JP2007064864A - 歪み計測方法、歪み計測装置 - Google Patents

歪み計測方法、歪み計測装置 Download PDF

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Abstract


【課題】 容易に、精確にかつ事前処理を必要としない歪み計測方法及び装置を提供する。
【課題手段】 レーザスペックルパターン２を利用し、試験片３に非接触でポアソン比をリアルタイムで計測する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、プラスチック、ゴム、金属などの試験片、その他構造物および構造材料等の計測対象物の歪み計測方法と、その装置に関する。
試験片その他の構造物および構造材料等の計測対象物（以下簡単に試験片という）の歪みを計測する場合、試験片に引張荷重を加えると、引張荷重を加えた方向（縦）に伸び、試験片の中間（横）は縮む性質がある。この縦の伸び（％）と横に縮む（％）ことからポアソン比を求めている。次に計算式を示す。
ポアソン比＝｜横歪み（％）｜／｜縦歪み（％）｜で表される。
試験片に引張荷重を連続的に加えた状態で連続してポアソン比を求める場合には、一般的に試験片に抵抗線歪みゲージを貼り付け、抵抗の変化から求めている。
音波を使用した方法としては、試験片に発振素子と受振素子を付加し音波伝達時間の変化から求める方法がある。
抵抗線歪みゲージによる計測方法は、計測の事前処理として試験片への抵抗線歪みゲージの取り付け、計測箇所への取り付け方向ならびに取り付け強度にも注意を必要とし熟練を要する。さらに計測中において、試験片に亀裂や破断が生じた場合には抵抗線歪みゲージが外れたり、損傷や破壊が生じる可能性がある。計測範囲は、抵抗線歪みゲージの測定範囲内であり、例えばゴムやプラスチックにおける伸び率の大きい素材において破断直前までの計測には不向きである。
また、音波を利用する方法では、発振や受信素子と試験片の間に接触媒質体の取り付け、あるいは試験片の表裏面が平行であることが条件となる。
本発明によれば、容易に、精確にかつ事前処理を必要としない歪み計測方法及び装置を提供する。直進性、高輝度、単波長、干渉性に優れたレーザビーム光を試験片に照射すると、試験片の照射面の粗面に基づいてレーザ光が乱反射し、固有の縞模様が空間に発生する。この固有の縞模様をレーザスペックルパターンと称し、試験片の伸び、変形ならびに移動に伴い平行移動する性質がある。このレーザスペックルパターンの性質を利用して、計測に必要な事前処理を必要とせず、非接触かつ精確に試験片の歪みを計測するものである。
即ち、本発明歪み計測方法は、レーザスペックルパターンを利用し、試験片に非接触でポアソン比をリアルタイムで計測するものである。
また、本発明歪み計測方法は、試験片に亀裂や破断が生じるまで、計測範囲が広いものである。
さらに、本発明歪み計測方法は、試験片の形状や表面の状態に影響を受けることなく、ポアソン比を計測できるものである。
次に、本発明歪み計測装置は、レーザスペックルパターンを利用し、試験片に非接触でポアソン比をリアルタイムで計測するものである。
また、本発明歪み計測装置は、試験片に亀裂や破断が生じるまで、計測範囲が広いものである。
本発明によれば、非接触計測である為に試験片に抵抗線歪みゲージを貼り付ける等の余分な負荷を与えず、レーザビーム光を試験片に照射するだけで事前処理を必要とせずに即時に計測することができる。さらに、試験片の計測点に対し、計測系を追随させることにより、試験片の亀裂あるいは破断するまで連続して計測でき、計測範囲を自由に設定することができる。また、音波を利用する場合には試験片の表裏面が平行である必要性であるが、本発明による計測では、試験片の形状や表面状態には影響を受けることなく計測できる。
図面に基づいて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
図１にスペックルパターン発生状況を示す。同図より、試験片３にレーザ投光機１よりレーザビーム光を照射すると、試験片３の表面の粗面に基づいて試験片３の前方に全面に渡り粒状斑点模様が発生する。この粒状斑点模様をスペックルパターン４と称す。
図２に測定原理を示す。同図より、レーザ投光機１よりレーザビーム光２を試験片３に照射すると、レーザビーム光２が照射された試験片３の表面の粗面に基づいて乱反射し、空間にスペックルパターン４が発生する。このスペックルパターンを２台のＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ５，６で連続して撮像する。
この状態で、試験片３に引張荷重をかけると、スペックルパターン４も比例して試験片３の伸び方向に移動し、荷重をかける前と荷重をかけた状態でのスペックルパターン４の移動量を画像処理にてリアルタイムで演算する。２台のＣＣＤカメラ５，６で撮像したスペックルパターン４の移動量の差から伸び方向の歪みを計測することができる。これを数式で表す。
Figure 2007064864

上記は、伸び方向である縦歪みを計測するものである。伸び方向と垂直の方向の横歪みも同時に計測し、横歪みを縦歪みで割ることにより、ポアソン比を求めることができる。
本発明の実施例を図３に示す。同図より、試験片３にレーザ投光機１から出力するレーザビーム光２を垂直に照射する。試験片３に照射されたレーザビーム光２は試験片３の表面の粗面の状態に基づいて乱反射し、試験片３の前面にスペックルパターン４が発生する。４台のＣＣＤカメラは試験片３と総て等しい距離に設置し、常時スペックルパターン４を撮像する。この状態で試験片３に引張荷重をかけると、試験片３の伸びに従って、スペックルパターン４が移動し、画像処理装置１０にて移動量をＣＣＤカメラ５とＣＣＤカメラ６で撮像されたスペックルパターンの移動量の差（縦歪み）ならびにＣＣＤカメラ７とＣＣＤカメラ８で撮像したスペックルパターンの移動量の差（横歪み）をリアルタイムで算出する。
この縦歪みと横歪みをデータ処理装置１１の入力とし、横歪みを縦歪みで割ることにより、ポアソン比をリアルタイムで求めることができる。
図４に計測系の自動追尾機構を示す。同図より、試験片３に引張荷重をかける前に撮像したスペックルパターン４を、伸び方向のＣＣＤカメラ５あるいはＣＣＤカメラ６により計測系９を追尾することにより常に試験片３の同一部位を計測することができると共に、試験片３の亀裂あるいは破断時まで、連続してポアソン比を計測することができる。
図５及び図６がポアソン比の測定例を示す図で、図５がゴムの試験片の測定例であり、図６がプラスチックの試験片の測定例である。
スペックルパターン発生状態を示す図 測定原理を示す図 実施例を示す図 計測系の自動追随機構を示す図 ポアソン比測定例を示す図 同じくポアソン比測定例を示す図
符号の説明
１ レーザ投光機
２ レーザビーム光
３ 試験片
４ スペックルパターン
５ ＣＣＤカメラ
６ ＣＣＤカメラ
７ ＣＣＤカメラ
８ ＣＣＤカメラ
９ 計測系
１０ 画像処理装置
１１ データ処理装置

Claims (5)

  1. レーザスペックルパターンを利用し、試験片に非接触でポアソン比をリアルタイムで計測する歪み計測方法。
  2. 試験片に亀裂や破断が生じるまで、計測範囲が広い上記請求項１に記載の歪み計測方法。
  3. 試験片の形状や表面の状態に影響を受けることなく、ポアソン比を計測できる上記請求項１又は２に記載の歪み計測方法。
  4. レーザスペックルパターンを利用し、試験片に非接触でポアソン比をリアルタイムで計測する歪み計測装置。
  5. 試験片に亀裂や破断が生じるまで、計測範囲が広い上記請求項４に記載の歪み計測装置。
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