JP2012058013A - 材料試験機および材料試験機における変位量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試験片の伸びと幅の変位量とを測定する場合に、レンズの歪みを適正に補正することが可能な材料試験機および材料試験機における変位量測定方法を提供する。
【解決手段】 移動する標線マークをレンズを介してビデオカメラにより撮影することにより得た、標線マークの位置と標線マークの画像の位置との関係を記憶する記憶部６４と、記憶部６４に記憶した標線マークの位置と標線マークの画像の位置とから、それらの関係を示す、極座標系において三次以上の多項式で表される奇関数からなる補正式を求める補正式演算部６１と、標線マークの画像の位置と試験片の両端縁の画像の位置とを補正式により補正する補正部６２と、補正部６２により補正した一対の標線マークの画像の位置を利用して試験片の伸びを計算するとともに、補正部６２により補正した試験片の両端縁の画像の位置を利用して試験片の幅の変位量を計算する変位量計算部６３とを備える。
【選択図】 図３

Description

この発明は、試験片の伸びと幅の変位量とを測定する材料試験機および材料試験機における変位量測定方法に関する。

このような材料試験機においては、試験片の伸びを測定するために、試験片の表面に標線マークが形成されたシールが、所定の間隔で２枚貼着される。そして、この試験片の画像が撮影される。この撮影時には、試験片の画像がレンズからなる光学系を介してＣＣＤカメラ等のカメラに取り込まれる。

この試験片の画像における一対の標線マークの位置情報に基づいて標線マーク間の距離が測定され、この距離の変化量により、試験片に対する引張力の付与方向における試験片の変位量である伸びが測定される。また、試験片の両端縁の位置情報に基づいて両端縁間の距離が測定され、この距離の変化量により、試験片に対する引張力の付与方向と直行する方向における試験片の変位量である幅の変位量が測定される。

ところで、このような変位量の測定時には、レンズの歪みがその測定結果に影響を及ぼす。すなわち、レンズに歪みが存在した場合には、撮影時に得た画像データをそのまま用いて標線マーク等の位置情報を得た場合には、その演算結果に歪みに応じた誤差が含まれることになる。

このため、特許文献１には、ビデオカメラもしくはラインセンサによって撮像した画像データに含まれる歪みを補正する方法であって、撮影によって得られた各フレームデータ中の各画素の画面上での直交座標の少なくとも一方の軸（ｘ軸）上の座標における歪み量を補正関数を用いて補正するとともに、その補正関数を、補正前の座標データと補正後の座標データを縦軸および横軸としたグラフで表したとき、視野の両端部におけるｘ軸上の座標０，ｘm を通り、かつ、その中央の座標ｘc に対して点対称となるｎ次の多項式で表される関数とする画像データの歪み補正方法が提案されている。

この特許文献１に記載の画像データの歪み補正方法においては、撮影により得られた各画素の画面上での直交座標の少なくとも一方の軸（ｘ軸）に沿った座標を、補正前後の座標データを縦軸および横軸にとってグラフで表したとき、視野の両端部におけるｘ軸上の座標０，ｘm 並びにその中央の座標ｘc を通り、かつ、その中央の座標ｘc に対して点対称となるｎ次の多項式の形の補正関数を用いて補正する。この補正関数においては、関数中の定数を任意の座標点における実測寸法を用いて決定することができ、簡単な作業によって補正関数を求めることが可能となる。

特開２００１−１５３６１５号公報

上述した特許文献１に記載の画像データの歪み補正方法は、簡易な実測作業により歪みの補正を行うことができる優れたものではあるが、その補正式が成立するのはｘ軸に平行な方向のみであるという問題がある。このため、特許文献１に記載の画像データの歪み補正方法を、試験片の伸びと幅の変位量とを測定する材料試験機に適用した場合においては、互いに直行する方向に対しても補正が必要となることから、適正な歪み補正を行うことは不可能となる。

また、この特許文献１に記載の画像データの歪み補正方法は、画像領域の中央と両端で補正量がゼロとなることを前提としたものであるが、実際のレンズは画面の大部分の領域ではほとんど歪みが存在せず、画像領域の周囲に歪みが集中していることが多い。このような場合においては、特許文献１に記載の画像データの歪み補正方法においては、本来補正が不要な領域に対しても補正が行われることになり、歪みが拡大する場合もある。

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、互いに直行する方向に対して生ずる試験片の伸びと幅の変位量とを測定する材料試験機においても、レンズの歪みを適正に補正することが可能な材料試験機および材料試験機における変位量測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、表面に一対の標線マークが付された試験片を、レンズを介してカメラにより撮影し、前記一対の標線マークの位置情報と前記試験片の両端縁の位置情報とを得ることにより、前記試験片に対する引張力の付与方向における前記試験片の変位量である伸びと、前記試験片に対する引張力の付与方向と直行する方向における前記試験片の変位量である幅の変位量とを測定する材料試験機における変位量測定方法において、位置測定手段によりその位置を測定可能な補正用マークを、前記レンズの中心に相当する位置を中心とする円の直径方向に順次移動させながら、当該補正用マークを前記レンズを介して前記カメラにより撮影することにより、前記位置測定手段により測定した前記補正用マークの位置と、そのときに前記カメラにより撮影した前記補正用マークの画像の位置とを記憶する準備工程と、前記準備工程で記憶した前記補正用マークの位置と前記補正用マークの画像の位置とから、前記位置測定手段により測定した前記位置補正用マークの位置とそのときに前記カメラにより撮影した前記位置補正用マークの画像の位置との関係を示す、極座標系において三次以上の多項式で表される奇関数からなる補正式を求める補正式演算工程と、前記試験片における一対の標線マークと両端縁とを、前記レンズを介して前記カメラにより撮影する撮影工程と、前記撮影工程で撮影して得た前記一対の標線マークの画像の位置と前記両端縁の画像の位置とを、前記補正式により補正する補正工程と、前記補正工程で補正した一対の標線マークの画像の位置から前記試験片の伸びを計算するとともに、前記補正工程で補正した両端縁の画像の位置から前記試験片の幅の変位量を計算する変位量計算工程とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、表面に一対の標線マークが付された試験片を、レンズを介してカメラにより撮影し、前記一対の標線マークの位置情報と前記試験片の両端縁の位置情報とを得ることにより、前記試験片に対する引張力の付与方向における前記試験片の変位量である伸びと、前記試験片に対する引張力の付与方向と直行する方向における前記試験片の変位量である幅の変位量とを測定する材料試験機において、位置測定手段によりその位置を測定可能な補正用マークを、前記レンズの中心に相当する位置を中心とする円の直径方向に順次移動させながら、当該補正用マークを前記レンズを介して前記カメラにより撮影することにより得た、前記位置測定手段により測定した前記補正用マークの位置と、そのときに前記カメラにより撮影した前記補正用マークの画像の位置との関係を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した前記補正用マークの位置と前記補正用マークの画像の位置とから、前記位置測定手段により測定した前記位置補正用マークの位置とそのときに前記カメラにより撮影した前記位置補正用マークの画像の位置との関係を示す、極座標系において三次以上の多項式で表される奇関数からなる補正式を求める補正式演算手段と、前記レンズを介して前記カメラにより撮影して得た前記一対の標線マークの画像の位置と前記両端縁の画像の位置とを、補正演算手段により演算した補正式により補正する補正手段と、前記補正手段により補正した一対の標線マークの画像の位置から前記試験片の伸びを計算するとともに、前記補正手段により補正した両端縁の画像の位置から前記試験片の幅の変位量を計算する変位量計算手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、極座標系において三次以上の多項式で表される奇関数からなる補正式を利用して歪みの補正を行うことから、画像領域全体に対して歪み補正を実行することが可能となる。このため、互いに直行する方向に対して生ずる試験片の伸びと幅の変位量とを測定する材料試験機においても、レンズの歪みを適正に補正することが可能となる。

この発明を適用する材料試験機の概要図である。 試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。 制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。 この発明に適用するレンズ２７の歪みの補正方法の基本的な考え方を示す説明図である。 準備工程を実行する様子を模式的に示す概要図である。 ビデオカメラ２８により撮影され、表示部３５に表示された試験片１０の画像を示す模式図である。 試験片１０の画像における計算領域Ｅの拡大図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、この発明を適用する材料試験機の構成について説明する。図１は、この発明を適用する材料試験機の概要図である。図２は、試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。

この材料試験機は、テーブル１８と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部において回転可能に立設された図示しない一対のねじ棹と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、このクロスヘッド２３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２３は、一対のねじ棹に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹の下端部は負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の動力源からの動力が、一対のねじ棹に伝達される構成となっている。一対のねじ棹が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、これら一対のねじ棹に沿って昇降する。

クロスヘッド２３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１８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２３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２４によって検出され、制御回路３１を介して制御部３３に入力される。また、試験片１０は、ＣＣＤ素子を有するビデオカメラ２８により撮影され、その画像は制御部３３に入力される。

ビデオカメラ２８には、光学系を構成するレンズ２７が付設されている。これらのビデオカメラ２８およびレンズ２７は、支柱１９に配設されたアーム２９に支持されている。また、これらのビデオカメラ２８およびレンズ２７は、試験片１０の必要な領域が撮影可能となるように、支柱１９におけるアーム２９の固定角度および屈曲度を調整できる構成となっている。そして、図２に示すように、ビデオカメラ２８は、装置本体に対して斜め４５度程度傾いた状態で、上つかみ具２１および下つかみ具２２によりその両端が把持された試験片１０の表面に対して、レンズ２７の正面が正対する位置に配設される。

制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置およびＣＰＵ等を備えるコンピュータ等によって構成される。制御部３３には、液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３５、マウスおよびキーボード等を有する入力部３４およびビデオカメラ２８、制御回路３１が接続される。制御回路３１は、ロードセル１４からの試験力データ、クロスヘッド２３の位置情報を制御部３３に送信する。そして、制御部３３は、ビデオカメラ２８の撮影画像データを取り込んでデータ処理を実行し、試験片１０における標線マーク間の距離の変位量や幅の変位量を演算するとともに、その結果を試験力やクロスヘッド２３の位置情報等とともに表示部３５に表示する。

図３は、制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。この制御部３３は、後述する各工程を実行するための補正式演算部６１、補正部６２、変位量計算部６３および記憶部６４を備える。

次に、この発明に係る材料試験機における変位量測定方法に適用する歪みの補正方法の基本的な考え方について説明する。図４は、この発明に適用するレンズ２７の歪みの補正方法の基本的な考え方を示す説明図である。

一般的に、レンズ２７は同心円状に等しい歪み特性を持つ。また、レンズ２７は光学系の鏡胴等に対してねじ込み式で固定される。このため、歪みの特性は、同心円状に等しい分布を示す。従って、図４に示すように、画像領域におけるレンズ２７の中心に相当する位置を中心とする極座標系において、その中央における補正量はゼロとし、中央から距離ｒの点を、ｆ（ｒ）の点に写像させることにより、レンズ２７による歪みの影響を補正する。

ここで、上述したようにレンズ２７は同心円状に等しい歪み特性を持つことから、図４に示す極座標系において下記の数式１が成立する。

従って、ｆ（ｒ）は奇関数となる。そして、この奇関数として三次以上の多項式で表されるものを使用することにより、レンズ２７の歪みをより高精度に補正することが可能となる。この実施形態においては、補正式となる関数ｆ（ｒ）として、下記の数式２で表されるものを使用している。そして、以下に述べる補正式演算工程により係数ａ、ｂ、ｃを決定している。なお、この補正式演算工程は、図３に示す補正式演算部６１により実行される。

係数を決定するに当たっては、最初に、デジタルハイトゲージ等の位置測定手段と補正用のマークとを利用して、実際の補正用マークの位置とビデオカメラ２８によりレンズ２７を介して撮影したそのときの補正用マークの位置との関係を測定して記憶する準備工程を実行する。

図５は、準備工程を実行する様子を模式的に示す概要図である。

この準備工程においては、位置測定手段としてデジタルハイトゲージ５０を使用する。また、補正用のマークとして、例えば、試験片１０に貼着して使用される標線シール１００が利用される。この標線シール１００には、標線マークＭが形成されている。この標線シール１００における標線マークＭを、図５に示すように、レンズ２７を介してビデオカメラ２８により撮影する。このときには、ビデオカメラ２８の光軸とデジタルハイトゲージ５０とが垂直になるようにビデオカメラ２８とデジタルハイトゲージ５０とを設置する。また、ビデオカメラ２８と標線マークＭとの距離は、材料試験を実行するときの距離と同一距離としておく。

この状態において、デジタルハイトゲージ５０における移動子５１を移動させる。このときには、標線マークＭはレンズ２７の中心に相当する位置を中心とする円の直径方向に順次移動することになる。そして、ビデオカメラ２８の出力とデジタルハイトゲージ５０の出力とは、制御部３３に同時に入力される。これにより、デジタルハイトゲージ５０により測定した標線マークＭの位置と、そのときにビデオカメラ２８により撮影した標線マークＭの画像の位置とが、図３に示す記憶部６４に記憶される。なお、記憶部６４に記憶されるデータは、標線マークが画像領域の中心(すなわち、レンズ２７の中心に相当する位置)にある時をゼロとしたときの、ビデオカメラ２８の画像の中心からのピクセル数ｒと、そのときのハイトゲージにより測定した中心からの距離ｓとのデータである。

次に、これらのｒおよびｓについて、ｓと上述した数式２のｆ（ｒ）との２乗平均誤差が最小となる係数ａ、ｂ、ｃを求める。このときの誤差関数をｅ（ｋ）とした場合、下記
の数式３が成立する。

このため、２乗誤差の総和Ｅは、下記の数式４の通りとなる。

この数式４を展開すると、下記の数式５となる。

２乗誤差の総和Ｅは、下に凸となるａ、ｂ、ｃの２次関数であることから、この総和Ｅのａ、ｂ、ｃによる偏微分値がゼロとなるときのＥが最小値である。２乗誤差の総和Ｅをａ、ｂ、ｃで偏微分すると下記の数式６となる。

この数式６の各偏微分成分がゼロとなればよいので、下記の数式７が成立する。

これを変形すると、下記の数式８となる。

逆行列を求める行列の行列式の値をＤｅｔとすると、下記の数式９が成立する。

このため、係数ａ、ｂ、ｃは、クラメルの公式から、下記の数式１０で表される。

以上により、上述した数式２で示す、補正式となる関数ｆ（ｒ）が求められたこととなる。なお、この状態においては、この補正式は画像のピクセル数ｒと距離ｓとの関係を表すものとなっている。このため、この距離ｓをピクセル数ｒに置き換えるための関数として上述した数式２を用い、上述した数式９と数式１０において距離についての関数ｓ（ｋ）をピクセルについての関数ｐ（ｋ）に変更した後に、再度、係数ａ、ｂ、ｃを計算することにより、ピクセル数同士の関係を示す補正式を求めることが可能となる。

以上の準備工程および補正式演算工程が完了すれば、材料試験を開始する。このときには、一対の標線シール１００が貼られることにより一対の標線マークＭが形成された試験片１０ビデオカメラ２８により撮影する。

図６は、ビデオカメラ２８により撮影され、表示部３５に表示された試験片１０の画像を示す模式図である。また、図７は、図６に示す試験片１０の画像における計算領域Ｅの拡大図である。

図６に示すように、試験片１０には、各々標線マークＭを有する一対の標線シール１００が貼着されている。そして、この標線マークＭの画像を利用して、上方の標線マークＭの座標（ｘ１，ｙ１）と、下方の標線マークＭの座標（ｘ２，ｙ２）とが求められる。なお、この座標（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）は、表示部３５に表示された画像を利用して入力部３４により指定してもよく、また、画像を認識して自動的に指定してもよい。

次に、これらの画像の座標（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）を、先に求めた補正式である数式２により補正する。この補正工程は、図３に示す補正部６２において実行される。

しかる後、補正工程で補正した一対の標線マークＭの画像の位置から試験片１０の伸びを計算する。より具体的には、補正後のｙ１とｙ２の値から試験片１０における標線マークＭ間の距離を計算し、その変化量から試験片１０の伸びを計算する。

また、図７に示すように、計算領域Ｅにおける試験片１０における両端縁が画像処理により認識され、両端縁のｘ座標の平均値ｘ３およびｘ４が演算される。さらに計算領域Ｅの上下方向の中央を試験片１０の両端縁のｙ座標、ｙ３およびｙ４とする。そして、これらの画像の座標（ｘ３，ｙ３）、（ｘ４，ｙ４）を、先に求めた補正式である数式２により補正する。この補正工程も、図３に示す補正部６２において実行される。

そして、補正工程で補正した両端縁のｘ座標の位置の平均値から試験片１０の幅の変化量を計算する。より具体的には、補正後のｘ３とｘ４の値から試験片１０における端縁間の距離を計算し、その変化量から試験片１０の幅の変化量を計算する。この変位量計算工程も、図３に示す変位量計算部６３において実行される。

なお、上述した実施形態においては、準備工程において使用する補正用マークとして、材料試験時に使用する標線シール１００の標線マークＭを使用しているが、デジタルハイトゲージ５０により位置を変更してそのときの画像データを取得しうるその他のマークを使用してもよい。

また、上述した実施形態においては、材料試験時に使用する標線マークＭとして標線シール１００に形成されたものを使用しているが、試験片１０に直接標線マークを形成してもよい。

さらに、上述した実施形態においては、計算領域Ｅにおける試験片１０の両端縁の位置の平均値を利用して試験片１０の幅の変化量を計算しているが、図６に示す標線シール１００を、図６に示す状態から９０度回転させた状態（標線マークＭが縦方向を向く状態）で試験片１０の両端縁付近に貼着し、この標線マークＭを利用して試験片１０の幅の変化量を計算してもよい。

１０ 試験片
１８ テーブル
１９ 支柱
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ クロスヘッド
２４ ロードセル
２７ レンズ
２８ ビデオカメラ
２９ アーム
３０ 負荷手段
３１ 制御回路
３３ 制御部
３４ 入力部
３５ 表示部
５０ デジタルハイトゲージ
６１ 補正式演算部
６２ 補正部
６３ 変位量計算部
６４ 記憶部
１００ 標線シール
Ｍ 標線マーク

Claims (2)

1. 表面に一対の標線マークが付された試験片を、レンズを介してカメラにより撮影し、前記一対の標線マークの位置情報と前記試験片の両端縁の位置情報とを得ることにより、前記試験片に対する引張力の付与方向における前記試験片の変位量である伸びと、前記試験片に対する引張力の付与方向と直行する方向における前記試験片の変位量である幅の変位量とを測定する材料試験機における変位量測定方法において、
   位置測定手段によりその位置を測定可能な補正用マークを、前記レンズの中心に相当する位置を中心とする円の直径方向に順次移動させながら、当該補正用マークを前記レンズを介して前記カメラにより撮影することにより、前記位置測定手段により測定した前記補正用マークの位置と、そのときに前記カメラにより撮影した前記補正用マークの画像の位置とを記憶する準備工程と、
   前記準備工程で記憶した前記補正用マークの位置と前記補正用マークの画像の位置とから、前記位置測定手段により測定した前記位置補正用マークの位置とそのときに前記カメラにより撮影した前記位置補正用マークの画像の位置との関係を示す、極座標系において三次以上の多項式で表される奇関数からなる補正式を求める補正式演算工程と、
   前記試験片における一対の標線マークと両端縁とを、前記レンズを介して前記カメラにより撮影する撮影工程と、
   前記撮影工程で撮影して得た前記一対の標線マークの画像の位置と前記両端縁の画像の位置とを、前記補正式により補正する補正工程と、
   前記補正工程で補正した一対の標線マークの画像の位置を利用して前記試験片の伸びを計算するとともに、前記補正工程で補正した両端縁の画像の位置を利用して前記試験片の幅の変位量を計算する変位量計算工程と、
   を備えたことを特徴とする材料試験機における変位量測定方法。
2. 表面に一対の標線マークが付された試験片を、レンズを介してカメラにより撮影し、前記一対の標線マークの位置情報と前記試験片の両端縁の位置情報とを得ることにより、前記試験片に対する引張力の付与方向における前記試験片の変位量である伸びと、前記試験片に対する引張力の付与方向と直行する方向における前記試験片の変位量である幅の変位量とを測定する材料試験機において、
   位置測定手段によりその位置を測定可能な補正用マークを、前記レンズの中心に相当する位置を中心とする円の直径方向に順次移動させながら、当該補正用マークを前記レンズを介して前記カメラにより撮影することにより得た、前記位置測定手段により測定した前記補正用マークの位置と、そのときに前記カメラにより撮影した前記補正用マークの画像の位置との関係を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶した前記補正用マークの位置と前記補正用マークの画像の位置とから、前記位置測定手段により測定した前記位置補正用マークの位置とそのときに前記カメラにより撮影した前記位置補正用マークの画像の位置との関係を示す、極座標系において三次以上の多項式で表される奇関数からなる補正式を求める補正式演算手段と、
   前記レンズを介して前記カメラにより撮影して得た前記一対の標線マークの画像の位置と前記両端縁の画像の位置とを、補正演算手段により演算した補正式により補正する補正手段と、
   前記補正手段により補正した一対の標線マークの画像の位置を利用して前記試験片の伸びを計算するとともに、前記補正手段により補正した両端縁の画像の位置を利用して前記試験片の幅の変位量を計算する変位量計算手段と、
   を備えたことを特徴とする材料試験機。
   

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