JP4406695B2 - 応力測定システム - Google Patents

Description

本発明は、被測定物に加わる応力を非接触で測定する応力測定システムに関する。
より詳しくは、応力発光物質が付与された被測定物から放射される光量を測定し、被測定物の応力分布を測定するための応力測定システムに関する。

従来、被測定物に加わる応力を測定する応力測定システムとして、被測定物に歪ゲージを貼り付け、被測定物に生ずる歪量を電気的に検出して応力値を測定する方法が広く一般に知られている。
この測定方法は、測定センサーである歪ゲージを貼り付けた上、更に歪ゲージからの信号を測定器で取得するため、被測定物の表面に配線手段を講じなければならない。

一方、測定センサー等の物理的な接触を伴わないように、コードレスに非接触で応力を測定する方法も知られている（特許文献１参照）。
この特許文献１の応力分布測定方法は、物体に圧縮荷重と引張荷重とを繰り返し加えると、物体に発熱作用と吸熱作用とが交互に発生することに着目したものである。
より具体的には、周波数の高い荷重の振幅を物体に加えると、ある任意の点について考えた場合、周囲に熱がほとんど伝導しない内に、その点において発熱作用と吸熱作用とが繰り返し発生するので、その点の温度振幅を赤外線カメラにより測定することで応力分布を求めるものである。

しかし、赤外線カメラを用いた赤外線応力画像手法では、周波数の高い振幅荷重を被測定物に伝達しなければならず、解析専用の周期的な応力を加える必要があり、また赤外線カメラに該応力と同期する信号を印加する必要があり、リアルタイムでの応力測定はできなかった。
このようなことから、応力発光物質を使った応力分布の測定方法が開発されている。
この方法は、被測定物の表面に応力発光物質を塗布し、この応力発光物質の発光強度を測定することにより被測定物の応力分布を測定する方法である（特許文献２参照）。
そして、この特許文献２の図３に示すように、被測定物（被験体）からの発光量を１台の電子カメラで測定するものである。

特公昭６２−１２０４号公報 特開２００１−２１５１５７号公報

しかしながら、特許文献２に記載の応力測定方法では、測定対象物からの光を単に受光するだけであり、いわゆる、被測定物の三次元形状を考慮した応力分布の算出は行われていなかった。
測定対象物から発する光は、電子カメラ（撮像素子）からの距離や方向により強さが異なるために、それを単に測定するだけでは正確性が得られない。
すなわち、被測定物が凹凸や曲面を有する複雑形状の場合には、正確な応力分布が得られない問題がある。

本発明は、かかる背景技術をもとになされたもので、上記の背景技術の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明は、被測定物の三次元形状をも考慮して被測定物表面の応力分布を正確に算出することができる応力測定システムを提供することを目的とする。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、応力発光物質が付与された被測定物を複数の撮像装置を用いて撮像することにより、被測定物の奥行きの補正が可能となることで、上記の問題点を解決することができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、（１）、被測定物に付与された応力発光物質の発光強度を検出し、且つ被測定物の形状を撮像するための複数台の撮像装置と、該複数の撮像装置により撮像された情報に基づき前記被測定物の三次元形状を算出し、該三次元形状により前記発光強度を補正して応力分布を決定する画像処理装置と、を有することを特徴とする応力測定システムに存する。

また、本発明は、（２）、前記被測定物の三次元形状は、ステレオ法を用いて算出する上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（３）、前記被測定物の三次元形状は、視体積交差法を用いて算出する上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（４）、前記被測定物の三次元形状は、エッジ法を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（５）、前記被測定物の三次元形状は、等輝度線法を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（６）、前記被測定物の三次元応力分布を表示する表示装置を有する上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（７）、前記画像処理装置によって算出された三次元応力分布データを記録する記録装置を有する上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（８）、前記被測定物は、複雑形状を有するものである上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（９）、前記応力発光物質は被測定物の表面に付与された上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

また、本発明は、（１０）、前記応力発光物質は被測定物の内部に付与された上記（１）に記載の応力測定システムに存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記請求項を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明の応力測定システムによれば、被測定物に付与された応力発光物質の発光強度を検出し、且つ被測定物の形状を撮像するための複数台の撮像装置と、該複数の撮像装置により撮像された情報に基づき前記被測定物の三次元形状を算出し、該三次元形状により前記発光強度を補正して応力分布を決定する画像処理装置とを有するので、撮像装置により測光される光量及び撮像情報を基に、三次元形状の被測定物の表面の応力分布を正確に得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の応力測定システムの一実施形態を示している。
この実施形態の応力測定システムは、主として応力発光物質１が付与された凹凸のある三次元形状の被測定物２（図２参照）を対象としている。
この被測定物２に荷重を加え変形させると、その変形と対応するように応力発光物質１も変形し、それに応じて発光する。
この発光量を測光する原理である。
被測定物２の具体的なものとしては、複雑形状を有するものが対象となり、例えば、歯車・カム等の動力伝達部材、シリンダヘッド等の自動車用エンジン部品等、種々のものが適用される。

応力発光物質は、被測定物２に塗布したり、エアロゾルデポジション法等の手法を用いてバインダーフリーで製膜したり、フイルム状に積層したりすることで、その表面に強く付着した膜を形成することにより、付与される。
また、被測定物２が試作品とする場合は、応力発光物質を試作品の内部に取り込んで付与することができる。
ここで、応力発光とは、応力、摩擦力、衝撃力及び振動等により機械的に加えられたエネルギーによって物質が発光する現象をいい、応力発光物質とは、そのような現象を示す物質をいう。

応力発光物質としては、無機物質と有機物質を用いることが出来る。発光強度の点から、無機物質を用いることが望ましい。
応力発光無機物質は、母体となる無機結晶中に、発光中心となる元素がドープされたものである。
応力発光物質を構成する無機の母体結晶の材質としては、ウルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又はβ−アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物が挙げられる。

この母体材料にドープされる発光中心となる元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等の希土類イオン、及びＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ等の遷移金属イオン内の１種類以上を用いることが好ましい。

母体材料として、例えばストロンチウム及びアルミニウム含有複合酸化物を用いる場合、ｘＳｒＯ・ｙＡｌ_２Ｏ_３・ｚＭＯ（Ｍは二価金属、Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，ｘ，ｙ，ｚは整数である）、ｘＳｒＯ・ｙＡｌ_２Ｏ_３・ｚＳｉＯ_２（ｘ，ｙ，ｚは整数である）を用いると良い。
中でも、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、ＳｒＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、等が望ましい。

本発明の応力測定システムは、少なくとも、発光強度を検出し、且つ被測定物の形状を撮像するための複数台の撮像装置と、発光強度と撮像情報を処理する画像処理装置を備える。
更に詳しくは、応力発光物質１から放射された光は、この応力発光物質１の発光強度を検出するために配置された撮像装置である二台の電子カメラ３によって検知され測光される。

この電子カメラ３内には集光レンズ及び撮像素子が設けられ、被測定物２からの光は集光レンズで集光され、撮像素子で受光される。
撮像素子では光電変換が行われ、その出力信号は、同じく電子カメラ３内に設けられたＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換されて発光強度を検出する。
このデジタル信号は、例えばケーブルを介して画像処理装置４に入力される。
一方、二台の電子カメラ３によって被測定物２の表面形状を撮影した撮影情報が画像処理装置４に入力される。

画像処理装置４では、撮像された情報に基づき被測定物２の三次元形状が算出される。 三次元形状が分かれば、各電子カメラ３から測定点までの距離も算出でき、光源からの距離が長くなると照度が低下する点を考慮した発光強度の補正処理を行うことができる。 すなわち、撮像素子から得た受光強度の分布を補正処理することにより、実際の被測定物の応力分布をリアルタイムに算出決定できる。

被測定物２の三次元形状は、例えば、ステレオ法、視体積交差法、エッジ法、等輝度線法などの手法を用いて算出される。
ステレオ法は、異なる視点から撮影される二次元画像上で、被測定物表面上の点の対応づけを行い、三角測量の要領で対象までの距離を求め、奥行きを計算する方法である。
視体積交差法は、被測定物周囲の複数の電子カメラから入力された画像に対して、被測定物存在領域のシルエットを、電子カメラの光学主点位置から仮想的に被測定物方向に逆投影する処理を行い、錐体領域を形成した後、電子カメラ毎に形成された錐体領域の重複領域（論理積）を被写体の概形とし、その概形の形状を三次元形状データとする方法である（例えば、特開２００３−３３１３８３号公報参照）。
エッジ法は、測定物の画像間で3次元空間の同じ部分を表す点の対を求めるエッジを算出する方法であり、輪郭の微少な形状変化に影響されることなく、物体の形状をエッジ特徴として抽出することによって、形状をすばやく計測できる方法である（例えば、特開２００４−０３７２５１公報参照）。
また、等輝度線法は、被計測面のデータを直接的にステレオにより復元する方法として、シェイディングから検出される等輝度線をステレオの対応単位として用いる方法である。

画像処理装置４により得られた被測定物２の三次元応力分布は、表示装置５に表示され、三次元応力分布データは記録装置６に記録される。
記録装置６には、例えばハードディスクが内蔵され、このハードディスクに記録されたり、或いはフロッピーディスクやフラッシュメモリ等の運搬可能な記録媒体に記録される。

一方、図３に示す表示装置５には、被測定物２の三次元形状が復元され、応力発光物質１が塗布された部分の応力分布が表示される。
この応力分布は、撮像情報から三次元形状により前記発光強度を補正した結果であり、被測定物２の表面における実際の真の応力分布を示すものである。
なお、画像処理装置４としては、その処理に必要な演算処理部、記憶部等があり、適宜計算処理が行われることはいうまでもない。
このようにして、電子カメラ３により測光される光量と撮像情報により、三次元形状の被測定物２の表面の応力分布を正しく得ることができる。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、二台の電子カメラ３によって被測定物２を撮像した例について説明したが、三台以上の電子カメラ３を用いることにより、更に高精度な測定を行うことも可能である。

また、上述した実施形態では、応力発光物質１を被測定物２の表面に付与した例について説明したが、例えば、図４に示すように、応力発光物質を被測定物２の中に含ませて応力分布を測定することも当然可能である。
例えば、実験にて模擬試作品を作成して、この試作品を被測定物２として使用する場合がこれに相当する。
具体的には、被測定物２Ａである模擬試作品を、応力発光物質１Ａを含む合成樹脂材で成形すればよく、合成樹脂材が不透明の場合は、試作品の表層に存在する応力発光物質の発光強度が測定に寄与されることとなる。

本発明は、応力発光物質が付与された被測定物から放射される光量を測定し、被測定物の応力分布を測定するための応力測定システムに関するものであるが、その原理を応用する限りにおいて、例えば建築物の応力分布等の測定にも適用でき、その応用分野は広いものである。

図１は、本発明の応力測光システムの一実施形態を示す説明図である。 図２は、図１の応力発光物質が塗布された被測定物を示す説明図である。 図３は、応力分布が示された被測定物を表示する表示装置を示す説明図である。 図４は、本発明の応力測光システムの一実施形態の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１，１Ａ 応力発光物質
２，２Ａ 被測定物
３ 電子カメラ
４ 画像処理装置
５ 表示装置
６ 記録装置

Claims (10)

1. 被測定物に付与された応力発光物質の発光強度を検出し、且つ被測定物の形状を撮像するための複数台の撮像装置と、
   該複数の撮像装置により撮像された情報に基づき前記被測定物の三次元形状を算出し、該三次元形状により前記発光強度を補正して応力分布を決定する画像処理装置と、
   を有することを特徴とする応力測定システム。
2. 前記被測定物の三次元形状は、ステレオ法を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
3. 前記被測定物の三次元形状は、視体積交差法を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
4. 前記被測定物の三次元形状は、エッジ法を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
5. 前記被測定物の三次元形状は、等輝度線法を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
6. 前記被測定物の三次元応力分布を表示する表示装置を有することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
7. 前記画像処理装置によって算出された三次元応力分布データを記録する記録装置を有することを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
8. 前記被測定物は、複雑形状を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム
9. 前記応力発光物質は被測定物の表面に付与されたことを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。
10. 前記応力発光物質は被測定物の内部に付与されたことを特徴とする請求項１に記載の応力測定システム。

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