JP2011169773A

JP2011169773A - 材料試験機

Info

Publication number: JP2011169773A
Application number: JP2010034262A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsuji; 博志辻
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】変位測定部による試験片の変位の検出周波数が、サンプリング部による変位量のデータのサンプリング周波数より低かった場合においても、データの周波数特性を維持することができ、サンプリング部の出力データを滑らかなものとすることが可能な材料試験機を提供する。
【解決手段】ビデオカメラ１８と画像処理回路１９とを備え、サンプリング部４７のサンプリング周波数より遅いサンプリング周波数で試験片の変位を検出する変位測定部１５と、変位測定部１５による試験片の変位の検出周波数をサンプリング部４７によるサンプリング周波数と同じ周波数にアップサンプリングするアップサンプラ４１と、このアップサンプラ４１によりアップサンプリングされたデータから不要な高周波成分を除去するインターポレーションフィルター４２とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、試験片に対して試験力を付与することにより材料試験を実行する材料試験機に関する。

このような材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を互いに同期して回転自在に支持するとともに、それらのねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構成を有する。そして、モータの回転により一対のねじ棹を互いに同期して回転させることにより、クロスヘッドを一対のねじ棹に沿って移動させる。クロスヘッドとテーブルとには、それぞれつかみ具などの治具が連結されている。そして、これら一対のつかみ具などの治具により試験片の両端を把持した状態で、クロスヘッドを移動させることにより、試験片に対して試験力を加えるように構成されている。

このような材料試験機においては、試験片に作用する試験力はロードセル等によって検出される。また、試験片における標点間の距離の変位量は、変位測定部により測定される。変位測定部により測定された変位量のデータは、サンプリング部によりサンプリングされ、試験片の変位データが試験片に対する試験力などのデータとともに取り込まれる。

この変位測定部として、試験片の画像を撮影するビデオカメラと、このビデオカメラにより撮影した試験片の画像から試験片の変位を抽出し、この試験片の変位の測定結果を出力する画像処理回路を備えたものも使用されている（特許文献１参照）。

特開２００５−３５７７号公報

特許文献１に記載されたように、ビデオカメラを備えた変位測定部を採用した場合、このビデオカメラにより試験片を撮影するときのフレームレートは、例えば、３０乃至１００ＦＰＳ（ＦｒａｍｅＰｅｒＳｅｃｏｎｄ）程度である。このため、この変位測定部による試験片の変位の検出周波数はこのフレームレートと同一となる。これに対して、サンプリング部による変位量のデータのサンプリング周波数は、例えば、１ｋＨｚ乃至５ｋＨｚ程度となっている。

このように、ビデオカメラのフレームレートとサンプリング部のサンプリング周波数とが大幅に異なる場合に、ビデオカメラを使用した変位測定部から得られる変位量のデータをサンプリング部がそのままサンプリングした場合には、変位測定部の出力に対してゼロ次ホールド効果が強く表れ、もとのデータには存在しない周波数成分がサンプリング部の出力に含まれてしまう。そして、このような場合には、サンプリング部の出力として滑らかなデータが得られないという問題を生ずる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、変位測定部による試験片の変位の検出周波数が、サンプリング部による変位量のデータのサンプリング周波数より低かった場合においても、データの周波数特性を維持することができ、サンプリング部の出力データを滑らかなものとすることが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片に対して試験力を付与することにより材料試験を実行する材料試験機において、所定のサンプリング周波数で試験片の変位情報をサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部のサンプリング周波数より低い周波数で前記試験片の変位を検出する変位測定手段と、前記変位測定手段による試験片の変位の検出周波数をアップサンプリングするアップサンプラと、前記アップサンプラによりアップサンプリングされたデータから本来存在しない不要な高周波成分を除去するインターポレーションフィルターとを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記アップサンプラは、前記変位測定手段による試験片の変位の検出周波数を、前記サンプリング部によるサンプリング周波数と同じ周波数にアップサンプリングすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記変位測定手段は、試験片の画像を所定のフレームレートで撮影するビデオカメラと、前記ビデオカメラにより撮影した試験片の画像から試験片の変位を抽出し、前記ビデオカメラのフレームレートと同一の周波数で前記試験片の変位の検出結果を出力する画像処理回路とから構成されることを特徴とする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、変位測定部による試験片の変位の検出周波数が、サンプリング部による変位量のデータのサンプリング周波数より低かった場合においても、データの周波数特性を維持することができ、サンプリング部の出力データを滑らかなものとすることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、ビデオカメラによる試験片の画像の撮影フレームレートが、サンプリング部による変位量のデータのサンプリング周波数より低かった場合においても、データの周波数特性を維持することができ、サンプリング部の出力データを滑らかなものとすることが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。演算制御部２３の要部を、変位測定部１５および表示部４６等とともに示すブロック図である。試験片１０における実際の変位データＡと、ビデオカメラ１８により撮影され変位測定部１５から出力された試験片１０の撮影画像のデータＢとの関係を示すグラフである。撮影画像のデータＢをそのまま外部に出力した状態を示すグラフである。実際の変位データＡの周波数成分Ａ１と、ゼロ次ホールドされたデータＣの周波数成分Ｃ１とを示すグラフである。アップサンプリングの方法を示す説明図である。アップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤの周波数成分Ｄ１を、実際の変位データＡの周波数成分Ａ１およびゼロ次ホールドされたデータＣの周波数成分Ｃ１とともに示すグラフである。ゼロ次ホールドされたデータＣとアップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤとの関係を示すグラフである。図８の一部を拡大したグラフである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１６と、このテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１、１２と、これらのねじ棹１１、１２に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。

クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１、１２に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹１１、１２の下端部には、負荷機構３０におけるウォーム減速機３２、３３が連結されている。このウォーム減速機３２、３３は、負荷機構３０の駆動源であるサーボモータ３１と連結されており、サーボモータ３１の回転がウォーム減速機３２、３３を介して、一対のねじ棹１１、１２に伝達される構成となっている。サーボモータ３１の回転によって、一対のねじ棹１１、１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これらのねじ棹１１、１２に沿って昇降する。

クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１６には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。

このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、演算制御部２３に入力される。また、試験片１０は、照明装置１７により照明されており、試験片１０における標点間の距離の変位量は、後述するビデオカメラ１８と画像処理回路１９とを備えた変位測定部１５により測定され、演算制御部２３に入力される。

演算制御部２３はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、ロードセル１４および変位測定部１５からの試験力データおよび変位量データを取り込んでデータ処理を実行する。また、サーボモータ３１は、この演算制御部２３により、フィードバック制御される。また、この演算制御部２３は、後述するアップサンプラ４１およびインターポレーションフィルター４２を備えている。

図２は、この演算制御部２３の要部を、変位測定部１５および表示部４６等とともに示すブロック図である。

上述した変位測定部１５は、試験片１０の画像を所定のフレームレートで撮影するビデオカメラ１８と、このビデオカメラ１８により撮影した試験片１０の画像から試験片１０の変位を抽出し、ビデオカメラ１８のフレームレートと同一の周波数で試験片１０の変位の検出結果を出力する画像処理回路１９とから構成される。この変位測定部１５におけるビデオカメラ１８は、例えば、５０ＦＰＳのフレームレートで試験片１０の映像を撮影する。このため、このビデオカメラ１８からは、５０Ｈｚの映像信号が出力され、画像処理回路１９からは、試験片１０の変位の測定結果が５０Ｈｚの検出周波数で出力される。

変位測定部１５は、この変位測定部１５による試験片１０の変位の検出結果をアップサンプリングするためのアップサンプラ４１と接続されている。このアップサンプラ４１は、変位測定部１５から出力された５０Ｈｚの変位の検出周波数を、後述するサンプリング部４７によるサンプリング周波数と同一の１ｋＨｚでアップサンプリングする。このアップサンプラ４１は、当該アップサンプラ４１によりアップサンプリングされたデータから本来存在しない高周波成分を除去するための、ローパスフィルターとして機能するインターポレーションフィルター４２と接続されている。

アップサンプラ４１からインターポレーションフィルター４２を介して出力される変位情報の信号は、１ｋＨｚとなっている。そして、インターポレーションフィルター４２から出力される変位情報の信号は、変位を記録する記録部４８を介して、試験片１０の変位情報をサンプリングするサンプリング部４７に入力される。そして、この変位情報は、サンプリング部４７において、材料試験のためのデータとして取り込まれる。また、変位情報は表示部４６に送信され、材料試験の試験結果等の表示が行われる。

また、インターポレーションフィルター４２から出力される変位情報の信号は、Ｄ／Ａ変換器４４およびアナログバッファ４３を介して外部に出力され、アナログ記録計等に送信される。また、このアナログ情報は、必要に応じ、材料試験機のフィードバック制御に利用される。

なお、上述した画像処理回路１９には、クロック発生回路４５から５０Ｈｚのクロック信号が送信され、アップサンプラ４１、インターポレーションフィルター４２、Ｄ／Ａ変換器４４、サンプリング部４７および記録部４８には、クロック発生回路４５から１ｋＨｚのクロック信号が送信される。

次に、上述した材料試験機によりサンプリング等がなされたデータの構成について説明する。

図３は、試験片１０における実際の変位データＡと、ビデオカメラ１８により撮影され変位測定部１５から出力された試験片１０の撮影画像のデータＢとの関係を示すグラフである。このビデオカメラ１８により撮影され変位測定部１５から出力された試験片１０の撮影画像のデータＢは、２０ｍｓ毎に得られるデータであり、試験片１０における実際の変位データＡをビデオカメラ１８のフレームレートに相当する５０Ｈｚでサンプリングした結果と等しいことになる。

なお、図３および後述する各図においては、説明の便宜上、試験片１０が伸縮している状態を図示しているが、実際には、例えば、引っ張り試験を実行する場合においては、試験片１０は、その変位速度を変えながら継続して伸び続け、縮むことはない。

図４は、図３に示す撮影画像のデータＢをそのまま外部に出力した状態を示すグラフである。このグラフに示すように、変位測定部１５から出力された撮影画像のデータＢをそのまま外部に出力した場合には、ゼロ次ホールド効果により、２０ｍｓ毎に出力が変化し２０ｍｓの間は一定の値を保持する、ゼロ次ホールドされたデータＣとなる。

図５は、実際の変位データＡの周波数成分Ａ１と、ゼロ次ホールドされたデータＣの周波数成分Ｃ１とを示すグラフである。図３に示す試験片１０における実際の変位データＡと、図４に示すビデオカメラ１８による撮影画像に基づくゼロ次ホールドされたデータＣとは、類似性を有するが、ＦＦＴ（高速フーリエ変換：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）によりその周波数成分を分析した場合には、それらの周波数成分が全く異なることが解る。すなわち、実際の変位データＡにおいては０乃至２５Ｈｚの間にスペクトルが広がっているが、ゼロ次ホールドされたデータＣにおいては、高域にまで幅広くスペクトルが分布している。このため、この発明に係る材料試験機においては、ビデオカメラ１８により撮影され変位測定部１５から出力された試験片１０の撮影画像のデータＢを、アップサンプラ４１によりアップサンプリングしている。

図６は、このアップサンプリングの方法を示す説明図である。この実施形態においては、ビデオカメラ１８のフレームレートが５０ＦＰＳであり、変位測定部１５から出力される試験片１０の撮影画像のデータＢが５０Ｈｚであることから、アップサンプラ４１により、これをサンプリング部４７のサンプリング周波数である１ｋＨｚでアップサンプリングする。この場合には、図６に示すように、撮影画像のデータＢにおける２０ｍｓ間隔のデータの間に、１ｍｓ間隔でゼロを挿入する。そして、ゼロの挿入により高周波成分が重ね合わされることを防止するため、ローパスフィルターの一種であるインターポレーションフィルター４２を使用して、例えば、０乃至２５Ｈｚの成分のみを抽出する。

図７は、アップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤの周波数成分Ｄ１を、実際の変位データＡの周波数成分Ａ１およびゼロ次ホールドされたデータＣの周波数成分Ｃ１とともに示すグラフである。このグラフは、図５に示すグラフに対し、アップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤの周波数成分Ｄ１を重ね合わせたものとなる。この図に示すように、アップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤの周波数成分Ｄ１は、実際の変位データＡの周波数成分Ａ１と近似している。

図８は、図４に示すゼロ次ホールドされたデータＣとアップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤとの関係を示すグラフであり、図９は、その一部を拡大したグラフである。これらのグラフに示すように、位測定部１５から出力された試験片１０の撮影画像のデータＢをそのまま出力した場合のゼロ次ホールドされたデータＣの変化は２０ｍｓ毎であるのに対して、アップサンプリングとインターポレーションフィルター後のデータＤは１ｍｓ毎に変化する滑らかなデータとなっている。

なお、上述した実施形態においては、サンプリング部４７のサンプリング周波数より遅い検出周波数で試験片１０の変位をサンプリングするこの発明に係る変位測定手段として、試験片１０の画像を所定のフレームレートで撮影するビデオカメラ１８と、このビデオカメラ１８により撮影した試験片１０の画像から試験片１０の変位を抽出してビデオカメラ１８のフレームレートと同一の検出周波数で試験片１０の変位の測定結果をサンプリングする画像処理回路１９とを備えた変位測定部１５を使用している。しかしながら、その他の変位測定手段を使用してもよい。また、抵抗測定器やデジタルマルチメータ等を使用し、試験片の変位とともにその他の情報を得る材料試験機にこの発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態においては、変位測定部１５による試験片１０の変位のサンプリング結果を、アップサンプリング部４７によるサンプリング周波数と同じ周波数にアップサンプリングしているが、必ずしも同じ周波数でなくてもよい。また、例えば、サンプリング部４７と外部出力で必要とされる周波数が異なる場合には、それらに対応して、アップサンプラとインターポレーションフィルターとを個別に配設してもよい。

１０試験片
１１ねじ棹
１２ねじ棹
１３クロスヘッド
１４ロードセル
１５変位測定部
１６テーブル
１７照明装置
１８ビデオカメラ
１９画像処理回路
２１上つかみ具
２２下つかみ具
２３演算制御部
３０負荷機構
３１サーボモータ
４１アップサンプラ
４２インターポレーションフィルター
４３アナログバッファ
４４Ｄ／Ａ変換器
４５クロック発生回路
４６表示部

Claims

試験片に対して試験力を付与することにより材料試験を実行する材料試験機において、
所定のサンプリング周波数で試験片の変位情報をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部のサンプリング周波数より低い周波数で前記試験片の変位を検出する変位測定手段と、
前記変位測定手段による試験片の変位の検出周波数をアップサンプリングするアップサンプラと、
前記アップサンプラによりアップサンプリングされたデータから本来存在しない不要な高周波成分を除去するインターポレーションフィルターと、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記アップサンプラは、前記変位測定手段による試験片の変位の検出周波数を、前記サンプリング部によるサンプリング周波数と同じ周波数にアップサンプリングすることを特徴とする材料試験機。
請求項２に記載の材料試験機において、
前記変位測定手段は、試験片の画像を所定のフレームレートで撮影するビデオカメラと、前記ビデオカメラにより撮影した試験片の画像から試験片の変位を抽出し、前記ビデオカメラのフレームレートと同一の周波数で前記試験片の変位の検出結果を出力する画像処理回路とから構成されることを特徴とする材料試験機。