JPH09318328A - レーザ非接触伸び計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 材料試験機等から何らの信号を受け取ること
なく、また、遮断用の衝立等を設けることなく、試験片
の破断時や試験片の不存在時においても、照射レーザ光
による危険を生じることのないレーザ非接触伸び計を提
供する。 【解決手段】 試験片からの散乱光を測定する測定光学
系２の出力を利用して、測定部位における試験片Ｗの有
無もしくは破断を検出してその検出結果に応じてれひざ
照射光学系１からのレーザ光を所定レベル以下に低下さ
せる手段３３を設け、試験片の破断時および不存在時
に、自己完結的にレーザ出力を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試験片の表面にレ
ーザ光を照射して得られるスペックルパターンを利用し
て、試験片の伸びあるいは縮みを非接触のもとに計測す
る、いわゆるレーザ非接触伸び計に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の表面にレーザ光を照射することに
よって得られるスペックルパターンを利用して、その物
体の変位情報を得る方法が知られている。

【０００３】スペックルパターンを利用して変位情報を
得る場合、基本的には、物体の測定対象面からのレーザ
光の散乱光を、イメージセンサによって光電変換してス
ペックルパターンに応じた電気信号を刻々と得るととも
に、その刻々の信号の相互相関関数を求めることによ
り、スペックルパターンの移動量を求め、そのスペック
ルパターンの移動量から物体の変位情報を得る。

【０００４】このような原理を用いて、材料試験に供さ
れる試験片の２箇所（標点）間の伸び（または縮み、以
下同）を非接触のもとに計測するレーザ非接触伸び計が
既に提案されている（例えば特開平８−４３０６号）。
このようなレーザ非接触伸び計においては、試験片から
の散乱光を結像光学系によってイメージセンサの受光面
に結像させ、そのイメージセンサの各チャンネル出力の
うち、試験片上にあらかじめ設定された２箇所（標点）
に対応する各複数チャンネルずつの出力を用いて、それ
ぞれの箇所におけるスペックルパターンの移動量を個別
に求めるとともに、その差を算出することによって、試
験片上の２標点間の伸びを求める。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
なレーザ非接触伸び計では、通常の測定状態においては
レーザ光は測定部位にセットされた試験片に向けて照射
され、試験片によって遮られることになるが、引張試験
等において試験片が破断したとき、あるいは試験片が測
定部位に存在しない状態で誤って伸び計を起動したと
き、レーザ光は測定部位を越えて後方にまで照射され
る。測定部位の後方に衝立等の遮蔽体がない場合には、
そのレーザ光が人体に危険を及ぼす可能性がある。

【０００６】また、測定部位の後方に衝立を設けて上記
のようなレーザ光を遮ったとしても、その衝立による反
射光の影響まで完全に除去するようにするには、衝立の
形状や素材等を考慮する必要があり、コストアップに繋
がる。

【０００７】ここで、引張試験時等における試験片の破
断は、材料試験機の荷重検出信号等から検出することが
でき、その検出出力によってレーザ光源をＯＦＦにする
等の対策は可能ではあるが、その場合、以下に示すよう
な問題が生じる。

【０００８】すなわち、材料試験機からの信号によって
レーザ非接触伸び計のレーザ出力を制御するためには、
材料試験機と伸び計との間を信号線で繋ぐ必要が生じ、
特に既設の材料試験機にレーザ非接触伸び計を装着する
場合には、そのような出力を取り出せるように材料試験
機を改造する必要があり、また、例え既にそのような出
力を取り出せるような材料試験機であっても、レーザ非
接触伸び計側において材料試験機から供給される出力信
号でレーザ出力が制御されるようにマッチングを行う必
要が生じるばかりでなく、コネクタの形態一つについて
も、一々両者間で統一する等の煩わしい作業を必要とす
る。

【０００９】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、材料試験機等から試
験片の破断等の検出信号を必要とすることなく、かつ、
遮断用の衝立等を設けることなく、試験片の破断時に、
あるいは試験片の不存在時に誤ってレーザ非接触伸び計
を起動しても、人体に対して危険を生じることのないレ
ーザ非接触伸び計を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のレーザ非接触伸び計は、測定部位にセット
された試験片にレーザ光を照射するレーザ照射光学系
と、そのレーザ光の試験片表面での散乱光を計測する測
定光学系と、その測定光学系の出力を用いて、試験片表
面での散乱光に含まれるスペックルパターンの移動量か
ら試験片の伸びを算出する演算部を備えた伸び計におい
て、測定光学系からの出力を用いて測定部位における試
験片の有無もしくは破断を検出する検出手段と、試験片
の不存在および破断の検出時にレーザ照射光学系からの
レーザ光を所定のレベル以下に低下させるレーザ出力制
御手段を備えていることによって特徴づけられる。

【００１１】ここで、本発明において、試験片からの散
乱光の測定結果を用いて試験片の有無もしくは破断を検
出するに具体的方法は限定されるものではないが、例え
ば、測定光学系からの出力から散乱光レベルをモニタ
し、そのレベルが一定の限度を越えて低い場合に試験片
の不存在もしくは破断を検出する方法や、あるいは破断
の検出には、散乱光に含まれるスペックルパターンに基
づく試験片の任意の点の変位速度が、ある限度を越えて
速くなったこと、更には散乱光に含まれるスペックルパ
ターンがある限度を越えて瞬時に変化したこと、等を利
用することができる。

【００１２】本発明によれば、レーザ非接触伸び計が元
来的に有している、試験片からの散乱光を測定する測定
光学系を利用して、その測定出力を用いることによって
試験片の破断や不存在を検出することで、特にコストア
ップを伴うことなく、レーザ非接触伸び計が、言わば自
己完結的に試験片の破断時および不存在時にレーザ出力
を低下させることが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態を材料
試験機に装着した状態で示す構成図であり、光学系の模
式図と電気的構成を示すブロック図とを併記して示す図
である。

【００１４】試験片Ｗは、その両端が材料試験機の上下
の掴み具Ｃａ，Ｃｂに把持された状態で、上側の掴み具
Ｃｂが上方に移動することによって引張負荷が与えられ
る。レーザ非接触伸び計は、試験片Ｗにレーザ光を照射
するレーザ光照射光学系１と、試験片Ｗの表面による散
乱光を測定する測定光学系２と、その測定光学系２によ
る散乱光の測定出力を処理する計測・制御回路３を主た
る構成要素として構成されている。

【００１５】レーザ照射光学系１は、半導体レーザ１
１、コリメータレンズ１２、および２つのシリンドリカ
ルレンズ１３ａ，１３ｃからなるビームエキスパンダ１
３によって構成されており、半導体レーザ１１から出力
されるレーザ光を、伸びの計測方向である鉛直方向に沿
ってライン状に延びるビームに成形した後、掴み具Ｃａ
とＣｂの間に把持された試験片Ｗに照射するようになっ
ている。半導体レーザ１１の駆動電流は、レーザ電源回
路１０から供給される。

【００１６】測定光学系２は、１次元イメージセンサ２
１と、そのイメージセンサ２１の受光面に試験片Ｗから
の散乱光を結像させるための集光レンズ２２によって構
成されている。

【００１７】イメージセンサ２１の出力は、増幅器４に
よって増幅されて後にＡ−Ｄ変換器５でデジタル化さ
れ、一旦メモリ６に格納された後に刻々と計測・制御回
路３に取り込まれる。

【００１８】計測・制御回路３には、イメージセンサ２
１の複数のチャンネルからの出力のうち、試験片Ｗの２
箇所の標点Ａ，Ｂに対応するそれぞれ複数チャンネルず
つのデータ群を、各標点に対応する２つの観察点データ
として設定するための設定器７が接続されている。この
設定器７により、例えば、イメージセンサ２１が２００
０チャンネルであった場合に、伸びの計測を開始する前
に、第１００チャンネル〜第２００チャンネルの出力が
一方の標点Ａに対応する観察点データ、第７００チャン
ネル〜第８００チャンネルの出力が他方の標点Ｂに対応
する観察点データとして設定される。

【００１９】計測・制御回路３は、実際には高速信号処
理装置やＣＰＵ等を主体とするものであるが、図１にお
いては、機能別にブロック化して示している。イメージ
センサ２１の各チャンネル出力は、所定の微小時間ごと
にメモリ６に格納されていくが、前記した設定器７によ
り観察点データとして設定された２組のチャンネル群か
らのデータが、以下に示すように２つの標点間の伸びの
算出に供される。

【００２０】すなわち、設定された２組のチャンネル群
からのそれぞれの当初データは、それぞれ初期の参照デ
ータとしてメモリ６の規定アドレスに格納される。そし
て、以後、メモリ６にデータがサンプリングされるごと
に、設定された２組のチャンネル群からのデータ（以
下、観察点サンプリングデータと称する）は、対応する
参照データとともに、各標点に対応して設けられた変位
演算部３１ａ，３１ｂに導入される。変位演算部３１
ａ，３１ｂは、それぞれ参照データと観察点サンプリン
グデータとの相互相関関数を演算し、その関数のピーク
位置を求める。これらのピーク位置情報は、各標点Ａ，
Ｂからの散乱光に含まれるスペックルパターンの移動情
報、つまり、参照データの採取時点から観察点サンプリ
ングデータが得られた時点までの各標点Ａ，Ｂの変位情
報を表すことになり、その情報は伸び算出部３２に供給
される。伸び算出部３２では、各変位演算部３１ａ，３
１ｂによる標点Ａ，Ｂそれぞれの変位情報の差を算出す
ることによって、標点Ａ，Ｂ間の伸びを算出する。

【００２１】変位演算部３１ａ，３１ｂでは、演算した
相互相関関数のピーク位置がある一定量だけ移動するご
とに、観察点データ源として用いているチャンネル群を
その移動の向きに一定のチャンネル分だけシフトする。
このチャンネルシフトに際しては、それまで使用してい
た参照データを廃棄し、シフト後のチャンネル群からの
当初データを新たな参照データとするとともに、以後、
同チャンネル群からのデータを観察点サンプリングデー
タとして、これらのデータ間で相互相関関数を算出して
そのピーク位置を求める。つまり、各変位演算部３１
ａ，３１ｂでは、当初に設定された２つの標点Ａ，Ｂか
らのスペックルパターンの移動量を算出しつつ、その移
動に追随させて観察点データ源として使用するチャンネ
ルを逐次変更していくことにより、実質的に試験片Ｗに
当初設定した２つの標点Ａ，Ｂを追尾しながら、これら
の箇所からのスペックルパターンの移動量、ひいてはこ
れら各標点Ａ，Ｂの変位量を求めていく。

【００２２】さて、メモリ６に格納されたイメージセン
サ２１からの各チャンネルデータは、試験片破断・有無
検出部３３にも供給される。試験片破断・有無検出部３
３では、イメージセンサ２１からの刻々のチャンネルデ
ータの平均値を算出し、その平均値レベルがあらかじめ
設定された閾値よりも低くい場合には、試験片Ｗが破断
した、もしくは試験片Ｗが掴み具Ｃａ，Ｃｂに把持され
ていないと判断して、レーザ電源回路１０から半導体レ
ーザ１１に供給している駆動電流をあらかじめ設定され
た値以下に低下させるべく制御信号を発生する。

【００２３】また、この例において試験片破断・有無検
出部３３には、移動側の掴み具Ｃｂ側の標点Ｂに対応す
る変位演算部３１ｂからの変位情報が供給されており、
標点Ｂが、設定された速度以上の速さで変位した場合に
も、試験片Ｗが破断したと判断して、同じく半導体レー
ザ１１への駆動電流を設定値以下に低下させるべく制御
信号を発生する。この破断判別のための基準速度は、破
断速度設定器８によって任意に設定することができるよ
うになっている。

【００２４】以上の実施の形態において、まず、試験片
Ｗが掴み具Ｃａ，Ｃｂ間に把持されていない状態で半導
体レーザ１１から測定用のレーザ光が照射された場合、
イメージセンサ２１には試験片からの散乱光が入射しな
いために、その各チャンネル出力の平均値レベルは試験
片が同位置に存在している場合に比して大幅に低く、従
ってこの場合には、試験片破断・有無検出部３３からレ
ーザ電源回路１０に制御信号が供給されて半導体レーザ
１１の駆動電流を低下させる。これによって照射レーザ
光は直ちに低いレベルにまで低下する。

【００２５】また、試験片Ｗが引張試験によって破断し
た場合、その試験片Ｗが比較的伸びの大きな材料であれ
ば、破断によって比較的大きく上下に別れてしまうた
め、イメージセンサ２１に入射する散乱光の平均レベル
は比較的大きく低下し、この場合においても上記と同様
に試験片・破断有無検出回路３３からの出力によって照
射レーザ光は直ちに低いレベルにまで落とされる。

【００２６】一方、試験片Ｗが比較的延性の低い材料で
ある場合には、破断によっても上記のように大きくは上
下に別れずにその殆どの部分がレーザ光の照射領域無い
に留まり、従って散乱光の平均レベルの低下は少なく、
そのモニタによっては破断を検出できない場合もある。
しかし、このような試験片Ｗにおいて破断によるショッ
クは大きく、よって試験片Ｗの各部は破断前の引張試験
時における変位に比して瞬時に大きく変位し、特に破断
部位よりも移動側の掴み具Ｃｂに近い側ではその破断時
のショックによる変位は大きい。従って、破断速度設定
器８によって破断判別のための基準速度を適宜に設定し
ておくと、変位演算部３１ｂから供給される標点Ｂの変
位情報によって試験片の破断を検出することができ、破
断時に照射レーザ光を直ちに低いレベルにまで低下させ
ることが可能となる。

【００２７】なお、本発明では、試験片の不存在もしく
は破断を検出したときに、照射レーザ光のレベルを低下
させることに変えて、半導体レーザ１１に供給する電流
を０、つまり電源回路をＯＦＦにしてもよい。

【００２８】ここで、通常、レーザを光源とする装置で
は、その出力を安定化させるためにみだりにその電源を
ＯＮ／ＯＦＦしたり、あるいは出力レベルを変更するこ
とはできないが、本発明のように試験片からの散乱光に
含まれるスペックルパターンを利用してその変位情報を
得る場合には、照射レーザ光の安定度に対する要求は低
く、頻繁に出力レベルを変えても計測精度には影響を及
ぼすことがない。従って以上の実施の形態によって、試
験片の破断時に自動的に半導体レーザの出力レベルを低
下させたり、電源を遮断しても、特に次に計測結果に影
響を及ぼすことがない。

【００２９】本発明において、試験片の破断を検出する
方法は、上記の例に限られることなく、比較的伸びの大
きな試験片ばかりを測定するような用途にあっては、散
乱光レベルのモニタのみによって試験片の破断・有無を
検出してよく、また、破断判別のための変位速度の監視
に供する試験片の位置は、上記のように標点Ｂに限られ
ることはなく、任意の位置とすることががき、更には、
このような変位速度の監視に代えて、試験片の破断箇所
は基本的には２つの標点間に限られることから、例えば
イメージセンサ２１の全チャンネル出力の大小パターン
をモニタしておき、試験片の破断時にはそのうちのいず
れかの箇所におけるパターンが大きく変化することを利
用して破断を検出する等、任意の方法を採用することが
できる。

【００３０】また、本発明は、レーザ非接触伸び計自体
が試験片の破断を検出するものであるが、材料試験機に
よる荷重検出出力等を利用した破断検出信号との併用を
妨げるものではない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試験片
表面からのレーザ光の散乱光に含まれるスペックルパタ
ーンを利用して、試験片の伸びを測定する非接触方式の
伸び計において、試験片からの散乱光を利用して、測定
部位における試験片の有無もしくは破断を自動的に検出
し、その検出結果に基づいて照射レーザ光の出力レベル
を所定レベル以下にまで低下させることができ、材料試
験機等の他の機器からの試験片の破断検出信号等を必要
とすることなく、また、遮断用の衝立等を設けることな
く、試験片の破断時および不存在時にの照射レーザ光が
人体に危険を及ぼすことを確実に防止することができ
る。同時に、不要時にレーザ出力を低下させることは、
消費電力の低減並びにレーザ寿命の向上にも寄与するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を材料試験機に装着した状
態で示す構成図であり、光学系の模式図と電気的構成を
示すブロック図とを併記して示す図

【符号の説明】

１ レーザ光照射光学系 １０ レーザ電源回路 １１ 半導体レーザ １２ コリメータレンズ １３ ビームエキスパンダ ２ 測定光学系 ２１ イメージセンサ ２２ 集光レンズ ３ 計測・制御回路 ３１ａ，３１ｂ 変位演算部 ３２ 伸び算出部 ３３ 試験片破断・有無検出部 ５ Ａ−Ｄ変換器 ６ メモリ ７ 設定器 ８ 破断速度設定器 Ｃａ，Ｃｂ 掴み具 Ｗ 試験片

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定部位にセットされた試験片にレーザ
   光を照射するレーザ照射光学系と、そのレーザ光の試験
   片表面での散乱光を計測する測定光学系と、その測定光
   学系の出力を用いて、試験片表面での散乱光に含まれる
   スペックルパターンの移動量から試験片の伸びを算出す
   る演算部を備えた伸び計において、上記測定光学系から
   の出力を用いて測定部位における試験片の有無もしくは
   破断を検出する検出手段と、試験片の不存在もくしは破
   断の検出時に上記レーザ照射光学系からのレーザ光を所
   定のレベル以下に低下させるレーザ出力制御手段を備え
   ていることを特徴とするレーザ非接触伸び計。