(57)【要約】【課題】赤外線サーモグラフィによる応力計測精度を向上する。【解決手段】試料２の表面温度を検出するサーモグラフィ３と、サーモグラフィ３からの信号に基づいて試料２にかかる応力を演算する演算部４と、を備える応力計測装置１である。演算部４は、予め定められた校正基準点において、ロードセル６からの荷重信号と試料２の形状（断面積）とに基づいて補正係数Ｅ’（すなわち、熱弾性係数ｋ）を校正する。そして、校正された補正係数Ｅ’を用いて、サーモグラフィ３により計測された試料２の温度変化ΔＴから試料２の応力変化量Δσを演算する。【選択図】図１
2017036978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、
前記演算部は、
予め定められた校正基準点において、前記試料に異なる荷重が加えられたとき、前記試料に加えられた荷重と、当該荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の断面積と、に基づいて前記試料にかかる応力を算出して、前記異なる荷重が加えられたときに前記試料にかかる応力変化を算出し、
算出された応力変化と、当該応力変化時に前記赤外線カメラによって計測される前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、
校正された熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料にかかる応力を算出する
ことを特徴とする応力計測装置。
【請求項２】
試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、
前記演算部は、
前記赤外線カメラにより計測された画像に基づいて、予め定められた校正基準点における、前記試料に加えられた荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の幅の変化量を算出し、
算出された前記試料の幅の変化量をポアソン比に基づいて、前記荷重の付加方向の前記試料の長さの変化量に換算し、
前記試料の長さの変化量に基づいて、前記試料にかかる応力変化を算出し、
算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、
校正された熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する
ことを特徴とする応力計測装置。
【請求項３】
試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、
前記演算部は、
前記試料に荷重が加えられたときに、前記赤外線カメラにより計測された画像に基づいて、前記試料に予め設けられた一対のマーカ間の変化量を算出し、
前記マーカ間の変化量に基づいて、前記試料にかかる応力変化を算出し、
算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、
校正された熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する
ことを特徴とする応力計測装置。
【請求項４】
試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、
前記演算部は、前記試料の熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された応力を、前記試料の形状変化に基づいて補正する補正手段と、
前記算出手段により算出された応力と前記補正手段により補正された応力のうち選択された応力、または、前記算出手段により算出された応力と前記補正手段により補正された応力の両方の応力を表示させる表示手段と、を有する
ことを特徴とする応力計測装置。
【請求項５】
前記赤外線カメラを複数台設ける
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の応力計測装置。
【請求項６】
試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、
前記試料に予め校正を行うための校正基準点を定め、
前記校正基準点において前記試料に異なる荷重が加えられたとき、前記試料に加えられた荷重と、当該荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の断面積と、に基づいて前記試料にかかる応力を算出して、前記異なる荷重が加えられたときの前記試料にかかる応力変化を算出し、
前記異なる荷重が加えられたときの前記試料の温度変化を計測し、計測された温度変化と前記応力変化とに基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、
校正された熱弾性係数と前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する
ことを特徴とする応力計測方法。
【請求項７】
試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、
前記試料に予め校正を行うための校正基準点を定め、
前記校正基準点において、前記試料に加えられた荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の幅の変化量を求め、当該試料の幅方向の変化をポアソン比に基づいて前記荷重の付加方向の前記試料の長さの変化量に換算し、
当該試料の長さの変化量に基づいて、前記試料にかかる応力変化を算出し、
算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、
校正された熱弾性係数と前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する
ことを特徴とする応力計測方法。
【請求項８】
試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、
前記試料に、一対のマーカを設け、
前記試料に荷重が加えられたときの前記マーカ間の変化量を計測し、
前記マーカ間の変化量に基づいて、前記試料における応力変化を算出し、
算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、
校正された熱弾性係数と前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する
ことを特徴とする応力計測方法。
【請求項９】
試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、
前記試料において計測された応力と、前記試料において計測された応力を前記試料の形状変化に基づいて補正した応力と、を表示する
ことを特徴とする応力計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面の温度変化に基づいて試料にかかる応力を計測する応力計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体が弾性変形し、体積変化することによって温度が変化する現象は熱弾性効果と呼ばれている。可逆的熱弾性効果の理論はＫｅｌｖｉｎによって定式化されており、熱弾性効果に基づく温度変化ΔＴは、等方均質な線形弾性体に対して式（１）で表される（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
【数１】
2017036978.tif 000003
【０００４】
ここで、αは線膨張係数、ρは密度、Ｃpは定圧比熱、Ｔは絶対温度、ΔσSUMは主応力和（３方向の主応力の和）の変化量を示す。式（１）より赤外線サーモグラフィを用いて試料の温度変化ΔＴを測定することにより、主応力和ΔσSUMを求めることができる。
【０００５】
ここで、熱弾性係数ｋを式（２）のように定義すると、主応力和ΔσSUMは、温度変化ΔＴと熱弾性係数ｋとを用いて式（３）のように表される。
【０００６】
ｋ＝α／（ρ・Ｃp）      …（２）
ΔσSUM＝ΔＴ／（ｋ・Ｔ）      …（３）
したがって、図５に示すように予め試料の熱弾性係数ｋを求めておけば、試料表面の温度変化ΔＴを応力変化量Δσに換算することができる（例えば、非特許文献３，４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−９９７３６号公報
【特許文献２】特開２００１−１１６６３２号公報
【特許文献３】特開２００６−２９９６３号公報
【特許文献４】特開平１０−２７４５７０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】田村栄一、外２名、”赤外線サーモグラフィによる応力評価に対する面曲げ変形の影響”、Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５７  Ｎｏ．２、２００７年８月、ｐ．７８−８１
【非特許文献２】西名慶晃、外２名、”高精度赤外線サーモグラフィを活用した各種測定技術（温度・応力・疲労・亀裂）とその応用”、ＪＦＥ技報、Ｎｏ．２７、２０１１年２月、ｐ．９−１４
【非特許文献３】”赤外線サーモグラフィによる熱弾性応力測定”、溶接学会誌、第７２巻、第６号、２００３年、ｐｐ．５１
【非特許文献４】”配管の耐震試験における赤外線応力測定”、東京都立産業技術研究所研究報告、第３号、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、熱弾性効果による温度変化は微小であるため、例えば、照明や電子機器といった周囲の発熱源からの赤外線の放射の影響を大きく受けることとなる。つまり、式（１）や式（３）により算出される応力は、試料温度の計測精度に大きく依存するので、試料温度を計測する時に周囲を暗幕などで覆うか、特別な環境で計測を行う必要があった。
【００１０】
また、式（３）により応力を算出する場合、式（２）で示す熱弾性係数ｋを求める必要がある。熱弾性係数ｋの値は、ばらつきが大きく、また試料表面がコーティングされている場合など、熱放射率が異なる場合は定量化が困難となるおそれがある。
【００１１】
上記事情に鑑み、本発明は、赤外線サーモグラフィによる応力計測の計測精度向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する本発明の応力計測装置の一態様は、試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、前記演算部は、予め定められた校正基準点において、前記試料に異なる荷重が加えられたとき、前記試料に加えられた荷重と、当該荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の断面積と、に基づいて前記試料にかかる応力を算出して、前記異なる荷重が加えられたときに前記試料にかかる応力変化を算出し、算出された応力変化と、当該応力変化時に前記赤外線カメラによって計測される前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、校正された熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料にかかる応力を算出することを特徴としている。
【００１３】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測装置の他の態様は、試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、前記演算部は、前記赤外線カメラにより計測された画像に基づいて、予め定められた校正基準点における、前記試料に加えられた荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の幅の変化量を算出し、算出された前記試料の幅の変化量をポアソン比に基づいて、前記荷重の付加方向の前記試料の長さの変化量に換算し、前記試料の長さの変化量に基づいて、前記試料にかかる応力変化を算出し、算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、校正された熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出することを特徴としている。
【００１４】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測装置の他の態様は、試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、前記演算部は、前記試料に荷重が加えられたときに、前記赤外線カメラにより計測された画像に基づいて、前記試料に予め設けられた一対のマーカ間の変化量を算出し、前記マーカ間の変化量に基づいて、前記試料にかかる応力変化を算出し、算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、校正された熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出することを特徴としている。
【００１５】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測装置の他の態様は、試料表面の温度変化を計測する赤外線カメラと、前記赤外線カメラの計測データに基づいて、前記試料にかかる応力を演算する演算部と、を有する応力計測装置であって、前記演算部は、前記試料の熱弾性係数と、前記赤外線カメラによって計測された前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された応力を、前記試料の形状変化に基づいて補正する補正手段と、前記算出手段により算出された応力と前記補正手段により補正された応力のうち選択された応力、または、前記算出手段により算出された応力と前記補正手段により補正された応力の両方の応力を表示させる表示手段と、を有することを特徴としている。
【００１６】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測方法の一態様は、試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、前記試料に予め校正を行うための校正基準点を定め、前記校正基準点において前記試料に異なる荷重が加えられたとき、前記試料に加えられた荷重と、当該荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の断面積と、に基づいて前記試料にかかる応力を算出して、前記異なる荷重が加えられたときの前記試料にかかる応力変化を算出し、前記異なる荷重が加えられたときの前記試料の温度変化を計測し、計測された温度変化と前記応力変化とに基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、校正された熱弾性係数と前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出することを特徴としている。
【００１７】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測方法の他の態様は、試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、前記試料に予め校正を行うための校正基準点を定め、前記校正基準点において、前記試料に加えられた荷重の付加方向に対して垂直方向の前記試料の幅の変化量を求め、当該試料の幅方向の変化をポアソン比に基づいて前記荷重の付加方向の前記試料の長さの変化量に換算し、当該試料の長さの変化量に基づいて、前記試料にかかる応力変化を算出し、算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、校正された熱弾性係数と前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出することを特徴としている。
【００１８】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測方法の他の態様は、試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、前記試料に、一対のマーカを設け、前記試料に荷重が加えられたときの前記マーカ間の変化量を計測し、前記マーカ間の変化量に基づいて、前記試料における応力変化を算出し、算出された応力変化と、前記荷重が加えられたときの前記試料の温度変化と、に基づいて、前記試料の熱弾性係数を校正し、校正された熱弾性係数と前記試料の温度変化とに基づいて、前記試料にかかる応力を算出することを特徴としている。
【００１９】
また、上記目的を達成する本発明の応力計測方法の他の態様は、試料に荷重が加えられたときの前記試料の温度変化に基づいて、前記試料にかかる応力を計測する応力計測方法であって、前記試料において計測された応力と、前記試料において計測された応力を前記試料の形状変化に基づいて補正した応力と、を表示することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
以上の発明によれば、赤外線サーモグラフィによる応力計測における計測精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る応力計測装置の概略を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る応力計測装置の概略を示す図である。
【図３】試験片の応力とひずみの関係を示す特性図である。
【図４】荷重の付加により変化する試験片の伸びと断面積を説明する説明図である。
【図５】熱弾性係数の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態に係る応力計測装置及び応力計測方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る応力計測装置１は、計測対象となる試料２の表面温度を検出するサーモグラフィ３と、サーモグラフィ３からの信号に基づいて試料２にかかる応力を演算する演算部４と、を備える。
【００２４】
サーモグラフィ３は、試料２の熱分布を画像として表す装置である。サーモグラフィ３は、例えば、赤外線カメラを備え、試料２表面から放出される赤外線を二次元配列された赤外線センサに入力して電気信号に変換し、この信号に基づいて試料２の温度分布画像を出力する。
【００２５】
試料２は、例えば、荷重を加える加振機（図示せず）のシリンダ５間に保持され、時間により変動する荷重（引張荷重及び圧縮荷重）が加えられる。加振機には、ロードセル６が設けられており、ロードセル６からの信号が荷重信号として演算部４に入力される。
【００２６】
演算部４では、予め定められた校正基準点において、ロードセル６からの荷重信号と試料２の形状とに基づいて試料２の補正係数Ｅ’を校正する。そして、校正された補正係数Ｅ’と式（４）に基づいて、サーモグラフィ３により計測された試料２の温度変化ΔＴを、試料の応力変化量Δσに変換する。なお、補正係数Ｅ’（Ｅ’＝（１／ｋＴ））を校正することは、実質的に試料２の熱弾性係数ｋを校正していることと同じである。また、校正基準点としては、試料２上の任意の部位であって、断面積が測定できて応力が均一にかかる部位が選択される。
【００２７】
Δσ＝Ｅ’×ΔＴ      …（４）
演算部４における補正係数Ｅ’の校正方法を具体的に説明する。
【００２８】
演算部４には、予め採寸等により計測された校正基準点における断面積Ａ0が入力される。そして、演算部４において、式（５）を用いてロードセル６から入力された荷重信号Ｆに基づいて公称応力σが算出される。
【００２９】
σ＝Ｆ／Ａ0      …（５）
演算部４には、サーモグラフィ３で計測された校正基準点における試料２の最大温度と最小温度の両方の温度データが入力される。最大温度と最小温度の判定は、例えば、ロードセル６からの荷重信号を用いて行われる。つまり、試料２に最大荷重Ｆが付加されているときの試料２の温度を最大温度、最小荷重Ｆ’が付加されているときの試料２の温度を最小温度と判定することができる。
【００３０】
そして、演算部４では、入力された最大温度と最小温度の温度変化ΔＴを式（４）に代入して、応力変化量Δσ（以後、式（４）で算定された応力と称する）が算出される。また、演算部４では、式（５）に基づいて、最大荷重Ｆが付加されているときの公称応力σと、最小荷重Ｆ’が付加されているときの公称応力σが算出され、最大荷重Ｆを付加したときと最小荷重Ｆ’を付加したときの応力差（以後、式（５）で算出された応力と称する）が求められる。
【００３１】
一般に、単純引張試験において、主応力（式（４）で算出された応力）は、式（５）で算出された応力と一致する。したがって、式（４）で算出された応力と式（５）で算出された応力とが異なる場合には、（５）式で算出された応力と一致するように補正係数Ｅ’が校正される。そして、校正された補正係数Ｅ’と、サーモグラフィ３により計測された試料２の温度変化ΔＴに基づいて試料２（ターゲット部）の応力変化量Δσが算出される。なお、補正係数Ｅ’を校正した後は、必要に応じてターゲット部に焦点をあてて、応力変化量Δσを計測することができる。
【００３２】
以上のような本発明の第１実施形態に係る応力計測装置１によれば、応力と温度変化との比例関係（式（４））と、応力と荷重変化との比例関係（式（５））とを比較することで、熱弾性係数ｋの補正係数Ｅ’を校正することができる。このように補正係数Ｅ’を校正することで、試料２の表面状態や周囲の影響を考慮した応力計測が可能となる。その結果、特別な環境でなくとも試料２の応力計測が可能となり、応力計測コストを削減することができる。
【００３３】
また、熱弾性係数ｋは、式（２）に基づいて算定された値や、図５に示したような他の実験から算出された値であり、試料２の材質、試料２表面の放射率または試料２周辺の熱源の影響により異なる値となることが考えられる。つまり、応力自身は試料２等によって変化しないが、応力がかかった場合に発生する熱は試料２の違いや測定環境の違いにより変わることとなる。したがって、サーモグラフィ３を使って温度変化を測定し、応力を計測しようとする場合、試料２毎に（測定毎に）熱弾性係数ｋ（または、補正係数Ｅ’）を補正する必要がある。
【００３４】
これに対して本発明の第１実施形態に係る応力計測装置１では、式（５）により算出された応力が式（４）で算出された応力と一致するように式（４）の補正係数Ｅ’を校正することで、応力計測装置１における応力の計測精度が向上する。つまり、既知の応力とサーモグラフィ３により求められる応力とを対比することで、高精度な測定が実施できる。
【００３５】
また、試料２の熱弾性係数ｋが不詳でも温度差が計測できれば、応力への定量化が可能であるため、応力の計測対象が広がる。
【００３６】
このように、事前に補正係数Ｅ’を測定し、テーブルを作成しておけば、稼働中の構造物の応力測定が可能となる。例えば、温度変化ΔＴから応力変化Δσを求める場合、試料２の材質が変化した場合、その都度校正を行う必要があるが、材質毎の補正係数Ｅ’をテーブルとしておくことで、テーブルに基づいて異なる材料毎の応力測定を行うことができる。
【００３７】
［第２実施形態］
図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る応力計測装置７について詳細に説明する。第２実施形態に係る応力計測装置７は、演算部４の処理が第１実施形態に係る応力計測装置１と異なる。よって、第２実施形態に係る応力計測装置７の説明では、第１実施形態に係る応力計測装置１と同様の構成については同じ符号を付し、演算部４の処理について詳細に説明する。
【００３８】
図２に示すように、第２実施形態に係る応力計測装置７は、計測対象となる試料２の表面温度を検出するサーモグラフィ３と、サーモグラフィ３からの信号に基づいて試料２にかかる応力を演算する演算部４と、を備える。
【００３９】
演算部４では、予め定められた校正基準点において、試料２に加わる荷重の付加方向に対して垂直方向（すなわち、試料２の幅または厚さ方向）の変位を計測し、幅または厚さ方向の変位から荷重の付加方向のひずみを求める。そして、荷重の付加方向のひずみからフックの法則に基づいて応力を算出し、式（４）の補正係数Ｅ’を校正する。そして、サーモグラフィ３により計測された試料２の温度変化ΔＴと式（４）に基づいて試料２にかかる応力の計測を行う。
【００４０】
具体的に説明すると、サーモグラフィ３では、試料２の形状を計測することができるので、校正基準点における形状変化を定量化する。以後、試料２へ付加される荷重の付加方向を軸方向、軸方向に対して垂直方向を幅方向として説明する。ポアソン比νは、軸方向のひずみε１と幅方向のひずみε２を用いて式（６）で表される。
【００４１】
ν＝｜ε２／ε１｜      …（６）
荷重を付加していないときの試料２の幅をＷ0、荷重付加後の試料２の幅の変化量をΔＷとすると、幅方向のひずみε２は式（７）で示される。
【００４２】
ε２＝ΔＷ／Ｗ0      …（７）
また、軸方向のひずみε１は、式（８）と表される。なお、式（８）において、Ｌ0は、荷重を付加していないときの試料２の軸方向の長さであり、ΔＬは、荷重付加後の試料２の軸方向の長さの変化量である。
【００４３】
｜ε１｜＝ΔＬ／Ｌ0＝｜ε２｜／ν      …（８）
一方、フックの法則によれば、軸方向に作用する応力σは、縦弾性係数Ｅを用いて式（９）で表される。
【００４４】
σ＝Ｅ・ε１      …（９）
したがって、縦弾性係数Ｅと軸方向のひずみε１とにより荷重を付加したときの応力変化量Δσが算出される。そして、式（９）を、式（７），（８）を用いて変形すると、式（１０）となり、試料２の幅の変化量ΔＷに基づいて、軸方向の応力変化量Δσを求めることができる。
【００４５】
Δσ＝Ｅ・｜ε１｜＝Ｅ・｜ε２｜／ν＝Ｅ・｜ΔＷ｜／（Ｗ0・ν）      …（１０）
また、演算部４は、第１実施形態と同様に、最大温度と最小温度とが入力されているので、この温度変化ΔＴと、式（１０）により算出された応力変化量Δσから補正係数Ｅ’を校正する。そして、校正された補正係数Ｅ’と、サーモグラフィ３で計測された試料２の温度変化ΔＴに基づいて試料２（ターゲット部）の応力変化量Δσを算出する。
【００４６】
なお、熱弾性効果により計測されたσは、公称応力であるので、荷重付加時の試料２の断面積Ａに基づいて、公称応力を真の応力に換算してもよい。単純引張試験において、荷重が付加されていないときの試料２の断面積をＡ0とすると、荷重Ｆと公称応力σとの関係は、式（１１）で表される。
【００４７】
σ＝Ｆ／Ａ0      …（１１）
一方、荷重Ｆを加えることで、例えば、図３のＢ，Ｃに示すように試料２の断面積がＡに変化したとすると（Ａ0＞Ａ）、真の応力σ’は、式（１２）で表されることとなる。
【００４８】
σ’＝Ｆ／Ａ      …（１２）
試料２にかかっている荷重Ｆが同じ場合、公称応力σと真の応力σ’との関係は、式（１３）となり、
σ’＝σ・Ａ0／Ａ      …（１３）
荷重付加後の試料２の断面積Ａと、式（１３）とに基づいて、公称応力σと真の応力σ’との換算や対比を行うことができる。例えば、演算部４が図示省略のディスプレイに公称応力σと真の応力σ’とを切替表示したり同時表示したりすることで、二つの応力の対比が可能となる。
【００４９】
なお、サーモグラフィ３では、試料２の形状が測定されるので、荷重付加後の試料２の形状をサーモグラフィ３により得られた画像から定量化し、定量化された値から荷重付加後の断面積Ａが算出される。例えば、試料２の断面が幅Ｗ、厚さｔの矩形である場合は、断面積Ａは、Ａ＝Ｗ・ｔにより求められることとなる。画像が粗く計測精度が得られない場合は、撮像部分を複数に分割することで補うこともできる。
【００５０】
以上のような本発明の第２実施形態に係る応力計測装置７によれば、試料２の幅Ｗの変化または厚さｔの変化とポアソン比に応じて真の応力を求め、求められた真の応力で補正係数Ｅ’を校正することができる。このように補正係数Ｅ’を校正することで、試料２の表面状態や周囲の影響を考慮した応力計測が可能となる。その結果、第１実施形態に係る応力計測装置１と同様に、計測コストが削減されるとともに、高精度の応力計測が可能となる。また、幅広い試料２の応力を計測することができる。
【００５１】
真の応力は、試料２の断面積を測定することで求める方法や、ひずみを計測する方法により求めることができる。なお、実施形態２に係る応力計測装置７では、フックの法則（式（９））に代入する軸方向のひずみε１を、幅方向のひずみε２に基づいて算出しているが、フックの法則に代入する軸方向のひずみε１を計測によって直接計測することもできる。
【００５２】
例えば、図４に示すように、試料２に一対のマーカ８（基準線）を付けて、マーカ８間の変動を計測することで、試料２の軸方向の変化量ΔＬ（ΔＬ＝Ｌ−Ｌ’）を導出することができる。マーカ８間の変動は、例えば、特許文献１に記載さているようなマーカ８の振動を定量化する等の方法により求めることができる。そして、式（１１）に基づいて応力変化量Δσを算出し、算出された応力変化量Δσで補正係数Ｅ’を校正することができる。つまり、試料２の軸方向の長さの変化を計測することで、軸方向のひずみε１を直接求めることができることとなる。
【００５３】
Δσ＝Ｅ・（Ｌ−Ｌ’）／Ｌ0＝Ｅ・｜ε１｜      …（１１）
Ｌ0：荷重を付加していないときの試料２の軸方向の長さ
Ｌ：最大荷重を付加したときの試料２の軸方向の長さ
Ｌ’：最小荷重を付加したときの試料２の軸方向の長さ
Δσ：最大荷重を付加したときの応力と最小荷重を付加したときの応力の差
また、サーモグラフィ３を２以上備えると、３次元的な温度分布を計測できる。さらに、３次元座標のｘ軸方向とｙ軸方向から試料２の計測を行うと、試料２にｚ軸方向に荷重を作用させた場合、サーモグラフィ３から得られたデータに基づいて試料２の形状変化を容易に算出することができ、真の応力を精度よく計測することができる。すなわち、複数のサーモグラフィ３を用いることで、３次元的な温度分布を計測できるとともに、真の応力と補正係数Ｅ’から算出される応力の両者の画像データとを複合させて、高精度な３次元応力分布を計測することができる。なお、一つのサーモグラフィ３を移動させて多方面から試料２の温度分布を計測することで、サーモグラフィ３を複数備えた場合と同じ効果を得ることができる。
【００５４】
以上、具体的な実施形態を挙げて本発明の実施形態に係る応力計測装置及び応力計測方法について、詳細に説明したが、本発明の応力計測装置及び応力計測方法は、実施形態に限定されるものでなく、発明の特徴を損なわない範囲で設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術範囲に属する。
【００５５】
例えば、各実施形態の処理方法の一部を用いて試料２の応力を計測する応力計測装置や、各実施形態の処理方法の一部を組み合わせて試料２の応力を計測する応力計測装置とすることもできる。具体的には、第１実施形態の応力計測装置１において、試料２の断面積を複数のサーモグラフィ３から得られる画像を解析することにより求める態様とすることもできる。
【００５６】
また、実施形態の説明では、単純引張試験における試料２の応力を計測しているが、本発明の応力計測装置及び応力計測方法は、引張（圧縮）荷重だけでなく、曲げ、ねじり荷重が作用している場合等の応力計測に適用することができる。つまり、引張試験では、荷重と断面積により応力σが算出でき、ひずみから荷重を換算することができる。また、曲げ試験では、モーメントと断面係数により曲げ応力σが算出でき、たわみ量から荷重を換算することができる。そして、ねじり試験ではトルクと断面係数からせん断（ねじり）応力が算出でき、回転角から荷重を換算することができる。
【００５７】
また、校正基準点は、試料２において応力が一定（空間的）で変化しないところであれば、適宜選択して校正基準点とすることができる。例えば、図１の試料２において、細くなっている部分を校正基準点とすることもできる。また、ひずみを計測するにあたり、図４では、無荷重・最大荷重・最小荷重としているが、基準点の選択は、この実施形態に限定されるものではない。例えば、初期状態では、必ずしも無荷重である必要はなく、ある程度の荷重がかかっている状態を、初期状態とすることもできる。また、引張荷重から圧縮荷重への変化だけでなく、引張荷重の中での最大／最小（若しくは、圧縮荷重の中での最大／最小）の試料２の長さの変化を検出してひずみを計測することもできる。
【００５８】
また、応力計測装置１または応力計測装置７での校正は、校正方法により、１回若しくは測定毎に校正が行われることとなる。例えば、温度変化ΔＴから応力変化Δσを求める場合、試料２の形状が変わっても材料が同じであれば、温度変化ΔＴから演算される応力変化Δσは同じとなる。したがって、表１に示すように、試料２を構成する材料が同じであれば、校正を１回行うことで、試料２にかかる応力変化Δσを演算することができる。一方で、断面積Ａから応力σを求める場合、試料２の形状が変化すると断面積Ａも変化することとなるので、応力σの算出は、その都度必要となる。ただし、断面積Ａから応力σを求める場合、試料２を構成する材料が変わっても再計測は必要ない。
【００５９】
【表１】
2017036978.tif 000004
【００６０】
また、本発明の応力計測装置及び応力計測方法は、実施形態の試験に適用することに限定するものではなく、例えば、図５に示した金属試験片や金属管の他に、ボルトや金属ベルトを用いた装置等のベルトにかかる応力測定に適用することができる。また、稼働中の構造物に対して適用することで、非接触で応力計測が可能となり、安全性や寿命診断や破損の検出を行うことができる。
【符号の説明】
【００６１】
１，７…応力計測装置
２…試料
３…サーモグラフィ（赤外線カメラ）
４…演算部
５…シリンダ
６…ロードセル
８…マーカ
【図１】
2017036978.tif 000005
【図２】
2017036978.tif 000006
【図３】
2017036978.tif 000007
【図４】
2017036978.tif 000008
【図５】
2017036978.tif 000009