技術紹介

デジタル画像相関法を用いたひずみ計測精度の比較
朝倉悠太 *1

Asakura Yuta

佐藤満 *2

Sato Mitsuru

及川秀行 *3

Oikawa Hideyuki

非接触で変位やひずみの分布が計測可能なデジタル画像相関法（Digital Image Correlation）を用いて、静ひずみ計測および 1Hz の sin 波の変動荷重を与えた際の動ひずみ計測を実施し、デジタル画像相関法とひずみゲージとの精度を比較したので紹介する。
キーワード：デジタル画像相関法（DIC）、ひずみ分布計測、非接触、画像解析

2. 実験方法

1. はじめに
2.1 静ひずみ計測

デジタル画像相関法（Digital Image Correlation、
以下 DIC 法と記載）とは、試験体表面に塗装された引張試験では、JIS 1B 号試験片（材質 SCM440、白と黒から構成されるスペックルパターンを撮影

標点距離 200mm、幅 25mm、厚さ 3mm）および疲することで、荷重負荷後の試験体表面の変位やひ労試験機（型式：EHF-ED10-20L）を使用した。試（1）ずみ分布を画像解析から算出する手法である 。

験片中央の幅 25mm、長さ 30mm の範囲にスペッ

DIC 法はひずみ分布をカラーコンタで表示できるクルパターンを塗装し、単軸ひずみゲージ（ゲーため、視覚的にひずみの大きい箇所を特定するこ

ジ長 2mm）をスペックルパターンの上下に貼付けとができる。また、非接触での計測のため、ひずた。図 1 に試験片の塗装部を示す。DIC には、カみゲージでは計測が難しい高温環境下のひずみ計（2）測に適用可能な技術として注目されている 。しかしながら、DIC 法はひずみゲージとは異なり、カメラでの撮影のため、床面からの振動やライティングなどの環境条件の影響を受けることから、ひずみゲージと比較して精度が劣る可能性が（3）ある 。今回は、引張試験機を用いた静ひずみおよび動ひずみ計測を実施し、ひずみゲージとの誤差を比較したので紹介する。
図1*1：計測事業部*2：計測事業部*3：計測事業部

計測技術部
計測技術部
計測技術部

磯子グループ磯子グループ
福浦グループ

一般計量士
課長
次長

—

試験片塗装部

環境計量士（騒音・振動関係）

10—2.2 動ひずみ計測

メラ 1 台を用いた面内のひずみ分布が計測可能な
Correlated Solutions 社製の VIC-2D コリレーション

2.1 節で使用した試験片および試験機を用いて、システムを使用した。図 2 に DIC 装置設置時の全変動荷重を与えた試験を実施した。試験条件とし体を示す。DIC システムは、カメラ、レンズ、光て、DIC の 視 野 範 囲 は 約 72 × 60mm（分 解 能源および制御 PC から構成される。

0.029mm/pixel）、フレームレートは 10fps とした。
データロガーのサンプリングレートは 50Hz とした。試験機変位は、図 4 に示すように、± 0.5mmの変位を 1Hz の sin 波で 10 波与えた。

図2DIC 装置設置全体試験条件として、試験荷重は、図 3 に示すようにプリロードを 2kN とし、6 ～ 32kN までステップ

図4試験機変位パターン状に増加させた。DIC の視野範囲は約 42 × 35mm（分解能 0.017mm/pixel）、フレームレートは 2fps
（1 秒間3. 試験結果に 2frame 撮影）とし、各荷重につき 100frame（50 秒3.1 静ひずみ計測結果間）撮影した。

図 5 に DIC の軸方向ひずみの時刻歴、図 6 に32kN 時の軸方向ひずみの時間変化を示す。DIC のひずみ値は、図 7 に示すように、ひずみゲージの

図3

荷重負荷パターン
図5—

11—

DIC の軸方向ひずみの時刻歴
IIC REVIEW/2022/04. No.67

図6荷重 32kN 時における DIC 軸方向ひずみの時間変化

受感部面積（2 × 1.5mm = 3mm2）と同等の面積の平均ひずみ値とし、ひずみゲージ値はスペックルパ
ターン上下 2 枚の平均値とした。また、DIC では初期の軸方向ひずみのドリフト分を補正するため、各計測点のひずみ値は、無負荷（プリロード 2kN）時の 100frame（50 秒間）の平均ひずみ値との差をとった値とした。図 6 から DIC のひずみ値はひずみゲージとは異なり、時間的に変動することがわかる。本結果では、100frame（50 秒間）の平均ひずみ値から ± 50me 程度の変動で計測できた。図 8 に

図7

各荷重において、100frame（50 秒間）の平均軸方向DIC ひずみ算出面積ひずみ値を用いて、ひずみゲージと DIC とを比較した結果を示す。理論値とは、試験機荷重、試験片断面積（幅 25mm × 厚さ 3mm）およびヤング率210GPa を用いて算出したひずみ値である。図 8 から、DIC の結果はひずみゲージ値や理論値とほぼ同等の結果が得られた。具体的には、荷重 6kN では、DIC で 258me、ひずみゲージで 246me であり相対誤差は 5％、荷重 18kN では、DIC で 1009me、ひずみゲージで 982me であり相対誤差は 2.8％、荷重 32kN で は、DIC で 1888me、 ひ ず み ゲ ー ジ で1845me であり相対誤差は 2.3％であった。このことから、約 2000me 以下のひずみ計測では、5％以図8内の誤差で計測が可能であることを確認した。
—12—

各荷重におけるひずみゲージと DIC の平均軸方向ひずみ比較結果

3.2 動ひずみ計測結果

および DIC とひずみゲージの差の二乗平均平方根

図 9 に試験機変位 -0.5mm、0mm、+0.5mm のと（Root Mean Square、以下 RMS と記載）をまとめた

きの軸方向ひずみ分布の例、および、図 10 に 2 枚表を示す。RMS は以下の式より算出した。のひずみゲージの平均値と DIC から算出した軸方

21∑ ( edi − egi )N

RMS =向ひずみ値の時刻歴を示す。図 9 に示した通り、（1）± 0.5mm の最大変位時の軸方向ひずみ分布はコン

ここで、N はデータ数、edi は DIC の計測値、egiタの色にほぼ差がなく、解析範囲全体でほぼ一様はひずみゲージの計測値である。データ数 N は 10に計測できていることを確認した。図 10 に示し

波より N = 10 とした。この表から、DIC はひずみた通り、ひずみゲージと DIC で軸方向ひずみのゲージと比較して 30me 以下の RMS であったことピーク値はよく一致していることがわかる。表 1から、ひずみゲージの値と比較して約 2％の RMSに DIC とひずみゲージの 10 波のピークの平均値で計測できた。したがって、今回の計測では、前（a）試験機変位：-0.5mm

図9（b）試験機変位：0mm

各試験機変位における軸方向ひずみ分布

図 10表1
試験機変位 [mm]（c）試験機変位：+0.5mm

軸方向ひずみの時刻歴

10 波のピークの平均軸方向ひずみ値比較
ひずみゲージ [με]DIC [με]

平均 RMS [με]+0.51286131127-0.5-1367-1387

22—

13—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

述の静ひずみ計測とほぼ同様の精度で計測が可能

方向ひずみ値がひずみゲージと比較して約 2％のであった。このことから、DIC は計測可能なサンRMS で計測可能であることを確認した。

プリングレートが低いものの、1Hz 以下の低周波

このことから、DIC はひずみゲージとほぼ同等数の振動では、ピークの傾向を計測できる可能性の精度でひずみを計測できることを確認した。今があることを確認した。本計測では、使用したカ後は、300℃程度を目標とした高温環境下でのひメラのフレームレートが最大 10fps のため、1Hz 以ずみ分布計測技術の確立に注力していく予定であ下の試験に制限される。しかしながら、ハイスる。

ピードカメラを用いることでより高い周波数の試

参考文献

験にも対応できる可能性がある。

（1） 朝倉悠太、及川秀行：デジタル画像相関法に

4. まとめよ る ひ ず み 計 測 技 術 の 紹 介、IIC REVIEW、

DIC 法の静ひずみおよび動ひずみ計測の精度に

No.65、2021/04、pp.77-79

ついて、JIS 1B 号試験片を用いた引張試験から（2） 禹明勳：デジタル画像相関法による高温環境

DIC とひずみゲージとの計測結果を比較した。そ下の変位・ひずみ分布計測、第 51 回応力・ひの結果、DIC のひずみゲージ受感部と同等面積にずみ測定と強度評価シンポジウム講演論文

おける荷重軸方向の平均ひずみは、約 5％以内の集、2020、pp.1-4

誤 差 で 計 測 可 能 で あ る こ と を 確 認 し た。 ま た、

（3） 朝倉悠太、及川秀行：デジタル画像相関法を

1Hz の sin 波の変動荷重を与えた試験における動用いたひずみ分布計測、IIC REVIEW、No.64、ひずみ計測においても、最大変位時のピークの軸2020/10、pp.46-51

計測事業部
計測技術部 磯子グループ
一般計量士 環境計量士（騒音・振動関係）

計測事業部
計測技術部 磯子グループ
課長

朝倉 悠太

佐藤

TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119

TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119

計測事業部
計測技術部 福浦グループ
次長

及川 秀行
TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3541—14—

満