JP6413630B2

JP6413630B2 - 赤外線応力測定方法および赤外線応力測定装置

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Publication number: JP6413630B2
Application number: JP2014219019A
Authority: JP
Inventors: 勇佐大久保; 朋彦春山
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: JP2016085153A

Description

本発明は、試験体に圧縮・引張の荷重を繰り返し負荷したときの微小な温度変化を測定して、応力分布を計測する赤外線応力測定方法および赤外線応力測定装置に関する。

物体に圧縮・引張荷重を繰り返し加えると、発熱、吸熱作用が現れ、この発熱及び吸熱を比較的短い周期で繰り返すと、周囲への熱の拡散、あるいは周囲から熱の流入が断たれた断熱状態で表面温度が変化する。温度変化量と応力変化量との間に比例関係があるので、これを利用して応力分布を計測する赤外線応力測定装置がある（特許文献１）。
赤外線応力測定装置では、赤外線カメラを用いて試験体から放射される赤外線を検出して、２次元平面に配置された複数のピクセルで構成される撮像素子によって熱分布画像を作成している。荷重を負荷したときの熱分布画像と、荷重を除いたときの熱分布画像とを重ねて、各ピクセルごとに温度変化量を測定することによって、試験体の応力分布を計測している。

特開平１０−２７４５７０号公報

赤外線応力測定装置では、応力を計測するために荷重を負荷しているので、試験体が変位している。そのため、特定のピクセルが撮影している試験体の部位は、負荷荷重が最大になる時（時刻Ｔ１）と、負荷荷重が最小になる時（時刻Ｔ２）とでは、わずかに位置が異なっている。試験体の表面の塗装ムラがある箇所や、試験体の輪郭付近などを計測するときには、特定のピクセルが撮影している部位の表面温度が時刻Ｔ１と時刻Ｔ２とで異なる場合がある。赤外線応力測定では微小な温度の変化を計測しているので、この試験体の表面の特性の違いによる温度差を計測することによって、実際には試験体には応力の異常は生じていないにもかかわらず、高い応力値が生じているという計測結果が出力されることがある。

このように、大きい応力が発生していると判断したときには、試験体の大きさを大きくするなどの対策が取られている。しかし、実際には試験体には応力の異常は生じていないので、この場合には、試験体に不要なサイズアップをすることになり、製造コストがいたずらに増大するなどの不利益が生じる。

一方、応力集中などによって、試験体に局部的に高い応力が生じる場合がある。この場合には、その計測した応力値を正しい値として処理する必要がある。
このように、赤外線応力測定装置においては、大きな測定値が計測された場合に、その計測値が異常であるか否かを判断して、異常な計測値を出力するピクセルだけを的確に検出して対処する必要がある。しかし、一般的に、赤外線カメラの撮像素子を構成するピクセルの数が膨大であるため、異常な値を示すピクセルを手作業で検出するのは極めて効率が悪い。異常なピクセルの検出を自動化されたデータ処理によって行う必要がある。

本発明の目的は、赤外線カメラによって撮影した熱分布画像に基づいて応力分布を計測するときに、異常な応力値を示すピクセルを自動化されたデータ処理によって検出して、正確な応力分布を効率よく求めることである。

本発明の赤外線応力測定方法の一形態は、２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有する赤外線カメラを使用して、負荷装置によって試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と除荷したときの前記試験体の表面温度を計測する表面温度計測工程と、前記各ピクセルに対応して前記負荷時の表面温度と前記除荷時の表面温度の差である表面温度変動量を計測して、前記表面温度変動量を処理することによって前記試験体の応力を求める応力演算工程とを有している赤外線応力測定方法であって、前記応力演算工程は、前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第１ピクセル群に分割し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する近似関数を求める第１ステップと、前記第１ピクセル群ごとに前記近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、前記撮像素子の複数のピクセルのうち前記異常ピクセルを除くピクセルについて前記表面温度変動量から前記試験体の応力を計測する第７ステップと、を有している。

本発明の赤外線応力測定方法の他の形態は、２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有する赤外線カメラを使用して、負荷装置によって試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と除荷したときの前記試験体の表面温度を計測する表面温度計測工程と、前記各ピクセルに対応して前記負荷時の表面温度と前記除荷時の表面温度の差である表面温度変動量を計測して、前記表面温度変動量を処理することによって前記試験体の応力を求める応力演算工程とを有している赤外線応力測定方法であって、前記応力演算工程は、前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第１ピクセル群に分割し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第１近似関数を求める第１ステップと、前記第１ピクセル群ごとに前記第１近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、前記異常ピクセルを除いた前記各第１ピクセル群について、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第２近似関数を求める第８ステップと、前記異常ピクセルの前記表面温度変動量を、前記第２近似関数を用いて求めた近似値で置き換える第９ステップと、を有している。

本発明の赤外線応力測定装置の一形態は、２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有し、試験体の表面温度を計測する赤外線カメラと、前記撮像素子によって計測した前記表面温度を記憶し、前記試験体の応力を演算する応力演算部と、前記応力演算部が演算した結果を表示する画像表示部と、を備えている赤外線応力測定装置であって、前記応力演算部は、前記ピクセルごとに、負荷装置によって前記試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と、除荷したときの前記試験体の表面温度との差である表面温度変動量を求める演算機能を有するとともに、前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数のピクセル群に分割し、前記ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する近似関数を求める第１ステップと、前記ピクセル群ごとに前記近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、前記撮像素子の複数のピクセルのうち前記異常ピクセルを除くピクセルが有する前記表面温度変動量から前記試験体の応力を計測する第４ステップと、を順に行う演算機能を有している。

本発明の赤外線応力測定装置の他の形態は、２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有し、試験体の表面温度を計測する赤外線カメラと、前記撮像素子によって計測した前記表面温度を記憶し、前記試験体の応力を演算する応力演算部と、前記応力演算部が演算した結果を表示する画像表示部と、を備えている赤外線応力測定装置であって、前記応力演算部は、前記ピクセルごとに、負荷装置によって前記試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と、除荷したときの前記試験体の表面温度との差である表面温度変動量を求める演算機能を有するとともに、前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第１ピクセル群に分割し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第１近似関数を求める第１ステップと、前記第１ピクセル群ごとに前記第１近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、前記異常ピクセルを除いた前記各第１ピクセル群について、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第２近似関数を求める第８ステップと、前記異常ピクセルが有する前記表面温度変動量を、前記第２近似関数を用いて求めた近似値で置き換える第９ステップと、を順に行う演算機能を有している。

本発明によると、赤外線カメラによって撮影した熱分布画像に基づいて応力分布を計測するときに、異常な応力値を示すピクセルを自動化されたデータ処理によって検出して、正確な応力分布を効率よく求めることが出来る。

本発明の第１実施形態の赤外線応力測定装置を使用して、応力を測定している状態を示す模式図である。異常な値が計測されている温度変動量の分布図の例である。撮像素子におけるピクセルの配置図である。第１実施形態の赤外線応力測定方法のフローチャートである。ピクセルの位置と表面温度変動量との相関図である。ピクセルの位置と表面温度変動量の変化率との相関図である。第１実施形態における応力演算部のブロック図である。第２実施形態における応力演算部のブロック図である。

図１と図４によって、本発明にかかる赤外線応力測定方法および赤外線応力測定装置の第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態の赤外線応力測定装置１０を使用して、捩じり変位負荷装置３０に組み付けた試験体２５の応力を測定している状態を示す模式図である。図４は、第１実施形態の赤外線応力測定方法を説明するフローチャートである。

赤外線応力測定装置１０は、捩じり変位負荷装置３０と、赤外線カメラ１１と、画像信号処理部１５と、画像表示部１８とで構成されている。
試験体２５の応力測定は、捩じり変位負荷装置３０によって、試験体２５に一定の周期で大きさが変化する荷重を負荷しながら行う。試験体２５には、荷重の変動に伴って変動する応力が生じる。このとき、試験体２５では、この応力の変動に応じて表面温度が変動している。表面温度は試験体２５に生じる応力の大きさに比例する。したがって、試験体２５の部位ごとに、荷重を負荷したときと除荷したときの表面温度の変動量（以下、単に「温度変動量ΔＴ」という）を計測することによって、試験体２５の各部に生じる応力を測定することが出来る。

捩じり変位負荷装置３０について説明する。捩じり変位負荷装置３０は、試験体２５に応力を発生させるための負荷装置である。捩じり変位負荷装置３０は、図１に示したように、固定側台座３１と駆動側台座３２とを有している。固定側台座３１と駆動側台座３２は、図１の左右方向に所定の間隔で配置されていて、試験機本体ベース３７に強固に固定されている。固定側台座３１には、試験体２５の軸方向の一方の端部を固定するための取付部３５が設けられている。駆動側台座３２には、駆動シャフト３３が回転自在に組み込まれている。駆動シャフト３３の一方の軸端には、試験体２５の軸方向の他方の端部を固定するための取付部３６が設けられている。

試験体２５は、段付きの円筒形状である。試験体２５の外周には、円筒形状の小径外周面２６と、小径外周面２６より大径で円筒形状の大径外周面２７とが同軸に形成されていて、小径外周面２６と大径外周面２７とは、軸に直角な平面である側面２８によってつながっている。

駆動シャフト３３の他方の軸端は、油圧のロータリーアクチュエータ３４に連結されている。ロータリーアクチュエータ３４を駆動することによって、駆動シャフト３３が回転方向に所定の振幅で揺動する。この揺動運動によって、試験体２５には、一定の周期で繰り返す捩じり荷重が負荷されている。ロータリーアクチュエータ３４からは、駆動シャフト３３の回転方向の位相に応じた信号（位相信号Ｅ）が出力されている。位相信号Ｅは、画像信号処理部１５に送信されている。

赤外線カメラ１１について説明する。赤外線カメラ１１は、集光部１２と撮像素子１３を有している。集光部１２を試験体２５に向けることによって、試験体２５の表面から放射される赤外線を集光している。集光部１２はレンズを備えていて、集光部１２に入射した赤外線は撮像素子１３のうえで結像している。
図３は、撮像素子１３のピクセルの配置図である。撮像素子１３は、２次元の平面上に配列された複数のピクセル１４で構成されている。以下の説明では、撮像素子１３に配置されたピクセル１４の配列を、縦方向に、Ｘ１列、Ｘ２列、・・・Ｘｎ−１列、Ｘｎ列とし、横方向にＹ１列、Ｙ２列、・・・Ｙｍ−１列、Ｙｍ列とする。

各ピクセル１４は、そのピクセルが受像している試験体２５の部位の表面温度に比例する大きさの温度信号Ｖを出力する。撮像素子１３は各ピクセル１４の温度信号を２次元のマトリクスデータとして出力していて、赤外線カメラ１１の撮像素子１３から出力される温度信号Ｖは、試験体２５の表面温度の分布を表している。温度信号Ｖは、ピクセル１４の位置データとともに画像信号処理部１５に送信されている。

画像信号処理部１５は、データ処理部１６と、データ記憶部１７とを有している。図７は、第１実施形態における画像信号処理部１５のブロック図である。温度信号Ｖと位相信号Ｅは、データ処理部で処理されて、その処理結果が逐次データ記憶部１７で記憶されている。以下、画像信号処理部１５において、試験体２５の応力を演算する処理手順を説明する。

データ処理部１６には、図４のフローチャートに示すようなプログラムが記憶されている。プログラムは、データ処理部１６の一部を構成し、データ処理部１６は、ピクセル１４の位置データと温度信号Ｖと位相信号Ｅとを受信する入力部５０と、負荷時と除荷時の表面温度から温度変動量ΔＴを計算する温度変動量演算部５１と、Ｙ１からＹｍまでの各ピクセル１４の温度変動量ΔＴをスプライン近似することによって第１近似関数を作成する第１近似関数演算部５２と、第１近似関数に沿ってピクセル１４の位置を変えたときの温度変動量ΔＴの変化率を演算する微分係数演算部５３と、微分係数の変化に基づいて温度変動量ΔＴが異常であるピクセルを検出する異常ピクセル検出部５４と、異常ピクセルの有する温度変動量ΔＴを修正する異常ピクセル処理部５７と、試験体２５の応力を演算する応力演算部５８と、からなっている。

データ記憶部１７では、負荷時と除荷時のそれぞれにおける試験体２５の表面温度の計測値を表面温度記憶部４１で、温度変動量ΔＴを温度変動量記憶部４２で、温度変動量ΔＴとピクセル１４の位置との相関を近似する第１近似関数を第１近似関数記憶部４３で、ピクセル１４の位置を変えたときの温度変動量ΔＴの変化率を微分係数記憶部４４で、温度変動量ΔＴの計測値が異常であるピクセルの位置を異常ピクセル記憶部４５で、異常ピクセルが有する温度変動量ΔＴを処理した値を修正温度変動量記憶部４７で、応力演算部で計算した各ピクセル１４の応力値を応力値記憶部４８で、それぞれ記憶している。なお、位相信号Ｅによって、負荷周期のうちで負荷時と除荷時を検出できるので、表面温度記憶部４１では、各ピクセル１４ごとに負荷時と除荷時の表面温度のみを記憶している。

図４のフローチャートと、図７のブロック図によって、試験体２５の応力を計算する処理手順を説明する。あわせて、図２と図５、図６によって、データ処理の具体的内容を説明する。図２は、温度変動量ΔＴの分布図である。図５は、図２における点Ｐ１と点Ｐ２の間の、ピクセル１４の位置と温度変動量ΔＴとの相関図である。図６は、図２における点Ｐ１と点Ｐ２の間の、ピクセル１４の位置と温度変動量ΔＴの変化率との相関図である。

図４のＳ１０では、撮像素子１３を構成する全ピクセル１４について温度変動量ΔＴを計算している。温度変動量ΔＴは、表面温度記憶部４１に記憶されている負荷時と除荷時の表面温度の計測値をもとにして、温度変動量演算部５１で計算されている。具体的には、ピクセル１４ごとに、荷重が負荷されたときに測定した温度信号Ｖ１と、除荷されたときに測定した温度信号Ｖ２とから、その差（Ｖ２−Ｖ１）を求めることによって、温度変動量ΔＴを計算している。計算された各ピクセル１４の温度変動量ΔＴは、温度変動量記憶部４２に記憶される。

図２は、温度変動量記憶部４２に記憶されているデータをもとにして画像表示部１８に表示された、温度変動量ΔＴの分布図の例である。図２では、各ピクセル１４を、温度変動量ΔＴの大きさによる階層別の濃淡で示している。ここでは、本発明の効果を説明するために、試験体２５の表面に温度変動量ΔＴの異常な値（図２に示すＡ部である）が計測されている場合の分布図を例に示している。なお、点Ｐ１と点Ｐ２を結ぶ直線は、Ａ部を通っている。
Ａ部では、実際には大きい応力は生じていないにもかかわらず、大きい温度変動量ΔＴが計測されている。Ａ部は、大径外周面２７の軸方向の端（エッジ）であって側面２８とつながる部分と一致している。一般的に、試験体２５の外形形状におけるエッジ部分に大きい温度変動量ΔＴが計測される事象を「エッジ効果」という。応力測定においては、このように異常な計測値を出力するピクセル（以下、「異常ピクセル」という）だけを的確に検出して対処する必要がある。第１実施形態では、以下に説明する処理手順で、異常ピクセルを検出している。

Ｓ１１では、撮像素子１３に配列されたピクセル１４のうち、一列に並んだピクセル群について、第１近似関数を求めている。第１近似関数は第１近似関数演算部５２で計算されている。第１近似関数演算部５２では、図３の左右方向に１列に並んだピクセル群に分割し、それぞれのピクセル群を図３の上から下に向かって順にＸ１列、Ｘ２列、Ｘ３列・・・Ｘｎ列としている。Ｘ１列からＸｎ列までの各列について、Ｙ１からＹｍまでの各ピクセル１４の温度変動量ΔＴをスプライン近似することによって、第１近似関数を求めている。
具体的には、たとえば、Ｘ１列からＸｎ列のうちのＸｉ列について、Ｙ１からＹｍまでの各ピクセル１４に１、２、３の順に１ずつ増加する数字によって位置を表す番号（以下「位置番号」という）を付与する。温度変動量記憶部４２に記憶されているデータを元にして、各ピクセル１４について位置番号と温度変動量ΔＴを組み合わせたデータ群を作成する。その後、このデータ群をスプライン近似する第１近似関数を求める。なお、データの近似方法としては、ラグランジュ近似を用いてもよい。ここで求めた第１近似関数は、ピクセル１４の位置に対する温度変動量ΔＴの関数として、第１近似関数記憶部４３に記憶される。

図５は、Ｓ１１における処理を説明するための、ピクセルの位置と温度変動量ΔＴとの相関図の例である。横軸はピクセル１４の位置番号である。縦軸は、各ピクセル１４における温度変動量ΔＴである。図５に示した各プロットは、図２のＡ部を通るＸ列についての、点Ｐ１から点Ｐ２の間にある各ピクセル１４の温度変動量ΔＴを示している。図中のＺ１の領域にあるピクセル１４が図２のＡ部と一致していて、温度変動量ΔＴが高くなっている。ここでは、Ａ部において温度変動量ΔＴが異常に大きくなる場合を例にして説明するが、温度変動量ΔＴが異常に小さくなる場合（この場合は温度変動量ΔＴは負の値となる）においても同様に処理することが出来る。
図５において、各プロットをつなぐ曲線は、各ピクセルの温度変動量ΔＴをスプライン近似したときの第１近似関数を表している。

Ｓ１２では、Ｓ１１で求めた第１近似関数をピクセル１４の位置で微分して、各位置における微分係数を求めている。微分係数の演算は、微分係数演算部５３で計算されている。計算された微分係数の値は、ピクセル１４ごとに微分係数記憶部４４に記憶される。

Ｓ１３では、微分係数の値が異常であるピクセルを検出している。異常ピクセルの検出は、異常ピクセル検出部５４で演算されている。

図６は、異常ピクセル検出部５４における具体的な処理を説明するための、ピクセルの位置と温度変動量ΔＴの変化率（微分係数）との相関図の例である。横軸はピクセル１４の位置番号である。縦軸は、図５に示した第１近似関数を位置番号で微分したときの微分係数である。
図５では、温度変動量ΔＴはＺ１の領域で大きく増大していて、その後、再び増大する前の温度変動量ΔＴと同等の値に戻っている。このため、図６では、微分係数は、温度変動量ΔＴが増大し始めたＺ２の領域で、絶対値が大きい正の値を示している。その後、温度変動量ΔＴが最大であるＺ１の領域（図５参照）を過ぎて、微分係数は、温度変動量ΔＴが減少しているＺ３の領域で、絶対値が大きい負の値を示している。その後、微分係数は、温度変動量ΔＴが増大する前における値と概ね等しい値を示している。

このように、試験体２５のエッジ部や塗装ムラがある箇所（以下「特異箇所」という）では、その境界部だけで大きな温度変動量ΔＴが計測される。すなわち、特異箇所では、その境界部で大きな温度変動量ΔＴが計測された後、再びもとの温度変動量ΔＴと同等の値が計測される。したがって、特異箇所の前後にわたる第１近似関数の微分係数の値は、温度変動量ΔＴが増大するときと、元の温度変動量ΔＴに復帰するときの２回のタイミングで、絶対値が大きくなる。

異常ピクセル検出部５４では、微分係数の絶対値が大きくなるピクセルを検出するために、閾値を設定している。図６では、閾値の絶対値をＢに設定している。図６に示したように、異常ピクセル検出部５４では、ピクセル１４の位置を順次変えたときに、微分係数の値が最初に正の閾値（＋Ｂ）より大きい値を持つピクセルＸａを特定している。次に、負の閾値（−Ｂ）より小さい値を持つピクセル１４（Ｚ３の領域にあるピクセル）を検出した後、最初に負の閾値（−Ｂ）より大きい値を持つピクセルＸｂを特定している。
この結果、ピクセルＸａを含み、ピクセルＸａとピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセル１４を異常ピクセルとして検出することが出来る。ここで検出した、異常ピクセルの位置番号（ＸａからＸｂ−１までである）が、異常ピクセル記憶部４５に記憶される。

図６では、図２のＡ部において、温度変動量ΔＴが正の値として大きく検出されている場合を例にして説明した。しかし、温度変動量ΔＴが負の値として検出される場合にも同様に処理することが出来る。
まず、微分係数の値が最初に負の閾値より小さい値を持つピクセルＸａを特定する。次に、位置番号を順次増加させて、正の閾値より大きい値を持つピクセル１４を検出する。その後、最初に正の閾値より小さい値を持つピクセルＸｂを特定する。ピクセルＸａを含み、ピクセルＸａとピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセル１４の温度変動量ΔＴが、異常な温度変動量ΔＴであると判断できる。

Ｓ１５では、Ｓ１４で検出された異常ピクセルについて、データの処理を行っている。このデータ処理は、異常ピクセル処理部５７で行われる。第１実施形態では、温度変動量記憶部４２に記憶されている温度変動量ΔＴのデータのうち、Ｓ１１で選択したＸｉ列のデータ群について、異常ピクセル記憶部４５に記憶された位置番号に対応するピクセル１４の温度変動量ΔＴの値を削除している。異常ピクセルの温度変動量ΔＴのデータを削除することによって、正しい値のみで構成されたＸｉ列の温度変動量ΔＴの値は、修正温度変動量記憶部４７に記憶される。

Ｓ１６では、Ｘ１列からＸｎ列までの全ての列について、Ｓ１１からＳ１５までの処理を行う。こうして、塗装ムラやエッジ効果によって温度変動量ΔＴが異常な値として計測された場合には、コンピュータに組み込まれたプログラムに従って自動的に検出することが出来る。この結果、温度変動量記憶部４２に記憶されている全ピクセル１４の温度変動量ΔＴのデータから異常なデータが取り除かれ、正しい値のみで構成された温度変動量ΔＴが、修正温度変動量記憶部４７に記憶される。

Ｓ１７では、各ピクセル１４ごとの応力値を計算している。応力値の計算は、応力演算部５８で行われる。応力値の計算は、修正温度変動量記憶部４７のデータに基づいて行われる。温度変動量ΔＴは、応力の大きさに比例するので、温度変動量ΔＴに所定の係数をかけることによって、各ピクセル１４ごとの応力値を計算することが出来る。計算された応力値は、ピクセル１４毎に応力値記憶部４８に記憶される。

応力演算部５８では、各ピクセル１４の応力値について平均化処理を行っている。平均化処理とは、着目した特定のピクセルＭについて、その近傍にある複数のピクセル１４の応力値を平均して平均値を求め、その平均値をピクセルＭの応力値とすることをいう。この処理によって、ばらつきの小さい応力分布を得ることが出来る。
平均化処理について、Ｘｉ列とＹｊ列が交差する点にあるピクセルＭを例に説明する。平均化処理では、Ｘｉ−１列からＸｉ＋１列までの各列において、Ｙｊ−１列からＹｊ＋１列までの各ピクセル１４（合計９個のピクセルである）について、応力の平均値σｍを求めている。この平均値σｍを、ピクセルＭの応力値としている。同様の処理を繰り返して、全ピクセル１４について行う。なお、Ｓ１５の処理によって削除されたピクセル１４は除外して平均化処理を行う。

画像表示部１８では、応力値記憶部４８のデータに基づいて、各ピクセル１４の応力値をディスプレイに表示している。応力値の大きさによって数段階に区分し、その区分ごとに色別することによって、試験体２５の応力分布を視覚的に認識することができる。応力値の計算は、異常な計測値が削除された修正温度変動量記憶部４７のデータに基づいて行われているので、画像表示部１８に表示される応力分布には、特異箇所の応力異常値が表示されることがない。

一方、試験体２５の表面に応力集中などによって高い応力が発生している場合には、温度変動量ΔＴの微分係数の値（絶対値）は、特異箇所での微分係数の値(絶対値)に比べて小さい。したがって、閾値を適正に設定することによって、応力集中等によって生じた高い応力と、特異箇所での高い応力とを区別することが出来る。したがって、応力集中等によって高い応力が発生している場合には、その計測した応力値を正しい値として処理することができる。

こうして、第１実施形態の赤外線応力測定装置１０では、赤外線カメラ１１によって撮影した熱分布画像に基づいて応力分布を計測するときに、異常な応力値を示すピクセル１４を自動化されたデータ処理によって検出することが出来る。このため、試験体２５の塗装ムラやエッジ効果によって異常な値の応力値が計測されることを防止して、正確な応力分布を効率よく求めることができる。

本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、図４に示したフローチャートのＳ１５における異常ピクセルの処理の仕方が第１実施形態と異なっている。図８は、第２実施形態における画像信号処理部１５のブロック図である。第２実施形態の画像信号処理部１５では、第１実施形態の画像信号処理部１５に対して、データ記憶部１７に第２近似関数記憶部４６が、データ処理部１６に第２近似関数演算部５５と近似値演算部５６とがさらに組み込まれている。第１実施形態と共通する構成については同一の番号を付した。第１実施形態と異なる処理手順について説明する。

第２実施形態のＳ１５では、第１実施形態と同様に、Ｓ１４で検出された異常ピクセルについて、データの処理を行っている。このデータ処理は、第２近似関数演算部５５と近似値演算部５６とで行われる。
第２近似関数演算部５５では、まず、Ｓ１１で選択したＸｉ列の温度変動量記憶部４２に記憶されている温度変動量ΔＴのうち、異常ピクセル記憶部４５に記憶された位置番号のピクセル１４の温度変動量ΔＴを削除している。異常ピクセルのデータを削除した後のデータ群についてスプライン近似することによって、第２近似関数を作成している。ここで作成した第２近似関数は、ピクセル１４の位置に対する温度変動量ΔＴの近似値として、第２近似関数記憶部４６に記憶される。

近似値演算部５６では、温度変動量記憶部４２に記憶されている温度変動量ΔＴのデータを、異常ピクセル記憶部４５に記憶されている位置番号に対応する第２近似関数記憶部４６に記憶された温度変動量ΔＴの近似値で置き換えている。
こうして、正しい値のみで構成されたＸｉ列の温度変動量ΔＴの値が、修正温度変動量記憶部４７に記憶される。その後、第１実施形態と同様にして、応力演算部５８で応力が計算される。

こうして、第２実施形態では、異常ピクセルが有する温度変動量ΔＴの値を近似値で補っているので、各ピクセル１４の温度変動量ΔＴのデータの欠落をなくすことが出来る。したがって、第１実施形態において、異常ピクセルの温度変動量ΔＴのデータを削除して平均化処理をした場合に比べて、第２実施形態では、より高い精度で応力分布を計算することが出来る。

また、図４のフローチャートでは、Ｘ１列からＸｎ列まで順に１列ずつ、Ｙ１〜Ｙｍの各ピクセル１４の温度変動量ΔＴをスプライン近似した。しかし、Ｙ１列からＹｍ列まで順に１列ずつ、Ｘ１〜Ｘｎの各ピクセル１４の温度変動量ΔＴをスプライン近似して、近似関数を求めてもよい。
また、その双方を行うことによって、異常値の検出精度をより高くすることが出来る。双方を行った場合には、いずれかの方向で検出された異常ピクセルをすべて除外する。

こうして、本発明の実施形態である赤外線応力測定装置１０ならびに赤外線応力測定方法を使用することによって、赤外線カメラ１１によって撮影した熱分布画像に基づいて応力分布を計測するときに、異常な応力値を示すピクセル１４を自動化されたデータ処理によって検出して、正確な応力分布を効率よく求めることが出来る。

１０：赤外線応力測定装置、１１：赤外線カメラ、１２：集光部、１３：撮像素子、１４：ピクセル、１５：画像信号処理部、１６：データ処理部、１７：データ記憶部、１８：画像表示部、２５：試験体、２６：小径外周面、２７：大径外周面、２８：側面、３０：捩じり変位負荷装置、３１：固定側台座、３２：駆動側台座、３３：駆動シャフト、３４：ロータリーアクチュエータ、４１：表面温度記憶部、４２：温度変動量記憶部、４３：第１近似関数記憶部、４４：微分係数記憶部、４５：異常ピクセル記憶部、４６：第２近似関数記憶部、４７：修正温度変動量記憶部、４８：応力値記憶部、５０：入力部、５１：温度変動量演算部、５２：第１近似関数演算部、５３：微分係数演算部、５４：異常ピクセル検出部、５５：第２近似関数演算部、５６：近似値演算部、５７:異常ピクセル処理部、５８：応力演算部

Claims

２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有する赤外線カメラを使用して、負荷装置によって試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と除荷したときの前記試験体の表面温度を計測する表面温度計測工程と、前記各ピクセルに対応して前記負荷時の表面温度と前記除荷時の表面温度の差である表面温度変動量を計測して、前記表面温度変動量を処理することによって前記試験体の応力を求める応力演算工程とを有している赤外線応力測定方法であって、
前記応力演算工程は、前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第１ピクセル群に分割し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する近似関数を求める第１ステップと、
前記第１ピクセル群ごとに前記近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、
絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、
前記撮像素子の複数のピクセルのうち前記異常ピクセルを除くピクセルについて前記表面温度変動量から前記試験体の応力を計測する第７ステップと、
を有する赤外線応力測定方法。
前記第３ステップと前記第７ステップとの間に、
前記撮像素子の複数のピクセルを、前記一の方向と異なる他の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第２ピクセル群に分割し、前記第２ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する近似関数を求める第４ステップと、
前記第２ピクセル群ごとに前記近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第５ステップと、
絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第２ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＹａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＹｂを特定することによって、前記ピクセルＹａと、前記ピクセルＹａと前記ピクセルＹｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第６ステップと、
を有する請求項１の赤外線応力測定方法。
２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有する赤外線カメラを使用して、負荷装置によって試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と除荷したときの前記試験体の表面温度を計測する表面温度計測工程と、前記各ピクセルに対応して前記負荷時の表面温度と前記除荷時の表面温度の差である表面温度変動量を計測して、前記表面温度変動量を処理することによって前記試験体の応力を求める応力演算工程とを有している赤外線応力測定方法であって、
前記応力演算工程は、前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第１ピクセル群に分割し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第１近似関数を求める第１ステップと、
前記第１ピクセル群ごとに前記第１近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、
絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、
前記異常ピクセルを除いた前記各第１ピクセル群について、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第２近似関数を求める第８ステップと、
前記異常ピクセルの前記表面温度変動量を、前記第２近似関数を用いて求めた近似値で置き換える第９ステップと、
を有する赤外線応力測定方法。
２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有し、試験体の表面温度を計測する赤外線カメラと、
前記撮像素子によって計測した前記表面温度を記憶し、前記試験体の応力を演算する応力演算部と、
前記応力演算部が演算した結果を表示する画像表示部と、
を備えている赤外線応力測定装置であって、
前記応力演算部は、
前記ピクセルごとに、負荷装置によって前記試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と、除荷したときの前記試験体の表面温度との差である表面温度変動量を求める演算機能を有するとともに、
前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数のピクセル群に分割し、前記ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する近似関数を求める第１ステップと、
前記ピクセル群ごとに前記近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、
絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、
前記撮像素子の複数のピクセルのうち前記異常ピクセルを除くピクセルが有する前記表面温度変動量から前記試験体の応力を計測する第４ステップと、
を順に行う演算機能を有する赤外線応力測定装置。
２次元平面に配置した複数のピクセルからなる撮像素子を有し、試験体の表面温度を計測する赤外線カメラと、
前記撮像素子によって計測した前記表面温度を記憶し、前記試験体の応力を演算する応力演算部と、
前記応力演算部が演算した結果を表示する画像表示部と、
を備えている赤外線応力測定装置であって、
前記応力演算部は、
前記ピクセルごとに、負荷装置によって前記試験体に荷重を負荷したときの前記試験体の表面温度と、除荷したときの前記試験体の表面温度との差である表面温度変動量を求める演算機能を有するとともに、
前記撮像素子の複数のピクセルを、一の方向に一列に並んだピクセルからなる複数の第１ピクセル群に分割し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第１近似関数を求める第１ステップと、
前記第１ピクセル群ごとに前記第１近似関数を前記位置で微分して、前記各ピクセルの位置における微分係数を求める第２ステップと、
絶対値が等しい正、負の閾値を設定し、前記第１ピクセル群ごとに、前記ピクセルの位置の順に配列した前記微分係数の値が最初に前記正、負の閾値を超える値を持つピクセルＸａを特定し、その後、前記ピクセルの位置を順次変えて、前記負、正の閾値を超える値を持つピクセルを検出した後において最初に前記負、正の閾値を超えない値を持つピクセルＸｂを特定することによって、前記ピクセルＸａと、前記ピクセルＸａと前記ピクセルＸｂとの間にあるすべてのピクセルとを異常ピクセルとして検出する第３ステップと、
前記異常ピクセルを除いた前記各第１ピクセル群について、前記ピクセルの位置と前記表面温度変動量との関係を近似する第２近似関数を求める第８ステップと、
前記異常ピクセルが有する前記表面温度変動量を、前記第２近似関数を用いて求めた近似値で置き換える第９ステップと、
を順に行う演算機能を有する赤外線応力測定装置。