1P1-B04

インフラ構造物に作用する応力の見える化― ひずみ可視化シート―Visualization of stress acting on infrastructures- Strain Visualization Sheet○梅本 秀二（計測リサーチコンサルタント）
松尾 恵輔（計測リサーチコンサルタント）
大町 正和（計測リサーチコンサルタント）
宮本 則幸（計測リサーチコンサルタント）
正 高木 健（広島大） 正 石井 抱（広島大）
正 青山 忠義（広島大）
Shuji UMEMOTO, Keisoku Research Consultant Co., umemoto@krcnet.co.jp
Keisuke MATSUO, Keisoku Research Consultant Co.
Masakazu OMACHI, Keisoku Research Consultant Co.
Noriyuki MIYAMOTO, Keisoku Research Consultant Co.
Takeshi TAKAKI, Hiroshima University
Idaku ISHII, Hiroshima University
Tadayoshi AOYAMA, Hiroshima University
In order to realize visualization of stress acting on infrastructures, the authors developed “Strain VisualizationSheet” based on the principle of Moiré fringes. Strain Visualization Sheet is a revolutionary device which makes itpossible to check strain values with the naked eye, and also enables highly precise measurements of strain values byusing an ordinary digital camera. As an additional advantage, it is not necessary to provide an electrical power source
for the device. In addition, Strain Visualization Sheet is a self-temperature compensated device, it is unaffected bytemperature during strain measurements of the concrete and steel materials used as construction materials ininfrastructures, and strain measurement with an accuracy of >20 με is possible. As Strain Visualization Sheet is low incost and enables any user to grasp the stress acting on infrastructures in a simple manner, we are confident that it canmake an important contribution to operation and maintenance (O&M) of infrastructures in the future.
Key Words: Strain Visualization Sheet, Moiré Fringes, Self-Temperature Compensated Type1. はじめに
インフラ構造物に作用する応力の見える化を実現するために，モアレ縞の原理を用いた「ひずみ可視化シート」を開発した．ひずみ可視化シートは，ひずみの値を肉眼で確認できるとともに，一般的なデジタルカメラでより高精度にひずみを計測することが可能である．しかも，デバイスへの電源供給を必要としない画期的なひずみ計測用デバイスである．また，ひずみ可視化シートは，従来のひずみゲージと同様に自己温度補償型であるため，インフラ構造物の建設材料である鋼やコンクリートのひずみ計測に際して温度の影響を受けず，20με未満の誤差で高精度にひずみを計測することができる．
このような特徴から，ひずみ可視化シートをインフラ構造物に適用することによって，インフラ構造物の維持管理において重要な応力情報を，高精度なのに低コストで，誰でも簡単に得ることが可能となる．本論文では，フィールドに適用するために改良したひずみ可視化シートについて述べるとともに，その精度検証試験および自己温度補償の確認試験の結果について報告する．

𝑊=

𝑝 + 𝛥𝑝・𝑝 (= 𝑀𝑝 )𝛥𝑝(1)

図１(2)のように，直線格子１を(A)の方向にピッチ p ほど動かすと，モアレ縞は(A)の方向にピッチ W ほど動く．つまり，微小変位 p を視覚的に(p+∆p )/∆p 倍に拡大表示することができる．この拡大率を M とする．さらに，視認性を向上させる
2ため，高木ら【 】の提案する式(2)を採用し，直線格子２を n個のピッチ p の縞を一塊として，これを np+∆p おきに配置し2. 原理
まず，ひずみ可視化シートの測定原理であるモアレ縞について簡単に説明する．図１(1)に示すように，ピッチ p の直線格子１とそのピッチよりも∆p(≪p) ほど大きいピッチ p+∆pの直線格子 2 を重ねると，これらの直線格子１，２より大きなピッチ W のモアレ縞と呼ばれる縞が現れる．このモアレ縞は２つの直線格子を重ね合わせることにより生じ，これらの関係【1】は式(1)となる．

Fig. 1 Moiré fringe

No. 17-2 Proceedings of the 2017 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Fukushima, Japan, May 10-13, 2017
1P1-B04(1)120mm
105mm

17mm14mm1.1mm
1.1mm
1.6mm

8mm

Fig. 2 Appearance of Strain Visualization Sheet

Overcoat (Clear)

Front Plate
ﾌﾛﾝﾄﾌﾟﾚｰﾄ(Glass)

接着

ベース駒

Line grating (Brack)

BackPlate
ﾊﾞｯｸﾌﾟﾚｰﾄ(Glass)
接着

接着

Undercoat (White)

Adhesion
接着
Ring固定リング
for fixing

Platefor
温度補償板
Self-Temperature
Compensation

FrontPlateて高拡大率のモアレ縞を得る．このとき，発生するモアレ縞のピッチ W はで表され，拡大率 M は(np+∆p)/∆p となる．
𝑛𝑝 + 𝛥𝑝・𝑝 (= 𝑀𝑝 )𝛥𝑝

BackPlate

測定対象物

Fig. 4 Structure of pattern glass

Fig. 3 Structure of Strain Visualization Sheet

𝑊=Glass Plate (t=1.1mm)

接着(2)この原理を用いて微小変位を拡大表示することにより，数値（文字）の可視化や画像処理による微小変位の算出が可能となる．その微小変位 Δp を標点間距離 L で除すことによりひずみ ε（=Δp/L）を算出している．

め，中段の画像処理部分はピッチ p およびΔp をこれまでより小さく設定することができるようになり，繰り返し回数１回でもこれまでと同様の拡大率を確保することが出来るようになった．

3. ひずみ可視化シート

3.3 パターンガラスの構造
パターンガラスの構造を図４に示す．ガラスへのパターンの生成にはフォトマスクの技術を用いている．フロントガラ
スの裏面に格子パターン 1 を生成し，バックプレートの表面に白下地材を塗布の後，格子パターン 2 を生成し，それぞれオーバーコートしている．

3.1 ひずみ可視化シートの構造
ひずみ可視化シートの外観を図２に，構造を図３にそれぞれ示す．パターンを生成した２枚のガラスプレートと温度補償用の鋼製の温度補償板から構成され，固定リングでユニット化されている．外形寸法は 17mm×120mm，厚さ 8mm であり，標点間距離は 105mm である．また，ひずみ可視化シートは３種類のモアレ縞で構成されており，上段の文字の部分はひずみ可視化用，中段は画像処理によるひずみ算出用，下段は画像処理の精度を向上させるための参照モアレである．

4.1 試験装置
試験装置外観を図５に，変位制御部を図６に示す．試験装置は，変位ステージ，レーザー変位計（繰り返し精度 0.05µm）とそれらの制御用 PC，ひずみ可視化シート撮影用の USB カメラ（解像度 200 万画素）とリアルタイム画像処理装置から構成される．USB カメラは，ひずみ可視化シートから 90cmの高さに設置し，照度を一定に保つため照明を設けた．

3.2 格子パターンの仕様
上段の可視化部分における格子パターンのピッチ p，Δp，繰り返し回数 n はそれぞれ 0.1mm，0.01mm，73 回で拡大率 Mは 730 倍である．また，中段の画像処理部分における格子パターンは，それぞれ 0.07mm，0.00025mm，1 回で拡大率 M は280 倍である．格子パターンの生成技術が飛躍的に向上したた

4.2 試験方法
初期値を計測したのち，5µm ピッチで変位（ひずみ 45µε相当）を与え， USB カメラによりひずみ可視化シートを連続撮影した．撮影した連続画像は，リアルタイム画像処理装置にてリアルタイムにひずみを算出し，5µm 毎のひずみ値を記録した．

4. 精度検証試験

No. 17-2 Proceedings of the 2017 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Fukushima, Japan, May 10-13, 2017
1P1-B04(2)Illumination
Displacement control device

Real-time image
processingdevice

Strain Visualization
Sheetof Strain
Measurement
Measurement of Strain Visualization Sheet (ue)Visualization Sheet (ue)600

Displacement
control unit
USB Camera⑧ ⑦ ⑥

読取り値（μ ε ）Laser displacement
sensorFig. 6 Displacement control unit

200Fig. 5 Appearance of test equipment⑤ ④ ③ ② ①Displacement Stage400発生ひずみ（μ ε ）6000400-200-450-450-350-360-250-270-150-180-50-90500200-4000-600-200-600-400-2000200

400600Generated strain (ue)-400-600-600-400-2000200

400600Generated strain (ue)Fig. 8 Image processing result

Fig. 7 Change in strain value of visualization part4.3 目視による計測
可視化部分のひずみ値の変化を図７に示す．ひずみ値の読取り方は，目視にて確認できる数字の個数を数え，個数が７個の場合は４個目の数字，個数が８個の場合は４.５個目の数字を読取る．図７の最上段の画像のように，数字が左右に分かれる場合は，例えば左側の数字の塊の右端の数字から数え始め，次に右側の数字の塊の右端の数字から個数を数えて合計する．検証の結果は，90µε 毎の発生ひずみに対して，±50µεの精度でひずみ値を可視化できていることが分かる．
4.4 画像処理による計測
変位ステージで発生させたひずみに対するひずみ可視化シートの画像処理の結果を図８に示す．画像処理による計測結果は，発生ひずみと非常によく一致している．誤差は－8~＋15µε であり，目視による計測よりもさらに高精度にひずみを計測できることが確認できた．

5. 自己温度補償の確認試験
被測定材に接着したひずみ計測用センサは，外力によるひずみ以外に温度変化があると，被測定材とひずみ計測用センサの線膨張係数の違いなどにより見掛けのひずみを生じる．
自己温度補償型のひずみ計測用センサとは，温度変化により発生する見掛けのひずみを最小にしたセンサである．ひずみ計測用センサの代表的なひずみゲージでは，適合材に接着した場合，規定された温度範囲において±1.8µε/℃以内のものを自己温度補償ゲージと呼ばれている．使用頻度の高い 20～40℃間は±1µε/℃以内となっているゲージもある．ひずみゲージは，被測定材に適合するようにひずみゲージ抵抗素子材の抵抗温度係数を調整することにより自己温度補償を実現しているのに対し，ひずみ可視化シートは，その構成材料および構造により，被測定材（コンクリート，軟鋼）に適合する自己温度補償を実現している．
5.1 試験装置
試験装置には恒温恒湿低温槽（以下 恒温槽という）を採用した．恒温槽は，制御された温湿度環境に試料を暴露させることが可能な機器である．プログラム運転により，任意の温湿度環境の繰り返し試験を行うこともでき，温湿度による試料の形状変化の確認や各種電気機器の特定温湿度環境における作動確認などにも活用することができる機器である．

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1P1-B04(3)Strain Visualization Sheet

Thermocouple

50mm

Strain gauge

Steel plate (t=1.6mm)

150mm

Test piece (surface)

Test piece (back)Fig. 9 Sensor arrangement

Apparent strain (με)

100500-50-100

Strain Visualization Sheet
Strain gauge-150-30-20-10010203040

Temperature of Test piece

Fig. 10 Installation of test piece and USB camerain the thermostatic chamber

50607080(℃)

Fig. 11 Apparatus strain-temperature of test piece diagram

5.2 試験体
寸法 50mm×150mm（t=1.6mm）の鋼板（SPCC：線膨張係数 11.7µε/℃）を試験片として使用した．試験片のセンサの配置を図９に示す．鋼板の表面にひずみ可視化シートと比較対象用としてひずみゲージを貼り付け，裏面にもひずみゲージを設置して，温度による鋼板の曲げの発生の有無を確認した．
なお，鋼板の温度を計測するため，鋼板裏面に熱電対温度計を貼り付けた．
5.3 試験方法
ひずみ可視化シートを貼り付けた試験片および撮影用のUSB カメラを恒温槽内に設置し（図１０），外部のリアルタイム画像処理装置に接続した．同様にひずみゲージおよび熱電対の各信号線を外部のデータロガーに接続した．初期値を計測したのち，-20℃~70℃まで 10℃ピッチで温度を変化させ，試験片の温度がその設定温度に達した際のひずみ可視化シートおよびひずみゲージの値を記録した．
5.4 見掛けのひずみ特性
試験片の温度と見掛けのひずみの関係を図１１に示す．ひ
ずみ可視化シートの見掛けひずみ特性は±1.0µε/℃未満を示しており，自己温度補償されていることが確認された．また，特筆すべきは，ひずみ可視化シートの見掛けのひずみは，

温度補償範囲が広く，70℃の高温下においても 20µε 程度，-20℃の標点下においても-20 µε と非常に小さいことである．
以上のことから，温度補償板を構造に組み込んだひずみ可視化シートは，ひずみゲージ以上の見掛けのひずみ特性を有する自己温度補償型のセンサであることが検証された．

6. おわりにインフラ構造物に作用する応力の見える化を実現するためにひずみ可視化シートを開発し，フィールドへの適用に向けてその改良と検証を行った．その結果，精度，見掛けのひずみ特性ともにフィールドにおける適用性を満足することが確認できた．引き続き，フィールドにおける耐久性の検証，設置方法・計測方法の簡素化，さらなる低コスト化に取り組んでいく予定である．

参考文献[1] 山田朝治，横関俊介，"モアレ縞・干渉縞応用計測法"，コロナ社,
pp.1-46, 1996.
[2] Takeshi, T., Idaku, I., Shuji, U., Hideyuki, O., Noriyuki, M. andTakuji,O., “Development of micro displacement visualization sticker
that achieves measurement of 1 micrometer,” No.11-5 Proceedings ofthe 2011 JSME Conference on Robotics and Mechatronics 1P1-F08,
2011.

No. 17-2 Proceedings of the 2017 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Fukushima, Japan, May 10-13, 2017
1P1-B04(4)