(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持し、前記測定対象と共に変位する位置に配置された複数の標点マーカと共に、前記測定対象を撮像する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラで撮像することにより得られた温度分布画像から前記複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、検出した前記領域間の距離に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の変位量を測定する変位量測定手段と、
前記温度分布画像に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の温度を測定する温度測定手段と、
を含むひずみ測定装置。
【請求項２】
前記標点マーカを、前記測定対象の温度変化の範囲における最低温度よりも低温を維持するように、冷却ジェルを含有させたオープンセル構造の多孔質材料で構成した請求項１記載のひずみ測定装置。
【請求項３】
前記標点マーカと前記測定対象との間に断熱材を設けた請求項１または請求項２記載のひずみ測定装置。
【請求項４】
外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持し、前記測定対象と共に変位する位置に配置された複数の標点マーカと共に、赤外線カメラにより前記測定対象を撮像し、
前記赤外線カメラで撮像することにより得られた温度分布画像から前記複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、
検出した前記領域間の距離に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の変位量を測定する共に、前記温度分布画像に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の温度を測定する
ひずみ測定方法。
【請求項５】
コンピュータを、
外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持し、前記測定対象と共に変位する位置に配置された複数の標点マーカと共に、赤外線カメラにより前記測定対象を撮像することにより得られた温度分布画像を取得する取得手段、
前記取得手段により取得された温度分布画像から前記複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、検出した前記領域間の距離に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の変位量を測定する変位量測定手段、及び
前記温度分布画像に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の温度を測定する温度測定手段
として機能させるためのひずみ測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみ測定装置、方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２つの高解像度ＣＣＤカメラを用いたステレオビジョンセンサを使用して、試験片の形状、変位、及び温度を同時に測定する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の手法では、試験片の変位量及び温度の両方を測定するために、ＣＣＤカメラは可視光である近赤外線（ＮＩＲ）スペクトルバンド（０．７〜１．１μｍ）で作動する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】An Innovative Method for 3-D Shape, Strain and Temperature Full-Field Measurement Using a Single Type of Camera: Principle and Preliminary Results, ORTEU J.-J. et. al., Experimental mechanics (2008) vol.48, no2, pp.163-179
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記非特許文献１の技術では、ＣＣＤカメラが可視光領域で作動するため、近赤外領域に対応した温度測定しか行うことができない、という問題がある。
【０００５】
一方で、遠赤外領域に対応した温度測定も可能にするため、遠赤外線カメラを用いた場合には、可視光画像を用いた場合には検出可能であった変位量測定の目印となる標点マーカを検出することができなくなり、変位量を測定することができない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、測定対象の変位量の測定、及び遠赤外領域に対応した温度も含めた温度の測定の両方を、１台のカメラを用いて行うことができるひずみ測定装置、方法、及びプログラム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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のひずみ測定装置は、外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持し、前記測定対象と共に変位する位置に配置された複数の標点マーカと共に、前記測定対象を撮像する赤外線カメラと、前記赤外線カメラで撮像することにより得られた温度分布画像から前記複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、検出した前記領域間の距離に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の変位量を測定する変位量測定手段と、前記温度分布画像に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の温度を測定する温度測定手段と、を含んで構成されている。
【０００８】
本発明のひずみ測定装置によれば、外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持する複数の標点マーカが、測定対象と共に変位する位置に配置される。赤外線カメラにより、複数の標点マーカと共に測定対象を撮像する。そして、変位量測定手段が、赤外線カメラで撮像することにより得られた温度分布画像から複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、検出した領域間の距離に基づいて、測定対象に外力が作用した際の測定対象の変位量を測定すると共に、温度測定手段が、温度分布画像に基づいて、測定対象に外力が作用した際の測定対象の温度を測定する。
【０００９】
このように、外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持する複数の標点マーカと共に測定対象を赤外線カメラで撮像して温度分布画像を取得することにより、測定対象の変位量の測定、及び遠赤外領域に対応した温度も含めた温度の測定の両方を、１台のカメラを用いて行うことができる。
【００１０】
また、前記標点マーカを、前記測定対象の温度変化の範囲における最低温度よりも低温を維持するように、冷却ジェルを含有させたオープンセル構造の多孔質材料で構成することができる。これにより、測定中において、冷却ジェル中の水分が蒸発し難くなり、標点マーカを低温に保つことができる。
【００１１】
また、前記標点マーカと前記測定対象との間に断熱材を設けることができる。これにより、標点マーカの温度と測定対象の温度とが影響し合うことを抑制することができる。
【００１２】
また、本発明のひずみ測定方法は、外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持し、前記測定対象と共に変位する位置に配置された複数の標点マーカと共に、赤外線カメラにより前記測定対象を撮像し、前記赤外線カメラで撮像することにより得られた温度分布画像から前記複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、検出した前記領域間の距離に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の変位量を測定する共に、前記温度分布画像に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の温度を測定する方法である。
【００１３】
また、本発明のひずみ測定プログラムは、コンピュータを、外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持し、前記測定対象と共に変位する位置に配置された複数の標点マーカと共に、赤外線カメラにより前記測定対象を撮像することにより得られた温度分布画像を取得する取得手段、前記取得手段により取得された温度分布画像から前記複数の標点マーカを示す領域の各々を検出し、検出した前記領域間の距離に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の変位量を測定する変位量測定手段、及び前記温度分布画像に基づいて、前記測定対象に外力が作用した際の該測定対象の温度を測定する温度測定手段として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明のひずみ測定装置、方法、及びプログラムによれば、外力が作用した状態における測定対象の温度変化の範囲外となる温度を維持する複数の標点マーカと共に測定対象を赤外線カメラで撮像して温度分布画像を取得することにより、測定対象の変位量の測定、及び遠赤外領域に対応した温度も含めた温度の測定の両方を、１台のカメラを用いて行うことができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態に係るひずみ測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】標点マーカが貼付された試験片の概略を示す平面図である。
【図３】標点マーカの概略を示す断面図である。
【図４】温度分布画像の一例を示す図である。
【図５】本実施の形態に係るひずみ測定装置におけるひずみ測定処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図６】測定結果の一例を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、伸張試験時における試験片の変位量及び温度を測定するためのひずみ測定装置に本発明を適用した場合を例に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態に係るひずみ測定装置１０は、試験片３０を撮像する赤外線カメラ１２と、試験片３０の変位量及び温度を測定する処理を実行するコンピュータ１４と、表示装置や印刷装置等で構成され、測定結果が出力される出力装置１６とを備えている。
【００１８】
赤外線カメラ１２は、遠赤外領域にも感度を有し、物体が放射する赤外線を検出し、検出した赤外線のエネルギーを各画素値とする赤外線画像を出力する。赤外線カメラ１２は、表面に標点マーカ３２が貼付され、伸張試験機５０にセットされた試験片３０を撮像可能に配置されている。赤外線カメラ１２から出力された赤外線画像はコンピュータ１４に入力される。
【００１９】
ここで、赤外線カメラ１２により撮像される試験片３０に貼付される標点マーカ３２について説明する。
【００２０】
図２に、標点マーカ３２が貼付された試験片３０の平面図を示す。試験対象の材料を所定サイズにカットした試験片３０の表面に複数（ここでは、４個）の標点マーカ３２が貼付されている。標点マーカ３２は、各標点マーカ３２に設定された基準位置間の距離が所定距離となるように配置される。基準位置は、例えば、図２に示すように標点マーカ３２の表面視形状が円形の場合には、その円の中心とすることができる。なお、標点マーカ３２の表面視形状は円形に限定されず、四角形や楕円等でもよい。標点マーカ３２の表面視形状が四角形の場合には、上記の基準位置は各対角線の交点とすることができる。また、標点マーカ３２を試験片３０表面に貼付する位置及び個数は、上記の例に限定されず、試験片の変位方向や変位量に応じて適切な位置及び個数を定める。
【００２１】
図３に、標点マーカ３２の層構成を示す概略断面図を示す。標点マーカ３２は、最上層から順に、冷却ジェル含有層３２ａ、接着層３２ｂ、断熱層３２ｃ、及び接着層３２ｄを有する。
【００２２】
冷却ジェル含有層３２ａは、オープンセル構造の多孔質材料に冷却ジェルを含有させた層であり、多孔質材料としては、ポリウレタンやポリエチレン等の発砲材料を用いることができる。冷却ジェル含有層３２ａは、標点マーカ３２の少なくとも最上面の温度が、試験片３０の温度変化の範囲における最低温度よりも低温になるようにする。冷却ジェル含有層３２ａにオープンセル構造の多孔質材料を使用することにより、測定中においても、冷却ジェル含有層３２ａに含有された冷却ジェル中の水分が蒸発し難くなり、冷却ジェル含有層３２ａの温度を一定の低温に保つことができる。
【００２３】
断熱層３２ｃは、冷却ジェル含有層３２ａと試験片３０との断熱を図る層で、ポリウレタンやポリエチレン等の発砲材料を用いることができる。なお、冷却ジェル含有層３２ａと断熱層３２ｃとは、それぞれの役割を担うことができれば、同一の材料で構成してよい。断熱層３２ｃにより、試験片３０を伸張した際に生じる試験片３０の自己発熱による試験片３０の温度上昇が冷却ジェル含有層３２ａへ与える影響を抑制することができる。また、低温の冷却ジェル含有層３２ａが試験片３０の温度変化に与える影響も抑制することができる。
【００２４】
接着層３２ｂは、冷却ジェル含有層３２ａと断熱層３２ｃとを接着させるための層であり、接着層３２ｄは、断熱層３２ｃと試験片３０とを接着させるための層である。接着層３２ｂ、３２ｄとしては、ポリエステルフィルム等を用いることができる。
【００２５】
コンピュータ１４は、ＣＰＵ、後述するひずみ測定処理ルーチンを実行するためのプログラム等各種プログラム及び各種データを記憶したＲＯＭ、データ等を一時的に記憶するＲＡＭ、各種情報が記憶されたメモリ、及びこれらを接続するバスを含んで構成されている。
【００２６】
このコンピュータ１４をハードウエアとソフトウエアとに基づいて定まる機能実現手段毎に分割した機能ブロックで説明すると、図１に示すように、温度分布画像変換部２０と、マーカ検出部２２と、変位量測定部２４と、温度測定部２６とを含んだ構成で表すことができる。なお、マーカ検出部２２及び変位量測定部２４は本発明の変位測定手段の一例であり、温度測定部２６は本発明の温度測定手段の一例である。
【００２７】
温度分布画像変換部２０は、赤外線カメラ１２で試験片３０表面を撮像することにより得られた赤外線画像を取得し、赤外線画像の各画素が保持する赤外線エネルギー値を温度表現した温度分布画像に変換する。ここでは、一般的なサーモグラフィと同様に、温度が低いほど画素の色が黒く、温度が高いほど画素の色が赤くなるような温度分布画像に変換する。
【００２８】
マーカ検出部２２は、温度分布画像変換部２０により変換された温度分布画像から、標点マーカ３２を示す領域（以下、「マーカ領域」という）を検出する。標点マーカ３２は試験片３０表面より低温となるように構成されているため、マーカ領域は、図４に示すように、温度分布画像上において黒色の画素として表れる。従って、黒色の画素を抽出することにより、マーカ領域を検出することができる。ここでは、４つの標点マーカ３２に対応して、４つのマーカ領域が検出される。
【００２９】
変位量測定部２４は、マーカ検出部２２により検出されたマーカ領域から、各マーカ領域の基準位置座標を演算する。ここでは、マーカ領域は円形領域として検出されるため、その円形の中心位置の画素座標を基準位置座標として演算する。そして、変位量測定部２４は、各マーカ領域の基準位置座標に基づいて、試験片３０における標点マーカ３２間の変位量を測定する。
【００３０】
温度測定部２６は、温度分布画像変換部２０により変換された温度分布画像から、試験片３０の表面温度を測定する。温度は、温度分布画像上の試験片３０を示す領域内の予め定めた測定部位（例えば、領域内の中心等）の画素が示す温度としてもよいし、試験片３０を示す領域内の画素が示す温度の平均としてもよい。
【００３１】
次に、本実施の形態のひずみ測定装置１０の作用について説明する。標点マーカ３２を表面に貼付した試験片３０を伸張試験機５０にセットし、試験片３０へ伸張方向への外力を作用させると共に、赤外線カメラ１２による撮像を開始する。赤外線カメラ１２から赤外線画像が出力されると、コンピュータ１４により、図５に示すひずみ測定処理ルーチンが実行される。
【００３２】
ステップ１００で、温度分布画像変換部２０は、赤外線カメラ１２で試験片３０表面を撮像することにより得られた赤外線画像を取得し、赤外線画像の各画素が保持する赤外線エネルギー値を温度表現した温度分布画像に変換する。
【００３３】
次に、ステップ１０２で、マーカ検出部２２は、上記ステップ１００で変換された温度分布画像から、マーカ領域を検出する。次に、ステップ１０４で、変位量測定部２４は、上記ステップ１０２で検出されたマーカ領域から、各マーカ領域の基準位置座標を演算し、各マーカ領域の基準位置座標に基づいて、試験片３０における標点マーカ３２間の変位量を測定する。
【００３４】
次に、ステップ１０６で、温度測定部２６は、上記ステップ１００で変換された温度分布画像から、試験片３０の温度を測定する。なお、ステップ１０２及び１０４と、ステップ１０６とは処理順序を逆にしてもよいし、並行して処理してもよい。
【００３５】
次に、ステップ１０８で、所定の測定時間が経過したか否かを判定することにより、測定を終了するか否かを判定する。測定を継続する場合は、ステップ１００へ戻り、次の時刻で撮像された赤外線画像を取得して処理を繰り返す。測定を終了する場合には、ステップ１１０へ移行して、上記ステップ１０４及びステップ１０６での測定結果を出力装置１６に出力して、ひずみ測定処理ルーチンを終了する。
【００３６】
図６に、測定結果の出力の一例を示す。なお、測定結果は、上記のように全ての測定が終了した後に出力する場合に限定されず。各時刻において測定された変位量及び温度をリアルタイムに表示するようにしてもよい。また、図６に示すように、測定結果としては、時間−変位量曲線、及び時間−温度曲線だけでなく、変位量と温度との関係を出力してもよい。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態に係るひずみ測定装置によれば、外力が作用した状態での試験片の温度変化の範囲における最低温度よりも低温の複数の標点マーカを試験片に貼付し、複数の標点マーカと共に試験片を赤外線カメラで撮像して温度分布画像を取得することにより、試験片の変位量、及び遠赤外領域に対応した温度も含めた試験片の温度測定の両方を、１台のカメラを用いて行うことができる。
【００３８】
なお、上記実施の形態では、測定対象を試験片とする場合について説明したが、加工中の製品等を対象とすることもできる。
【００３９】
また、上記実施の形態では、標点マーカを試験片に貼付する場合について説明したが、試験片と共に変位する試験片以外の位置に標点マーカを配置してもよい。例えば、試験片を固定するチャック部に標点マーカを貼付し、標点マーカが貼付されたチャック部と共に試験片を赤外線カメラで撮像するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態では、試験片に伸張方向の外力を作用させる場合について説明したが、圧縮等の他の外力を作用させる場合についても同様に本発明を適用することができる。
【００４１】
また、上記実施の形態では、標点マーカを試験片より低温とする場合について説明したが、試験片の温度変化の範囲における最高温度よりも高温を維持するような標点マーカとしてもよい。
【００４２】
なお、本発明のプログラムは、記録媒体に格納して提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０   ひずみ測定装置
１２   赤外線カメラ
１４   コンピュータ
１６   出力装置
２０   温度分布画像変換部
２２   マーカ検出部
２４   変位量測定部
２６   温度測定部
３０   試験片
３２   標点マーカ
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図４】
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