(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片をカメラにより撮影し、試験片の両端縁を含む画像を画像処理することにより、前記試験片の幅を演算する材料試験機において、
前記カメラにより撮影した画像データから前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成手段と、
前記関数作成手段により作成した関数ｆｋ  の一次差分をとることにより、前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｇｋ  を作成する一次差分手段と、
前記関数作成手段により作成した関数ｇｋ  を１より大きな数で累乗して、前記試験片の各端縁に対応した関数ｈｋ  およびｉｋ  を得る累乗手段と、
前記関数ｈｋ  の全域において、前記関数ｈｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｈｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の一方の端縁の位置を演算するとともに、前記関数ｉｋ  の全域において、前記関数ｉｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｉｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の他方の端縁の位置を演算する位置演算手段と、
前記位置演算手段により演算した試験片の両端縁の位置から、試験片の幅を演算する幅演算手段と、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
試験片をカメラにより撮影し、この画像を画像処理することにより、前記試験片の幅を演算する材料試験機の試験片の幅測定方法において、
前記カメラにより撮影した画像データから前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成工程と、
前記関数作成工程により作成した関数ｆｋ  の一次差分をとることにより、前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｇｋ  を作成する一次差分工程と、
前記関数作成工程により作成した関数ｇｋ  を１より大きな数で累乗して、前記試験片の各端縁に対応した関数ｈｋ  およびｉｋ  を得る累乗工程と、
前記関数ｈｋ  の全域において、前記関数ｈｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｈｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の一方の端縁の位置を演算するとともに、前記関数ｉｋ  の全域において、前記関数ｉｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｉｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の他方の端縁の位置を演算する位置演算工程と、
前記位置演算工程により演算した試験片の両端縁の位置から、試験片の幅を演算する幅演算工程と、
を備えたことを特徴とする材料試験機の試験片の幅測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験片の伸びを測定するための材料試験機および材料試験機の試験片の幅測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験片に引張荷重を付与して、その伸びを計測する材料試験機は、例えば、テーブル上にモータの回転により同期して回転自在に立設された一対のねじ棹と、それらのねじ棹にナットを介して上下動可能に支持されたクロスヘッドと、テーブルとクロスヘッドのそれぞれに連結されたつかみ具等の治具とから構成される。そして、試験片の両端をつかみ具に把持させた状態でクロスヘッドを移動させることにより、引張荷重を試験片に与える試験が実行される。
【０００３】
このような材料試験機においては、試験片の伸びを測定するために、試験片の表面に標線が形成されたシールが、所定の間隔で２枚貼着される。そして、この試験片の画像がカメラにより撮影される。ここで使用される標線としては、白地に黒の標線を使用したり、黒地に白の標線を使用する等のように、標線を二値画像として表現したものが使用される(特許文献１参照)。この試験片の画像における一対の標線の位置情報に基づいて標線間の距離が測定され、この距離の変化量により、試験片に対する引張力の付与方向における試験片の変位量である伸びが測定される。
【０００４】
また、試験片の両端縁の位置情報に基づいて両端縁間の距離が試験片の幅として測定され、この距離の変化量により、試験片に対する引張力の付与方向と直交する方向における試験片の変位量である幅の変位量が測定される。
【０００５】
また、無彩色または有彩色の連続的な階調分布が所定の対称軸を挟んでいる画像からなる標線を測定し、互いに直交する関数を利用して標線の位置を演算する標線測定装置も提案されている(特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０９４７１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の材料試験機において試験片の幅を測定するときには、図１３に示すように、試験片をカメラにより撮影し、撮影された画像データから試験片の端縁のプロファイルを作成する。そして、図１３に示すように、このプロファイルにおける背景部分、試験片部分および変化部分の各辺に接する直線を引き、それらの交点Ａ、Ｂを求めるとともに、その中心Ｃを求め、このＣの座標を試験片の端縁の位置として特定していた。
【０００８】
しかしながら、このような手法をとった場合には、直線を求めるための元データとなるプロファイル部分の特定が難しいという問題がある。すなわち、このプロファイルの領域を小さくすると直線のバラツキが大きくなり、プロファイルの領域を大きくすると直線の特定が困難となる。
【０００９】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、試験片の端縁のプロファイルの全域を利用して端縁の位置を正確に測定することが可能な材料試験機および材料試験機の試験片の幅測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、試験片をカメラにより撮影し、試験片の両端縁を含む画像を画像処理することにより、前記試験片の幅を演算する材料試験機において、前記カメラにより撮影した画像データから前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成手段と、前記関数作成手段により作成した関数ｆｋ  の一次差分をとることにより、前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｇｋ  を作成する一次差分手段と、前記関数作成手段により作成した関数ｇｋ  を１より大きな数で累乗して、前記試験片の各端縁に対応した関数ｈｋ  およびｉｋ  を得る累乗手段と、前記関数ｈｋ  の全域において、前記関数ｈｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｈｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の一方の端縁の位置を演算するとともに、前記関数ｉｋ  の全域において、前記関数ｉｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｉｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の他方の端縁の位置を演算する位置演算手段と、前記位置演算手段により演算した試験片の両端縁の位置から、試験片の幅を演算する幅演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、試験片をカメラにより撮影し、この画像を画像処理することにより、前記試験片の幅を演算する材料試験機の試験片の幅測定方法において、前記カメラにより撮影した画像データから前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成工程と、前記関数作成工程により作成した関数ｆｋ  の一次差分をとることにより、前記試験片の両端縁のプロファイルを表す関数ｇｋ  を作成する一次差分工程と、前記関数作成工程により作成した関数ｇｋ  を１より大きな数で累乗して、前記試験片の各端縁に対応した関数ｈｋ  およびｉｋ  を得る累乗工程と、前記関数ｈｋ  の全域において、前記関数ｈｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｈｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の一方の端縁の位置を演算するとともに、前記関数ｉｋ  の全域において、前記関数ｉｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｉｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記試験片の他方の端縁の位置を演算する位置演算工程と、前記位置演算工程により演算した試験片の両端縁の位置から、試験片の幅を演算する幅演算工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１および請求項２に記載の発明によれば、試験片の端縁のプロファイル全域を利用して試験片の端縁の位置を測定することができ、試験片の幅をより正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る材料試験機の概要図である。
【図２】試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。
【図３】制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。
【図４】この発明に係る試験片の幅測定方法を利用して試験片１０の幅を測定する材料試験の工程を示すフローチャートである。
【図５】試験片１０の撮影状態を示す模式図である。
【図６】関数ｆｋ  と関数ｇｋ  とを示すグラフである。
【図７】関数ｈｋ  と関数ｉｋ  とを示すグラフである。
【図８】関数ｍｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図９】関数ｆｋ  のグラフである。
【図１０】関数ｇｋ  のグラフである。
【図１１】関数ｆｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図１２】関数ｇｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図１３】従来の試験片の端縁の座標測定方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。また、図２は、試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。
【００１５】
この材料試験機は、テーブル１８と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部において回転可能に立設された図示しない一対のねじ棹と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、このクロスヘッド２３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。
【００１６】
クロスヘッド２３は、一対のねじ棹に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹の下端部は負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の動力源からの動力が、一対のねじ棹に伝達される構成となっている。一対のねじ棹が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、これら一対のねじ棹に沿って昇降する。
【００１７】
クロスヘッド２３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１８には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド２３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。
【００１８】
このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル２４によって検出され、制御回路３１を介して制御部３３に入力される。また、試験片１０は、ＣＣＤ素子を有するビデオカメラ２８により撮影され、その画像は制御部３３に入力される。
【００１９】
ビデオカメラ２８には、光学系を構成するレンズ２７が付設されている。これらのビデオカメラ２８およびレンズ２７は、支柱１９に配設されたアーム２９に支持されている。また、これらのビデオカメラ２８およびレンズ２７は、試験片１０の必要な領域が撮影可能となるように、支柱１９におけるアーム２９の固定角度および屈曲度を調整できる構成となっている。そして、図２に示すように、ビデオカメラ２８は、装置本体に対して斜め４５度程度傾いた状態で、上つかみ具２１および下つかみ具２２によりその両端が把持された試験片１０の表面に対して、レンズ２７の正面が正対する位置に配設される。
【００２０】
制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置およびＣＰＵ等を備えるコンピュータ等によって構成される。制御部３３には、液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３５、マウスおよびキーボード等を有する入力部３４およびビデオカメラ２８、制御回路３１が接続される。制御回路３１は、ロードセル２４からの試験力データ、クロスヘッド２３の位置情報を制御部３３に送信する。そして、制御部３３は、ビデオカメラ２８の撮影画像データを取り込んでデータ処理を実行し、試験片１０における標線間の距離の変位量や幅の変位量を演算するとともに、その結果を試験力やクロスヘッド２３の位置情報等とともに表示部３５に表示する。
【００２１】
図３は、制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。この制御部３３は、後述する各工程を実行するための関数作成部６１、一次差分部６２、累乗部６３、位置演算部６４および幅演算部６５を備える。
【００２２】
次に、上述した材料試験機において、この発明に係る試験片の幅測定方法を使用して試験片１０の幅を測定する工程について説明する。図４は、この発明に係る試験片１０の幅測定方法を利用して試験片１０の幅を測定する材料試験の工程を示すフローチャートである。また、図５は、試験片１０の撮影状態を示す模式図である。
【００２３】
試験片１０の幅を測定するには、最初に、試験片１０をカメラで撮影することにより(ステップＳ１）、図５に示すように、試験片の両端縁を含む計算領域１２の画像データを取り込み、この画像データから試験片１０の画像のプロファイルＰＲを得る。
【００２４】
次に、撮影工程で得た計算領域の画像データから、図３に示す関数作成部６１により、試験片１０のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する(ステップＳ２)。この実施形態においては、データ数をｎ個として関数ｆｋ  （ｋ＝０，１，２，・・・ｎ−１）を求める。
【００２５】
次に、図３に示す一次差分部６２により、下記の数式１を利用して、関数作成手段により作成した関数ｆｋ  の一次差分をとることにより、試験片１０の両端縁のプロファイルを表す関数ｇｋ  を作成する。
【００２６】
【数１】
0005549531.tif 000002
【００２７】
図６は、上述した関数ｆｋ  と関数ｇｋ  とを示すグラフである。図６(ａ)は関数ｆｋ  を示し、図６(ｂ)は関数ｇｋ  を示している。関数ｇｋ  においては、試験片１０の両端を示す一対の山部が形成されている。
【００２８】
そして、計算領域１２の画像データにおける試験片１０の端縁の背景部分のノイズを抑えるために、図３に示す累乗部６３により、関数作成工程において作成した関数ｇｋ  を１より大きな数で累乗して、試験片１０の両端縁に各々対応する関数ｈｋ  および関数ｉｋ  を得る(ステップＳ４)。この実施形態においては、下記の数式２および数式３により関数ｈｋ  および関数ｉｋ  を求めている。
【００２９】
【数２】
0005549531.tif 000003
【００３０】
【数３】
0005549531.tif 000004
【００３１】
図７は、上述した関数ｈｋ  と関数ｉｋ  とを示すグラフである。図７(ａ)は関数ｈｋ  を示し、図７(ｂ)は関数ｉｋ  を示している。これらの図からも明らかなように、関数ｈｋ  および関数ｉｋ  は、関数ｇｋ  の両エッジ部分に比べ、試験片１０の端縁部分のプロファイルのピーク値が強調されている。
【００３２】
次に、図３に示す位置演算部６４により、直交する２つの関数と関数ｇｋ  との相関をそれぞれ算出し、得られた２つの算出結果の比に基づいて試験片の端縁の位置を演算する(ステップＳ５)。
【００３３】
より具体的には、最初に、関数ｈｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として数式４により計算するとともに、関数ｈｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として数式５により計算する。これは、関数ｈｋ  とｅｊ・（２πｋ／ｎ）との相関をとることと等価である。
【００３４】
【数４】
0005549531.tif 000005
【００３５】
【数５】
0005549531.tif 000006
【００３６】
同様に、関数ｉｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として数式６により計算するとともに、関数ｉｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として数式７により計算する。これは、関数ｉｋ  とｅｊ・（２πｋ／ｎ）との相関をとることと等価である。
【００３７】
【数６】
0005549531.tif 000007
【００３８】
【数７】
0005549531.tif 000008
【００３９】
そして、下記の数式８により、関数ｈｋ  についてＸ相関ｘｈ  とＹ相関ｙｈ  との比をとってＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより、一方の端縁の位置Ｐｈ  を求める。なお、数式８におけるＷは、計算領域１２の幅を示している。
【００４０】
【数８】
0005549531.tif 000009
【００４１】
また、下記の数式９により、関数ｉｋ  についてＸ相関ｘｉ  とＹ相関ｙｉ  との比をとってＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより、一方の端縁の位置Ｐｉ  を求める。なお、数式９におけるＷも、計算領域１２の幅を示している。
【００４２】
【数９】
0005549531.tif 000010
【００４３】
しかる後、幅演算部６５において下記の式１０により、試験片１０の幅ＷΤ  を測定する(ステップＳ５)。また、試験片１０の幅ＷΤ  の変位量も演算する。
【００４４】
【数１０】
0005549531.tif 000011
【００４５】
次に、上述した計算方法により試験片１０の端縁の位置を演算できる理由について説明する。
【００４６】
まず、単位波形に対する位置計算を検討する。関数ｍｋ  （ｋ＝０，１，２・・・ｎ−1）を下記の数式１１とする。
【００４７】
【数１１】
0005549531.tif 000012
【００４８】
ｍｋ  とｅｊ・（２πｋ／ｎ）との相関をとる。すなわち、関数ｍｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として数式１２により計算するとともに、関数ｍｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として数式１３により計算する。
【００４９】
【数１２】
0005549531.tif 000013
【００５０】
【数１３】
0005549531.tif 000014
【００５１】
数式１２および数式１３に対して数式１１を代入して計算すると下記の数式１４および数式１５となる。
【００５２】
【数１４】
0005549531.tif 000015
【００５３】
【数１５】
0005549531.tif 000016
【００５４】
そして、下記の数式１６により試験片の端縁の重心位置Ｐｍ  を求めることができる。
【００５５】
【数１６】
0005549531.tif 000017
【００５６】
この数式１６より、試験片１０の端縁の重心位置Ｐｍ  は、数式１１に示すａの位置にあることがわかる。
【００５７】
図８は、関数ｍｋ  を数式１４および数式１５によりＸＹ平面に投影したグラフである。この図８においては、ｎ＝３０、ａ＝１０とした例を示している。
【００５８】
この図において数式１６は、数式１４および数式１５における角度位置に相当している。すなわち、（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）を０ラジアンとして左回りに２πａ／ｎラジアンだけ回転したところが数式１４および数式１５に示すｋ＝ａとなる。実際に計算に使用する関数ｇｋ  は、単位波形の線形結合であり、図８の各方向への単位ベクトルの線形結合である。従って、関数ｇｋ  をＸＹ平面に投影したときの全ベクトルの総和の角度位置が試験片１０の端縁部分の重心の位置に等しいことになる。
【００５９】
図９は累乗計算を行う前の関数ｈｋ  (すなわち関数ｇｋ  の一方のピーク部分、以下
これを関数ｎｋ  とする)のグラフであり、図１０は関数ｈｋ  のグラフである。
【００６０】
上述した関数ｎｋ  （ｋ＝０，１，２，・・・２８，２９）を図９に示すとおりとすると、この関数ｎｋ  と上述した数式２より求められる関数ｈｋ  は図１０の通りとなる。これらのグラフからも明らかなように、関数ｎｋ  よりも累乗後の関数ｈｋ  の方が試験片１０の端縁が強調され、背景部分の影響が小さくなっている。
【００６１】
図１１および図１２は、これらの関数ｎｋ  および関数ｈｋ  を数式１４および数式１５によりＸＹ平面に投影したグラフである。これらのグラフからも、関数ｎｋ  よりも関数ｈｋ  の方が試験片１０の端縁が強調され、背景部分の影響が小さくなっていることが明らかとなる。
【符号の説明】
【００６２】
１０    試験片
１２    計算領域
１８    テーブル
１９    支柱
２１    上つかみ具
２２    下つかみ具
２３    クロスヘッド
２４    ロードセル
２７    レンズ
２８    ビデオカメラ
２９    アーム
３０    負荷手段
３１    制御回路
３３    制御部
３４    入力部
３５    表示部
６１    関数作成部
６２    一次差分部
６３    累乗部
６４    位置演算部
６５    幅演算部
【図１】
0005549531.tif 000018
【図２】
0005549531.tif 000019
【図３】
0005549531.tif 000020
【図４】
0005549531.tif 000021
【図５】
0005549531.tif 000022
【図６】
0005549531.tif 000023
【図７】
0005549531.tif 000024
【図８】
0005549531.tif 000025
【図９】
0005549531.tif 000026
【図１０】
0005549531.tif 000027
【図１１】
0005549531.tif 000028
【図１２】
0005549531.tif 000029
【図１３】
0005549531.tif 000030