JP2008232998A - 構造物の応力変動分布の測定方法およびその測定装置、ならびに構造物の欠陥検出方法および構造物の危険性把握方法 - Google Patents

Abstract

【課題】橋梁等の応力変動が生じる大型の構造物において、構造物における応力変動分布を正確に把握することができる構造物の応力変動分布の測定方法を提供すること。
【解決手段】検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱により前記構造物に生じた温度分布変動を赤外線カメラにより熱画像として計測し、この温度分布変動に基づいて相対的な応力変動を把握し、赤外線カメラと計測視野を一致させた可視カメラを用いた可視画像を撮影し、可視画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動を把握する。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動荷重等により応力変動が生じる橋梁等の大型構造物における応力変動分布を測定対象部位に近づくことなく遠方から検知する構造物の応力変動分布測定方法および測定装置に関し、特に表面亀裂や内部亀裂・腐食などの欠陥検出や、欠陥による破壊等の危険性把握に好適な応力変動分布測定方法および測定装置に関する。

橋梁や高速道路等の大型構造物の老朽化が社会問題となっており、この対策に対しては強いニーズがある。効率的な老朽化対策を実施するためには、老朽化度合いを知ることが先決である。このため、対象としている構造物の欠陥を検出する必要があり、その手段として、近年、赤外線カメラを用いた赤外線サーモグラフィによる手法が提案されている。

赤外線サーモグラフィは、物体表面から放射される赤外線エネルギ分布を赤外線カメラ（赤外線センサ）により計測し、これを温度分布に換算し、画像化するものであり、従来は、例えば、トンネル内部のコンクリート壁の亀裂や剥離などを検出する手段として、なんらかの熱源によりトンネル壁面を加熱し、正常部位の温度分布の差から欠陥部位を検出する方法が用いられていた。しかし、この方法ではコンクリートなど比較的熱拡散速度の遅い対象には適用可能であるものの、熱拡散速度の速い鋼構造物に対しては、近接距離から赤外線を照射しなければ赤外線カメラで検出できるほどの温度分布を作り出すことが困難であり、多くの人手と費用が必要となっていた。

これに対して、近年、赤外線カメラの性能向上や赤外線カメラからの出力信号処理技術の進歩により、温度計測の分解能に優れ、精度の高い温度計測が可能となりつつあり、物体の弾性変形の際に物体に生じる微小な温度変動すなわち熱弾性温度変動を計測して、物体に作用している応力変動分布を計測し、それに基づいて物体の欠陥を検出する技術が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、橋梁等の構造物に応力変動が生じると、構造物の振動に起因する計測視野のずれが生じるため、熱弾性温度変動を利用した赤外線サーモグラフィ法による応力変動分布の測定に誤差を生じ、亀裂周囲の相対応力場の計測や熱弾性効果による発熱の計測を正確に行うことが困難である。
特開２００６−０９８２８３号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、橋梁等の応力変動が生じる大型の構造物において、構造物における応力変動分布を正確に把握することができる構造物の応力変動分布の測定方法を提供することを目的とする。
また、このような応力変動分布を用いて表面亀裂等の欠陥の測定や、欠陥による破壊等の危険性の把握を行うことを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、橋梁のような大型構造物において、応力変動が生じている際に、熱弾性効果または塑性発熱に基づく温度変動を赤外線カメラによる熱画像を用いて遠隔位置から撮影することによりその分布を測定する際に、検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱による温度分布変動から相対的な応力変動を把握し、また前記熱画像または赤外線カメラの計測視野と一致させた可視画像にデジタル画像相関法を適用して視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、これら情報から構造物の応力変動分布を測定することにより、高精度で応力変動分布を把握することができることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（１２）を提供する。

（１）検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱により前記構造物に生じた温度分布変動を赤外線カメラにより熱画像として計測し、この温度分布変動に基づいて相対的な応力変動を把握し、前記熱画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動分布を把握することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定方法。

（２）検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱により前記構造物に生じた温度分布変動を赤外線カメラにより熱画像として計測し、この温度分布変動に基づいて相対的な応力変動を把握し、前記赤外線カメラと計測視野を一致させた可視カメラを用いた可視画像を撮影し、前記可視画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動を把握することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定方法。

（３）前記応力変動は、検出対象となる構造物に与える移動荷重により生じることを特徴とする（１）または（２）に記載の構造物の応力変動分布の測定方法。

（４）前記赤外線カメラによって取得した前記熱画像から参照信号を自己生成して、ロックイン処理を行い、応力変動に同期する信号のみを抽出することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の構造物の応力変動分布の測定方法。

（５）前記移動荷重は、前記構造物に沿って移動することを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の構造物の応力変動分布の測定方法。

（６）検出対象となる構造物に応力変動が与えられている状態で前記構造物を熱画像として撮影する赤外線カメラと、
前記熱画像にデジタル画像相関法を適用して視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動分布を把握する情報処理部と
を具備することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定装置。

（７）検出対象となる構造物に応力変動が与えられている状態で前記構造物を熱画像として撮影する赤外線カメラと、
前記赤外線カメラと計測視野を一致させて可視画像を撮影する可視カメラと、
前記可視画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、計測された各点の応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動分布を把握する情報処理部と
を具備することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定装置。

（８）前記応力変動は、検出対象となる構造物に移動荷重を与えることにより生じることを特徴とする（６）または（７）に記載の構造物の応力変動分布の測定装置。

（９）前記情報処理部は、前記赤外線カメラによって取得した前記熱画像から参照信号を自己生成してロックイン処理を行うロックインプロセッサを有し、応力変動に同期する信号のみを抽出することを特徴とする（６）から（８）のいずれかに記載の構造物の応力変動分布の測定装置。

（１０）上記（１）から（５）のいずれかの方法をコンピュータに実行させる制御プログラム。

（１１）上記（１）から（５）のいずれかの応力変動分布の測定方法により測定された応力変動分布を用いて構造物の欠陥を検出することを特徴とする構造物の欠陥検出方法。

（１２）上記（１）から（５）のいずれかの応力変動分布の測定方法により測定された応力変動分布を用いて構造物の危険性を把握する構造物の危険性把握方法。

本発明によれば、応力変動が生じている構造物を熱弾性効果または塑性発熱に基づく温度変動を赤外線カメラによる熱画像を用いて遠隔位置から撮影することによりその応力変動分布を測定する際に、検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱による温度分布変動から相対的な応力変動を把握し、また前記熱画像または赤外線カメラの計測視野と一致させた可視画像にデジタル画像相関法を適用して視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、これら情報から構造物の応力変動分布を測定するので、応力変動を与えた際の計測視野のずれに起因する計測誤差を生じさせずに、簡単な装置構成によって、遠隔位置から容易かつ高精度で応力変動分布を把握することができる。このため、この応力変動分布を用いて高精度で構造物表面の欠陥を検出することや、欠陥の発生等の危険性把握を行うことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る方法によって橋梁の欠陥を検出する状態を示す模式図である。

本実施形態では、疲労亀裂等の欠陥を検出する検出対象の構造物として橋梁１を用いる。橋梁１上を車両２が通過することにより橋梁１に応力変動を生じる。地上には橋梁１の温度変動計測データ（熱画像）を撮影するための赤外線カメラ（赤外線サーモグラフィ）９と、赤外線カメラ９と計測視野を一致させた可視カメラ１０が配置され、赤外線カメラ９および可視カメラ１０からの情報は、情報処理部１１に取り込まれ、そこで応力変動分布を測定するための所定の処理が行われる。可視カメラ１０としては、高速度カメラを用いることが好ましい。なお、符号３は橋梁１の計測面を示す。

情報処理部１１は、橋梁１を車両２が通過して応力変動が生じた際の赤外線カメラ９および可視カメラ１０からの情報に基づいて所定の演算処理を行う演算部１２と、欠陥検出画面を表示する表示部１３と、演算処理に必要な情報を記憶する記憶部１４と、温度変動計測データにロックイン処理を施すロックインプロセッサ１５とを有する。

演算部１２は、車両２が走行することにより橋梁１に応力変動が生じた際の赤外線カメラ９からの熱画像（温度変動計測データ）と可視カメラ１０からの可視画像を取り込む機能と、可視画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を算出する機能と、その結果に基づいて熱画像データの位置補正を行う機能と、位置補正後の熱画像データに基づいて応力変動を算出する機能とを有する。

また、ロックインプロセッサ１５は、赤外線カメラ９によって取得した画像内の任意の部分の熱弾性温度変動波形を参照信号として用い、ロックイン処理を行って、応力変動に同期する信号のみを抽出し、信号のＳ／Ｎ比を向上させる。このように赤外線カメラ９から取得される信号により参照信号を自己生成することにより、ひずみゲージを貼り付けるなど外部参照信号を取得するために対象物に近接する必要性がなく、非接触・遠隔測定という赤外線サーモグラフィの利点を保ったまま高精度のロックイン計測を実現することができる。

次に、実際に橋梁１における応力変動分布測定のシーケンスについて説明する。
まず、赤外線カメラ９および可視カメラ１０を、橋梁１までの距離が所定の距離、例えば約１０〜２０ｍになるように地上にセットし（ステップ１）、橋梁１上を走行する車両２によって橋梁１に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱に基づく温度分布変動を赤外線カメラ９により計測し（ステップ２）、この温度分布変動に基づいて相対的な応力変動を把握する（ステップ３）。同時に同じ視野の可視画像を可視カメラ１０により計測する（ステップ４）。そして、赤外線カメラ９による熱画像（温度分布変動計測データ）および可視カメラによる可視画像が情報処理部１１の演算部１２に取り込まれる（ステップ５）。そして、演算部１２において可視カメラ１０の可視画像にデジタル画像相関法を適用して、視野内の各点のひずみを計測し（ステップ６）、このひずみ情報から各点の応力の絶対値を算出する（ステップ７）。次いで、演算部１２に取り込まれた赤外線カメラ９による熱画像（温度分布変動計測データ）に、デジタル画像相関法を適用して算出された応力の絶対値をフィードバックして熱画像の位置補正を行う（ステップ８）。これにより測定対象の振動による計測視野のずれを補正する。次いで、位置補正後の熱画像に基づいて対象構造物である橋梁１の撮影部位の応力変動分布を算出する（ステップ９）。

このようにして、可視画像にデジタル画像相関法を適用して、視野内の各点のひずみを計測することにより、各点の応力の絶対値を算出することができるので、この応力の絶対値データを熱画像データにフィードバックして熱画像の位置補正を行うことにより、測定対象の信号による測定誤差を解消することができ、高精度で応力変動分布を測定することができる。

この応力変動分布から構造物の視野内に存在する欠陥Ｓの大きさおよび位置を高精度で検出することができる。この場合に、検出された欠陥は欠陥検出画面として表示部（ディスプレー）１３に表示することができる。欠陥Ｓが大きいか、または応力集中が十分であれば、以上の構成によりリアルタイムの熱画像から亀裂等の欠陥の検出が可能である。欠陥検出箇所が遠方の場合には、望遠レンズを使用する。

また、亀裂等の欠陥の周囲の応力分布を測定することにより、破壊等の危険性を把握することもできる。さらに、上記応力変動分布に基づいて、破壊力学パラメータを自動算定することもできる。

上記の例では、測定精度を上げるために、より高精度のひずみ情報を把握することができる可視画像を熱画像と併用し、可視画像にデジタル相関法を適用したが、熱画像から十分なひずみ情報が得られる場合には、熱画像にデジタル相関法を適用することもできる。この場合には、上記ステップ４の可視画像による計測は行わず、熱画像のみを演算部１２へ取り込み、熱画像にデジタル画像相関法を適用して視野内の各点のひずみを計測し、各点の応力の絶対値を算出する。

次に、デジタル画像相関法について説明する。
デジタル画像相関法は、測定対象物表面の模様のランダム性を基にして測定対象物の変形前後を可視カメラで撮影し、得られたデジタル画像の輝度分布から対象物の表面の変形量と方向を同時に求める方法である。

デジタル画像相関法による変位分布計測について、一般的に広く用いられているデジタル画像内の一部領域（サブセット）の移動錯を画像相関に基づく同一点探索により求める手法を例にとって説明する。探索においては、粗探索によりサブセットの移動先の大まかな探索を行った後、ニュートンラフソン法による精密探索を行う手法を用いる。

まず、粗探索においては、サブセットの平行移動のみを仮定し、サブセットの中心座標（ｘ、ｙ）が、（ｘ^＊＝ｘ＋ｕ、ｙ^＊＝ｙ＋ｖ）に移動した時、以下の（１）式を用いて、残差平方和で表される相関関数を最小化する移動量を求める。

ここで、Ｆは移動前のサブセットの輝度値、Ｇは移動後のサブセットの輝度値を示している。また、収束性を向上させるため、例えば、サブセット内の各ピクセル間に９個のサブピクセルを設け、線形補間によりサブピクセルの輝度値を求めこれらを残差平方和の計算に用いる。

次に、粗検索で求めたサブセットの移動量を初期値として、ニュートンラプソン法による検索を行う。例えば、サブセットを３５×３５ピクセルの大きさに設定し、相関関数Ｒとしては以下の（２）式に示すものを用いる。

ここで、ｘ^＊、ｙ^＊は移動後の座標であり、粗探索で使用した平行移動に加え一定のひずみを下記の（３）式で仮定している。ここでは、一定ひずみを仮定しているが、サブセットの高次ひずみによる変形を考慮することも可能である。

ΔｘおよびΔｙはサブセット中心からのｘおよびｙ方向距離を示している。ニュートンラフソン法を適用する際には、サブピクセルのある座標における輝度値および輝度値の勾配を求める必要がある。このため、次のような線形補間を用いた。（ｘ^＊、ｙ^＊）の位置が４つの格子点（ｉ、ｊ）、（ｉ＋１、ｊ）、（ｉ、Ｊ＋１）および（ｉ＋１、ｊ＋１）で囲まれる場合、（ｘ^＊、ｙ^＊）の輝度値Ｇ（ｘ^＊、ｙ^＊）は下記の（４）式で与えられる。

ここに、ｘ′およびｙ′は、（ｉ、ｊ）から（ｘ^＊、ｙ^＊）までの距離で０から１までの値をとる。
ニュートンラフソン法により、サブセット中心座標の移動距離を求めた後、変形後の画像内におけるすべての点に対する移動量を線形補間により求める。

以上のようにして、可視画像へデジタル画像相関法を適用して得られた変位・ひずみ場を用いれば、赤外線サーモグラフィで得られた相対応力分布を絶対値分布にすることができる。また、赤外線計測による主応力和からの各応力成分の分離、応力拡大係数やＪ積分の定量評価が可能となる。

上記応力変動分布を亀裂欠陥検出に用いる場合に、具体的な亀裂欠陥部分の判定は、例えば図３に示す方法で行うことができる。すなわち、図３の（ａ）に示す測定対象の補正された熱画像の空間的変化と時間的変化から、移動荷重にともなって局所的に温度変化が急峻に変化している箇所を見出し、この箇所を亀裂先端とみなすことによる方法を用いることができる。この場合に、図３の（ａ）に示す矢印の部分の応力分布は図３の（ｂ）に示すようになる。また、前記矢印の部分の応力分布の時間的変化は図３の（ｃ）に示すようになる。

また、図４に示すように、移動荷重にともなって局所的に温度変化がピーク値を示している部分を見出し、この箇所を亀裂先端とみなすことによる方法を用いることもできる。すなわち、図４の（ａ）に示す測定対象の補正された熱画像において、矢印の部分の熱画像の変化からその部分の応力分布の時間的変化は図４の（ｂ）に示すようになり、そのピーク部分Ｐが図４の（ａ）の亀裂先端Ｋに対応する。

構造物の亀裂は部材同士の溶接部などあらかじめ発生箇所が概略予測可能な部分に発生しやすい。したがって、予想される亀裂の発生箇所を中心にその周辺部位において、移動荷重にともなって変化する温度分布の時間変化データから最も変化量の大きな部分、または急峻に変化する部分を見出せば、亀裂の部位が特定できる。なお、図３，４ともに応力値データは画像の局所的なデータを代表例として掲載したが、解析過程では当然のことながら熱画像全領域の応力分布の時間的変化を評価する。

以上の方法により、特に大型構造物の欠陥を検出するために、従来、例えば、周辺に足場を組む、検査ロボットを使う、昇降装置付き作業用自動車を使う等により、測定対象の近くまでアクセスすることなく、遠隔から非接触でしかも高精度で疲労亀裂等の欠陥を検出することができる。さらに、高速度カメラ等の可視カメラとの組み合わせによる応力計測システムはこれまでに例がなく、ランダム荷重や衝撃荷重による応力分布や組成発熱分布の測定が可能となるため、上記橋梁のみならず、あらゆる構造部材の新しい非破壊計測・評価に対して極めて有用である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では欠陥を検出する検出対象の構造物上を車両が走行することによる応力変動を利用して欠陥を検出するようにしたが、構造物に荷重を吊し、それを上下に変動する等、他の方法で応力変動させてもよい。ただし、検出対象の構造物が、橋梁のようにもともと車両等の移動荷重が予定されているような場合に応力変動のための荷重としてそのような移動荷重を用いることにより、特別な荷重負荷付与手段を必要としないので、装置構成がより簡易なものとなる。
また、上記実施形態では、熱画像として赤外線画像を用いたが、赤外線画像を処理して得られる画像を用いてもよい。
さらに、上記手法を用いることにより、タービン等の回転体の回転している途中の応力状態を静止した状態で把握することができ、動体追尾等に応用することができる。

本発明は、橋梁等の応力変動が生じる構造物の応力変動分布を高精度で求めることができるので、大型構造物に生じた亀裂等の欠陥を高精度で検出したり、そのような欠陥の危険性把握をするのに極めて有効である。

本発明の一実施形態に係る方法によって橋梁の応力変動分布を測定するための装置および応力変動分布測定の状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る方法を説明するためのフローチャート。 本発明の応力分布測定を亀裂欠陥の検出に応用した場合における測定対象の亀裂欠陥部分の判定を行う方法の一例を示す図。 測定対象の亀裂欠陥部分の判定を行う方法の他の例を示す図。

符号の説明

１；橋梁
２；車両
３；熱画像計測面
９；赤外線カメラ
１０；可視カメラ
１１；情報処理部
１２；演算部
１３；表示部
１４；記憶部
１５；ロックインプロセッサ
Ｓ；欠陥

Claims (12)

1. 検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱により前記構造物に生じた温度分布変動を赤外線カメラにより熱画像として計測し、この温度分布変動に基づいて相対的な応力変動を把握し、前記熱画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動分布を把握することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定方法。
2. 検出対象となる構造物に生じる応力変動による熱弾性効果または塑性発熱により前記構造物に生じた温度分布変動を赤外線カメラにより熱画像として計測し、この温度分布変動に基づいて相対的な応力変動を把握し、前記赤外線カメラと計測視野を一致させた可視カメラを用いた可視画像を撮影し、前記可視画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動を把握することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定方法。
3. 前記応力変動は、検出対象となる構造物に与える移動荷重により生じることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造物の応力変動分布の測定方法。
4. 前記赤外線カメラによって取得した前記熱画像から参照信号を自己生成して、ロックイン処理を行い、応力変動に同期する信号のみを抽出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の構造物の応力変動分布の測定方法。
5. 前記移動荷重は、前記構造物に沿って移動す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項に記載の構造物の応力変動分布の測定方法。
   
6. 検出対象となる構造物に応力変動が与えられている状態で前記構造物を熱画像として撮影する赤外線カメラと、
   前記熱画像にデジタル画像相関法を適用して視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、測定された応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動分布を把握する情報処理部と
   を具備することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定装置。
7. 検出対象となる構造物に応力変動が与えられている状態で前記構造物を熱画像として撮影する赤外線カメラと、
   前記赤外線カメラと計測視野を一致させて可視画像を撮影する可視カメラと、
   前記可視画像にデジタル画像相関法を適用して求めた視野内の各点のひずみ情報から各点の応力の絶対値を測定し、計測された各点の応力の絶対値を用いて前記熱画像データの位置補正を行い、補正後の熱画像データにより応力変動分布を把握する情報処理部と
   を具備することを特徴とする構造物の応力変動分布の測定装置。
8. 前記応力変動は、検出対象となる構造物に移動荷重を与えることにより生じることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の構造物の応力変動分布の測定装置。
9. 前記情報処理部は、前記赤外線カメラによって取得した前記熱画像から参照信号を自己生成してロックイン処理を行うロックインプロセッサを有し、応力変動に同期する信号のみを抽出することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の構造物の応力変動分布の測定装置。
10. 請求項１から請求項５のいずれかの方法をコンピュータに実行させる制御プログラム。
11. 請求項１から請求項５のいずれかの応力変動分布の測定方法により測定された応力変動分布を用いて構造物の欠陥を検出することを特徴とする構造物の欠陥検出方法。
12. 請求項１から請求項５のいずれかの応力変動分布の測定方法により測定された応力変動分布を用いて構造物の危険性を把握する構造物の危険性把握方法。

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