JP2023080471A - 試験装置および試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試験の測定結果と撮像画像との関係を正確に把握する。【解決手段】試験装置１は、周期的に変化する荷重を試験体に付与する動的載荷と、略一定の荷重または略一定の変位の条件で荷重を試験体１０に付与する静的載荷とを交互に繰り返し、試験体１０に付与される荷重と変位を測定する試験を実行する試験機２０と、静的載荷時に試験体を撮像する撮像装置２２と、試験の測定結果と、撮像装置２２から出力される試験体の撮像画像とを、同期して記憶装置８２に記録するデータ処理装置２８と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、試験体の試験を行う試験装置および試験方法に関する。

例えば、特許文献１には、スモールパンチ試験において、試験体の変形の前後の画像をそれぞれ撮像することが開示されている。かかる特許文献１では、撮像された画像に基づくデジタル画像相関法（DIC: Digital Image Correlation）により試験体のひずみ分布が測定される。

特開２０１４－１０２１３１号公報

ところで、試験体の強度の試験の一例である疲労試験では、試験機により試験体に対して動的載荷または静的載荷を繰り返し付与して、試験体に作用する荷重および変位が複数回測定される。また、疲労試験にデジタル画像相関法を適用した場合、変位挙動の解析を行うために、載荷途中で試験体の複数の画像が撮像される。

しかし、荷重および変位の測定は試験機により行われ、画像の撮像は撮像装置により行われるため、荷重および変位の測定結果と撮像画像とが、別々に記録されることがある。そうすると、例えば、複数の撮像画像と複数の測定結果との対応関係が、不明または不正確になることがある。その結果、例えば、画像解析または試験精度の検証の信頼性が低下するおそれがある。

本開示は、試験の測定結果と撮像画像との関係を正確に把握することが可能な試験装置および試験方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る試験装置は、周期的に変化する荷重を試験体に付与する動的載荷と、略一定の荷重または略一定の変位の条件で荷重を試験体に付与する静的載荷とを交互に繰り返し、試験体に付与される荷重と変位を測定する試験を実行する試験機と、静的載荷時に試験体を撮像する撮像装置と、試験の測定結果と、撮像装置から出力される試験体の撮像画像とを、同期して記憶装置に記録するデータ処理装置と、を備える。

また、試験の測定結果は、静的載荷時に試験機から出力される測定データを含み、測定データは、試験機により試験体に付与される荷重と変位を含むようにしてもよい。

また、試験機とは別に設けられ、試験体の少なくとも変位を測定するセンサをさらに備え、試験の測定結果は、静的載荷時にセンサから出力される測定データを含むようにしてもよい。

また、データ処理装置とは別に設けられ、試験機による動的載荷および静的載荷を制御する制御装置をさらに備えるようにしてもよい。

また、制御装置は、周期的に変化する信号を試験機に出力することで試験機に動的載荷を実行させ、略一定の信号を試験機に出力することで試験機に静的載荷を実行させるようにしてもよい。

また、制御装置は、静的載荷時に、所定のトリガー信号をデータ処理装置に送信し、データ処理装置は、トリガー信号の受信に応じて、試験の測定結果と試験体の撮像画像とを同期して記録するようにしてもよい。

また、データ処理装置は、試験体の複数の撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法により、試験体の変位分布またはひずみ分布を導出するようにしてもよい。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る試験方法は、周期的に変化する荷重を試験体に付与する動的載荷と、略一定の荷重または略一定の変位の条件で荷重を試験体に付与する静的載荷とを交互に繰り返し、試験体に付与される荷重と変位を測定する試験を実行しながら、静的載荷時に、試験体を撮像し、試験の測定結果と試験体の撮像画像とを、同期して記憶装置に記録する。

本開示によれば、試験の測定結果と撮像画像との関係を正確に把握することが可能となる。

図１は、本実施形態にかかる試験装置の概要を説明する概略図である。 図２は、本実施形態にかかる載荷制御部およびトリガー信号制御部の動作を説明する図である。 図３は、本実施形態にかかる撮像画像の一例を示す図である。 図４は、本実施形態にかかる試験方法の流れを説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかる試験装置１の概要を説明する概略図である。試験装置１は、例えば、疲労試験のような試験体１０の強度を測定する試験を行う装置である。なお、本実施形態では、強度試験として、試験体１０に引張荷重と圧縮荷重を繰り返し付与する疲労試験の例を挙げて説明する。しかし、本開示の試験は、かかる例に限定されず、例えば、圧縮強度、引張強度、曲げ強度、ねじり強度など、試験体１０の各種の強度を測定する試験に適用可能である。また、試験において試験体１０に対して荷重を付与する方向は、１軸方向であってもよいし、多軸方向であってもよい。

試験体１０は、例えば、金属、プラスチック、または、繊維強化プラスチックなどの複合材等である。試験体１０は、例えば、平板形状である。なお、試験体１０の形状は、平板形状に限らず、例えば、円柱形状、立方体形状、直方体形状、曲板形状または管形状など、試験の目的によって任意の形状としてもよい。

試験装置１は、試験機２０、撮像装置２２、センサ２４、制御装置２６およびデータ処理装置２８を備える。

試験機２０は、試験体１０に荷重を付与して試験体１０を変形させ、試験体１０に付与される荷重と変位を測定する。

また、試験装置１を用いた試験では、デジタル画像相関法（DIC: Digital Image Correlation）を適用することができる。デジタル画像相関法では、まず、試験体１０の表面にランダムな模様（ランダムパターン）を形成する。そして、試験体１０に対する変形が行われる前に、試験体１０のランダムパターンのデジタル画像を撮像装置２２で撮像する。その後、試験体１０を変形させて、再度、ランダムパターンのデジタル画像を撮像装置２２で撮像する。そして、変形前のデジタル画像において複数のサブセットを設定する。なお、サブセットは、デジタル画像上に設定される所定サイズの領域であり、試験体１０の各位置の変位を解析するために利用される。続いて、変形前のデジタル画像において設定した複数のサブセットにそれぞれ対応する複数のサブセットを、変形後のデジタル画像において特定する。そして、変形前後におけるサブセットの代表点（例えば、中心点）の変位を算出することで、試験体１０の変位挙動を解析する。なお、以後、撮像されたデジタル画像を、撮像画像と言う場合がある。

上述のように、試験体１０に付与される荷重および変位の測定は試験機２０により行われ、試験体１０の画像の撮像は撮像装置２２により行われる。仮に、試験の測定結果と撮像画像とが、別々に記録されると、複数の撮像画像のそれぞれが、複数の測定結果のうち、いずれの測定結果に対応するものかが不明確になることがある。その結果、例えば、画像解析または試験精度の検証の信頼性が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態の試験装置１では、疲労試験の測定結果と撮像画像とを、同期して記録するようにする。以下、試験装置１の構成と動作について詳細に説明する。

試験機２０は、枠体３０、可動部３２、第１チャック３４、第２チャック３６、ロードセル３８および制御盤４０を備える。

枠体３０は、底部３０ａ、２つの側柱部３０ｂおよび天井部３０ｃから構成される。底部３０ａは、例えば、平板状に形成され、床上に置かれる。２つの側柱部３０ｂは、互いに離隔して配置され、底部３０ａの縁から上方に起立している。天井部３０ｃは、２つの側柱部３０ｂにおける底部３０ａとは反対側端において、２つの側柱部３０ｂを連結している。

可動部３２は、例えば、棒状に形成される。可動部３２の２つの端部のうちの第１の端部は、２つの側柱部３０ｂのうちの第１の側柱部３０ｂに支持される。可動部３２の２つの端部のうち第２の端部は、２つの側柱部３０ｂのうちの第２の側柱部３０ｂに支持される。可動部３２は、側柱部３０ｂの延在方向、すなわち、図１の上下方向に、摺動可能となっている。

第１チャック３４は、枠体３０の底部３０ａに連結されている。第２チャック３６は、ロードセル３８を介して可動部３２に連結されている。第１チャック３４および第２チャック３６は、対向配置される。試験体１０は、第１チャック３４と第２チャック３６との間に配置される。第１チャック３４は、試験体１０における第１の端部、すなわち、図１の下端部を把持する。第２チャック３６は、試験体１０における第１の端部とは反対側の第２の端部、すなわち、図１の上端部を把持する。以後、第１チャック３４および第２チャック３６に試験体１０を把持させることを、試験機２０に試験体１０をセットする、と言う場合がある。

ロードセル３８は、第２チャック３６と可動部３２との間に設けられる。ロードセル３８の下端は第２チャック３６に連結され、ロードセル３８の上端は可動部３２に連結される。試験機２０に試験体１０がセットされた状態で可動部３２が摺動すると、試験体１０に荷重が付与され、試験体１０が変形する。ロードセル３８は、可動部３２から受ける荷重を第２チャック３６を介して試験体１０に伝達し、試験体１０に付与される荷重を測定する。

制御盤４０は、作業者等の入力操作を受け付け、作業者等に試験機２０の状態を表示するユーザインターフェースを有する。制御盤４０は、可動部３２を移動させる不図示のアクチュエータと接続されており、当該アクチュエータを用いて可動部３２を移動させることができる。制御盤４０は、当該アクチュエータによる可動部３２の移動距離を測定することができる。可動部３２の移動距離は、試験体１０の変位に大凡対応する。これにより、制御盤４０は、可動部３２の移動距離を用いて、試験体１０に付与される変位を間接的に測定することができる。また、制御盤４０は、ロードセル３８と接続されており、ロードセル３８で測定された荷重を取得することができる。

制御盤４０は、試験機２０の外部の装置と電気的に接続することが可能な外部入力端子および外部出力端子を有する。制御盤４０には、外部入力端子を介して外部から制御信号が入力される。後述するが、外部から試験機２０に入力される制御信号に基づいて、試験機２０による試験動作が自動的に制御される。また、制御盤４０は、外部出力端子を介して外部に測定データを出力することができる。試験機２０から出力される測定データは、試験機２０により試験体１０に付与される荷重と変位を含む。

撮像装置２２は、試験機２０にセットされた試験体１０の前に設置され、当該試験体１０を撮像することができる。後述するが、撮像装置２２は、データ処理装置２８から撮像指令を受信したタイミングで撮像を実行し、静止画である撮像画像を生成する。

センサ２４は、例えば、変位計であり、試験機２０とは別に設けられる。センサ２４は、試験体１０に直接取り付けられる。センサ２４は、当該センサ２４が取り付けられた試験体１０の少なくとも変位を測定する。センサ２４は、当該センサ２４により測定された変位を含む測定データを出力する。センサ２４は、例えば、所定のケーブルを通じてデータ処理装置２８に接続される。センサ２４の測定データは、データ処理装置２８に入力される。

より詳細には、センサ２４は、試験体１０における撮像装置２２により撮像される面とは反対側の面に取り付けられる。なお、試験体１０が管形状であれば、センサ２４は、管形状の試験体１０の内面に取り付けられてもよい。撮像装置２２により撮像される面とは反対側の面にセンサ２４が取り付けられることで、撮像画像が得られない部分の変位を取得することができる。また、センサ２４が撮像装置２２による撮像を妨げることを防止することができる。

制御装置２６は、例えば、パーソナルコンピュータで構成される。制御装置２６は、通信部５０および制御部５２を有する。通信部５０は、所定のケーブルを介して試験機２０の制御盤４０の外部入力端子に接続される。なお、制御装置２６は、有線で試験機２０に接続される態様に限らず、無線で試験機２０に接続されてもよい。また、通信部５０は、有線または無線によりデータ処理装置２８と通信することができる。

制御部５２は、１つまたは複数のプロセッサ６０と、プロセッサ６０に接続される１つまたは複数のメモリ６２とを備える。メモリ６２は、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭを含む。プロセッサ６０は、メモリ６２に含まれるプログラムと協働して、制御装置２６全体を制御する。また、制御部５２は、プログラムを実行することで、載荷制御部７０およびトリガー信号制御部７２としても機能する。

図２は、本実施形態にかかる載荷制御部７０およびトリガー信号制御部７２の動作を説明する図である。載荷制御部７０は、通信部５０および試験機２０の外部入力端子を通じて試験機２０に制御信号を送信する制御を行う。制御信号は、例えば、アナログ電圧の時間変化で表される。

疲労試験が開始されると、載荷制御部７０は、図２の上側の波形で例示するような制御信号（例えば、電圧）を生成して、生成した制御信号を試験機２０に出力する。試験機２０は、制御装置２６から入力された制御信号に従って可動部３２を移動させる。

より詳細には、載荷制御部７０は、試験が開始されると、周期的に変化する制御信号を試験機２０に出力する。周期的に変化する制御信号は、例えば、正弦波の信号であってもよいし、三角波の信号であってもよいし、台形波の信号であってもよいし、矩形波の信号であってもよい。以後、説明の便宜のため、周期的に変化する制御信号を、動的信号と言う場合がある。

試験機２０は、入力された制御信号が正値のとき試験体１０に引張荷重を付与し、当該制御信号の値が大きくなるに従って引張荷重が大きくなるように可動部３２を移動させる。試験機２０は、入力された制御信号が負値のとき試験体１０に圧縮荷重を付与し、当該制御信号の値が小さくなるに従って圧縮荷重が大きくなるように可動部３２を移動させる。

図２の上側の波形で例示するように、動的信号が試験機２０に入力されると、試験機２０は、引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返すように可動部３２を移動させる。以後、このように周期的に変化する荷重を試験体１０に付与する動作を、動的載荷という場合がある。なお、ここでは、引張荷重と圧縮荷重とを繰り返す例を挙げているが、動的載荷は、引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返す例に限らない。例えば、動的載荷は、引張荷重のみを付与し、その引張荷重の大きさが周期的に変化する態様でもよいし、圧縮荷重のみを付与し、その圧縮荷重の大きさが周期的に変化する態様でもよい。

載荷制御部７０は、動的信号を、予め設定された所定時間継続した後に、当該動的信号の出力を停止する。つまり、動的載荷が所定時間実行される。この所定時間は、例えば、荷重を１万回変動させる時間など、疲労試験の目的によって任意に設定することができる。

動的信号の停止後、載荷制御部７０は、一定の制御信号を試験機２０に出力する。一定の制御信号は、実際には略一定の制御信号、すなわち、実質的に一定の制御信号であり、時間の経過にかかわらず実質的に値が変化しない信号である。一定の制御信号あるいは略一定の制御信号は、ノイズ程度の僅かな変動を許容する。一定の制御信号は、例えば、疲労試験で試験体１０に付与する荷重のうち最大荷重に対応する制御信号とする。なお、一定の制御信号は、最大荷重に対応する制御信号に限らず、例えば、最大荷重の半分の荷重に対応する制御信号など、疲労試験の目的によって任意に設定することができる。以後、説明の便宜のため、一定の制御信号を、静的信号と言う場合がある。

図２の上側の波形で例示するように、静的信号が試験機２０に入力されると、試験機２０は、当該静的信号に対応する一定の荷重を試験体１０に付与するように可動部３２の移動を制限する。一定の荷重は、実際には略一定の荷重、すなわち、実質的に一定の荷重であり、時間の経過にかかわらず実質的に値が変化しない荷重である。一定の荷重あるいは略一定の荷重は、略一定の制御信号における僅かな変動に起因した所定範囲内の荷重の変動を許容する。例えば、一定の荷重を示す所定値に対して＋２．５％高い荷重を上限値とし、当該所定値に対して－２．５％低い荷重を下限値とする所定範囲内の荷重の変動を許容する。以後、このように一定の荷重を試験体１０に付与する動作を、静的載荷という場合がある。

載荷制御部７０は、静的信号を、予め設定された所定時間継続した後に、当該静的信号の出力を停止する。つまり、静的載荷が所定時間実行される。この所定時間は、例えば、数十分など、疲労試験の目的によって任意に設定することができる。

静的信号の停止後、載荷制御部７０は、再度、動的信号を試験機２０に出力し、動的信号の出力を所定時間継続した後に、再度、静的信号を試験機２０に出力する。

このように、載荷制御部７０は、周期的に変化する制御信号を試験機２０に出力することで試験機２０に動的載荷を実行させ、一定の制御信号を試験機に出力することで試験機２０に静的載荷を実行させる。そして、載荷制御部７０は、動的載荷と静的載荷とを交互に繰り返し実行させる。

トリガー信号制御部７２は、静的載荷時（すなわち、載荷制御部７０が静的信号を試験機２０に出力している期間）に、通信部５０を通じてデータ処理装置２８に所定のトリガー信号を送信する制御を行う。トリガー信号は、例えば、電圧のパルス信号である。

トリガー信号制御部７２は、図２の下側の波形で例示するようなトリガー信号（例えば、電圧）を静的載荷時に生成して、生成したトリガー信号をデータ処理装置２８に送信する。トリガー信号は、データ処理装置２８に対して、疲労試験の測定結果と試験体１０の撮像画像との同期記録を指示する信号である。データ処理装置２８は、制御装置２６から送信されたトリガー信号の受信に応じて、疲労試験の測定結果と、試験体１０の撮像画像とを同期して記録する。

トリガー信号制御部７２は、１回の静的載荷時に複数のトリガー信号（図２参照。）をデータ処理装置２８に送信してもよい。これにより、データ処理装置２８は、１回の静的載荷時に、撮像装置２２に複数回の撮像処理を連続的に実行させ、当該撮像処理によって得られた複数の撮像画像を連続的に記録する。トリガー信号の送信回数は、記録したい撮像画像の数によって、作業者が任意に設定することができる。例えば、１回の静的載荷時に１つの撮像画像のみを記録した場合、当該１つの撮像画像が不鮮明であると、画像解析を適切に行うことができないことがある。しかし、１回の静的載荷時に複数の撮像画像を補足的に撮像および記録することで、鮮明な撮像画像が記録される可能性が高くなり、その結果、画像解析を適切に行うことができる。

なお、トリガー信号制御部７２は、１回の静的載荷時に複数のトリガー信号を送信する態様に限らず、１回の静的載荷時にトリガー信号を少なくとも１回送信するようにしてもよい。この態様では、１回の静的載荷時に１つの撮像画像を記録することができ、当該１つの撮像画像を用いて画像解析を行うことができる。

図１に戻って、説明を続ける。データ処理装置２８は、例えば、画像解析能力を有する高いスペックのパーソナルコンピュータで構成される。本実施形態では、データ処理装置２８は、比較的低いスペックの制御装置２６とは別に設けられる。データ処理装置２８は、通信部８０、記憶装置８２および制御部８４を有する。通信部８０は、所定のケーブルを介して試験機２０の制御盤４０の外部出力端子に接続される。なお、データ処理装置２８は、有線で試験機２０に接続される態様に限らず、無線で試験機２０に接続されてもよい。また、通信部８０は、有線または無線により制御装置２６と通信することができる。

記憶装置８２は、例えば、ハードディスクまたはフラッシュメモリなど、不揮発性の記憶素子で構成される。記憶装置８２には、疲労試験の測定結果および撮像画像が記憶される。なお、記憶装置８２は、データ処理装置２８に含まれる態様に限らず、データ処理装置２８に外付けされてもよい。

制御部８４は、１つまたは複数のプロセッサ９０と、プロセッサ９０に接続される１つまたは複数のメモリ９２とを備える。メモリ９２は、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭを含む。プロセッサ９０は、メモリ９２に含まれるプログラムと協働して、データ処理装置２８全体を制御する。また、制御部８４は、プログラムを実行することで、記録実行部１００および画像解析部１０２としても機能する。

記録実行部１００は、制御装置２６から送信されるトリガー信号の受信に応じて、疲労試験の測定結果と撮像画像とを同期して記憶装置８２に記録する。

より詳細には、記録実行部１００は、トリガー信号を受信すると、撮像装置２２に撮像指令を送信する。撮像装置２２は、撮像指令を受信すると、そのタイミングで静止画の撮像を実行する。そして、撮像装置２２は、撮像画像をデータ処理装置２８に送信する。このようにして、記録実行部１００は、静的載荷中にトリガー信号を受信したタイミングで、撮像画像を取得する。

また、試験機２０は、疲労試験中、外部出力端子を通じて試験機２０の測定データをデータ処理装置２８にリアルタイムに出力する。データ処理装置２８には、試験機２０の測定データが通信部８０を通じてリアルタイムに入力される。記録実行部１００は、トリガー信号を受信すると、そのタイミングで試験機２０の測定データをラッチして取得する。このようにして、記録実行部１００は、静的載荷中にトリガー信号を受信したタイミングで、試験機２０による荷重と変位を含む測定データを取得する。

また、センサ２４は、疲労試験中、センサ２４の測定データをデータ処理装置２８にリアルタイムに出力する。データ処理装置２８には、センサ２４の測定データが通信部８０を通じてリアルタイムに入力される。記録実行部１００は、トリガー信号を受信すると、そのタイミングでセンサ２４の測定データをラッチして取得する。このようにして、記録実行部１００は、静的載荷中にトリガー信号を受信したタイミングで、センサ２４による変位を含む測定データを取得する。

記録実行部１００は、トリガー信号に応じた、撮像画像の取得、試験機２０の測定データの取得、および、センサ２４の測定データの取得を、並行して実行する。

記録実行部１００は、撮像画像、試験機２０の測定データおよびセンサ２４の測定データを取得すると、取得した撮像画像、試験機２０の測定データおよびセンサ２４の測定データを同期して記憶装置８２に記録する。より詳細には、記録実行部１００は、撮像画像、試験機２０の測定データおよびセンサ２４の測定データを、共通の記録時刻に関連付けて記憶装置８２に記録する。これにより、１つのトリガー信号に応じて取得された、撮像画像、試験機２０の測定データおよびセンサ２４の測定データが、相互に関連付けられて記録、すなわち、同期して記録される。

ここで、試験機２０の測定データおよびセンサ２４の測定データを総称して、疲労試験の測定結果と言う場合がある。すなわち、記録実行部１００は、疲労試験の測定結果と、撮像装置から出力される試験体１０の撮像画像とを、同期して記憶装置８２に記録する。

なお、記録実行部１００は、撮像画像、試験機２０の測定データおよびセンサ２４の測定データの全てを、同期して記録する態様に限らない。例えば、記録実行部１００は、センサ２４の測定データの同期を省略し、試験機２０の測定データと撮像画像とを同期して記録してもよい。記録実行部１００は、試験機２０の測定データの同期を省略し、センサ２４の測定データと撮像画像とを同期して記録してもよい。

画像解析部１０２は、疲労試験で記録された撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法による画像解析を実行する。

図３は、本実施形態にかかる撮像画像の一例を示す図である。なお、図３中、理解を容易にするために、サブセット１１２を相対的に大きく示す。図３中、ランダムパターン１１４をクロスハッチングで示す。

ここで、試験体１０の変形前の撮像画像を、第１撮像画像と言う場合があり、試験体１０の変形後の撮像画像を、第２撮像画像と言う場合がある。なお、変形前とは、疲労試験開始の前に限らず、変形後を特定する「変形」の前であればよく、動的載荷の前であればよい。例えば、２回目の動的載荷が、特定の「変形」に対応する場合、２回目の動的載荷の前の静的載荷時、すなわち、１回目の動的載荷の後の静的載荷時を、変形前とし、２回目の動的載荷の後の静的載荷時を変形後としてもよい。

画像解析部１０２は、第１撮像画像において、サブセット１１２を設定する。第１撮像画像におけるサブセット１１２は、第１撮像画像上に設定される所定サイズの領域である。第１撮像画像におけるサブセット１１２は、例えば、２１ピクセル×２１ピクセルの正方形の領域であるが、任意のサイズに設定することができる。

画像解析部１０２は、第２撮像画像において、第１撮像画像のサブセット１１２に対応するサブセット１１２を特定する。第２撮像画像におけるサブセット１１２は、第２撮像画像上で特定される所定サイズの領域である。第２撮像画像におけるサブセット１１２は、第１撮像画像におけるサブセット１１２と同じサイズに設定される。

より詳細には、画像解析部１０２は、第１撮像画像におけるサブセット１１２のランダムパターン１１４と最も高い相関が得られる第２撮像画像上のサブセット１１２を特定する。第２撮像画像上のサブセット１１２の特定方法は、既存の様々な技術を適用できる。

画像解析部１０２は、第１撮像画像のサブセット１１２の代表点Ｐに対する、第２撮像画像のサブセット１１２の代表点Ｐの変位を導出する。代表点Ｐは、例えば、サブセット１１２の中心または重心に設定されるが、サブセット１１２中の任意の点に設定することができる。

そして、画像解析部１０２は、第１撮像画像におけるサブセット１１２の設定を第１撮像画像の様々な位置で行い、第１撮像画像のそれぞれのサブセット１１２について、第２撮像画像におけるサブセット１１２の特定および変位の導出を繰り返す。そうして、画像解析部１０２は、試験体１０全体の変位挙動を得ることができる。また、画像解析部１０２は、変位をひずみに変換することで、試験体１０全体のひずみ挙動を得ることができる。

図４は、本実施形態にかかる試験方法の流れを説明するフローチャートである。まず、作業者は、疲労試験を開始するための準備を行う（Ｓ１０）。より詳細には、作業者は、試験体１０における撮像される面にランダムパターンを形成する。作業者は、ランダムパターンが形成された試験体１０を試験機２０にセットする。作業者は、撮像装置２２の光軸が、試験体１０のランダムパターンが形成された面に対して垂直になるように、撮像装置２２を設置する。作業者は、撮像装置２２の焦点を試験体１０に合わせる。また、作業者は、試験体１０のランダムパターンが形成された面とは反対側の面に、センサ２４を取り付ける。

準備が整ったら、試験体１０の変形を行う前に、作業者は、初期の撮像画像の記録を行う（Ｓ１１）。より詳細には、作業者は、制御装置２６に疲労試験を開始させる前に、制御装置２６に初期のトリガー信号をデータ処理装置２８に送信させる。データ処理装置２８は、当該初期のトリガー信号を受信すると、撮像装置２２に撮像指令を送信する。撮像装置２２は、撮像指令に応じて撮像画像を生成し、生成した撮像画像をデータ処理装置２８に送信する。これにより、データ処理装置２８は、初期の撮像画像を取得できる。また、データ処理装置２８は、試験機２０から出力される初期の荷重および変位をラッチし、センサ２４から出力される初期の変位をラッチする。そして、データ処理装置２８は、試験機２０の初期の荷重および変位、センサ２４の初期の変位、および、初期の撮像画像を、同期して記憶装置８２に記録する。

初期の撮像画像の記録を行った後、作業者は、制御装置２６に疲労試験を開始させる。そうすると、まず、制御装置２６の載荷制御部７０は、周期的に変化する電圧を試験機２０に送信し、試験機２０に動的載荷を実行させる（Ｓ１２）。

動的載荷の状態で予め設定された所定時間が経過すると、載荷制御部７０は、周期的に変化する電圧の送信を停止して動的載荷を停止させる。その後、載荷制御部７０は、予め設定された一定の荷重に対応する一定の電圧を試験機２０に送信し、試験機２０に静的載荷を実行させる（Ｓ１３）。そして、載荷制御部７０は、予め設定された所定時間が経過するまで静的載荷の状態を維持させる。

静的載荷時において、制御装置２６のトリガー信号制御部７２は、所定のトリガー信号をデータ処理装置２８に送信する（Ｓ１４）。なお、トリガー信号制御部７２は、今回の静的載荷中に、トリガー信号を複数回送信してもよい。

データ処理装置２８の記録実行部１００は、トリガー信号を受信すると、測定結果および撮像画像の取得を実行する（Ｓ１５）。より詳細には、記録実行部１００は、撮像装置２２に撮像指令を送信する。撮像装置２２は、撮像指令に応じて撮像を実行し、生成した撮像画像をデータ処理装置２８に送信する。記録実行部１００は、撮像装置２２から送信される撮像画像を取得する。記録実行部１００は、並行して、試験機２０の荷重および変位の測定データをラッチして取得し、センサ２４の変位の測定データをラッチして取得する。

次に、記録実行部１００は、取得した測定結果および撮像画像を同期して記憶装置８２に記録する（Ｓ１６）。すなわち、記録実行部１００は、取得した試験機２０の測定データ、センサ２４の測定データおよび撮像画像を、共通の記録時刻に関連付けて記憶する。

記録実行部１００がステップＳ１６の記録処理を終了した後、画像解析部１０２は、今回の静的載荷時に記録された撮像画像を、変形後の第２撮像画像とし、前回の静的載荷時に記録された撮像画像を、変形前の第１撮像画像として、画像解析を実行する（Ｓ１７）。これにより、今回の静的載荷の直前の動的載荷の前後における２つの撮像画像に基づく変位分布が得られる。画像解析部１０２は、得られた変位分布を、今回記録された撮像画像に関連付けて記憶装置８２に記録する。なお、画像解析部１０２は、変位をひずみに変換してひずみ分布を導出し、導出したひずみ分布を、今回記録された撮像画像に関連付けて記憶装置８２に記録してもよい。

画像解析の後、載荷制御部７０は、疲労試験の終了条件が成立したか否かを判断する（Ｓ１８）。例えば、データ処理装置２８は、動的載荷と静的載荷の繰り返し回数が、予め設定された所定回数以上となった場合、終了条件が成立したと判断する。所定回数は、試験体１０の材質などによって任意に設定することができる。なお、載荷制御部７０は、試験体１０が破壊されて疲労試験が続行できなくなった場合も、終了条件が成立したと判断する。

疲労試験終了条件が成立していない場合（Ｓ１８におけるＮＯ）、載荷制御部７０は、予め設定された所定時間が経過するまで静的載荷の状態を維持し、当該所定時間が経過したタイミングでステップＳ１２の処理に戻る。すなわち、載荷制御部７０は、一定の電圧の送信を停止して静的載荷を停止させ、周期的に変化する電圧を試験機２０に送信し、動的載荷を実行させる（Ｓ１２）。一方、疲労試験終了条件が成立した場合（Ｓ１８におけるＹＥＳ）、載荷制御部７０は、疲労試験を終了する。

以上のように、本実施形態の試験装置１では、動的載荷と静的載荷とを交互に繰り返し、試験体１０に付与される荷重と変位を測定する疲労試験が実行される。そして、本実施形態の試験装置１は、試験の測定結果と、試験体１０を撮像する撮像装置２２から出力される撮像画像とが、同期して記録される。

したがって、本実施形態の試験装置１によれば、試験の測定結果と撮像画像とを明確かつ正確に対応付けて記録できるので、作業者は、当該対応関係を正確に把握することが可能となる。

例えば、本実施形態の試験装置１では、画像解析を行う際、複数の撮像画像のそれぞれが、どのような測定データの状態における撮像画像であるかの対応付けを容易に把握することができる。その結果、本実施形態の試験装置１では、当該画像解析により導出される変位分布またはひずみ分布の信頼性を向上できる。

また、画像解析により導出された変位分布と、試験の測定結果により得られた変位分布とを比較することで、試験精度の検証が行われることがある。本実施形態の試験装置１では、試験の測定結果と撮像画像との関係を正確に把握することができるため、試験精度の検証を正確に行うことができ、試験精度の検証の信頼性を向上できる。

また、本実施形態の試験装置１では、試験機２０による動的載荷および静的載荷が自動的に制御されるとともに、試験の測定結果および撮像画像の同期記録が自動的に行われる。これにより、本実施形態の試験装置１では、動的載荷の中断、静的載荷時の荷重付与、および、試験体１０の撮像および記録を、作業者が手作業で行う必要がない。このため、本実施形態の試験装置１では、作業者の手間や負担を軽減することができる。また、本実施形態の試験装置１では、作業者が対応できる時間帯に限らず、例えば、夜間などにおいても疲労試験を行うことができる。

また、撮像画像に関する処理は、動的載荷および静的載荷の載荷制御と比べ、処理負荷が大きくなり易い。本実施形態の試験装置１では、載荷制御を制御装置２６が実行し、撮像画像に関する処理を、制御装置２６とは別のデータ処理装置２８が実行している。これにより、データ処理装置２８は、処理負荷が比較的大きい撮像画像に関する処理に専念させることができる。また、制御装置２６は、処理負荷が比較的小さい載荷制御を実行するため、データ処理装置２８よりもスペックが低いコンピュータを用いることができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態の静的載荷では、試験体１０に付与される荷重が一定となる試験条件（すなわち、一定の荷重の条件）で、荷重が試験体１０に付与されていた。しかし、かかる例に限定されず、静的載荷では、試験体１０に付与される変位が一定となる試験条件（すなわち、一定の変位の条件）で、荷重が試験体１０に付与されてもよい。より詳細には、載荷制御部７０は、静的載荷時に試験機２０から試験体１０の変位を取得する。載荷制御部７０は、取得した変位が一定となるようにフィードバック制御により制御信号を制御し、当該制御信号を試験機２０に出力する。一定の変位は、実際には略一定の変位、すなわち、実質的に一定の変位であり、時間の経過にかかわらず実質的に値が変化しない変位である。一定の変位あるいは略一定の変位は、フィードバック制御における制御誤差または制御遅延に起因した所定範囲内の変位の変動を許容する。例えば、一定の変位を示す所定値に対して＋２．５％高い変位を上限値とし、当該所定値に対して－２．５％低い変位を下限値とする所定範囲内の変位の変動を許容する。この態様においても、静的載荷時に試験体１０を撮像することができる。

また、上記実施形態のセンサ２４の具体例は、変位計であった。しかし、センサ２４は、ひずみゲージとし、ひずみを測定データとして出力してもよい。

また、上記実施形態では、制御装置２６とデータ処理装置２８とが別々に設けられていた。しかし、データ処理装置２８に制御装置２６の機能が包含されてもよいし、制御装置２６にデータ処理装置２８の機能が包含されてもよい。

また、上記実施形態では、疲労試験中に画像解析が行われていた。しかし、画像解析部１０２は、疲労試験終了後に画像解析を行ってもよい。

また、上記実施形態において、撮像装置２２は、試験体１０全体を撮像可能な画角の広いものでもよいし、顕微鏡と組み合わされて、試験体１０における注目する部分を拡大して撮像するものでもよい。

また、上記実施形態では、引張荷重および圧縮荷重を付与する試験を例に挙げて説明した。しかし、試験装置１で実行される試験は、引張荷重および圧縮荷重を付与する試験に限らない。例えば、試験装置１は、曲げ荷重を付与する試験を実行してもよいし、ねじり荷重を付与する試験を実行してもよい。

また、上記実施形態の試験装置１に限らず、上記実施形態で説明した試験を行う試験方法も提供される。

１ 試験装置
１０ 試験体
２０ 試験機
２２ 撮像装置
２４ センサ
２６ 制御装置
２８ データ処理装置
８２ 記憶装置

Claims (8)

1. 周期的に変化する荷重を試験体に付与する動的載荷と、略一定の荷重または略一定の変位の条件で荷重を前記試験体に付与する静的載荷とを交互に繰り返し、前記試験体に付与される荷重と変位を測定する試験を実行する試験機と、
   前記静的載荷時に前記試験体を撮像する撮像装置と、
   前記試験の測定結果と、前記撮像装置から出力される前記試験体の撮像画像とを、同期して記憶装置に記録するデータ処理装置と、
   を備える試験装置。
2. 前記試験の測定結果は、前記静的載荷時に前記試験機から出力される測定データを含み、
   前記測定データは、前記試験機により前記試験体に付与される荷重と変位を含む、請求項１に記載の試験装置。
3. 前記試験機とは別に設けられ、前記試験体の少なくとも変位を測定するセンサをさらに備え、
   前記試験の測定結果は、前記静的載荷時に前記センサから出力される測定データを含む、請求項１または２に記載の試験装置。
4. 前記データ処理装置とは別に設けられ、前記試験機による前記動的載荷および前記静的載荷を制御する制御装置をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の試験装置。
5. 前記制御装置は、周期的に変化する信号を前記試験機に出力することで前記試験機に前記動的載荷を実行させ、略一定の信号を前記試験機に出力することで前記試験機に前記静的載荷を実行させる、請求項４に記載の試験装置。
6. 前記制御装置は、前記静的載荷時に、所定のトリガー信号を前記データ処理装置に送信し、
   前記データ処理装置は、前記トリガー信号の受信に応じて、前記試験の測定結果と前記試験体の撮像画像とを同期して記録する、請求項４または５に記載の試験装置。
7. 前記データ処理装置は、前記試験体の複数の撮像画像に基づいて、デジタル画像相関法により、前記試験体の変位分布またはひずみ分布を導出する、請求項１から６のいずれか１項に記載の試験装置。
8. 周期的に変化する荷重を試験体に付与する動的載荷と、略一定の荷重または略一定の変位の条件で荷重を前記試験体に付与する静的載荷とを交互に繰り返し、前記試験体に付与される荷重と変位を測定する試験を実行しながら、
   前記静的載荷時に、前記試験体を撮像し、
   前記試験の測定結果と前記試験体の撮像画像とを、同期して記憶装置に記録する、試験方法。

Images