イント毎にコンピユータ７にそれぞれ取込む。

このようにして取込まれたそれぞれの温度デー
タの高さが荷重時温度T₁及び無荷重時温度T₂に
対応しており、これら温度データから、コンピユ
ータ処理によつて、各ポイント毎に平均化した
後、荷重時温度T₁及び無荷重時温度T₂をそれぞ
れ得、続いて、これら荷重時温度T₁と無荷重時
温度T₂との差演算を行つて、例えば、第１図Ｈ
に示すような、各ポイント毎に対応する温度情報
を得る。この温度情報の大きさが応力値に対応し
た輝度で表わされる。従つて、このようにして得
られた温度情報を例えばCRTのような表示装置
８に供給して、応力分布を画像表示させることが
出来る。

しかしながら、このポイント測定の方法は画像
全体につき一点毎に温度データを測定し画像化し
ていかなければならないので時間がかかる。

従つて、次に、第１図Ａ〜Ｈ及び第３図を参照
して、この測定時間を短縮出来るライン又は一画
面走査での測定につき説明する。尚、第３図にお
いて第２図に示した構成成分と同様な構成部分に
ついては詳細な説明を省略する。

この場合には、第１図Ａに示すように、矩形波
状の荷重パルスを被検体１に負荷している時間、
例えば、約１秒の間にスキヤンナ３及び赤外線検
出器４で被検体の一部分、或いは、全部を走査し
て第１図Ｃに示すように温度変化する熱フイルタ
のアナログ温度データの一部分をコンピユータ７
に読取る。この走査は一ライン走査でも数ライン
或いは一フイールド走査であつても良い。そし
て、一ライン中に256〜512の点を取り、荷重パル
スの負荷時間中、一ラインを何回も高速走査し、
これらの点の温度データをタイミング回路９から
のタイミングパルス（第１図Ｄ及びＥ）でコンピ
ユータ７のラインメモリ１０ａに取込むと共
に、負荷停止時の温度データも同様にして一ライ
ンメモリ１０ｂに取込む。それぞれの一ライン
メモリ及び１０ａ及び１０ｂでは取込まれた
温度データの平均化を行つて平均値を出し、これ
ら平均値を荷重時温度T₁及び無荷重温度T₂とす
る（第１図Ｆ及びＧ）。

次に、コンピユータ７でこれら荷重時温度T₁
及び無荷重温度T₂の差演算（図中１１で示す）
を行つて温度情報△Ｔ（第１図Ｈ）を求め、この
温度情報△Ｔを一画面メモリ１２に記憶させる。
一画面当りの温度情報が記憶された後、コンピユ
ータ７から表示装置に信号を送り、温度分布を画
像表示させる。この場合得られた温度分布画像で
表示されている画像の輝度が応力値に対応した大
きさを表わしている。

一画面走査の時は、テレビジヨン走査と同程度
の走査速度で、被検体１を走査する必要がある点
を除けば、他の点は前述のライン走査の場合と同
様に処理を行つて、応力分布を画像化することが
出来る。

なお、上述した説明では、矩形波状荷重の一方
の荷重レベルが零で、第一及び第二温度データを
荷重レベルが零の期間に測定する場合を例にあげ
て説明したが、第一及び第二温度データを荷重が
印加されている期間に測定しても良いし、引張り
荷重と圧縮荷重のように荷重の方向が互いに逆方
向の２種のレベルの荷重を繰り返し印加するよう
な矩形波状荷重を用いても同様に実施できる。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明
の方法によれば、先ず、被検体の全体又は測定し
ようとする領域に熱フイルタを付着し、さらに、
荷重として第一及び第二の２つの荷重レベルが繰
り返される矩形波状の荷重を負荷し、被検体に対
する第一レベルの荷重印加の停止直後の熱フイル
タの温度を第一温度データとして読取ると共に、
次の第一レベルの荷重印加の直前における熱フイ
ルタの温度を第二温度データとして読取つている
ので、２つの温度データを同じ荷重レベルの期間
内で位置ずれがない状態で読取ることができる。
従つて、この発明は応力分布を一層正確に画像化
することが出来るという利点を有する。

さらに、被検体に負荷される圧縮又は引張の片
方の荷重側だけで測定するのであるから、位置ず
れがなく精度の高い応力分布画像が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜Ｈはこの発明の実施例をそれぞれ説
明するための波形図、第２図はこの発明の説明に
供する装置系を示す線図、第３図はこの発明の説
明に供する他の装置系を示す線図、第４図はこの
発明の方法の説明に供する線図、第５図Ａ〜Ｆは
従来及びこの発明の原理を説明するための、被検
体部分を示す線図及び信号波形図、第６図は従来
及びこの発明の説明に供する装置系を示す線図で
ある。 １……被検体、２……荷振機、３……スキヤ
ナ、４……赤外線検出器、５……増幅器、６……
Ａ／Ｄ変換器、７……コンピユータ、９……タイ
ミング回路、８……表示装置、１０ａ……一ライ
ンメモリ、１０ｂ……ラインメモリ、１１…
…差演算、１２……一画面メモリ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体に荷重を繰り返し負荷し、 該被検体を赤外線検出器を用いて走査して、荷
   重の一周期毎に最大荷重振幅差を与える二つの時
   間期間における該被検体の各温度を第一温度デー
   タ及び第二温度データとしてそれぞれ検出し、 これら第一及び第二温度データの差演算を行つ
   て、被検体の応力分布を画像化するに当り、 前記被検体の表面に熱フイルタを付着し、 前記荷重を相異なる第一荷重レベル及び第二荷
   重レベルが繰り返される矩形波状の荷重とし、 熱フイルタを付着させた被検体を赤外線検出器
   を用いて走査して、前記被検体に対する荷重負荷
   の第一の荷重レベルの停止直後及び次の第一の荷
   重レベルの開始直前の温度データを前記第一及び
   第二温度データとしてコンピユータにそれぞれ取
   込み、これら第一及び第二温度データの差演算を
   行つて応力分布の情報を含む温度情報を求め、該
   温度情報を基にして応力分布の画像表示を行わせ
   ることを特徴とする応力分布の画像化方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の応力分布の画像
   化方法において、前記赤外線検出器による走査は
   ポイント走査、ライン走査又は一画面走査のいづ
   れかの走査で行うことを特徴とする応力分布の画
   像化方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の応力分布の画像
   化方法において、前記熱フイルタとして、前記荷
   重の持続時間に近い応答時間を持つものを用いた
   ことを特徴とする応力分布の画像化方法。